1

ความรู้เรื่องไฟฟ้าทั่วไป

1.1         ทฤฎีอิเล็กตรอน (Electron Theory)

สสารต่างๆ มีอยู่ 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว และ ก๊าซ ซึ่งสสารทั้ง 3 สถานะนี้อาจจะอยู่ในรูปของธาตุ สารประกอบ และของผสม อย่างใดอย่างหนึ่ง ของแข็งของเหลวและก๊าซนี้ต่างประกอบขึ้นจากส่วนเล็กๆ ซึ่งเรียกว่า โมเลกุล (Molecule) และ 1 โมเลกุลนั้น เมื่อแบ่งลงไปเรื่อยๆ จนกระทั่งเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดเท่าที่จะทำได้ เรียกว่า อะตอม (Atom)

สารที่โมเลกุลของมันประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน เรียกว่า ธาตุ (Element)

ในอะตอมหนึ่งๆ แต่ละชนิด ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานสำคัญ 3 ส่วนตือ โปรตอน (Proton) นิวตรอน (Neutron) และอิเล็กตรอน (Electron)

โปรตอน           มีอำนาจไฟฟ้า         บวก

นิวตรอน           มีอำนาจไฟฟ้า          กลาง

อิเล็กตรอน        มีอำนาจไฟฟ้า          ลบ

โปรตอนและนิวตรอนอยู่ภายในนิวเคลียส (Nucleus) อิเล็กตรอนที่มีอำนาจเป็นลบจะวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียสด้วยความเร็วสูง อิเล็กตรอนเบากว่าโปรตอนประมาณ 1850 เท่า เพราะอิเล็กตรอนเบามากนี่เองจึงถูกแรงไฟฟ้าทำให้เคลื่อนที่ไปได้ โดยสภาพปกติทั่วๆไปแล้ว อะตอมของธาตุที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เป็นกลาง ในอะตอมหนึ่งๆ จะมีจำนวนโปรตอนที่เท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนเสมอ เช่น อะตอมของไฮโดรเจน ที่นิวเคลียสจะมีโปรตอน 1 ตัว และอิเล็กตรอนรอบๆ 1 ตัว อะตอมของฮีเลียม ที่นิวเคลียสจะมีโปรตอน 2 ตัว และอิเล็กตรอนโคจรรอบๆ 2 ตัว

1.2         วงอิเล็กตรอน (Electron Shell)

ในอะตอมของสารที่มีอิเล็กตรอนโคจรเป็นวงรอบๆ นิวเคลียสนั้นๆ แต่ละวงจะมีอิเล็กตรอนแตกต่างกันออกไป อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะมีพลังงานที่ขึ้นอยู่กับค่า N โดยกำหนดให้ระดับพลังงานต่ำที่สุดคือ n=1 ระดับที่สูงขึ้นไปคือ n= 2,3,4,…….ขึ้นไปตามลำดับ ระดับพลังงานนี้จะถูกแบ่งเป็นวง (Shell) ซึ่งแทนด้วยตัวอักษร K,L,M,N,O,P,Q จำนวนอิเล็กตรอนที่มีได้มากที่สุดในระดับพลังงานระดับใดระดับหนึ่งมีค่าเท่ากับ เช่นในชั้น K จะมีอิเล็กตรอนได้อย่างมากที่สุดเท่ากับ =2 ตัวเป็นต้น นอกจากนี้อิเล็กตรอนในวงนอกสุดจะต้องมีไม่เกิน 8 ตัว เช่น อะตอมของทองแดงมีอิเล็กตรอน 29 ตัว แบ่งตามวงได้ดังนี้

      วง K มีอิเล็กตรอนได้    =  2 ตัว (n=1)

      วง L  มีอิเล็กตรอนได้    =  8 ตัว(n=2)

      วง M  มีอิเล็กตรอนได้   =  18 ตัว(n=3)

      วง N  มีอิเล็กตรอนได้   1 ตัว

1.3         วาเลนซ์อิเล็กตรอน (Valence Electron)

วงของอิเล็กตรอนที่มีบทบาทในการรวมตัวกับอะตอมของธาตุอื่น  คือวงที่อยู่ชั้นนอกสุดและจำนวนอิเล็กตรอนในวงชั้นนอกสุดนี้จะมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 8 ตัว

            วงที่อยู่ชั้นนอกสุดเรียกว่า เวเลนซ์เชลล์ (Valence Shell)

            อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นนอกสุดเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน (Valence Electron)

1.4         อิเล็กตรอนอิสระ (Free Electron)

เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับตัวนำไฟฟ้า หรือเมื่อให้พลังงานแก่อิเล็กตรอน เช่น ความร้อน แสงรังสี หรือพลังงานรูปอื่นๆ จะทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุดของอะตอม หรือที่เรียกว่าValence Electron ถูกผลักให้หลุดออกจากวงโคจร  กลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ (Free Electron) ซึ่งอิเล็กตรอนอิสระนี่เองทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในตัวนำ

1.5         แรงดัน  ความต่างศักย์ทางไฟฟ้า

แรงดันที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในตัวนำ  แล้วทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นนั้นอาจจะเรียกว่า

1)     แรงเคลื่อนไฟฟ้า (Electromotive  Force)

2)     แรงดันไฟฟ้า (Voltage)

3)     ความต่างศักย์ไฟฟ้า (Difference in Potential)

เมื่อมีความต่างศักย์ไฟฟ้าเกิดขึ้นระหว่างตัวประจุไฟฟ้าทั้งสองที่มีตัวนำให้ถึงกันจะทำให้อิเล็กตรอนไหลไปตามตัวนำ  โดยจะไหลออกจากตัวประจุไฟฟ้าลบไปสู่ตัวประจุไฟฟ้าบวก  การไหลของอิเล็กตรอนจะมีต่อเนื่องกัน  แรงที่ผลักดันให้อิเล็กตรอนไหลได้มากหรือน้อย คือ แรงเคลื่อนไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากความต่างศักย์ของประจุไฟฟ้า  แต่เนื่องจากศักย์ของการประจุไฟฟ้าแต่ละตัววัดเป็น โวลต์ ด้วย และแรงดันไฟฟ้าก็ต้องวัดเป็นโวลต์ตามความต่างศักย์ระหว่างประจุไฟฟ้าสองตัว  ซึ่งจะทำให้เกิดมีแรงดันไฟฟ้าขึ้นได้นี้  เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า  โวลเตจ (Voltage)

1.6         วิธีการเบื้องต้นในการทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า

(Prinmary  Methods  of Producing  a  Voltage)

การที่จะทำให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดขึ้นได้นั้น  สามารถทำได้ 6 วิธีด้วยกันคือ

1)     การขัดสี (Friction) แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะเกิดขึ้นได้โดยการนำวัตถุสองชนิดมาถูกัน

2)     แรงกดดัน (Pressure) แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะเกิดขึ้นได้โดยการบีบตัวของผลึก (Crystal)  ของสารชนิดหนึ่ง

3)     ความร้อน (Heat)  แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะเกิดขึ้นได้โดยการให้ความร้อนที่จุดต่อของโลหะที่ต่าวชนิดกัน

4)     แสงสว่าง (Light) แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะเกิดขึ้นได้โดยเมื่อแสงสว่างกระทบกับกับสารเคมีที่ไวต่อแสง

5)     กิริยาเคมี (Chemical  Action) แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะเกิดขึ้นได้โดยปฏิกิริยาเคมี (Chemical Reaction) เช่นแบตเตอรี่

6)     อำนาจแม่เหล็ก (Magnetism) แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในตัวนำไฟฟ้าได้เมื่อตัวนำเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก  หรือสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ผ่านตัวนำ  ซึ่งลักษณะเช่นนี้  ตัวนำจะตัดเส้นแรงสนามแม่เหล็ก

1.7         หน่วยแรงเคลื่อนไฟฟ้า (Unit  of  Electromotive  Force)

แรงเคลื่อนไฟฟ้าเขียนแทนด้วย E มีหน่วยเป็น โวลต์ ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิด 1 โวลต์ ระหว่างสองจุด  เกิดจากงานที่ใช้ไป 1 จูล (Joule) เพื่อทำให้ปริมาณไฟฟ้าเคลื่อนที่ไประหว่างจุดทั้งสองได้ 1 คูลอมบ์  หรือแรงเคลื่อน 1 โวลต์ หมายถึงแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ทำไห้กระแสไฟฟ้า 1 แอมป์ ไหลผ่านความต้านทาน 1 โอห์ม

            การแปลหน่วยของโวลต์ เปลี่ยนเป็นหน่วยที่เล็กกว่าและใหญ่กว่าโวลต์ได้ดังนี้

1  milli-Volt (mV)         =         =       Volts

1  kilo-volt  (kV)                      =           =     1000     Volts

1  Mega-Volt  (MV)          =            =     1000000  Volts

1.8         กระแสไฟฟ้า  (Electric  Current)

กระแสไฟฟ้า  เขียนแทนด้วย I มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (Ampere) กระแส 1 แอมแปร์  หมายถึงปริมาณอิเล็กตรอนจำนวน   ตัว  หรือคูลอมบ์ ไหลผ่านจุดใดจุดหนึ่งในเวลา 1 วินาทีได้

ถ้านำเอาตัวนำต่อระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ  จะปรากฏว่า  อิเล็กตรอนที่อยู่ทางขั้วลบจะวิ้งผ่านตัวนำเข้าหาโปรตอนทางขั้วบวกทันที  การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนี้เรียกว่ากระแสอิเล็กตรอน (Electric Current)  ในทางตรงข้าม  จะเกิดกระแสของประจุบวกไหลสวนทางกับกระแสอิเล็กตรอน  ซึ่งเรียกกระแสนี้ว่ากระแสสมมุติหรือกระแสนิยม (Conventional  Current) หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า  กระแสไฟฟ้า (Electric  Current)

ปริมาณของไฟฟ้า 1 คูลอมบ์ (Coulomb) มีจำนวนอิเล็กตรอน  ตัวใช้สัญลักษณ์ของคูลอมบ์ คือ Q

กระแสไฟฟ้าวัดได้จากการไหลของอิเล็กตรอน  ตัว หรือ1 คูลอมบ์  สามารถเคลื่อนที่ผ่านจุดนั้นในเวลา 1 วินาที ปริมาณของอิเล็กตรอนที่ไหลผ่านมีค่า 1 แอมแปร์ (Ampere)

เมื่อ

                                    I   คือ   กระแสไฟฟ้า    หน่วย                แอมแปร์

                                   Q  คือ   ปริมาณไฟฟ้า    หน่วย       คูลอมบ์    

                                   T  คือ    เวลา                 หน่วย        วินาที

หน่วยของกระแสไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนเป็นหน่วยใหญ่กว่าและเล็กกว่าแอมแปร์ได้ดังนี้

Microamp     =          Amp

Milliamp        =                 Amp

Kiloamp         =                 Amp