ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
63
พิจารณาวงจรไฟฟาเบื้องตนดังรูป ความตางศักยไฟฟาที่ตกครอมความตานทานR
ดานใดจะเปนบวกหรือลบดูจากทิศการไหลของกระแสไฟฟา โดยกระแสไฟฟาจะไหลจาก
ศักยไฟฟาบวกไปสูศักยไฟฟาลบเสมอ
กฎของเคิรชฮอฟฟแบงออกเปน 2 ขอใหญ ๆ ดังนี้
1. กฎเกี่ยวกับศักยไฟฟา (Kirchhoff’s Voltage Law, KVL) มีใจความดังนี้
“ผลรวมทางพีชคณิตของศักยไฟฟาที่เพิ่มคาหรือลดคารอบวงจรปด มีคาเปนศูนย”
(The algebraic sum of the potential rises and drops around any closed loop is zero)
วงจรไฟฟาประกอบดวยตัวตานทานดังรูป
รูป 2.16 วงจรที่มีวงปดเพียง 1 วง
จากรูป 2.16 จะเริ่มตนวนวงปดที่จุด a ซึ่งมีคาศักยไฟฟาเปน Va ไปในทิศตามเข็ม
นาฬิกา จะวนไปรอบวงปดจนกระทั่งมาถึงที่จุด a อีกครั้ง ในระหวางที่วนนั้นจะพิจารณาการ
เปลี่ยนแปลงความตางศักยที่ตกครอมอุปกรณตาง ๆ ดวย ที่จุด a เปนขั้วลบของแบตเตอรี่ วนไป
หาขั้วบวกซึ่งถือวามีคาศักยไฟฟาสูงกวา ความตางศักยระหวางขั้วแบตเตอรี่หรือที่เรียกวา
แรงเคลื่อนไฟฟา คือ ξ เมื่อวนผานแบตเตอรี่ความตางศักยมีคาเพิ่มขึ้น (rise in potential)เปน +ξ
(เพิ่มจากคาลบเปนคาบวก)
เมื่อวนผานลวดตัวนําดานบน ลวดตัวนํามีความตานทานไฟฟาเปนศูนย จึงไมมีการ
เปลี่ยนแปลงความตางศักยที่ลวดตัวนํา คาศักยไฟฟาที่ลวดตัวนําจึงมีคาเทากับศักยไฟฟาที่
ขั้วบวกของแบตเตอรี่ วนเรื่อยมาจนถึงตัวตานทาน R ความตางศักยที่ตกครอมตัวตานทานมีคา
ลดลง (Drop in potential ,เปลี่ยนจากคาบวกเปนลบ)เทากับ – IR
เมื่อวนออกจากตัวตานทาน มาบรรจบที่จุด a อีกครั้ง ศักยไฟฟาที่จุด a ก็คือ Va นั่นเอง
ดังนั้น
Va + ξ - IR = Va
ξ - IR = 0
เมื่อวนทวนเข็มนาฬิกา (Counterclockwise) จะไดผลลัพธ เชนเดียวกัน
ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
81
รูป 2.37การประจุบน C เมื่อคา คงที่เวลาตางกัน
กระแสไฟฟาในวงจร (I) หาไดจาก
dq
dt
I = RCt
e
R
E /−
= I e t RC
0
− / ............(2.7)
จากสมการจะเห็นวาเมื่อ t = 0 กระแสในวงจรจะมีคาสูงสุด คือ
E
R เมื่อเวลาผานไป
นาน ๆ กระแสจะลดลงจนเปนศูนย ในทางปฏิบัติจะถือวากระแสไฟฟาเปนศูนยไดเมื่อเวลาผาน
ไปเทากับ 7τ
แทนคา t ดวยคาคงที่เวลา = RC จะได
I = 0.37 I0
อาจกลาวไดอีกอยางหนึ่งวาคาคงที่เวลาของวงจร RC คือชวงเวลาที่ทําใหกระแส
สูงสุดในวงจรลดเหลือ 37% ของคาเดิม
30.
ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
82
รูป 2.38การลดลงของกระแส เมื่อคา C ตางกัน
เมื่อตัวเก็บประจุมีประจุเต็มที่แลว ยายสวิตชมาแตะที่จุด B ตัวเก็บประจุจะคายประจุ
(discharge) ผานตัวตานทาน ทิศการไหลของกระแสไฟฟาจะตรงขามกับทิศเดิม
รูป 2.39 เมื่อสลับสวิตชมาที่ B
ตองการหาประจุและกระแสไฟฟาในวงจร
IR +
q
C = 0
dq
dt RC
q+
1
= 0
จะไดคําตอบของสมการเชิงอนุพันธ คือ
q = q0 e-t /RC
กระแสไฟฟาในวงจร คือ
I =
E
R
e t RC− /
.......(2.8)
เครื่องหมายลบแสดงวากระแสไหลเขาสวนทิศกับครั้งแรก ปริมาณประจุและ
กระแสไฟฟาที่ไหลในวงจรจะลดลงแบบเอ็กซโพเนนเชียล
ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
85
คือ Vซึ่งใชกระตุนใหอุปกรณอื่นทํางาน วงจรนี้จึงเปนตัวหนวงเวลา (time delay) โดยเวนชวง
ชั่วระยะหนึ่งหลังจากกดสวิตช อุปกรณที่ตอพวงกับ V จึงเริ่มทํางาน
ตัวอยาง 2.14 จะเปนเวลานานเทาใด ความตางศักยที่ตกครอมตัวเก็บประจุจึงจะมีคา 25 โวลต
โดยเริ่มนับเวลาจากกดสวิตช S
รูป 2.45
วิธีทํา VC =
q
c = E ( 1 - e-t/RC
)
แทนคา VC = 25 โวลต, E = 40 โวลต
25 = 40 1 150 10 3 20 10 6
( )/( ) ( )
− − × + ⋅ × −
e t
e-t / 3
= 0.375
t = 2.94 วินาที
ตัวอยาง 2.15 เครื่องตั้งเวลาเครื่องหนึ่งใชวงจร RC เปนตัวนับเวลา วงจรประกอบดวย
แหลงจายไฟ 16 โวลต ตัวตานทาน 0.5 เมกกะโอหม สวิตชของเครื่องตั้งเวลาจะทํางานเมื่อมี
ความตางศักยตกครอม C เทากับ 6 โวลต จงหาคา C ที่ทําใหสวิตชทํางานเมื่อเวลาผานไป 6
วินาที
34.
ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
86
วิธีทํา เมื่อวงจรตั้งเวลาเริ่มทํางานตัวเก็บประจุจะสะสมประจุไวที่แผนของตัวเก็บประจุ
ความตางศักยที่ตกครอมตัวเก็บประจุจะสูงขึ้นเรื่อย จนกระทั่งมีคา 6 โวลต สวิตช S จึงจะเริ่ม
ทํางาน ตองการใหสวิตชทํางานในเวลา 6 วินาที จากสูตร
VC = E (1 - e-t /RC
)
6 =
66/. 10
)16( C
e− × ×
− 05
1
ตองใชตัวเก็บประจุที่มีคาความจุไฟฟาเทากับ 25.5 ไมโครฟารัด
ตัวอยาง 2.16 ก. เมื่อสวิตชอยูที่ตําแหนง A จงเขียนสมการความตางศักยไฟฟาที่ตกครอมตัว
ตานทาน ( VR) และตัวเก็บประจุ (VC ) และกระแสที่ไหลผานตัวเก็บประจุ ( IC )
ข. ในทางปฏิบัติจะใชเวลานานเทาใดจึงจะทําให VC = E, IC = 0
ค. เมื่อสวิตชอยูที่ตําแหนง B จงเขียนสมการ VC , IC และ VR ให t = 0 เมื่อ
สวิตชแตะที่จุด B
รูป 2.47
วิธีทํา เมื่อสวิตชแตะที่จุด A เริ่มตนเปนเวลา t = 0 ทิศของกระแสไฟฟาและความตางศักยไฟฟา
ที่ตกครอมตัวตานทานและ ตัวเก็บประจุเปนดังรูปที่ 2.48
รูป 2.49 แสดงทิศกระแสและเครื่องหมายความตางศักยที่ตกครอมอุปกรณ
35.
ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
87
ก. คาคงที่ของเวลาของวงจรτ = RC = (8 × 103
Ohm)( 4 × 10-6
F) = 32 ms
จากสมการ q = CE (1 - e-t / RC
)
VC = q / C = E(1 - e-t / RC
)
แทนคา E และ τ จะได VC = )e1(40
31032/t −×−
− โวลต
กระแสที่ไหลผานตัวเก็บประจุ IC =
τ− /t
e
R
E
=
τ−
Ω
/t
e
k8
V40
=
31032/t
e5
−×−
mA
ความตางศักยที่ตกครอมตัวตานทาน VR = IRR = ICR =
τ− /t
Ee
=
τ− /t
e40 V
ข. จากกราฟจะเห็นวากระแสที่ผานตัวเก็บประจุจะมีคาเปนศูนย และ VC ≈ E เมื่อ t > 5τ ขึ้นไป
t = 5τ = 5 x (32 ms) = 160 ms
รูป 2.50 กราฟแสดงปริมาณตาง ๆ ระหวางการเก็บประจุของตัวเก็บประจุ
ค. เมื่อคายประจุ ทิศทางของกระแสในวงจร และเครื่องหมายความตางศักยที่อุปกรณตาง ๆ จะ
เปนดังรูป 2.51
36.
ฟสิกสราชมงคล http://www.rit.ac.th/homepage-sc/physics/
88
รูป 2.51เมื่อตัวเก็บประจุคายประจุ ทิศของกระแสจะสวนกับทิศเมื่อเก็บประจุ
VC =
τ− /t
Ee = )e(40
31032/t −×−
V
IC =
τ−
− /t
e
R
E
= )e(105
31032/t3 −×−−
×− A
VR =
τ−
− /t
Ee
= )e(40
31032/t −×−
− V
เมื่อพล็อตกราฟ VC IC และ VR จะไดดังรูปที่ 2.52
รูป 2.52 กราฟแสดง ความตางศักยและและกระแสที่ C ความตางศักยที่ R เทียบกับเวลา t