ไฟฟ้ากระแสสลับ

ไฟฟ้ากระแสสลับ

ทฤษฎีอิเลคตรอน

ปรากฏการณ์ไฟฟ้าทุกชนิด อธิบายและคาดการณ์ไว้ล่วงหน้าได้ โดยตั้งข้อสมมุติไว้ว่ามีสิ่งเล็กๆ สิ่งหนึ่งเคลื่อนที่อยู่ สิ่งนั้นคือ “อิเลคตรอน” ทฤษฏีอิเลคตรอนนี้ได้ช่วยทำให้นักวิทยาศาสตร์คิดและค้นหาสิ่งใหม่ๆ ได้เป็นผลสำเร็จผิดกับในสมัยก่อนรู้จักทฤษฏีอิเลคตรอน ซึ่งดูเหมือนจะไม่มีทางคิดค้นสิ่งใหม่ๆ เหล่านั้นได้เลย ทฤษฏีอิเลคตรอนนี้ไม่เพียงแต่ใช้เป็นหลักในการออกแบบสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเลคโทรนิคส์ต่างๆ แล้ว ยังใช้อธิบายปฏิกิริยาเคมีได้อีกด้วย ผลก็คือทำให้นักเคมีพบสารเคมีใหม่ๆ ได้สำเร็จ เช่น ยาใหม่ๆ ดีๆ เป็นต้น ตั้งแต่ทฤษฏีอิเลคตรอนนี้เกิดขึ้นมา ได้มีผู้ค้นพบสิ่งใหม่ๆ มากขึ้นโดยเฉพาะในแขนงวิชาไฟฟ้า อิเลคโทรนิคส์ เคมี และฟิสิกซ์อะตอม จึงทำให้เราเชื่อได้ว่าอิเลคตรอนนี้มีจริง และวิชาไฟฟ้าที่ท่านกำลังจะศึกษาอยู่นี้ ก็อธิบายด้วยทฤษฏีอิเลคตรอนทั้งสิ้น ตามทฤษฎีกล่าวว่าปรากฏการณ์ไฟฟ้ามีกำเนิดขึ้นได้เพราะอิเลคตรอนเคลื่อนที่จากตำแหน่งหนึ่งไปสู่อีกตำแหน่งหนึ่ง หรือเป็นเพราะบางตำแหน่งมีอิเลคตรอนเกินมา และบางตำแหน่งมีอิเลคตรอนน้อยไปก็ได้*

ดังกล่าวมาแล้วไฟฟ้าเกิดจากอิเลคตรอน วิ่งจากจุดหนึ่งถึงจุดหนึ่ง หรือเกิดจากการที่วัสดุงานมีอิเลคตรอนเกินมา หรือขาดอิเลคตรอนไป ฉะนั้นก่อนที่ท่านจะเรียนปฏิบัติงานไฟฟ้า จึงควรจะต้องทราบว่าอิเลคตรอน คืออะไรและเคลื่อนที่อย่างไรเสียก่อน การที่จะทำให้อิเลคตรอนเคลื่อนที่ได้นั้น จะต้องมีพลังงานรูปอื่นเปลี่ยนรูปมาเป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานรูปอื่นที่เป็นตัวกระทำดังกล่าวหรือต้นพลังงานไฟฟ้านั้นมีอยู่ทั้งหมด 6 รูปด้วยกัน แต่ก่อนที่เราจะพูดถึงวิธีการที่พลังงานเปลี่ยนรูป ควรจะทราบเสียก่อนว่าอิเลคตรอนคืออะไร และมีโครงสร้างอย่างไร เสียก่อนดังนี้*

ในอนุภาคชิ้นเล็กที่สุดของสสาร ซึ่งยังสามารถแสดงคุณสมบัติเดิมให้รู้ว่าเป็นสารอะไรนั้นเรียกว่า Atom ใน Atom ของสารแต่ละชนิดจะประกอบด้วยอิเลคตรอน โปรตอน และนิวตรอน โดยมีโปรตอนรวมอยู่กับนิวตรอนเป็นแกนกลาง (Neucleus) และมีอิเลคตรอนวิ่งอยู่รอบๆ แกนกลางนั้น อิเลคตรอนก็ คือ อนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ (-) โปรตอนก็คืออนุภาคไฟฟ้าที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก (+) ส่วนนิวตรอนนั้นเป็นอนุภาคไฟฟ้าที่มีอิเลคตรอนที่มีอำนาจไฟฟ้า เป็นกลางคือ ไม่แสดงอำนาจเป็นบวกหรือลบ ซึ่งในขณะที่อิเลคตรอนวิ่งรอบๆ โปรตอนและนิวตรอนนั้น คล้ายๆ กับดาวเคราะห์ที่กำลังเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ในระบบสุริยะนั้นเอง*

การจะทำให้มีประจุไฟฟ้า หรืออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าได้นั้น จะต้องทำให้อิเลคตรอนหลุดออกมาจากอะตอม โดยใช้พลังงานภายนอกเข้าไปกระทำกับอะตอมซึ่งจะทำให้อิเลคตรอนบางตัวหลุดออกมาเป็นอิเลคตรอนอิสระอิเลคตรอนที่จะหลุดได้ง่าย คือ อิเลคตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกสุด (Valence electron) อิเลคตรอนที่หลุดออกมา หรืออิเลคตรอนอิสระนี้จะเป็นประจุไฟฟ้าลบ ( - ) และอะตอมที่ขาดอิเลคตรอนหรือมีอิเลคตรอนน้อยกว่าโปรตอนจะแสดงอำนาจไฟฟ้าเป็นประจุไฟฟ้าบวก (+ ) ตามธรรมชาติของสสาร พบว่าสารที่เป็นโลหะ เช่น ทองแดง อลูมิเนียม เงิน ทองคำ ฯลฯ จะให้อิเลคตรอนวงนอกสุดหลุดออกเป็นอิเลคตรอนอิสระได้ง่ายกว่าสารประเภทอื่นที่ไม่ใช้โลหะเมื่อพิจารณาในภาพที่ 1.3 แล้ว จะเห็นว่าโปรตอนนั้นอยู่ในนิวเคลียสประกอบกับโปรตอนมีมวลมากกว่าอิเลคตรอน จึงทำให้โปรตอนเคลื่อนที่ได้ยากกว่าอิเลคตรอน ดังนั้นการกล่าวถึงประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่โดยทั่วไปก็หมายถึงอิเลคตรอนนั้นเอง *

การกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

ค่าของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจะเกิดขึ้นมากหรือน้อยนั้น ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของขดลวดตัวนำขณะหมุนตัดกับเส้นแรงแม่เหล็กในสนามแม่เหล็กนั้น ถ้าทิศทางการเคลื่อนที่ของขดลวดตัวนำตั้งฉากกับเส้นแรงแม่เหล็ก แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะมีค่าสูงสุดและจะมีค่าน้อยลง เมื่อทิศทางการเคลื่อนที่ของขดลวดตัวนำตัดกับเส้นแรงแม่เหล็กในมุมน้อยกว่า 90๐ และจะมีค่าเป็นศูนย์เมื่อขดลวดตัวนำวางขนานกับเส้นแรงแม่เหล็ก*

จะเห็นว่าใน 1 วัฎจักรของการหมุนขดลวดตัวนำ คือ หมุนไป 360๐ ทางกลน้ำจะเกิดรูปคลื่นไซน์ 1 ลูกคลื่น หรือ 1 วัฎจักร ถ้าขดลวดตัวนำนี้หมุนด้วยความเร็วคงที่และสภาพของเส้นแรงแม่เหล็กมีความหนาแน่นเท่ากันตลอด รอบพื้นที่ของการตัดแรงดันไฟฟ้าสลับรูปคลื่นไซน์ที่จะมีค่าคงที่และถ้ามีการหมุนของขดลวดต่อเนื่องตลอดไป จะทำให้เกิดจำนวนรอบของแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำต่อเนื่องกันไป นั่นคือการเกิดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ *

ความถี่และคาบเวลาของไฟฟ้ากระแสสลับ

ความถี่ของกระแสสลับ (Frequency ตัวย่อ f) หมายถึง จำนวนวัฏจักรของการเกิดรูปคลื่นไซน์ต่อเวลา 1 วินาที

ถ้าเกิดรูปคลื่นไซน์ 2 วัฏจักรต่อเวลา 1 วินาที ก็แสดงว่าไฟฟ้ากระแสสลับที่เกิดขึ้นมีความถี่ 2 วัฏจักรต่อเวลา 1 วินาที หรือเรียกแทนในหน่วยเฮิรตซ์ (Hz) หรือความถี่ไฟฟ้ากระแสสลับ 50 เฮิรตซ์ ก็คือการเกิดรูปคลื่นไซน์จำนวน 50 วัฏจักรต่อเวลา 1 วินาที และจากรูป 4.2 รูปคลื่นไซน์นี้มีความถี่เท่ากับ 1 เฮิรตซ์ เป็นต้น*

ความถี่และคาบเวลาของไฟฟ้ากระแสสลับ

ค่าต่างๆ ที่สำคัญของรูปคลื่นไซน์ นอกจากความถี่และคาบเวลานั้นมีอีก 4 ค่า คือ ค่าสูงสุด(Maximum) ค่ายอดถึงยอด(Peak-to-Peak) ค่าเฉลี่ย(Average) และค่าใช้งาน(Effective)ค่ายอดถึงยอด วัตถุจากจุดยอดของรูปคลื่นไซน์ด้านบวกจนถึงจุดยอดของรูปคลื่นไซน์ด้านลบ นั่นคือ ค่ายอดถึงยอดเท่ากับ 2 เท่าของค่าสูงสุด ค่าเฉลี่ย ค่าเฉลี่ยของรูปคลื่นไซน์นั้นเราพิจารณาเฉพาะด้านใดด้านหนึ่ง คือด้านบวกหรือด้านลบเพียงด้านเดียว เพราะถ้าพิจารณาทั้งวัฏจักรจะได้ค่าเฉลี่ยเท่ากับศูนย์ ดังนั้นค่าเฉลี่ยจึงเป็นปริมาณทางไฟตรง พิจารณาตั้งแต่ 0 องศา ถึง 180 องศา*

ค่าแรงดันใช้งาน (Effective Voltage) ปกติเมื่อนำมิเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ เช่น AC.Voltmeter หรือ RMS. Voltmeter ไปวัดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่เต้ารับในบ้านจะอ่านค่าได้ 220 V เมื่อนำเครื่องมือวัดรูปร่างของรูปคลื่นไฟสลับ (ไซน์) ดังกล่าว เช่น นำออสซิลโลสโคปไปวัดจะได้รูปคลื่นไซน์ *