ตอนที่ 1 วงจรไฟฟ้ากระแสตรง
ก่อนจะเริ่มต้นเรียนรู้กับวงจรที่มีความซับซ้อน เราต้องเริ่มจากมาทำความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับไฟฟ้ากันก่อนหัวข้อแรกที่เราจะเริ่มศึกษากันก็คือ ความสัมพันธ์ของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้า มันคือพื้นฐานสำคัญที่จะทำให้เราสามารถเข้าใจและวิเคราะห์วงจรที่มีความซับซ้อน แต่สงสัยกันไหมกระแสไฟฟ้า และแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้นมาได้อย่างไรแล้วมีความสัมพันธ์กันอย่างไรเกี่ยวข้องอะไรกับความต้านทานหาคำตอบได้จากหัวข้อนี้ได้เลยครับ
เนื่องจากวัสดุต่าง ๆ ประกอบไปด้วยอะตอม และสิ่งที่อยู่ในอะตอมก็จะประกอบด้วย นิวตรอน และ อิเล็กตรอน ซึ่งถ้าหากแยกพวกมันออกจากกัน ธรรมชาติของมันจะพยายามรวมตัวกันใหม่และเริ่มมีแรงดึงดูดที่เรียกว่า “ความต่างศักย์”
เพื่อให้เห็นภาพชัด ถ้าหากเรามีวงจรหนึ่งวงจรดังรูปด้านบน เราจะพบว่าอิเล็กตรอนอิสระภายในตัวนำจะเริ่มเคลื่อนที่ไปยังจุดที่มีโปรตอนอยู่ และแรงดึงดูดนี้ (แรงดันไฟฟ้า) ทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนเราจึงเรียกว่า “กระแสไฟฟ้า” ซึ่งการไหลของมันไม่ได้ไหลไปอย่างอิสระแต่จะถูกจำกัดการไหลจากวัสดุ (ขนาดของวัสดุและชนิด) ซึ่งข้อจำกัดนี้เราเรียกว่า “ความต้านทาน”
• แรงดันไฟฟ้า (Voltage)
แรงดันไฟฟ้า (Voltage or V ) เป็นแรงที่คอยผลักอิเล็กตรอนอิสระผ่านตัวนำ และยิ่งมีแรงดันไฟฟ้ามากเท่าไรความสามารถใรการผลักอิเล็กตรอนอิสระก็จะยิ่งมากขึ้นไปด้วย เราอาจจะพบว่าบางตำราอาจใช้ชื่อเรียกแรงดันไฟฟ้าว่า “ความต่างศักย์ หรือ ศักย์ไฟฟ้า” คำทั้งสองคำนี้ก็หมายถึงแรงดันไฟฟ้าเช่นเดียวกันนะครับ เพื่อไม่ให้เกิดความสับสนในที่นี้จึงขอใช้เป็น “แรงดันไฟฟ้า”
จุดสองจุดในวงจรที่ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าเราจะเรียกว่า “แรงดันตกคร่อม” ซึ่งจะมีหน่วยเป็นโวลต์ โดยจะมีสัญลักษณ์เป็น V หรือ v
แรงดันไฟฟ้าอีกชินดหนึ่งจะมีการอธิบายโดยละเอียดในตอนถัด ๆ ไปครับ แต่เรามาทำความรู้จักในเบื้องต้นกัน ถ้าเรามีแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงตามแอมพลิจูด (220 Vac) สลับกันไปมาเราจะเรียกว่า แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งไม่ว่าจะเป็นแรงดันชนิดไหนก็ตามหน่วยของแรงดันไฟฟ้าก็ยังคงมีหน่วยเป็น “โวลต์”
นอกจากนี้ยังมีคำอุปสรรคนำหน้าโวลต์ เพื่อบ่งบอกขนาดของแรงดันไฟฟ้าว่ามีมากหรือน้อยเท่าไร เช่น ไมโครโวลต์ (uV = 10-6 V) , มิลลิโวลต์ (mV = 10-3 V) หรือ กิโลโวลต์ (kV = 103 V) ซึ่งแรงดันนั้นสามารถมีค่าเป็นบวกหรือเป็นลบก็ได้
เราทำความรู้จักกับแรงดันไฟฟ้ากันแล้วว่าคืออะไร แต่มีปัญหาหนึ่งถ้าเกิดเราจะสร้างวงจรสักวงจรขึ้นมาแต่บังเอิญว่ามีแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าไม่เพียงพอเราจะทำอย่างไรกัน มาดูวิธีการต่อแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากันในที่นี้จะใช้ถ่าน มาเป็นตัวแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าครับ
กรณีที่เราต้องการเพิ่มแรงดัน ถ้าเรามีถ่านอยู่หลายก้อนเลยซึ่งในแต่ละก้อนจะมีแรงดันอยู่ 1.5 โวลต์ สามารถนำมันมาต่ออนุกนมกันได้เลยครับซึ่งแรงดันที่เกิดขึ้นจะเป็นการเอาแรงดันของถ่านแต่ละก้อนที่เราต่อเพิ่มเข้าไปมาคำนวณครับ เช่น ถ้าเราเอาถ่านมาต่อกันสองก้อน แรงดันที่ได้จะมีค่าเท่ากับ 3 โวลต์ นั่นเอง
ในการวัดวงจรเวลาเราวัดจะวัดแรงดันเทียบกับ กราวด์ ซึ่งมีสัญลักษณ์ในวงจรเป็น ซึ่งกราวด์จะเป็นจุดอ้างอิงแรงดันที่ต่ำที่สุดในวงจรซึ่งสำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสตรงส่วนใหญ่จุดอ้างอิงจะเป็นขั้วลบของแหล่งจ่ายแรงดัน ซึ่งเราจะวัดจุดที่เราสนใจกับกราวด์เพื่อดูว่ามีแรงดันเท่าไรสามารถดูได้จากรูปด้านบนเลยนะครับ
ต่อมาลองพิจารณาดูรูปด้านล่างจะพบว่ายิ่งมีแรงดันไฟฟ้ามากเท่าไรจะส่งผลต่อกระแสไฟฟ้าให้มีค่ามากขึ้นเท่านั้น ในรูปนี้เป็นการต่อถ่านแบบอนุกรมแสดงผลด้วยหลอดไฟจะเห็นถึงความสว่างของหลอดไฟที่แตกต่างกันแสดงถึงแรงดันไฟฟ้าที่มี ถ้าหลอดไฟสว่างมากแสดงว่ามีแรงดันไฟฟ้ามากขึ้น และกระแสไฟฟ้าก็จะมีมากขึ้นตามไปด้วยนั้นเอง
ต่อมาเรื่องของสัญลักษณ์ที่ใช้กับแรงดันไฟฟ้าแสดงดังรูปข้างล่างนี้เลยครับ “แรงดันไฟฟ้าสามารถมีได้ในวงจรโดยที่ไม่ต้องมีกระแสไฟฟ้า แต่กระแสไฟฟ้าไม่สามารถเกิดขึ้นได้ถ้าไม่มีแรงดันไฟฟ้า”
• กระแสไฟฟ้า (Current)
กระแสไฟฟ้า คือ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งในความเข้าใจของเราอิเล็กตรอนเที่เป็นประจุลบควรจะคลื่อนที่ไปหาประจุบวกของแหล่งจ่ายซึ่งเป็นความเข้าใจที่ถูกต้องและการไหลของกระแสไฟฟ้าจะไหลในลักษณะนั้นจริง ๆ โดยมีชื่อเรียกว่า การไหลแบบอิเล็กตรอน “Electron Flow”
แต่เพื่อการทำความเข้าใจโดยง่ายในการศึกษาวงจรไฟฟ้าจึงนิยมให้การไหลของกระแสไฟฟ้าไหลจากขั้วบวกของแหล่งจ่ายไปยังขั้วลบของแหล่งจ่าย (ไหลจากความต่างศักย์สูงไปยังศักย์ต่ำ) มีชื่อเรียกว่า การไหลแบบธรรมดา “Conventional Current Flow” ซึ่งทิศทางของกระแสไฟฟ้าจะไหลไปทิศทางไหนไม่ได้ส่งผลอะไรต่อการทำงานของวงจร แต่เวลาที่วิเคราะห์วงจรถ้าต้องกำหนดกระแสไฟฟ้าทิศทางใดแล้วก็ให้ใช้ทิศทางนั้นตลอดทั้งการวิเคราะห์ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วการวิเคราะห์วงจรเราจะใช้ทิศทางการไหลกระแสไฟฟ้าแบบธรรมดา
หน่วยที่ใช้ในการวัดกระแสไฟฟ้าเรียกว่า “แอมป์แปร์หรือแอมป์” ซึ่งก็เช่นเดียวกับแรงดันไฟฟ้าจะมีคำอุปสรรคเป็นตัวกำหนดค่ากระแสมากหรือน้อยซึ่งจะอยู่หน้าแอมป์ เช่น ไมโครแอมป์ (uA) มิลลิแอมป์ (mA) ซึ่งกระแสไฟฟ้าสามารถมีค่าเป็นได้ทั้งบวกและลบขึ้นอยู่กับทิศทางการไหลภายในวงจร
เช่นเดียวกับแรงดันไฟฟ้าซึ่งจะมีสองชนิดเช่นเดียวกันคือ กระแสไฟฟ้ากระแสตรงโดยกระแสจะไหลไปในทิศทางเดียว และกระแสไฟฟ้ากระแสสลับ(จะอธิบายโดยละเอียดภายหลัง) ซึ่งกระแสจะสลับผ่านวงจรไปมา ทั้งนี้การที่กระแสไฟฟ้าจะไหลได้นั้นจะต้องมีแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้นภายในวงจรดังที่อธิบายแล้วในข้างต้น กระแสไฟฟ้าจะมากหรือน้อยจะขึ้นอยู่กับแรงดันและความต้านทานของวงจรนั้น ๆ
เพื่อทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต้านทานดูได้ดังรูปด้านบน ถ้าขนาดท่อยิ่งมากขึ้นกระแสน้ำก็จะมีอัตราการไหลมากขึ้น ซึ่งก็หมายความว่ามีค่าความต้านทานที่น้อยน้ำจึงมีอัตราการไหลมากนั้นเอง ซึ่งหลักการของกระแสไฟฟ้าก็มีลักษณะเช่นเดียวกัน ทั้งนี้กระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นได้จะต้องอาศัยแรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถไหลผ่านวงจรที่มีลักษณะเป็น วงจรเปิด (Open Circuit)
• ค่าความต้านทาน (Resistance)
ความต้านทานคือความสามารถที่วัสดุมีการป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าดังที่ได้อธิบายในเรื่องของหัวข้อกระแสไฟฟ้าแล้ว ยิ่งความต้านทานมากจะทำให้มีกระแสไหลน้อย แต่ถ้าหากค่าความต้านทานน้อยกระแสจะไหลมาก ซึ่งสรุปแล้วก็คือ ค่าความต้านทานจะแปรผกผันกับกระแสนั่นเอง ซึ่งอุปกรณ์ภายในวงจรที่มีคุณสมบัติดังกล่าวจะเรียกว่า “ตัวต้านทาน”
ค่าความต้านทานที่วัดได้จะมีหน่วยเป็นโอห์ม (Ω) ซึ่งก็จะมีคำอุปสรรคที่ใช้กำหนดค่าเช่นเดียวกับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ทั้งนี้ค่าความต้านทานไม่สามารถติดลบได้ซึ่งสัญลักษณ์ของตัวต้านทานจะมีลักษณะดังรูปด้านล่าง
• สรุป
ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้า เมื่อมีการเพิ่มแรงดันไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าจะสูงขึ้นด้วย ความสัมพันธ์ของกระแสไฟฟ้ากับแรงดันจะเป็นลักษณะแปรผันตรงกัน แต่ถ้าเพิ่มความต้านทานมากขึ้น กระแสไฟฟ้าจะลดลง ซึ่งความสัมพันธ์ของกระแสไฟฟ้าและความต้านทานมีลักษระแปรผกผันกัน
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
