Elec-Bannok: กฏพื้นฐานทางไฟฟ้า

กฎของโอห์ม (Ohm's Law)

วัสดุต่างๆจะมีคุณสมบัติในการต้านทานการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า หรือกล่าวได้ว่าต้านทาน การไหลของกระแสไฟฟ้า คุณสมบัตินี้จะแตกต่างกันออกไปขึ้นอยู่กับวัสดุ โดยเราเรียกคุณสมบัติ ในการต้านทานการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้านี้ว่า "ความต้านทานไฟฟ้า" (Resistance) เขียนเป็นสัญลักษณ์ได้คือ R มีหน่วยเป็นโอห์ม (Ω, Ohms)

อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ในการต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้านี้เราเรียกว่า"ตัวต้านทาน" (Resistor) มีสัญลักษณ์ดังรูปที่ 2.1

รูปที่ 2.1 สัญลักษณ์ของตัวต้านทาน
กฎของโอห์มกล่าวว่า

"แรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานมีค่าแปรผันตรงกับกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานนั้น"

โดยต้องกำหนดขั้วของแรงดันและทิศทางของกระแส ตามรูปแบบการกำหนดเครื่องหมายแบบอุปกรณ์พาสซีฟดังรูป 2.1 ด้วย

กำลังงานที่ตัวต้านทานจะหาได้จาก

Georg Simon Ohm
German physicist.(1789-1854)

การลัดวงจร (Short circuit)

คือการที่ค่าตัวต้านทานที่เท่ากับศูนย์ ซึ่งจากกฎของโอห์มถ้าค่า R = 0 จะได้ v = 0 นั่นเองโดยที่กระแสi มีค่าเท่าไรก็ได้

รูปที่ 2.2 การลัดวงจร

การเปิดวงจร (Open circuit)

คือการที่ค่าตัวต้านทานที่เท่ากับอนันต์ ซึ่งจากกฎของโอห์มถ้าค่า R = ∞ จะได้ i = 0 นั่นเองโดยที่แรงดัน v มีค่าเท่าไรก็ได้

รูปที่ 2.3 การเปิดวงจร

ความนำไฟฟ้า (Conductance)

ความนำไฟฟ้า ใช้อักษรย่อเป็น G มีหน่วยเป็นซีเมน (Siemens, S) เป็นความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์ ซึ่งก็คือส่วนกลับของความต้านทานนั่นเอง

จะได้กฎของโอห์มในรูปของความนำเป็น

และค่ากำลังงานคือ

Ernst Werner von Siemens German inventor. (1816-1892)

กฎกระแสของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchhoff's Current Law, KCL)

รูปที่ 2.4 ตัวอย่างของกระแสที่ไหลเข้าที่โนดใดๆ

Gustav Robert Kirchhoff
German physicist.(1824-1887)

กฎกระแสของเคอร์ชอฟฟ์หรือเรียกสั้นๆว่า KCL กล่าวว่า
"ผลรวมทางพีชคณิตของกระแสที่ไหลเข้าโนดใดๆเท่ากับศูนย์"

จากรูป 2.4 จะได้ว่า

กระแส

และ กระแส

มีค่าติดลบเนื่องจากเป็นกระแสที่ไหลออกจากโนด

กฎแรงดันของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchhoff's Voltage Law, KVL)

รูปที่ 2.5 ตัวอย่างของวงจรที่มีหนึ่งวงรอบปิด
กฎแรงดันของเคอร์ชอฟฟ์หรือเรียกสั้นๆว่า KVL กล่าวว่า
"ผลรวมทางพีชคณิตของแรงดันรอบวงรอบปิด (loop) ใดๆเท่ากับศูนย์"

จากรูป 2.5 จะได้ว่า

เครื่องหมายบวกหรือลบของแรงดันพิจารณาจากเครื่องหมายที่พบก่อนตามทิศทางที่กำหนด เช่นวงจรในรูปที่ 2.5 ในทิศทางตามเข็มนาฬิกาเริ่มต้นจากแหล่งจ่ายแรงดัน

ซึ่งจะเห็นว่า

และ

ตามทิศทางดังกล่าวจะพบเครื่องหมายลบก่อน

ตัวต้านทานต่ออนุกรม (Series resistors)

ตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกันจะได้ค่าความต้านทานรวมเป็นผลรวมของค่าความต้านทานแต่ละตัว

รูปที่ 2.6 ตัวต้านทานอนุกรมกัน N ตัว

การแบ่งแรงดัน (Voltage division)

ตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกันโดยมีแรงดันตกคร่อมรวมเป็น v จะได้แรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวเป็นการแบ่งมาจากแรงดันรวมคือ

รูปที่ 2.7 การแบ่งแรงดัน
โดยแรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวหาได้จาก

ตัวต้านทานต่อขนาน (Parallel resistors)

ตัวต้านทานที่ต่อขนานกันจะได้ค่าส่วนกลับของความต้านทานรวมเป็นผลรวมของ ส่วนกลับของค่าความต้านทานแต่ละตัว หรือกล่าวได้ว่าค่าความนำรวมเป็นผลรวมของ ค่าความนำแต่ละตัวนั่นเอง