สมการเคมี เมื่อน าสารไปชั่งมวลปรากฏว่ามวลรวมของระบบก่อนและหลังเกิดปฏิกิริยาเคมี ค่าคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง เพราะปฏิกิริยานี้เกิดในระบบปิด แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่ง เป็นสารผลิตภัณฑ์ยังคงอยู่ในภาชนะไม่สามารถออกไปได้ จึงท าให้ไม่มีการถ่ายโอน มวลสารระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นไปตามกฎทรงมวล >> กฎทรงมวลของสาร พ.ศ. 2317 อองตวน-โลรอง ลาวัวซิเอร์ ได้เสนอกฎทรงมวลของสารขึ้น ดังนี้ การเปลี่ยนแปลงใด ๆ ของสารที่อยู่ในระบบปิด มวลรวมของสารก่อน เกิดปฏิกิริยาเท่ากับมวลรวมของสารหลังเกิดปฏิกิริยา ตัวอย่าง ปฏิกิริยา A + B C + D เกิดในระบบปิด ตามกฎทรงมวลจะได้ว่า มวลสาร A + มวลสาร B = มวลสาร C + มวลสาร D ที่เป็นเช่นนี้เพราะในระบบปิดใด ๆ การเกิดปฏิกิริยาเคมี อะตอมของสารตั้งต้น ไม่หายไปไหนแต่จะมีการจัดเรียงตัวกันใหม่ได้เป็นผลิตภัณฑ์ ซึ่งมีสมบัติแตกต่าง จากสารตั้งต้น โดยอะตอมแต่ละชนิดก่อนและหลังเกิดปฏิกิริยามีจ านวนเท่ากัน มวล รวมของสารก่อนและหลังเกิดปฏิกิริยาจึงเท่ากันด้วย -99- 2HCl (aq) + CaCo3 (s) CaCl2 (aq) + H2 O (l) + CO2 (g) (กรดไฮโดรคลอริก) (แคลเซียมคลอไรด์) (แคลเซียมคาร์บอเนต) (น ้า) (แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์)
กฎทรงมวล “ ในปฏิกิริยาเคมีใด ๆ มวลของสารก่อนเกิดปฏิกิริยา จะเท่ากับมวลของสารหลังเกิดปฏิกิริยา ” -100- อองตวน-โลรอง ลาวัวซีเย อ อ ง ต ว น-โลร อ ง ล า ว ั ว ซ ีเ ย ( Antoine-Laurent Lavoisier) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้ท าาการทดลอง เผาปรอท (II) ออกไซด์ (HgO) ในภาชนะปิดได้ปรอท และ แก๊สออกซิเจน พบว่า มวลของระบบคงที่เสมอ คือ มวลของปรอท (II) ออกไซด์ (HgO) = มวลของปรอท (Hg) + มวลแก๊สออกซิเจน (O2 ) จึงได้ตั้งกฎทรงมวลขึ้น มวลของสารตั้งต้นที่ท าปฏิกิริยาพอดีกัน = มวลของสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยา A + B C + D มวลสาร A + มวลสาร B = มวลสาร C + มวลสาร D กฎนี้สามารถน าาไปใช้ค านวณหามวลของสารที่ต้องการทราบได้ ถ้าทราบข้อมูลที่เกี่ยวข้อง ดังตัวอย่าง ตัวอย่างที่ 1 เผาแคลเซียมคาร์บอเนต 20 กรัม ในภาชนะปิดได้แคลเซียมออกไซด์ 11.2 กรัม กับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นมีมวลเท่าไร วิธีคิด แคลเซียมคาร์บอเนต → แคลเซียมออกไซด์ + แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ 20 g = 11.2 g + มวลแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ มวลแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ = 20 g - 11.2 g = 8.8 กรัม
พลังงาน การด าเนินไปของปฏิกิริยา ผลิตภัณฑ์ สารตั้งต้น พลังงาน การด าเนินไปของปฏิกิริยา ผลิตภัณฑ์ สารตั้งต้น พลังงานที่ดูดเข้า < พลังงานที่คายออก พลังงานที่ดูดเข้า > พลังงานที่คายออก ปฏิกิริยาคายความร้อน (exothermic reaction) -101- ปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic reaction) ปฏิกิริยาดูดความร้อนและปฏิกิริยาคายความร้อน การเกิดปฏิกิริยาเคมีทุกชนิดจะมีการถ่ายโอนพลังงาน 2 ทิศทางเสมอ 1. ระบบจะดูดพลังงานเข้าไปเพื่อใช้ท าาให้อนุภาคของสารตั้งต้นแยกออกจากกัน 2. ระบบจะคายพลังงานออกมาเมื่อสารตั้งต้นต่างชนิดกันท าปฏิกิริยากัน ประเภทของปฏิกิริยาเคมี 1. อุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมลดต ่าาลง 2. สัมผัสระบบจะรู้สึกเย็น 3. เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาผลิตภัณฑ์จะมี พลังงานมากกว่าสารตั้งต้น 4. ถ้าต้องการให้เกิดปฏิกิริยาง่ายต้องเพิ่ม อุณหภูมิ พลังงานความร้อนที่ระบบดูดเข้าไปเพื่อใช้ท า ปฏิกิริยามากกว่าพลังงานที่ระบบคายออกมา เมื่อเกิดปฏิกิริยา มีผลดังนี้ 1. อุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมสูงขึ้น 2. สัมผัสระบบจะรู้สึกร้อน 3. เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาผลิตภัณฑ์จะมี พลังงานน้อยกว่าสารตั้งต้น 4. ถ้าต้องการให้เกิดปฏิกิริยาง่ายต้องลด อุณหภูมิ พลังงานความร้อนที่ระบบดูดเข้าไปเพื่อใช้ท า ปฏิกิริยาน้อยกว่าพลังงานที่ระบบคายออกมา เมื่อเกิดปฏิกิริยามีผลดังนี้
พลังงานกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี การเปลี่ยนแปลงของสารโดยทั่วไปจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ ด้วยเสมอ สังเกตได้จากหลังการเปลี่ยนแปลงของสารมักมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปด้วย บางครั้งเย็นลง บางครั้งร้อนขึ้น สาเหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะเกิดการถ่ายโอนพลังงาน ระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม ดังนั้น การวัดอุณหภูมิโดยใช้เทอร์มอมิเตอร์ จะท าให้ ทราบว่าระบบมีการเปลี่ยนแปลงความร้อนอย่างไร • ถ้าหลังการเปลี่ยนแปลง ระบบมีพลังงานสูงขึ้น ระบบจะถ่ายโอนพลังงาน ให้สิ่งแวดล้อมจึงท าให้สิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิสูงขึ้น เรียกการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวว่า การเปลี่ยนแปลงแบบคายความร้อน (exothermic change) เช่น การละลายของ แคลเซียมคลอไรด์ในน ้าแล้วท าให้อุณหภูมิสูงขึ้น การหายใจ การเผาไหม้เชื้อเพลิง รถยนต์ การควบแน่นของไอน ้าเป็นหยดน ้า เทอร์มอมิเตอร์จัดเป็น สิ่งแวดล้อม เมื่อระบบถ่ายโอนพลังงาน ให้ปรอทในเทอร์มอมิเตอร์ ปรอทได้รับ ความร้อน จึงขยายตัวดันขึ้นไปใน หลอดแก้ว ท าให้อ่านอุณหภูมิได้สูงขึ้น ระบบคายพลังงานให้สิ่งแวดล้อม • ถ้าหลังการเปลี่ยนแปลง ระบบมีพลังงานต ่าลง ระบบจะดูดพลังงาน จากสิ่งแวดล้อม จึงท าให้สิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิต ่าลง เรียกการเปลี่ยนแปลง ดังกล่าวว่า การเปลี่ยนแปลงแบบดูดพลังงาน (endothermic change) เช่น การหลอมเหลวของน ้าแข็ง การกลายเป็นไอของเหงื่อ -102-
ปฏิกิริยาเคมีในชีวิตประจ าวัน ปฏิกิริยาเคมี เบส + โลหะบางชนิด (Al Zn) กรด + สารประกอบ คาร์บอเนต น ้าฝน + ออกไซด์ของไนโตรเจนหรือ ออกไซด์ของซัลเฟอร์ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ + น ้า (มีคลอโรฟิลล์ดูดกลืนพลังงานแสง) สารตั้งต้น เกลือของเบส + แก๊ส ไฮโดรเจน เกลือของโลหะ + แก๊ส คาร์บอนไดออกไซด์ + น ้า น ้าฝนที่มีสมบัติเป็นกรด (กรดซัลฟิวริกหรือกรดไนตริก) น ้าตาลกลูโคส + แก๊ส ออกซิเจน ผลิตภัณฑ์ เบสกับโลหะบางชนิด กรดกับสารประกอบ คาร์บอเนต การเกิดฝนกรด การสังเคราะห์ด้วย แสงของพืช -103- ปฏิกิริยาเคมี สารประกอบที่มี H และ C + แก๊สออกซิเจน (เพียงพอ) สารประกอบที่มี H และ C + แก๊สออกซิเจน (ไม่เพียงพอ) เหล็ก + น ้า + แก๊สออกซิเจน กรด + โลหะ กรด +เบส สารตั้งต้น แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ + น ้า + พลังงาน แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ + น ้า + พลังงาน + เขม่าควัน สนิมของเหล็ก เกลือของโลหะ + แก๊สไฮโดรเจน เกลือของโลหะ + น ้า ผลิตภัณฑ์ การเผาไหม้แบบสมบูรณ์ การเผาไหม้แบบไม่สมบูรณ์ การเกิดสนิมของเหล็ก กรดกับโลหะ กรดกับเบส ปฏิกิริยาเคมีในชีวิตประจ าวัน รอบ ๆ ตัวเรามีปฏิกิริยาเคมีหลายชนิดสามารถน ามาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจ าวัน ทั้งด้านอุตสาหกรรม ด้านเกษตรกรรม และด้านการแพทย์ ในทางกลับกันก็ส่งผลกระทบ ต่อการด ารงชีวิตของมนุษย์ และสิ่งแวดล้อม ปฏิกิริยาเคมีในชีวิตประจ าวัน
# ชนิดของปฏิกิริยาเคมี #ปฏิกิริยาการเผาไหม้ ปฏิกิริยาการเผาไหม้(combustion reaction) เกิดจากเชื้อเพลิง ซึ่งส่วนใหญ่ ประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจน (H) และธาตุคาร์บอน (C) เป็นองค์ประกอบหลักท าปฏิกิริยา กับแก๊สออกซิเจนในอากาศ (O2 ) ซึ่งหากเกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ จะได้ ผลิตภัณฑ์เป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) และไอน ้า (H2 O) แต่หากเกิดปฏิกิริยา การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ จะเกิดเขม่า (ผงคาร์บอน) แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และ ไอน ้า แก๊สโพรเพน แก๊สออกซิเจน ไอน ้า C3H8 (g) 5O2 (g) 3CO2 (g) 4H2 O (g) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ + + -104- 1. การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ (complete combustion) ถ้าเชื้อเพลิงเกิดการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ จะได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) ไอน ้าพลังงานความร้อน และพลังงานแสง เขียนสมการการ เผาไหม้อย่างสมบูรณ์ได้ดังนี้ 2. การเผาไหม้อย่างไม่สมบูรณ์ (incomplete combustion) เป็นการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งมีธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบส าคัญ แล้วมีปริมาณของแก๊สออกซิเจนไม่เพียงพอ จะเกิด ผลิตภัณฑ์คือ เขม่า (ผงคาร์บอนละเอียด) แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์(CO) ไอน ้า แก๊สโพรเพน แก๊สออกซิเจน C3H8 (g) 3O2 (g) 2CO2 (g) 4H2O (g) แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ + + ไอน ้า
#ปฏิกิริยาการเกิดสนิมเหล็ก ปฏิกิริยาการเกิดสนิมของโลหะ เกิดจากโลหะท าปฏิกิริยากับน ้า และ แก๊สออกซิเจนเกิดเป็นสนิมหรือออกไซด์ของโลหะ ท าให้อะตอมของโลหะซึ่ง เป็นสารตั้งต้นเกิดการสึกกร่อนหายไปกลายเป็นออกไซด์ของโลหะ ซึ่งเป็น สารใหม่มีสมบัติแตกต่างจากโลหะเดิม เหล็ก แก๊สออกซิเจน สนิมของเหล็ก 4Fe (s) 3O2 (g) 3H2 O (l) 2Fe2 O3 ·3H2 O (s) น ้า + + -105- การป้องกันไม่ให้โลหะเป็นสนิม เช่น 1. ไม่ให้ผิวเหล็กสัมผัสความชื้นและอากาศโดยการเคลือบผิวด้วยน ้ามัน พลาสติก หรือชุบโลหะ 2. หลังการใช้เครื่องมือที่ท าาด้วยเหล็กทุกครั้งต้องเช็ดท าความสะอาด และเช็ดให้แห้ง แล้วเก็บไว้ในที่ที่ไม่มีความชื้น
ปฏิกิริยาเคมีระหว่างกรดกับโลหะ ได้ผลิตภัณฑ์เป็นเกลือของโลหะ และ แก๊สไฮโดรเจน เหล็ก กรดไฮโดรคลอริก แก๊สไฮโดรเจน Fe (s) 2HCl (aq) FeCl2 (aq) H2 (g) ไอร์ออน (II) คลอไรด์ + + #ปฏิกิริยากรดกับเบสหรือปฏิกิริยาสะเทิน ปฏิกิริยาเคมีระหว่างกรดกับเบส ได้ผลิตภัณฑ์เป็นเกลือของโลหะ และน ้า หรืออาจได้เพียงเกลือของโลหะชนิดเดียว ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาระหว่างกรดซัลฟิวริกกับแคลเซียมไฮดรอกไซด์ได้ ผลิตภัณฑ์เป็นแคลเซียมซัลเฟต และน ้า กรดซัลฟิวริก แคลเซียมไฮดรอกไซด์ H2 SO4 (aq) Ca(OH) 2 (aq) CaSO4 (s) 2H2O (l) แคลเซียมซัลเฟต + + น ้า ปฏิกิริยาระหว่างกรดไฮโดรคลอริกกับแอมโมเนีย ได้ผลิตภัณฑ์เป็นแอมโมเนียมคลอไรด์ HCl (aq) NH3 (aq) NH4 Cl (s) แอมโมเนียมคลอไรด์ + กรดไฮโดรคลอริก แอมโมเนีย #ปฏิกิริยาของกรดกับโลหะ -106-
#ปฏิกิริยาเบสกับโลหะบางชนิด ปฏิกิริยาเคมีระหว่างเบสกับโลหะบางชนิด ได้ผลิตภัณฑ์ เป็นเกลือของโลหะ และแก๊สไฮโดรเจน สังกะสี โซเดียมไฮดรอกไซด์ แก๊สไฮโดรเจน Zn (s) 2NaOH (aq) Na2ZnO2 (s) H2 (g) โซเดียมซิงค์เคต + + #ปฏิกิริยาของกรดกับสารประกอบคาร์บอเนต ปฏิกิริยาเคมีระหว่างกรดกับสารประกอบคาร์บอเนต ได้ผลิตภัณฑ์เป็นเกลือของ โลหะ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และน ้า เช่น ปฏิกิริยาระหว่างแคลเซียมคาร์บอเนต หรือ หินปูนกับกรดซัลฟิวริก ได้ผลิตภัณฑ์เป็นแคลเซียมซัลเฟต แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และน ้า แคลเซียมคาร์บอเนต กรดซัลฟิวริก น ้า CaCO3 (s) H2 SO4 (aq) CaSO4 (s) H2 O (l) แคลเซียมซัลเฟต + CO + 2 + (g) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ #ปฏิกิริยาการเกิดฝนกรด ปฏิกิริยาเคมีระหว่างน ้าฝนกับออกไซด์ของไนโตรเจน หรือออกไซด์ของซัลเฟอร์ ท าให้น ้าฝนมีสมบัติเป็นกรด ฝนกรดที่เกิดจากออกไซด์ของไนโตรเจน เช่น แก๊สไนตริกออกไซด์ (NO) แก๊สไนโตรเจน ไดออกไซด์ (NO2 ) แก๊สไนตรัสออกไซด์ (N2O) ท าให้เกิดกรดไนตริก (HNO3 ) ตัวอย่าง แก๊สไนตริกออกไซด์ แก๊สออกซิเจน แก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ 2NO (g) O2 (g) 2NO2 + (g) แก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ น ้า กรดไนตริก แก๊สไนตริกออกไซด์ 3NO2 (g) H2 O (l) 2HNO3 + (aq) + NO (g) -107-
ฝนกรดที่เกิดจากออกไซด์ของซัลเฟอร์ เช่น แก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2 ) แก๊สซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ (SO3 ) ท าให้เกิดกรดซัลฟิวริก (H2 SO4 ) ตัวอย่าง แก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ แก๊สออกซิเจน แก๊สซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ 2SO2 (g) O2 (g) 2SO3 + (g) แก๊สซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ น ้า กรดซัลฟิวริก SO3 (g) H2 O (l) H2 SO4 + (aq) #ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช ปฏิกิริยาเคมีระหว่างแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์กับน ้าได้ผลิตภัณฑ์เป็นน ้าตาล กลูโคส และแก๊สออกซิเจน โดยมีแสงช่วยในการเกิดปฏิกิริยา และมีคลอโรฟิลล์เป็น สารสีช่วยดูดกลืนแสง -108-
ประโยชน์และโทษของปฏิกิริยาเคมี ใช้ปฏิกิริยาของกรดกับเบส โดยการปรับสภาพน ้าทิ้งของ โรงงานอุตสาหกรรม ปฏิกิริยาของกรดกับ สารประกอบคาร์บอเนต ท าให้ เกิดหินงอกหินย้อย ซึ่งเป็น ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่ท า ให้เกิดความงดงาม และใช้เป็น สถานที่ท่องเที่ยว ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสง ของพืชจ าเป็นต่อกระบวนการหายใจ ของสิ่งมีชีวิต และเป็นแหล่งพลังงาน ให้กับสิ่งมีชีวิตบนโลก >> ประโยชน์ของปฏิกิริยาเคมี -109- ใช้พลังงานความร้อนจากปฏิกิริยา เผาไหม้ไปใช้ในการหุงต้มอาหาร การท างานของเครื่องยนต์ เครื่องจักร รวมทั้งการผลิตกระแสไฟฟ้า
>> โทษของปฏิกิริยาเคมี สนิมเหล็กที่เกิดจากปฏิกิริยา ระหว่างโลหะน ้า และแก๊สออกซิเจน ท าให้วัสดุที่ท าจากโลหะเกิดสนิม และผุกกร่อนง่าย และมีความแข็งแรง ลดลง ส ่งผลให้โครงสร้างของวัสดุ พังทลาย ฝนกรดท าอันตรายต่อระบบหายใจ และเนื้อเยื่อของร่างกายของสิ่งมีชีวิต รวมทั้งท าลายสิ่งปลูกสร้างที่มีโลหะ และหินปูนเป็นองค์ประกอบ ป ร ากฏก า รณ์เ ร ื อ นก ร ะจก เนื ่องจากกิจกรรมของมนุษย์เป็น สาเหตุที่ก่อให้เกิดแก๊สเรือนกระจก ลอยไปสะสมอยู่บนชั้นบรรยากาศ ท าให้รังสีความร้อนที่ส่องเข้ามายัง โลกไม่สามารถทะลุผ่านออกไปได้ โลกจึงมีอุณหภูมิสูงขึ้นและก่อให้เกิด ภาวะโลกร้อน -110- แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เกิดจาก ปฏิกิริยาการเผาไหม้แบบไม่สมบูรณ์ เมื่อเข้าสู่ร่างกายสิ่งมีชีวิตจะไปจับกับ เฮโมโกลบินของเซลล์เม็ดเลือดแดง ท าให้ประสิทธิภาพในการล าเลียง ออกซิเจนลดลง
ประโยชน์ของปฏิกิริยาเคมี × โทษของปฏิกิริยาเคมี • ปรับสภาพน ้าทิ้งโดยปฏิกิริยาของกรดกับเบส • สร้างพลังงานความร้อนโดยปฏิกิริยาการเผาไหม้ • สร้างแก๊สออกซิเจนและน ้าตาลกลูโคสโดยปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสง • ตกตะกอนไอออนของโลหะหนักบางชนิด • เกิดแก๊สที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม เช่น C ส่งผลต่อการล าเลียงแก๊สออกซิเจนของเซลล์เม็ดเลือดแดง CO2 ก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก SOX และ NOX ก่อให้เกิดฝนกรด • ท าลายวัสดุที่ท าจากโลหะและหินปูน √ -111-
สรุปความรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่3 เรื่อง ไฟฟ้า -112-
# วงจรไฟฟ้าเบื้องต้น กระแสไฟฟ้า (electric current) กระแสไฟฟ้า คือ ปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจุดใด ๆ ใน เส้นลวดตัวน าใน 1 วินาที ซึ่งประจุไฟฟ้าจะมีทิศทางการเคลื่อนที่ ของกระแสไฟฟ้า เขียนแทนสัญลักษณ์ I มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (Ampere;A) วัดโดยแอมมิเตอร์(ammeter) 1. กระแสตรง (Direct Current; DC) . กระแสสลับ (Alternating Current; AC) แอมมิเตอร์ >> กระแสไฟฟ้าแบ่งออกเป็น 2 ชนิด สัญลักษณ์แอมมิเตอร์ เป็นกระแสไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลของ กระแสไฟฟ้าในทิศทางเดียวตลอดเวลา เป็นกระแสไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหล ของกระแสไฟฟ้ากลับไปกลับมาอย่าง รวดเร็วหรือกระแสไฟฟ้าไหลสลับขั้ว ตลอดเวลา สรุปความรู้ เรื่อง ไฟฟ้า -113-
อองเดร-มารี แอมแปร์ (Andre-Marie Ampere) (พ.ศ. 2318-2379) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส มีผลงาน ต่าง ๆ เช่น ค้นพบสมบัติของไฟฟ้า และแม่เหล็ก ค้นพบ ทฤษฎีแม่เหล็กโลก ประดิษฐ์มอเตอร์ไฟฟ้า การค้นพบของ แอมแปร์ ท าให้เขาได้รับเกียรติ โดยใช้ชื่อเขา คือ แอมแปร์ เป็นชื่อของหน่วยวัด ปริมาณไฟฟ้า #ความต่างศักย์ไฟฟ้า (electrical potential) ความต่างศักย์ไฟฟ้า (voltage) คือ ความแตกต่างของพลังงานศักย์ไฟฟ้าต่อ หน่วยประจุระหว่างจุด 2 จุด ซึ่งท าให้เกิดกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดที่ มีระดับพลังงานศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังจุดที่มีระดับพลังงานศักย์ไฟฟ้าต ่ากว่า เขียนแทน สัญลักษณ์ V มีหน่วยเป็น โวลต์(Volt;V) วัดโดยโวลต์มิเตอร์ -114- แอมแปร์ ความต่างศักย์ไฟฟ้า 1 โวลต์ หมายถึงการที่ประจุไฟฟ้า 1 คู ลอมบ์เคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยัง อีกจุดหนึ่ง แล้วท าาให้สิ้นเปลือง พลังงานไป 1 จูล แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive force :e.m.f.) หมายถึง พลังงานไฟฟ้าที่เซลล์ไฟฟ้าจ่าย กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ในวงจรไฟฟ้า มีหน่วย เป็น โวลต์ (V)
อาเลสซานโดร โวลตา (Alessandro Volta) (พ.ศ. 2288-2370) นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาเลียน มีผลงานต่าง ๆ เช่น ประดิษฐ์เครื่องประจุไฟฟ้าสถิต ประดิษฐ์อุปกรณ์ส าหรับเก็บประจุไฟฟ้า อุปกรณ์ ส าหรับตรวจวัดชนิดของประจุไฟฟ้า เป็นบุคคลแรกที่ ประดิษฐ์เครื่องก าเนิดไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่ไฟฟ้า จน ได้รับเกียรติให้ใช้ชื่อเขา คือ โวลต์ เป็นชื่อของหน่วย วัดแรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive force) โวลตา กฎของโอห์ม (ohm^′ s law) มีใจความส าคัญว่า “เมื่ออุณหภูมิคงที่ กระแสไฟฟ้าในตัวน าโลหะจะแปรผันตรงกับความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้ง 2ข้าง ของตัวน านั้น” ดังนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์ กระแสไฟฟ้า และความ ต้านทาน สามารถค านวณได้จากสมการ คือ ความต่างศักย์ มีหน่วยเป็น โวลต์ (V) คือ กระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (A) คือ ความต้านทาน มีหน่วยเป็น โอห์ม (Ω) = V I R -115-
ความต้านทานไฟฟ้า (resistance : R) คือ ความสามารถ หรือสมบัติของวัตถุตัวน าไฟฟ้า ที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านไปได้ โดยวัตถุตัวน าไฟฟ้าที่มีความต้านทานต ่าจะยอมให้ กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้มาก วัตถุตัวน าที่มีความต้านทานสูงจะยอมให้ไฟฟ้าไหลผ่านได้น้อย ปัจจัยที่มีผลต่อความต้านทาน ปัจจัย น้อยกว่า มากกว่า ความต้านทาน ชนิดของตัวน า ความยาวของตัวน า พื้นที่หน้าตัดของตัวน า อุณหภูมิของตัวน า L1 < L2 A1 > A2 T1 < T2 ทองแดง เหล็ก L1 L2 A1 A2 T1 T2 -116- เกออร์ก ซีมอน โอห์ม (Georg Simon Ohm) โอห์ม นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน มีผลงานต่าง ๆ เช่น เป็นผู้ค้นพบ ความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความ ต้านทานไฟฟ้า และตั้งกฎของโอห์ม โดยใช้ชื่อ โอห์ม มาเป็นชื่อ หน่วยวัด ความต้านทานไฟฟ้า
# ความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้า ในการต่อหลอดไฟฟ้าเข้ากับถ่านไฟฉาย พบว่า ถ้าเพิ่มจ านวนถ่านไฟฉายมากขึ้น จะท าให้หลอดไฟฟ้าสว่างมากขึ้นด้วย ซึ่งการเพิ่มจ านวนถ่านไฟฉายเป็นการเพิ่มความ ต่างศักย์ไฟฟ้าของปลายทั้งสองของหลอดไฟฟ้า (ตัวต้านทาน) และการที่หลอดไฟฟ้า สว่างมากขึ้น แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านในวงจรไฟฟ้ามากขึ้น โอห์ม ได้ศึกษาสมบัติต่าง ๆ ของลวดตัวน าโดยศึกษาอัตราการเปลี่ยนแปลง ของปริมาณกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองของลวดตัวน า พบว่า เมื่ออุณหภูมิคงที่ อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าของ ตัวน าอันหนึ่งย่อมคงที่เสมอ เรียกความสัมพันธ์นี้ว่า กฎของโอห์ม ซึ่งเขียนเป็น ความสัมพันธ์ได้ว่า ต่อมาโอห์มได้เรียกค่าคงที่ของตัวน านี้ว่า ความต้านทานไฟฟ้า ดังนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และ ความต้านทานไฟฟ้า เป็นดังนี้ -117- ความต่างศักย์ไฟฟ้า (โวลต์) กระแสไฟฟ้า (แอมแปร์) = ค่าคงที่ของตัวน านั้น ๆ (โอห์ม)
ตัวอย่าง พัดลมตัวหนึ่งมีความต้านทาน 1,200 โอห์ม มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัดได้ 0.01 แอมแปร์พัดลมตัวนี้มีความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายขั้วทั้งสองเท่าไร V = IR V = 0.01 แอมแปร์ × 1,200 โอห์ม V = 12 โวลต์ ดังนั้น พัดลมตัวนี้มีความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายขั้วทั้งสอง 12 โวลต์ วิธีท า จากสูตร # วงจรไฟฟ้าและการต่อวงจรไฟฟ้า วงจรไฟฟ้าเป็นเส้นทางที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ครบรอบในวงจรไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านแหล่งก าเนิดไฟฟ้า สายไฟฟ้า และอุปกรณ์ไฟฟ้า โดยอุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละชิ้นมีความต้านทานในการต่อตัวต้านทานหลายตัว มีทั้งต่อแบบอนุกรม และแบบขนาน วงจรไฟฟ้าที ่มีกระแสไฟฟ้าไหล ครบวงจร การกดสวิตช์เพื่อเปิดไฟฟ้าเป็น การท าให้ วงจรปิด แต่ถ้าวงจรไฟฟ้าที่ไม่มี กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรการกดสวิตช์ เพื่อปิดไฟฟ้าเป็นการท าให้เกิด วงจรเปิด ไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านเรือนเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ ได้มาจากโรงไฟฟ้า แต่ถ้าโรงไฟฟ้าไม่สามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าได้มาก หรือเพียงพอต่อ ความต้องการกับการใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าหลาย ๆ ชิ้นพร้อมกัน มีผลท าให้ กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าอุปกรณ์และเครื่องใช้ไฟฟ้าลดลงจนไม่เพียงพอ กับการใช้งาน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ไฟตก -118-
วงจรไฟฟ้าสามารถเขียนเป็นแผนภาพโดยใช้สัญลักษณ์ แทนส่วนประกอบต่าง ๆ ในการต่อวงจรไฟฟ้า ดังนี้ ภาพและแผนภาพแสดงการต่อวงจรไฟฟ้า -119- ภาพอุปกรณ์ไฟฟ้า สัญลักษณ์ อุปกรณ์ไฟฟ้า แหล่งก าเนิดไฟ เช่น ถ่านไฟฉาย เซลล์ไฟฟ้า หลอดไฟฟ้า สวิตซ์เปิด (วงจรเปิด) สวิตซ์ปิด (วงจรปิด) แอมมิเตอร์ โวลต์มิเตอร์ สายไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกัน สายไฟฟ้าที่ไม่เชื่อมต่อกัน ประเภทวงจร ภาพแสดงการต่อวงจร แผนภาพแสดงการต่อวงจร วงจรปิด วงจรเปิด
การต่อตัวต้านทานในวงจรไฟฟ้า การต่อตัวต้านทานแบบอนุกรม เป็นการน าตัวต้านทานมากกว่า 1 ตัว มาต่อรวมกันในวงจรไฟฟ้า มี 2วิธีหลัก ได้แก่ • เป็นการน าตัวต้านทานมากกว่า 1 ตัว มาเรียงต่อกัน • กระแสไฟฟ้าจะไหลในทิศทางเดียวกันตลอด • ถ้าหลอดไฟดวงหนึ่งเสีย จะท าให้ไฟทั้งวงจรดับทั้งหมด กระแสไฟฟ้าในวงจรเท่ากัน I = I1 = I2 = I3 ความต่างศักย์ V = V1 + V2 + V3 ความต้านทาน R = R1 + R2 + R3 • เป็นการน าตัวต้านทานมากกว่า 1 ตัว มาเรียงต่อกัน • เมื่อหลอดไฟฟ้าดวงใดดวงหนึ่งเสีย จะไม่มีกระแสไฟฟ้า เฉพาะวงจรของหลอดไฟที่เสียเท่านั้น กระแสไฟฟ้า I = I1 + I2 + I3 ความต่างศักย์ในวงจรเท่ากัน V = V1 = V2 = V3 ความต้านทาน 1 R = 1 R1 + 1 R2 + 1 R3 การต่อตัวต้านทานแบบขนาน -120-
ตัวอย่างที่ 1 กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดที่มีความต้านทาน 10 โอห์ม มีขนาด 12 แอมแปร์ ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าเป็นเท่าไร วิธีท า จากสูตร V = IR เมื่อ I = 12 A, R = 10 Ω แทนค่า V = 12 x 10 V = 120 V ดังนั้น ความต่างศักย์ไฟฟ้ามีค่า 120 โวลต์ ตัวอย่างที่2 ไฟท้ายของรถยนต์เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ขนาด 12 โวลต์ ถ้ากระแสไฟฟ้ามีค่า 0.50 แอมแปร์ความต้านทานของไฟท้ายรถยนต์มีค่าเท่าไร วิธีท า จากสูตร R = เมื่อ V = 12 V, I = 0.50 A แทนค่า R = 12 0.50 R = 24 Ω ดังนั้น ความต้านทานของไฟท้ายรถยนต์มีค่า 24 โอห์ม -121- ตัวอย่างโจทย์ปัญหา
สายไฟฟ้าแรงสูง มาตรไฟฟ้า หลอดไฟ ในบ้าน หลอดไฟนอกบ้าน สวิตซ์ ขั้วต่อสายดิน ตัวตัดวงจรย่อย ขั้วต่อสายกลาง ตัวตัดวงจรรวม สายเชื่อมต่อสายกลางกับ สายดิน สายมีศักย์ สายกลาง สายดิน แผงควบคุมไฟฟ้า -122- #การต่อวงจรไฟฟ้าในบ้าน อุปกรณ์ไฟฟ้าและเครื่องใช้ไฟฟ้า เครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปแบบอื่น เครื่องใช้ไฟฟ้า ในบ้านเมื่อแบ่งประเภทตามลักษณะพลังงานที่ได้รับจากเครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นเกณฑ์ สามารถ แบ่งได้เป็น 3 ประเภท ดังนี้ เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานกล เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานแสง เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานความร้อน
การค านวณพลังงานไฟฟ้าและค่าไฟฟ้า ของเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้าน เมื่อมองไปรอบ ๆ ตัวเรา จะเห็นว่ามีสิ่งอ านวยความสะดวกมากมาย ทั้งที่ให้แสง สว่าง ความร้อน เสียง นักเรียนคงจะสังเกตเห็นว่า เครื่องใช้ในบ้านส่วนมากเป็น เครื่องใช้ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปต่าง ๆ ที่เราต้องการ เรียกว่า เครื่องใช้ไฟฟ้า # ก าลังไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า เครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละชนิด เช่นเตารีดไฟฟ้ากับหลอดไฟฟ้า ถ้าใช้เวลาเท่ากัน จะสิ้นเปลืองพลังงานเท่ากันหรือไม่ หลอดไฟฟ้าชนิดเดียวกันถ้าเปิดใช้เป็นเวลานาน ต่างกันจะสิ้นเปลืองพลังงานเท่ากันหรือไม่นักเรียนจะทราบได้โดยวิธีใดว่า เครื่องใช้ ไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ เครื่องใดใช้พลังงานไฟฟ้ามากกว่ากัน ก าลังไฟฟ้าที่ใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ โดยประมาณ ที่มา : การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค P W t มีหน่วยเป็น วัตต์ (W) มีหน่วยเป็น จูล (J) มีหน่วยเป็น วินาที (s) เมื่อ จะได้ หรือ ก าลังไฟฟ้า พลังานไฟฟ้า เวลา -123- ก าลังไฟฟ้า (วัตต์) = พลังงานไฟฟ้า (จูล) เวลา (วินาที) P = W t W = Pt พลังงานไฟฟ้า (จูล)=ก าลังไฟฟ้า (วัตต์) X เวลา (วินาที)
เตารีดไฟฟ้าอันหนึ่งใช้ก าลังไฟฟ้า 1,000 วัตต์ ถ้าใช้เป็นเวลา 1 ชั่วโมง จะสิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าเท่าไร วิธีท า ก าหนดให้ 1 ชั่วโมง = 3,600 วินาที ดังนั้น ถ้าใช้เตารีดไฟฟ้านี้เป็นเวลา 1 ชั่วโมง จะสิ้นเปลือง พลังงาน 3,600,000 จูล = ก าลังไฟฟ้า (วัตต์) × เวลา (วินาที) = 1,000 (วัตต์) × 3,600 (วินาที) = 3,600,000 วัตต์ วินาที หรือ จูล จาก พลังงานไฟฟ้า (จูล) ตัวอย่าง จากตัวอย่างข้างต้น จะเห็นได้ว่าค่าพลังงานไฟฟ้าที่ค านวณได้มีค่ามาก โดยทั่วไปจึงนิยมวัดพลังงานไฟฟ้าที่ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นหน่วยที่ใหญ่กว่าหน่วย จูล โดยวัดก าลังไฟฟ้าเป็นกิโลวัตต์และคิดช่วงเวลาเป็นชั่วโมง ดังนั้น พลังงานไฟฟ้า จึงวัดได้เป็นกิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือเรียกว่า หน่วย หรือ ยูนิต (unit) การไฟฟ้าจะค านวณค่าไฟฟ้าตามปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ใน อัตราก้าวหน้า คือ เมื่อใช้พลังงานไฟฟ้ามากขึ้น ราคาต่อหน่วยจะมากขึ้น ด้วย โดยผู้ใช้จะจ่ายเงินค่าไฟฟ้าตามใบเสร็จรับเงินค่าไฟฟ้า #การค านวณค่าไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้าน -124- พลังงานไฟฟ้า (จูล) = ก าลังไฟฟ้า (วัตต์) × เวลา (วินาที) พลังงานไฟฟ้า (หน่วย) = ก าลังไฟฟ้า (กิโลวัตต์) × เวลา (ชั่วโมง)
ตาราง อัตรารายเดือน : ค่าพลังงานไฟฟ้า ประเภทที่ 1 บ้านอยู่อาศัย ที่มา : การไฟฟ้านครหลวง ค่าบริการรายเดือน 8.19 บาท ค่าบริการรายเดือน 38.22 บาท -125-
การค านวณเงินค่าไฟฟ้าข้างต้นเป็นเพียงค่าไฟฟ้าฐานเท่านั้น ตามใบแจ้งค่า ไฟฟ้ายังต้องคิดค่าบริการรายเดือน ค่าไฟฟ้าผันแปร (Ft) และค่าภาษีมูลค่าเพิ่ม อีกด้วย ตัวอย่างใบแจ้งค่าไฟฟ้า มาตรกิโลวัตต์ชั่วโมง การใช้พลังงานไฟฟ้าจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับจ านวนและชนิด ของเครื่องใช้ไฟฟ้า และใช้เป็นระยะเวลาเท่าไร การไฟฟ้าจะค านวณ เงินค่าพลังงานไฟฟ้าที่แต่ละบ้านใช้ไป โดยใช้เครื่องวัดติดไว้บนเสา ไฟฟ้าหน้าบ้านของผู้ใช้ไฟฟ้า เรียกว่า มาตรกิโลวัตต์ชั่วโมง หรือ มาตรไฟฟ้า หรือมิเตอร์ไฟฟ้า (electricity meter) ค่า Ft (float time) หมายถึง การลอยค่าของ ต้นทุนการผลิตกระแสไฟฟ้าที่การไฟฟ้าไม่สามารถ ควบคุมได้ เช่น ราคาเชื้อเพลิงระบุราคาต่อหน่วยอัตรา เงินเฟ้อ อัตราแลกเปลี่ยนเงินตราต่างประเทศค าเดิม ของค่า Ft คือ Fuel Adjustment Charge (at the given time) -126-
#การใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าอย่างประหยัดและปลอดภัย ไฟฟ้ามีประโยชน์ต่อชีวิตความเป็นอยู่ของประชากรในปัจจุบัน เพราะไฟฟ้าท า ให้มีความสะดวกสบายต่อชีวิตทั้งในบ้าน โรงเรียน สถานที่ท างาน สถานที่ส าคัญต่าง ๆ ไฟฟ้ายังมีประโยชน์ต่อการคมนาคม เช่น การสัญจรไปมา การขนส่ง การติดต่อสื่อสาร มีประโยชน์ต่อการอุตสาหกรรมทุกประเภท ซึ่งล้วนเป็นเรื่องความเป็นอยู่ของประชากร ทั้งสิ้น # สิ่งที่ไม่ควรปฏิบัติในการใช้ไฟฟ้า # การใช้ไฟฟ้าอย่างประหยัดและปลอดภัย ตั้งตู้เย็นห่าง จากฝาผนัง ใช้คอมพิวเตอร์ ไม่เกิน 5 ชั่วโมง นั่งดูโทรทัศน์ ร่วมกัน เลือกใช้ขนาด เครื่องปรับอากาศให้ เหมาะสมกับขนาดห้อง เลือกหลอดไฟ ที่มีก าลังวัตต์ เหมาะสม -127-
สรุปความรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่3 เรื่อง อิเล็กทรอนิกส์ เบื้องต้น -128-
ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เป็นอุปกรณ์ที่ท าหน้าที่ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า ในวงจรไฟฟ้า ซึ่งแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิดล้วนมีชิ้นส่วน อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เป็นส่วนประกอบ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ แต่ละชนิดท าหน้าที่แตกต่าง กันเพื่อให้วงจรท างานได้ตาม ต้องการซึ่งรายละเอียดของ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ นักเรียนจะได้ศึกษา ดังต่อไปนี้ สรุปความรู้ เรื่อง อิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น -129- ตัวอย่าง ชิ้นส่วน อิเล็กทรอนิกส์ 1. ตัวต้านทาน 2. ตัวเก็บประจุ 3. ไดโอด 4. ทรานซิสเตอร์
1. ตัวต้านทาน ตัวต้านทาน (resistor) ใช้ตัวย่อ R เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ ในการจ าากัดการไหลของกระแสไฟฟ้าในวงจร ตัวต้านทานที่ มีค่ามากจะท าาให้มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้น้อย โดยทั่วไป มักจะแบ่งตัวต้านทานออกเป็น 2 แบบ คือ 1) ตัวต้านทานคงที่ (fixed resistor) เป็นตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทาน การเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าคงที่ มีสัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจรเป็น สามารถ อ่านค่าความต้านทานได้จากแถบสีที่คาดอยู่บนตัวต้านทาน มีหน่วยเป็น โอห์ม (Ω) แถบสีที่อยู่บนตัวต้านทานโดยส่วนมากมี 4 แถบ และมีแถบสีที่ชิดกัน อยู่ 3 แถบสี อีกสีหนึ่งอยู่ห่างออกไปที่ปลายข้างหนึ่ง การอ่านค่าเริ่มจากแถบสีที่อยู่ ชิดกันก่อน โดยแถบที่อยู่ด้านนอกสุดให้เป็นแถบสีที่ 1 บอกเลขตัวแรก แถบสีที่ 2 บอกเลขตัวที่สอง แถบสีที่ 3 บอกเลขยกก าลัง ซึ่งน าไปคูณกับเลขสองตัวแรก และ แถบสีที่ 4 บอกความคลาดเคลื่อนของค่าความต้านทาน สีแต่ละสีจะมีรหัสประจ า แต่ละสี ดังแสดงในตาราง -130-
>> รหัสแถบสีของตัวต้านทาน 4 แถบ ตัวอย่าง แถบที่ 1 สีแดง แถบที่ 2 สีส้ม แถบที่ 3 สีฟ้า แถบที่ 4 สีทอง = = = = 2 3 10 ±5% ดังนั้น ตัวต้านทานมีค่าความต้านทาน = (23 × 10 ) ± 5% โอห์ม 6 -131- สีส้ม สีฟ้า สีแดง สีทอง
2) ตัวต้านทานที่เปลี่ยนค่าได้ (variable resistor) เป็นตัวต้านทานที่เมื่อหมุน แกนของตัวต้านทานแล้วค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงไป นิยมใช้ในการควบคุมค่าความ ต่างศักย์ไฟฟ้า (voltage) ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ในการเพิ่มหรือลดเสียงวิทยุ หรือ โทรทัศน์ สัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจร คือ ตัวต้านทานอีกชนิดหนึ่งที่ค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงตามแสงที่ตกกระทบซึ่งใช้กับ การวัดแสงในกล้องถ่ายภาพ เรียกว่า ตัวต้านทานไวแสง หรือ แอลดีอาร์ (LDR) ย่อมาจาก light dependent resistor จัดเป็นตัวต้านทานปรับค่าได้ โดยค่าความต้านทานขึ้นอยู่กับ ปริมาณแสงที่ตกกระทบ ถ้าแสงที่ตกกระทบมีปริมาณมาก ตัวต้านทานไวแสงจะมีค่าความ ต้านทานต ่า แต่ถ้าไม่มีแสงหรือมีแสงปริมาณ-น้อยตกกระทบ ตัวต้านทานไวแสงจะมีค่าความ ต้านทานสูง ซึ่งสัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจรเป็น 2. ตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุ(capacitor หรือ condenser) เป็นอุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์อย่างหนึ่ง ท าหน้าที่เก็บพลังงานในสนามไฟฟ้า ที่สร้าง ขึ้นระหว่างคู่ฉนวน โดยมีค่าประจุไฟฟ้าเท่ากัน แต่มีชนิดของประจุตรง ข้ามกัน บางครั้งเรียกตัวเก็บประจุนี้ว่า คอนเดนเซอร์(condenser)เป็น อุปกรณ์พื้นฐานส าคัญในงานอิเล็กทรอนิกส์ และพบได้แทบทุกวงจร ตัวเก็บประจุบางชนิดมีขั้ว คือ ขั้วบวก และขั้วลบ ดังนั้น การต่อตัวเก็บประจุในวงจร ต้องต่อให้ถูกขั้ว และต้องทราบค่าของตัวเก็บประจุด้วยว่า เหมาะสมกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ นั้น ๆ หรือไม่ ซึ่งค่าความจุของตัวเก็บประจุมีหน่วยเป็น ฟารัด (farad) ใช้ตัวอักษรย่อเป็น F แต่ตัวเก็บประจุที่ใช้กันทั่วไปมักมีหน่วยเป็นไมโครฟารัด (μF) 1 F มีค่าเท่ากับ 10 μF -132-
ตัวเก็บประจุมีหลายแบบ หลายขนาด แต่ละแบบจะมีความเหมาะสมกับงานที่ แตกต่างกัน โดยทั่วไปแบ่งเป็น 2 แบบ ได้แก่ 1) ตัวเก็บประจุชนิดค่าคงที่ เป็นตัวเก็บประจุที่ได้รับการผลิตให้มีค่าคงที่ ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงค่าความจุได้ แต่ปรับค่าความจุให้เหมาะสมกับวงจรได้ โดยน าตัวเก็บประจุหลาย ๆ ตัวมาต่อกันแบบขนานหรืออนุกรม สัญลักษณ์ของ ตัวเก็บประจุชนิดค่าคงที่ในวงจรจะเป็น หรือ -133- 2) ตัวเก็บประจุเปลี่ยนค่าได้ เป็นตัวเก็บประจุที่สามารถปรับค่าความจุได้ โดย ทั่วไปมักใช้ในวงจรปรับแต่งสัญญาณทางอิเล็กทรอนิกส์ หรือพบในเครื่องรับ-วิทยุซึ่ง ใช้เป็นตัวเลือกหาสถานีวิทยุ ตัวเก็บประจุชนิดนี้ส่วนมากเป็นตัวเก็บประจุชนิดใช้ อากาศเป็นสารไดอิเล็กทริก และการปรับค่าท าได้โดยการหมุนแกน ซึ่งมีแผ่นโลหะ หลาย ๆ แผ่นอยู่บนแกนนั้น เมื่อหมุนแกนแผ่นโลหะจะเลื่อนเข้าหากันท าให้ค่าประจุ เปลี่ยนแปลง สัญลักษณ์ของตัวเก็บประจุเปลี่ยนค่าได้ในวงจรจะเป็น หรือ 3.ไดโอด ไดโอด (diode) เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตมาจากสาร กึ่งตัวน าชนิดต่าง ๆ เช่น ซิลิคอน เจอร์เมเนียม สามารถใช้ใน การก าาหนดทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า และใช้ประกอบ ในวงจรแปลงไฟฟ้ากระแสสลับให้กลายเป็นไฟฟ้ากระแสตรง สัญลักษณ์ไดโอด ไดโอดเปล่งแสง ไดโอด
แผนภาพ ชนิดของขาของทรานซิสเตอร์ -134- การใช้งานไดโอดนั้นจะต้องต่อไดโอดเข้ากับแหล่งก าเนิดไฟฟ้าให้ถูกขั้ว คือ ขั้วไฟฟ้าบวกต่อเข้ากับขาบวกหรือที่เรียกว่า ขาแอโนด (anode)ส่วนขั้วไฟฟ้าลบต่อ เข้ากับขาลบหรือที่เรียกว่า ขาแคโทด (cathode) เรียกการต่อไดโอดในวงจรแบบนี้ว่า ไบแอสตรง ซึ่งจะท าาให้มีกระแสไฟฟ้าไหลได้ในวงจร ในทางกลับกันถ้าต่อขั้วไฟฟ้า บวกเข้ากับขาแคโทดและต่อขั้วไฟฟ้าลบเข้ากับขาแอโนดจะเรียกลักษณะต่อวงจรแบบ นี้ว่า ไบแอสกลับ กระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถไหลผ่านไดโอด นอกจากนี้ยังมีไดโอดอีกชนิดหนึ่งที่นิยมใช้ในวงจรพื้นฐานทั่วไปที่เรียกว่า ไดโอดเปล่งแสง หรือ แอลอีดี (LED : Light Emitting Diode)ไดโอดชนิดนี้จะมี หลักการท าางานเหมือนกับไดโอดอื่น ๆ ทุกประการ แต่จะแตกต่างตรงที่เมื่อมี กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวไดโอดจะสามารถเปล่งแสงออกมาได้ด้วย เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตมาจากสารกึ่งตัวน า เป็น ชิ้นส่วนที่มีความส าคัญ และถูกน ามาประกอบในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ต่าง ๆ มากมาย ส าหรับควบคุม และขยายกระแสไฟฟ้า ท าหน้าที่ เป็นสวิตช์ปิด หรือเปิดวงจรไฟฟ้า และควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้า ทรานซิสเตอร์มีรูปร่างและลักษณะหลายชนิดแตกต่างกัน แต่สิ่งที่ แต่ละชนิดมีเหมือนกัน คือ มี 3 ขา 4.ทราน ซิสเตอร์ ขาอีมิตเตอร์ (Emitter : E) ขาเบส (Base : B) ขาคอลเล็กเตอร์ (Collector :C)
หากแบ่งประเภทของทรานซิสเตอร์ตามโครงสร้างของสารที่น ามาใช้จะ แบ่งได้ 2 แบบ ได้แก่ 1) ทรานซิสเตอร์ชนิดพีเอ็นพี (PNP) มีสัญลักษณ์ในวงจรเป็นทรานซิสเตอร์ ที่จ่ายไฟโดยขาเบสมีศักย์ไฟฟ้าต ่ากว่าขาอิมิตเตอร์ 2) ทรานซิสเตอร์ชนิดเอ็นพีเอ็น (NPN) มีสัญลักษณ์ในวงจรเป็นทรานซิสเตอร์ ที่จ่ายไฟเข้าที่ขาเบสให้มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าขาอิมิตเตอร์ แต่ขาเบสมีศักย์ไฟฟ้าต ่ากว่า ขาคอลเล็กเตอร์ -135- ไอซี (IC) ย่อมาจาก Integrated Circuit หรืออาจ เรียกว่า แผงวงจรรวม เป็นอุปกรณ์ที่น าาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ต่าง ๆ มาใส่ไว้ด้วยกันในแผงวงจรขนาดเล็ก ๆ อันหนึ่งสามารถ น าามาใช้ประกอบกับวงจรอื่น ๆ ได้อย่างสะดวกไอซีเป็นผลผลิต จากความก้าวหน้าทางวิศวกรรมที่สามารถน าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ต่าง ๆ มาย่อส่วนให้มีขนาดเล็กลง แต่ยังมีสมบัติตามต้องการได้ การที่จะท าให้ทรานซิสเตอร์ท างานได้ต้องจ่ายไฟฟ้าให้ที่ขาเบส (B) ซึ่งเป็นขาที่มี หน้าที่ในการควบคุมกระแสไฟฟ้าที่จะไหลจากขาคอลเล็กเตอร์ไปสู่ขาอิมิตเตอร์กล่าวคือ ถ้าให้กระแสไฟฟ้าไหลที่ขาเบสมากจะท าให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขาคอลเล็กเตอร์ไปสู่ ขาอิมิตเตอร์มาก แต่ถ้าให้กระแสไฟฟ้าไหลที่ขาเบสน้อย กระแสไฟฟ้าที่จะไหลผ่านขา คอลเล็กเตอร์ไปสู ่ขาอิมิตเตอร์น้อยลงไปด้วย ดังนั้นด้วยหลักการท างานของ ทรานซิสเตอร์นี้ก็จะสามารถน าทรานซิสเตอร์ไปประกอบในวงจรต่าง ๆ ได้มากมาย โดยเฉพาะในวงจรที่ต้องการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าในวงจร
สรุปความรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่3 เรื่อง คลื่นและคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้า -136-
สรุปความรู้ เรื่อง คลื่นและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า -137- คลื่น (wave) เกิดจากการส่งผ่านพลังงานโดยอาศัยหรือไม่อาศัยตัวกลางก็ได้ แบ่งออกเป็น2 ประเภท คือ คลื่นกลซึ่งเป็นคลื่นที่อาศัยตัวกลางและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่นที่ไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ค ลื่ น (wave) คลื่นเป็นปรากฏการณ์ที่หลายคนคุ้นเคย ไม่ว่าจะเป็นคลื่นผิวน ้า คลื่น ในทะเล คลื่นในเส้นเชือก ซึ่งเป็นคลื่นที่สัมผัสได้ด้วยตา ในชีวิตประจ าวัน มีคลื่นหลายชนิดที่อยู่รอบ ๆ ตัวเรา เช่น คลื่นวิทยุคลื่นเสียง คลื่นแสง เมื่อนักเรียน 2 คน จับปลายลวดสปริงคนละด้านแล้ว ให้พลังงานโดยการสะบัดปลายลวดสปริง พลังงานจะถูก ส่งผ่านไปตามเส้นลวดสปริงในลักษณะคลื่น
คลื่นกล (mechanical wave) เป็นคลื่นที่ต้องอาศัยตัวกลางในการถ่าย โอนพลังงาน เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นในลวดสปริง คลื่นน ้า คลื่นเสียง เมื่อ พิจารณาจากลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคของตัวกลางขณะคลื่นกลเคลื่อนที่ผ่าน สามารถแบ่งเป็น 2 ชนิด ดังนี้ คลื่นตามขวาง คลื่นตามยาว เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในแนวเดียวกับการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง คลื่นที่เกิดจากการอัดและขยายของสปริง เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น หรือสั่นในทิศตั้งฉากกับทิศของความเร็วของคลื่น เช่น คลื่นในเส้นเชือก คลื่นที่เกิดจาก การสะบัดปลายของขดลวดสปริง -138- คลื่นกล ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น ทิศทางการเคลื่อนที่ ของอนุภาค ทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น ทิศทางการเคลื่อนที่ ของอนุภาค ส่วนขยาย ส่วนอัด ส่วนขยาย
ส่วนประกอบของคลื่น ความถี่(frequency;f) จ านวนลูกคลื่นที่เกิดขึ้น หรือแผ่ออกไปจาก แหล่งก าเนิดในเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็น รอบต่อ วินาที ( −1 ) หรือเฮิรตซ์() ช่วงเวลาที่อนุภาคของตัวกลางสั่นครบ 1 รอบ หรือเป็นช่วงเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ไปเป็นระยะทาง เท่ากับ 1 ความยาวคลื่น มีหน่วยเป็น วินาที(s) คาบ(period;T) สันคลื่น(crest) ต าแหน่งสูงสุดของคลื่น ท้องคลื่น (trough) ต าแหน่งต ่าสุดของคลื่น แอมพลิจูด (amplitude;A) ระยะการกระจัด สูงสุดจากแนวสมดุล ความยาวคลื่น (wavelength;) ความยาว 1 ลูกคลื่นมีค่า เท่ากับระยะห่างจากสันคลื่น ที่อยู่ติดกัน หรือระยะห่าง จากท้องคลื่นหนึ่งถึงท้องคลื่น ที่อยู่ติดกัน มีหน่วยเป็น เมตร (m) อัตราเร็วของคลื่น ถ้าคลื่นมีคาบเป็น T วินาที และมีความถี่เป็น f เฮิรตซ์ สามารถเขียนความสัมพันธ์ดังสมการ = หรือ = เมื่อเวลาผ่านไปเท่ากับ 1 คาบของคลื่น ระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ไปมีค่าเท่ากับ 1 ความยาวคลื่น โดยที่อัตราเร็วมีค่าเท่ากับระยะทางต่อหน่วยเวลา สามารถ ค านวณอัตราเร็วของคลื่น (v) ได้จากสมการ = -139-
คลื่นเสียงความถี่ 300 เฮิรตซ์ ความยาวคลื่น 1.12 เมตร เสียงจะมีอัตราเร็วเท่าไร วิธีท า ก าหนดให้ ƒ = 300 เฮิรตซ์ = 1.12 เมตร v = ? จากสูตร v v v = = = ƒ 300 × 1.12 336 เมตรต่อวินาที ดังนั้น คลื่นเสียงมีอัตราเร็วเท่ากับ 336 เมตรต่อวินาที ตัวอย่างที่1 30 คลื่นผิวน ้ามีอัตราเร็ว 30 เมตรต่อวินาที มีความยาวคลื่น 2.5 เมตร ความถี่ของคลื่นผิวน ้าเป็นเท่าไร วิธีท า ก าหนดให้ v = 30 เมตรต่อวินาที = 2.5 เมตร ƒ = ? จากสูตร v 30 = = = = ƒ ƒ × 2.5 ดังนั้น คลื่นผิวน ้ามีความถี่เท่ากับ 12 เฮิรตซ์ ตัวอย่างที่ 2 2.5 12 เฮิรตซ์ เมื่อผิวน ้าถูกรบกวน จะท าให้เกิดคลื่นผิวน ้าเคลื่อนที่ขึ้น-ลงตั้งฉากกับทิศ การถ่ายโอนพลังงานออกไป ถ้าสังเกตด้านข้างของคลื่นผิวน ้าจะเกิดคลื่นผิวน ้า ดังภาพ -140-
# คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นคลื่นที่ไม่อาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ ทิศทางของสนามไฟฟ้า (E) และสนามแม่เหล็ก (B) จะตั้งฉากกันเสมอ และจะตั้งฉากกับแนวการเคลื่อนที่ของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงจัดเป็นคลื่นตามขวาง -141- ความยาวคลื่น สนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้า ทิศทางของคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นมีหลายชนิดจะจัดเป็นคลื่นชนิดใดขึ้นอยู่กับเกณฑ์ที่ใช้ในการจ าแนก ถ้าใช้ทิศการสั่นของตัวกลางเป็นเกณฑ์ จะจ าแนกได้เป็น คลื่นตามขวาง และคลื่น ตามยาว แต่ถ้าใช้ตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงานเป็นเกณฑ์ จะจ าแนกได้เป็น คลื่นกล และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นที่อาศัยตัวกลางในถ่ายโอนพลังงาน เรียกว่า คลื่นกล (mechanical wave)ส่วนคลื่นที่ไม่จ าเป็นต้องอาศัยตัวกลางในการถ่าย โอนพลังงาน เรียกว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave)
สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า -142- แหล่งก าเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส าคัญของโลกคือดวงอาทิตย์ ซึ่งจะแผ่คลื่น แม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ต่อเนื่องเป็นช่วงกว้างมาก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ มากจะมีความยาวคลื่นสั้นโดยมีช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ 10-12 เมตรจนถึงมากกว่า 105 เมตร คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบ่งออกเป็นช่วงความถี่ต่าง ๆ เรียกว่า สเปกตรัมของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum) ซึ่งแต่ละช่วงความถี่มีชื่อเรียก ต่างกัน ได้แก่ คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ อินฟราเรดแสง อัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์และ รังสีแกมมา ดังภาพ แผนภาพ สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
คลื่นวิทยุ (radio wave) เป็นสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วง ความถี่ระหว่าง 10 กิโลเฮิรตซ์ ถึง 1 กิกะเฮิรตซ์ ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ น้อยที่สุดมีความยาวคลื่นในสุญญากาศมากที่สุด มีค่าตั้งแต่ 0.3 เมตรขึ้นไป ถูกน ามาใช้ประโยชน์ในการรับ-ส่งสัญญาณวิทยุ ท าการส่งคลื่น โดยเปลี่ยนคลื่น เสียงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า แล้วผสมรวมกับคลื่นวิทยุ เรียกว่า คลื่นพาหะ คลื่นที่ ผสมแล้วจะถูกขยายให้มีก าลังสูงขึ้นส่งไปยังเสาอากาศเพื่อกระจายคลื่นไปยัง เครื่องรับ-วิทยุ ดังแผนภาพ คลื่นวิทยุที่ใช้ประโยชน์ในการกระจายเสียงมี 2 ระบบ คือ ระบบ AM และระบบ FM คลื่นไมโครเวฟ (microwave) • ใช้ในการระบุต าแหน่งบนพื้นโลก (GPS) โดยอาศัยการสะท้อนกลับของคลื่น ไมโครเวฟระหว่างดาวเทียมและพื้นผิวโลก • ตรวจสอบต าแหน่งและอัตราเร็วของเครื่องบิน เรือ หรือเรือด าน ้าที่อยู่ไกลๆ ได้ • ใช้เป็นแหล่งก าเนิดความร้อน เช่น ท าให้อาหารสุกโดยใช้เตาอบไมโครเวฟ • ในทางการแพทย์ใช้คลื่นไมโครเวฟเพื่อการรักษาโรคด้วยความร้อน การส่งคลื่นวิทยุ -143- 1. ระบบเอเอ็ม (AM:amplitude modulation) คลื่นวิทยุที่กระจายเสียงในช่วง ความถี่ตั้งแต่ 530-1,600 กิโลเฮิรตซ์ มีความยาวคลื่น ประมาณ 200-600 เมตร 2. ระบบเอฟเอ็ม (FM:frequency modulation) คลื่นวิทยุที่กระจายเสียงในช่วงความถี่ ตั้งแต่ 88-108 เมกะเฮิรตซ์ มีความ ยาวคลื่นประมาณ 2.8-3.4 เมตร
ไมโครเวฟถูกน ามาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจ าวัน ดังนี้ 1. ใช้ในการโทรคมนาคม ระบบการสื่อสารผ่านดาวเทียม เช่น โทรศัพท์เคลื่อนที่ การรับ-ส่งสัญญาณดาวเทียม จานเรดาร์ตรวจจับการเคลื่อนที่ของเครื่องบิน 2. ใช้ในระบบตรวจจับวัตถุทางอากาศ หรือเรียกว่า เรดาร์ เป็นระบบ ตรวจจับวัตถุเคลื่อนที่ 3. ใช้ในทางการแพทย์ในการฆ่าเชื้อโรค หรือรักษาโรคโดยการใช้ความร้อน เช่น การใช้ ไมโครเวฟความถี่ต ่าที่ท าให้เกิดความร้อนในร่างกายเพียงอุ่น ๆ ในการรักษาอาการปวดเมื่อย กล้ามเนื้อหรือข้อต่อ การใช้ไมโครเวฟที่มีความถี่สูงในการท าลายเซลล์มะเร็งในร่างกาย 4. ใช้ในการประกอบอาหาร ซึ่งใช้ไมโครเวฟช่วงความถี่ 915- 2,450 เมกะเฮิรตซ์หรือเท่ากับความยาวคลื่นในสุญญากาศ 12 เซนติเมตร ซึ่งเป็นช่วงความถี่ที่น ้าในอาหารจะสามารถดูดกลืนพลังงาน จากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าท าให้โมเลกุลของน ้ามีการเคลื่อนที่มากขึ้น ส่งผล ให้อุณหภูมิสูงขึ้นจึงท าให้อาหารสุกได้ หรือใช้เป็นแหล่งความร้อนใน กระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรมอาหาร เช่นการผลิตมันฝรั่งทอดกรอบ การคั่วเมล็ดกาแฟ การ าแห้งผลิตภัณฑ์อาหารเส้น 5.ใช้ในการรักษาความปลอดภัยในการบิน โดยใช้เครื่องสร้างภาพด้วย คลื่นมิลลิเมตร (millimeter wave scanner) ตรวจจับร่างกายของผู้โดยสาร เพื่อป้องกันการ น าอาวุธขึ้นเครื่องบิน เมื่อเครื่องปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ในช่วง 24-30 กิกะเฮิรตซ์ คลื่นจะเคลื่อนที่ผ่านเครื่องแต่งกายแล้วสะท้อนภาพร่างกายของผู้โดยสาร หากมีอาวุธที่ท าด้วย พลาสติก ไม้ หรือโลหะก็จะสามารถมองเห็นเป็นรูปร่างอาวุธได้ -144-
รังสีอินฟราเรด (infraewd ray) หรือรังสีความร้อน • ใช้รีโมตคอนโทรลในการเปิด-ปิด การเปลี่ยนสถานี • การถ่ายภาพด้วยอินฟราเรด หรือเครื่องเทอร์โมสแกน ที่ใช้ในสนามบินเพื่อตรวจวัดอุณหภูมิของร่างกาย แสงที่มองเห็นได้(visible light) • ด้านการแพทย์ น าเลเซอร์มาใช้ผ่าตัด หรือรักษาอากาศ ผิดปกติที่บริเวณตา เช่น ต้อหิน สายตาสั้น • ด้านอุตสาหกรรม ใช้เลเซอร์ในการเชื่อมโลหะเข้าด้วยกัน ความร้อนจากเลเซอร์ช่วยละลายโลหะให้ผสมกัน การตัด หรือเจาะโลหะ • ด้านอื่น ๆ เช่น การคิดราคาสินค้าจะใช้เลเซอร์ที่มีความเข้ม แสงสูง ยิงไปที่บาร์โคด รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet rays) หรือรังสียูวี • ใช้ในการตกแต่งเวทีการแสดงต่าง ๆ • การฟอกสีฟันโดยใช้เครื่องฉายรังสียูวี • ใช้ในการฆ่าเชื้อโรคที่เป็นอันตราย • การเชื่อมโลหะด้วยไฟฟ้า ท าให้เกิดรังสียูวีในปริมาณที่มีความเข้มสูง ซึ่งเป็นอันตรายต่อนัยน์ตา จึงควรสวมอุปกรณ์ป้องกันไว้ทุกครั้ง รังสีเอกซ์(X−rays) • ใช้ในการวินิจฉัยทางการแพทย์จากภาพรังสี เช่น การตรวจหามะเร็งปอด การ ถ่ายภาพโครงสร้างกระดูกและฟัน • ใช้ในการตรวจหาอาวุธปืนหรือวัตถุระเบิดในกระเป๋าเดินทาง • ตรวจสอบรูรั่วหรือรอยร้าวภายในเนื้อโลหะ รังสีแกมมา (gamma ray) • ในทางการแพทย์ใช้รังสีแกมมาช่วยรักษาโรคมะเร็ง เนื่องจากรังสีแกมมาจะไป ท าปฏิกิริยาต่อเซลล์มะเร็ง ท าให้ลดการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็งนั้นได้ • ใช้ไอโอดีน−131 (I−131) ในการรักษามะเร็งของต่อมไทรอยด์ • ใช้ในการศึกษาการดูดซึมแร่ธาตุของรากพืช และการสังเคราะห์ด้วยแสง -145-
รังสีแกมมา เป็นสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากกระบวนการ ภายในนิวเคลียส มีช่วงความถี่ตั้งแต่ 10 เอกซะเฮิรตซ์ขึ้นไป มีความยาวคลื่นประมาณ 0.1-10 นาโนเมตร รังสีแกมมาน ามาใช้ประโยชน์ ดังนี้ 1. ด้านการแพทย์ ใช้ในการรักษาโรค ตรวจวินิจฉัยโรค และการปลอดเชื้อ ผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ เช่น • ท าลายเซลล์มะเร็ง จากการฉายรังสีแกมมาจากโคบอลต์-60 • ตรวจวินิจฉัยโรคเกี่ยวกับความผิดปกติของต่อมไทรอยด์ โดยการใช้รังสี แกมมาที่สลายตัวจากไอโอดีน-131 และไอโอดีน-123 • ตรวจวินิจฉัยอวัยวะในร่างกาย โดยอาศัยภาพถ่ายจากรังสีแกมมา เช่น การตรวจสอบความผิดปกติของสมอง 2. ด้านดาราศาสตร์ ใช้วิเคราะห์อวกาศ ดาว และกาแล็กซี เช่นเดียวกับ การใช้รังสีเอกซ์หรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ เพื่อตรวจสอบแหล่งก าเนิดรังสีแกมมา ในจักรวาล กล้องโทรทรรศน์ที่ติดตั้งกับดาวเทียม เช่น ดาวเทียมเอกซ์พลอเรอร์ (explorer) ดาวเทียม CGRO มีเครื่องตรวจจับรังสีแกมมา ท าให้การศึกษาโครงสร้าง ของดาว ดวงอาทิตย์ หลุมด า ดาวนิวตรอน และกาแล็กซีได้ละเอียดมากขึ้น 3. ด้านการเกษตร การฉายรังสีแกมมาไปยังผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร 4. ด้านการถนอมอาหาร ใช้ท าลายพยาธิหรือจุลินทรีย์ ซึ่งเป็นสาเหตุที่ท า ให้อาหารเน่าเสีย เช่น กุ้งแช่แข็ง แหนม หมูยอ ไส้กรอก -146-
เรื่อง แสงและการ มองเห็น -147- สรุปความรู้วิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่3
>> ธรรมชาติของแสง แสงเคลื่อนที่เป็นแนวเส้นตรงเราสามารถเขียนเส้นตรงแทน ล าแสงและเขียนหัวลูกศรก ากับบนเส้นตรงเพื่อบอกทิศทางของแสง เราเรียก เส้นตรงเหล่านี้ว่า รังสีแสง ประเภทของรังสีแสง เมื่อแสงไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านวัตถุได้จะท าให้เกิดเงา การเกิดเงาของวัตถุ อาจเกิดได้จากแหล่งก าเนิดแสงที่มีขนาดเล็กจนถือว่าเป็นจุด หรือ แหล่งก าเนิดแสง ที่มีขนาดใหญ่ ถ้าลากเส้นตรงแทนแนวการเคลื่อนที่ของแสงจากแหล่งก าเนิดแสงไป ยังวัตถุ เส้นตรงที่ลากจากแหล่งก าเนิดแสงผ่านขอบวัตถุไปยังฉาก คือ ขอบเงา จะ พบว่าเมื่อแหล่งก าเนิดแสงมีขนาดเล็กหรือเป็นจุดเงาที่ปรากฏจะเป็นเงามืดเพียง อย่างเดียว แต่ถ้าแหล่งก าเนิดแสงมีขนาดใหญ่ เงาที่ปรากฏจะมีทั้งเงามืดและเงามัว สรุปความรู้ เรื่อง แสงและการมองเห็น -148- รังสีขนาน รังสีลู่เข้า รังสีลู่ออก