ไฟฟ้ากระแส กรวรณ36

 ไฟฟ้ากระแส

ไฟฟ้ากระแส คือ การไหลของอิเล็กตรอนภายใน ตัวนำไฟฟ้าจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งเช่น ไหลจาก แหล่งกำเนิดไฟฟ้าไปสู่แหล่ง ที่ต้องการใช้กระ แสไฟฟ้า ซึ่งก่อให้เกิด แสงสว่าง เมื่อกระแส ไฟฟ้าไหลผ่านลวด ความต้านทานสูงจะก่อให้ เกิดความร้อน เราใช้หลักการเกิดความร้อน เช่นนี้มาประดิษฐ์อุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น เตาหุงต้ม เตารีดไฟฟ้า เป็นต้น

แบ่งเป็น 2 ประเภท

-ไฟฟ้ากระแสตรง Direct Current 

-ไฟฟ้ากระแสสลับ Alternating Current 

ความต้านทาน

กฎของโอห์มกล่าวว่า “เมื่ออุณหภูมิคงที่ ค่าของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านโลหะตัวนำหนึ่งจะมีค่าแปรผันตรงกับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายทั้งสองของตัวนำนั้น โดยอัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าย่อมมีค่าคงที่ เรียกว่า ความต้านทาน”

ความต้านทาน (Resistance ; R) มีหน่วยเป็น โวลต์ต่อแอมแปร์ หรือ โอห์ม

ตัวต้านทาน (resistor) เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยปรับความต้านทานให้กับวงจร เพื่อช่วยปรับให้กระแสไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ไฟฟ้าพอเหมาะกับวงจรนั้นๆ ชนิดของตัวต้านทาน แบ่งออกได้ 2 ชนิด

ตัวต้านทานค่าคงตัว (fixed resistor) เป็นตัวต้านทานที่มีค่าตัวต้านทานคงตัว พบในวงจรไฟฟ้าและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป

ตัวต้านทานแปรค่า (variable resistor) เป็นตัวต้านทานที่สามารถปรับค่าความต้านทานได้

 ความต่างศักย์ไฟฟ้า คือ ความแตกต่างของพลังงานไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุด ซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นโดยกระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดที่มีระดับพลัง งานไฟฟ้าสูง (ศักย์ไฟฟ้าสูง) ไปยังจุดที่มีระดับพลังงานไฟฟ้าต่ำกว่า (ศักย์ไฟฟ้าต่ำ) และจะหยุดไหลเมื่อศักย์ไฟฟ้าทั้งสองจุดเท่ากัน

วงจรไฟฟ้ากระแสตรง

วงจรอนุกรม คือ วงจรที่ประกอบด้วยความต้านทานตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไปต่อเรียงกัน โดยมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านความต้านทานนั้น ๆ เพียงเส้นเดียว

วงจรขนาน คือ วงจรที่มีองค์ประกอบวงจรตั้งแต่สองตัวขึ้นไป โดยปลายทั้งสองข้างต่อคร่อมรวมกันที่ขั้วของแหล่งจ่าย

วงจรผสม คือ วงจรที่ประกอบไปด้วยคุณลักษณะของวงจรอนุกรม และคุณลักษณะของวงจรขนานรวมอยู่ในวงจรเดียวกัน ซึ่งวงจรในลักษณะนี้จะมีอยู่มากมายในวงจรที่ใช้งานจริง และในการแก้ปัญหาในวงจรผสมนี้ จะต้องใช้คุณสมบัติของวงจรอนุกรมแก้ปัญหาในวงจรย่อยที่มีลักษณะอนุกรม และใช้คุณสมบัติของวงจรขนานแก้ปัญหาวงจรย่อยที่มีลักษณะขนาน แล้วจึงนํามาหาผลรวมผลรวมสุดท้าย จึงจะได้ผลของวงจรรวมที่เรียกว่า วงจรผสม

วงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า คือ วงจรที่มีการต่อแบบอนุกรม ซึ่งสามารถแบ่งแรงดันไฟฟ้าได้หลาย ๆ ค่าจากแหล่งกําเนิดเดียวกัน ค่าแรงดันไฟฟ้าที่ได้จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับค่าความต้านทานที่ต่อในวงจรนั้น ๆ

วงจรแบ่งกระแสไฟฟ้า คือ วงจรขนานนั่นเอง จากวงจรจะเห็นว่าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจรขนาน กระแสจะถูกแบ่งให้ไหลแยกไปในสาขาต่าง ๆ ของวงจร ค่าของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านในแต่ละสาขาจะขึ้นอยุ่กับค่าความต้านทานที่ต่ออยู่ในสาขานั้นๆ

สิ่งที่ควรทราบ

1.ถ้าประจุบวก เคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังศักย์ไฟฟ้าต่ำ จะเกิดพลังงานออกมา

2.ถ้าประจุลบ เคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าต่ำไปศักย์ไฟฟ้าสูง จะเกิดพลังงานออกมา

3.ถ้าประจุบวก เคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าต่ำไปศักย์ไฟฟ้าสูงจะเสียงาน (งานที่เสียไปสะสมในรูปพลังงานศักย์ ซึ่งจะปล่อยออกมาเป็นพลังงานภายหลัง)

4.ถ้าประจุลบ เคลื่อนที่จากศักย์ไฟฟ้าสูงไปศักย์ไฟฟ้าต่ำ จะเสียงาน

กำลังไฟฟ้า

         กำลังไฟฟ้า หมายถึง พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไปใน 1 หน่วยเวลา

                   กำลัง = งาน/เวลา

                       P = W/t   หน่วยของกำลัง = จูล/วินาที หรือวัตต์

                   กำลังไฟฟ้า = พลังงานไฟฟ้า/เวลา

เครื่องหมายบนเครื่องใช้ไฟฟ้า

         เครื่องหมายบนเครื่องใช้ไฟฟ้ามักจะบอกค่าความต่างศักย์ที่ใช้(V)  และกำลังที่เกิดขึ้นเป็นวัตต์ (W) แต่บางชนิดก็กำหนดค่าความต่างศักย์ (V) กับกระแสที่ผ่านเครื่องใช้ไฟฟ้านั้นเป็นแอมแปร์ (A) เช่น

         เตารีด 110 V  750 W หมายความว่าเตารีดจะเกิดกำลังไฟฟ้า 750  วัตต์ เมื่อใช้กับไฟฟ้าความต่างศักย์ 110 โวลต์ และควรใช้กับไฟความต่างศักย์ 110 โวลต์เท่านั้น ถ้าใช้กับความต่างศักย์ 220 V เตารีดจะไหม้และเกิดอันตราย แต่ถ้าใช้กับความต่างศักย์ต่ำกว่า 110 V  จะเกิดกำลังน้อยกว่า 750 W ทำให้เกิดความร้อนน้อยลง

         เตารีดไฟฟ้า 220 V 3 A  หมายความว่า เมื่อใช้เตารีดไฟฟ้ากับความต่างศักย์ไฟฟ้า 220 โวลต์ จะมีกระแสไฟฟ้าผ่าน 3 แอมแปร์ หรือเกิดกำลังไฟฟ้า เท่ากับ 220 x3 = 660  วัตต์

         การต่อวงจรไฟฟ้าในบ้าน เครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น หลอดไฟฟ้า เตารีด พัดลม จะต่อวงจรกันแบบขนานทั้งสิ้น ทั้งนี้เนื่องจากต้องการให้เครื่องมือเหล่านั้นรับความต่างศักย์เท่ากัน และเท่ากับที่กำหนดไว้บนเครื่องหมายจึงจะเกิดกำลังตามที่กำหนด และถ้าเครื่องมือใดชำรุดเสียหาย เช่น หลอดไฟฟ้าขาดก็จะดับเฉพาะดวงนั้นไม่เกี่ยวข้องกับดวงอื่น

การคำนวณหากระแสและความต้านทานของเครื่องใช้ไฟฟ้า

         จากจำนวนวัตต์ (W)  หรือ กำลังไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า (V) ที่กำหนดไว้บนเครื่องใช้ไฟฟ้าเราอาจคำนวณหา I  ที่ไหลผ่าน และ R  ของเครื่องใช้ไฟฟ้านั้นได้ดังนี้

         จาก P = IV

          ดังนั้น I = P/V

         แต่ต้องไม่ลืมว่าค่า กระแสไฟฟ้าที่คำนวณได้นี้จะเป็นค่ากระแสไฟฟ้าเมื่อใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าตามความต่างศักย์ที่กำหนดไว้เท่านั้น เช่น หลอดไฟฟ้า 220 V 100 W มีกระแสไหลผ่านหลอด เท่ากับ 100/220 = 0.45  แอมแปร์ เมื่อใช้กับความต่างศักย์ไฟฟ้า 220 V  ถ้าเปลี่ยนความต่างศักย์เป็น 110 V  กระแสไฟฟ้าที่ไหลจะลดน้อยลงซึ่งอาจคำนวณได้โดยใช้กฎของโอห์ม แต่ต้องคำนวณหา R ของเครื่องใช้ไฟฟ้าเสียก่อน เพราะ R ของเครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นค่าคงที่ ไม่เปลี่ยนแปลง คำนวณได้จากสมการ

                         R = V2 /P

         เช่น เตาไฟฟ้า 100 V 1000 W  จะมีความต้านทาน R = V2 /P = (110)2/1000 = 12.1 1 โอห์ม ความต้านทานอันนี้ ถือว่าเป็นความต้านทานประจำตัวของเตาไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากความร้อนในขดลวด ในการคำนวณเราถือว่า R เป็นค่าคงที่ตลอดเวลา

สรุปหลักการคิดกำลังไฟฟ้า

ถ้าเดิมหลอดไฟทุกหลอดมีความต่างศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน เมื่อต่อกันแบบขนาน และต่อกับความต่างศักย์ไฟฟ้าเดิม

                   Iรวม = I1 + I2 + I3+…

                   Pรวม/V = P1/V + P2/V+ P3/V+…

            ดังนั้น Pรวม = P1 + P2 + P3 +…  ถ้า V  เท่ากัน

ถ้าเดิมทุกหลอดมีความต่างศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน เมื่อต่ออนุกรมกันแล้ว ต่อความต่างศักย์ไฟฟ้าเท่าเดิม

หา R  แต่ละหลอดก่อน เพราะ R คงที่เสมอ

            R1 =V2/P1

             R2 =V2/P2

             R3 =V2/P3

     ดังนั้น Rรวม = R1 + R2 + R3+…

             V2/Pรวม = V2/P1 + V2/P2 + V2/P3 +…

     ดังนั้น  1/Pรวม = 1/P1+1/P2+1/P3+…  เมื่อ V  เท่ากัน

         แต่ถ้าหลอดไฟแต่ละหลอดใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าไม่เท่ากัน หรือพ่วงแล้วไม่ต่อกับความต่างศักย์ไฟฟ้าเดิมจะต้องหา R ก่อน

                       R = V2/P (แต่ละตัว)

         แล้วหา I จาก V = IRรวม

         เมื่อทราบ I  แล้ว นำมาหา P ใหม่ได้จากสมการ

                       P = I2R (แต่ละตัว)

ตัวอย่างที่ 1 หลอดไฟฟ้าขนาด 10 วัตต์ 20 โวลต์ ข้อใดกล่าวถูกต้อง

เมื่อต่อหลอดไฟกับความต่างศักย์ 20 โวลต์ จะได้กำลังสูงสุด 10 วัตต์

เมื่อต่อหลอดไฟกับความต่างศักย์น้อยกว่า 20 โวลต์ กำลังสูงสุดที่ได้จะน้อยกว่า 10 วัตต์

เมื่อต่อกับหลอดไฟกับความต่างศักย์มากกว่า 20 โวลต์ ไส้หลอดไฟจะขาด

ถูกทุกข้อ

เฉลย คำตอบที่ถูกต้องคือ ข้อ 4 คือ ถูกทุกข้อที่กล่าวมา

การเชื่อมต่อแบบอนุกรมและขนานของแบตเตอรี่

เมื่อใช้งานแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าแบบอิสระมักพบสถานการณ์เมื่อจำเป็นต้องใช้องค์ประกอบหลายอย่างพร้อมกันในวิธีที่แน่นอน เรื่องนี้ต้องมีความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของกระแสไฟฟ้าในวงจรที่มีแหล่งจ่ายไฟหลายตัว บทความนี้จะกล่าวถึงความแตกต่างของวิธีการต่าง ๆ ของการเชื่อมต่อแบตเตอรี่เข้ากับแบตเตอรี่แบบรวม

ทำไมต้องต่อแบตเตอรี่

อุปกรณ์ขับเคลื่อนด้วยตัวเองบางตัวต้องการค่ากระแสและแรงดันที่ยากต่อการจัดหาให้กับแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าแบบกัลวานิกที่มีอยู่ ตามกฎแล้วนี่คือความต้องการกระแสไฟขาออกที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งจะเป็นการเพิ่มมูลค่าของแรงดันไฟฟ้าหรือความจุ เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้จำเป็นต้องสร้างการกำหนดค่าต่างๆของการเชื่อมต่อแหล่งที่มาปัจจุบันซึ่งแต่ละแห่งมีลักษณะของตนเอง

ตัวเลือกการเชื่อมต่อแบตเตอรี่

มีแผนภาพเชื่อมต่อแบตเตอรี่สามแอสเซมบลีที่มีพารามิเตอร์ที่ต้องการ

Serial - แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ทั้งหมดถูกเพิ่มเข้าไป

Parallel - ความสามารถในการพัฒนา

รวมอนุกรมขนาน - เพื่อเพิ่มความจุและแรงดันไฟฟ้า

ทั้งหมดมีคุณสมบัติบางอย่างที่คุณจำเป็นต้องรู้เพื่อความปลอดภัยและการใช้งานแบตเตอรี่และอุปกรณ์ที่ใช้งานในระยะยาว ข้อกำหนดหลักสำหรับวิธีการเปลี่ยนทั้งหมดคือการแยกการใช้แบตเตอรี่ที่ผลิตโดยเทคโนโลยีที่แตกต่างกันในการประกอบ (ตัวอย่างเช่น Li-ion และ Ni-Mh ไม่สามารถเชื่อมต่อได้ในเวลาเดียวกัน)

เนื้อหาเรื่องแรงเคลื่อนไฟฟ้าและความต่างศักย์ เป็นเนื้อหาที่พูดถึงเรื่อง แบตเตอรี่ ซึ่งถ้าถือเป็นเรื่องหนึ่งที่เราได้นำไปใช้ในชีวิตประจำวัน และได้เห็นอยู่ในทุกๆวันไม่ว่าจะเป็น ในรถยนต์ไฟฟ้าสมัยใหม่ หรือการใช้ Solar cell ซึ่งในบางรูปแบบจำเป็นต้องมีการต่อ แบตเตอรี่ ในการสะสมพลังงาน แต่ในบทความนี้เราจะพูดถึงแค่ แบตเตอรี่ ม.5 ในวิชาฟิสิกส์เพื่อศึกษาเพื่อฐานและทฤษฎีเพียงเท่านั้น เราไปดูกันเลยดีกว่า

นิยามความหมาย ตัวแปร ต่างๆ

แรงเคลื่อนไฟฟ้า (E)  คือ พลังงานที่ถูกถ่ายโอนในแหล่งกำเนิด

ความต่างศักย์ไฟฟ้า (V)  คือ พลังงานของประจุที่เคลื่อนอยู่ในวงจรไฟฟ้า

โดยหาได้จากสมการ 

I = E/(R+r)

และ

V=E-Ir

การต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรม

การต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรม จะมีสมบัติดังนี้

∑E=E1+E2+E3

∑r=r1+r2+r3

การต่อแบตเตอรี่แบบอนุขนาน

การต่อแบตเตอรี่แบบขนาน จะมีสมบัติดังนี้

∑E=E

∑r=r/n

การต่อแบตเตอรี่แบบผสม

การต่อแบตเตอรี่แบบผสม คือการต่อแบตเตอรี่ ที่มีทั้งแบบอนุกรมและขนานพร้อมกัน ซึ่งจะเป็นเนื้อหาที่ยาก ต้องระวังในการทำ

I = E/((R/x)+(r/y))

เมื่อ x คือ จำนวนแบตเตอรี่

 y คือ จำนวนของแถวที่ถูกนำมาขนานกัน