ไฟฟ้าและอิเล็คทรอนิกส์เบื้องต้น: หน่วยที่ 5 ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับไฟฟ้า

สาระสำคัญ

ในสมัยโบราณมนุษย์มีความรู้เกี่ยวกับเรื่องของไฟฟ้าน้อยมาก ถึงแม้จะได้พบปรากฏการณ์ที่เกิดจากไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอก็ตาม โดยเฉพาะปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นทางธรรมชาติ เช่น ฟ้าแลบ, ฟ้าร้อง,ฟ้าผ่า ต่อมามนุษย์เริ่มค้นพบประจุไฟฟ้า จากการนำเอาแท่งอำพันมาถูกับขนสัตว์ ทำให้เกิดประกายไฟ นอกจากนี้เริ่มมีการสังเกตจากการหวีผม ซึ่งขณะที่หวีผมนั้นเกิดการดูดเส้นผม เสมือนมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น มนุษย์เริ่มคุ้นเคยและรู้จักการนำไฟฟ้ามาใช้ประโยชน์เมื่อราวปี พ.ศ. 2397 โดยนักวิทยาศาสตร์ชื่อ ไฮน์ริส เกอบเบิลได้ค้นพบหลอดไฟฟ้าชนิดมีไส้ ซึ่งในปัจจุบันก็ยังมีใช้กันอยู่ หลังจากนั้นได้มีการนำไฟฟ้า มาใช้งานด้านต่าง ๆ เพิ่มขึ้น เช่น ให้แสงสว่าง, ให้ความร้อน, ใช้ในงานด้านมอเตอร์, วิทยุ, โทรทัศน์ ฯลฯ เป็นต้น โดยสรุปชีวิตประจำวันของมนุษย์จะต้องมีความเกี่ยวข้องกับไฟฟ้าเสมอ

จุดประสงค์เชิงพฤติกรรม

อธิบายโครงสร้างของอะตอมได้
แบ่งสารทางไฟฟ้าได้
อธิบายวิธีการทำให้เกิดประจุด้วยวิธีต่าง ๆ ได้
เขียนความสัมพันธ์ของแรงดัน กระแส และความต้านทานได้
นำแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบต่าง ๆ ไปประยุกต์ใช้งานได้
เขียนกฎของโอห์มได้
คำนวณค่าใช้จ่ายไฟฟ้าตามหลักการของการไฟฟ้าได้

โครงสร้างของอะตอม

ทุกสิ่งทุกอย่างที่เรามองเห็นบนโลกนี้ล้วนเป็นสสาร (Matters) ทั้งสิ้น สสารเป็นสิ่งที่มีน้ำหนัก ต้องการที่อยู่อาศัย โดยทั่วไปจะมีอยู่ 3 สถานะคือ ของแข็ง, ของเหลว และ ก๊าซ

ธาตุ (Elements) ประกอบจากสสาร จนกลายเป็นธาตุชนิดต่าง ๆ เช่น ทองแดง, อลูมิเนียม, เงิน, ทองคำ, ปรอท เป็นต้น

อะตอม (Atom) คืออนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุ ไม่สามารถอยู่ตามลำพังได้ ต้องอยู่รวมกัน เป็นโมเลกุล (Molegul) ภายในอะตอมจะประกอบไปด้วยที่อยู่แกนกลางคือนิวเครียส (Neucleus) ภายในนิวเครียสประกอบด้วยโปรตรอน ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าเป็นบวก (Positive Charge) และนิวตรอน (Neutron) มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วนที่อยู่รอบนอกมีวงโคจรความเร็วสูง อาจมีวงเดียวหรือหลายวงก็ได้ วงนอกสุดนั้นเรียกว่าอิเล็กตรอน (Electron) ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นลบ (Negative Charge)

การแบ่งสารทางไฟฟ้า

การแบ่งสารทางไฟฟ้าสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดคือ

1. ตัวนำ เป็นสารที่อยู่วงนอกสุดประมาณ 1-3 ตัว เมื่อให้พลังงานเพียงเล็กน้อย จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรเคลื่อนที่ไปในชั้นสารได้ง่าย มีผลทำให้สารนั้นเป็นตัวนำได้ เช่น ทองแดง, อลูมิเนียม ฯลฯ เป็นต้น

2. ฉนวน เป็นสารอิเล็กตรอนวงนอกสุด ที่ยึดเกี่ยวกับอะตอมอื่น ๆ ทำให้อิเล็กตรอนอิสระน้อย จึงไม่เกิดการนำกระแส เช่น ไมก้า, เซรามิค ฯลฯ เป็นต้น

3. สารกึ่งตัวนำ เป็นสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว เมื่อได้รับอุณหภูมิสูงขึ้นจะเปลี่ยนสภาพเป็นสภาวะตัวนำ ที่นำมาทำเป็นสารกึ่งตัวนำ ได้แก่ ซิลิกอน และเยอรมันเนียม เป็นต้น

ประจุไฟฟ้า (Charge of Electricity)

ประจุไฟฟ้า หมายถึง ปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่ไหลไปในตัวนำไฟฟ้า การขัดสีระหว่างวัตถุ 2 ชนิด เช่น การเอาแท่งแก้วถูกับผ้าไหม แท่งแก้วจะถ่ายทอดอิเล็กตรอนให้แก่ผ้าไหม ทำให้แท่งแก้วเกิดประจุบวก และผ้าไหมเกิดประจุลบ

เมื่อมีการนำเอาวัตถุ 2 ชนิดที่มีประจุไฟฟ้าไม่เท่ากันมาวางใกล้ ๆ กันจะไม่เกิดการถ่ายเทอิเล็กตรอน ซึ่งไม่สามารถทำให้ประจุไฟฟ้าถ่ายเทเข้าหากันได้ ซึ่งมีผลทำให้ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล เรียกว่า ไฟฟ้าสถิตย์ (Static Electricity)

ประจุไฟฟ้าใช้สัญลักษ์ Q มีหน่วยวัดเป็นแอมแปร์-วินาที (Ampere-Second) ใช้ตัวย่อของหน่วยวัดเป็น As หรือ C

การเกิดประจุไฟฟ้า

การที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรจะมีผลทำให้เกิดประจุไฟฟ้ามีหลายวิธี ได้แก่

1. การขัดสี (Friction) เกิดจากการนำเอาวัตถุต่างชนิดมาถูกัน

2. ความร้อน (Heat) การให้ความร้อนที่จุดต่อของโลหะต่างชนิดกัน

3. แรงกดดัน (Pressure) เกิดโดยการกดดันของผลึกในสารบางชนิด เช่น ผลึกควอทช์ (Quartz)

4. แสงสว่าง (Light) เกิดจากการให้แสงสว่างมาตกกระทบกับสารที่มีความไวต่อแสง เช่น โฟโตเซล

5. แม่เหล็ก (Magnetism) เกิดจากตัวนำเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก

6. ปฏิกิริยาเคมี (Chemical Action) เกิดจากปฏิกิริยาเคมีในเซลไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้า (Electrical Voltage)

แรงดันไฟฟ้าเกิดจากการแยกประจุบวกและประจุลบออกจากกันเพื่อทำให้ประจุทั้งสองเป็นกลาง ซึ่งมีผลทำให้เกิดความต่างศักย์ทางไฟฟ้า แรงดัน 1 โวล์ท คือแรงดันที่ทำให้กระแส 1 แอมแปร์ไหลผ่านเข้าไปในความต้านทาน 1 โอห์ม

หน่วยของแรงดันไฟฟ้า

ชนิดของแรงดันไฟฟ้า

1. แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Voltage) ขนาดของขั้วแรงดันไฟฟ้าจะคงที่ตลอด ไม่มีการเปลี่ยนแปลงสัญลักษณ์ (-)

2. แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Voltage) ขนาดและขั้วของแรงดันไฟฟ้า จะมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา มีลักษณะเป็น Sine Wave (~ )

แหล่งกำเนิดไฟฟ้า

แหล่งกำเนิดไฟฟ้าหรือแหล่งจ่ายไฟฟ้า หมายถึงแหล่งพลังงานที่สามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าออกมาใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่ว ๆ ไปได้ มีดังต่อไปนี้คือ

1. แบตเตอรี่ (Battery) เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า อาศัยการเปลี่ยนแปลงทางด้านเคมีที่บรรจุภายใน ซึ่งเซลล์แต่ละเซลล์ ของแบตเตอรี่จะต่อเป็นอนุกรม ขนาน หรือแบบผสมขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดันและกระแสที่ต้องการ

แรงดันไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ ที่ได้จากเซลล์แบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ในการสร้าง สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่มคือ

แบตเตอรี่แบบปฐมภูมิ (Primary Cell)
แบตเตอรี่แบบทุติยภูมิ (Secondary Cell)

แบตเตอรี่แบบปฐมภูมิ คือแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วเกิดการทำปฏิกิริยาเคมีภายใน ไม่สามารถนำมาใช้ใหม่ เช่น ถ่านไฟฉาย, ถ่านนาฬิกา, ถ่านในรีโมทคอนโทรล อุปกรณ์ต่าง ๆ เป็นต้น

แบตเตอรี่แบบทุติยภูมิ คือแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วสามารถนำมาชาร์จไฟเข้าไปใหม่ได้

ความจุของแบตเตอรี่ (Q) คือความสามารถที่จะจ่ายไฟของแบตเตอรี่ หรือเก็บความจุนั้นขึ้นอยู่กับเซลของแผ่นธาตุ มีหน่วยวัดเป็นแอมแปร์ต่อชั่วโมง (Ah) ดังนั้นจึงสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

Q = I x t

การนำแบตเตอรี่ไปใช้งาน

ใช้สำหรับขับเคลื่อนเครื่องยนต์ให้แสงสว่างในรถยนต์, เรือและใช้ในการสื่อสารต่าง ๆ เป็นต้น แบตเตอรี่จำพวกนี้ส่วนมากเป็นชนิดแบตเตอรี่ตะกั่วกรด (Lead-Acid )

แบตเตอรี่ชนิดนิเกิล-เหล็ก (Nickel-Iron) เป็นแบตเตอรี่ที่บรรจุในกล่องเหล็กกล้าชุบนิเกิล สามารถจ่ายกระแสไฟได้สูงมาก ขั้วบวกทำมาจากนิเกิลไฮดรอกไซด์ ใช้โปรแตสเซียมไฮดรอกไซด์เป็นน้ำยาอิเล็กโตรไลต์ที่นิยมใช้คือในเครื่องไฟฉุกเฉิน (Emergency Lighting) ในรถโฟคลิฟ (Electric Forklifts) แต่ไม่นิยมใช้ในการสตาร์ทรถยนต์แกสโซลีนและดีเซล

แบตเตอรี่ชนิดนิเกิล-แคดเมียม (Nickel-Cadmium : Ni-Cad)โครงสร้างคล้ายแบตเตอรี่นิเกิล-เหล็ก ขั้วบวกเป็นชนิดนิเกิลไฮดรอกไซด์ ขั้วลบจะเป็นแคดเมียมและเหล็กละเอียด น้ำยาอิเล็กโตรไลต์ ที่ใช้ภายในคือโปรแตสเซียมไฮดรอกไซด์แบตเตอรี่ชนิดนี้ทนต่อการใช้งาน เสียหายยาก ใช้งานได้นาน ให้แรงดันต่อเซลล์ประมาณ 1.2 โวลท์ เมื่อใช้ไฟหมดแล้วสามารถประจุไฟใหม่ได้ นิยมใช้ในนาฬิกา,เครื่องคิดเลข, แฟลชของกล้องถ่ายรูป อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เป็นต้น

เซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cells)

เซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์สิ่งประดิษฐ์ทางวิศวกรรม โดยประยุกต์ให้มีคุณสมบัติทางด้านสารกึ่งตัวนำ เมื่อมีแสงมากระทบจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากพลังงานแสงอาทิตย์ ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า เซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบันทำมาจากธาตุซิลิกอน (Silicon) ซึ่งเป็นธาตุที่พบมากที่สุดบนโลก สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดใหญ่ ๆ คือ แบบผลึกและแบบอะมอร์พัส

การสร้างจะทำได้โดยใช้ P-N Junction ประกอบขึ้นเป็นพื้นฐานโดยให้แรงดันไฟฟ้าประมาณ 0.5 โวลท์ ส่วนกระแสจะแปรผันตามแสงบนพื้นที่ของเซลล์ ในการรับแสงของซิลิกอนแบบผลึกเดี่ยว ให้กระแสได้ประมาณ 2 แอมแปร์ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร เมื่อต้องการแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น ต้องนำเซลล์แสงอาทิตย์มาต่อเพิ่มแบบอนุกรมเพื่อให้ได้แรงดันตามต้องการ ถ้าต้องการกระแสเพิ่มสูงขึ้น ให้นำเซลล์แสงอาทิตย์มาต่อขนานกัน การต่อแบบนี้มีลักษณะเป็นโมดูล เมื่อเอาโมดูลมาประกอบเพื่อติดตั้งใช้งานจะเรียกว่าแผง (Array) แผงที่ติดตั้งในปัจจุบันจะมีอายุการใช้งานประมาณ 20-25 ปี แต่ในขณะนี้ได้มีการพยายามคิดค้นและพัฒนา เพื่อให้มีอายุการใช้งานมากกว่า 30 ปี

จุดเด่นของไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์

แหล่งพลังงานคือดวงอาทิตย์ เพราะฉะนั้นจะใช้ได้ตลอดไปและไม่เสียค่าใช้จ่าย แหล่งพลังงานอื่น ๆ ที่เอามาใช้กันเช่น น้ำมัน, ถ่านหิน, ก๊าซธรรมชาติ ซึ่งแหล่งพลังงานเหล่านี้จะหมดไปได้
ไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์เกิดจากการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง ไม่ใช้ น้ำมัน, ถ่านหิน หรือก๊าซเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งทำให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม
สามารถสร้างไฟฟ้าได้ทุกขนาด ตั้งแต่ขนาดเล็กที่สามารถนำไปใช้กับเครื่องคิดเลขจนถึงระบบโรงงานไฟฟ้าขนาดใหญ่ระดับ 100 KW ซึ่งเซลล์แสงอาทิตย์สามารถให้ประสิทธิภาพเท่ากัน ปัจจุบันนำไปใช้กับเครื่องคิดเลข, ปั๊มน้ำ, รถยนต์ไฟฟ้า, เรือไฟฟ้า, ระบบไฟฟ้าตามบ้าน เป็นต้น
มีการประยุกต์นำเซลล์แสงอาทิตย์ไปใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าบางประเภทเช่น เครื่องหมายสัญญาณจราจร, ไฟฟ้าบริเวณถนนต่าง ๆ, เครื่องทวนสัญญาณวิทยุและโทรศัพท์ และใช้ติดบนหลังคารถยนต์

แหล่งจ่ายไฟแบบอิเล็กทรอนิกส์

แหล่งจ่ายไฟแบบอิเล็กทรอนิกส์ ( Electronic Power Supplies ) ที่ใช้ในปัจจุบันได้นำไปประยุกต์ใช้กับ วิทยุ, โทรทัศน์, วิดีโอเทป, คอมพิวเตอร์, โทรศัพท์, ระบบสื่อสารต่างๆ เป็นต้น แหล่งจ่ายไฟแบบนี้เป็นแหล่งจ่ายไฟที่ทำหน้าที่แปลงไฟฟ้ากระแสสลับจากไฟบ้าน 220 โวลท์เป็นไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันต่ำ เพื่อจ่ายให้แก่วงจรอิเล็กทรอนิกส์ให้สามารถทำงานได้

เจนเนอเรเตอร์ (Generators)

เจนเนอเรเตอร์ เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยใช้หลักการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กตัดผ่านขดลวดเหนี่ยวนำ ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำขณะหมุน ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าออกมา

กฎของโอห์ม (Ohm‘s Law)

กระแสไฟฟ้า แรงดันและความต้านทาน จะมีความสัมพันธ์กันคือ ในวงจรไฟฟ้าทั่ว ๆ ไป ในกรณีที่ความต้านทานคงที่ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านในวงจร จะมีการเปลี่ยนแปลงตามแรงดันที่ป้อนให้กับวงจร ถ้าแรงดันในวงจรไฟฟ้าเพิ่มขึ้น กระแสที่ไหลในวงจรก็จะมีค่าเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

ในกรณีที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าจ่ายแรงดันให้กับวงจรคงที่ ปริมาณของกระแสที่ไหลในวงจรมีการเปลี่ยนแปลง ในลักษณะผกผันกับค่าความต้านทาน กล่าวคือ ถ้าค่าความต้านทานสูง จะทำให้กระแส ไฟฟ้าไหลในวงจรได้น้อย แต่ถ้าค่าความต้านทานต่ำ กระแสไฟฟ้าจะไหลได้มาก

กล่าวโดยสรุป คือ กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรจะแปรผันโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าและแปร ผกผันกับค่าความต้านทานไฟฟ้านั่นเอง

กำลังไฟฟ้า (Power in Electrical)

กำลังไฟฟ้าหมายถึง การป้อนแรงดันไฟฟ้าเข้าไปในโหลดเพื่อทำให้เกิดพลังงานในรูปต่าง ๆ เช่นพลังงานแสงสว่าง, พลังงานความร้อน, พลังงานกล เป็นต้น กำลังไฟฟ้ามีหน่วยเป็นวัตต์ (Watt:W) มีสูตรที่ใช้ในการคำนวณดังนี้ โดย

P             =             EI   (Watt:W)
P             =             กำลังไฟฟ้า
E             =             แรงดันไฟฟ้า
I              =             กระแสไฟฟ้า