ไฟฟ้าสถิต

ประวัติผู้จัดทำ ชื่อ : นางสาว ณัฐชยา สินคง ชื่อเล่น : บีม อายุ : 16 ปี วิชาที่ชอบ : ฟิสิกส์ อังกฤษ ประวัติศาสตร์ งานอดิเรก : ฟังเพลง อ่านหนังสือ ดูหนัง คติประจำ ใจ : ไม่มีใครในโลกนี้ที่ไม่พยายามแล้วจะประสบ ความสำ เร็จ ชื่อ : นางสาว สุกัญญา ชูพวงแก้ว ชื่อเล่น :แพรว อายุ : 17 ปี วิชาที่ชอบ : ฟิสิกส์ อังกฤษ ชีววิทยา งานอดิเรก : ฟังเพลง อ่านหนังสือ ดูหนัง คติประจำ ใจ :ถ้าเราเชื่อว่าเราทำ ได้ เราก็จะทำ ได้ ชื่อ : นางสาว สุพัตรา บุญทวี ชื่อเล่น :แนน อายุ : 17 ปี วิชาที่ชอบ : ฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ ชีววิทยา งานอดิเรก : ฟังเพลง อ่านหนังสือ ดูหนัง คติประจำ ใจ : ไม่มีใครเก่งตั้งแต่เกิด ถ้าไม่พยายาม

ชื่อ : นางสาวอรสา กรณีย์ ชื่อเล่น : แพร อายุ : 17 ปี วิชาที่ชอบ : เศรษฐศาสตร์ ศิลปะ ชีววิทยา งานอดิเรก : ฟังเพลง ร้องเพลง คติประจำ ใจ : ความฝันที่เป็นจริงล้วนเกิดขึ้นจากตัวเรา ส่ง ประวัติผู้จัดทำ ชื่อ : นางสาวบัณทิตา คำ เมฆ ชื่อเล่น :เฟิร์ส อายุ : 17 ปี วิชาที่ชอบ : อังกฤษ คณิตศาสตร์ ชีววิทยา งานอดิเรก : ฟังเพลง อ่านหนังสือ ดูหนัง คติประจำ ใจ : ใช้ชีวิตตามความฝัน ไม่ใช่ความกลัว ครู รุจิรา คลังคง รายวิชา ฟิสิกส์ รหัสวิชา ว30204

คำ นำ หนังสือ E-Book เล่มนี้จัดทำ ขึ้นเพื่อเสนอผลงานของรายวิชา ฟิสิกส์ รหัสวิชา ว30204 เรื่อง ไฟฟ้าสถิต ซึ่งมีรายละเอียดประกอบด้วยอธิบายส่วนประกอบของตัวเก็บประจุ อธิบายความสัมพันธ์ ระหว่างประจุไฟฟ้า ความต่างศักย์ และความจุของตัวเก็บประจุ อธิบายพลังงานสะสมในตัวเก็บประจุ แล้วความจุสมมูล คำ นวณปริมาณที่เกี่ยวข้องกับตัวเก็บประจุ และความจุสมมูล ข้าพเจ้าหวังเป็นอย่างยิ่งว่า หนังสือ E-Book เล่มนี้จะเป็นประโยน์แก่ผู้ที่เข้ามาอ่านอย่างมาก ที่สุด หากหนังสือ E-Book เล่มนี้มีข้อผิดพลาดประการใด ต้องขออภัยมา ณ ที่นี้ คณะผู้จัดทำ

สารบัญ

เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าซึ่งทำ หน้าที่เก็บ สะสมและคายประจุไฟฟ้า สามารถนำ ไปประยุกต์ใช้หลากหลายด้าน เช่น เป็นแหล่งสำ รองพลังงานไฟฟ้าให้กับ เครื่องใช้ไฟฟ้า ส่วนประกอบของ ตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุ โครงสร้างพื้นฐานของตัวเก็บประจุประกอบ ด้วยตัวนำ สองชิ้นที่คั่นด้วยฉนวน เช่น ตัว เก็บประจุที่ประกอบด้วยแผ่นวางขนานกัน และมีฉนวนคั่นกลาง ตัวเก็บประจุลักษณะนี้ เรียกว่า ตัวเก็บประจุแผ่นคู่ขนาน ส่วนประกอบของ ตัวเก็บประจุ

หลักการทำ งานของตัวเก็บประจุ พิจารณาตัวเก็บประจุแผ่นคู่ขนานที่ประกอบ ด้วยแผ่นตัวนำ สองแผ่นวางขนานกันและ ระหว่างกลางมีช่องว่าง มีอากาศทำ หน้าที่เป็น ฉนวน เมื่อนำ ตัวเก็บประจุไปต่อกัแบตเตอรี่ และสวิตซ์เป็นวงจรโดยแผ่นตัวนำ แผ่นด้าน ขวามือต่อกับสวิตซ์ที่ต่ออยู่กับขั้วลบของ แบตเตอรี่ (ศักย์ไฟฟ้าต่ำ ) และแผ่นตัวนำ เริ่มต้น ตัวเก็บประจุมีสภาพเป็นกลางทาง ไฟฟ้า เมื่อเปีดสวิตซ์เพื่อทำ ให้วงจรปิด อิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่ออกจากขั้วลบ ของแบตเตอไปยังแผ่นตัวนำ ด้านขวามือ ขณะเดียวกัน อิเล็กตรอนบนแผ่นตัวนำ ด้านซ้ายมือจะถูกแรงผลักจากอิเล็กตรอนบนแผ่น ตัวนำ ด้านขวามือให้เคลื่อนที่ไปยังขั้วบวกของแบตเตอรี่ กระบวนการนี้เรียกว่า การประจุ (charging)

เมื่อนำ ตัวเก็บประจุที่มีประจุสะสมเท่ากับ Q ไปต่อกับเครื่องใช้ไฟฟ้า เช่น หลอดไฟ แล้วเปิด สวิตซ์ อิเล็กตรอนอิสระในตัวเก็บประจุจะเคลื่อนที่ผ่านหลอดไฟในทิศทางตรงข้ามกับชั้นตอนการ ประจุ กระบวนการนี้เรียกว่า การคายประจุ (discharging) ซึ่งทำ ให้พลังงานไฟฟ้าที่สะสมใน ตัวเก็บประจุถูกถ่ายโอนไปยังหลอดไฟ หลอดไฟจึงสว่าง จนกระทั่ง เมื่อประจุปริมาณ Q เคลื่อนที่ผ่านหลอดไฟจนหมดแล้ว การคายประจุของตัวเก็บประจุจะหยุดลง หลอดไฟจึงดับ

ประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า คือ อนุภาคที่แสดงอำ นาจไฟฟ้า ได้แก่ โปรตอนและอิเล็กตรอน วัตถุที่มีจำ นวน โปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนจะมีประจุไฟฟ้าบวก ส่วนวัตถุที่มีจำ นวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตรอนจะมี ประจุไฟฟ้าลบ โดยที่ประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน ส่วนประจุต่างชนิดกันจะดูดกัน โดยปกติอะตอมจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า นั่นคือ มีประจุบวกและประจุลบในอะตอมเท่ากัน จึงไม่แสดงอำ นาจทางไฟฟ้า เมื่อวัตถุได้รับพลังงานจะทำ ให้อิเล็กตรอนหรือไอออนอิสระเกิดการ เคลื่อนที่ ส่งผลให้จำ นวนประจุลบและประจุบวกไม่เท่ากัน เรียกว่า วัตถุมีประจุ (charge body) วัตถุ ที่มีประจุจะแสดงอำ นาจไฟฟ้าตามชนิดของประจุที่มากกว่า เรียกว่า ประจุอิสระ (Free charge)โดย ประจุอิสระจะเท่ากับผลต่างของจำ นวนประจุบวกกับประจุลบที่มีอยู่จริง

ความต่างศักย์ ความต่างศักย์ไฟฟ้า คือ ความแตกต่างของพลังงานไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุด ซึ่งทำ ให้เกิดกระแส ไฟฟ้าขึ้น โดยกระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดที่มีระดับพลังงานไฟฟ้าสูง (ศักย์ไฟฟ้าสูง) ไปยังจุดที่มีระดับ พลังงานไฟฟ้าต่ำ กว่า (ศักย์ไฟฟ้าต่ำ ) และจะหยุดไหลเมื่อศักย์ไฟฟ้าทั้งสองจุดเท่ากัน ข้อควรรู้ - ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดเปรียบได้กับการไหลของน้ำ ซึ่งจะไหลจากที่สูงไปยังที่ต่ำ และจะ หยุดไหลเมื่อระดับน้ำ เท่ากัน - เครื่องมือที่ใช้วัดความต่างศักย์ไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า เรียกว่า โวลต์มิเตอร์ (voltmeter) มีหน่วยการ วัด คือ โวลต์ (volt) ใช้ตัวย่อแทนความต่างศักย์ว่า V รูปสรุปสูตรศักย์ไฟฟ้า https://shorturl.asia/mnbZo

ความจุของตัวเก็บประจุ ความจุไฟฟ้า (Capacitance) คือ ความสามารถในการเก็บประจุของตัวนำ ไฟฟ้า หรือ ปริมาณ ประจุไฟฟ้า ที่ทำ ให้ตัวนำ มีค่าศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหรือลดลง 1 หน่วย ตัวนำ ใดมีความจุไฟฟ้ามาก แสดง ว่าจะต้องใช้ประจุไฟฟ้าจำ นวนมากในการทำ ให้ศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น แต่ตัวนำ ใดมีความจุไฟฟ้าน้อย ศักย์ ไฟฟ้าก็จะเพิ่มขึ้นจากเดิมมาก สื่อการเรียนการสอน สมการที่ใช้คำ นวณ เมื่อ C คือ ความจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ต่อโวลต์(C/V) หรือ ฟารัด(F) Q คือ ขนาดของประจุบนตัวนำ มีหน่วยเป็นคูลอมบ์ (C) V คือ ความต่างศักย์ระหว่างตัวนำ ทั้งสองชั้น หรือความต่างศักย์คร่อม ตัวเก็บประจุ มีหน่วยเป็น โวลต์ (V)

เมื่อต่อตัวเก็บประจุเข้ากับความต่างศักย์ พบว่าเมื่อเพิ่มความต่างศักย์ พบว่าเมื่อเพิ่มความต่างศักย์ ประจุที่อยู่ในตัวเก็บประจุก็จะมีค่าเพิ่มขึ้นด้วย เมื่อตัวเก็บประจุเริ่มเก็บประจุเริ่มจากศูนย์จนกระทั่งมีประจุ Q ความสัมพันธ์ระหว่างประจุกับความต่างศักย์ V เป็นไปตามกราฟดังรูป พลังงานที่สะสมอยู่ในตัวเก็บประจุ กราฟเเสดงความสัมพันธ์ระหว่างประจุQ บนตัวเก็บประจุกับ V ที่ต่อกับตัวเก็บประจุ เมื่อต่อตัวเก็บประจุเข้ากับความต่างศักย์นอกเหนือจะมีประจุไฟฟ้าที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุเเล้ว พบว่ายังมีพลังงานที่สะสมอยู่ในตัวเก็บประจุ พลังงานสะสมในตัวเก็บประจุสามารถคำ นวนได้จาก พลังงานที่สะสมในตัวเก็บประจุ U = พื้นที่ใต้กราฟ U = พื้นที่สามเหลี่ยม U = _1 2 QV somporndb.wordpress.com/2013/05/02/พลังงานสะสมในตัวเก็บปร/ วิดิโอสื่อการสอน เมื่อ U คือ พลังงานที่สะสมภายในตัวเก็บประจุ มีหน่วยเป็น จูล (J) Q คือ ขนาดของประจุตัวนำ มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C) V คือ ค่าความต่างศักย์ มีหน่อยเป็น โวลต์ (V)

ความจุสมมูล เมื่อนำ ตัวเก็บประจุไปใช้ในวงจรไฟฟ้ามักจะมีการนำ ตัวเก็บประจุหลายตัวมาต่อกัน ซึ่งมีทั้งแบบขนาน และแบบอนุกรม ซึ่งในการคำ นวณนั้น เรามักคิดความจุไฟฟ้าที่เกิดจากประจุหลาย ๆ ตัวว่าเสมือนเกิดจาก ประจุเพียงตัวเดียวและเรียกความจุไฟฟ้านั้นว่า ความจุไฟฟ้าสมมูล สามารถเเบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ เมื่อนำ ตัวเก็บประจุมาต่อกันเเบบอนุกรม จะได้ส่วนกลับของความจุสมมูลเท่ากับผลบวกของตัวเก็บประจุ ดังสมการ 1.การคำ นวนความจุสมมูลในการต่อตัวเก็บประจุเเบบอนุกรม เมื่อนำ ตัวเก็บประจุมาต่อกับเเบบขนานกันจะได้ความจุสมมูลเท่ากับผลบอกของ ประจุเเต่ละตัว ดังสมการ 2.การคำ นวนความจุสมมูลในการต่อตัวเก็บประจุเเบบขนาน เมื่อเเทนค่า C = QV เเละ V = Q/C จะได้สมการต่อตัวพลังงานสะสมในตัวเก็บประจุดังนี้ เมื่อ U คือ พลังงานที่สะสมภายในตัวเก็บประจุ มีหน่วยเป็น จูล (J) Q คือ ขนาดของประจุตัวนำ มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (C) C คือ ความจุไฟฟ้า มีหน่วยเป็น คูลอมบ์ต่อโวลต์ (N/C) หรือฟารัด (F) V คือ ค่าความต่างศักย์ มีหน่อยเป็น โวลต์ (V) 1 U = QV _ 2 U = 1 2 CV _ 2 U 1 = 2 _ _Q C 2 เมื่อ C คือ ความจุไฟฟ้ามีหน่วยเป็นฟารัด (F) เมื่อ C คือ ความจุไฟฟ้ามีหน่วยเป็นฟารัด (F) C C C C C C 1 + รวม รวม C = + 1 2 3 C _ = + + 1 2 _ _ _ 3 1 1 1

ตัวอย่างที่ 1 ตัวนำ ทรงกลมมีศักย์ไฟฟ้า 500 โวลต์ เมื่อเก็บประจุ 25 ไมโครคูบอมบ์จงหาค่าความจุ ของตัวนำ นี้ วิธีทำ จาก C = Q V จะได้ C = 25 x 10 500 - 6 = 5 × 10 F - 8 ตอบ ความจุของตัวนำ นี้มีค่าเท่ากับ 5 × 10 ฟารัด - 8 ตัวอย่างที่ 2 ตัวเก็บประจุ 40 ไมโครฟารัด ต่อกับความต่างศักย์ 9 โวลต์ จงหาประจุบนตัวเก็บประจุนี้ วิธีทำ จาก Q = CV จะได้ Q = 40 × 10 × 9 - 6 = 360 × 10 F - 6 ตอบ ประจุบนตัวเก็บประจุนี้มีค่าเท่ากับ 360 ไมโครฟารัด

จงหาความจุไฟฟ้า จากรูป ตัวอย่างที่ 3 วิธีทำ ต่อแบบขนาน จาก C = C + C + C รวม 1 2 3 C =รวม 3 + 6 + 9 ตอบ ความจุไฟฟ้า เมื่อต่อแบบขนาน มีค่าเท่ากับ 18 ไมโครฟารัด = 18 μF

ตัวอย่างที่ 4 จากวงจรและข้อมูลที่กำ หนดให้ พลังสะสมในวงจรมีค่ากี่จูล เมื่อ C = 4 ไมโครฟารัด C = 12 ไมโครฟารัด C = 9 ไมโครฟารัด 1 2 3 วิธีทำ หา C จาก 1 1 1 C C C 12 12 1 2 = + 1 1 1 C 4 12 = + 12 = 3 + 1 12 4 12 3 = C = 12 Cรวม= C + C = 3 + 9 = 12 จาก U = 1 2 CV 1 2 × 12 ×10 × 100 - 6 2 2 0.06 J = = ตอบ พลังงานสะสมในตัวเก็บประจุนี้มีค่าเท่ากับ 0.06 จูล