วงจรไฟฟ้า (Electric circuit) วงจรไฟฟ้าหรือ โครงข่ายไฟฟ้า (Electric network) ก็คือการเชื่อมต่อกันของอุปกรณ์ไฟฟ้า (Electric element) ตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไป รูปที่ 1.1 วงจรไฟฟ้าอย่างง่ายที่ประกอบด้วยถ่านไฟฉายและหลอดไฟ หน่วย SI (International System of Units) หน่วยที่ใช้เป็นมาตรฐานในทางวิศวกรรมคือ หน่วย SI มีปริมาณพื้นฐานอยู่ 6 หน่วยดังแสดงในตาราง ปริมาณ ความยาว (Length) น้้าหนัก (Mass) เวลา (Time) กระแสไฟฟ้า (Electric Current) อุณหภูมิ (Temperature) ความเข้มการส่องสว่าง (Luminous intensity) หน่วย เมตร (Meter) กิโลกรัม (kilogram) วินาที (Second) แอมแปร์ (Ampere) เคลวิน (Kelvin) แคนเดอลา (Candela) สัญลักษณ์ m kg s A K cd คาอุปสรรคในหน่วย SI (SI Prefixes) ตัวคูณ 109 106 103 102 101 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 คาอุปสรรค Giga Mega Kilo Hecto Deka Deci Centi milli micro nano pico femto สัญลักษณ์ G M K H da d c m µ n p f ประจุไฟฟ้า (Electric Charge) ประจุไฟฟ้าคือคุณสมบัติทางไฟฟ้าของอนุภาคใน สสารมีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (Coulomb,C) โดย ประกอบด้วยประจุบวกและประจุลบ ซึ่งประจุชนิด เดียวกันจะผลักกันแต่ประจุต่างชนิดกันจะดูดกัน ประจุไฟฟ้านี้จะใช้อักษรย่อเป็น q หรือ Q Charlesอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารซึ่งก็คืออะตอม(atom) Augustin de ซึ่งในอะตอมแต่ละอะตอมจะประกอบด้วย อิเล็กตรอน (Electrons) โปรตอน (Protons) และ Coulomb French นิวตรอน (Neutron) โดยที่อิเล็กตรอนจะมีประจุ ขนาด -1.6021x10-19 คูลอมบ์ โปรตอนจะมีประจุ physicist.(17361806) ขนาด +1.6021x10-19 คูลอมบ์ ส่วนนิวตรอนจะไม่ มีประจุ รูปที่ 1.2 องค์ประกอบต่างๆของอะตอม กระแสไฟฟ้า (Electric Current) กระแสไฟฟ้าใช้ตัวอักษร i หรือ I คืออัตราการเคลื่อนที่ของประจุ ไฟฟ้าในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (Ampere,A) หรือเราสามารถหาประจุที่มีการส่งผ่านในช่วงเวลา t0 ถึง t ได้โดย ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current,DC) คือ กระแสไฟฟ้าที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา Andre-Marie Ampere French physicist.(17751836) ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current,AC) คือกระแสไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาเป็นรูปแบบฟังก์ชันไซน์ รูปที่ 1.3 ไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ ในการเขียนค่าของกระแสไฟฟ้านั้นที่ส้าคัญคือเรื่องของทิศทาง เช่นในรูป 1.4(a) กระแสขนาด 3A เคลื่อนที่จากทางซ้ายไปทางขวา ซึ่งกระแสเดียวกันนี้สามารถเขียนแสดงได้อีกรูปแบบหนึ่งคือรูปที่ 1.4(b) คือกระแสขนาด -3A เคลื่อนที่จากทางขวาไปทางซ้าย รูปที่ 1.4 กระแสขนาดเท่ากันที่แสดงในสองรูปแบบ แรงดัน (Voltage) แรงดันนี้ใช้อักษรย่อเป็น v หรือ V มีหน่วยเป็นโวลต์ (Volts,V) ซึ่งแรงดันคืองาน(Work) ที่ใช้ในการเคลื่อนประจุ 1 คูลอมบ์จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง Alessandro Volta Italian โดย w คืองาน มีหน่วยเป็น จูล (Joules,J) physicist.(1745 - 1827) สมมติว่าเรามีอุปกรณ์ไฟฟ้าตัวหนึ่งที่ต่ออยู่ที่ขั้ว a และ b งาน ที่ใช้เคลื่อนประจุ 1 คูลอมบ์ ผ่านอุปกรณ์นั้นจากขั้ว a ไปยังขั้ว b เราเรียกว่าแรงดันระหว่างขั้ว a และขั้ว b หรือใช้อักษรย่อ คือ vab ดังแสดงในรูปที่ 1.5(a) จากรูปจะเห็นว่าเครื่องหมาย บวกและลบจะแสดงถึงว่าขั้วบวกมีแรงดันมากกว่าขั้วลบ เท่ากับ vab โวลต์ รูปที่ 1.5(a) และ 1.5(b) แสดงถึงแรงดันที่ มีค่าเท่ากัน ที่แสดงด้วยการเขียนต้าแหน่งของขั้วบวกและลบที่ ต่างกัน หรือกล่าวได้ว่า vab เท่ากับ -vba James Prescott Joule English physicist.(1818 - 1889) รูปที่ 1.5 แรงดันขนาดเท่ากันที่ตกคร่อมอุปกรณ์ไฟฟ้าหนึ่ง แสดงในสองรูปแบบ พลังงานและกาลังงาน (Power and Energy) ก้าลังงานใช้อักษรย่อเป็น p หรือ P คืออัตราการ ใช้พลังงาน มีหน่วยเป็นวัตต์ (Watt,W) หรือ การหาค่าก้าลังงานนั้นจะก้าหนดให้ทิศทางของ กระแสไหลจากขั้วบวกของแรงดันไปยังขั้วลบดังรูป 1.6 เราเรียกการก้าหนดขั้วของแรงดันและทิศทาง ของกระแสแบบนี้ว่า "การก้าหนดเครื่องหมายแบบ อุปกรณ์พาสซีฟ" (passive sign convention) James Watt Scottish engineer.(17361819) รูปที่ 1.6 ขั้วของแรงดันและทิศทางของกระแสที่ใช้ หาค่าก้าลังงาน ค่าของก้าลังงานที่อุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆนั้นสามารถเป็นได้ทั้งค่าบวกและลบขึ้นอยู่กับค่าของแรงดันและ กระแส โดยถ้าก้าลังงานที่อุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆมีค่าเป็นบวกจะเรียกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้านั้น ดูดกลืนก้าลัง งาน (Absorbing power) แต่ถ้าก้าลังงานที่อุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆมีค่าเป็นลบจะเรียกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้า นั้น จ่ายก้าลังงาน (Delivering power หรือ Supplying power) ส่วนพลังงานที่อุปกรณ์ไฟฟ้าหนึ่งๆใช้ไปในช่วงเวลา t0 ถึง t ใดๆคือ พลังงานนั้นมีหน่วยเป็นจูล แต่บางครั้งในทางไฟฟ้าก้าลังมักจะใช้หน่วยเป็นวัตต์ชั่วโมง (watt-hour ,Wh) โดย 1 Wh = 3600 J อุปกรณ์ไวงานและอุปกรณ์เฉื่อยงาน (Active and Passive elements) อุปกรณ์แบบเฉื่อยงาน (Passive element) คืออุปกรณ์ที่รับพลังงานเพียงอย่างเดียวไม่สามารถจ่าย พลังงานได้ หรือมีพลังงานเป็นบวกตลอดเวลานั่นเอง จะได้ว่าอุปกรณ์เฉื่อยงานต้องเป็นไปตามสมการ ตัวอย่างของอุปกรณ์แบบเฉื่อยงานก็คือตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวน้าเป็นต้น ส่วนอุปกรณ์แบบไวงาน (Active element) ก็คืออุปกรณ์ที่สามารถจ่ายพลังงานได้นั่นเอง คืออุปกรณ์ ที่มีค่าพลังงานเป็นบวกได้ ตัวอย่างของอุปกรณ์แบบไวงานก็เช่นแบตเตอรี่ เครื่องก้าเนิดไฟฟ้าเป็นต้น แหล่งจ่ายแรงดันและแหล่งจ่ายกระแส (Voltage and Current source) แหล่งจ่ายแรงดันแบบอิสระ(Independent voltage source) ยกตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่หรือ เครื่อง ก้าเนิดไฟฟ้า ก็คืออุปกรณ์สองขั้วหนึ่งที่มีแรงดันระหว่างขั้วทั้งสองเป็นค่าหนึ่ง โดยสามารถมี กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเองเท่าไรก็ได้ ดังแสดงสัญลักษณ์ในรูปที่ 1.7 โดยในรูป 1.7(a) เป็นสัญลักษณ์ ของแหล่งจ่ายแรงดันแบบอิสระแบบทั่วๆไป ส่วนในรูป 1.7(b) เป็นสัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดัน แบบอิสระที่เป็นแหล่งจ่ายไฟตรงหรือแบตเตอรี่นั่นเอง รูปที่ 1.7 (a) สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดัน รูปที่ 1.7 (b) สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดันไฟตรง ส่วนแหล่งจ่ายกระแสแบบอิสระ (Independent current source) ก็คืออุปกรณ์สองขั้วชนิดหนึ่ง ที่มี กระแสไหลผ่านตัวเองเป็นค่าหนึ่งโดยสามารถมีแรงดันตกคร่อมตัวเองเท่าไรก็ได้ ดังแสดงสัญลักษณ์ใน รูปที่ 1.8 โดยลูกศรในสัญลักษณ์แสดงทิศทางการไหลของกระแส รูปที่ 1.8 สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายกระแส แหล่งจ่ายแบบไม่อิสระ (Dependent source) แหล่งจ่ายอีกชนิดหนึ่งคือแหล่งจ่ายแบบไม่อิสระ เป็นแหล่งจ่ายที่มีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามกระแส หรือ แรงดันที่จุดหนึ่งๆในวงจรแบ่งได้เป็น 4 ชนิดคือ 1. แหล่งจ่ายแรงดันควบคุมด้วยแรงดัน (Voltage Controlled Voltage Source ,VCVS) 2. แหล่งจ่ายแรงดันควบคุมด้วยกระแส (Current Controlled Voltage Source ,CCVS) 3. แหล่งจ่ายกระแสควบคุมด้วยแรงดัน (Voltage Controlled Current Source ,VCCS) 4. แหล่งจ่ายกระแสควบคุมด้วยกระแส (Current Controlled Current Source ,CCCS) สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแบบไม่อิสระทั้งสี่แสดงดังรูปที่ 1.8 รูปที่ 1.9 แหล่งจ่ายแบบไม่อิสระ แหล่งจ่ายทั้งสี่ดังรูป 1.9 แรงดัน v x และกระแส i x คือแรงดันหรือกระแสที่ท้าหน้าที่ควบคุม แหล่งจ่ายนั้นๆส่วนค่า A จะเป็นตัวเลขที่แสดงอัตราขยายของแหล่งจ่ายนั้น