หน่วยที่ 3: ไฟฟ้าและวงจรไฟฟ้า (Electricity and Circuits)
3.3 วงจรไฟฟ้าแบบอนุกรมและแบบขนาน
วงจรไฟฟ้าเป็นการเชื่อมต่อของส่วนประกอบต่าง ๆ เช่น ตัวต้านทาน แหล่งพลังงาน และตัวนำไฟฟ้า ซึ่งการเชื่อมต่อนี้สามารถทำได้หลายรูปแบบ โดยทั่วไปวงจรไฟฟ้าจะแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ วงจรไฟฟ้าแบบอนุกรมและวงจรไฟฟ้าแบบขนาน ซึ่งแต่ละประเภทมีลักษณะเฉพาะและการทำงานที่แตกต่างกัน
1. วงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม (Series Circuit)
ในวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม ส่วนประกอบต่าง ๆ จะถูกเชื่อมต่อกันในแนวเดียวกันหรือในเส้นทางเดียวกัน ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านส่วนประกอบแต่ละตัวต่อเนื่องกันโดยไม่มีทางแยกออก
คุณสมบัติของวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรมคือ:
- กระแสไฟฟ้า: กระแสไฟฟ้าในวงจรแบบอนุกรมจะมีค่าคงที่เท่ากันทุกจุด เนื่องจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านทุกส่วนประกอบในเส้นทางเดียวกัน
- แรงดันไฟฟ้า: แรงดันไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานจะถูกแบ่งให้กับส่วนประกอบแต่ละตัวตามค่าความต้านทานของมัน แรงดันรวมของวงจรคือผลรวมของแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมในแต่ละส่วนประกอบ
- ความต้านทานรวม: ความต้านทานรวมในวงจรแบบอนุกรมจะเท่ากับผลรวมของความต้านทานแต่ละตัวในวงจร สูตรในการคำนวณคือ: \[ R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + R_3 + \dots \]
ตัวอย่างเช่น หากวงจรมีตัวต้านทาน 3 ตัวที่มีค่าความต้านทาน 2 โอห์ม, 4 โอห์ม, และ 6 โอห์ม ความต้านทานรวมจะเท่ากับ:
\[ R_{\text{total}} = 2 \, \Omega + 4 \, \Omega + 6 \, \Omega = 12 \, \Omega \]
2. วงจรไฟฟ้าแบบขนาน (Parallel Circuit)
ในวงจรไฟฟ้าแบบขนาน ส่วนประกอบต่าง ๆ จะถูกเชื่อมต่อกันในลักษณะที่ทำให้กระแสไฟฟ้ามีเส้นทางไหลมากกว่าหนึ่งเส้นทาง ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านแต่ละเส้นทางไปยังส่วนประกอบแต่ละตัวได้โดยอิสระจากกัน
คุณสมบัติของวงจรไฟฟ้าแบบขนานคือ:
- กระแสไฟฟ้า: กระแสไฟฟ้าในแต่ละสาขาของวงจรจะถูกแบ่งตามความต้านทานของสาขานั้น ๆ กระแสรวมในวงจรจะเท่ากับผลรวมของกระแสในแต่ละสาขา
- แรงดันไฟฟ้า: แรงดันไฟฟ้าในวงจรแบบขนานจะเท่ากันทุกสาขา ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมแต่ละส่วนประกอบจะมีค่าเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายจากแหล่งพลังงาน
- ความต้านทานรวม: ความต้านทานรวมในวงจรแบบขนานจะมีค่าต่ำกว่าความต้านทานของแต่ละส่วนประกอบ สูตรในการคำนวณความต้านทานรวมคือ: \[ \frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} + \dots \]
ตัวอย่างเช่น หากวงจรแบบขนานมีตัวต้านทาน 3 ตัวที่มีค่า 2 โอห์ม, 4 โอห์ม, และ 6 โอห์ม ความต้านทานรวมจะคำนวณได้ดังนี้:
\[ \frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{2 \, \Omega} + \frac{1}{4 \, \Omega} + \frac{1}{6 \, \Omega} \]
เมื่อคำนวณแล้ว ความต้านทานรวมจะเท่ากับประมาณ 1.09 โอห์ม ซึ่งต่ำกว่าความต้านทานของตัวต้านทานแต่ละตัว
การเปรียบเทียบระหว่างวงจรแบบอนุกรมและแบบขนาน
วงจรไฟฟ้าแบบอนุกรมเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟฟ้าคงที่ตลอดวงจร ในขณะที่วงจรไฟฟ้าแบบขนานเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟฟ้าไหลอย่างอิสระในหลายเส้นทาง เช่น การใช้งานในระบบไฟฟ้าภายในบ้าน ซึ่งแต่ละอุปกรณ์สามารถทำงานได้อย่างอิสระ แม้ว่าอุปกรณ์อื่นจะถูกปิดหรือเปิดอยู่ก็ตาม
สรุป:
- วงจรไฟฟ้าแบบอนุกรมมีการเชื่อมต่อที่ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านทุกส่วนประกอบต่อเนื่องกัน และมีความต้านทานรวมที่เพิ่มขึ้น
- วงจรไฟฟ้าแบบขนานมีการเชื่อมต่อที่ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านแต่ละสาขาแยกกัน และมีความต้านทานรวมที่ลดลง
- วงจรแบบอนุกรมเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟฟ้าคงที่ ส่วนวงจรแบบขนานเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความยืดหยุ่นในการจ่ายไฟ
