ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์
ไฟฟ้า คือ พลังงานรูปแบบหนึ่งที่มีประโยชน์สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปแบบอื่น ๆ ได้ ตัวอย่างการนำไฟฟ้ามาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันของมนุษย์ เช่น ทำให้เกิดแสงสว่างผ่านหลอดไฟ ทำให้เกิดความร้อนผ่านเตารีด หม้อหุงข้าว และกระติกน้ำร้อน ทำให้เกิดเสียงผ่านโทรทัศน์ วิทยุ เครื่องขยายเสียง และทำให้เกิดการเคลื่อนที่ เช่น การหมุนของพัดลมและเครื่องซักผ้า นอกจากนี้ยังมีกิจกรรมอื่น ๆ อีกมากมายที่เกี่ยวข้องกับพลังงานไฟฟ้า
อิเล็กทรอนิกส์ คือ การควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าเพื่อที่จะสามารถบังคับ หรือควบคุมปริมาณ หรือทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า การทำงานต่าง ๆ จะต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มาทำหน้าที่ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้านั่นเอง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีมากมายหลายชนิด สำหรับอุปกรณ์พื้นฐานที่พบทั่วไป ได้แก่ ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ตัวเก็บประจุ
ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์เป็นสิ่งที่มีความสัมพันธ์กันในการสร้างสิ่งของเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ กล่าวคือ ภายในเครื่องใช้ไฟฟ้านั้นจะมีอุปกรณ์ต่าง ๆ เชื่อมต่อกันอยู่ และมีส่วนที่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านครบวงจร เรียกว่า วงจรไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วย อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่ทำหน้าที่ควบคุมระบบการไหลของกระแสไฟฟ้าเชื่อมต่อกันภายในวงจรไฟฟ้าด้วยวิธีที่แตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับชนิดและหน้าที่ของอุปกรณ์นั้น ดังนั้นหากขาดพลังงานไฟฟ้าก็จะทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถทำงานได้
วงจรไฟฟ้า คือ ทางเดินของกระแสไฟฟ้าที่ไหลมาจากแหล่งกำเนิด ผ่านตัวนำและอุปกรณ์ไฟฟ้า แล้วไหลกลับไปยังแหล่งกำเนิดเดิม วงจรไฟฟ้าประกอบด้วยส่วนสำคัญ 3 ส่วน คือ
1. แหล่งกำเนิดไฟฟ้า เป็นแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับวงจร เช่น ไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านเรือน และไฟฟ้าจากเซลล์ไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่ ในส่วนนี้จะขอกล่าวถึงแหล่งกำเนิดไฟฟ้าจากเซลล์ไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่
เซลล์ไฟฟ้าที่พบเห็นโดยทั่วไปจะอยู่ในรูปของแบตเตอรี่หรือถ่านไฟฉาย ซึ่งมีหลายขนาด เช่น ขนาด D, C, AA และ AAA แต่ละขนาดมีแรงดันไฟฟ้า 1.5 โวลต์เท่ากัน นอกจากนี้ยังมีเซลล์ไฟฟ้ารูปแบบอื่น ๆ ที่มีการพัฒนาให้มีขนาดเล็กลง แต่ความสามารถในการจ่ายกระแสไม่เท่ากัน โดยขนาด D เป็นขนาดที่ใหญ่ที่สุด และจ่ายกระแสได้มากที่สุด ส่วนขนาด AAA มีขนาดเล็กที่สุด และจ่ายกระแสได้น้อยที่สุด นอกจากนี้ยังมีแบตเตอรี่ขนาดแรงดัน 9 โวลต์ สามารถนำมาใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าได้สูงขึ้น ซึ่งผู้ใช้สามารถเลือกแบตเตอรี่มาใช้งานได้ตามความเหมาะสม
| ภาพที่ 6.61 แบตเตอรี่แบบต่าง ๆ |
| ที่มา : http://i00.i.aliimg.com |
2. ตัวนำไฟฟ้า หมายถึง สื่อที่จะเป็นตัวนำไฟฟ้าให้กระแสไฟฟ้าไหลจากแหล่งกำเนิด ผ่านไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น ตะกั่ว ทองแดง เงิน อะลูมิเนียมหรือโลหะต่าง ๆ ซึ่งส่วนใหญ่ที่นำมาใช้จะอยู่ในลักษณะของสายไฟ
| ภาพที่ 6.62 ตัวนำไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ |
| ที่มา : http://www.cityofwomengoesweb.org |
3. อุปกรณ์ไฟฟ้า เมื่อนำมาต่อในวงจรจะเรียกอีกชื่อว่า โหลด (Load) หมายถึง อุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานรูปแบบอื่น เช่น พลังงานเสียง พลังงานกล พลังงานแสง พลังงานความร้อน ยกตัวอย่างเช่น
ออดไฟฟ้า (บัซเซอร์) เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเสียง ตัวอย่างเช่นการใช้งานกริ่งประตู
| ภาพที่ 6.63 กริ่งประตู | ภาพที่ 6.64 กริ่งประตู | |
| ที่มา :http://www.thaimicrotron.com | ที่มา : http://www.squarewa.com | |
| ภาพที่ 6.65 สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของบัชเชอร์ | ||
| ที่มา :http://www.atom.rmutphysics.com | ||
มอเตอร์ไฟฟ้า เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ตัวอย่างการใช้งานเช่น พัดลม
| ภาพที่ 6.66 มอเตอร์ | ภาพที่ 6.67 พัดลม | |
| ที่มา : http://www.atom.rmutphysics.com | ที่มา : http://img.tarad.com | |
| ภาพที่ 6.68 สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของมอเตอร์ | ||
| ที่มา : http://ppart.tarad.com | ||
ไดโอดเปล่งแสง (LED) และหลอดไฟ เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสง ตัวอย่างการใช้งานเช่น สัญญาณไฟจราจร โคมไฟ
| ภาพที่ 6.69 สัญญาณไฟจราจร | |
| ที่มา : http://i00.i.aliimg.com | |
| ภาพที่ 6.70 สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของไดโอดเปล่งแสง | |
| ที่มา : http://www.atom.rmutphysics.com | |
| ภาพที่ 6.71 โคมไฟ |
| ที่มา : http://www.bkklist.com |
ขดลวดไฟฟ้า เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อน เช่น กระติกน้ำร้อน เตาย่างไฟฟ้า
| ภาพที่ 6.72 กระติกน้ำร้อน |
| ที่มา : http://1.bp.blogspot.com |
| ภาพที่ 6.73 เตาย่างไฟฟ้า |
| ที่มา : http://static.weloveshopping.com |
| ภาพที่ 6.74 สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของขดลวดไฟฟ้า |
| ที่มา : http://electronics.se-ed.com |
ตัวอย่างของวงจรไฟฟ้าอย่างง่ายที่พบเห็นได้ในชีวิตประจำวัน ได้แก่ วงจรของไฟฉาย
| ภาพที่ 6.75 ไฟฉาย |
| ที่มา : http://i365.photobucket.com |
วงจรไฟฉาย ประกอบด้วย
1. แหล่งกำเนิดไฟฟ้า คือ ถ่านไฟฉาย 2 ก้อน
2. ตัวนำไฟฟ้า คือ โลหะที่เชื่อมต่อระหว่างขั้วของถ่านไฟฉายและหลอดไฟ
3. อุปกรณ์ไฟฟ้า คือ หลอดไฟ
วงจรไฟฉายแสดงสัญลักษณ์ดังรูปข้างล่าง
| ภาพที่ 6.76 วงจรของไฟฉาย |
| ที่มา : http://www.myfirstbrain.com |
การต่อวงจรไฟฟ้ามี 2 ลักษณะ คือ การต่อวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม และการต่อวงจรไฟฟ้าแบบขนาน
1. วงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม หมายถึง การนำอุปกรณ์ไฟฟ้ามาต่อเรียงลำดับกันไป โดยนำปลายด้านใดด้านหนึ่งของอุปกรณ์ตัวที่หนึ่งมาต่อกับอุปกรณ์ตัวที่สอง จากนั้นนำปลายที่เหลือของอุปกรณ์ที่สอง ไปต่อกับอุปกรณ์ตัวที่สาม และต่อในลักษณะที่เรียงกันไปเรื่อย ๆ จนถึงอุปกรณ์ตัวสุดท้ายให้ต่อปลายที่เหลือเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า
| ภาพที่ 6.77 การต่อวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม |
| ที่มา : http://www.kksci.com |
2. วงจรไฟฟ้าแบบขนาน หมายถึง การนำอุปกรณ์ไฟฟ้าตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไปมาต่อเรียงแบบขนานกัน โดยนำปลายด้านเดียวกันของอุปกรณ์แต่ละตัวมาต่อเข้าด้วยกัน แล้วต่อปลายของอุปกรณ์แต่ละตัวที่ต่อกันแล้วนั้นเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า
| ภาพที่ 6.78 การต่อวงจรไฟฟ้าแบบขนาน |
| ที่มา : http://www.kksci.com |
จากตัวอย่างการต่อวงจรไฟฟ้าข้างต้น พบว่าหลอดไฟสองดวงที่เชื่อมต่อกันแบบขนานจะให้แสงสว่างรวมทุกหลอดมากกว่า เพราะกระแสไฟฟ้าในวงจรมีปริมาณมากกว่า และถ้าหลอดไฟหลอดใดหลอดหนึ่งชำรุด หลอดไฟที่เหลือก็ยังคงสามารถใช้งานได้ เนื่องจากยังคงมีตัวนำไฟฟ้าหรือสายไฟฟ้าที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านหลอดไฟดวงอื่นได้ครบวงจร แตกต่างจากการต่อหลอดไฟแบบอนุกรม ซึ่งหากมีหลอดไฟดวงใดดวงหนึ่งใช้งานไม่ได้ ก็จะทำให้หลอดไฟที่เหลือไม่สามารถใช้งานได้ทั้งหมด เนื่องจากกระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลผ่านวงจร เพราะมีตัวนำไฟฟ้าหรือสายไฟเส้นเดียวกัน ซึ่งข้อแตกต่างของการต่อหลอดไฟแบบอนุกรมและแบบขนาน อาจสรุปได้ดังตารางต่อไปนี้
| คุณลักษณะ | วงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม | วงจรไฟฟ้าแบบขนาน |
| ความสว่างของหลอดไฟรวมทุกหลอด | สว่างน้อย | สว่างมากกว่า |
| หลอดไฟดวงใดดวงหนึ่งชำรุด | หลอดไฟที่เหลือดับหมด | หลอดไฟที่เหลือยังสามารถใช้งานได้ |
นอกจากนี้การนำอุปกรณ์ไฟฟ้ามาต่อแบบอนุกรมและขนานแล้ว ก็ยังสามารถนำเซลล์ไฟฟ้ามาต่อแบบอนุกรมและขนานได้เช่นกัน การนำเซลล์ไฟฟ้ามาต่อกันแบบอนุกรมหรือต่อแบบขนานนั้น จะทำให้เรามองเซลล์ไฟฟ้าทั้งหมดรวมกันเป็นแหล่งจ่ายพลังงานแหล่งหนึ่งได้
การนำเซลล์ไฟฟ้ามาต่อกันแบบขนาน แรงดันไฟฟ้าจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าเพียงเซลล์เดียว แต่จะทำให้จ่ายไฟฟ้าได้มากหรือจ่ายได้นานกว่าการใช้เซลล์ไฟฟ้าเพียงเซลล์เดียว
| ภาพที่ 6.79 การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน |
| ที่มา : http://2.bp.blogspot.com |
ส่วนการนำเซลล์ไฟฟ้ามาต่อกันแบบอนุกรมนั้น จะทำให้พลังงานหรือแรงดันไฟฟ้ารวม หาได้จากผลรวมของแรงดันไฟฟ้าแต่ละเซลล์ เมื่อแรงดันมากขึ้นจะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจรมีค่ามากขึ้น
| ภาพที่ 6.80 การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม |
| ที่มา : http://3.bp.blogspot.com |
ดังนั้นหากนำเซลล์ไฟฟ้าที่มีแรงดันไฟฟ้าแต่ละเซลล์เท่ากันมาต่อกันแบบอนุกรม จะทำให้ได้ผลรวมของแรงดันไฟฟ้ามากกว่าการต่อแบบขนาน หรือหากต่อในวงจรไฟฟ้าของหลอดไฟ ก็จะทำให้หลอดไฟของวงจรที่ต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรมสว่างมากกว่าวงจรที่ต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนานนั่นเอง
สรุปได้ว่า การต่อวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรมหรือขนานนั้น มีข้อดี – ข้อเสียแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ในการใช้งาน หรือบางครั้งต้องต่อวงจรแบบผสม คือมีทั้งแบบอนุกรมและขนาน
ในการต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน หากเซลล์ไฟฟ้ามีแรงดันไม่เท่ากัน อาจทำให้เซลล์ไฟฟ้าระเบิดได้ ในงานทั่วไปจะพบการต่อเซลล์ไฟฟ้าลักษณะนี้ ถ้าหากต้องการกระแสไฟฟ้าปริมาณมากจะเลือกใช้เซลล์ไฟฟ้าก้อนใหญ่ขึ้นแทน
หากสังเกตการทำงานของหลอดไฟฟ้าภายในบ้านจะพบว่า เมื่อหลอดไฟฟ้าหลอดใดหลอดหนึ่งเสีย หลอดไฟฟ้าที่เหลือภายในบ้านยังคงสามารถใช้งานได้อยู่ คำตอบคือ หลอดไฟฟ้าภายในบ้านต่อแบบขนาน ดังนั้นเพื่อป้องกันความเสียหายที่จะเกิดแก่เครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดอื่น ๆ ภายในบ้าน ในกรณีที่เครื่องใช้ไฟฟ้าตัวใดตัวหนึ่งชำรุด จึงนิยมต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าแบบขนาน เพื่อให้เราสามารถใช้งานเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านั้นต่อไปตามปกติได้