อิเล็กทรอนิกส์

3. อิเล็กทรอนิกส์

3.1 แหล่งกำเนิดไฟฟ้า

3.1.1 เซลล์ไฟฟ้าเคมี (Electrochemical cell)

• เซลล์ไฟฟ้าเคมีคือเครื่องมือหรืออุปกรณ์ทางเคมีที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือไฟฟ้าเป็นเคมี.

  • แบ่งออกเป็น 2 ประเภท:

  1. เซลล์กัลวานิก (Galvanic cell):

     • เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า.

     • ทำงานโดยการตอบสนองของสารเคมีในเซลล์เกิดกระแสไฟฟ้า.

     • ตัวอย่าง เช่น ถ่านไฟฉาย, เซลล์แอลคาไลน์, เซลล์ปรอท, เซลล์เงิน, แบตเตอรี่.

  2. เซลล์อิเล็กโทรไลต (Electrolytic cell):

     • เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี.

     • เกิดจากการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านเซลล์เกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น เช่น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า, การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า.

3.1.2 เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator)

• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า.

  • ใช้หลักการเหนี่ยวนำของแม่เหล็ก เช่น การเคลื่อนที่ของขดลวดตัวนำผ่านสนามแม่เหล็กหรือการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กผ่านขดลวดตัวนำ.

3.1.3 คู่อาบความร้อน (thermocouple)

• คู่อาบความร้อนเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่ประกอบด้วยโลหะ 2 ชนิด.

  • โลหะหนึ่งมีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าอีกโลหะหนึ่ง เช่น การใช้ทองแดงและเหล็ก.

  • เมื่อปลายทั้งสองมีอุณหภูมิต่างกันเกิดความต่างศักย์ไฟฟ้า.

  • ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Thermoelectric effect.

  • สามารถใช้ทำอุปกรณ์วัดอุณหภูมิที่เรียกว่าเทอร์มอมิเตอร์.

3.1.4 Solar cell

• เซลล์โฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic cell) คือการผลิตไฟฟ้าจากแสงที่ตกกระทบวัตถุที่สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า.

3.2 กระแสไฟฟ้า

• กระแสไฟฟ้า $I$ คือ อัตราการไหลของประจุ $DQ$ ผ่านพื้นที่ $A$ ต่อหนึ่งหน่วยเวลา.

• หน่วย SI ของกระแสไฟฟ้า คือ แอมแปร (ampere, A).

• ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและประจุ: $1 A = 1 C/s$.

• ประจุที่เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่อาจเป็นการไหลของประจุบวกหรือประจุลบ หรือทั้งคู่.

• กระแสไฟฟ้ากำหนดให้มีทิศการไหลในทิศทางเดียวกับทิศทางของประจุบวก.

• ในตัวนำไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าเกิดจากการไหลของอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบ.

• กระแสไฟฟ้ามีทิศทางการไหลตรงข้ามกับทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน.

• ประจุที่เคลื่อนที่เรียกว่า ประจุพาหะ (charge carrier).

• แบตเตอรี่สร้างสนามไฟฟ้า ซึ่งทำให้เกิดแรงบนประจุ.

3.2.1 โมเดลไมโครสโคปของกระแส

• พิจารณากระแสในทรงกระบอกตัวนำที่มีพื้นที่ตัดขวาง A.

• ในปริมาตรเล็ก $Dx$ จะมีประจุทั้งหมด $nADx$.

• ถ้าประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว $v_d$ ในทิศ $x$ ในช่วงเวลา $Dt$, จะมีระยะทางที่แทนค่าที่ในสมการ.

• กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยในตัวนำเป็น $I = nAv_d$.

3.2.2 ตัวอย่าง

• ตัวอย่าง 1: วงจรไฟฟ้าหนึ่ง มีอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังแอโนดจำนวน $2x10^{19}$ อนุภาคในเวลา 1 วินาที จะมีกระแสไฟฟ้า?.

3.2 กฎของโอห์มและความต้านทาน

• กฎของโอห์ม: ความหนาแน่นของกระแส $J$ เป็นสัดส่วนโดยตรงกับสนามไฟฟ้า $E$.

  • สามารถเขียนได้เป็นสมการ $J = <br>ho E$

• นิยามความหนาแน่นกระแส:

  • $J = rac{I}{A}$

  • โดยที่ $I$ คือกระแสไฟฟ้า, $A$ คือพื้นที่หน้าตัด.

3.3 การต่อวงจรไฟฟ้า

3.3.1 การต่อตัวต้านทาน

• การต่อวงจรความต้านทานแบบอนุกรม.

  • ความต้านทานรวม $R<em>{ ext{total}} = R</em>1 + R<em>2 + R</em>3 + …$.

3.3.2 การต่อตัวต้านทานแบบขนาน

• ความต้านทานรวม $rac{1}{R<em>{ ext{total}}} = rac{1}{R</em>1} + rac{1}{R_2} + …$.

3.4 ตัวต้านทานและสารกึ่งตัวนำ

3.4.1 ตัวต้านทานชนิดค่าคงที่ (Fixed Value Resistor)

• ตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานคงที่ ทำมาจากวัสดุหลายชนิด เช่น ฟิล์มโลหะ, คาร์บอน.

3.4.2 ตัวต้านทานชนิดปรับค่าได้ (Variable Value Resistor)

• ตัวต้านทานแบบปรับเข้าได้ มีค่าต้านทานที่เปลี่ยนได้ตามการปรับให้เหมาะสม.

3.4.3 แอลดีอาร์ (Light Dependent Resistor, LDR)

• ตัวต้านทานที่เปลี่ยนแปลงค่าความนำไฟฟ้าขึ้นเมื่อมีแสงมาตกกระทบ.

3.4.4 สารกึ่งตัวนำ

• สารกึ่งตัวนำคือสารที่มีสภาพนำไฟฟ้าระหว่างตัวนำกับฉนวน.

• ใช้ในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ไดโอด, ทรานซิสเตอร์.

3.4.5 สารกึ่งตัวนำชนิด P และ N

3.4.5.1 เติมสารประเภท P

• เติมสารที่มีอิเล็กตรอนน้อย เช่น อลูมิเนียม หรือแกลเลียม.

  • เกิดโฮล (hole) ที่มีสภาพเป็นประจุบวก.

3.4.5.2 เติมสารประเภท N

• เติมสารที่มีอิเล็กตรอนมาก เช่น สารหนู หรือฟอสฟอรัส.

  • เกิดมีอิเล็กตรอนอิสระที่มีสภาพเป็นประจุลบ.

3.4.6 ไดโอด

• ไดโอดสร้างจากการต่อกันของสารกึ่งตัวนำชนิด P และ N.

• ขั้ว P เรียกว่าอาโนด ขั้ว N เรียกว่าคาโธด.

• มีลักษณะของความต้านทานที่แตกต่างกันบริเวณรอยต่อ.

3.4.7 ทรานซิสเตอร์

• ใช้สารกึ่งตัวนำ 3 ชิ้นมาประกบกัน มีขั้วอิมิตเตอร์ (Emitter), คอลเล็กเตอร์ (Collector), และเบส (Base).

3.5 วงจร RC

3.5.1 นิยามความจุไฟฟ้า

• ตัวนำ 2 ชิ้นใดๆ ที่มีฉนวนกลางทำตัวเก็บประจุ (Capacitor).

• ความจุ $C$ สามารถนิยามได้ว่า $C = \frac{Q}{\Delta V}$.

3.5.2 การอัดประจุในวงจร RC

• ความต้านทาน (Resistor) และ ตัวเก็บประจุ (Capacitor) ทำงานร่วมกัน.

• จะเกิดการอัดพลังงานไฟฟ้าในตัวเก็บประจุ.

• เมื่ออัดพลังงานเต็มที่กระแสไฟฟ้าจะเป็นศูนย์.

3.5.3 การคายประจุ

• การปล่อยพลังงานไฟฟ้าในตัวเก็บประจุด้วยการเชื่อมต่อกับโหลด.

3.6 อุปกรณ์ในทางชีวภาพ

3.6.1 Electrodes

• ประเภทต่างๆ ของอิเล็กโทรด ได้แก่:

  1. ไมโครอิเล็กโทรด (Microelectrode): ขนาดเล็กสำหรับการวัดความต่างศักย์ในเซลล์.

  2. อิเล็กโทรดเข็ม (Needle electrode): ใช้สำหรับบันทึกสัญญาณไฟฟ้าจากเนื้อเยื่อ.

  3. อิเล็กโทรดผิว (Surface electrode): ใช้ตรวจวัดสัญญาณไฟฟ้าจากผิวเช่น ECG, EMG, EEG.

3.6.2 Transducer

• เปลี่ยนแปลงพลังงานจากรูปแบบหนึ่งสู่อีกหนึ่ง เช่น พลังงานอุณหภูมิ, ความชื้น, แรงดัน, พลังงานไฟฟ้า.

• ตัวอย่าง เช่น Transducer ความต้านทาน, Transducer ความดัน, Transducer แสง.

ตารางที่เกี่ยวข้อง