Physics

     วงจรไฟฟ้า 

       เป็นการนำเอาสายไฟฟ้าหรือตัวนำไฟฟ้าที่เป็นเส้นทางเดินให้กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านต่อถึงกันได้นั้นเราเรียกว่า วงจรไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่อยู่ภายในวงจรจะเริ่มจากแหล่งจ่ายไฟไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้า ดังการแสดงการต่อวงจรไฟฟ้าเบื้องต้นโดยการต่อแบตเตอรี่ต่อเข้ากับหลอดไฟ หลอดไฟฟ้าสว่างได้เพราะว่ากระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้ตลอดทั้งวงจรไฟฟ้าและเมื่อหลอดไฟฟ้าดับก็เพราะว่ากระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลได้ตลอดทั้งวงจร เนื่องจากสวิตซ์เปิดวงจรไฟฟ้าอยู่นั่นเอง

            แสดงวงจรไฟฟ้าเบื้องต้น  มีส่วนประกอบหลัก 3 ส่วน  ส่วนประกอบหลักแต่ละส่วนมีหน้าที่การทำงานดังนี้

            1.  แหล่งจ่ายไฟฟ้า  เป็นแหล่งจ่ายแรงดันและกระแสให้กับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้าโดยแหล่งจ่ายไฟฟ้าสามารถนำมาได้จากหลายแหล่งกำเนิด  เช่น  จากปฏิกิริยาเคมี  จากขดลวดตัดสนามแม่เหล็ก  และจากแสงสว่าง  เป็นต้น  บอกหน่วยการวัดเป็นโวลต์ (Volt) หรือ V

            2.  โหลดหรืออุปกรณ์ไฟฟ้า  เป็นอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ไฟฟ้าในการทำงาน  โหลดจะทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานรูปอื่นๆ เช่น เสียง แสง ความร้อน  ความเย็น และการสั่นสะเทือน เป็นต้น  โหลดเป็นคำกล่าวโดยรวงมถึงอุปกรณ์ไฟฟ้าทุกชนิดอะไรก็ได้ เช่น  ตู้เย็น  พัดลม เครื่องซักผ้า  โทรทัศน์  วิทยุ  และเครื่องปรับอากาศ เป็นต้น  โหลดแต่ละชนิดจะใชัพลังงานไฟฟ้าไม่เท่ากัน  ซึ่งแสดงด้วยค่าแรงดัน  กระแส  และกำลังไฟฟ้า

            3.  สายไฟต่อวงจร  เป็นสายตัวนำหรือสายไฟฟ้า  ใช้เชื่อมต่อวงจรให้ต่อถึงกันแบบครบรอบ  ทำให้แหล่งจ่ายแรงดันต่อถึงโหลดเกิดกระแสไหลผ่านวงจร  จากแหล่งจ่ายไม่โหลดและกลับมาครบรอบที่แหล่งจ่ายอีกครั้ง  สายไฟฟ้าที่ใช้ต่อวงจรทำด้วยทองแดงมีฉนวนหุ้มโดยรอบเพื่อให้เกิดความปลอดภัยในการใช้งาน

6.2  แบบวงจรไฟฟ้า

    ส่วนสำคัญของวงจรไฟฟ้าคือการต่อโหลดใช้งาน  โหลดที่นำมาต่อใช้งานในวงจรไฟฟ้าสามารถต่อได้เป็น  3  แบบด้วยกัน  ได้แก่  วงจรำฟฟ้าแบบอนุกรม  (Series Electrical Circuit) วงจรไฟฟ้าแบบขนาน (Parallel Electrical Circuit) และวงจรไฟฟ้าแบบผสม (Series - Parallel Electrical Circuit)

6.2.1  วงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม

            จรอนุกรมหมายถึง การนำเอาอุปกรณ์ทางไฟฟ้ามาต่อกันในลักษณะที่ปลายด้านหนึ่งของอุปกรณ์ตัวที่ 1 ต่อเข้ากับอุปกรณ์ตัวที่ 2 จากนั้นนำปลายที่เหลือของอุปกรณ์ตัวที่ 2 ไปต่อกับอุปกรณ์ตัวที่ 3 และจะต่อลักษณะนี้ไปเรื่อยๆ ซึ่งการต่อแบบนี้จะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียวกระแสไฟฟ้าภายในวงจรอนุกรมจะมีค่าเท่ากันทุกๆจุด ค่าความต้านทานรวมของวงจรอนุกรมนั้นคือการนำเอาค่าความต้านทานทั้งหมดนำมารวมกันส่วนแรงดันไฟฟ้าในวงจรอนุกรมนั้นแรงดันจะปรากฎคร่อมตัวต้านทานทุกตัวที่จะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านซึ่งแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะมีค่าไม่เท่ากันโดยสามารถคำนวนหาได้จากกฎของโอห์ม

รูปแสดงวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม

6.2.2  วงจรไฟฟ้าแบบขนาน

            วงจรที่เกิดจากการต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไปให้ขนานกับแหล่งจ่ายไฟมีผลทำให้ค่าของแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมอุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละตัวมีค่าเท่ากัน ส่วนทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าจะมีตั้งแต่ 2 ทิศทางขึ้นไปตามลักษณะของสาขาของวงจรส่วนค่าความต้านทานรวมภายในวงจรขนานจะมีค่าเท่ากับผลรวมของส่วนกลับของค่าความต้านทานทุกตัวรวมกัน ซึ่งค่าความต้านทานรวมภายในวงจรไฟฟ้าแบบขนานจะมีค่าน้อยกว่าค่าความต้านทานภายในสาขาที่มีค่าน้อยที่สุดเสมอ และค่าแรงดันที่ตกคร่อมความต้านทานไฟฟ้าแต่ละตัวจะมีค่าเท่ากับแรงเคลื่อนของแหล่งจ่าย

รูปแสดงวงจรไฟฟ้าแบบขนาน

6.2.3  วงจรไฟฟ้าแบบผสม

            เป็นการต่อวงจรไฟฟ้าโดยการต่อรวมกันระหว่างวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรมกับวงจรไฟฟ้าแบบขนาน  ภายในวงจรโหลดบางตัวต่อวงจรแบบอนุกรม  และโหลดบางตัวต่อวงจรแบบขนาน  การต่อวงจรไม่มีมาตรฐานตายตัว  เปลี่ยนแปลงไปตามลักษณะการต่อวงจรตามต้องการ  การวิเคราะห์แก้ปัญหาของวงจรผสม  ต้องอาศัยหลักการทำงานตลอดจนอาศัยคุณสมบัติของวงจรไฟฟ้าทั้งแบบอนุกรมและแบบขนาน  ลักษณะการต่อวงจรไฟฟ้าแบบผสม

รูปแสดงวงจรไฟฟ้าแบบขนาน

6.3  การต่อเซลล์ไฟฟ้า

    เซลล์ไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นมาในรูปแบตเตอรี่  ถ่านไฟฉาย  หรือแหล่งจ่ายไฟต่างๆ แต่ละเซลล์ไฟฟ้าสามารถผลิตแรงดันออกมาได้ต่ำ  เซลล์ไฟฟ้าบางชนิดมีแรงดันเพียง 1.2V, 1.5V , 6V , 9V , 12V และ 24V เป็นต้น  การนำเซลล์ไฟฟ้าไปใช้งานบางครั้งต้องการแรงดันมากขึ้น  จึงจำเป็นต้องต่อเซลล์ไฟฟ้าเข้าด้วยกัน  เพื่อให้ได้แรงดัน  กระแส  และกำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้นตามต้องการ  รูปและสัญลักษณ์ของเซลล์ไฟฟ้า  แสดงดังรูป

            การต่อเซลล์ไฟฟ้าต่อได้  3  วิธีด้วยกันดังนี้
                      1.)  การต่อเซลล์แบบอนุกรม (Series Cells)
                      2.)  การต่อเซลล์แบบขนาน (Parallel  Cells)
                      3.)  การต่อเซลล์แบบผสม (Series - Parallel Cells)

6.4  การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม

           

ลักษณะคุณสมบัติของวงจรอนุกรม
1. ในวงจรหรือส่วนใดส่วนหนึ่งของวงจรอนุกรมจะมีกระแสไหลผ่านในทิศทางเดียวเท่านั้น
2. แรงดันตกคร่อมที่ความต้านทานแต่ละตัวในวงจรเมื่อนำมาร่วมกันจะมีค่าเท่ากับแรงดันที่จ่ายให้กับวงจร
3. ค่าความต้านทานย่อยแต่ละตัวในวงจร เมื่อนำมารวมกันก็จะมีค่าเท่ากับค่าความต้านทานรวมกันทั้งหมดในวงจร
4. กำลังและพลังงานไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ความต้านทานย่อยแต่ละตัวในวงจร เมื่อนำมารวมกันก็จะมีค่าเท่ากำลังและพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดในวงจร

6.5  การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน

           

วงจรขนาน

สำหรับค่าแรงดันไฟฟ้าในวงจรขนานที่ตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวนั้น มีค่าเท่ากับค่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมความต้านทานแต่ละตัวซึ่งมีค่าเท่ากับ
VR1 = VR2 = VR3 = VR4 = VS = 9V

กระแสไฟฟ้าในวงจรขนาน

กระแสไฟฟ้าภายในวงจรขนานจะมีหลายค่าด้วยกัน ทั้งนี้เนื่องจากทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้ามีมากกว่า 1 ทิศทาง ดังนั้น การคำนวนหาค่ากระแสไฟฟ้าจึงใช้กฎของ Kerchhoff,s Current Law โดยมีวิธีการคำนวนสองวิธีคือ

1. กระแสไฟฟ้ารวมภายในวงจร ( IT ) จะมีค่าเท่ากับผลรวมของกระแสไฟฟ้าที่ไหลแยกในแต่ละทิศทาง ( I1 + I2 + I3 + I4+…..)
2. กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าสู่จุดๆ หนึ่งจะมีค่าเท่ากับกระแสไฟฟ้าที่ไหลออกจากจุดๆ นั้นเสมอ

การวัดแรงดันตกคร่อมของตัวต้านทานในวงจรขนาน

ลักษณะคุณสมบัติของวงจรขนาน

1. แรงดันที่ตกคร่อมที่อิลิเมนท์ หรือที่ความต้านทานทุกตัวของวงจรจะมีค่าเท่ากันเพราะว่าเป็นแรงดันตัวเดียวกันในจุดเดียวกัน
2. กระแสที่ไหลในแต่ละสาขาย่อยของวงจร เมื่อนำมารวมกันจะมีค่าเท่ากับกระแสที่ไหลผ่านวงจรทั้งหมดหรือกระแสรวมของวงจร
3. ค่าความนำไฟฟ้าในแต่ละสาขาย่อยของวงจร เมื่อนำมารวมกันจะมีค่าเท่ากับค่าความนำไฟฟ้าทั้งหมดของวงจร
4. กำลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่อิลิเมนท์หรือค่าความต้านทานในแต่ละสาขาในวงจรเมื่อนำมาร่วมกันก็จะมีค่าเท่ากับกำลังและพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดของวงจร

6.7  วงจรไฟฟ้าแสงสว่าง

           การที่จะทำให้เกิดแสงสว่างในวงจรไฟฟ้าได้นั้น ในวงจรจะต้องประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟฟ้าสำหรับป้อนแรงดันและกระแสให้กับหลอดโดยผ่านสายไฟ โดยที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าจะเป็นแบบไฟฟ้ากระแสนตรงหรือระแสสลับขึ้นอยู่กับชนิดของหลอดที่ต้องการใช้กับไฟฟ้าประเภทใด

วงจรแบบเปิดไฟจะดับ	วงจรแบบปิดไฟจะติด

รูปแสดงการต่อวงจร

            ถ้าเป็นไฟฟ้าที่ใช้ตามอาคารบ้านเรือน ต้องป้อนไฟฟ้ากระแสสลับให้กับหลอดไฟ โดยที่แหล่งจ่ายไฟคือโรงไฟฟ้าบริเวณเขื่อนต่าง ๆ จะผลิตกระแสไฟฟ้าแล้วส่งมาตามสายไฟฟ้าแรงสูงผ่านหม้อแปลงที่การไฟฟ้าสถานีย่อย เพื่อแปลงแรงดันให้ลดลงเหลือประมาณ 12,000 โวลท์ แล้วส่งต่อมายังสายไฟตามถนนสายต่าง ๆ ก่อนที่จะตอเข้าอาคารบ้านเรือน จะมีหม้อแปลงที่ใช้ในการแปลงไฟจาก 12,000 โวลท์ เป็น 220 โวลท์ 1 เฟส โดยที่สายไฟจะมี 2 เส้น คือ ไลน์ (Line) และ นิวตรอน (Neutral) ไลน์ เป็นสายไฟที่มีไฟ ส่วนนิวตรอน เป็นสายดินไม่มีไฟ สามารถทดสอบได้โดยใช้ไขควงเช็คไฟ ถ้าไฟติดที่เส้นใดแสดงว่าเป็นเส้นไลน์ นอกจากนี้ยังมีระบบไฟฟ้าที่จ่ายให้กับโรงงานอุตสาหกรรมประเภท 3 เฟส ซึ่งแรงเคลื่อนที่จ่ายอาจจะเป็น 220 โวลท์ หรือ 380 โวลท์ขึ้นอยู่กับความต้องการใช้งาน โดยทั่วไปโรงงานอุตสาหกรรมจะต้องใช้ไฟมาก จึงจำเป็นที่จะต้องใช้ไฟแบบ 3 เฟส อาจจะมี 3 สาย หรือ 4 สาย ก็แล้วแต่ความต้องการใช้งาน

หลอดใส้

            โครงสร้างภายในประกอบด้วยไส้หลอดที่ทำมาจากทังสเตน, ก้านยึดใส้หลอด, ลวดนำกระแส , แผ่นฉนวนหักเหความร้อน,ฟิวส์,ท่อดูดอากาศ และขั้วหลอดแก้วจะบรรจุก๊าซเฉี่อย เช่น อาร์กอน หรือไนโตรเจน เพื่อไม่ให้หลอดที่ร้อยขณะป้อนกระแสไฟฟ้าไหลผ่านทำให้เกิดการเผาไหม้ไส้หลอดอาจจะขาดได้

       

หลอดฟลูออเรสเซนต์แบบต่างๆ

            เป็นหลอดไฟฟ้าที่นิยมใช้กันทั่วไป เพราะว่าให้แสงสว่างนวลสบายตา และมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าหลอดไส้ถึง 8 เท่า ลักษณะของหลอดเป็นรูปทรงกระบอก รูปวงกลมและตัวยู มีขนาดอัตราทนกำลัง 10 วัตต์, 20 วัตต์, 32 วัตต์, และ 40 วัตต์เป็นต้น ขนาด 40 วัตต์มีอายุการใช้ังาน 8,000 ถึง 12,000 ชั่วโมง ให้ความสว่างของแสงประมาณ 3,100 ลูเมน

รูปแสดงการต่อใช้งานของหลอดฟลูออเรสเซนต์

รูปแสดงการต่อหลอดแบบมีไส้

            การต่อวงจรใช้งานเริ่มจากต่อสายไฟ 220 VAC เข้ากับสวิตช์ แล้วต่อเข้าหลอดไฟ ส่วนสายไฟอีกเส้นหนึ่งต่อเข้าหลอดไฟโดยตรงเมื่อทำการปิดสวิตซ์จะมีกระแสไหลทำให้หลอดไฟติดเป็นการต่อวงจรใช้งานที่ง่ายกว่าหลอดประเภทอื่น ๆ หลอดไฟประเภทนี้มีขนาดอัตราทนกำลัง 25 วัตต์ 40 วัตต์ 60 วัตต์ และ 100 วัตต์ หลอดไส้ขนาด 40 วัตต์มีอายุการใช้งาน 1,250 ชั่วโมงให้แสงสว่าง 430 ลูเมน เป็นต้น