งานนำเสนอกำลังจะดาวน์โหลด โปรดรอ

งานนำเสนอกำลังจะดาวน์โหลด โปรดรอ

บทที่ 21 กระแส และ วงจรไฟฟ้ากระแสตรง. กระแสไฟฟ้า(Electric Current) กระแสไฟฟ้า คืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่าน พื้นที่อันหนึ่ง หน่วยในระบบ SI ของกระแสไฟฟ้าคือ.

งานนำเสนอที่คล้ายกัน


งานนำเสนอเรื่อง: "บทที่ 21 กระแส และ วงจรไฟฟ้ากระแสตรง. กระแสไฟฟ้า(Electric Current) กระแสไฟฟ้า คืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่าน พื้นที่อันหนึ่ง หน่วยในระบบ SI ของกระแสไฟฟ้าคือ."— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 บทที่ 21 กระแส และ วงจรไฟฟ้ากระแสตรง

2 กระแสไฟฟ้า(Electric Current) กระแสไฟฟ้า คืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่าน พื้นที่อันหนึ่ง หน่วยในระบบ SI ของกระแสไฟฟ้าคือ แอมแปร์ (ampere : A) 1 A = 1 C / s สัญลักษณ์ของกระแสไฟฟ้าคือ I

3 กระแสไฟฟ้าเฉลี่ย ให้ถือว่าประจุไฟฟ้า เคลื่อนที่ผ่านผิวพื้นที่ A อย่างตั้งฉาก ถ้า  Q เป็นปริมาณประจุที่ ผ่านพื้นที่ A ในช่วงเวลา  t กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยมีค่าเป็น

4 กระแสไฟฟ้าในขณะใดใด ถ้าอัตราการไหลของประจุไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง ตามเวลา สามารถหากระแสไฟฟ้า ณ เวลาใดใด ได้จาก

5 ทิศทางของกระแสไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านพื้นที่หนึ่งอาจเป็นประจุบวกหรือ ประจุลบ หรือทั้งสองอย่างก็ได้ เพื่อความสะดวกก็จะนิยามทิศของกระแสไฟฟ้าจากการไหล ของประจุบวก ทิศของกระแสไฟฟ้าตรงข้ามกับการไหลของกระแส อิเล็กตรอน โดยทั่วไป เรียกประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ว่า ตัวพาประจุ(charge carrier)

6 กระแสไฟฟ้า และ ความเร็วลอยเลื่อน อนุภาคไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่าน ตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัด A n แทนจำนวนอนุภาคที่พา ประจุไปต่อหนึ่งหน่วย ปริมาตร nA  x แทนจำนวนอนุภาคที่พา ประจุทั้งหมด

7 Current and Drift velocity, cont ประจุไฟฟ้าทั้งหมด เท่ากับจำนวนอนุภาคที่พาประจุ คูณกับ ค่าประจุบนหนึ่งอนุภาค q  Q = (n A  x) q ความเร็วลอยเลื่อน(drift velocity) v d คือความเร็วเฉลี่ยที่ อนุภาคที่พาประจุเคลื่อนที่ v d =  x/  t จึงเขียนได้เป็น :  Q = (n A v d  t) q จะได้กระแสไฟฟ้า I =  Q /  t = nqv d A

8 Charge Carrier Motion in a Conductor ลูกศรสีดำในภาพแสดงเส้นทางการ เคลื่อนที่ของอนุภาคที่พาประจุ เคลื่อนที่ในตัวนำอย่าง zig-zag ทำให้ความเร็วลอยเลื่อนมีค่าน้อย การเปลี่ยนแปลงอย่างกระทันหัน แสดงถึงการชนกัน การเคลื่อนที่สุทธิของอิเล็กตรอน ตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของ กระแสไฟฟ้า

9 Motion of Charge Carriers, cont เมื่อให้ความต่างศักย์กับตัวนำ ทำให้ในตัวนำมี สนามไฟฟ้า สนามไฟฟ้าออกแรงกระทำกับอิเล็กตรอน แรงกระทำให้เกิดความเร่งและสร้างกระแสไฟฟ้า

10 Motion of Charge Carriers, final สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงผลักดันให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ ด้วยอัตราเร็วเกือบเท่าแสง ซึ่งจะเห็นว่าเมื่อสับสวิตช์ ก็จะมีกระแสไฟฟ้าทันที อิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่จากสวิตช์ไปยังหลอดไฟฟ้าเพื่อทำ ให้ไฟสว่าง แต่ในไส้หลอดไฟฟ้ามีอิเล็กตรอนอยู่เรียบร้อยแล้ว อิเล็กตรอนตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดย แบตเตอรี

11 ตัวอย่าง เรื่องความเร็วลอยเลื่อน (ทำเป็นการบ้าน) ถือเสียว่า ลวดทองแดงมีอิเล็กตรอนที่ทำให้เกิด กระแสไฟฟ้าได้ 1 อิเล็กตรอนทุก 1 อะตอม ความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอนในลวดทองแดง เบอร์ 12 ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน 10 A คือ 2.22  m/s ค่านี้เป็นระดับขนาดของความเร็วลอยเลื่อนทั่ว ๆ ไป

12 ความหนาแน่นกระแส(Current Density) J แทนค่าความหนาแน่นกระแสในตัวนำ ถูกกำหนดโดยกระแสไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ J = I / A = nq v d สูตรนี้จะใช้ได้เฉพาะเมื่อความหนาแน่นกระแสมีค่าสม่ำเสมอ และ A ตั้งฉากกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า หน่วยของ J ในระบบ SI คือ A / m 2 ความหนาแน่นกระแสมีทิศทางเหมือนกับทิศการเคลื่อนที่ ของตัวพาประจุไฟฟ้าที่เป็นบวก

13 ความต้านทาน(Resistance) ในตัวนำ ความต่างศักย์ที่คร่อมปลายทั้งสองของตัวนำ เป็นอัตราส่วนโดยตรงกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำ นั้น อัตราส่วนที่เป็นค่าคงตัวนี้เรียกว่า ความต้านทาน ของ ตัวนำ

14 Resistance, cont หน่วยของความต้านทานในระบบ SI คือ โอห์ม(ohms :  ) 1  = 1 V / A ความต้านทานในตัวนำเกิดขึ้นเนื่องจากการชนกันของ อิเล็กตรอนที่เป็นตัวพากระแสไฟฟ้ากับอะตอมที่อยู่กับที่ใน ตัวนำนั่นเอง

15 กฎของโอห์ม(Ohm’s Law) กฎของโอห์ม กล่าวว่า สารมากมายหลายชนิดมีความ ต้านทานเป็นค่าคงตัวในช่วงกว้างของความต่างศักย์ที่ ใส่ให้ โลหะส่วนใหญ่ เป็นไปตามกฎของโอห์ม วัสดุที่ทำตัวตามกฎของโอห์มเรียกว่า “โอห์มิก” (ohmic)

16 Ohm’s Law, cont แต่ก็ไม่ใช่วัสดุทุกอย่างจะเป็นไปตามกฎของโอห์ม วัสดุที่ไม่เป็นไปตามกฎของโอห์มเรียกว่า “นอนโอห์มิก” (nonohmic) กฎของโอห์มไม่ใช่กฎพื้นฐานในธรรมชาติ กฎของโอห์มเป็นความสัมพันธ์แบบเอ็มไพริกัล(empirical) ที่ใช้ได้กับวัสดุบางชนิด

17 กราฟของวัสดุที่เป็นโอห์มิก อุปกรณ์ที่เป็นโอห์มิก ความต้านทานเป็นค่าคงตัว ในช่วงความต่างศักย์ที่กว้าง ความสัมพันธ์ระหว่างกระแส และความต่างศักย์เป็นเชิงเส้น ความชันมีความสัมพันธ์กับ ความต้านทาน

18 กราฟของวัสดุที่เป็น ไม่เป็นโอห์มิก วัสดุที่ไม่เป็นโอห์มิกคือเหล่าวัสดุ ที่ความต้านทานเปลี่ยนค่าไปเมื่อ กระแสหรือความต่างศักย์เปลี่ยน ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและ ความต่างศักย์ไม่เป็นเชิงเส้น ไดโอดเป็นตัวอย่างหนึ่งของ อุปกรณ์ที่ไม่เป็นโอห์มิก

19 สภาพต้านทาน(Resistivity) ความต้านทานมีความสัมพันธ์กับรูปทรงของอุปกรณ์ :  เขียนแทนสภาพต้านทานของวัสดุ ส่วนกลับของสภาพต้านทานคือสภาพนำ :  = 1 /  และ R = /  A สภาพต้านทานในหน่วย SI คือ โอห์ม เมตร (ohm-meters : . m)

20 สภาพนำไฟฟ้า(Conductivity) ความหนาแน่นกระแส J และสนามไฟฟ้า E ถูก ทำให้เกิดขึ้นในตัวนำเมื่อมีความต่างศักย์บน ตัวนำ J =  E  เป็นอัตราส่วนที่เป็นค่าคงตัวที่เรียกว่า สภาพนำไฟฟ้า ของตัวนำ

21 Some Resistivity Values

22 Resistance and Resistivity, Summary สภาพต้านทานเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของสสาร ความต้านทานเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของวัตถุ ความต้านทานของวัสดุขึ้นกับรูปร่างและสภาพ ต้านทาน ตัวนำอุดมคติ(สมบูรณ์)จะมีความต้านทานเป็นศูนย์ ฉนวนอุดมคติจะมีความต้านทานเป็นอนันต์

23 องค์ประกอบของวงจรไฟฟ้าส่วนใหญ่ เรียกว่า ตัวต้านทาน ตัวต้านทานมีหน้าที่ควบคุมระดับของกระแสไฟฟ้าในส่วน ของวงจร ตัวต้านทานอาจจะทำด้วยสารประกอบ หรือเอาลวดมาพัน กันตัวต้านทาน

24 ค่าของตัว ต้านทาน ค่าความต้านทานของตัวต้านทานมักจะใช้เป็นแถบสี

25 สภาพต้านทานและอุณหภูมิ ภายใต้ขอบเขตอุณหภูมิช่วงหนึ่ง สภาพต้านทานของ ตัวนำแปรผันตามอุณหภูมิอย่างเป็นเส้นตรง (โดยประมาณ)  o แทนสภาพต้านทานที่อุณหภูมิ T o T o นั้น โดยทั่วไปจะใช้ที่ 20° C  แทนสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ-สภาพต้านทาน(temperature coefficient of resistivity) มีหน่วยในระบบ SI เป็น o C -1

26 การเปลี่ยนแปลงความต้านทานไปตามอุณหภูมิ เนื่องจากความต้านทานของตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัดสม่ำเสมอ นั้น เป็นสัดส่วนโดยตรงกับสภาพต้านทาน จึงสามารถ แสดงผลของอุณหภูมิที่มีต่อความต้านทานได้เป็น

27 กราฟระหว่าง สภาพต้านทานกับอุณหภูมิ สำหรับโลหะ สภาพต้านทานเกือบจะ เป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ ช่วงที่กราฟไม่เป็นเส้นตรงมักเป็นช่วง ที่อุณหภูมิต่ำมาก สภาพต้านทานจะมีค่าเข้าสู่ค่าที่ แน่นอนค่าหนึ่งในขณะที่อุณหภูมิเข้า สู่ศูนย์สัมบูรณ์

28 สภาพต้านทานที่หลงเหลืออยู่ ในขณะที่อุณหภูมิลดลงสู่ศูนย์สัมบูรณ์ยังมีสภาพต้านทาน เหลืออยู่เพราะอิเล็กตรอนมีการชนกันกับสารแปลกปลอมที่ ปนอยู่ในเนื้อโลหะและความไม่สมบูรณ์ในโลหะ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น สภาพต้านทานได้รับอิทธิพลหลักมาจาก การชนระหว่างอิเล็กตรอนกับอะตอมของโลหะนั้นเอง ซึ่งเป็นช่วงที่กราฟเป็นเส้นตรง

29 ตัวนำยิ่งยวด(Superconductors) เป็นสถานะของโลหะและสารประกอบที่ ความต้านทานมีค่าเข้าสู่ศูนย์ในขณะที่ อุณหภูมิต่ำกว่าค่าที่แน่นอน, T C T C ถูกเรียกว่าอุณหภูมิวิกฤติ(critical temperature) ตอนที่อุณหภูมิสูงกว่า T C, กราฟ เหมือนกับโลหะทั่วไป แต่จะตกลงสู่ศูนย์ อย่างทันใดเมื่ออุณหภูมิถึง T C

30 Superconductors, cont T C เป็นค่าที่เปลี่ยนแปลงได้ง่าย ขึ้นอยู่กับ ส่วนประกอบทางเคมี ความดัน โครงสร้างผลึก เมื่อทำให้มีกระแสไฟฟ้าในตัวนำยิ่งยวดแล้ว กระแสไฟฟ้า ยังคงไหลอยู่ในตัวนำได้โดยไม่ต้องมีความต่างศักย์ เนื่องจากความต้านทาน R = 0

31 การประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวด การประยุกต์ที่สำคัญของตัวนำ ยิ่งยวดคือการเป็นแม่เหล็กจาก การนำยิ่งยวด ขนาดของสนามแม่เหล็กจะแรง กว่าแม่เหล็กไฟฟ้าทั่วไปถึง 10 เท่า

32 แบบจำลองการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนอิสระในตัวนำเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเฉลี่ย ประมาณ 10 6 m/s ที่จริงแล้วก็ไม่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์เพราะจะต้องอยู่ภายใน ตัวนำ ออกไปไม่ได้ การเคลื่อนที่เป็นไปอย่างสะเปะสะปะ อิเล็กตรอนผ่านการชนมากมาย ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนเป็นศูนย์ ในตัวนำมีกระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์

33 Conduction Model, 2 เมื่อให้สนามไฟฟ้ากับตัวนำ สนามไฟฟ้าปรับกระบวนการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุ อิเล็กตรอนไหลเลื่อนไปสวนทางกับสนามไฟฟ้า ความเร็วลอยเลื่อน (drift velocity) มีค่าเฉลี่ยเป็น m/s, ซึ่งน้อยกว่าความเร็วที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ชน กันมาก

34 Conduction Model, 3 ข้อสมมติ : พลังงานส่วนหนึ่งของอิเล็กตรอนที่ได้รับจากสนามไฟฟ้า ได้สูญเสียให้กับอะตอมของตัวนำในระหว่างการชนกัน พลังงานที่อะตอมได้รับจากการชนทำให้อะตอมสั่นและ เพิ่มอุณหภูมิให้กับตัวนำ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหลังชนไม่ขึ้นกับการ เคลื่อนที่ก่อนชน

35 Conduction Model, 4 แรงที่อิเล็กตรอนได้รับ จากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน ความเร่งมีค่าเป็น ประยุกต์กับสมการการเคลื่อนที่ เนื่องจากความเร็วเริ่มต้นของอิเล็กตรอนะเปะสะปะทำ ให้ความเร็วเฉลี่ยเป็นศูนย์

36 Conduction Model, 5 ให้  แทนช่วงเวลาเฉลี่ยระหว่างการชนกัน ความเร็วเฉลี่ยของความเร็วปลายเรียกว่าความเร็วลอยเลื่อน (drift velocity) ซึ่งมีความสัมพันธ์กับกระแสไฟฟ้า : I = n e v d A = (n e 2 E / m e )  A

37 Conduction Model, final เมื่อใช้กฎของโอห์ม สภาพต้านทานของตัวนำเขียนได้เป็น : บันทึก, สภาพต้านทานเป็นค่าที่ไม่ขึ้นกับความแรงของ สนามไฟฟ้า เวลาเฉลี่ยมีความสัมพันธ์กับระยะทางอิสระเฉลี่ย :  = avg /v avg

38 การปรับปรุงแบบจำลองการนำไฟฟ้า จะต้องใช้แบบจำลองกลศาสตร์ควอนตัมในการ อธิบายคำทำนายที่ผิดพลาดของแบบจำลองดั้งเดิม โดยจะต้องพิจารณาว่าอิเล็กตรอนมีพฤติกรรม เหมือนกับคลื่น ส่งผลให้คำทำนายสภาพต้านทานสอดคล้องกับค่าที่ ได้จากการวัด

39 กำลังไฟฟ้า พิจารณาวงจรในภาพ ประจุไฟฟ้า Q เคลื่อนที่จาก a ไป b ผ่านแบตเตอรี่ พลังงาน ศักย์ไฟฟ้าของระบบเพิ่มขึ้น Q  V พลังงานเคมีภายในของ แบตเตอรี่ก็ลดลงในปริมาณที่ เท่ากัน

40 Electrical Power, 2 ขณะที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนผ่านตัวต้านทาน (c ไป d) ระบบ สูญเสียพลังงานศักย์ไฟฟ้าไปในการชนกันของอิเล็กตรอน กับอะตอมของตัวต้านทาน พลังงานนี้เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานภายในของตัวต้านทาน (ความร้อน) สัมพันธ์กันกับการสั่นสะเทือนที่เพิ่มขึ้นของอะตอมใน ตัวต้านทาน

41 Electric Power, 3 ตามปกติ ตัวต้านทานสัมผัสอยู่กับอากาศ ดังนั้นอุณหภูมิที่ เพิ่มขึ้นของมันจึงทำให้เกิดการถ่ายโอนความร้อนไปสู่ อากาศ และตัวต้านทานก็ยังแผ่รังสีความร้อนไปด้วย เมื่อเวลาผ่านไป อุณหภูมิของตัวต้านทานก็เข้าสู่สภาวะคงตัว พลังงานที่ตัวต้านทานได้รับสมดุลกันกับพลังงานที่ถ่าย โอนออกไปเป็นความร้อนและการแผ่รังสี

42 Electric Power, 4 ระบบสูญเสียพลังงานศักย์ขณะที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านตัว ต้านทานในอัตราเดียวกันกับตัวต้านทานได้รับพลังงาน ภายในเพิ่มขึ้น กำลัง คือ อัตราที่พลังงานถูกนำส่งไปยังตัวต้านทาน

43 Electric Power, final กำลังหาได้จากสมการ : P = I  V ประยุกต์ใช้กฎของโอห์มจะได้สูตร : I มีหน่วยเป็น A, R มีหน่วยเป็น ,  V มีหน่วยเป็น V, และ P มีหน่วยเป็น W

44 การส่งกำลังไฟฟ้า ในทางปฏิบัติแล้ว สายส่งกำลังไฟฟ้ามีความต้านทาน บริษัทผลิตพลังงานไฟฟ้าส่งกำลังไฟฟ้าด้วยความต่าง ศักย์ที่สูงและกระแสไฟฟ้าต่ำเพื่อให้การสูญเสียกำลังใน สายส่งให้น้อยที่สุด

45 แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive force : emf) แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าคืออุปกรณ์ที่สร้างความต่างศักย์ ให้กับวงจรไฟฟ้า แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเป็นตัวจ่ายพลังงาน ไม่ได้จ่ายแรงให้แก่ วงจร แบตเตอรี่เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานให้แก่วงจรไฟฟ้า รวมถึง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่าง ๆ

46 ตัวอย่างวงจร เราถือว่าเส้นลวดหรือสายไฟฟ้า ไม่มีความต้านทาน ขั้วบวกของแบตเตอรี่มีศักย์สูง กว่าขั้วลบ ในแบตเตอรี่ไม่มีความต้านทาน ภายใน

47 ความต้านทานภายในแบตเตอรี่ ถ้าความต้านทานภายใน แบตเตอรี่เป็นศูนย์ ความต่างศักย์ คร่อมขั้วแบตเตอรี่เท่ากับ แรงเคลื่อนไฟฟ้า แบตเตอรี่จริงมีความต้านทาน ภายใน r ความต่างศักย์ที่ขั้ว  V =  - I r

48 emf, cont แรงเคลื่อนไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความต่างศักย์คร่อมขั้วแบตเตอรี่ เมื่อวงจรเปิด ความต่างศักย์คร่อมขั้วแบตเตอรี่เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร ค่านี้ เขียนติดไว้ข้างแบตเตอรี่ ความต่างศักย์ที่แท้จริงที่คร่อมขั้วแบตเตอรี่ขึ้นกับ กระแสไฟฟ้าในวงจร

49 ภาระความต้านทาน(Load Resistance) ความต่างศักย์คร่อมขั้วเซล เท่ากับ ความต่างศักย์คร่อมความ ต้านทานภายนอก ตัวต้านทานภายนอกเรียกว่า ภาระความต้านทาน จากตัวอย่างที่ผ่านมา ภาระความต้านทานคือตัวต้านทาน ภายนอก โดยทั่วไป ภาระความต้านทานอาจเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าใดใดก็ได้ ในวงจร

50 กำลัง กำลังทั้งหมดที่ส่งออกไปจากแบตเตอรี่ คือ P = I  V =I  กำลังถูกส่งไปยังตัวต้านทานภายนอก (I 2 R) และตัวต้านทาน ภายใน (I 2 r) P =I  = I 2 R + I 2 r กระแสไฟฟ้าขึ้นกับค่าความต้านทานภายนอกและความ ต้านทานภายใน

51 ต่อตัวต้านทานอย่างอนุกรม เมื่อตัวต้านทานตั้งแต่สองตัวขึ้นไปเอาปลายมาต่อปลาย เรียกว่า เป็นการต่ออย่าง อนุกรม ( series ) การรวมกันของตัวต้านทานอย่างอนุกรม กระแสไฟฟ้าเป็นค่า เดียวกันทุกตัว เพราะปริมาณประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนผ่านตัว ต้านทานตัวหนึ่งจะต้องเคลื่อนที่ผ่านตัวต้านทานตัวถัดไปใน ช่วงเวลาเดียวกัน ความต่างศักย์จะถูกแบ่งไปตามตัวต้านทาน ซึ่งทำให้ผลบวก ของความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทาน เท่ากับความต่างศักย์คร่อม ตัวต้านทานทั้งหมดที่ต่ออนุกรมกัน

52 Resistors in Series, cont ศักย์ไฟฟ้าบวกกัน  V = IR 1 + IR 2 = I (R 1 +R 2 ) เป็นไปตามหลักอนุรักษ์พลังงาน ความต้านทานสมมูลมีผลต่อ วงจรไฟฟ้าเช่นเดียวกับความ ต้านทานเดิมที่ต่อรวมกัน

53 ความต้านทานสมมูลย์ของการต่ออย่างอนุกรม R eq = R 1 + R 2 + R 3 + … ความต้านทานสมมูลย์ของการต่อตัวต้านทานอย่างอนุกรม เท่ากับผลบวกทางคณิตศาสตร์ของความต้านทานแต่ละตัว และมีค่ามากกว่าความต้านทานของแต่ละตัวเสมอ หากอุปกรณ์ตัวใดที่อนุกรมกันอยู่ในสภาวะที่ทำให้วงจรเปิด อุปกรณ์ทุกชิ้นในวงจรจะไม่ทำงาน

54 Equivalent Resistance – Series – An Example ตัวต้านทานสองตัวถูกแทนที่ด้วยตัวต้านทานหนึ่งตัวที่มีค่า สมมูลย์ของสองตัวนั้น

55 การต่อตัวต้านทานแบบขนาน ความต่างศักย์คร่อมความต้านทานแต่ละตัวที่ขนานกันมีค่า เดียวกันเพราะทุกตัวต่อกับขั้วแบตเตอรี่โดยตรงเหมือนกัน กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าที่จุดใดต้องเท่ากับกระแสไฟฟ้าที่ ไหลออกจากจุดนั้น I = I 1 + I 2 โดยทั่วไป กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัวไม่ เท่ากัน เป็นไปตามกฎอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า

56 ความต้านทานสมมูลย์เมื่อต่ออย่างขนาน หาความต้านทานสมมูลย์ R eq ได้จาก ส่วนกลับของความต้านทานสมมูลย์ ของตัวต้านทานที่ต่อขนานกันหลาย ตัว มีค่าเท่ากับผลบวกทางเลขคณิต ของส่วนกลับของความต้านทานแต่ ละตัว ความต้านทานสมมูลย์มีค่าน้อย กว่าความต้านทานตัวที่มีค่าน้อย ที่สุดในกลุ่มที่นำมาต่อขนานกัน

57 ตัวอย่างความต้านทานสมมูลย์ที่ต่อกันอย่างขนาน ความต้านทานสมมูลย์แทนที่ความต้านทานตัวเดิม เครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านต่อกันอย่างขนาน หากอุปกรณ์ตัวใดตัวหนึ่งขาดออกจากวงจร อุปกรณ์ตัว อื่นยังคงสามารถทำงานได้ต่อไป

58 Resistors in Parallel, Final ในการต่ออย่างขนาน ทำให้อุปกรณ์แต่ละชิ้นทำงานแยกกันอย่าง อิสระ เมื่อตัดไฟฟ้าของอุปกรณ์ชิ้นหนึ่งออกไป ชิ้นอื่นก็ยังคง สามารถทำงานได้ อุปกรณ์ทุกตัวที่ต่อกันอย่างขนานจะมีความต่างศักย์ค่าเดียวกัน กระแสไฟฟ้าที่เข้าไปยังแต่ละส่วน ตัวที่มีความต้านทานน้อยที่สุดจะมีกระแสไหลผ่านมากที่สุด แม้ตัวที่มีความต้านทานสูงสูงก็จะมีกระแสไหลผ่านได้บ้าง

59 การยุบวงจร วงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานหลายตัว สามารถเขียนเป็นวงจรอย่าง ง่ายที่มีตัวต้านทานเพียงตัวเดียวได้ พิจารณาส่วนของวงจรที่มีตัวต้านทานต่อกันอย่างอนุกรม แล้วแทน ด้วยความต้านทานสมมูลย์ของส่วนนั้น และส่วนของวงจรที่ต่อกัน อย่างขนานก็แทนด้วยความต้านทานสมมูลย์ของมัน วาดวงจรใหม่ พิจารณาวงจร แล้วแทนที่ส่วนความต้านทานที่อนุกรมหรือขนานด้วยความ ต้านทานสมมูลย์ของแต่ละส่วน และวาดวงจรใหม่ ทำต่อไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะเหลือความต้านทานสมมูลย์เพียงตัวเดียวในวงจร

60 ตัวอย่าง การยุบวงจร ตัวต้านทาน 8.0  และ 4.0  ต่อ กันอย่างอนุกรม แทนที่ด้วยตัว ต้านทานสมมูลย์ค่า 12.0  ตัวต้านทาน 6.0  และ 3.0  ต่อ กันอย่างขนาน แทนที่ด้วยตัว ต้านทานสมมูลย์ค่า 2.0  ตัวต้านทานสมมูลย์ทั้งสองตัวต่อ กันอย่างอนุกรม แทนด้วยความ ต้านทานสมมูลย์ของมันค่า 14.0 

61 กฎของเคอร์ชอฟฟ์(Kirchhoff’s Rules) มีวิธีต่อตัวต้านทานหลายตัวเข้าในวงจรมากมาย ทำให้รูป วงจร บางทีก็ไม่สามารถแทนด้วยความต้านทานสมมูลย์ เพียงตัวเดียวได้ กฎของเคอร์ชาฟฟ์มีสองข้อ สามารถใช้แทนการหาความ ต้านทานสมมูลย์ได้

62 แถลงกฎของเคอร์ชอฟฟ์ กฎของจุดประสาน(Junction Rule) ที่จุดประสานใดใด ผลบวกของกระแสไฟฟ้าจะต้องเป็น ศูนย์ เป็นถ้อยแถลงของการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า กฎของวง(Loop Rule) ผลบวกของความต่างศักย์คร่อมทุกชิ้นส่วนรอบวง บรรจบใดใดของวงจรไฟฟ้าต้องเป็นศูนย์ เป็นถ้อยแถลงของกฎอนุรักษ์พลังงาน

63 ถ้อยแถลงทางคณิตศาสตร์ของกฎของเคอร์ชอฟฟ์ กฎของจุดประสาน :  I in =  I out กฎของวง :

64 More About the Junction Rule I 1 - I 2 - I 3 = 0 ใช้ +I สำหรับกระแสที่วิ่งเข้ามาที่ จุดประสาน ใช้  I สำหรับกระแสที่วิ่งออกจาก จุดประสาน เป็นไปตามการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า รูป b เป็นการแสดงเปรียบเทียบกับ ทางกลศาสตร์

65 More About the Loop Rule เคลื่อนที่ตามวงจาก a ไป b รูป (a), ตัวต้านทานวางตัวในทิศทาง ของกระแสไฟฟ้า ความต่างศักย์คร่อม ตัวต้านทานเป็น –IR รูป (b), ตัวต้านทานวางตัวในทิศ ทางตรงข้ามกระแสไฟฟ้า ความต่าง ศักย์คร่อมตัวต้านทานเป็น +IR

66 Loop Rule, final เคลื่อนที่ตามวงจาก a ไป b รูป (c) แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า วางตัวในทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้า (จาก – ไป +), การเปลี่ยนแปลง ศักย์ไฟฟ้าเป็น +  รูป (d) แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า วางตัวในทิศทางตรงข้าม แรงเคลื่อนไฟฟ้า (จาก + ไป –), การ เปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าเป็น – 

67 สมการจุดประสานตามกฎของเคอร์ชอฟฟ์ ใช้สมการกฎของจุดประสานเท่าที่เมื่อเขียนสมการออกมาได้ รวมกระแสที่ยังไม่ได้ปรากฎในสมการที่ใช้กฎของจุด ประสานมาก่อน โดยทั่วไปแล้ว จำนวนครั้งของการใช้กฎของจุดประสานจะ น้อยกว่าจำนวนจุดประสานที่ปรากฏในวงจรอยู่หนึ่ง

68 สมการตามวงที่ใช้ตามกฎของเคอร์ชอฟฟ์ ใช้สมการกฎของวงเท่าที่เมื่อส่วนประกอบย่อยของ วงจร(ตัวต้านทานหรือแบตเตอรี่) หรือกระแสไฟฟ้าตัว ใหม่ ได้ปรากฎในสมการที่เขียนขึ้นใหม่ จะต้องตั้งจำนวนสมการที่ไม่เกี่ยวกันมากเท่ากับจำนวน ตัวแปรที่ไม่ทราบค่า

69 Kirchhoff’s Rules’ Equations, final ในการแก้ปัญหาวงจรพิเศษวงจรหนึ่ง จำนวนสมการที่ไม่ขึ้น แก่กันที่สร้างจากกฎทั้งสองของเคอร์ชอฟฟ์ เท่ากับ จำนวน กระแสไฟฟ้าที่ไม่ทราบค่า

70 ตัวช่วยในการใช้กฎเคอร์ชอฟฟ์แก้ปัญหา สร้างมโนคติ ศึกษารูปวงจร ระบุส่วนประกอบทุกชิ้นในวงจร ระบุขั้วของแบตเตอรี่ทุกตัว และจินตนาการถึงทิศทางของ กระแสไฟฟ้าที่จะปรากฏผ่านแบตเตอรี่ จัดหมวดหมู่ ยุบรวมวงจรที่เห็นว่าเป็นการต่อตัวต้านทานอย่างอนุกรมหรือขนาน เมื่อยุบไม่ได้ ให้ประยุกต์ใช้กฎของเคอร์ชอฟฟ์

71 Problem-Solving Hints – Kirchhoff’s Rules, cont วิเคราะห์ เขียนวงจร เขียนชื่อ สัญลักษณ์ กับปริมาณที่ทั้งทราบค่า แล้ว และไม่ทราบค่าทั้งหมด กำหนดทิศทางของ กระแสไฟฟ้า ทิศทางแม้กำหนดได้ตามใจชอบ แต่เวลาใช้กฎของ เคอร์ชอฟฟ์ จะต้องระมัดระวังเวลาใช้เครื่องหมาย ใช้กฎของจุดประสานบนจุดประสานใดใดในวงจรเพื่อ แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสต่าง ๆ ในวงจร

72 Problem-Solving Hints, cont วิเคราะห์ต่อ ประยุกต์ใช้กฎของวงให้มีจำนวนวงมากเท่าที่ต้องใช้เพื่อการ แก้ปัญหาหาตัวไม่ทราบค่า การใช้กฎของวง คุณจะต้องกำหนดทิศการวนและกำหนดความ ต่างศักย์คร่อมองค์ประกอบแต่ละส่วนอย่างถูกต้อง แก้สมการเพื่อหาค่าตัวแปรไม่ทราบค่าอย่างทันที ถ้าหาค่ากระแสไฟฟ้าได้ออกมาเป็นลบ ขนาดของกระแสไฟฟ้า ยังคงใช้ได้ แต่จะมีทิศกลับกับที่กำหนดไว้ในตอนแรก ท้ายที่สุด ตรวจสอบคำตอบที่ได้ว่าเหมาะสมหรือไม่

73 วงจร RC ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงอาจมีองค์ประกอบหลายอย่าง เช่น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะ เปลี่ยนแปลงตามเวลา เมื่อครบวงจร จะเริ่มประจุตัวเก็บประจุ การประจุ จะประจุไปจนกว่าจะถึงค่าสูงสุดที่จะประจุได้ (Q = C  ) ขณะที่ตัวเก็บประจุเต็มแล้ว กระแสไฟฟ้าในวงจรเป็นศูนย์

74 การประจุในวงจร RC ขณะที่แผ่นโลหะได้รับประจุไฟฟ้า ความต่างศักย์ของตัวเก็บ ประจุก็เพิ่มขึ้น ในทันทีที่เริ่มสวิตช์ปิด(ครบวงจร) ประจุไฟฟ้าในตัวเก็บประจุ เป็นศูนย์ ทันที่ที่ประจุไฟฟ้าถึงค่าสูงสุด กระแสไฟฟ้าในวงจรเป็นศูนย์ ความต่างศักย์คร่อมตัวเก็บประจุเท่ากับความต่างศักย์ของแบตเตอรี่

75 Charging Capacitor in an RC Circuit ประจุในตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลง ตามเวลา q = C  (1 – e -t/RC ) = Q(1 – e -t/RC )  แทนค่าคงตัวเวลาของวงจร RC (RC time constant)  =RC และกระแสเปลี่ยนแปลงตามเวลา

76 ค่าคงตัวเวลาสำหรับการประจุ ค่าคงตัวเวลา เป็น เวลาที่ใช้ในการประจุจนมีประจุจาก ศูนย์จนมีค่าถึง 63.2% ของค่าสูงสุด  มีหน่วยเป็นเวลา เมื่อประจุสูงสูดมีพลังงานสะสมในตัวเก็บประจุเป็น ½ Q  = ½ C  2

77 การคายประจุของตัวเก็บประจะในวงจร RC เมื่อนำตัวเก็บประจุที่มี ประจุแล้ว Qวางไว้ใน วงจรที่มีความต้านทาน R จะคายประจุตามสมการ q = Qe -t/RC ประจุไฟฟ้าลดลงอย่าง เอ็กซ์โปเนนเทียล

78 Discharging Capacitor ที่เวลา t =  = RC, ประจุไฟฟ้าลดลงสู่ 0.368Q max หรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือ เมื่อเวลาผ่านไปหนึ่งช่วง  จะสูญเสีย ประจุไป 63.2% ของประจุในตอนแรก สามารถตรวจพบกระแสไฟฟ้าด้วย ทั้งประจุและกระแสไฟฟ้าจะลดลงแบบเอ็กซ์โปเนนเทียล ด้วยอัตราที่กำหนดโดย  = RC

79 บรรยากาศเป็นตัวนำ ฟ้าผ่าและสปาร์ค(Lightning and spark) เป็นตัวอย่างของ กระแสไฟฟ้าในอากาศ การพิจารณาว่าอากาศเป็นฉนวนไฟฟ้านับเป็นการใช้แบบจำลอง อย่างง่ายของอากาศ เมื่อใดก็ตามที่มีสนามไฟฟ้าแรง ๆ ในอากาศ ก็เป็นไปได้ที่ อากาศจะทนสนามไฟฟ้าไม่ไหวและทำให้ความต้านทาน ของอากาศลดต่ำลงจนกระทั่งอากาศกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าไป ได้

80 การเกิดประกายไฟฟ้า(spark) (a) บางโมเลกุลของอากาศบังเอิญ กลายเป็นไอออน รังสีคอสมิก(Cosmic rays) และอาจมีเหตุอื่นที่ทำให้โมเลกุลกลายเป็น ไอออนได้ (b) ไอออนบวกถูกเร่งอย่างช้า ๆ เทียบกับอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งอย่าง เร็วเนื่องจากแรงของสนามไฟฟ้า เหตุการดังกล่าวเกิดเมื่อมีสนามไฟฟ้าแรง ๆ ในกรณีที่สนามไฟฟ้าอ่อน ทั้งสองตัวจะถูกเร่งอย่างช้า ๆ แล้วก็ กลับมารวมกันแล้วกลายเป็นกลาง

81 Creating a Spark, cont (c) อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งจะ เคลื่อนที่เข้าชนโมเลกุลอื่น ๆ ด้วยความเร็วที่สูงมาก (d) ถ้าสนามไฟฟ้าแรงมากพอ อิเล็กตรอนก็จะชนโมเลกุล อื่นแรงพอที่จะทำให้โมเลกุล ที่ถูกชนกลายเป็นไอออนได้ อีก

82 Creating a Spark, final (e) มาถึงตอนนี้ก็จะมีอิเล็กตรอนเพิ่ม เป็นสองตัวที่จะถูกเร่งใน สนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนเหล่านี้ต่างก็สามารถ ถูกเร่งแล้วไปชนกับโมเลกุลอื่น ๆ ได้ต่อไปเรื่อย ๆ การเพิ่มจำนวนของตัวพาประจุ เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนทำให้ความ ต้านทานของอากาศลดต่ำลง

83 ฟ้าผ่า(Lightning) ฟ้าผ่าเกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าจำนวนมากทำให้ประจุ ไฟฟ้าที่สร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าในอากาศกลายเป็น กลางทางไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้วกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากฟ้าผ่านมีค่าสูง มากมาก ในตอนเริ่มต้น กระแสจะมีค่าอยู่ระหว่าง 200 – 300 A ค่าสูงสุดของกระแสไฟฟ้าอยู่ที่ 5 x 10 4 A กำลังอยู่ในระดับพันล้านวัตต์

84 กระแสไฟฟ้าในบรรยากาศที่แจ่มใส ในวันที่อากาศดี ค่าเฉลี่ยของกระแสไฟฟ้าในบรรยากาศ อยู่ที่ราว ๆ 1000 A ค่านี้เป็นค่ารวมทั้งโลก เมื่ออากาศดี ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าเฉลี่ยอยู่ที่ 2  A / m 2 ระหว่างที่ฟ้ากำลังฟาดลง, J ~ 10 5 A/m 2 กระแสไฟฟ้าขณะอากาศดีมีทิศตรงข้ามกับ กระแสไฟฟ้าจากฟ้าผ่า


ดาวน์โหลด ppt บทที่ 21 กระแส และ วงจรไฟฟ้ากระแสตรง. กระแสไฟฟ้า(Electric Current) กระแสไฟฟ้า คืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่าน พื้นที่อันหนึ่ง หน่วยในระบบ SI ของกระแสไฟฟ้าคือ.

งานนำเสนอที่คล้ายกัน


Ads by Google