ฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่ 1 : ไฟฟ้าและการออกแบบ

          “ไฟฟ้า” นับได้ว่าเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานที่ถูกใช้งานมากที่สุดในยุคนี้ ไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปสู่อีกจุดหนึ่งของประจุไฟฟ้า ซึ่งมีอยู่สองชนิดด้วยกันคือ ประจุบวกและประจุลบ แต่ทว่าสิ่งที่ทำให้ไฟฟ้าสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ ไม่ใช่แต่เพียงการปล่อยให้ประจุเคลื่อนที่ไปโดยสะเปะสะปะไร้ทิศทางเท่านั้น หากแต่เป็นการ “ออกแบบ” ให้พลังงานไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ถูกต้องและสามารถควบคุมปริมาณมากน้อยตามที่ต้องการได้ เราเรียกสิ่งนี้ว่า วงจรอิเล็กทรอนิกส์
 
              นอกจากตัวต้านทานแล้ว ยังมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อีกหลายชนิดที่นักฟิสิกส์ได้คิดค้นและประดิษฐ์ขึ้นมา เพื่อให้สามารถเข้าไปจัดการกับพฤติกรรมทางไฟฟ้าได้ตามต้องการ หนึ่งในตัวอย่างที่สำคัญมากที่สุดได้แก่ ทรานซิสเตอร์ ดังรูปที่5
            ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยให้เราสามารถควบคุมปริมาณการไหลของกระแสไฟฟ้าไปยังอุปกรณ์เป้าหมายได้โดยการควบคุมผ่านการป้อนกระแสทางขาเบส โดยทั่วไปแล้วยิ่งกระแสทางขาเบสมาก ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์จากขาคอลเล็กเตอร์ไปยังขาอีมิตเตอร์ ก็จะยิ่งมากขึ้นตาม โดยกระแสที่ใช้ควบคุมทางขาเบสนั้นปกติจะใช้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น จึงอาจกล่าวได้ว่าทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่สามารถควบคุมพลังงานปริมาณมากได้จากการใช้พลังงานใส่เข้าไปเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เราสามารถปรับเปลี่ยนปริมาณไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนอุปกรณ์หรือมีการเคลื่อนไหวทางกลศาสตร์ ซึ่งสิ่งนี้ตัวต้านทานไม่สามารถทำได้          โดยทั่วไปแล้ว ภายในเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เราพบเห็นกันในชีวิตประจำวัน หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หนึ่งๆ อาจมีตัวต้านทานหรือทรานซิสเตอร์อยู่เป็นจำนวนมาก ทำให้อุปกรณ์ที่ได้มีขนาดใหญ่ เพราะต้องมีพื้นที่ในการจัดเก็บแผงวงจรไฟฟ้าขนาดใหญ่ จึงได้มีความพยายามลดขนาดของอุปกรณ์ลง เกิดเป็นแผ่นวงจรรวม (integrated circuit: IC) ขึ้นมา

            ในแผ่นวงจรรวมหนึ่งตัว อาจมีอุปกรณ์รวมถึงวงจรอิเล็กทรอนิกส์เล็กๆเป็นจำนวนมากมายมหาศาลอัดแน่นอยู่ภายใน ทำให้เกิดการประหยัดพื้นที่ ลดการใช้พลังงาน และทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้ามีขนาดที่เล็กลงเรื่อยๆ ในมุมหนึ่งวงจรอิเล็กทรอนิกส์ก็เหมือนตัวเชื่อมผสานระหว่าง ฟิสิกส์ นวัตกรรม เทคโนโลยี และศิลปะเข้าไว้ด้วยกัน

            นอกจากตัวต้านทานและทรานซิสเตอร์แล้ว วงจรอิเล็กทรอนิกส์ ยังมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆอีกที่น่าสนใจที่ทำงานด้วยพฤติกรรมทางฟิสิกส์ในรูปแบบต่างๆกันอีกมาก อาทิ ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเป็นต้น ซึ่งท่านผู้อ่านสามารถติดตามต่อได้ในฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์ตอนที่2: แม่เหล็กและการควบคุมจักรกล

 

อ้างอิง

[1] https://www.tesla.com/model3 (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[2] https://www.slideshare.net/JoyprakashLairenlakpam/ee304-20130802-graph 
     (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[3] https://www.theengineeringprojects.com/2018/01/introduction-to-resistors.html 
     (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[4] https://components101.com/sites/default/files/components/Bipolar-Junction-Transistor.png  
     (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[5] https://www.homemade-circuits.com/load-line-analysis-in-bjt-circuits/  
    (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[6] https://www.plm.automation.siemens.com/media/global/en/AI_Artificial%20Intelligence%
     20image_tcm27-67195.jpg (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)
[7] https://ipo.gov.tt/wp-content/uploads/2017/10/functions-IntegratedCircuits.jpg 
    (สืบค้นเมื่อวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2563)