SlideShare uma empresa Scribd logo
1 de 10
Baixar para ler offline
บทที่ 1
บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา
วัตถุประสงคการเรียนรู
เขาใจความหมายของวิศวกรรมไฟฟา
เขาใจนิยามของประจุ กระแส แรงดัน และกําลังไฟฟา
เขาใจนิยามของโนด กิ่ง และลูป
เขาใจและสามารถประยุกตใชกฎกระแสของเคอรชอฟฟในการวิเคราะหวงจรไฟฟา
เขาใจและสามารถประยุกตใชกฎแรงดันของเคอรชอฟฟในการวิเคราะหวงจรไฟฟา
2 ทฤษฎีวงจรไฟฟา
1.1 บทนํา : วิศวกรรมไฟฟา
วิศวกรรมไฟฟา (Electrical Engineering) เปนวิศวกรรมศาสตรสาขาหนึ่งที่เกี่ยวของกับ
การประยุกตการใชไฟฟาและสิ่งประดิษฐทางไฟฟาและอิเล็กทรอนิกส วิศวกรไฟฟาเปนผูมีหนาที่
ประยุกตและสรางสรรคงานทางไฟฟา มีตั้งแตงานวิจัยและพัฒนาองคความรูในศาสตรทางไฟฟา
งานออกแบบผลิตภัณฑและกระบวนการผลิต งานควบคุมและปรับปรุงการผลิตอุปกรณ งาน
ออกแบบระบบไฟฟา และงานภาคสนามเพื่อควบคุมดูแลการติดตั้งระบบและอุปกรณทางไฟฟา
นอกจากนี้ยังมีงานใหคําปรึกษาและงานสอนอีกดวย
ระบบไฟฟา (Electrical System) นั้น ประกอบดวยระบบตาง ๆ ไดแก ระบบไฟฟากําลัง
ระบบไฟฟาสื่อสาร อุปกรณและระบบอิเล็กทรอนิกส ระบบควบคุม ระบบคอมพิวเตอร และ
ระบบประมวลผลสัญญาณ และอื่น ๆ โดยมีรายละเอียดตาง ๆ ดังนี้
ระบบไฟฟากําลัง (Power System) เปนระบบที่เกี่ยวของกับการผลิตไฟฟา การสง การ
ควบคุม การแปรสภาพ และการใชประโยชนพลังงานไฟฟา รวมทั้งการออกแบบ และสรางระบบ
ไฟฟาภายในและภายนอกอาคาร การออกแบบสรางและทดสอบอุปกรณไฟฟากําลัง เชน เครื่อง
กําเนิดไฟฟามอเตอรและหมอแปลงไฟฟา ฯลฯ
ระบบไฟฟาสื่อสาร (Communication System) เปนระบบไฟฟาที่เกี่ยวของกับการสราง
เครื่องสง เครื่องรับ และการควบคุมสัญญาณขาวสารที่เปนไฟฟา โดยใชสายสงทองแดง สายใย
แกวนําแสง (fiber optic) หรือทอนําคลื่น (wave guide) เปนตัวกลางในการรับสง รวมทั้งการ
ออกแบบ สรางอุปกรณ และระบบสื่อสารไรสายตาง ๆ ไดแก วิทยุ โทรทัศน ระบบโทรศัพท
ระบบสื่อสารไรสาย ระบบสื่อสารดาวเทียม และระบบสื่อสารทางแสง
อุปกรณและระบบอิเล็กทรอนิกส (Electronic Device and System) เปนอุปกรณและ
ระบบไฟฟาที่เกี่ยวของกับหลักการทํางาน และการใชประโยชนจากการเคลื่อนที่ของพาหะไฟฟา
ในสิ่งประดิษฐ เชน หลอดสุญญากาศ ทรานซิสเตอร และวงจรรวมหรือไอซี (integrated circuit)
ฯลฯ การวิเคราะหและการออกแบบวงจรตาง ๆ ทั้งวงจรแอนะล็อก (analog circuit) และวงจรดิ
จิทัล (digital circuit) เชน วงจรขยายสัญญาณ วงจรสรางความถี่ วงจรนับ ฯลฯ ที่ใชสิ่งประดิษฐ
ดังกลาวขางตน
บทที่ 1 บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา 3
ระบบควบคุม (Control System) เปนระบบวิศวกรรมไฟฟาที่เกี่ยวของกับการวิเคราะห
ออกแบบ และสรางระบบควบคุม รวมทั้งอุปกรณตาง ๆ ที่เกี่ยวของ เชน ระบบควบคุม
เครื่องจักรกลไฟฟา ระบบควบคุมกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรม (Process Control) ระบบ
ควบคุมหุนยนต และระบบควบคุมอัตโนมัติสําหรับอาคาร (Building Automation System, BAS)
ระบบคอมพิวเตอร (Computer System) และระบบประมวลผลสัญญาณ (Signal
Processing System) เปนระบบไฟฟาที่ใชสัญญาณไฟฟาแทนขาวสารขอมูล การแปลงสัญญาณ
ขาวสารขอมูลใหอยูในรูปแบบที่เหมาะสม รวมทั้งการออกแบบสรางอุปกรณในระบบ
คอมพิวเตอร และระบบประมวลผลสัญญาณ (Signal Processing) ตาง ๆ
ทฤษฎีวงจรไฟฟาเปนองคความรูขั้นพื้นฐานที่สําคัญและจําเปนตอการศึกษาระบบไฟฟา
ตาง ๆ ที่กลาวมาขางตน นอกจากนี้วิชาทฤษฎีวงจรไฟฟายังเปนประโยชนสําหรับวิศวกรรมสาขา
อื่น ๆ รวมทั้งสาขาวิทยาศาสตรประยุกต และคณิตศาสตรอีกดวย
1.2 ตัวแปรในวงจรไฟฟา
ในการศึกษาใหเขาใจถึงทฤษฎีวงจรไฟฟานั้นเราจําเปนที่จะตองรูจักนิยามพื้นฐานของตัว
แปรตาง ๆ ที่ใชในการอธิบายคุณลักษณะของวงจรไฟฟากอน ดังนั้น ในหัวขอยอยนี้เราจะ
กลาวถึงตัวแปรสําคัญ 3 ตัว ไดแก กระแส (current) แรงดัน (voltage) และกําลังไฟฟา (electrical
power) เนื่องจากตัวแปรเหลานี้ลวนแลวแตเริ่มตนจาก ประจุไฟฟา (charge) ดังนั้น เราจะทบทวน
ความรูพื้นฐานเกี่ยวกับประจุไฟฟากอนแลวจึงอธิบายถึงนิยามและความหมายของ กระแสไฟฟา
แรงดันไฟฟา และกําลังไฟฟา ตามลําดับตอไป
1.2.1 ประจุไฟฟา
จากความรูพื้นฐานทางฟสิกสเราทราบดีวาอะตอมเปนโครงสรางพื้นฐานของสสารหรือ
วัตถุ โครงสรางภายในอะตอมประกอบดวย โปรตอน (proton) อิเล็กตรอน (electron) และ
นิวตรอน (neutron) โดยโปรตอนและนิวตรอนประกอบกันเปนนิวเคลียส (nucleus) อยูตรงกลาง
และมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยูรอบนอก โปรตอนมีประจุไฟฟาเปนบวก อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟา
เปนลบ และนิวตรอนมีประจุไฟฟาเปนกลาง เนื่องจากประจุตางชนิดกันเมื่ออยูใกลกันจะดูดเขา
4 ทฤษฎีวงจรไฟฟา
หากัน แตถาเปนประจุชนิดเดียวกันหากอยูใกลกันจะผลักกัน ดังนั้น โปรตอนกับโปรตอนเมื่ออยู
ใกลกันจะผลักกัน หรืออิเล็กตรอนอยูใกลอิเล็กตรอนจะผลักกัน แตโปรตอนกับอิเล็กตรอนจะ
ดึงดูดเขาหากัน การดูดเขาหากันหรือผลักออกจากกันเปนผลมาจากแรงทางไฟฟา (electric force)
ซึ่งอธิบายไดดวยกฎของคูลอมบ (Coulomb’s law) ที่กลาววา
1 2
2
q q
F k
r
= นิวตัน (N) (1-1)
โดย 1q และ 2q คือ ปริมาณประจุของวัตถุชิ้นที่ 1 และ 2 ตามลําดับ
r คือระยะหางระหวางวัตถุทั้งสอง
และ k คือคาคงตัวโดยที่ 9 2 2
0
1
8.988 10 N m /C
4
k
πε
= = × ×
ทั้งนี้ 0ε คือคาคงตัวไดอิเล็กทริกของสุญญากาศ (vacuum permittivity) ซึ่งมีคาเทากับ
12
8.85 10 F/m−
× หรือ 2 2
C /(N m )×
ความสัมพันธนี้ระบุวา ขนาดของแรงที่กระทําระหวางวัตถุ 2 ชิ้นแปรผันตรงกับปริมาณประจุของ
วัตถุแตละชิ้น 1(q และ 2 )q นั่นคือ ยิ่งวัตถุมีปริมาณประจุมากขึ้นเทาใดก็จะทําใหแรงทางไฟฟามี
ขนาดเพิ่มขึ้นตาม นอกจากนี้แรงทางไฟฟานี้ยังแปรผกผันกับกําลังสองของระยะหางระหวาง
ประจุทั้งสอง กลาวคือ ยิ่งวัตถุอยูใกลกันมากขึ้นจะทําใหแรงที่เกิดขึ้นมีคามากขึ้นแบบกําลังสอง
หนวยที่ใชวัดปริมาณของประจุเรียกวา คูลอมบ (Coulomb) และสัญลักษณที่ใชแทนคือ C
นักวิทยาศาสตรพบวาอิเล็กตรอน 1 ตัวมีประจุประมาณ C10602.1 19−
×− ในขณะที่โปรตอน 1
ตัวก็มีปริมาณประจุเทากันแตมีเครื่องหมายเปนบวก นั่นหมายความวา ถาตองการใหมีปริมาณ
ประจุเทากับ 1− คูลอมบจะตองมีอิเล็กตรอนจํานวนมากถึง 18
10242.6 × ตัว (= 19
10602.11 −
× )
เนื่องจากอะตอมของวัตถุโดยทั่วไปประกอบดวยโปรตอนและอิเล็กตรอนในจํานวนที่
เทากัน ทําใหปริมาณของประจุบวกและประจุลบมีคาเทากันและหักลางกันหมด ดังนั้น เมื่อมอง
เปนภาพรวมจึงไมปรากฏวาวัตถุนั้นมีประจุอยู กลาวคือ มีสภาพความเปนกลางเชิงประจุ อยางไร
ก็ตาม มนุษยคนพบวาประจุสามารถถายโอนไปมาระหวางวัตถุ 2 ชนิดได เชน เมื่อถูแทงแกวกับผา
ไหมจะทําใหแทงแกวมีความเปนประจุบวกและสามารถดึงดูดวัตถุชิ้นเล็ก ๆ ใหมาติดได เราเรียก
ปรากฏการณนี้วา ไฟฟาสถิต (static electricity) ปรากฏการณนี้อธิบายไดดวยกฎอนุรักษประจุที่
บทที่ 1 บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา 5
กลาววา ประจุไมมีการสรางขึ้นใหมหรือถูกทําลาย ดังนั้น การที่วัตถุปรากฏมีสภาพของความเปน
ประจุบวกหรือลบนั้นเกิดจากการถายเทอิเล็กตรอนหรือประจุระหวางวัตถุ 2 ชิ้นในจังหวะที่มีแรง
จากภายนอกมากระทําในรูปของแรงเสียดทาน ดวยเหตุนี้ เมื่อวัตถุหนึ่งไดรับการถายเทอิเล็กตรอน
จํานวนหนึ่งจากวัตถุอีกชิ้นหนึ่ง วัตถุนั้นก็จะมีสภาพของความเปนประจุลบ ในขณะที่วัตถุที่เสีย
อิเล็กตรอนไปก็จะมีสภาพของความเปนประจุบวก และที่สําคัญคือการเพิ่มขึ้นหรือการลดลงของ
ประจุมีปริมาณที่เทากัน
วัสดุสามารถแบงตามคุณสมบัติทางไฟฟาออกไดเปน 3 ประเภทอยางกวาง ๆ คือ วัสดุ
ตัวนําไฟฟา (conductor) วัสดุสารกึ่งตัวนํา (semiconductor) และวัสดุฉนวนไฟฟา (insulator)
ตัวอยางของวัสดุตัวนําไฟฟา ไดแก โลหะชนิดตาง ๆ เชน ทองแดง อะลูมิเนียม และเงิน ตัวอยาง
วัสดุสารกึ่งตัวนํา ไดแก ธาตุในกลุม 4 ของตารางธาตุ เชน ซิลิคอน และเจอรมาเนียม และตัวอยาง
ของวัสดุฉนวนไฟฟา ไดแก แกว พลาสติก และไม วัสดุที่นําไฟฟาไดดีจะมีโครงสรางอะตอมซึ่ง
อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อยูรอบนอกสุด หรือที่เรียกวา เวเลนซอิเล็กตรอน (valence electron) มี
คาแรงดึงดูดกับนิวเคลียสคอนขางต่ําสามารถหลุดจากอะตอมไปเปนอิเล็กตรอนอิสระ (free
electron) ไดดวยพลังงานความรอนในระดับอุณหภูมิหอง และเคลื่อนที่ไปมาไดอยางอิสระ ทําให
เกิดการเคลื่อนที่ไปมาของพาหะประจุลบในวัสดุไดโดยงาย ในทางกลับกัน วัสดุที่เปนฉนวนจะมี
โครงสรางอะตอมที่เสถียรและพลังงานความรอนในระดับอุณหภูมิหองไมสามารถกระตุนใหเกิด
อิเล็กตรอนอิสระได ทําใหการเคลื่อนที่ไปมาของพาหะประจุในวัสดุประเภทนี้เกิดขึ้นไดนอย ใน
สวนของสารกึ่งตัวนําจะมีสมบัติการนําไฟฟาอยูในชวงกวางมาก อาจจะนําไฟฟาไดดีใกลเคียงกับ
ของโลหะ หรืออาจมีคาการนําไฟฟาไดนอยมากใกลเคียงกับของฉนวน ทั้งนี้ขึ้นกับปริมาณสารเจือ
และอุณหภูมิ
ในหลักการเบื้องตน กระแสไฟฟาเกิดจากการเคลื่อนที่ของพาหะประจุที่ไหลผานวัสดุไป
ในทิศทางเดียวกัน ปริมาณของกระแสไฟฟาที่ไหลจะมีมากหรือนอยขึ้นอยูกับวามีปริมาณของ
ประจุที่ไหลผานจุดอางอิงที่พิจารณามีคามากนอยเพียงใดในหนึ่งหนวยเวลา เนื่องจากอิเล็กตรอนมี
มวลนอยกวาโปรตอนมาก ในตัวนําไฟฟา เชน ขดลวดทองแดง การเคลื่อนที่ของประจุจึงเปนผล
มาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระที่มีอยูจํานวนมาก สวนวัสดุที่เปนฉนวนไฟฟามี
อิเล็กตรอนอิสระนอยมาก การไหลของกระแสจึงมีคาต่ํามาก
6 ทฤษฎีวงจรไฟฟา
1.2.2 กระแส
กระแสไฟฟา (electric current) คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของ
จํานวนประจุที่เคลื่อนที่ผานพื้นที่หนาตัดที่พิจารณา ตัวอยางในกรณีที่
เปนสายทองแดงนําไฟฟา พื้นที่ที่พิจารณาจะเปนพื้นที่หนาตัดของสาย
ทองแดง ดังแสดงในรูปที่ 1.1 ปริมาณกระแสที่ไหลมีคาเทากับ
dq
i
dt
= คูลอมบตอวินาที (C/s) (1-2)
หนวยที่ใชวัดปริมาณกระแสเรียกวา แอมแปร (amperes) หรือ A โดย
1 แอมแปรมีคาเทากับ 1 คูลอมบตอวินาที หนวยของกระแสนี้ไดรับการ
ตั้งชื่อขึ้นเพื่อเปนเกียรติแก André-Marie Ampère กระแส 1 แอมแปร
คือ กระแสที่เกิดจากประจุปริมาณ +1 คูลอมบ เคลื่อนที่ผานระนาบอางอิงระนาบหนึ่งใน 1 วินาที
i
รูปที่ 1.1 การไหลของกระแสที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุลบผานพื้นที่หนาตัดของสาย
ทองแดง
■■ ตัวอยางที่ 1-1
ถามีอิเล็กตรอนจํานวน 1012
ตัว ไหลผานระนาบอางอิงหนึ่งในเวลา 1 ไมโครวินาที จงหาคาของ
กระแสไฟฟาในสถานะอยูตัว
วิธีทํา
จากนิยามของกระแสในสมการ (1-2)
dq q
i
dt t
Δ
= =
Δ
André-Marie Ampère (ค.ศ.
1775–1836) นักคณิตศาสตร
และนักฟสิกสชาวฝรั่งเศส
บทที่ 1 บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา 7
( )19 12
6
1.602 10 10
0.16 A
10
−
−
− × ×
= = −
หมายเหตุ : เนื่องจากการนิยามกระแสพิจารณาจากทิศการไหลของพาหะที่เปนประจุบวก แตใน
กรณีโลหะกระแสเกิดจากการไหลของพาหะที่เปนประจุลบ ดังนั้น ในโลหะทิศการไหลของ
กระแสจะเปนทิศตรงกันขามกับทิศการไหลของพาหะประจุลบเสมอ
การนิยามกระแสในวงจรไฟฟานอกจากจะตองระบุคาหรือปริมาณของกระแสแลว
จําเปนตองกําหนดทิศทางการไหลของกระแสดวย และโดยทั่วไปนิยมใชลูกศรเพื่อแสดงทิศ
ทางการไหลของกระแส ดูตัวอยางในรูปที่ 1.2 ประกอบ พิจารณารูปที่ 1.2 (ก) มีการระบุคากระแส
5 Ai = พรอมกับลูกศรที่มีทิศทางจากซายไปขวา การนิยามกระแสตามนี้มีความหมายวา มี
กระแสไฟฟาขนาด 5 A ไหลจากจุด a ไปยังจุด b ในทางกลับกันรูปที่ 1.2 (ข) ระบุวากระแสมีคา
เปนลบ กลาวคือ 5 Ai = − โดยทิศทางลูกศรเหมือนเดิมคือจากซายไปขวา การนิยามกระแสแบบนี้
มีความหมายวา มีกระแสไฟฟาขนาด 5 A ไหลจากจุด b ไปยังจุด a สําหรับรูปที่ 1.2 (ค) มีการ
ระบุคากระแส 5 Ai = พรอมกับลูกศรที่มีทิศทางจากขวาไปซาย การนิยามแบบนี้มีความหมาย
เดียวกันกับรูปที่ 1.2 (ข) คือมีกระแสไฟฟาขนาด 5 A ไหลจากจุด b ไปยังจุด a
a b
5 Ai =
a b
5 Ai = −
a b
5 Ai =
(ก) (ข) (ค)
รูปที่ 1.2 ตัวอยางการนิยามกระแสที่ไหลผานองคประกอบในวงจรไฟฟาโดยใชลูกศรกํากับ
ทิศทาง
นอกจากนี้อาจใชดรรชนีลาง 2 ตัว (double subscript) แทนการใชลูกศรเพื่อแสดงทิศทางที่
กระแสไหลก็ไดเชนกัน ดูตัวอยางในรูปที่ 1.3 ซึ่งเปนนิยามการไหลของกระแสไฟฟาที่เทียบเทา
กับการนิยามในตัวอยางที่ 1-2 ทุกประการ (ใหเทียบรูปตอรูป) โดย abi หมายถึงกระแสไหลจากจุด
a ไปยังจุด b และ bai หมายถึงกระแสไหลจากจุด b ไปยังจุด a และสามารถเขียนไดวา
baab ii −= อยางไรก็ตาม การนิยามกระแสโดยใชดรรชนีลาง 2 ตัว จะจํากัดอยูเฉพาะกับ
8 ทฤษฎีวงจรไฟฟา
Alessandro Volta (ค.ศ.
1745–1827) นักฟสิกสชาว
อิตาลี
องคประกอบที่อยูระหวางขั้ว 2 ขั้วที่ระบุเทานั้น ไมสามารถใชในการการวิเคราะหวงจรจริงได
นอกจากนั้นยังไมเอื้อตอนิยามในการวิเคราะหคากําลังไฟฟาซึ่งจะกลาวถึงในหัวขอถัดไป การ
นิยามกระแสโดยใชดรรชนีลาง 2 ตัวอาจใชเปนตัวชวยเพื่อความชัดเจนในการอธิบายการไหลของ
กระแสระหวางขั้ว 2 ขั้วเทานั้น
a b
5 Aabi =
a b
5 Aabi = −
a b
5 Abai =
(ก) (ข) (ค)
รูปที่ 1.3 ตัวอยางการนิยามกระแสที่ไหลผานองคประกอบในวงจรไฟฟาโดยใชดัชนีลาง 2 ตัว
1.2.3 แรงดัน
แรงดันไฟฟา (electric voltage) คือ งานที่ใชในการเคลื่อน
ประจุปริมาณ +1 คูลอมบ จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ตัวอยางเชน
การเคลื่อนประจุ 1q = + คูลอมบ จากจุด a ไปยัง b สามารถแสดงได
ในรูปที่ 1.4 ดังนั้น แรงดันจึงเขียนเปนความสัมพันธไดเปน
ab
dW
v
dq
= จูลตอคูลอมบ (J/C) (1-3)
หนวยที่ใชวัดแรงดันเรียกวา โวลต (volts) หรือ V โดยแรงดัน 1 โวลต
มีคาเทากับ 1 จูลตอคูลอมบ หนวยของแรงดันนี้ไดรับการตั้งชื่อขึ้น
เพื่อเปนเกียรติแก Alessandro Volta (ค.ศ. 1745–1827) นักฟสิกสชาว
อิตาลี ผูที่ไดรับการขนานนามวาเปนตนคิดแบตเตอรี่
รูปที่ 1.4 ตัวอยางเสนทางการเคลื่อนที่ของประจุ q+ ระหวางจุด a และ b
บทที่ 1 บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา 9
■■ ตัวอยางที่ 1-2
ถาใชพลังงานปริมาณ 136 จูล ในการเคลื่อนที่อิเล็กตรอนจํานวน 18
8.5 10× ตัวจากจุด a ไปยังจุด b
ในวงจรไฟฟา ตามที่แสดงในรูปที่ 1.5 จงหาคาแรงดันไฟฟาหรือคาความตางศักย (potential
difference) ระหวางจุด ab ทั้งสอง
วิธีทํา
จากนิยามในสมการ (1-3) จะได
( )( )18 19
136
100 V
8.5 10 1.60 10
abv −
= =
× ×
การนิยามแรงดันในวงจรไฟฟานอกจากจะตองระบุคาหรือปริมาณของแรงดันแลว
จําเปนตองกําหนดขั้วบวก (+) และขั้วลบ (–) ใหกับองคประกอบดวย ดังแสดงตัวอยางในรูปที่ 1.5 
(ก) 5 Vv = หมายถึงคาแรงดันที่จุด a เมื่อเทียบกับจุด b มีคาเทากับ 5 V ในทางกลับกัน ถา v มี
คาเปนลบ (–) เชน 5 Vv = − ดังแสดงในรูปที่ 1.5 (ข) แสดงวาศักยไฟฟาที่จุด a เทียบกับจุด b มี
คา 5 V− ซึ่งมีความหมายเทากับศักยไฟฟาที่จุด b เทียบกับจุด a มีคา 5 V ดังแสดงในรูปที่1.5
(ค) [สังเกตขั้วบวก (+) และขั้วลบ (–) ในกรณีหลังนี้]
a b
5 Vv =
a b
5 Vv = −
a b
5 Vv =
(ก) (ข) (ค)
รูปที่ 1.5 ตัวอยางการนิยามแรงดันที่ตกครอมองคประกอบในวงจรไฟฟา
นอกจากนี้อาจใชดรรชนีลาง 2 ตัว (double subscript) เพื่อแสดงขั้วขององคประกอบแทน
การใชเครื่องหมายบวก (+) และลบ (–) กํากับก็ได ดังแสดงในรูปที่ 1.6 ซึ่งเปนการนิยามคา
แรงดันไฟฟาระหวางจุด a และ b ที่เทียบเทากับการนิยามในตัวอยางที่ 1-5 ทุกประการ (ให
เทียบรูปตอรูป) โดย abv หมายถึงคาศักยไฟฟาที่จุด a เมื่อเทียบกับคาศักยไฟฟาที่จุด b หรือ bav
หมายถึงคาศักยไฟฟาที่จุด b เทียบกับคาศักยไฟฟาที่จุด a และสามารถเขียนไดวา baab vv −=
จะเห็นวาเมื่อนิยาม abv แลว a คือขั้วบวก (+) b คือขั้วลบ (–) ในทางตรงขามเมื่อนิยาม bav แลว
10 ทฤษฎีวงจรไฟฟา
b คือขั้วบวก (+) a คือขั้วลบ (–) การนิยามแรงดันโดยใชขั้วและดรรชนีลาง 2 ตัวรวมกันทําให
เกิดความชัดเจนในการอธิบายแรงดันระหวางขั้ว 2 ขั้วไดชัดเจนมากขึ้น
a b
5 Vabv =
a b
5 Vabv = −
a b
5 Vbav =
(ก) (ข) (ค)
รูปที่ 1.6 ตัวอยางการนิยามแรงดันที่ตกครอมองคประกอบในวงจรไฟฟา
(แบบใชดรรชนีลาง 2 ตัว)
1.2.4 กําลังไฟฟา
กําลังไฟฟา (electric power) คือ อัตราการทํางานหรือปริมาณ
งานที่ทําตอหนึ่งหนวยเวลา ดังนั้น กําลังไฟฟาจึงเขียนเปน
ความสัมพันธไดเปน
dW
P
dt
= จูลตอวินาที (J/s) (1-4)
หนวยที่ใชวัดกําลังเรียกวา วัตต (watts) หรือ W โดยกําลัง 1 วัตตมีคา
เทากับ 1 จูลตอวินาที หนวยของกําลังนี้ไดรับการตั้งชื่อขึ้นเพื่อเปน
เกียรติแก James Watt (ค.ศ. 1736–1819) นักประดิษฐและวิศวกร
เครื่องกลชาวสก็อต ผูที่ประสบความสําเร็จในการทําใหเครื่องจักร
ไอน้ํามีประสิทธิภาพสูง
กําลังไฟฟา P ที่เกิดขึ้นกับองคประกอบในวงจรไฟฟาหนึ่งมีความสัมพันธกับแรงดันที่
ตกครอมและกระแสที่ไหลผานองคประกอบดังกลาวดังนี้
dW dW dq
P
dt dq dt
⎛ ⎞⎛ ⎞
= = ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠
(1-5)
จากนิยามกระแสในสมการ (1-2) และนิยามของแรงดันในสมการ (1-3) จะไดวา
P vi= (1-6)
เมื่อพิจารณานิยามของกระแสและแรงดันไปพรอมกัน จะเห็นวาเมื่อประจุไฟฟาบวก 1 คู
ลอมบ ถูกขับดวยพลังงานใหเคลื่อนที่จาก a ไป b คากระแสจาก a ไป b ( )abi และแรงดันตก
James Watt (ค.ศ. 1736–
1819) นักประดิษฐและ
วิศวกรเครื่องกลชาวสก็อต

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Onet เคมี M6
Onet เคมี M6Onet เคมี M6
Onet เคมี M6oraneehussem
 
การคำนวณพลังงานของปฏิกิริยา
การคำนวณพลังงานของปฏิกิริยาการคำนวณพลังงานของปฏิกิริยา
การคำนวณพลังงานของปฏิกิริยาSaipanya school
 
มวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลไอออน
มวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลไอออนมวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลไอออน
มวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลไอออนพัน พัน
 
บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ
บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุบทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ
บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุoraneehussem
 
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 1
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 1ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 1
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 1พนภาค ผิวเกลี้ยง
 
พื้นฐานทฤษฎีอะตอมและโครงแบบอิเล็กตรอน
พื้นฐานทฤษฎีอะตอมและโครงแบบอิเล็กตรอนพื้นฐานทฤษฎีอะตอมและโครงแบบอิเล็กตรอน
พื้นฐานทฤษฎีอะตอมและโครงแบบอิเล็กตรอนDr.Woravith Chansuvarn
 
ใบงานที่ 2 การจัดเรียงอิเล็กตรอน
ใบงานที่ 2 การจัดเรียงอิเล็กตรอนใบงานที่ 2 การจัดเรียงอิเล็กตรอน
ใบงานที่ 2 การจัดเรียงอิเล็กตรอนSukanya Nak-on
 
ฟิสิกส์นิวเคลียร์
ฟิสิกส์นิวเคลียร์ฟิสิกส์นิวเคลียร์
ฟิสิกส์นิวเคลียร์Chakkrawut Mueangkhon
 
Ch 02 ionic bond
Ch 02 ionic bond Ch 02 ionic bond
Ch 02 ionic bond kruannchem
 
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 2
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 2ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 2
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 2พนภาค ผิวเกลี้ยง
 
การค้นพบนิวตรอน
การค้นพบนิวตรอนการค้นพบนิวตรอน
การค้นพบนิวตรอนkrupatcharee
 
สมบัติตามหมู่และตามคาบของสาร
สมบัติตามหมู่และตามคาบของสารสมบัติตามหมู่และตามคาบของสาร
สมบัติตามหมู่และตามคาบของสารพัน พัน
 
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ (โครงงานคอมพิวเตอร์)
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ (โครงงานคอมพิวเตอร์)โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ (โครงงานคอมพิวเตอร์)
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ (โครงงานคอมพิวเตอร์)Ajchariya Sitthikaew
 
บทที่ 2 พันธะเคมี
บทที่ 2 พันธะเคมีบทที่ 2 พันธะเคมี
บทที่ 2 พันธะเคมีoraneehussem
 

Mais procurados (20)

Onet เคมี M6
Onet เคมี M6Onet เคมี M6
Onet เคมี M6
 
การคำนวณพลังงานของปฏิกิริยา
การคำนวณพลังงานของปฏิกิริยาการคำนวณพลังงานของปฏิกิริยา
การคำนวณพลังงานของปฏิกิริยา
 
มวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลไอออน
มวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลไอออนมวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลไอออน
มวลอะตอม มวลโมเลกุล มวลไอออน
 
Chap 3 atomic structure
Chap 3 atomic structureChap 3 atomic structure
Chap 3 atomic structure
 
บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ
บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุบทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ
บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ
 
แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์
แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์
แบบเรียน เรื่อง ฟิสิกส์นิวเคลียร์
 
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 1
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 1ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 1
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 1
 
พื้นฐานทฤษฎีอะตอมและโครงแบบอิเล็กตรอน
พื้นฐานทฤษฎีอะตอมและโครงแบบอิเล็กตรอนพื้นฐานทฤษฎีอะตอมและโครงแบบอิเล็กตรอน
พื้นฐานทฤษฎีอะตอมและโครงแบบอิเล็กตรอน
 
1 atomic weight
1 atomic weight1 atomic weight
1 atomic weight
 
atom 2
atom 2atom 2
atom 2
 
ใบงานที่ 2 การจัดเรียงอิเล็กตรอน
ใบงานที่ 2 การจัดเรียงอิเล็กตรอนใบงานที่ 2 การจัดเรียงอิเล็กตรอน
ใบงานที่ 2 การจัดเรียงอิเล็กตรอน
 
ฟิสิกส์นิวเคลียร์
ฟิสิกส์นิวเคลียร์ฟิสิกส์นิวเคลียร์
ฟิสิกส์นิวเคลียร์
 
Ch 02 ionic bond
Ch 02 ionic bond Ch 02 ionic bond
Ch 02 ionic bond
 
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 2
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 2ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 2
ชุดฝึกทักษะเรื่องไฟฟ้าสถิต ชุดที่ 2
 
การค้นพบนิวตรอน
การค้นพบนิวตรอนการค้นพบนิวตรอน
การค้นพบนิวตรอน
 
Nomenclature
NomenclatureNomenclature
Nomenclature
 
Science
ScienceScience
Science
 
สมบัติตามหมู่และตามคาบของสาร
สมบัติตามหมู่และตามคาบของสารสมบัติตามหมู่และตามคาบของสาร
สมบัติตามหมู่และตามคาบของสาร
 
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ (โครงงานคอมพิวเตอร์)
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ (โครงงานคอมพิวเตอร์)โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ (โครงงานคอมพิวเตอร์)
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ (โครงงานคอมพิวเตอร์)
 
บทที่ 2 พันธะเคมี
บทที่ 2 พันธะเคมีบทที่ 2 พันธะเคมี
บทที่ 2 พันธะเคมี
 

Semelhante a 9789740330912

เอกสารประกอบการเรียนฟิสิกส์ม.6.1.52
เอกสารประกอบการเรียนฟิสิกส์ม.6.1.52เอกสารประกอบการเรียนฟิสิกส์ม.6.1.52
เอกสารประกอบการเรียนฟิสิกส์ม.6.1.52krukrajeab
 
Ch 01 โครงสร้างอะตอม
Ch 01 โครงสร้างอะตอมCh 01 โครงสร้างอะตอม
Ch 01 โครงสร้างอะตอมkruannchem
 
9789740327752
97897403277529789740327752
9789740327752CUPress
 
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุโครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุkrupatcharee
 
เรื่องที่ 16 แม่เหล็กไฟฟ้า 1
เรื่องที่ 16  แม่เหล็กไฟฟ้า 1เรื่องที่ 16  แม่เหล็กไฟฟ้า 1
เรื่องที่ 16 แม่เหล็กไฟฟ้า 1thanakit553
 
ฟิสิกส์กลศาสตร์1
ฟิสิกส์กลศาสตร์1ฟิสิกส์กลศาสตร์1
ฟิสิกส์กลศาสตร์1Montaya Pratum
 
ฟิสิกส์กลศาสตร์1
ฟิสิกส์กลศาสตร์1ฟิสิกส์กลศาสตร์1
ฟิสิกส์กลศาสตร์1Montaya Pratum
 
พลังงานไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าพลังงานไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าwongteamjan
 
เอกสารประกอบการเรียน มวล มวลอะตอม โมลและปริมาณต่อโมล
เอกสารประกอบการเรียน มวล มวลอะตอม โมลและปริมาณต่อโมลเอกสารประกอบการเรียน มวล มวลอะตอม โมลและปริมาณต่อโมล
เอกสารประกอบการเรียน มวล มวลอะตอม โมลและปริมาณต่อโมลChuanchen Malila
 
ไฟฟ้าแม่เหล็ก1
ไฟฟ้าแม่เหล็ก1ไฟฟ้าแม่เหล็ก1
ไฟฟ้าแม่เหล็ก1Chakkrawut Mueangkhon
 
Ch 03 nuclear chemistry
Ch 03 nuclear chemistryCh 03 nuclear chemistry
Ch 03 nuclear chemistrykruannchem
 
สรุปวิชาฟิสิกส์
สรุปวิชาฟิสิกส์สรุปวิชาฟิสิกส์
สรุปวิชาฟิสิกส์Tutor Ferry
 

Semelhante a 9789740330912 (20)

เอกสารประกอบการเรียนฟิสิกส์ม.6.1.52
เอกสารประกอบการเรียนฟิสิกส์ม.6.1.52เอกสารประกอบการเรียนฟิสิกส์ม.6.1.52
เอกสารประกอบการเรียนฟิสิกส์ม.6.1.52
 
ไฟฟ้าสถิต [Compatibility mode]
ไฟฟ้าสถิต [Compatibility mode]ไฟฟ้าสถิต [Compatibility mode]
ไฟฟ้าสถิต [Compatibility mode]
 
Ch 01 โครงสร้างอะตอม
Ch 01 โครงสร้างอะตอมCh 01 โครงสร้างอะตอม
Ch 01 โครงสร้างอะตอม
 
9789740327752
97897403277529789740327752
9789740327752
 
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุโครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
 
P16
P16P16
P16
 
เรื่องที่ 16 แม่เหล็กไฟฟ้า 1
เรื่องที่ 16  แม่เหล็กไฟฟ้า 1เรื่องที่ 16  แม่เหล็กไฟฟ้า 1
เรื่องที่ 16 แม่เหล็กไฟฟ้า 1
 
Atomic structures m4
Atomic structures m4Atomic structures m4
Atomic structures m4
 
ฟิสิกส์กลศาสตร์1
ฟิสิกส์กลศาสตร์1ฟิสิกส์กลศาสตร์1
ฟิสิกส์กลศาสตร์1
 
ฟิสิกส์กลศาสตร์1
ฟิสิกส์กลศาสตร์1ฟิสิกส์กลศาสตร์1
ฟิสิกส์กลศาสตร์1
 
พลังงานไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าพลังงานไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้า
 
เอกสารประกอบการเรียน มวล มวลอะตอม โมลและปริมาณต่อโมล
เอกสารประกอบการเรียน มวล มวลอะตอม โมลและปริมาณต่อโมลเอกสารประกอบการเรียน มวล มวลอะตอม โมลและปริมาณต่อโมล
เอกสารประกอบการเรียน มวล มวลอะตอม โมลและปริมาณต่อโมล
 
ไฟฟ้าแม่เหล็ก1
ไฟฟ้าแม่เหล็ก1ไฟฟ้าแม่เหล็ก1
ไฟฟ้าแม่เหล็ก1
 
Ch 03 nuclear chemistry
Ch 03 nuclear chemistryCh 03 nuclear chemistry
Ch 03 nuclear chemistry
 
Physics atom part 1
Physics atom part 1Physics atom part 1
Physics atom part 1
 
สรุปวิชาฟิสิกส์
สรุปวิชาฟิสิกส์สรุปวิชาฟิสิกส์
สรุปวิชาฟิสิกส์
 
มิ่ง111
มิ่ง111มิ่ง111
มิ่ง111
 
มิ่ง111
มิ่ง111มิ่ง111
มิ่ง111
 
มิ่ง111
มิ่ง111มิ่ง111
มิ่ง111
 
มิ่ง111
มิ่ง111มิ่ง111
มิ่ง111
 

Mais de CUPress

9789740337737
97897403377379789740337737
9789740337737CUPress
 
9789740337560
97897403375609789740337560
9789740337560CUPress
 
9789740337478
97897403374789789740337478
9789740337478CUPress
 
9789740337270
97897403372709789740337270
9789740337270CUPress
 
9789740337102
97897403371029789740337102
9789740337102CUPress
 
9789740337096
97897403370969789740337096
9789740337096CUPress
 
9789740337072
97897403370729789740337072
9789740337072CUPress
 
9789740337027
97897403370279789740337027
9789740337027CUPress
 
9789740336914
97897403369149789740336914
9789740336914CUPress
 
9789740336907
97897403369079789740336907
9789740336907CUPress
 
9789740336686
97897403366869789740336686
9789740336686CUPress
 
9789740336457
97897403364579789740336457
9789740336457CUPress
 
9789740336440
97897403364409789740336440
9789740336440CUPress
 
9789740336389
97897403363899789740336389
9789740336389CUPress
 
9789740336280
97897403362809789740336280
9789740336280CUPress
 
9789740336365
97897403363659789740336365
9789740336365CUPress
 
9789740336303
97897403363039789740336303
9789740336303CUPress
 
9789740336242
97897403362429789740336242
9789740336242CUPress
 
9789740336235
97897403362359789740336235
9789740336235CUPress
 
9789740336099
97897403360999789740336099
9789740336099CUPress
 

Mais de CUPress (20)

9789740337737
97897403377379789740337737
9789740337737
 
9789740337560
97897403375609789740337560
9789740337560
 
9789740337478
97897403374789789740337478
9789740337478
 
9789740337270
97897403372709789740337270
9789740337270
 
9789740337102
97897403371029789740337102
9789740337102
 
9789740337096
97897403370969789740337096
9789740337096
 
9789740337072
97897403370729789740337072
9789740337072
 
9789740337027
97897403370279789740337027
9789740337027
 
9789740336914
97897403369149789740336914
9789740336914
 
9789740336907
97897403369079789740336907
9789740336907
 
9789740336686
97897403366869789740336686
9789740336686
 
9789740336457
97897403364579789740336457
9789740336457
 
9789740336440
97897403364409789740336440
9789740336440
 
9789740336389
97897403363899789740336389
9789740336389
 
9789740336280
97897403362809789740336280
9789740336280
 
9789740336365
97897403363659789740336365
9789740336365
 
9789740336303
97897403363039789740336303
9789740336303
 
9789740336242
97897403362429789740336242
9789740336242
 
9789740336235
97897403362359789740336235
9789740336235
 
9789740336099
97897403360999789740336099
9789740336099
 

9789740330912

  • 1. บทที่ 1 บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา วัตถุประสงคการเรียนรู เขาใจความหมายของวิศวกรรมไฟฟา เขาใจนิยามของประจุ กระแส แรงดัน และกําลังไฟฟา เขาใจนิยามของโนด กิ่ง และลูป เขาใจและสามารถประยุกตใชกฎกระแสของเคอรชอฟฟในการวิเคราะหวงจรไฟฟา เขาใจและสามารถประยุกตใชกฎแรงดันของเคอรชอฟฟในการวิเคราะหวงจรไฟฟา
  • 2. 2 ทฤษฎีวงจรไฟฟา 1.1 บทนํา : วิศวกรรมไฟฟา วิศวกรรมไฟฟา (Electrical Engineering) เปนวิศวกรรมศาสตรสาขาหนึ่งที่เกี่ยวของกับ การประยุกตการใชไฟฟาและสิ่งประดิษฐทางไฟฟาและอิเล็กทรอนิกส วิศวกรไฟฟาเปนผูมีหนาที่ ประยุกตและสรางสรรคงานทางไฟฟา มีตั้งแตงานวิจัยและพัฒนาองคความรูในศาสตรทางไฟฟา งานออกแบบผลิตภัณฑและกระบวนการผลิต งานควบคุมและปรับปรุงการผลิตอุปกรณ งาน ออกแบบระบบไฟฟา และงานภาคสนามเพื่อควบคุมดูแลการติดตั้งระบบและอุปกรณทางไฟฟา นอกจากนี้ยังมีงานใหคําปรึกษาและงานสอนอีกดวย ระบบไฟฟา (Electrical System) นั้น ประกอบดวยระบบตาง ๆ ไดแก ระบบไฟฟากําลัง ระบบไฟฟาสื่อสาร อุปกรณและระบบอิเล็กทรอนิกส ระบบควบคุม ระบบคอมพิวเตอร และ ระบบประมวลผลสัญญาณ และอื่น ๆ โดยมีรายละเอียดตาง ๆ ดังนี้ ระบบไฟฟากําลัง (Power System) เปนระบบที่เกี่ยวของกับการผลิตไฟฟา การสง การ ควบคุม การแปรสภาพ และการใชประโยชนพลังงานไฟฟา รวมทั้งการออกแบบ และสรางระบบ ไฟฟาภายในและภายนอกอาคาร การออกแบบสรางและทดสอบอุปกรณไฟฟากําลัง เชน เครื่อง กําเนิดไฟฟามอเตอรและหมอแปลงไฟฟา ฯลฯ ระบบไฟฟาสื่อสาร (Communication System) เปนระบบไฟฟาที่เกี่ยวของกับการสราง เครื่องสง เครื่องรับ และการควบคุมสัญญาณขาวสารที่เปนไฟฟา โดยใชสายสงทองแดง สายใย แกวนําแสง (fiber optic) หรือทอนําคลื่น (wave guide) เปนตัวกลางในการรับสง รวมทั้งการ ออกแบบ สรางอุปกรณ และระบบสื่อสารไรสายตาง ๆ ไดแก วิทยุ โทรทัศน ระบบโทรศัพท ระบบสื่อสารไรสาย ระบบสื่อสารดาวเทียม และระบบสื่อสารทางแสง อุปกรณและระบบอิเล็กทรอนิกส (Electronic Device and System) เปนอุปกรณและ ระบบไฟฟาที่เกี่ยวของกับหลักการทํางาน และการใชประโยชนจากการเคลื่อนที่ของพาหะไฟฟา ในสิ่งประดิษฐ เชน หลอดสุญญากาศ ทรานซิสเตอร และวงจรรวมหรือไอซี (integrated circuit) ฯลฯ การวิเคราะหและการออกแบบวงจรตาง ๆ ทั้งวงจรแอนะล็อก (analog circuit) และวงจรดิ จิทัล (digital circuit) เชน วงจรขยายสัญญาณ วงจรสรางความถี่ วงจรนับ ฯลฯ ที่ใชสิ่งประดิษฐ ดังกลาวขางตน
  • 3. บทที่ 1 บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา 3 ระบบควบคุม (Control System) เปนระบบวิศวกรรมไฟฟาที่เกี่ยวของกับการวิเคราะห ออกแบบ และสรางระบบควบคุม รวมทั้งอุปกรณตาง ๆ ที่เกี่ยวของ เชน ระบบควบคุม เครื่องจักรกลไฟฟา ระบบควบคุมกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรม (Process Control) ระบบ ควบคุมหุนยนต และระบบควบคุมอัตโนมัติสําหรับอาคาร (Building Automation System, BAS) ระบบคอมพิวเตอร (Computer System) และระบบประมวลผลสัญญาณ (Signal Processing System) เปนระบบไฟฟาที่ใชสัญญาณไฟฟาแทนขาวสารขอมูล การแปลงสัญญาณ ขาวสารขอมูลใหอยูในรูปแบบที่เหมาะสม รวมทั้งการออกแบบสรางอุปกรณในระบบ คอมพิวเตอร และระบบประมวลผลสัญญาณ (Signal Processing) ตาง ๆ ทฤษฎีวงจรไฟฟาเปนองคความรูขั้นพื้นฐานที่สําคัญและจําเปนตอการศึกษาระบบไฟฟา ตาง ๆ ที่กลาวมาขางตน นอกจากนี้วิชาทฤษฎีวงจรไฟฟายังเปนประโยชนสําหรับวิศวกรรมสาขา อื่น ๆ รวมทั้งสาขาวิทยาศาสตรประยุกต และคณิตศาสตรอีกดวย 1.2 ตัวแปรในวงจรไฟฟา ในการศึกษาใหเขาใจถึงทฤษฎีวงจรไฟฟานั้นเราจําเปนที่จะตองรูจักนิยามพื้นฐานของตัว แปรตาง ๆ ที่ใชในการอธิบายคุณลักษณะของวงจรไฟฟากอน ดังนั้น ในหัวขอยอยนี้เราจะ กลาวถึงตัวแปรสําคัญ 3 ตัว ไดแก กระแส (current) แรงดัน (voltage) และกําลังไฟฟา (electrical power) เนื่องจากตัวแปรเหลานี้ลวนแลวแตเริ่มตนจาก ประจุไฟฟา (charge) ดังนั้น เราจะทบทวน ความรูพื้นฐานเกี่ยวกับประจุไฟฟากอนแลวจึงอธิบายถึงนิยามและความหมายของ กระแสไฟฟา แรงดันไฟฟา และกําลังไฟฟา ตามลําดับตอไป 1.2.1 ประจุไฟฟา จากความรูพื้นฐานทางฟสิกสเราทราบดีวาอะตอมเปนโครงสรางพื้นฐานของสสารหรือ วัตถุ โครงสรางภายในอะตอมประกอบดวย โปรตอน (proton) อิเล็กตรอน (electron) และ นิวตรอน (neutron) โดยโปรตอนและนิวตรอนประกอบกันเปนนิวเคลียส (nucleus) อยูตรงกลาง และมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยูรอบนอก โปรตอนมีประจุไฟฟาเปนบวก อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟา เปนลบ และนิวตรอนมีประจุไฟฟาเปนกลาง เนื่องจากประจุตางชนิดกันเมื่ออยูใกลกันจะดูดเขา
  • 4. 4 ทฤษฎีวงจรไฟฟา หากัน แตถาเปนประจุชนิดเดียวกันหากอยูใกลกันจะผลักกัน ดังนั้น โปรตอนกับโปรตอนเมื่ออยู ใกลกันจะผลักกัน หรืออิเล็กตรอนอยูใกลอิเล็กตรอนจะผลักกัน แตโปรตอนกับอิเล็กตรอนจะ ดึงดูดเขาหากัน การดูดเขาหากันหรือผลักออกจากกันเปนผลมาจากแรงทางไฟฟา (electric force) ซึ่งอธิบายไดดวยกฎของคูลอมบ (Coulomb’s law) ที่กลาววา 1 2 2 q q F k r = นิวตัน (N) (1-1) โดย 1q และ 2q คือ ปริมาณประจุของวัตถุชิ้นที่ 1 และ 2 ตามลําดับ r คือระยะหางระหวางวัตถุทั้งสอง และ k คือคาคงตัวโดยที่ 9 2 2 0 1 8.988 10 N m /C 4 k πε = = × × ทั้งนี้ 0ε คือคาคงตัวไดอิเล็กทริกของสุญญากาศ (vacuum permittivity) ซึ่งมีคาเทากับ 12 8.85 10 F/m− × หรือ 2 2 C /(N m )× ความสัมพันธนี้ระบุวา ขนาดของแรงที่กระทําระหวางวัตถุ 2 ชิ้นแปรผันตรงกับปริมาณประจุของ วัตถุแตละชิ้น 1(q และ 2 )q นั่นคือ ยิ่งวัตถุมีปริมาณประจุมากขึ้นเทาใดก็จะทําใหแรงทางไฟฟามี ขนาดเพิ่มขึ้นตาม นอกจากนี้แรงทางไฟฟานี้ยังแปรผกผันกับกําลังสองของระยะหางระหวาง ประจุทั้งสอง กลาวคือ ยิ่งวัตถุอยูใกลกันมากขึ้นจะทําใหแรงที่เกิดขึ้นมีคามากขึ้นแบบกําลังสอง หนวยที่ใชวัดปริมาณของประจุเรียกวา คูลอมบ (Coulomb) และสัญลักษณที่ใชแทนคือ C นักวิทยาศาสตรพบวาอิเล็กตรอน 1 ตัวมีประจุประมาณ C10602.1 19− ×− ในขณะที่โปรตอน 1 ตัวก็มีปริมาณประจุเทากันแตมีเครื่องหมายเปนบวก นั่นหมายความวา ถาตองการใหมีปริมาณ ประจุเทากับ 1− คูลอมบจะตองมีอิเล็กตรอนจํานวนมากถึง 18 10242.6 × ตัว (= 19 10602.11 − × ) เนื่องจากอะตอมของวัตถุโดยทั่วไปประกอบดวยโปรตอนและอิเล็กตรอนในจํานวนที่ เทากัน ทําใหปริมาณของประจุบวกและประจุลบมีคาเทากันและหักลางกันหมด ดังนั้น เมื่อมอง เปนภาพรวมจึงไมปรากฏวาวัตถุนั้นมีประจุอยู กลาวคือ มีสภาพความเปนกลางเชิงประจุ อยางไร ก็ตาม มนุษยคนพบวาประจุสามารถถายโอนไปมาระหวางวัตถุ 2 ชนิดได เชน เมื่อถูแทงแกวกับผา ไหมจะทําใหแทงแกวมีความเปนประจุบวกและสามารถดึงดูดวัตถุชิ้นเล็ก ๆ ใหมาติดได เราเรียก ปรากฏการณนี้วา ไฟฟาสถิต (static electricity) ปรากฏการณนี้อธิบายไดดวยกฎอนุรักษประจุที่
  • 5. บทที่ 1 บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา 5 กลาววา ประจุไมมีการสรางขึ้นใหมหรือถูกทําลาย ดังนั้น การที่วัตถุปรากฏมีสภาพของความเปน ประจุบวกหรือลบนั้นเกิดจากการถายเทอิเล็กตรอนหรือประจุระหวางวัตถุ 2 ชิ้นในจังหวะที่มีแรง จากภายนอกมากระทําในรูปของแรงเสียดทาน ดวยเหตุนี้ เมื่อวัตถุหนึ่งไดรับการถายเทอิเล็กตรอน จํานวนหนึ่งจากวัตถุอีกชิ้นหนึ่ง วัตถุนั้นก็จะมีสภาพของความเปนประจุลบ ในขณะที่วัตถุที่เสีย อิเล็กตรอนไปก็จะมีสภาพของความเปนประจุบวก และที่สําคัญคือการเพิ่มขึ้นหรือการลดลงของ ประจุมีปริมาณที่เทากัน วัสดุสามารถแบงตามคุณสมบัติทางไฟฟาออกไดเปน 3 ประเภทอยางกวาง ๆ คือ วัสดุ ตัวนําไฟฟา (conductor) วัสดุสารกึ่งตัวนํา (semiconductor) และวัสดุฉนวนไฟฟา (insulator) ตัวอยางของวัสดุตัวนําไฟฟา ไดแก โลหะชนิดตาง ๆ เชน ทองแดง อะลูมิเนียม และเงิน ตัวอยาง วัสดุสารกึ่งตัวนํา ไดแก ธาตุในกลุม 4 ของตารางธาตุ เชน ซิลิคอน และเจอรมาเนียม และตัวอยาง ของวัสดุฉนวนไฟฟา ไดแก แกว พลาสติก และไม วัสดุที่นําไฟฟาไดดีจะมีโครงสรางอะตอมซึ่ง อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อยูรอบนอกสุด หรือที่เรียกวา เวเลนซอิเล็กตรอน (valence electron) มี คาแรงดึงดูดกับนิวเคลียสคอนขางต่ําสามารถหลุดจากอะตอมไปเปนอิเล็กตรอนอิสระ (free electron) ไดดวยพลังงานความรอนในระดับอุณหภูมิหอง และเคลื่อนที่ไปมาไดอยางอิสระ ทําให เกิดการเคลื่อนที่ไปมาของพาหะประจุลบในวัสดุไดโดยงาย ในทางกลับกัน วัสดุที่เปนฉนวนจะมี โครงสรางอะตอมที่เสถียรและพลังงานความรอนในระดับอุณหภูมิหองไมสามารถกระตุนใหเกิด อิเล็กตรอนอิสระได ทําใหการเคลื่อนที่ไปมาของพาหะประจุในวัสดุประเภทนี้เกิดขึ้นไดนอย ใน สวนของสารกึ่งตัวนําจะมีสมบัติการนําไฟฟาอยูในชวงกวางมาก อาจจะนําไฟฟาไดดีใกลเคียงกับ ของโลหะ หรืออาจมีคาการนําไฟฟาไดนอยมากใกลเคียงกับของฉนวน ทั้งนี้ขึ้นกับปริมาณสารเจือ และอุณหภูมิ ในหลักการเบื้องตน กระแสไฟฟาเกิดจากการเคลื่อนที่ของพาหะประจุที่ไหลผานวัสดุไป ในทิศทางเดียวกัน ปริมาณของกระแสไฟฟาที่ไหลจะมีมากหรือนอยขึ้นอยูกับวามีปริมาณของ ประจุที่ไหลผานจุดอางอิงที่พิจารณามีคามากนอยเพียงใดในหนึ่งหนวยเวลา เนื่องจากอิเล็กตรอนมี มวลนอยกวาโปรตอนมาก ในตัวนําไฟฟา เชน ขดลวดทองแดง การเคลื่อนที่ของประจุจึงเปนผล มาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระที่มีอยูจํานวนมาก สวนวัสดุที่เปนฉนวนไฟฟามี อิเล็กตรอนอิสระนอยมาก การไหลของกระแสจึงมีคาต่ํามาก
  • 6. 6 ทฤษฎีวงจรไฟฟา 1.2.2 กระแส กระแสไฟฟา (electric current) คือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของ จํานวนประจุที่เคลื่อนที่ผานพื้นที่หนาตัดที่พิจารณา ตัวอยางในกรณีที่ เปนสายทองแดงนําไฟฟา พื้นที่ที่พิจารณาจะเปนพื้นที่หนาตัดของสาย ทองแดง ดังแสดงในรูปที่ 1.1 ปริมาณกระแสที่ไหลมีคาเทากับ dq i dt = คูลอมบตอวินาที (C/s) (1-2) หนวยที่ใชวัดปริมาณกระแสเรียกวา แอมแปร (amperes) หรือ A โดย 1 แอมแปรมีคาเทากับ 1 คูลอมบตอวินาที หนวยของกระแสนี้ไดรับการ ตั้งชื่อขึ้นเพื่อเปนเกียรติแก André-Marie Ampère กระแส 1 แอมแปร คือ กระแสที่เกิดจากประจุปริมาณ +1 คูลอมบ เคลื่อนที่ผานระนาบอางอิงระนาบหนึ่งใน 1 วินาที i รูปที่ 1.1 การไหลของกระแสที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุลบผานพื้นที่หนาตัดของสาย ทองแดง ■■ ตัวอยางที่ 1-1 ถามีอิเล็กตรอนจํานวน 1012 ตัว ไหลผานระนาบอางอิงหนึ่งในเวลา 1 ไมโครวินาที จงหาคาของ กระแสไฟฟาในสถานะอยูตัว วิธีทํา จากนิยามของกระแสในสมการ (1-2) dq q i dt t Δ = = Δ André-Marie Ampère (ค.ศ. 1775–1836) นักคณิตศาสตร และนักฟสิกสชาวฝรั่งเศส
  • 7. บทที่ 1 บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา 7 ( )19 12 6 1.602 10 10 0.16 A 10 − − − × × = = − หมายเหตุ : เนื่องจากการนิยามกระแสพิจารณาจากทิศการไหลของพาหะที่เปนประจุบวก แตใน กรณีโลหะกระแสเกิดจากการไหลของพาหะที่เปนประจุลบ ดังนั้น ในโลหะทิศการไหลของ กระแสจะเปนทิศตรงกันขามกับทิศการไหลของพาหะประจุลบเสมอ การนิยามกระแสในวงจรไฟฟานอกจากจะตองระบุคาหรือปริมาณของกระแสแลว จําเปนตองกําหนดทิศทางการไหลของกระแสดวย และโดยทั่วไปนิยมใชลูกศรเพื่อแสดงทิศ ทางการไหลของกระแส ดูตัวอยางในรูปที่ 1.2 ประกอบ พิจารณารูปที่ 1.2 (ก) มีการระบุคากระแส 5 Ai = พรอมกับลูกศรที่มีทิศทางจากซายไปขวา การนิยามกระแสตามนี้มีความหมายวา มี กระแสไฟฟาขนาด 5 A ไหลจากจุด a ไปยังจุด b ในทางกลับกันรูปที่ 1.2 (ข) ระบุวากระแสมีคา เปนลบ กลาวคือ 5 Ai = − โดยทิศทางลูกศรเหมือนเดิมคือจากซายไปขวา การนิยามกระแสแบบนี้ มีความหมายวา มีกระแสไฟฟาขนาด 5 A ไหลจากจุด b ไปยังจุด a สําหรับรูปที่ 1.2 (ค) มีการ ระบุคากระแส 5 Ai = พรอมกับลูกศรที่มีทิศทางจากขวาไปซาย การนิยามแบบนี้มีความหมาย เดียวกันกับรูปที่ 1.2 (ข) คือมีกระแสไฟฟาขนาด 5 A ไหลจากจุด b ไปยังจุด a a b 5 Ai = a b 5 Ai = − a b 5 Ai = (ก) (ข) (ค) รูปที่ 1.2 ตัวอยางการนิยามกระแสที่ไหลผานองคประกอบในวงจรไฟฟาโดยใชลูกศรกํากับ ทิศทาง นอกจากนี้อาจใชดรรชนีลาง 2 ตัว (double subscript) แทนการใชลูกศรเพื่อแสดงทิศทางที่ กระแสไหลก็ไดเชนกัน ดูตัวอยางในรูปที่ 1.3 ซึ่งเปนนิยามการไหลของกระแสไฟฟาที่เทียบเทา กับการนิยามในตัวอยางที่ 1-2 ทุกประการ (ใหเทียบรูปตอรูป) โดย abi หมายถึงกระแสไหลจากจุด a ไปยังจุด b และ bai หมายถึงกระแสไหลจากจุด b ไปยังจุด a และสามารถเขียนไดวา baab ii −= อยางไรก็ตาม การนิยามกระแสโดยใชดรรชนีลาง 2 ตัว จะจํากัดอยูเฉพาะกับ
  • 8. 8 ทฤษฎีวงจรไฟฟา Alessandro Volta (ค.ศ. 1745–1827) นักฟสิกสชาว อิตาลี องคประกอบที่อยูระหวางขั้ว 2 ขั้วที่ระบุเทานั้น ไมสามารถใชในการการวิเคราะหวงจรจริงได นอกจากนั้นยังไมเอื้อตอนิยามในการวิเคราะหคากําลังไฟฟาซึ่งจะกลาวถึงในหัวขอถัดไป การ นิยามกระแสโดยใชดรรชนีลาง 2 ตัวอาจใชเปนตัวชวยเพื่อความชัดเจนในการอธิบายการไหลของ กระแสระหวางขั้ว 2 ขั้วเทานั้น a b 5 Aabi = a b 5 Aabi = − a b 5 Abai = (ก) (ข) (ค) รูปที่ 1.3 ตัวอยางการนิยามกระแสที่ไหลผานองคประกอบในวงจรไฟฟาโดยใชดัชนีลาง 2 ตัว 1.2.3 แรงดัน แรงดันไฟฟา (electric voltage) คือ งานที่ใชในการเคลื่อน ประจุปริมาณ +1 คูลอมบ จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ตัวอยางเชน การเคลื่อนประจุ 1q = + คูลอมบ จากจุด a ไปยัง b สามารถแสดงได ในรูปที่ 1.4 ดังนั้น แรงดันจึงเขียนเปนความสัมพันธไดเปน ab dW v dq = จูลตอคูลอมบ (J/C) (1-3) หนวยที่ใชวัดแรงดันเรียกวา โวลต (volts) หรือ V โดยแรงดัน 1 โวลต มีคาเทากับ 1 จูลตอคูลอมบ หนวยของแรงดันนี้ไดรับการตั้งชื่อขึ้น เพื่อเปนเกียรติแก Alessandro Volta (ค.ศ. 1745–1827) นักฟสิกสชาว อิตาลี ผูที่ไดรับการขนานนามวาเปนตนคิดแบตเตอรี่ รูปที่ 1.4 ตัวอยางเสนทางการเคลื่อนที่ของประจุ q+ ระหวางจุด a และ b
  • 9. บทที่ 1 บทนําทฤษฎีวงจรไฟฟา 9 ■■ ตัวอยางที่ 1-2 ถาใชพลังงานปริมาณ 136 จูล ในการเคลื่อนที่อิเล็กตรอนจํานวน 18 8.5 10× ตัวจากจุด a ไปยังจุด b ในวงจรไฟฟา ตามที่แสดงในรูปที่ 1.5 จงหาคาแรงดันไฟฟาหรือคาความตางศักย (potential difference) ระหวางจุด ab ทั้งสอง วิธีทํา จากนิยามในสมการ (1-3) จะได ( )( )18 19 136 100 V 8.5 10 1.60 10 abv − = = × × การนิยามแรงดันในวงจรไฟฟานอกจากจะตองระบุคาหรือปริมาณของแรงดันแลว จําเปนตองกําหนดขั้วบวก (+) และขั้วลบ (–) ใหกับองคประกอบดวย ดังแสดงตัวอยางในรูปที่ 1.5  (ก) 5 Vv = หมายถึงคาแรงดันที่จุด a เมื่อเทียบกับจุด b มีคาเทากับ 5 V ในทางกลับกัน ถา v มี คาเปนลบ (–) เชน 5 Vv = − ดังแสดงในรูปที่ 1.5 (ข) แสดงวาศักยไฟฟาที่จุด a เทียบกับจุด b มี คา 5 V− ซึ่งมีความหมายเทากับศักยไฟฟาที่จุด b เทียบกับจุด a มีคา 5 V ดังแสดงในรูปที่1.5 (ค) [สังเกตขั้วบวก (+) และขั้วลบ (–) ในกรณีหลังนี้] a b 5 Vv = a b 5 Vv = − a b 5 Vv = (ก) (ข) (ค) รูปที่ 1.5 ตัวอยางการนิยามแรงดันที่ตกครอมองคประกอบในวงจรไฟฟา นอกจากนี้อาจใชดรรชนีลาง 2 ตัว (double subscript) เพื่อแสดงขั้วขององคประกอบแทน การใชเครื่องหมายบวก (+) และลบ (–) กํากับก็ได ดังแสดงในรูปที่ 1.6 ซึ่งเปนการนิยามคา แรงดันไฟฟาระหวางจุด a และ b ที่เทียบเทากับการนิยามในตัวอยางที่ 1-5 ทุกประการ (ให เทียบรูปตอรูป) โดย abv หมายถึงคาศักยไฟฟาที่จุด a เมื่อเทียบกับคาศักยไฟฟาที่จุด b หรือ bav หมายถึงคาศักยไฟฟาที่จุด b เทียบกับคาศักยไฟฟาที่จุด a และสามารถเขียนไดวา baab vv −= จะเห็นวาเมื่อนิยาม abv แลว a คือขั้วบวก (+) b คือขั้วลบ (–) ในทางตรงขามเมื่อนิยาม bav แลว
  • 10. 10 ทฤษฎีวงจรไฟฟา b คือขั้วบวก (+) a คือขั้วลบ (–) การนิยามแรงดันโดยใชขั้วและดรรชนีลาง 2 ตัวรวมกันทําให เกิดความชัดเจนในการอธิบายแรงดันระหวางขั้ว 2 ขั้วไดชัดเจนมากขึ้น a b 5 Vabv = a b 5 Vabv = − a b 5 Vbav = (ก) (ข) (ค) รูปที่ 1.6 ตัวอยางการนิยามแรงดันที่ตกครอมองคประกอบในวงจรไฟฟา (แบบใชดรรชนีลาง 2 ตัว) 1.2.4 กําลังไฟฟา กําลังไฟฟา (electric power) คือ อัตราการทํางานหรือปริมาณ งานที่ทําตอหนึ่งหนวยเวลา ดังนั้น กําลังไฟฟาจึงเขียนเปน ความสัมพันธไดเปน dW P dt = จูลตอวินาที (J/s) (1-4) หนวยที่ใชวัดกําลังเรียกวา วัตต (watts) หรือ W โดยกําลัง 1 วัตตมีคา เทากับ 1 จูลตอวินาที หนวยของกําลังนี้ไดรับการตั้งชื่อขึ้นเพื่อเปน เกียรติแก James Watt (ค.ศ. 1736–1819) นักประดิษฐและวิศวกร เครื่องกลชาวสก็อต ผูที่ประสบความสําเร็จในการทําใหเครื่องจักร ไอน้ํามีประสิทธิภาพสูง กําลังไฟฟา P ที่เกิดขึ้นกับองคประกอบในวงจรไฟฟาหนึ่งมีความสัมพันธกับแรงดันที่ ตกครอมและกระแสที่ไหลผานองคประกอบดังกลาวดังนี้ dW dW dq P dt dq dt ⎛ ⎞⎛ ⎞ = = ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ (1-5) จากนิยามกระแสในสมการ (1-2) และนิยามของแรงดันในสมการ (1-3) จะไดวา P vi= (1-6) เมื่อพิจารณานิยามของกระแสและแรงดันไปพรอมกัน จะเห็นวาเมื่อประจุไฟฟาบวก 1 คู ลอมบ ถูกขับดวยพลังงานใหเคลื่อนที่จาก a ไป b คากระแสจาก a ไป b ( )abi และแรงดันตก James Watt (ค.ศ. 1736– 1819) นักประดิษฐและ วิศวกรเครื่องกลชาวสก็อต