1.เซลล์ไฟฟ้าและแหล่งกำเนิดไฟฟ้าประเภทต่างๆ
เซลล์ไฟฟ้า
เซลล์ไฟฟ้า ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้แก่วงจรไฟฟ้า เซลล์ไฟฟ้ากระแสตรงจะทำให้เกิดการไหลของกระแสในวงจรทิศทางเดียว
เซลล์ไฟฟ้า 1 เซลล์ จะประกอบด้วยค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า (E) และความต้านทานภายในเซลล์ (r) โดยที่ขีดยาว หมายถึงขั้วบวก และขีดสั้นหมายถึงขั้วลบของเซลล์
การต่อเซลล์ไฟฟ้าหลายเซลล์
การต่อเซลล์ไฟฟ้า หมายถึง การนำเซลล์ไฟฟ้ามาต่อเข้าด้วยกัน โดยปกติเซลล์ไฟฟ้า เช่น ถ่านไฟฉายจะมีค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า 1.5 V วิธีการนำเอาเซลล์ไฟฟ้ามาต่อรวมกันเข้า จะทำให้แรงเคลื่อนไฟฟ้า เปลี่ยนแปลงไปจากค่าเดิม มีวิธีการนำเซลล์ไฟฟ้ามาต่อ 3 วิธีดังนี้
1. การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม
การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม เรียกการต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบ “ซีรี่ส์” (Series ) คือการนำเอาเซลล์ไฟฟ้ามาต่อเรียงกัน โดยนำขั้วของเซลล์ไฟฟ้าที่มีขั้วต่างกันมาต่อเข้าด้วยกันแล้วนำเอาขั้วที่เหลือไปใช้งาน
1.1 ถ้าเรียงขั้วของเซลล์ไฟฟ้าไปทิศทางเดียวกัน ให้หาแรงเคลื่อนไฟฟ้ารวมโดยการจับแรงเคลื่อนบวกกัน การรวมความต้านทานภายในไม่มีทิศทาง ดังนั้นจับบวกกันเป็นการหาความต้านทานรวมอนุกรม 1.2 ถ้าเรียงขั้วของเซลล์ไฟฟ้าไปทิศทางเดียวกัน ให้หาแรงเคลื่อนไฟฟ้ารวมโดยการจับแรงเคลื่อนบวกกัน และเซลล์ใดที่สวนทิศทางให้ลบออก
1.2. การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนานคือ การนำเอาขั้วของเซลล์ไฟฟ้าเซลล์ที่เหมือนกันมาต่อเข้าด้วยกันโดยนำขั้วบวกของแต่ละเซลล์รวมกัน และนำขั้วลบของเซลล์รวมกันอีกด้านหนึ่ง แล้วนำเอาขั้วของเซลล์ที่ต่อขนานไปใช้งาน การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน ( Parallel cell ) เซลล์ไฟฟ้าแต่ละเซลล์ต้องมีค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า ( Voltage ) และความต้านทานภายในเซลล์ไฟฟ้าแต่ละเซลล์เท่ากัน การต่อแบบขนานผลก็คือแรงเคลื่อนไฟฟ้ารวมเท่ากับแรงเคลื่อนเคลื่อนเซลล์เพียงแถวเดียว ผลรวมความต้านทานภายในเซลล์ให้รวมแบบขนาน 1.3. การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบผสม การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบผสม เซลล์ไฟฟ้าแต่ละเซลล์ที่จะนำมาต่อจะต้องมี แรงเคลื่อนไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานภายในเซลล์เท่ากันทุกตัว การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบผสมจะมีการต่อแบบอนุกรม และขนาน จากรูป เป็นการต่ออนุกรมแถวละ x เซลล์ ขนานกันจำนวน y แถว
ไฟฟ้ากระแสตรงแบ่งออกเป็น 2 ประเภท
1.1 ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทสม่ำเสมอ (Steady D.C) เป็นไฟฟ้ากระแสตรง อันแท้จริง คือ เป็นไฟฟ้ากระแสตรง
ที่ไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดไปไฟฟ้ากระแสตรงประเภทนี้ได้มาจากแบตเตอรี่หรือ ถ่านไฟฉาย
1.2 ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทไม่สม่ำเสมอ ( Pulsating D.C) เป็นไฟฟ้ากระแสตรงที่เป็นช่วงคลื่นไม่สม่ำเสมอ
ไฟฟ้ากระแสตรงชนิดนี้ได้มาจากเครื่องไดนาโมหรือ วงจรเรียงกระแส (เรคติไฟ )
2.แรงดันไฟฟ้าคือ
หน่วยของแรงดันไฟฟ้า, ความต่างศักย์ไฟฟ้า หรือแรงขับเคลื่อนทางไฟฟ้า มีหน่วยเดียวกัน คือ โวลต์ (Voltage ซึ่งแทนด้วย V) แรงดันไฟฟ้า 1 โวลต์ คือ แรงดันที่ทำให้กระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์ไหลผ่านเข้าไปในความต้านทาน 1 โอห์ม ... หน่วยของความต้านทานไฟฟ้าเป็น โอห์ม (Ohm แทนด้วยสัญลักษณ์ Ω)
3.กระแสไฟฟ้า คือ
คือการไหลของ ประจุไฟฟ้า ในวงจรไฟฟ้า อิเล็กตรอน ที่เคลื่อนที่ในประจุยังสามารถถูกนำพาโดย ไอออน ได้เช่นกันในสาร อิเล็กโทรไลต์ หรือโดยทั้งไอออนและอิเล็กตรอนเช่นใน พลาสมา[1]
กระแสไฟฟ้ามีหน่วยวัด SI เป็น แอมแปร์ ซึ่งเป็นการไหลของประจุไฟฟ้าที่ไหลข้ามพื้นผิวหนึ่งด้วยอัตราหนึ่ง คูลอมบ์ ต่อวินาที กระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยใช้ แอมป์มิเตอร์[2]
กระแสไฟฟ้าก่อให้เกิดผลหลายอย่าง เช่นความร้อน (Joule heating) ซึ่งผลิต แสงสว่าง ในหลอดไฟ และยังก่อให้เกิด สนามแม่เหล็ก อีกด้วย ซึ่งถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายใน มอเตอร์, ตัวเหนี่ยวนำ, และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
อนุภาคที่นำพาประจุถูกเรียกว่า พาหะของประจุไฟฟ้า ใน โลหะ ตัวนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนจากแต่ละอะตอมจะยึดเหนี่ยวอยู่กับอะตอมอย่างหลวม ๆ และพวกมันสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระอยู่ภายในโลหะนั้นภายใต้สภาวะการณ์หนึ่ง อิเล้กตรอนเหล่านี้เรียกว่า อิเล็กตรอนนำกระแส (อังกฤษ: conduction electron) พวกมันเป็นพาหะของประจุ
ในโลหะตัวนำนั้น4.กำลังไฟฟ้าคือ วัตต์หรือแรงเทียนคือพลังไฟฟ้าหรือกำลังไฟฟ้า อุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีวัตต์มากก็กินไฟมากกว่า ที่มีวัตต์น้อย (ในเวลาเท่ากัน)
1 กิโลวัตต์ คือ 1,000 วัตต์
1 หน่วย หรือ 1 ยูนิต หรือ 1 กิโลวัตต์-ชั่วโมง คือพลังงานไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้า
ขนาด 1,000 วัตต์ เปิดนาน 1 ชั่วโมง
ตัวอย่าง : หลอดไฟหลอดละ 100 วัตต์ จำนวน 10 หลอด รวม 100 x 10 = 1,000 วัตต์
ถ้าเปิดนาน 2 ชั่วโมง ทั้ง 10 หลอด จะเปลืองไฟฟ้า
รวม = 1,000 วัตต์ x 2 ชั่วโมง = 2,000 วัตต์-ชั่วโมง
หรือ = 2 กิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือ = 2 หน่วย หรือ 2 ยูนิต
5.พลังงานไฟฟ้า คื
อ
พลังงานที่เปลี่ยนมาจากพลังงานรูปอื่น พลังไฟฟ้านี้เกิดจากการที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านตัวนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วลบไปขั้วบวก แต่ไฟฟ้าเป็นกระแสสมมุติเคลื่อนสวนทางกับอิเล็กตรอนจากขั้วบวกไปขั้วลบค่ะ
6.การต่อวงจรเซลล์ไฟฟ้าเเบบอนุกรม และสูตรคำนวณหาแรงดันไฟฟ้า กระแส ไฟฟ้า กำลังไฟฟ้า และพลังงานไฟฟ้าระหว่างจุดต่างๆ
วงจรอนุกรมเป็นการนำเอาเครื่องใช้ไฟฟ้าหรือโหลดหลายๆ อันมาต่อเรียงกันไปเหมือนลูกโซ่ กล่าวคือ ปลายของเครื่องใช้ไฟฟ้าตัวที่ 1 นำไปต่อกับต้นของเครื่องใช้ไฟฟ้าตัวที่ 2 และต่อเรียงกันไปเรื่อยๆ จนหมด แล้วนำไปต่อเข้ากับแหล่งกำเนิด การต่อวงจรแบบอนุกรมจะมีทางเดินของกระแสไฟฟ้าได้ทางเดียวเท่านั้น ถ้าเกิดเครื่องใช้ไฟฟ้าตัวใดตัวหนึ่งเปิดวงจรหรือขาด จะทำให้วงจรทั้งหมดไม่ทำงาน
7.วงจรขนานและสูตรคำนวณหาแรงดันไฟฟ้า กระแส ไฟฟ้า กำลังไฟฟ้า และพลังงานไฟฟ้าระหว่างจุดต่างๆ
เป็นการนำเอาต้นของเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกๆ ตัวมาต่อรวมกัน และต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดที่จุดหนึ่ง นำปลายสายของทุกๆ ตัวมาต่อรวมกันและนำไปต่อกับแหล่งกำเนิดอีกจุดหนึ่งที่เหลือ ซึ่งเมื่อเครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละอันต่อเรียบร้อยแล้วจะกลายเป็นวงจรย่อย กระแสไฟฟ้าที่ไหลจะสามารถไหลได้หลายทางขึ้นอยู่กับตัวของเครื่องใช้ไฟฟ้าที่นำมาต่อขนานกัน ถ้าเกิดในวงจรมีเครื่องใช้ไฟฟ้าตัวหนึ่งขาดหรือเปิดวงจร เครื่องใช้ไฟฟ้าที่เหลือก็ยังสามารถทำงานได้ ในบ้านเรือนที่อยู่อาศัยปัจจุบันจะเป็นการต่อวงจรแบบนี้ทั้งสิ้น
สูตรคำนวณหาแรงดันไฟฟ้า
ประจุไฟฟ้า (Charge) ประจุที่ใช้ในกระแสคือ ประจุลบของอิเล็กตรอน ซึ่ง มีค่าประจุ ; q = 1.60218×10-19 (c : coulomb)
i = Dq/Dt
กระแสไฟฟ้า โดยทั่วไปจะใช้หน่วย แอมแปร์ (Ampere : A) โดย 1 แอมแปร์ กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 1 c/s (หนึ่งคูลอมป์ต่อ วินาที) และกระแส ไฟฟ้าจะมีทิศทางการไหลไปทางเดียว
แรงดันไฟฟ้า (Voltage) คือค่าความต่าง ศักดาทางไฟฟ้าของจุดสองจุดในวงจรไฟฟ้าที่มีกระแสไหลผ่าน มีหน่วยเป็น โวลต์เทจ (Voltage : V)กำลังไฟฟ้า (Power) คือ ผลคูณของกระแส ไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่อุปกรณ์ใดๆ ในวงจรไฟฟ้ามีหน่วยเป็น วัตต์ (Wat : W)กระแส ไฟฟ้า กำลังไฟฟ้า และพลังงานไฟฟ้าระหว่างจุดต่างๆ
คือการไหลของ ประจุไฟฟ้า ในวงจรไฟฟ้า อิเล็กตรอน ที่เคลื่อนที่ในประจุยังสามารถถูกนำพาโดย ไอออน ได้เช่นกันในสาร อิเล็กโทรไลต์ หรือโดยทั้งไอออนและอิเล็กตรอนเช่นใน พลาสมา[1]
กระแสไฟฟ้ามีหน่วยวัด SI เป็น แอมแปร์ ซึ่งเป็นการไหลของประจุไฟฟ้าที่ไหลข้ามพื้นผิวหนึ่งด้วยอัตราหนึ่ง คูลอมบ์ ต่อวินาที กระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยใช้ แอมป์มิเตอร์[2]
กระแสไฟฟ้าก่อให้เกิดผลหลายอย่าง เช่นความร้อน (Joule heating) ซึ่งผลิต แสงสว่าง ในหลอดไฟ และยังก่อให้เกิด สนามแม่เหล็ก อีกด้วย ซึ่งถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายใน มอเตอร์, ตัวเหนี่ยวนำ, และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
อนุภาคที่นำพาประจุถูกเรียกว่า พาหะของประจุไฟฟ้า ใน โลหะ ตัวนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนจากแต่ละอะตอมจะยึดเหนี่ยวอยู่กับอะตอมอย่างหลวม ๆ และพวกมันสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระอยู่ภายในโลหะนั้นภายใต้สภวะการณ์หนึ่ง อิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่า อิเล็กตรอนนำกระแส (อังกฤษ: conduction electron) พวกมันเป็นพาหะของประจุในโลหะตัวนำนั้น
8.วงจรไฟฟ้าแบบผสม
การต่อแบบผสม คือ การต่อวงจรทั้งแบบอนกรมและแบบขนานเข้าไปในวงจรเดียว การต่อแบบนี้ โดยทั่วไปไม่นิยมใช้กัน เพราะเกิดควา มยุ่งยาก จะใช้กันแต่ในทางด้านอิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนใหญ่ เช่น ตัวต้านทานตัวหนึ่งต่ออนุกรมกับตัวต้านทานอีกตัวหนึ่ง แล้วนำตัวต้านทานทั้งสองไปต่อตัวต้านทานอีกชุดหนึ่ง ดังในรูป
จะสังเกตเห็นได้ว่าการต่อวงจรแบบผสมนี้เป็นการนำเอาวงจรอนุกรมกับขนานมารวมกัน และสามารถประยุกต์เป็นรูปแบบอื่นๆได้ ข้นอยู่กับการนำไปใช้ให้เหมาะสม เพราะการต่อแบบผสมนี้ไม่ม่ กฏเกณฑ์ตายตัว เป็นการต่อเพื่อนำ
9.การอ่านค่าตัวต้านทาน
โดยส่วนใหญ่จะใช้รหัสแถบสีหรืออาจจะพิมพ์ค่าติดไว้บนตัวต้านทาน ถ้าเป็นการพิมพ์ค่าติดไว้บนตัวต้านทานมักจะเป็นตัวต้านทานที่มีอัตราทนกำลังวัตต์สูง ส่วนตัวต้านทานที่มีอัตราทนกำลังวัตต์ต่ำมักจะใช้รหัสแถบสี ที่นิยมใช้มี 4 แถบสีและ 5 แถบสี
10.การวัดแรงดันไฟฟ้า
เครื่องมือที่ใช้สำหรับวัดกระแสไฟฟ้าเรียกว่า แอมมิเตอร์ (Ampere meter)
ตัวอย่างการวัด ทำการต่อหลอดไฟฟ้าขนาดเล็กเข้ากับแบตเตอรี่ และวัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านหลอดไฟฟ้า โดยนำปลาย + ของแอมมิเตอร์ผ่านหลอดไฟฟ้าต่อกับขั้ว + ของแบตเตอรี่ และนำปลาย - ของแอมมิเตอร์ต่อกับขั้ว – ของแบตเตอรี่่
11.วิธีการวัดกระแสไฟฟ้าในวงจร
เครื่องมือที่ใช้สำหรับวัดความต้านทานเรียกว่า เทสต์มิเตอร์ (Test meter) หรือมัลติมิเตอร์ (Multimeter)
ตัวอย่างการวัด เครื่องวัดชนิดนี้สามารถวัดได้ทั้งกระแส, แรงดัน และความต้านทาน ดังนั้น ในการวัดค่าความต้านทาน ต้องสับสวิตช์มาที่ใช้วัดความต้านทานก่อน และเริ่มวัดค่าโดยนำปลายทั้งสองข้างของมิเตอร์มาแตะกัน ดังรูปที่ 1 แล้วปรับให้เข็มของมิเตอร์ชี้ที่ 0 โอห์ม จากนั้นนำปลายทั้งสองของมิเตอร์ไปต่อกับตัวต้านทานและอ่านค่าความต้านทานจากมิเตอร์
12.วงจรตัวต้านทานแบบอนุกรม และสูตรคำนวณหาค่าความต้านทาน แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าระหว่างจุดต่างๆของวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าโดยใช้กฎของโอห์ม ตัวต้านทานแบบมีขาออกทางปลายแบบหนึ่ง]] ตัวต้านทาน หรือ รีซิสเตอร์ (อังกฤษ: resistor) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติในการต้านการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้า ทำด้วยลวดต้านทานหรือถ่านคาร์บอน เป็นต้น[1] นั่นคือ ถ้าอุปกรณ์นั้นมีความต้านทานมาก กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจะน้อยลง เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดพาสซีฟสองขั้ว ที่สร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าคร่อมขั้วทั้งสอง (V) โดยมีสัดส่วนมากน้อยตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน (I) อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ และปริมาณกระแสไฟฟ้า ก็คือ ค่าความต้านทานทางไฟฟ้า หรือค่าความต้านทานของตัวนำมีหน่วยเป็นโอห์ม ( สัญลักษณ์ : Ω )
13.วงจรตัวต้านทานแบบขนาน และสูตรคำนวณหาค่าความต้านทาน แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าระหว่างจุดต่างๆของวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าโดยใช้กฎของโอห์ม ตัวต้านทานที่ต่อแบบขนานกัน ความต่างศักย์(แรงดัน)ของแต่ละตัวจะมีค่าเท่ากัน แต่กระแสทั้งหมดจะเท่ากับกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัวนำมารวมกัน ค่า conductances ของตัวต้านทานจะถูกนำมารวมกันเพื่อพิจารณาค่า conductances ของเครือข่าย ดังนั้นค่าความต้านทานเทียบเท่า (Req)
14.วงจรตัวต้านทานแบบผสม และสูตรคำนวณหาค่าความต้านทาน แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าระหว่างจุดต่างๆของวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าโดยใช้กฎของโอห์ม
เครือข่ายผสมคือการผสมตัวต้านทานแบบอนุกรมกับแบบขนานเชื่อมต่อกัน ลองหาค่าความต้านทานของเครือข่ายตามที่แสดงด้านล่าง
เราเห็นตัวต้านทาน R1 and R2 ถูกเชื่อมแบบอนุกรม ดังนั้น ค่าความต้านทานโดยรวม (ให้เราทำโดยใช้ Rs) คือ
Rs = R1 + R2 = 100 Ω + 300 Ω = 400 Ω.
ต่อไป เราเห็นตัวต้านทาน R3 and R4 เชื่อมต่อกันแบบขนาน ดังนั้นค่าความต้านทาน (ให้เราทำโดยใช้ Rp1) คือ
Rp1 = 1/{(1/20)+(1/20)} = 1/(2/20)= 20/2 = 10 Ω
แล้วเราก็เห็นว่าตัวต้านทาน R5 and R6 ก็เชื่อมต่อกันแบบขนาน ดังนั้นค่าความต้านทาน (ให้เราทำโดยใช้ Rp2) คือ
Rp2 = 1/{(1/40)+(1/10)} = 1/(5/40) = 40/5 = 8 Ω
ดังนั้นตอนนี้เราจะมีวงจรที่มีตัวต้านทาน Rs, Rp1, Rp2 and R7 เชื่อมต่อกันแบบอนุกรม ก็แค่นำมาบวกกันก็จะได้ค่าความต้านทาน R7 ของเครือข่ายที่ให้เรามาแต่แรก
Req = 400 Ω + 20Ω + 8 Ω = 428 Ω.
15.การแปลงจงจรความต้านทานสตาร์ เดลต้า
การแปลงค่าความต้านทานที่ต่อแบบสตาร์ให้เป็นเดลต้า หรือการแปลงค่าความต้านทานที่ต่อแบบเดลต้า ให้เป็นแบบสตาร์นั้ นเพื่อลดความยุ่งยากในการคำนวณเพื่อหาค่าความต้านทานรวมในวงจรไฟฟ้าที่มีความซับซ้อน ซึงไม่สามารถคำานวณโดยใช้การหาค่าความต้านทานรวมแบบอนุกรม ขนาน และผสมได้
16.วงจรบริดจ์คือ
วงจรบริดจ์เป็นวงจรที่นิยมนำมาใช้ในการวัดค่าความต้านทาน โดยใช้หลักการ “บริดจ์สมดุล (Bridge Balance)” หรือที่เรียกว่า “วีตสโตนบริดจ์ (Wheatstone bridge)” ซึ่งมีลักษณะของวงจรพื้นฐานดังแสดงในรูปด้านล่าง วงจรบริดจ์มีหลักการทำงานคือ เมื่อบริดจ์สมดุล กระแสที่ไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ (G) ในวงจรจะมีค่าเท่ากับศูนย์
17.ดีเทอร์มิแนนต์คือ
ฟังก์ชันหนึ่งที่ให้ผลลัพธ์เป็นปริมาณสเกลาร์ ซึ่งขึ้นอยู่กับค่าของ n ในมิติ n×n ของเมทริกซ์จัตุรัส A ส่วนความหมายทางเรขาคณิตเบื้องต้น ดีเทอร์มิแนนต์คือตัวประกอบมาตราส่วน (scale factor) ของปริมาตร เมื่อ A ถูกใช้เป็นการแปลงเชิงเส้น ดีเทอร์มิแนนต์ถูกใช้ประโยชน์ในเรื่องพีชคณิตเชิงหลายเส้น(multilinear algebra) และแคลคูลัส ซึ่งใช้สำหรับกฎการแทนที่ (substitution rule) ในตัวแปรบางกลุ่ม
18.กฏเคอร์ชอฟฟ์ เเละวิธีการวิเคระห์วงจรเครือข่ายโดยใช้กฏเคอร์ชอฟฟ์
การวิเคราะห์วงจรทีมีความซับซ้อนด้วยกฎของโอห์ม อาจไม่สะดวก หรือไม่สามารถทำได้ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Gustav Robert Kirchhoff (ค.ศ. 1824–1887) จึงเสนอ “กฎของเคอร์ชอฟฟ์” เพื่อใช้วิเคราะห์วงจรที่มีองค์ประกอบหลายตัวและมีความซับซ้อน ในหัวข้อที่ผ่านมาได้กล่าวถึงบทนิยามของ โนดและวงรอบ ซึ่งเป็นความเข้าใจที่สำคัญสำหรับการใช้กฏของเคอร์ชอฟฟ์ นอกเหนือจากนั้น สิ่งที่ต้องทำความเข้าใจเพิ่มเติมคือคำว่า กิ่ง ซึ่งมีบทนิยามดังนี้ (Alexander & Sadiku, 2009)
19.วิเคระห์วงจรเครือข่ายโดยใช้กฏเคอร์ชอฟฟ์
กฎของ เคอร์ชอฟฟ์ นั้นสามารถแยกได้เป็นสองข้อหลักๆ คือ
กฎทางด้านกระแสไฟฟ้า (Kirchhoff’s Current Law, KCL) และ
กฎในเรื่องแรงดันไฟฟ้า (Kirchhoff’s Voltage Law, KVL) กฎทั้งสองนั้นมีสาระสำคัญคือ.
1.กฎกระแสไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์ กล่าวว่า “ กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าจุดใดจุดหนึ่งใน วงจรไฟฟ้าจะเท่ากับกระแสไฟฟ้าที่ไหลออกจากจุดนั้น”
2.กฎแรงดันไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์ กล่าวว่า “ ผลบวกของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้ในวงจรไฟฟ้าปิดจะมีค่าเท่ากับผลบวกของแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมความต้านทานในวงจรไฟฟ้าปิดนั้น”
20.กฎของเมชเคอร์เรนต์ เเละวิธีการวิเคราะห์วงจรเครือข่ายโดยใช้เมชเคอร์เรนต์
ในการแก้ปัญหาโจทย์วงจรไฟฟ้าที่มีความ ยุ่งยาก ซับซ้อน บางครั้งเมื่อนำกฏของเคอร์ชอฟฟ์มาใช้อาจทำให้ ยุ่งยากสับสนและเสียเวลา ดังนั้นนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เจมส์ คลาก แมกซ์เวลล์ จึงคิดวิธีการแก้ปัญหาวงจรดังกล่าวให้รวดเร็วขึ้น โดยสมมติ ให้มีกระแสไฟฟ้าไหลวนอยู่ในวงจรปิด ซึ่งแบ่งแยกเป็นวงจรย่อยๆ และถือว่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลวนอยู่ในวงจรปิดต่างๆ ต่างเป็นอิสระต่อกัน ส่วนการกำหนดทิศทางของกระแสที่ไหลในวงจรปิดแต่ละวงจรจะให้ไหลไปทางไหนก็ได้
วิธีการเมชเคอร์เรนต์ จะกำหนดให้ว่าในวงจรปิดหนึ่งๆ จะมีกระแสไฟฟ้าไหลวนอยู่อย่างต่อเนื่องและเป็นอิสระต่อกัน ซึ่งกระแสไฟฟ้าที่ ไหลวนเรียกว่า เมชเคอร์เรนต์ ( Mesh Current )หรือ ลูปเคอร์เรนต์ โดยจำนวนกระแสเมชที่สมมุติ ขึ้นจะเท่ากับ๕จำนวนสมการ
21.กฎของโนดโวลต์เตจ และวิธีการวิเคราะห์วงจรเครือข่ายโดยใช้โนดโวลต์เตจ
โนดโวลท์เตจ (node voltage) หมายถึงความต่างศักย์ระหว่างจุด 2 จุด หรือความต่างศักย์ระหว่างโนด 2 โนด ในวงจร กล่าวคือ เป็นความแต่ต่างของระดับแรงดันที่โนดใด ๆ ก็ได้ในวงจร เมื่อนำไปเปรียบเทียบกับ โนดอ้างอิง (reference node) ซึ่งจะกำหนดให้ Princible node ใดโนดหนึ่งเป็นโนดอ้างอิงก็ได้แต่โดยทั่วไปแล้ว จะเลือกโนดอ้างอิงที่ต่อ
ร่วมอยู่กับกราวนด์เสมอ เพราะว่าง่ายต่อการพิจารณาและการคำนวณ ดังในรูปที่ 3-1 จะเห็นได้ว่า เลือกโนด 2 เป็นโนด อ้าง
22.กฎทฤษฎีการวางซ้อน และวิธีการวิเคราะห์วงจรเครือข่ายโดยใช้ทฤษฎีการวางซ้อน
ทฤษฎีการวางซ้อนเป็นวิธีการอย่างหนึ่งที่ช่วยในการแก้ปัญหาวงจรไฟฟ้าที่มีความซับซ้อนได้อย่างกะทัดรัดโดยนิยามได้ว่า
ในวงจรไฟฟ้าแบบเชิงเส้น(Linear) ที่มีแหล่งจ่ายพลังงานหลายตัวนั้น กระแสหรือแรงดันบนอุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละตัวมีค่าเท่ากับผลรวมทางพีชคณิตของกระแสหรือแรงดันบนอุปกรณ์นั้น ที่หาได้จากแหล่งพลังงานแต่ละตัวอย่างอิสระ
หลักการของทฤษฎีการวางซ้อน(Superposition)
1.หาค่าแรงดันหรือกระแสโดยคำนวณจากแหล่งพลังงานทีละตัว เสมือนว่าในวงจรนั้นมีแหล่งจ่ายเพียงตัวเดียว โดยการกำจัดแหล่งพลังงานที่เหลือออก ดังนี้
ถ้าเป็นแหล่งจ่ายแรงดันให้ลัดวงจร(Short circuit)ขั้วของแหล่งจ่ายแรงดันเพื่อให้เป็นวงจรปิด ซึ่งจะได้แรงดันเป็น 0V ตามสมการ
Vs = Vsc = 0
ถ้าเป็นแหล่งจ่ายกระแสให้ทำเป็นวงจรเปิด(Open circuit) ดังสมการ
Is = IOC = 0
การกำจัดแหล่งจ่ายเป็นการกำจัดในอุดมคติ คือVS และIS เท่านั้น แต่ความต้านทานภายใน (Rin ) ของแหล่งจ่ายยังคงอยู่ ต้องนำไปคำนวณด้วยทุกครั้ง
2.นำค่าแรงดันหรือกระแส ที่คำนวณได้ซึ่งมีจำนวนครั้งเท่ากับจำนวนแหล่งจ่าย มารวมกันแบบพีชคณิต คือ ต้องคำนึงถึงทิศทางด้วย จะได้ค่าแรงดันหรือกระแส บนอุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละตัวที่แท้จริง
3.การหาแรงดันบนอุปกรณ์ จะต้องทำแรงดันและกระแสก่อนแล้วนำมาคำนวณหาค่ากำลัง
23. กฎทฤษฎีเทวินิน และวิธีการวิเคราะห์วงจรเครือข่ายโดยใช้ทฤษฎีเทวินิน
ทฤษฎีของเทวินินกล่าวว่าในวงจรไฟฟ้าแบบเชิงเส้น(Linear Network)ใดๆสามารถยุบรวมวงจรไฟฟ้าใหม่ได้ให้กลายเป็นวงจรไฟฟ้าที่มีแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าตัวหนึงต่ออนุกรมกับค่าความต้านทานตัวหนึ่งซึงแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าตัวนั้นเราจะเรียกว่าแรงดันไฟฟ้าของเทวินิ (Thevenin’s Voltage)จะแทนด้วยVth
และค่าความต้านทานที่ต่ออนุกรมกับแรงดันไฟฟ้าของเทวินินจะเรียกว่าค่าความต้านทานของเทวินิน
(Thevenin’s Resistance)จะแทนด้วยRth
24.กฎของนอร์ตัน และวิธีการวิเคราะห์วงจรเครือข่ายโดยใช้นอร์ตัน
ทฤษฎีนอร์ตันมีลักษณะและวิธีคล้าย ๆ กับทฤษฎีของเทวินิน โดยทฤษฎีของนอร์ตันกล่าวไว้ว่า
“ในวงจรแบบลิเนียร์หรือวงจรแบบเชิงเส้นใด ๆ ที่แหล่งจ่ายไฟต่ออยู่และมีการต่อสลับซับซ้อนและจ่ายไฟ
ให้กับโหลด (RL) ที่มีค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงค่าได้ เราอาจแทนวงจรดังกล่าวที่กำหนดให้นั้นๆ ด้วย
แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าที่เทียบเท่าแหล่งหนึ่งต่อคร่อมอยู่กับความต้านทานที่เทียบเท่าตัวหนึ่งและจ่ายไฟให้
กับโหลดดังกล่าว”
25.กฎการส่งถ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุด และวิธีการวิเคราะห์วงจรเครือข่ายโดยใช้การส่งถ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุด
ทฤษฏีการส่งถ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุด กล่าวไว้ว่า “ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรงใดๆ ที่มีแหล่งจ่าย
ไฟจ่ายพลังงานให้กับโหลด โหลดจะได้รับกำลังๆไฟฟ้าสูงสุดก็ต่อเมื่อค่าความต้านทานของโหลดมี
ค่าเท่ากับค่าความต้านทานภายในของแหล่งจ่ายไฟนั้นๆ”
VS = แรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายไฟผลิตออกมาได้ ขณะไม่มีโหลด
Rin = ค่าความต้านานภายในของแหล่งจ่ายไฟนั้น
RL = ค่าความต้านทานของโหลด
VL = แรงดันไฟฟ้าที่โหลดได้รับ
IL = กระแสไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายไฟจ่ายให้กับโหลด