ปริมาณทางไฟฟ้า1

ปริมาณทางไฟฟ้า หมายถึง ปริมาณพื้นฐานของวิชาไฟฟ้าที่ประกอบด้วยเรื่อง กระแสไฟฟ้า  ความต่างศักย์ไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้า ซึ่งนักเรียนสามารถศึกษาค้นคว้าได้ไปตามลำดับ

ไฟฟ้า (Electric)

ไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปหนึ่ง ที่แฝงอยู่ในการเคลื่อนที่ของอิเลกตรอน(Electron) ซึ่งเหมือนกับพลังงานรูปอื่นๆที่แฝงอยู่ในวัตถุต่างๆและมีหลายรูป เช่น พลังงานความร้อน พลังงานเคมี พลังงานจากเชื้อเพลิงต่างๆ(ถ่าน แกลบ ถ่านหิน น้ำมัน ปิโตรเลี่ยม แก๊สต่างๆ) พลังงานลม พลังงานน้ำตก พลังงานน้ำขึ้น-น้ำลง พลังงานนิวเคลียร์ พลังงานไฟฟ้า พลังงานความร้อนใต้พิภพ พลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานในรูปอื่นๆที่มนุษย์ยังค้นไม่พบ พลังงานเหล่านี้สามารถเปลี่ยนรูปได้ จากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่ง ตามกฏความถาวรของพลังงาน  ที่กล่าวว่า "พลังงานไม่มีการสูญหายแต่สามารถเปลี่ยนจากพลังงานรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้ "

การที่จะนำพลังงานรูปแบบต่างๆในธรรมชาติเหล่านี้มาใช้ประโยชน์ของมนุษย์นั้นค่อนข้างยากลำบากเพราะแหล่งพลังงานบางอย่างอาจอยู่ไกลมาก  การขนย้ายอาจยากลำบาก  เครื่องมือขนย้ายอาจมีขนาดใหญ่เทอะทะ  อาจกืดขวาง  อาจต้องลงทุนมาก  และอื่นๆ    ยังมีพลังงานรูปหนึ่งที่ถูกมนุษย์นำมาใช้มากที่สุด  คือ  พลังงานไฟฟ้า       เพราะพลังงานไฟฟ้าสามารถส่งไปได้ระยะทางไกลๆ    พลังงานไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานรูปอื่นได้ง่าย  ใช้ง่ายสะดวกและรวดเร็ว  ไม่กีดขวาง  มีประสิทธิภาพ  อีกทั้งเครื่องมือเครื่องใช้ภายในบ้านที่ต้องใช้แรงคน  แรงสัตว์  แรงลูก  แรงพ่อ  แรงแม่ (เรียกว่าพลังงานกล) เหล่านี้ ได้ถูกเปลี่ยนให้มาใช้กับพลังงานไฟฟ้ากันหมดแล้ว        

เครื่องมือเครื่องใช้ภายในบ้าน ที่ใช้กับพลังงานไฟฟ้า เราเรียกว่า  เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน    ดังนั้นพลังงานในธรรมชาติรูปแบบต่างๆที่มนุษย์ค้นพบ จะถูกนำมาเปลี่ยนรูปให้เป็นรูปพลังงานไฟฟ้า หมด ด้วยเครื่องมือที่สามารถเปลี่ยนรูปพลังงานในธรรมชาติให้เป็นพลังงานไฟฟ้า  

ดังนั้น เมื่อเราเปิดเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน  การทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าจะเปลี่ยนรูปของพลังงานไฟฟ้ากลับไปเป็นพลังงานรูปอื่นที่เราต้อง เช่น หลอดไฟฟ้าทุกชนิด การทำงานจะเปลี่ยนรูปพลังงานไฟฟ้ากลับมาเป็นพลังงานแสงสว่าง  , หม้อหุงข้าวไฟฟ้า,เตาไฟฟ้า ฯลฯ จะเปลี่ยนรูปพลังงานไฟฟ้ากลับมาเป็นพลังงานความร้อน  เป็นต้น

แต่เนื่องจากพลังงานไฟฟ้า จะอยู่โดดเดี่ยวไม่ได้  
พลังงานไฟฟ้าจะอาศัยอยู่กับกระแสไฟฟ้าเท่านั้น  ดังนั้น กระแสไฟฟ้าจึงเป็นเพียงพาหนะของพลังงานไฟฟ้า

นั่นคือ เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านจะทำงานได้ เช่น ให้แสงสว่างแก่เรา , ให้พลังงานความร้อนทำให้อาหารสุก,น้ำเดือด , ให้พลังงานกล พัดลมหมุน หรือให้เสียงให้ภาพ แก่เราได้นั้น เป็นเพราะเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านเหล่านี้ได้รับพลังงานไฟฟ้าจึงทำงาน โดยที่กระแสไฟฟ้านำพลังงานไฟฟ้าไปส่างให้แล้วกระแสไฟฟ้าก็ไหลกลับแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า (ดังภาพ)

ไฟฟ้า  เกิดจาก การเคลื่อนที่ของอิเลกตรอนผิวนอกของโลหะตัวนำ(อิเลกตรอนอิสระ) ซึ่งไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของสาร  เพื่อให้เข้าใจธรรมชาติของไฟฟ้า จึงด้องศึกษาโครงสร้างของอะตอม(Atom)ชึ่งเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสาร

โครงสร้างอะตอม
(ดู Vedio ส่วนประกอบของอะตอม)

ภาพแสดงโครงสร้างอะตอมของธาตุคาร์บอน
1 อะตอมของธาตุคาร์บอน ประกอบด้วย 6 อิเลกตรอน ซึ่งโคจรรอบนิวเคลียส(Nucleus)  ซึ่งใน
นิวเคียส มี 6 โปรตรอน และ  6  นิวตรอน

-ธาตุไฮโดรเจน( H)  1  อะตอม
มี  1 electron   1  Proton

 -ธาตุฮีเลียม (He)  1  อะตอม
  มี  2  electron   2  Proton

 -ธาตุลิเทียม ( Li )  1  อะตอม
   มี  3  electron  3 Proton

  -ธาตุโวเดียม ( Na )  1  อะตอม
    มี  11  electron     11  Proton

รูปแสดง อิเลกตรอนผิวนอกของโลหะ

ถ้าเราสามารถนำเอาอิเลกตรอนผิวนอกของโลหะออกมาได้ เรียกว่า อิเลกตรอนอิสระ  แล้วทำให้จำนวนอิเลกตรอนอิสระเคลื่อนที่หรือให้ไหล เรียกว่า  ไฟฟ้า(Electric)

     รูปแสดง  การไหลหรือการเคลื่อนที่ของอิเลกตรอนอิสระ เรียกว่า ไฟฟ้า (Electric)     
                     
( การทำให้อิเลกตรอนผิวนอกของโลหะหลุดเป็นอิสระ ทำได้หลายวิธี เช่น  การขัดสี,การถู หรือการใช้สนามแม่เหล็กผลักอิเลกตรอนผิวนอกให้ไหลในลวดตัวนำ)

ไฟฟ้า(Electric)   แบ่งออกได้ 2 ประเภท  คือ
-ไฟฟ้าสถิต (Static Electricity) หมายถึง กลุ่มอิเลกตรอนทีไม่เคลื่อนที่ หรือ กลุ่มอิเลกตรอนที่อยู่บนพื้นผิวของสาร จะทำให้พื้นที่บริเวณนั้นมีอำนาจไฟฟ้าเป็น ลบ หรือแสดงประจุไฟฟ้าลบ
-ไฟฟ้ากระแส  ( Current  Electricity) หมายถึง กลุ่มอิเลกตรอนที่กำลังเคลื่อนที่ หรือกำลังไหล

( ดังนั้น อนุภาคที่เป็นไฟฟ้า ได้แก่  อนุภาคอิเลกตรอน = แสดงอำนาจไฟฟ้าลบ , อนุภาคโปรตรอน = แสดงอำนาจไฟฟ้าบวก , อนุภาคไอออนบวก , ไอออนลบ)

         กระแสไฟฟ้า  ( Electric Current)    หมายถึง การเคลื่อนที่หรือการไหลของอิเลกตรอนอิสระ (หรือประจุไฟฟ้า)จำนวนมากมายมหาศาลผ่านจุดใดจุดหนึ่งใน เวลา 1 วินาที
กระแสไฟฟ้า  มี 2 ชนิด คือ
1. กระแสไฟฟ้าตรง (Direct  Current = D.C.) หมายถึง กระแสไฟฟ้าที่ไหลอย่างต่อเนื่องไปในทิศทางเดียวตลอด ได้แก่ กระแสไฟฟ้าที่ได้จาก เซลไฟฟ้า , ถ่านไฟฉาย , แบตเตอรี , เซลสุริยะ ฯลฯ
2. กระแสไฟฟ้าสลับ (Alternating Current = A.C.) หมายถึง กระแสไฟฟ้าที่ไหล กลับ-ไป กลับ-มา และมีทิศทางไป-มา ตลอดเวลา ได้แก่ ไฟฟ้าที่ส่งมาจากโรงไฟฟ้า หรือ เรียกว่า ไฟฟ้าบ้าน นั่นเอง

จากภาพ  กระแสไฟฟ้า เป็นตัวนำพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดหรือแหล่งผลิต ไปคายพลังงานไฟฟ้าให้กับเครื่องใช้ไฟฟ้า โดยกระแสไฟฟ้าจะไหลหรือเคลื่อนที่ไปบนตัวนำไฟฟ้า

       สารที่พบในชีวิตประจำวัน มีสมบัติในการนำไฟฟ้าได้ต่างกัน สามารถจำแนกสารตามสมบัติการนำไฟฟ้า ได้เป็น 3 ประเภท  ดังนี้

1. ตัวนำไฟฟ้า (Conductor) หมายถึง สารที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเองไปได้  ส่วนใหญ่  คือโลหะ ต่างๆ (เนื่องจากอะตอมของโลหะจะมีอิเลกตรอนวงนอกสุดที่เคลื่อนที่ได้อิสระ) โลหะตัวนำไฟฟ้า ได้แก่ 1. เงิน 2. ทองแดง 3. ทองคำ 4. อลูมิเนียม 5. ทังสะเตน 6. สังกะสี  7. ทองเหลือง 8. เหล็ก 9. พลาตินั่ม 10. คาร์บอน   (เรียงจาก ความนำไฟฟ้าสูงสุด ไปหาความนำไฟฟ้าต่ำสุด )

  ความนำไฟฟ้า (Conductance : G) เป็นสมบัติของตัวนำไฟฟ้าหรือลวดตัวนำไฟฟ้าแต่ละเส้น

  ลวดตัวนำไฟฟ้า เส้นใด  นำไฟฟ้าได้ดีได้มาก   ลวดตัวนำไฟฟ้านั้นจะมีค่าความนำไฟฟ้าสูง

ส่วนของเหลวที่นำไฟฟ้าได้ ส่วนใหญ่เป็นสารละลาย เรียกว่า สารละลายอิเลกโทรไลต์(Electrolyte)โดยตัวละละาย(Solute)สามารถแตกตัวเป็น ไออน(Ion) ได้

ส่วนแก๊ส ในภาวะปกติจะไม่นำไฟฟ้า ยกเว้นเมื่ออยู่ในภาวะที่มีความดันต่ำมากๆ จึงจะนำไฟฟ้าได้

2. สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) หมายถึง สารที่อยู่ในภาวะปกตินำไฟฟ้าได้ดีกว่าฉนวนไฟฟ้า แต่นำไฟฟ้าได้น้อยกว่าตัวนำไฟฟ้า  ส่วนใหญ่เป็นธาตุกึ่งโลหะ(Metalloid) เช่น ซิลิคอน(Si) , เจอร์มาเนียม(Ge) , อาร์เซนิก(As) , พลวง(Sb)

3. ฉนวนไฟฟ้า (Insulator) หมายถึง สารที่ไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวมันไปได้ เช่น อโลหะ , แก้ว , ไม้ , พลาสติก , กระเบื้องเคลือบ

ของเหลวบริสุทธิ์ส่วนใหญ่ไม่นำไฟฟ้า เช่น น้ำบริสุทธิ์ , คาร์บอนไดซัลไฟต์ , เอทานอล , เฮกเซน

                     การผลิตกระแสไฟฟ้า
     จากบทเรียนข้างต้น เราทราบแล้วว่า เครื่องใช้ไฟฟ้าทุกประเภทสามารถทำงานให้เราได้นั้น ต้องได้รับพลังงานไฟฟ้า แต่พลังงานไฟฟ้าจะอาศัยอยู่กับกระแสไฟฟ้าเท่านั้น  ดังนั้น การผลิตกระแสไฟฟ้า ก็สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าออกมาด้วย 
    การผลิตกระแสไฟฟ้าหรือแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า สามารถทำได้โดยใช้เครื่องมือที่เปลี่ยนรูปพลังงานชนิดต่างๆหรือพลังงานรูปอื่นๆในธรรมชาติ ให้เป็นรูปพลังงานไฟฟ้าโดยมีกระแสไฟฟ้านำไปส่งให้แก่เครื่องใช้ไฟฟ้า

   แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า  แบ่งได้ 2 ประเภท

1.แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า ขนาดเล็ก ได้แก่  เซลล์ไฟฟ้าเคมี , เซลล์สุริยะ 

2.แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า ขนาดใหญ่ ได้แก่  ไดนาโม

 

  เซลล์ไฟฟ้าเคมี (Electric Cell) คือ แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้า สามารถให้พลังงานไฟฟ้าได้ทันที  แต่ปริมาณพลังงานไฟฟ้ามีไม่มาก และให้ไฟฟ้ากระแสตรง(D.C.)   สามารถแบ่งได้เป็น 2 ชนิด คือ

1.เซลล์ไฟฟ้าปฐมภูมิ (Primary Cell) หมายถึง เซลล์ไฟฟ้าที่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ทันที เมื่อเสร็จใหม่ๆ เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าหมดแล้วต้องทิ้งไป ไม่สามารถนำเซลล์ไฟฟ้ากลับมา ประจุ(Charge)ไฟฟ้าใหม่ได้ เช่น เซลล์ไฟฟ้าเคมีของวอลตา(Voltaic Cell) , ถ่านไฟฉาย(Dry Cell) ขนาดต่างๆ , เซลลฺอัลคาไลน์ , เซลล์เงิน , เซลล์ปรอท

2.เซลล์ไฟฟ้าทุติยภูมิ(Secondary Cell) หมายถึง เซลล์ไฟฟ้าที่ไม่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ทันที่ เมื่อผลิตเสร็จใหม่ๆ จะต้องนำมาประจุ(Charge)ไฟฟ้าเสียก่อน จึงนำไปใช้จ่ายกระแสไฟฟ้าได้ และเมื่อใช้กระแสไฟฟ้าหมดแล้วสามารถนำกลับมาประจุ(Charge)ไฟฟ้าใหม่ได้ เช่น เซลล์ไฟฟ้าแบบตะกั่ว , เซลล์ไฟฟ้าแบบนิกเกิล-แคดเมียม

ตัวอย่างการทำงานเซลล์ไฟฟ้าเคมี

1.เซลล์ไฟฟ้าเคมีวอลต้าอิค (Voltaic Cell)

ส่วนประกอบของเซลล์ไฟฟ้า

-1.อิเลกโทรด(Electrode) คือ  โลหะที่จุ่มในสารละลายที่นำไฟฟ้า ทำหน้าที่ เป็นขั้วไฟฟ้า คือ

-แอโนด(Anode) เป็นขั้วไฟฟ้าบวก (+)  จากรูป คือ แผ่นทองแดง (Cu)

-แคโทด(Cathode) เป็นขัวไฟฟ้าลบ (-)   จากรูป คือ สังกะสี (Zn)

-2.อิเลกโทรไลต์ (Electrolyte) คือ สารละลายที่เป็นของเหลว ทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าได้ ซึ่งสารละลายนี้สามารถแตกตัวเป็น ไอออน ได้

(คำว่า ไอออน( ion) คือ อะตอมหรือกลุ่มอะตอมที่มีประจุไฟฟ้า แบ่งได้ 2 พวก คือ

-ไอออนบวก(Anion) เกิดจากอะตอมของโลหะที่เสียอิเลกตรอนไป ทำให้อะตอมของโลหะนี้มีประจุไฟฟ้าบวก หรือ กลุ่มอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก เช่น โซเดียมไอออน (Na+) , โพแทสเซียมไอออน(K+) , แอมโมเนียไอออน (NH4+)  
-ไอออนลบ (Cathion) เกิดจากอะตอมของโลหะที่รับอิเลกตรอนเพิ่มเข้ามา หรือกลุ่มของอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าลบ เช่น คลอไรด์ไอออน(CL-) , ไอโอไดด์ไออน(I-) , ซัลเฟตไอออน(SO42-)

                                     ภาพแสดงส่วนประกอบของวอลต้าอิคเซลล์

การทำงาน

เมื่อจุ่มโลหะ Electrode ทั้งสองชนิดลงในสารละลาย Electrolyte โลหะแต่ละชนิดในสารละลายแตกตัวเป็นไอออนได้ไม่เท่ากัน สังกะสีแตกตัวได้ดีและได้มากกว่าทองแดง  จึงทำให้แผ่นทองแดง(Cu) เกิดศักย์ไฟฟ้าสูง(มีระดับพลังงานไฟฟ้าสูง)เมื่อเทียบกับแผ่นสังกะสี( Zn) ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าต่ำ = 0 (ไม่มีพลังงานไฟฟ้า)  กระแสอิเลกตรอนจะไหลจากแผ่นสังกะสี ขั้วลบ ผ่านเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าไปยังแผ่นทองแดงขั้วบวก เพื่อไปรับพลังงานไฟฟ้าแล้วเปลี่ยนเป็นกระแสไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้า= กระแสอิเลกตรอน+พลังานไฟฟ้า)  จากนั้น กระแสไฟฟ้าจะไหลจากแผ่นทองแดงขั้วบวกไปส่งพลังงานไฟฟ้าให้แก่เครื่องวัดกระแสไฟฟ้า (ทำให้เข็มกระดิก) แล้วกระแสอิเลกตรอนก็ไหลต่อไปยังแผ่นสังกะสี ขั้วลบ

ดังนั้น กระแสไฟฟ้า จะไหลจากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าสูง (ขั้วบวก) ไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำ(ขั้วลบ)

  ในเวลาเดียวกันนั้น  สารละลาย Electrolyte คือสารละลายกรดซัลฟิวริกเจือจางแตกตัวเป็นไอออน ดังนี้

ไฮโดรเจน  H2+ จะเข้าไปรับอิเลกตรอนที่แผ่นทองแดงแล้วเปลี่ยนเป็นแก๊สไฮโดรเจน H2 เกาะที่แผ่นทองแดงและมีผลทำให้แผ่นทองแดงมี ไอออนลบน้อยกว่าแผ่นสังกะสีตลอดเวลา  หรือแผ่นทองแดงมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าแผ่นสังกะสี (กระแสอิเลกตรอนไหลผ่านเครื่องวัดกระแสได้ตลอดเวลา)   ส่วน

ซัลเฟตไอออนจะรวมตัวกับสังกะสีไอออนเกิดสังกะสีซัลเฟต และตกตะกอน  แผ่นสังกะสีจะสึกกร่อนตลอดเวลา  ดังสมการ

2. ถ่านไฟฉาย หรือเซลล์แห้ง (dry cell) หรือเซลล์เลอคลังเช (leclanche cell) มีลักษณะดังรูป

-1.อิเลกโทรด(Electrode) คือ โลหะที่นำไฟฟ้าได้ ทำหน้าที่ เป็นขั้วไฟฟ้า ได้แก่

-แอโนด(Anode) เป็นขั้วไฟฟ้าบวก (+) จากรูป คือ แท่งถ่านแกรไฟต์ มีฝาครอบเป็นทองแดง
-แคโทด(Cathode) เป็นขัวไฟฟ้าลบ (-) จากรูป คือ สังกะสี (Zn) เป็นเปลือกหุ้มหรือตัวถัง

-2.อิเลกโทรไลต์ (Electrolyte) คือ สารของผสมที่เป็นของเหลวหนืดเหนียว ประกอบด้วย
1.แมงกานิสไดออกไซด์(MnO2) ทำหน้าที่ ช่วยให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ถ่านไฟฉายคงที่
2.ผงถ่าน ช่วยในการนำไฟฟ้า
3.แอมโมเนียคลอไรค์ (NH3Cl) ทำหน้าที่เป็นสารละลายอิเลกโทรไลต์
4.กาว
ส่วนผสมทั้งหมดนี้ถูกบรรจุอัดอยู่ในกระบอกสังกะสี ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าลบ 

ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ใหม่มีค่าเท่ากับ 1.5 โวลต์ และข้อดีของถ่านไฟฉายคือราคาถูก

3.เซลล์ทุติยภูมิ (secondary cell) หรือ reversible cell) หมายถึง

คือ  เซลล์ไฟฟ้าที่เมื่อใช้กระแสไฟฟ้าหมดแล้วสามารถนำไปประจุไฟฟ้า ( Charge ) เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ได้อีก  เช่น  เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม  

                                                       

4.เซลล์แอลคาไลน์  

เซลล์แอลคาไลน์ให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 V ให้กระแสไฟฟ้าได้นานกว่าเซลล์แห้ง เพราะว่าอิเล็กโทรไลต์มีความเข้มข้นคงที่ เนื่องน้ำและ OH– ที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาหมุนเวียนกลับไปเป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยาได้อีก

5. เซลล์เงิน  

มีส่วนประกอบและหลักการเกิดปฏิกิริยาคล้ายกับเซลล์แอลคาไลน์ ใช้สังกะสีเป็นแอโนด และแผ่นเหล็กที่สัมผัสกับซิลเวอร์ออกไซด์เป็นแคโทด เซลล์เงินมีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 5V มีขนาดเล็ก มีอายุการใช้งานได้นาน แต่ราคาแพง ใช้กับกล้องถ่ายรูป เครื่องตรวจการเต้นของหัวใจ เครื่องช่วยฟัง

6.เซลล์ปรอท





มีส่วนประกอบคล้ายกับเซลล์แอลคาไลน์ แต่ใช้ HgO แทน MnO2 และใช้แผ่นเหล็กเป็นขั้วแคโทด อิเล็กโทรไลต์คือ KOH หรือ NaOH ผสมกับ Zn(OH)2

เซลล์ปรอทเป็นเซลล์ที่มีขนาดเล็ก ให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.3 V แต่มีข้อดีคือให้ศักย์ไฟฟ้าเกือบคงที่ตลอดอายุการใช้งาน นิยมใช้กับเครื่องคิดเลข นาฬิกา กล้องถ่ายรูป เครื่องตรวจการเต้นของหัวใจ





7. เซล์สุริยะ (Solar cell)

เซลล์ที่สามารถนำพลังงานแสงอาทิตย์มาเปลี่ยนให้เป็นพลังงานไฟฟ้า เซลล์สุริยะ ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ 2 ชั้น

1. ชั้นบนหรือแผ่นบน เป็นชั้นที่รับแสงประกอบด้วยสารซิลิคอน(Si)ผสมด้วยสารฟอสฟอรัส(P) ชั้นบนจะบางกว่าชั้นล่าง เพื่อให้แสงสามารถส่องทะลุลงไปถึงชั้นล่างได้
2. ชั้นล่างหรือแผ่นล่าง ประกอบด้วย สารซิลิคอนผสมด้วยสารโบรอน







เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบแผ่นบน จะเกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสารกึ่งตัวนำทั้งสอง เมื่อต่อสายไฟฟ้าระหว่างแผ่นสารทั้งสอง ก็จะมีกระแสไฟฟ้าไหลจากชั้นล่างไปตามสายไฟฟ้าไปยังแผ่นสารชั้นบน

นั่นคือ ชั้นบน จึงเป็นขั้วลบ ส่วนชั้นล่าง เป็นขั้วบวก




2.แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า ขนาดใหญ่

แหล่งผลิตกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ คือ ไดนาโม หรือ เจเนอร์เรเตอร์(Generator ) เป็นเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าที่มีอยู่ที่โรงไฟฟ้า ผลิตกระแสไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้าให้มีปริมาณมาก และเพียงพอในการจ่ายไปส่งให้ตามบ้านเรือนทุกหลัง ทั้งหมู่บ้าน ตำบล อำเภอ จังหวัด เขต และทั้งประเทศ ได้แก่ โรงไฟฟ้าจากการเผาเชื้อเพลิง , โรงไฟฟ้าพลังงานน้ำ,เขื่อน , พลังงานลม และอื่นๆ
    กระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้โดยอาศัยหลักการเหนี่ยวนำไฟฟ้า( Induced Current) กระแสไฟฟ้านี้เรียกใหม่ว่า " กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ( Induced Current)" ผู้ที่ค้นพบหลักการนี้ คือ ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ
กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ( Induced Current) หมายถึง กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่เข้า-ออกของแท่งแม่เหล็ก ผ่านขดลวดทองแดง หรือ การเคลื่อนที่เข้า-ออกของขดลวดทองแดง ผ่านตัดแท่งแม่เหล็ก ซึ่งจะทำให้สนามแม่เหล็กบริเวณขดลวดทองแดงเกิดการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น

อธิบายเพิ่มเติม นักเรียนทราบแล้วว่า แท่งแม่เหล็กถาวร จะมีสนามแม่เหล็กพุ่งออกจากขั้วเหนือเป็นเส้นๆ เรียกว่า ฟลักซ์แม่เหล็ก(Flux Lines) และมีสมบัติ ดังรูป

การเคลื่อนที่เข้า-ออกของแท่งแม่เหล็กอย่างรวดเร็ว หรือ ให้แท่งแม่เหล็กอยู่นิ่งแต่เคลื่อนที่ขดลวดทองแดงเข้า-ออกอย่างรวดเร็ว   เป็นการเคลื่อนที่ตัดผ่านของเส้นแรงแม่เหล็ก(Flux Lines)กับขดลวดทองแดง (flux แม่เหล็กสามารถพุ่งทะลุเข้าไปในโครงสร้างอะตอมของลวดทองแดงได้ )  ทำให้ flux แม่เหล็กอยู่ไม่นิ่ง เกิดการเกว่งไป-มา การเกว่งไป-มาของflux แม่เหล็ก จะไปผลักหรือกวาดอิเลกตรอนที่อยู่ผิวนอกๆของอะตอมทองแดงให้หลุดเป็นอิสระ หรือ วาเลนซ์อิเลกตรอน  เคลื่อนที่ออกจากทุกๆอะตอมไปตามความยาวของลวดทองแดงเป็นกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

      ไดนาโม (Dynamo)  มี 2 ชนิด
1. ไดนาโมกระแสตรง (D.C.dynamo) คือ ไดนาโมที่ผลิตกระแสไฟฟ้ากระแสตรง(D.C.)
2. ไดนาโมกระแสสลับ (A.C. dynamo) คือ ไดนาโมที่ผลิตกระแสไฟฟ้ากระแสสลับ (A.C.)

กระแสไฟฟ้า มี 2 ประเภท

1. กระแสไฟฟ้าตรง หรือ กระแสตรง (Direct  Current) ย่อ D.C.  หมายถีงกระแสไฟฟ้าที่นำพลังงานไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียวตลอดเวลา หยุดไหลเมื่อแหล่งจ่ายหมด เหมือนกับน้ำที่ไหลในท่อน้ำหรือสายยาง ไหลอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวตลอด ไม่ขาดตอน จนน้ำหมด เช่น กระแสไฟฟ้าจากเซลล์ไฟฟ้าทุกชนิด , แบตเตอรี , ไดนาโมกระแสตรง 

2. กระแสไฟฟ้าสลับ หรือ กระแสสลับ (Alternating  Current) หรือเรียกว่า ไฟฟ้าบ้าน  ย่อ A.C.  หมายถึง กระแสไฟฟ้าที่ไหลกลับไป-กลับมา อยู่ตลอดเวลา เช่น กระแสไฟฟ้าจากไดนาโมกระสลับ

ส่วนประกอบของไดนาโม

1.แท่งแม่เหล็กถาวรความเข้มสูง  2 แท่ง จะหันขั้วต่างกันเข้าหากัน เพื่อให้เกิดสนามแม่เหล็ก โดยจะมีเส้นแรงแม่เหล็ก(flux) พุ่งจากขั้ว N ไปขั้ว S  และบริเวณใกล้ ขั้ว N จะเป็นบริเวณทีมีความเข้มของสนามแม่เหล็กมากที่สุด

2.ขดลวดอาร์มาเจอร์ หรือ โรเตอร์ (Armature หรือ Rotor) เป็นขดลวดทองแดงอาบน้ำยา(ฉนวนไฟฟ้า)นำมาพันรอบแกนเหล็กอ่อน ตามจำนวนรอบที่กำหนด โดยปลายทั้งสองขดลวดจะต่ออยู่กับวงแหวนที่ทำหน้าที่จ่ายไฟฟ้าออกสู่วงภายนอก  ขดลวดอาร์มาเจอร์จะวางอยู่ในสนามแม่เหล็กและหมุนได้

3.วงแหวน (Output Ring) คือส่วนที่ทำหน้าที่จ่ายไฟฟ้าออกจากขดลวดอาร์มาเจอร์ ออกสู่วงจรภายนอก  วงแหวนมี 2 ชนิด 

3.1 วงแหวนลื่น (Slip Ring) เป็นวงแหวนทองแดง 2 วง ใช้กับไดนาโมกระแสไฟฟ้าสลับ

3.2 วงแหวนแยก หรือ คอมมิวเตเตอร์ (Commutator) เป็นวงแหวนผ่าซีก 2 ชิ้น ใช้กับไดนาโมกระแสตรง

4. แปรงตัวนำ เป็นแผ่นทองแดงโดยมีหน้าสัมผัสเสียดสีกับวงแหวนทั้งสองเมื่อขดลวดอาร์มาเจอร์หมุน จัดเป็นขั้วไฟฟ้าให้กระแสไฟฟ้าไหล จากรูปคือ แปรง ก. และ แปรง ข.   

1.ไดนาโมกระแสตรง (D.C.Dynamo)

                                                       

-พิจารณาจากรูปซ้ายสุด เส้นแรงแม่เหล็กจะพุ่งจากขั้ว N ไปสู่ขั้ว S พิจารณาขดลวดด้านที่ไม่ระบายสีดำ เมื่อหมุนขดลวดครึ่งรอบแรก เส้นแรงแม่เหล็กจะกระทำกับขดลวดใกล้ขั้ว N เหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลเข้าไปด้านในผ่านขดลวดระบายสีดำออกมาที่วงแหวน ก.ผ่านแปรงตัวนำ ก.ไหลไปคายพลังงานไฟฟ้าให้แก่เครื่องวัดกระแสไฟฟ้า เข็มกระดิกจากขวาไปซ้าย

-พิจารณาการหมุนครึ่งรอบหลัง จะเห็นว่าขดลวดด้านที่ระบายสีดำมาอยู่ใกล้ขั้ว N เส้นแรงแม่เหล็กจะกระทำกับขดลวดสีดำใกล้ขั้ว N เหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลเข้าไปด้านในผ่านขดลวดด้านที่ไม่ระบายสีดำออกมาที่วงแหวน ก.ผ่านแปรงตัวนำ ก.อีกซึ่งจะเห็นว่า ทิศทางของกระแสไฟฟ้าไหลออกสู่วงจรภายนอกในทิศทางเดียวเท่านั้นไม่ว่าจะหมุนกี่รอบก็ตาม กระแสไฟฟ้าที่ได้จึงเป็น กระแสตรง และถ้าหมุนขดลวดให้เร็วขึ้น จะเกิดกระแสไฟฟ้ามากขึ้น

         ทิศการไหลของกระแสไฟฟ้า จะเป็นไปตาม กฎมือขวาของแฟรมมิง

2.ไดนาโมกระแสสลับ  (A.C.Dynamo)

-พิจารณาจากรูปซ้ายสุด เส้นแรงแม่เหล็กจะพุ่งจากขั้ว N ไปสู่ขั้ว S พิจารณาขดลวดด้านที่ไม่ระบายสีดำ เมื่อหมุนขดลวดครึ่งรอบแรก เส้นแรงแม่เหล็กจะกระทำกับขดลวดใกล้ขั้ว N เหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลเข้าไปด้านในผ่านขดลวดระบายสีดำออกมาที่วงแหวน ข.ผ่านแปรงตัวนำ ข.ไหลไปคายพลังงานไฟฟ้าให้แก่เครื่องวัดกระแสไฟฟ้า เข็มกระดิกจากซ้ายไปขวา

-พิจารณาการหมุนครึ่งรอบหลัง จะเห็นว่าขดลวดด้านที่ระบายสีดำมาอยู่ใกล้ขั้ว N เส้นแรงแม่เหล็กจะกระทำกับขดลวดสีดำใกล้ขั้ว N เหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลเข้าไปด้านในผ่านขดลวดด้านที่ไม่ระบายสีดำออกมาที่วงแหวน ก.ผ่านแปรงตัวนำ ก.ซึ่งจะเห็นว่า ที่ตรงปลายของขดลวดแต่ละเส้น ะเชื่อมติดกับแหวนลื่น โดยที่บดลวดหมุนไปแหวนลื่นก็จะหมุนตามไปด้วย และแหวนลื่นจะแตะสัมผัสกับแปรงตัวนำเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าสู่วงจรภายนอก จากภาพ จะเห็นว่าทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่ไหลออกสู่วงจรภายนอกมีการเปลี่ยนแปลงในทิศทางกลับไป-กลับมา เมื่อขดลวดหมุนไปครบ 1 รอบ

กระแสไฟฟ้าที่ได้จึงเป็น กระแสไฟฟ้าสลับ

มาเรียนรู้การผลิตกระแสไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านเรือน ชุมชนเมือง กัน

ไฟฟ้าบ้าน ไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านเรือนทั่วไป ชุมชน เมือง สถานที่ที่มีผู้คนอาศัยอยู่มาก  เป็นกระแสไฟฟ้าที่ผลิตจากโรงไฟฟ้า โดยใช้เครื่องมือผลิต คือ  เจเนอร์เรเตอร์ ( Generator ) หรือไดนาโมกระแสสลับ ขนาดใหญ่ เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้าให้มากพอ ที่จะส่งไปให้ บ้านเรือน ชุมชน เมือง และเพียงพอ

   เจเนอร์เรเตอร์ (Generator  ) หรือไดนาโมกระแสสลับ ขนาดใหญ่ที่ผลิตกระแสไฟฟ้าของโรงไฟฟ้า อาศัยหลักการเหนี่ยวนำไฟฟ้าให้ขดลวดทองแดงหมุนตัดสนามแม่เหล็ก  แต่ขดลวดทองแดงมีขนาดใหญ่มาก การหมุนจึงต้องใช้พลังงานจากธรรมชาติ เช่น พลังงานน้ำ , พลังงานลม , พลังงานไอน้ำ และอื่นๆ ดังภาพ



 (บน)  ภาพเครื่องกำเนิดไฟฟ้า(Generator)   (ล่าง)การผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้พลังงานธรรมชาติต่างๆ

       

  โรงไฟฟ้าพลังน้ำ 

 โรงไฟฟ้าพลังงานเชื้อเพลิง(ถ่านหิน)

                                                                                                                                                       

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

          โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์

                          

             พลังงานลม

                                                                                                                                               

ภาพ แท่งแม่เหล็กที่เรียงเป็นวงกลมรอบแกน มีขนาดใหญ่มาก เตรียมติดตั้งกับGenerator ของเขื่อนในประเทศจีน

การส่งพลังงานไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าที่ผลิตจากโรงไฟฟ้า ใช้หลักการเหนี่ยวนำไฟฟ้า (สนามแม่เหล็กหมุนตัดขดลวด หรือ การหมุนขดลวดตัดสนามแม่เหล็ก)   การหมุนขดลวดตัวนำ  ครบ 1 รอบ คือหมุนได้ 360 องศา ด้วยพลังงานกลจะเกิดคลื่น รูปคลื่นไซน์ 1 ลูกคลื่น  หรือ 1 รอบ ตามรูป



 

จากภาพ ถ้าขดลวดตัวนำนี้หมุนไปด้วยความเร็วคงที่และสภาพเส้นแรงแม่เหล็กมีความหนาแน่นเท่ากันตลอด จะทำให้เกิดจำนวนรอบของแรงเคลื่อนไฟฟ้า(แรงดันทางไฟฟ้า)เหนี่ยวนำต่อเนื่องกันไปตลอด จำนวนรอบที่เกิดขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลา เรียกว่า ความถี่ ( f )

ซึ่งกระแสไฟฟ้าสลับในประเทศไทยจะมีความถี่  50 รอบต่อวินาที (เฮิรตซ์) หรือ 50 Hz และการส่งกระแสไฟฟ้าสลับของประเทศไทยะมี 2 ระบบ คือ ระบบไฟฟ้า 1 เฟส  และระบบไฟฟ้า 3 เฟส

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

- ระบบไฟฟ้า  220 โวลต์(Volt)  50 เฮิรตซ์(Hz)  เฟสเดียว ระบบนี้มีสายไฟ  2 เส้น  สายหนึ่งเป็นสายที่มีกระแสไฟฟ้า เรียกว่า สายไลน์ (Line : L) หรือ อาจเรียกว่า สายมีไฟ , สายศักย์สูง     และอีกสาย เป็นสายไม่มีกระแสไฟฟ้า  เรียกว่า สายกลาง (Neutron : N)  หรือ สายไม่มีไฟ , สายศักย์ต่ำ = 0 

- ระบบไฟฟ้า 380 Volt  50 เฮืรตซ์  3 เฟส  ระบบนี้มีสายไฟฟ้าทั้งหมด  4 เส้น โดย 3  สาย เป็นสายที่มีกระแสไฟฟ้า หรือ สายมีไฟ (L1,L2,L3)  และความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสาย L แต่ละคู่ จะมีค่า 380 โวลต์  ส่วนอีกสายหรือสายเส้นที่ 4 เป็นสายกลาง(N) หรือสายไม่มีไฟ  ซึ่งความต่างศักย์ระหว่างสายไฟฟ้า L กับสายกลาง มีค่าเท่ากับ  220  โวลต์

จากภาพ  กระแสไฟฟ้าจากขดลวดทั้งสามขดของไดนาโมจะเกิดขึ้นไม่พร้อมกัน  โดยจะมีเฟสของกระแสไฟฟ้าต่างกันเฟส ละ 120 องศา  ซึ่งการที่เฟสของกระแสไฟฟ้าต่างกัน 120 องศา เกิดจากการที่ขดลวดทั้ง 3 ขด ในไดนาโมวางในตำแหน่งล้อมรอบแม่เหล็กซึ่งหมุนตลอดเวลา 

ไฟฟ้า 3 เฟส จะส่งมาตามสายไฟฟ้า 4 สาย การต่อไฟฟ้าเข้าบ้านนั้น การไฟฟ้าจะเป็นผู้ต่อให้โดยต่อจากสายไฟเฟสใดเฟสหนึ่ง 1 สาย และต่อจากสายกลาง(สายN) อีก 1 สาย เป็นไฟฟ้า 1 เฟส เพื่อใช้ในบ้าน  บ้านแต่ละหลังอาจต่อไฟฟ้าจากสายไฟคนละเฟสกันก็ได้ แต่ต้องใช้สายกลาง(สายN)ร่วมกัน

                                                              

จากภาพ   ลำดับขั้นตอนของการส่งพลังงานไฟฟ้า  มีดังนี้

  

การนำพลังงานไฟฟ้าเข้าไปใช้ในบ้าน  จะต้องนำไปต่อเข้ากับอุปกรณ์ และเคื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านให้เป็นวงจรไฟฟ้า

สำหรับ ไฟฟ้า 1 เป็นเรื่องบรรยาย ความหมายของกระแแสไฟฟ้า , พลังงานไฟฟ้า , แหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้า และอืนๆที่ควรรู้   และจบเพียงเท่านี้    ต่อไปจะเริ่มเรียน ไฟฟ้าคำนวณ  ในหัวข้อ 1.1 ไฟฟ้าคำนวณ   ก่อนจบ ให้นักเรียนพักสายตา คลายสมองที่ยัง งง ๆ  แล้วค่อยปิดบทเรียน Web Blog ของครู