ไฟฟ้าพื้นฐาน

วันจันทร์ที่ 28 กันยายน พ.ศ. 2558

มอเตอร์และหม้อแปลงไฟฟ้า

ความรู้เกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้า

ตอนที่1 โครงสร้างของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

1.ความหมายและชนิดของมอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในโรงงานต่างเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมเครื่องจักรกลต่างๆในงานอุตสาหกรรมมอเตอร์มีหลายแบบหลายชนิดที่ใช้ให้เหมาะสมกับงานดังนั้นเราจึงต้องทราบถึงความหมายและชนิดของมอเตอร์ไฟฟ้าตลอดคุณสมบัติการใช้งานของมอเตอร์แต่ละชนิดเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้งานของมอเตอร์นั้นๆและสามารถเลือกใช้งานให้เหมาะสมกับงานออกแบบระบบประปาหมู่บ้านหรืองานอื่นที่เกี่ยวข้องได้
        1.1ความหมายของมอเตอร์และการจำแนกชนิดของมอเตอร์
มอเตอร์ไฟฟ้า (MOTOR) หมายถึงเป็นเครื่องกลไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่เปลี่ยนแปลงพลังงาน
ไฟฟ้ามาเป็นพลังงานกล มอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้พลังงานไฟฟ้าเปลี่ยนเป็นพลังงานกลมีทั้งพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับและพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง

        1.2ชนิดของมอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์ไฟฟ้าแบ่งออกตามการใช้ของกระแสไฟฟ้าได้ 2 ชนิดดังนี้
     1.2.1 มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current Motor) หรือเรียกว่าเอ.ซี มอเตอร์ (A.C. MOTOR) การแบ่งชนิดของมอเตอร์ไฟฟ้าสลับแบ่งออกได้ดังนี้
          มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับแบ่งออกเป็น3 ชนิดได้แก่
               1.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับชนิด 1 เฟส หรือเรียกว่าซิงเกิลเฟสมอเตอร์ (A.C. Sing Phase)
               - สปลิทเฟส มอเตอร์( Split-Phase motor)
               - คาปาซิเตอร ์มอเตอร์ (Capacitor motor)
               - รีพัลชั่นมอเตอร์ (Repulsion-type motor)
               - ยูนิเวอร์แวซลมอเตอร์ (Universal motor)
               - เช็ดเดดโพล มอเตอร์ (Shaded-pole motor)
               2.มอเตอร์ไฟฟ้าสลับชนิด 2 เฟสหรือเรียกว่าทูเฟสมอเตอร์ (A.C.Two phas Motor)
               3.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับชนิด 3 เฟสหรือเรียกว่าทีเฟสมอเตอร์ (A.C. Three phase Motor)
     1.2.2.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current Motor ) หรือเรียกว่าดี.ซี มอเอตร์ (D.C. MOTOR) การแบ่งชนิดของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบ่งออกได้ดังนี้
               มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบ่งออกเป็น 3 ชนิดได้แก่
               1.มอเตอร์แบบอนุกรมหรือเรียกว่าซีรีส์มอเตอร์ (Series Motor)
               2.มอเตอร์แบบอนุขนานหรือเรียกว่าชันท์มอเตอร์ (Shunt Motor)
               3.มอเตอร์ไฟฟ้าแบบผสมหรือเรียกว่าคอมเปาวด์มอเตอร์ (Compound Motor)

        2.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
          มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เป็นต้นกำลังขับเคลื่อนที่สำคัญอย่างหนึ่งในโรงงานอุตสาหกรรมเพราะมีคุณสมบัติที่ดีเด่นในด้านการปรับความเร็วได้ตั้งแต่ความเร็วต่ำสุดจนถึงสูงสุด นิยมใช้กันมากในโรงงานอุตสาหกรรม เช่นโรงงานทอผ้า โรงงานเส้นใยโพลีเอสเตอร์ โรงงานถลุงโลหะหรือให้ เป็นต้นกำลังในการขับเคลื่อนรถไฟฟ้า เป็นต้นในการศึกษาเกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงจึงควรรู้จัก อุปกรณ์ต่าง ๆ ของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงและเข้าใจถึงหลักการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบต่าง ๆ

        2.1 ส่วนประกอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงที่ส่วนประกอบที่สำคัญ 2 ส่วนดังนี้
            1 ส่วนที่อยู่กับที่หรือที่เรียกว่าสเตเตอร์ (Stator) ประกอบด้วย

1) เฟรมหรือโยค (Frame Or Yoke) เป็นโครงภายนอกทำหน้าที่เป็นทางเดินของเส้นแรงแม่เหล็กจากขั้ว
เหนื้อไปขั้วใต้ให้ครบวงจรและยึดส่วนประกอบอื่นๆให้แข็งแรงทำด้วยเหล็กหล่อหรือเหล็กแผ่นหนาม้วนเป็นรูปทรงกระบอก

ขั้วแม่เหล็ก (Pole) ประกอบด้วย 2 ส่วนคือแกนขั้วแม่เหล็กและขดลวด

ภาพขดลวดพันอยู่รอบขั้วแม่เหล็ก

ส่วนแรกแกนขั้ว (Pole Core) ทำด้วยแผ่นเหล็กบางๆ กั้นด้วยฉนวนประกอบกันเป็นแท่งยึดติดกับเฟรม ส่วนปลายที่ทำเป็นรูปโค้งนั้นเพื่อโค้งรับรูปกลมของตัวโรเตอร์เรียกว่าขั้วแม่เหล็ก (Pole Shoes) มีวัตถุประสงค์ให้ขั้วแม่เหล็กและโรเตอร์ใกล้ชิดกันมากที่สุดเพื่อให้เกิดช่องอากาศน้อยที่สุด เพื่อให้เกิดช่องอากาศน้อยที่สุดจะมีผลให้เส้นแรงแม่เหล็กจากขั้วแม่เหล็กจากขั้วแม่เหล็กผ่านไปยังโรเตอร์มากที่สุดแล้วทำให้เกิดแรงบิดหรือกำลังบิดของโรเตอร์มากเป็นการทำให้มอเตอร์ ์์มีกำลังหมุน (Torque)

ลักษณะของขั้วแม่เหล็ก

ส่วนที่สอง ขดลวดสนามแม่เหล็ก (Field Coil) จะพันอยู่รอบๆแกนขั้วแม่เหล็กขดลวดนี้ทำหน้าที่รับกระแสจากภายนอกเพื่อสร้างเส้นแรงแม่เหล็กให้เกิดขึ้น และเส้นแรงแม่เหล็กนี้จะเกิดการหักล้างและเสริมกันกับสนามแม่เหล็กของอาเมเจอร์ทำให้เกิดแรงบิดขึ้น

2 ตัวหมุน (Rotor) ตัวหมุนหรือเรียกว่าโรเตอร์ตัวหมุนนี้ทำให้เกิดกำลังงานมีแกนวางอยู่ในตลับลูกปืน (Ball Bearing) ซึ่งประกอบอยู่ในแผ่นปิดหัวท้าย (End Plate) ของมอเตอร์

ตัวโรเตอร์ประกอบด้วย 4 ส่วนด้วยกัน คือ
1.แกนเพลา (Shaft)
2. แกนเหล็กอาร์มาเจอร์ (Armature Core)
3.คอมมิวเตอร์ (Commutator)
4. ขอลวดอาร์มาเจอร์ (Armature Widing)

1.แกนเพลา (Shaft) เป็นตัวสำหรับยืดคอมมิวเตเตอร์ และยึดแกนเหล็กอาร์มาเจอร์ (Armature Croe) ประกอบเป็นตัวโรเตอร์แกนเพลานี้จะวางอยู่บนแบริ่ง เพื่อบังคับให้หมุนอยู่ในแนวนิ่งไม่มีการสั่นสะเทือนได้
2. แกนเหล็กอาร์มาเจอร์ (Armature Core) ทำด้วยแผ่นเหล็กบางอาบฉนวน (Laminated Sheet Steel) เป็นที่สำหรับพันขดลวดอาร์มาเจอร์ซึ่งสร้างแรงบิด (Torque)
3. คอมมิวเตเตอร์ (Commutator) ทำด้วยทองแดงออกแบบเป็นซี่แต่ละซี่มีฉนวนไมก้า (mica) คั่นระหว่างซี่ของคอมมิวเตเตอร์ ส่วนหัวซี่ของคอมมิวเตเตอร์ จะมีร่องสำหรับใส่ปลายสาย ของขดลวดอาร์มาเจอร์ ตัวคอมมิวเตเตอร์นี้อัดแน่นติดกับแกนเพลา เป็นรูปกลมทรงกระบอก มีหน้าที่สัมผัสกับแปรงถ่าน (Carbon Brushes) เพื่อรับกระแสจากสายป้อนเข้าไปยัง ขดลวดอาร์มาเจอร์เพื่อสร้างเส้นแรงแม่เหล็กอีกส่วนหนึ่งให้เกิดการหักล้างและเสริมกันกับเส้นแรงแม่เหล็กอีกส่วน ซึ่งเกิดจากขดลวดขั้วแม่เหล็ก ดังกล่าวมาแล้วเรียกว่าปฏิกิริยามอเตอร์ (Motor action)
4. ขดลวดอาร์มาเจอร์ (Armature Winding) เป็นขดลวดพันอยู่ในร่องสลอท (Slot) ของแกนอาร์มาเจอร์ ขนาดของลวดจะเล็กหรือใหญ่และจำนวนรอบจะมากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบของตัวโรเตอร์ชนิดนั้นๆ เพื่อที่จะให้เหมาะสมกับงานต่างๆ ที่ต้องการ ควรศึกษาต่อไปในเรื่องการพันอาร์มาเจอร์ (Armature Winding) ในโอกาสต่อไป

แปรงถ่าน (Brushes)

แปรงถ่าน

ซองแปรงถ่าน

                ทำด้วยคาร์บอนมีรูปร่างเป็นแท่งสี่เหลี่ยมผืนผ้าุ่ในซองแปรงมีสปิงกดอยู่ด้านบนเพื่อให้ถ่านนี้สัมผัสกับซี่คอมมิวเตเตอร์ตลอดเวลาเพื่อรับกระแส และส่งกระแสไฟฟ้าระหว่างขดลวดอาร์มาเจอร์ กับวงจรไฟฟ้าจากภายนอก คือถ้าเป็นมอเตอร์กระแสไฟฟ้าตรงจะทำหน้าที่รับกระแสจากภายนอกเข้าไปยังคอมมิวเตเตอร ์ให้ลวดอาร์มาเจอร์เกดแรงบิดทำให้มอเตอร์หมุนได้

        2.2 หลักการของมอเตอร์กระแสไฟฟ้าตรง (Motor Action)
               หลักการของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (Motor Action) เมื่อเป็นแรงดันกระแสไฟฟ้าตรงเข้าไปในมอเตอร์ ส่วนหนึ่งจะ แปรงถ่านผ่านคอมมิวเตเตอร์เข้าไปในขดลวดอาร์มาเจอร์สร้างสนามแม่เหล็กขึ้น และกระแสไฟฟ้าอีกส่วนหนึ่งจะไหลเข้าไปในขดลวดสนามแม่เหล็ก (Field coil) สร้างขั้วเหนือ-ใต้ขึ้น จะเกิดสนามแม่เหล็ก 2 สนาม ในขณะเดียวกัน ตามคุณสมบัติของเส้นแรง แม่เหล็ก จะไม่ตัดกันทิศทางตรงข้ามจะหักล้างกัน และทิศทางเดียวจะเสริมแรงกัน ทำให้เกิดแรงบิดในตัวอาร์มาเจอร์ ซึ่งวางแกนเพลาและแกนเพลานี้ สวมอยู่กับตลับลุกปืนของมอเตอร์ ทำให้อาร์มาเจอร์นี้หมุนได้ ขณะที่ตัวอาร์มาเจอร์ทำหน้าที่หมุนได้นี้เรียกว่า โรเตอร์ (Rotor) ซึ่งหมายความว่าตัวหมุน การที่อำนาจเส้นแรงแม่เหล็กทั้งสองมีปฏิกิริยาต่อกัน ทำให้ขดลวดอาร์มาเจอร์ หรือโรเตอร์หมุนไปนั้นเป็นไปตามกฎซ้ายของเฟลมมิ่ง (Fleming’left hand rule)

หม้อแปลงไฟฟ้า

เป็นเครื่องมือที่ใช้สำหรับแปลงค่าแรงดันไฟฟ้าสลับให้มีค่าแรงดันไฟฟ้าสลับให้มีค่าสูงต่ำได้ตามต้องการการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า
เมื่อต่อขดลวดปฐมภูมิกับกับไฟสลับ และต่อขดลวดทุติยภูมิกับหลอดไฟฟ้า หลอดไฟจะติดอยู่ตลอดเวลา เนื่องจากไฟสลับมีแรงดันไฟฟ้าที่มีขนาดและทิศทางเปล่ยนแปลงด้วยช่วงเวลาที่แน่นอนตลอดเวลา ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กในลักษณะเดียวกัน ดังนั้นจึงเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิตลอดเวลา แรงดันไฟฟ้าสลับที่ป้อนให้กับขดลวดปฐมภูมิจึงถูกถ่ายทอดให้แก่ขดลวดทุติยภูมิ นี่คือหลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า

โครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้งานจริง ๆ มีแกนเหล็กที่ประกอบด้วยชิ้นเหล็กบาง ๆ ขนาด 0.35 มิลลิเมตร ประกบซ้อนกันเป็นรูปวงสี่เหลี่ยม และมีขดลวดพัน 2 ชุด ดังรูป คือขดลวดทุติยภูมิและขดลวดทุติยภูมิ

หม้อแปลงที่ใช้งานกันจริง ๆ มีแกนเหล็กที่ประกอบด้วยชิ้นเหล็กบาง ๆ ขนาด 0.35 มิลลิเมตร ประกอบซ้อนกันเป็นรูปวงสี่เหลี่ยม และมีขดลวดพัน 2 ชุด คือขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิพันอยู่ดังรูป
ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน กระแสของลวด กับจำนวนรอบการพันของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ เมื่อใส่แรงดันไฟสลับ 100 โวลต์ แก่ขดลวดปฐมภูมิที่พัน 200 รอบ N₁ และต่อโหลดกับขดลวดทุติยภูมิที่พัน 20 รอบ N₂ แล้ววัดแรงดันและกระแสของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิได้ผลดังนี้

แรงดันปฐมภูมิ V = 100 V

แรงดันทุติยภูมิ V = 10 V

กระแสปฐมภูมิ I = 1 A

กระแสทุติยภูมิ I = 10 A

อัตราส่วนระหว่างแรงดันปฐมภูมิและแรงดันทุติยภูมิกับอัตราส่วนระหว่างจำนวนรอบของขดลวดมีความสัมพันธ์กันดังนี้

หรือ อัตราส่วนแรงดัน = อัตราส่วนจำนวนที่พันรอบ
ความสัมพันะระหว่างแรงดันและกระแสในขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิเป็นดังนี้

และความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนของกระแสและอัตราส่วนของจำนวนรอบเป็นดังนี้

การทำงานต่าง ๆ ของหม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้าไม่ได้ทำหน้าที่เพิ่ม-ลดแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น แต่ใช้ประโยชน์มากในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เมื่อมีแรงดันไฟผสมระหว่างไฟสลับกับไฟตรงใส่เข้าทางขดลวดปฐมภูมิ ไฟตรงจะไม่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำร่วมกัน จึงไม่สามารถส่งทอดแรงดันนั้นแก่ลวดทุติยภูมิได้ แต่ไฟสลับนั้นจะผ่านไปยังขดลวดทุติยภูมิได้ หม้อแปลงไฟฟ้าสามารถแยกไฟสลับออกจากแรงดันไฟฟ้าที่ผสมกันระหว่างไฟสลับและไฟตรงได้ นอกจากนี้หม้อแปลงไฟฟ้ายังสามารถทำหน้าที่ส่งกระแสที่มีความถี่สูง ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้า

วงจรไฟฟ้า

วงจรไฟฟ้าคือการนำเอาแหล่งจ่ายไฟฟ้ามาจ่ายแรงดันและกระแสให้กับโหลด โดยผ่านลวดตัวนำ และใช้สวิตช์ในการเปิดปิดวงจรเพื่อตัดหรือต่อกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับโหลด ในทางปฏิบัติจะมีฟิวส์ในวงจรเพื่อป้องกันปัญหาข้อผิดพลาดที่จะเกิดกับวงจรและอุปกรณ์ เช่น โหลดเกิน หรือไฟฟ้าลัดวงจร วงจรไฟฟ้าเบื้องต้นที่ควรศึกษามีอยู่ 3 ลักษณะคือ วงจรอนุกรม, วงจรขนานและวงจรผสม

โหลดหรือภาระทางไฟฟ้า คืออุปกรณ์ทางไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ที่นำมาต่อในวงจร เพื่อใช้งาน เช่นตู้เย็น, โทรทัศน์, พัดลม, เครื่องปรับอากาศ, เตารีด, หลอดไฟ, ตัวต้านทาน เป็นต้น

1. วงจรอนุกรม

วงจรอนุกรมหมายถึง การนำเอาอุปกรณ์ทางไฟฟ้ามาต่อกันในลักษณะที่ปลายด้านหนึ่งของอุปกรณ์ตัวที่ 1 ต่อเข้ากับอุปกรณ์ตัวที่ 2 จากนั้นนำปลายที่เหลือของอุปกรณ์ตัวที่ 2 ไปต่อกับอุปกรณ์ตัวที่ 3 และจะต่อลักษณะนี้ไปเรื่อยๆ ซึ่งการต่อแบบนี้จะทำให้

1.1 กระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียวกระแสไฟฟ้าภายในวงจรอนุกรมจะมีค่าเท่ากันทุกๆจุด

1.2 ค่าความต้านทานรวมของวงจรอนุกรมนั้นคือการนำเอาค่าความต้านทานทั้งหมดนำมารวมกัน

1.3 ความต่างศักย์ไฟฟ้าในวงจรอนุกรมนั้นความต่างศักย์จะปรากฎคร่อมตัวต้านทานทุกตัวที่จะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ซึ่งความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะมีค่าไม่เท่ากันโดยสามารถคำนวนหาได้จากกฎของโอห์ม

รูปวงจรอนุกรม

รูปการต่อวงจรความต้านทานแบบอนุกรม

รูปการใช้โวลต์มิเตอร์วัดความต่างศักย์คร่อมตัวต้านทานแต่ละตัว

รูปการใช้โวลต์มิเตอร์วัดความต่างศักย์รวม

สรุปผลการต่อตัวต้านทานแบบอนุกรม

2. วงจรขนาน

วงจรขนานหมายถึง วงจรที่เกิดจากการต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไปให้ขนานกับแหล่งจ่ายไฟมีผลทำให้

2.1 ค่าของความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ตกคร่อมอุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละแถวมีค่าเท่ากันและเท่ากับความต่างศักย์ระหว่างขั้วเซลล์ของแหล่งจ่ายไฟ

2.1 ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าจะแยกไหลมีตั้งแต่ 2 ทิศทางขึ้นไปตามจำนวนแถวที่ขนานกันของวงจร

2.3 ค่าความต้านทานรวมภายในวงจรขนานจะมีค่าเท่ากับผลรวมของส่วนกลับของค่าความต้านทานทุกตัวรวมกัน ซึ่งค่าความต้านทานรวมภายในวงจรไฟฟ้าแบบขนานจะมีค่าน้อยกว่าค่าความต้านทานภายในสาขาที่มีค่าน้อยที่สุดเสมอ

รูปวงจรขนาน

รูปการต่อตัวต้านทานแบบขนาน

รูปการใช้แอมมิเตอร์วัดกระแสไฟฟ้าแยกไหลผ่านตัวต้านทานขนานแต่ละเส้น

สรุปผลการต่อตัวต้านทานแบบขนาน

3. วงจรผสม

วงจรผสมหมายถึง การนำอุปกรณ์ไฟฟ้ามาต่อวงจรไฟฟ้าโดยการต่อรวมกันระหว่างวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรมกับวงจรไฟฟ้าแบบขนาน ภายในวงจรโหลดบางตัวต่อวงจรแบบอนุกรม และโหลดบางตัวต่อวงจรแบบขนาน การต่อวงจรไม่มีมาตรฐานตายตัว เปลี่ยนแปลงไปตามลักษณะการต่อวงจรตามต้องการ การวิเคราะห์แก้ปัญหาของวงจรผสม ต้องอาศัยหลักการทำงานตลอดจนอาศัยคุณสมบัติของวงจรไฟฟ้าทั้งแบบอนุกรมและแบบขนาน

รูปวงจรผสม

รูปการต่อตัวต้านทานแบบผสม

กฏของโอห์มและความต้านทานไฟฟ้า

การทดลองของโอห์ม เมื่อต่อปลายของลวดนิโครม ซึ่งเป็นลวดโลหะผสมระหว่างนิกเกิลและโครเมียมกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าจะมีกระแสไฟฟ้าผ่านลวดนิโครม ถ้าความต่างศักย์ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยน กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะเปลี่ยนแปลงตาม โดยกระแสไฟฟ้าที่ผ่านลวดนิโครมแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของลวดนิโครม จึงเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้

ค่าคงตัว R นี้เรียกว่า ความต้านทาน (resistance) ของลวดนิโครมที่ใช้ในการทดลองความต้านทานมีหน่วยโวลต์ต่อแอมแปร์ (V/A) หรือเรียกว่า โอห์ม (ohm) แทนด้วยสัญลักษณ์ $\displaystyle \Omega$
โอห์มได้ค้นพบความสัมพันธ์ตามสมการ เมื่อ พ.ศ. 2369 ความสัมพันธ์นี้เรียกว่า กฎของโอห์ม(ohm’s Law) มีใจความว่า ถ้าอุณหภูมิคงตัว กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวนำจะแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวนำนั้น

รูปกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแส ความต่างศักย์ และความต้านทานของตัวนำ

เมื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ในตัวนำไฟฟ้าชนิดอื่นๆ ได้แก่ โลหะ หลอดไดโอด อิเล็กโทรไลต์ และสารกึ่งตัวนำ ที่อุณหภูมิคงตัว จะได้ดังรูป จะเห็นว่า ตัวนำไฟฟ้าที่เป็นโลหะจะมีความต้านทานคงตัว และเป็นไปตามกฎของโอห์ม ส่วนตัวนำไฟฟ้าอื่น ความต้านทานไม่คงตัวและไม่เป็นไปตามกฎของโอห์ม

รูป กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ของตัวนำไฟฟ้าชนิดต่างๆ

อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานไฟฟ้า
ตามปกติวงจรไฟฟ้าทั่วไปมีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หลายชนิดที่ต่างกันก็มีความต้านทาน เช่น ตัวต้านทาน แอลอีอาร์ เทอร์มีสเตอร์ และไดโอด เป็นต้น ความต้านทานของชิ้นส่วนเหล่านี้ขึ้นกับปัจจัยอะไร และมีผลต่อวงจรไฟฟ้าอย่างไร

1.ตัวต้านทาน (resistor)

การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้า ใช้ลวดนิโครมซึ่งมีความต้านทานค่าหนึ่ง จึงถือได้ว่าลวดนิโครมเป็นตัวต้านทานชนิดหนึ่ง ในวงจรทั่วไป ตัวต้านทานมักทำจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระบอกเล็กๆ ตัวต้านทานแบบนี้มีความต้านทานคงตัว เรียกว่า ใช้ลวดนิโครมซึ่งมีความต้านทานค่าหนึ่ง จึงถือได้ว่าลวดนิโครมเป็นตัวต้านทานชนิดหนึ่ง ในวงจรทั่วไป ตัวต้านทานมักทำจากผงคาร์บอนอัดแน่นเป็นรูปทรงกระบอกเล็กๆ ตัวต้านทานแบบนี้มีความต้านทานคงตัว เรียกว่า ตัวต้านทานค่าคงตัว (fixed resistor) เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ และใช้แถบสีบอกความต้านทาน ดังรูป

การอ่านความต้านทานจากแถบสีบนตัวต้านทานแบบ 4-Band-Code

ตัวอย่างการอ่านค่าความต้านทาน

ตัวต้านทานค่าคงตัวในวงจรทำหน้าที่อะไรในวงจร

พิจารณาวงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทานที่ทราบค่ากับแบตเตอรี่ และวัดกระแสไฟฟ้าในวงจรเปลี่ยนตัวต้านทานเป็นค่าอื่น บันทึกกระแสไฟฟ้าทุกครั้ง จะพบว่าเมื่อตัวต้านทานมีค่าเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าที่วัดได้มีค่าลดลง เราจึงสามารถกำหนดกระแสไฟฟ้าในวงจรได้โดยใช้ตัวต้านทานที่เหมาะสม หรือกล่าวได้ว่า ตัวต้านทานทำหน้าที่จำกัดค่าของกระแสไฟฟ้าในวงจร

รูปตัวต้านทานแบบคงตัว

นอกจากนี้ยังมีตัวต้านทานที่เปลี่ยนค่าได้ เรียกว่า ตัวต้านทานแปรค่า (variable resistor) ดังรูป ตัวต้านทานแปรค่าที่ใช้กันทั่วไปประกอบด้วย แถบความต้านทานซึ่งอาจทำด้วยแกรไฟต์หรือลวดพันต่อกับขา 1 และ 3 และหน้าสัมผัสต่อกับขา 2 การปรับเปลี่ยนความต้านทานทำได้โดนการเลื่อนหน้าสัมผัสไปบนแถบความต้านทาน การนำตัวต้านทานแปรค่าไปใช้ควบคุมกระแสไฟฟ้าในวงจรทำได้โดยการต่อขา 1 หรือ ขา 3 ขาใดขาหนึ่งและขา 2 กับวงจร ดังรูป

รูปตัวต้านทานแบบแปรค่า

เมื่อเลื่อนหน้าสัมผัสของตัวต้านทานแปรค่าในวงจร ในรูป จากตำแหน่งที่ 1 ไปยังตำแหน่งที่ 3 ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นกระแสไฟฟ้าในวงจรจะลดลง ถ้าเลื่อนหน้าสัมผัสในทิศตรงข้าม ทำให้ความต้านทานลดลงและกระแสไฟฟ้าจะสูงขึ้น ตัวต้านทานแปรค่าที่ทำหน้าที่ควบคุมกระแสไฟฟ้าในวงจร เรียกว่าตัวควบคุมกระแส

ตัวต้านทานแปรค่านิยมใช้ควบคุมกระแสไฟฟ้า วงจรในรูป ใช้ตัวต้านทานแปรค่าควบคุมความสว่างของหลอดไฟ และใช้ปรับความดังของเสียงในเครื่องเสียงต่างๆ นอกจากนี้ยังใช้เป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องวัดบางชนิด เช่น โอห์มมิเตอร์และเครื่องวัดปริมาณน้ำมันในรถยนต์ เป็นต้น

2. แอลดีอาร์ (light dependent resistor , LDR)

แอลดีอาร์เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นกับความสว่างของแสงที่ตกกระทบแอลดีอาร์มีความต้านทานสูงในที่มืด แต่มีความต้านทานต่ำในที่สว่าง จึงเป็นตัวรับรู้ความสว่าง (light sensor) ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับควบคุมการปิด-เปิดสวิตซ์ด้วยแสง

รูป แอลดีอาร์

3. เทอร์มีสเตอร์ (themistor)

เทอร์มีสเตอร์เป็นตัวต้านทานที่ความต้านทานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมเทอร์มีสเตอร์แบบ NTC (negative temperature coefficient) มีความต้านทานสูงเมื่ออุณหภูมิต่ำ แต่มีความต้านทานต่ำเมื่ออุณหภูมิสูง เทอร์มีสเตอร์จึงเป็นตัวรับรู้อุณหภูมิ (temperature sensor) ในเทอร์มอมิเตอร์บางชนิด

รูป เทอร์มีสเตอร์

4. ไดโอด (diode)

ไดโอดทำจากสารกึ่งตัวนำ มีลักษณะและสัญลักษณ์ ดังรูป ไดโอดมีขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบ เมื่อนำไดโอด แบตเตอรี่และแอมมิเตอร์มาต่อเป็นวงจรโดยต่อขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่กับขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบของไดโอดตามลำดับ ดังรูป ก จะพบว่ามีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้เรียกว่า ไบแอสตรง เมื่อสลับขั้วของไดโอดจะพบว่า ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร การต่อลักษณะนี้เรียกว่า ไบแอสกลับ ดังรูป ข

รูป ไดโอดและสัญลักษณ์

รูป การต่อไดโอดในวงจรไฟฟ้า ก. มีกระแสไหลในวงจร ข. ไม่มีกระแส

ความต้านทานของไดโอดกรณีไบแอสตรงและไบแอสกลับ มีค่าเท่ากันหรือไม่

จะเห็นว่าขณะไบแอสตรง มีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานน้อย แต่ขณะไบแอสกลับ ไม่มีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าไดโอดมีความต้านทานสูงมาก ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า ไดโอดยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้ทิศเดียว จากสมบัตินี้จึงใช้ไดโอดแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง

สภาพต้านทานไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า

เมื่อต่อแบตเตอรี่กับลวดโลหะ แล้ววัดความต่างศักย์ V ระหว่างปลายลวด และกระแสไฟฟ้า I ที่ผ่านลวดนั้น โดยใช้ลวดที่ทำจากโลหะชนิดเดียวกัน มีความยาว l ต่างๆกัน และมีพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน พบว่าอัตราส่วนระหว่าง V และ I แปลผันตรงกับความยาว l ของลวดนั้น
หรือ $\displaystyle \frac{V}{I} \propto I$
ถ้าใช้ลวดที่มีความยาวเท่ากัน แต่มีพื้นที่หน้าตัด A ต่างๆ กัน พบว่าอัตราส่วนระหว่าง V และ I แปรผกผันกับ A
หรือ $\displaystyle \frac{V}{I} \propto \frac{l}{A}$
โดยอาศัยกฎของโอห์มในสมการ สามารถสรุปความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทาน R ความยาว l และพื้นที่หน้าตัด A ของลวดโลหะได้ดังนี้

ดังนั้น $\displaystyle R = \rho \frac{l}{A}$ เมื่อ $\displaystyle \rho$ เป็นค่าคงตัว

ถ้าทดลองโดยใช้ลวดที่ทำด้วยโลหะต่างชนิดกัน พบว่าค่าคงตัวในสมการ จะไม่เท่ากัน ขึ้นกับชนิดของสาร ค่าคงตัว p นี้เรียกว่า สภาพต้านทานไฟฟ้า (electrical resistivity) ซึ่งมีหน่วยโอห์ม เมตร

ตาราง แสดงสภาพต้านทานไฟฟ้าของสารต่างๆ ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส

การเปรียบเทียบความต้านทานไฟฟ้าของลวดตัวนำ 2 เส้น

สภาพต้านทานไฟฟ้าและความต้านทานต่างกันอย่างไร

สภาพต้านทานไฟฟ้าของสารชนิดเดียวกันมีค่าเท่ากัน ส่วนความต้านทานของสารชนิดเดียวกันอาจต่างกัน เพราะ ขึ้นกับความยาวและพื้นที่หน้าตัดของสารนั้น จึงกล่าวได้ว่าสภาพต้านทานไฟฟ้าเป็นสมบัติเฉพาะของสารชนิดหนึ่งๆ ส่วนความต้านทานขึ้นกับขนาดสารแต่ละชิ้น สารที่มีความต้านทานมากจะยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านน้อย จึงกล่าวว่าสารนั้นมีความนำไฟฟ้า (electrical conductance) น้อย ดังนั้น ความนำไฟฟ้าจึงเป็นส่วนกลับของความต้านทานไฟฟ้า และมีหน่วย (โอห์ม)-1 หรือ ซีเมนส์ (siemens) แทนด้วยสัญลักษณ์ S สำหรับสารที่มีสภาพต้านทานไฟฟ้ามากจะมี สภาพนำไฟฟ้า (electrical conductivity) น้อย สภาพนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับของสภาพต้านทานไฟฟ้า มีหน่วย (โอห์ม)-1 หรือ ซีเมนส์ต่อเมตร

ความนำไฟฟ้าเป็นส่วนกลับของความต้านทาน สัญลักษณ์ ความนำไฟฟ้า แทนด้วย "G"

สำหรับสารที่มีสภาพต้านทานมาก จะมีสภาพนำไฟฟ้า (electrical conductivity) น้อย สภาพนำไฟฟ้า
จึงเป็นส่วนกลับของสภาพต้านทาน สัญลักษณ์ สภาพนำไฟฟ้า แทนด้วย "s"

อิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อความต้านทาน

การศึกษาความต้านทานของสารชนิดต่างๆ ที่กล่าวมานี้เป็นการศึกษากรณีที่อุณหภูมิคงตัวค่าหนึ่ง ถ้าอุณหภูมิของสารเปลี่ยนไป ความต้านทานจะเปลี่ยนไปหรือไม่อย่างไร จะได้ศึกษาโดยแยกพิจารณาตามประเภทของสารดังต่อไปนี้

ฉนวน ฉนวนเป็นสารที่สภาพต้านทานสูง ตัวอย่างของฉนวน ได้แก่ แก้ว ไมกา พีวีซี ยาง กระเบื้อง เป็นต้น การศึกษาสภาพต้านทานของฉนวนที่อุณหภูมิสูงๆ พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงเล็กน้อย และถ้านำฉนวนไปต่อกับความต่างศักย์ที่สูงมาก ฉนวนจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าได้

สารกึ่งตัวนำ สารกึ่งตัวนำมีสภาพต้านทานอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน แต่มีค่าสูงกว่าสภาพต้านทานของตัวนำมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พบว่า สภาพต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็ว แสดงว่าการนำไฟฟ้าจะดีขึ้น ดังนั้นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ประเภทสารกึ่งตัวนำประกอบอยู่ในวงจรจึงทำงานเป็นปกติเฉพาะในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้

ตัวนำ ตัวนำเป็นสารที่มีสภาพต้านทานต่ำ เมื่อวัดความต้านทานของตัวนำที่เป็นโลหะบริสุทธิ์ เช่น แพลทินัม ทองแดง เงิน เป็นต้น ที่อุณหภูมิต่างๆ พบว่าโดยประมาณแล้ว ความต้านทานจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ความรู้นี้จึงนำไปใช้สร้าง เทอร์มอมิเตอร์ชนิดความต้านทาน ส่วนตัวนำที่เป็นโลหะผสมบางชนิด พบว่า เมื่อมีอุณหภูมิเปลี่ยน ความต้านทานจะเปลี่ยนน้อยมาก ความรู้นี้นำไปใช้สร้าง ตัวต้านทานมาตรฐาน ซึ่งมีความต้านทานคงตัว เช่น ตัวต้านทานที่ทำด้วยแมงกานิน เป็นต้น

กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของโลหะบริสุทธิ์กับอุณหภูมิ

ตัวนำยิ่งยวด เมื่อ พ.ศ. 2454 นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ ชื่อ ออนเนส ได้ทดลองวัดความต้านทานของปรอทบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์เคลวิน พบว่าความต้านทานของปรอทลดลงเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน ดังรูป อุณหภูมินี้เรียกว่า อุณหภูมิวิกฤต ปรอทจะอยู่ในสภาวะที่เรียกว่า สภาพนำยวดยิ่ง (superconductivity) กล่าวคือ ปรอทจะมีสภาพต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์หรือมีการนำไฟฟ้าดีที่สุด

ความรู้เกี่ยวกับสภาพนำยวดยิ่งนำไปสร้างอุปกรณ์ต่างๆ เช่น

เครื่องเร่งอนุภาคกำลังสูง เป็นเครื่องมือสำหรับทำให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ามีพลังงานจลน์สูงมาก เพื่อใช้ในการวิจัยทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งมีหลักการ คือ ใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าในตัวนำยวดยิ่ง เมื่อจะเร่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าให้มีพลังงานสูง ต้องให้อนุภาคเคลื่อนที่เป็นวงกลมซ้ำๆกัน การจะทำได้เช่นนี้ต้องใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงมาก ถ้าใช้ลวดตัวนำธรรมดา การจะสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงต้องใช้กระแสไฟฟ้าสูง ลวดจะร้อนจนหลอมเหลว แต่ถ้าใช้ลวดที่ทำด้วยตัวนำยวดยิ่งซึ่งมีความต้านทานเป็นศูนย์ กระแสไฟฟ้าจะไม่ทำให้ลวดร้อนแต่ประการใด กระแสไฟฟ้าที่สูงจึงสามารถสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้

รถไฟแมกเลฟ (Magnetic Levitation Train) เป็นรถไฟอัตราเร็วสูง ขณะเคลื่อนที่ตัวรถจะลอยเหนือรางเล็กน้อย เนื่องจากสนามแม่เหล็กของรางและสนามแม่เหล็กของตัวรถที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งผลักกัน ทำให้เกิดแรงยกตัวรถขึ้น รถจึงลอยเหนือรางเป็นการลดแรงเสียดทาน ที่มีผลทำให้รถไฟเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสูงถึง 513 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

รูป รถไฟแมกเลฟต้นแบบสร้างโดยสถาบันวิจัยรถไฟของญี่ปุ่น

เนื่องจากอุณหภูมิวิกฤตของสารต่างๆ มีค่าต่ำมาก การทำให้สารแสดงสภาพนำยวดยิ่งจึงต้องใช้ฮีเลียมเหลว (ที่อุณหภูมิ -269 องศาเซลเซียส) ซึ่งมีราคาแพง ดังนั้นการนำตัวนำยวดยิ่งไปใช้ประโยชน์จึงไม่แพร่หลาย จนกระทั่ง พ.ศ. 2530 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบ ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ซึ่งเป็นสารประกอบของอิตเทรียม (Y) แบเรียม (Ba) ทองแดง (Cu) และออกซิเจน (O) สารใหม่นี้เป็นตัวนำยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิวิกฤติสูงถึง 90 เคลวิน จึงสามารถใช้ ไนโตรเจนเหลว ซึ่งมีอุณหภูมิ -196 องศาเซลเซียส หรือ 77 เคลวิน) ซึ่งมีราคาถูกกว่าแทนฮีเลียมเหลวได้ การค้นพบตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้กระตุ้นให้มีการวิจัยและพัฒนาเพื่อนำตัวนำยวดยิ่งมาใช้ประโยชน์ให้กว้างขวางมากขึ้น

แนวข้อสอบ

1. จากความสัมพันธ์ตามกฏของโอห์ม ถ้าความต่างศักย์ไฟฟ้าเพิ่มเป็น 2 เท่า กระแสไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร
2. กราฟความสัมพันธ์ระหว่างกระแสกับความต่างศักย์จากการทดลองกฏของโอห์ม ถ้าให้แกน y แทนกระแสไฟฟ้า และแกน x แทนความต่างศักย์ ความต้านทานของตัวนำในการทดลองนี้เกี่ยวข้องกับความชันของเส้นกราฟอย่างไร
3. จากกฏของโอห์ม จะได้สูตรอย่างไร
4. ตัวต้านทานไฟฟ้าทำหน้าที่อะไรในวงจรไฟฟ้า
5. ตัวต้านทานคงที่ ที่มีแถบสีแดง, เขียว, แดง, ทอง อ่านค่าความต้านทานไฟฟ้าได้เท่าไร
6. ความต้านทานของสารชนิดหนึ่งที่มีความยาว 1 เมตร และมี พท. ภาคตัดขวาง 1 ตร.ม. เรียกว่าอะไร
7. “ พี.วี.ซี. มีสภาพต้านทาน 10¹⁸โอห์ม-เมตร” หมายความว่าอย่างไร
8. สภาพนำไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับสภาพต้านทานไฟฟ้าอย่างไร
9. ความต้านทานไฟฟ้า( R ) ของตัวนำที่มีความยาว L พื้นที่หน้าตัด A ค่าของ R มีความสัมพันธ์เกี่ยวข้องกับ L และ A อย่างไร

10. ลวด 2 เส้น A และ B ทำด้วยโลหะชนิดเดียวกัน เมื่อวัดความต้านทานปรากฏว่าได้เท่ากัน สรุปได้ว่า

ก. ลวดทั้งสองเส้นยาวเท่ากัน ข. ลวดทั้งสองเส้นมีพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน

ค. ลวดทั้งสองเส้นมีสภาพต้านทานเท่ากัน ง. ถูกทั้งข้อ (ก) และ (ข)

11. ลวดทองแดงเส้นหนึ่งมีพื้นที่หน้าตัด 1.2 ตารางมิลลิเมตร ยาว 500 เมตร จะมีความต้าน ทานเท่าใด ให้สภาพต้านทานของทองแดง 1.8 x 10^-8 โอห์มเมตร
12. ลวด A ยาวเป็นสองเท่าของลวด B และมีสภาพต้านทานเป็น 3 เท่าของลวด B ถ้าลวด B มีพื้นที่หน้าตัดเป็น 1/4 เท่าของลวด A จงหาอัตราส่วนของความต้านทานของลวด A ต่อลวด B
13. ลวดตัวนำขนาดสม่ำเสมอเส้นหนึ่งยาว 1 เมตร วัดความต้านทานได้ 0.2 โอห์ม ถ้ามีตัวนำชนิดเดียวกันแต่ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าเดิมครึ่งหนึ่ง ถ้าต้องการให้มีความต้านทาน 0.8 โอห์ม ต้องใช้ลวดยาวเท่าใด

14. เมื่อยืดลวดเส้นหนึ่งให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงกว่าเดิมเป็น n เท่าของเดิม ความต้านทานของลวดจะเป็นกี่เท่าของเดิม

15. เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สารใดบ้างมีสภาพต้านไฟฟ้าลดลง
1.โลหะบริสุทธิ์ 2.สารกึ่งตัวนำ 3.โลหะผสม 4.ฉนวน
16. ตัวนำยิ่งยวดคืออะไร