1 / 84

บทที่ 21

บทที่ 21. กระแส และ วงจรไฟฟ้ากระแสตรง. กระแสไฟฟ้า( Electric Current). กระแสไฟฟ้า คืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่านพื้นที่อันหนึ่ง หน่วยในระบบ SI ของกระแสไฟฟ้าคือ แอมแปร์( ampere : A) 1 A = 1 C / s สัญลักษณ์ของกระแสไฟฟ้าคือ I. กระแสไฟฟ้าเฉลี่ย.

lindley
Télécharger la présentation

บทที่ 21

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. บทที่ 21 กระแส และ วงจรไฟฟ้ากระแสตรง

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

  3. กระแสไฟฟ้าเฉลี่ย • ให้ถือว่าประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านผิวพื้นที่Aอย่างตั้งฉาก • ถ้า Qเป็นปริมาณประจุที่ผ่านพื้นที่Aในช่วงเวลาtกระแสไฟฟ้าเฉลี่ยมีค่าเป็น

  4. กระแสไฟฟ้าในขณะใดใด • ถ้าอัตราการไหลของประจุไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามเวลาสามารถหากระแสไฟฟ้า ณ เวลาใดใดได้จาก

  5. ทิศทางของกระแสไฟฟ้า • ประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านพื้นที่หนึ่งอาจเป็นประจุบวกหรือประจุลบ หรือทั้งสองอย่างก็ได้ • เพื่อความสะดวกก็จะนิยามทิศของกระแสไฟฟ้าจากการไหลของประจุบวก • ทิศของกระแสไฟฟ้าตรงข้ามกับการไหลของกระแสอิเล็กตรอน • โดยทั่วไป เรียกประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ว่า ตัวพาประจุ(charge carrier)

  6. กระแสไฟฟ้า และ ความเร็วลอยเลื่อน • อนุภาคไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัดA • nแทนจำนวนอนุภาคที่พาประจุไปต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร • nAxแทนจำนวนอนุภาคที่พาประจุทั้งหมด

  7. Current and Drift velocity, cont • ประจุไฟฟ้าทั้งหมด เท่ากับจำนวนอนุภาคที่พาประจุ คูณกับ ค่าประจุบนหนึ่งอนุภาคq • Q = (nAx) q • ความเร็วลอยเลื่อน(drift velocity) vdคือความเร็วเฉลี่ยที่อนุภาคที่พาประจุเคลื่อนที่ • vd = x/t • จึงเขียนได้เป็น : Q = (nAvdt) q • จะได้กระแสไฟฟ้าI = Q/t = nqvdA

  8. Charge Carrier Motion in a Conductor • ลูกศรสีดำในภาพแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่พาประจุเคลื่อนที่ในตัวนำอย่าง zig-zag • ทำให้ความเร็วลอยเลื่อนมีค่าน้อย • การเปลี่ยนแปลงอย่างกระทันหันแสดงถึงการชนกัน • การเคลื่อนที่สุทธิของอิเล็กตรอนตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า

  9. Motion of Charge Carriers , cont • เมื่อให้ความต่างศักย์กับตัวนำ ทำให้ในตัวนำมีสนามไฟฟ้า • สนามไฟฟ้าออกแรงกระทำกับอิเล็กตรอน • แรงกระทำให้เกิดความเร่งและสร้างกระแสไฟฟ้า

  10. Motion of Charge Carriers, final • สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงผลักดันให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเกือบเท่าแสง • ซึ่งจะเห็นว่าเมื่อสับสวิตช์ ก็จะมีกระแสไฟฟ้าทันที • อิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่จากสวิตช์ไปยังหลอดไฟฟ้าเพื่อทำให้ไฟสว่าง • แต่ในไส้หลอดไฟฟ้ามีอิเล็กตรอนอยู่เรียบร้อยแล้ว • อิเล็กตรอนตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยแบตเตอรี

  11. ตัวอย่าง เรื่องความเร็วลอยเลื่อน(ทำเป็นการบ้าน) • ถือเสียว่า ลวดทองแดงมีอิเล็กตรอนที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ 1 อิเล็กตรอนทุก 1 อะตอม • ความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอนในลวดทองแดงเบอร์ 12 ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน 10 A คือ 2.2210-4 m/s • ค่านี้เป็นระดับขนาดของความเร็วลอยเลื่อนทั่ว ๆ ไป

  12. ความหนาแน่นกระแส(Current Density) • J แทนค่าความหนาแน่นกระแสในตัวนำ • ถูกกำหนดโดยกระแสไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ • J = I / A = nqvd • สูตรนี้จะใช้ได้เฉพาะเมื่อความหนาแน่นกระแสมีค่าสม่ำเสมอ และ A ตั้งฉากกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า • หน่วยของ Jในระบบ SI คือ A / m2 • ความหนาแน่นกระแสมีทิศทางเหมือนกับทิศการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุไฟฟ้าที่เป็นบวก

  13. ความต้านทาน(Resistance) • ในตัวนำ ความต่างศักย์ที่คร่อมปลายทั้งสองของตัวนำเป็นอัตราส่วนโดยตรงกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำนั้น • อัตราส่วนที่เป็นค่าคงตัวนี้เรียกว่า ความต้านทาน ของตัวนำ

  14. Resistance, cont • หน่วยของความต้านทานในระบบ SI คือ โอห์ม(ohms : ) • 1  = 1 V / A • ความต้านทานในตัวนำเกิดขึ้นเนื่องจากการชนกันของอิเล็กตรอนที่เป็นตัวพากระแสไฟฟ้ากับอะตอมที่อยู่กับที่ในตัวนำนั่นเอง

  15. กฎของโอห์ม(Ohm’s Law) • กฎของโอห์ม กล่าวว่าสารมากมายหลายชนิดมีความต้านทานเป็นค่าคงตัวในช่วงกว้างของความต่างศักย์ที่ใส่ให้ • โลหะส่วนใหญ่ เป็นไปตามกฎของโอห์ม • วัสดุที่ทำตัวตามกฎของโอห์มเรียกว่า “โอห์มิก” (ohmic)

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

  17. กราฟของวัสดุที่เป็นโอห์มิกกราฟของวัสดุที่เป็นโอห์มิก • อุปกรณ์ที่เป็นโอห์มิก • ความต้านทานเป็นค่าคงตัวในช่วงความต่างศักย์ที่กว้าง • ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและความต่างศักย์เป็นเชิงเส้น • ความชันมีความสัมพันธ์กับความต้านทาน

  18. กราฟของวัสดุที่เป็น ไม่เป็นโอห์มิก • วัสดุที่ไม่เป็นโอห์มิกคือเหล่าวัสดุที่ความต้านทานเปลี่ยนค่าไปเมื่อกระแสหรือความต่างศักย์เปลี่ยน • ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและความต่างศักย์ไม่เป็นเชิงเส้น • ไดโอดเป็นตัวอย่างหนึ่งของอุปกรณ์ที่ไม่เป็นโอห์มิก

  19. สภาพต้านทาน(Resistivity) • ความต้านทานมีความสัมพันธ์กับรูปทรงของอุปกรณ์ : •  เขียนแทนสภาพต้านทานของวัสดุ • ส่วนกลับของสภาพต้านทานคือสภาพนำ : •  = 1/และR = /A • สภาพต้านทานในหน่วย SI คือโอห์ม เมตร (ohm-meters : .m)

  20. สภาพนำไฟฟ้า(Conductivity) • ความหนาแน่นกระแสJ และสนามไฟฟ้าEถูกทำให้เกิดขึ้นในตัวนำเมื่อมีความต่างศักย์บนตัวนำ • J =  E •  เป็นอัตราส่วนที่เป็นค่าคงตัวที่เรียกว่า สภาพนำไฟฟ้าของตัวนำ

  21. Some Resistivity Values

  22. Resistance and Resistivity, Summary • สภาพต้านทานเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของสสาร • ความต้านทานเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของวัตถุ • ความต้านทานของวัสดุขึ้นกับรูปร่างและสภาพต้านทาน • ตัวนำอุดมคติ(สมบูรณ์)จะมีความต้านทานเป็นศูนย์ • ฉนวนอุดมคติจะมีความต้านทานเป็นอนันต์

  23. ตัวต้านทาน • องค์ประกอบของวงจรไฟฟ้าส่วนใหญ่ เรียกว่า ตัวต้านทาน • ตัวต้านทานมีหน้าที่ควบคุมระดับของกระแสไฟฟ้าในส่วนของวงจร • ตัวต้านทานอาจจะทำด้วยสารประกอบ หรือเอาลวดมาพันกัน

  24. ค่าของตัวต้านทาน • ค่าความต้านทานของตัวต้านทานมักจะใช้เป็นแถบสี

  25. สภาพต้านทานและอุณหภูมิสภาพต้านทานและอุณหภูมิ • ภายใต้ขอบเขตอุณหภูมิช่วงหนึ่ง สภาพต้านทานของตัวนำแปรผันตามอุณหภูมิอย่างเป็นเส้นตรง(โดยประมาณ) • oแทนสภาพต้านทานที่อุณหภูมิTo • To นั้น โดยทั่วไปจะใช้ที่ 20° C • แทนสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ-สภาพต้านทาน(temperature coefficient of resistivity) มีหน่วยในระบบ SI เป็นoC-1

  26. การเปลี่ยนแปลงความต้านทานไปตามอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไปตามอุณหภูมิ • เนื่องจากความต้านทานของตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัดสม่ำเสมอนั้น เป็นสัดส่วนโดยตรงกับสภาพต้านทาน จึงสามารถแสดงผลของอุณหภูมิที่มีต่อความต้านทานได้เป็น

  27. กราฟระหว่างสภาพต้านทานกับอุณหภูมิกราฟระหว่างสภาพต้านทานกับอุณหภูมิ • สำหรับโลหะ สภาพต้านทานเกือบจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ • ช่วงที่กราฟไม่เป็นเส้นตรงมักเป็นช่วงที่อุณหภูมิต่ำมาก • สภาพต้านทานจะมีค่าเข้าสู่ค่าที่แน่นอนค่าหนึ่งในขณะที่อุณหภูมิเข้าสู่ศูนย์สัมบูรณ์

  28. สภาพต้านทานที่หลงเหลืออยู่สภาพต้านทานที่หลงเหลืออยู่ • ในขณะที่อุณหภูมิลดลงสู่ศูนย์สัมบูรณ์ยังมีสภาพต้านทานเหลืออยู่เพราะอิเล็กตรอนมีการชนกันกับสารแปลกปลอมที่ปนอยู่ในเนื้อโลหะและความไม่สมบูรณ์ในโลหะ • เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น สภาพต้านทานได้รับอิทธิพลหลักมาจากการชนระหว่างอิเล็กตรอนกับอะตอมของโลหะนั้นเอง • ซึ่งเป็นช่วงที่กราฟเป็นเส้นตรง

  29. ตัวนำยิ่งยวด(Superconductors) • เป็นสถานะของโลหะและสารประกอบที่ความต้านทานมีค่าเข้าสู่ศูนย์ในขณะที่อุณหภูมิต่ำกว่าค่าที่แน่นอน, TC • TCถูกเรียกว่าอุณหภูมิวิกฤติ(critical temperature) • ตอนที่อุณหภูมิสูงกว่า TC, กราฟเหมือนกับโลหะทั่วไป แต่จะตกลงสู่ศูนย์อย่างทันใดเมื่ออุณหภูมิถึงTC

  30. Superconductors, cont • TCเป็นค่าที่เปลี่ยนแปลงได้ง่าย ขึ้นอยู่กับ • ส่วนประกอบทางเคมี • ความดัน • โครงสร้างผลึก • เมื่อทำให้มีกระแสไฟฟ้าในตัวนำยิ่งยวดแล้ว กระแสไฟฟ้ายังคงไหลอยู่ในตัวนำได้โดยไม่ต้องมีความต่างศักย์ • เนื่องจากความต้านทานR = 0

  31. การประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวด • การประยุกต์ที่สำคัญของตัวนำยิ่งยวดคือการเป็นแม่เหล็กจากการนำยิ่งยวด • ขนาดของสนามแม่เหล็กจะแรงกว่าแม่เหล็กไฟฟ้าทั่วไปถึง 10 เท่า

  32. แบบจำลองการนำไฟฟ้า • อิเล็กตรอนอิสระในตัวนำเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเฉลี่ยประมาณ 106 m/s • ที่จริงแล้วก็ไม่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์เพราะจะต้องอยู่ภายในตัวนำ ออกไปไม่ได้ • การเคลื่อนที่เป็นไปอย่างสะเปะสะปะ • อิเล็กตรอนผ่านการชนมากมาย • ความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนเป็นศูนย์ • ในตัวนำมีกระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์

  33. Conduction Model, 2 • เมื่อให้สนามไฟฟ้ากับตัวนำ • สนามไฟฟ้าปรับกระบวนการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุ • อิเล็กตรอนไหลเลื่อนไปสวนทางกับสนามไฟฟ้า • ความเร็วลอยเลื่อน(drift velocity) มีค่าเฉลี่ยเป็น10-4 m/s, ซึ่งน้อยกว่าความเร็วที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ชนกันมาก

  34. Conduction Model, 3 • ข้อสมมติ : • พลังงานส่วนหนึ่งของอิเล็กตรอนที่ได้รับจากสนามไฟฟ้าได้สูญเสียให้กับอะตอมของตัวนำในระหว่างการชนกัน • พลังงานที่อะตอมได้รับจากการชนทำให้อะตอมสั่นและเพิ่มอุณหภูมิให้กับตัวนำ • การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหลังชนไม่ขึ้นกับการเคลื่อนที่ก่อนชน

  35. Conduction Model, 4 • แรงที่อิเล็กตรอนได้รับ • จากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน ความเร่งมีค่าเป็น • ประยุกต์กับสมการการเคลื่อนที่ • เนื่องจากความเร็วเริ่มต้นของอิเล็กตรอนะเปะสะปะทำให้ความเร็วเฉลี่ยเป็นศูนย์

  36. Conduction Model, 5 • ให้ แทนช่วงเวลาเฉลี่ยระหว่างการชนกัน • ความเร็วเฉลี่ยของความเร็วปลายเรียกว่าความเร็วลอยเลื่อน(drift velocity) • ซึ่งมีความสัมพันธ์กับกระแสไฟฟ้า : I = n e vd A = (n e2 E / me ) A

  37. Conduction Model, final • เมื่อใช้กฎของโอห์ม สภาพต้านทานของตัวนำเขียนได้เป็น : • บันทึก, สภาพต้านทานเป็นค่าที่ไม่ขึ้นกับความแรงของสนามไฟฟ้า • เวลาเฉลี่ยมีความสัมพันธ์กับระยะทางอิสระเฉลี่ย : = avg /vavg

  38. การปรับปรุงแบบจำลองการนำไฟฟ้าการปรับปรุงแบบจำลองการนำไฟฟ้า • จะต้องใช้แบบจำลองกลศาสตร์ควอนตัมในการอธิบายคำทำนายที่ผิดพลาดของแบบจำลองดั้งเดิม • โดยจะต้องพิจารณาว่าอิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนกับคลื่น • ส่งผลให้คำทำนายสภาพต้านทานสอดคล้องกับค่าที่ได้จากการวัด

  39. กำลังไฟฟ้า • พิจารณาวงจรในภาพ • ประจุไฟฟ้า Qเคลื่อนที่จาก a ไป b ผ่านแบตเตอรี่พลังงานศักย์ไฟฟ้าของระบบเพิ่มขึ้นQV • พลังงานเคมีภายในของแบตเตอรี่ก็ลดลงในปริมาณที่เท่ากัน

  40. Electrical Power, 2 • ขณะที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนผ่านตัวต้านทาน (c ไป d) ระบบสูญเสียพลังงานศักย์ไฟฟ้าไปในการชนกันของอิเล็กตรอนกับอะตอมของตัวต้านทาน • พลังงานนี้เปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานภายในของตัวต้านทาน(ความร้อน) • สัมพันธ์กันกับการสั่นสะเทือนที่เพิ่มขึ้นของอะตอมในตัวต้านทาน

  41. Electric Power, 3 • ตามปกติ ตัวต้านทานสัมผัสอยู่กับอากาศ ดังนั้นอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของมันจึงทำให้เกิดการถ่ายโอนความร้อนไปสู่อากาศ • และตัวต้านทานก็ยังแผ่รังสีความร้อนไปด้วย • เมื่อเวลาผ่านไป อุณหภูมิของตัวต้านทานก็เข้าสู่สภาวะคงตัว • พลังงานที่ตัวต้านทานได้รับสมดุลกันกับพลังงานที่ถ่ายโอนออกไปเป็นความร้อนและการแผ่รังสี

  42. Electric Power, 4 • ระบบสูญเสียพลังงานศักย์ขณะที่ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านตัวต้านทานในอัตราเดียวกันกับตัวต้านทานได้รับพลังงานภายในเพิ่มขึ้น • กำลัง คือ อัตราที่พลังงานถูกนำส่งไปยังตัวต้านทาน

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

  44. การส่งกำลังไฟฟ้า • ในทางปฏิบัติแล้ว สายส่งกำลังไฟฟ้ามีความต้านทาน • บริษัทผลิตพลังงานไฟฟ้าส่งกำลังไฟฟ้าด้วยความต่างศักย์ที่สูงและกระแสไฟฟ้าต่ำเพื่อให้การสูญเสียกำลังในสายส่งให้น้อยที่สุด

  45. แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive force : emf) • แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าคืออุปกรณ์ที่สร้างความต่างศักย์ให้กับวงจรไฟฟ้า • แหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเป็นตัวจ่ายพลังงาน ไม่ได้จ่ายแรงให้แก่วงจร • แบตเตอรี่เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานให้แก่วงจรไฟฟ้า รวมถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่าง ๆ

  46. ตัวอย่างวงจร • เราถือว่าเส้นลวดหรือสายไฟฟ้า ไม่มีความต้านทาน • ขั้วบวกของแบตเตอรี่มีศักย์สูงกว่าขั้วลบ • ในแบตเตอรี่ไม่มีความต้านทานภายใน

  47. ความต้านทานภายในแบตเตอรี่ความต้านทานภายในแบตเตอรี่ • ถ้าความต้านทานภายในแบตเตอรี่เป็นศูนย์ ความต่างศักย์คร่อมขั้วแบตเตอรี่เท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้า • แบตเตอรี่จริงมีความต้านทานภายในr • ความต่างศักย์ที่ขั้วV =  - Ir

  48. emf, cont • แรงเคลื่อนไฟฟ้ามีค่าเท่ากับความต่างศักย์คร่อมขั้วแบตเตอรี่เมื่อวงจรเปิด • ความต่างศักย์คร่อมขั้วแบตเตอรี่เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร • ค่านี้ เขียนติดไว้ข้างแบตเตอรี่ • ความต่างศักย์ที่แท้จริงที่คร่อมขั้วแบตเตอรี่ขึ้นกับกระแสไฟฟ้าในวงจร

  49. ภาระความต้านทาน(Load Resistance) • ความต่างศักย์คร่อมขั้วเซล เท่ากับ ความต่างศักย์คร่อมความต้านทานภายนอก • ตัวต้านทานภายนอกเรียกว่า ภาระความต้านทาน • จากตัวอย่างที่ผ่านมา ภาระความต้านทานคือตัวต้านทานภายนอก • โดยทั่วไป ภาระความต้านทานอาจเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าใดใดก็ได้ในวงจร

  50. กำลัง • กำลังทั้งหมดที่ส่งออกไปจากแบตเตอรี่ คือ P = IV =I • กำลังถูกส่งไปยังตัวต้านทานภายนอก (I 2R) และตัวต้านทานภายใน (I2r) • P =I = I 2R + I 2r • กระแสไฟฟ้าขึ้นกับค่าความต้านทานภายนอกและความต้านทานภายใน

More Related