พลังงานไฟฟ้า
จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
พลังงานไฟฟ้า (อังกฤษ: electrical energy) เป็นพลังงานที่ได้จากพลังงานศักย์หรือพลังงานจลน์ ไฟฟ้าเมื่อถูกใช้อย่างหลวมๆจะใช้เพื่ออธิบายพลังงานที่ถูกดูดซับหรือถูกนำส่งโดยวงจรไฟฟ้าหนึ่ง (ยกตัวอย่างเช่น พลังงานที่จัดหามาให้จากโรงไฟฟ้า) "พลังงานไฟฟ้า" อาจพูดถึงพลังงานที่ถูกแปลงมาจากพลังงานศักย์ไฟฟ้า พลังงานนี้ถูกจ่ายออกมาโดยการผสมกันของกระแสไฟฟ้ากับศักย์ไฟฟ้าโดยส่งออกมาในกริด (ไฟฟ้า) ณ จุดที่พลังงานศักย์ไฟฟ้านี้ถูกเปลี่ยนให้เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของพลังงาน มันจะไม่ได้เป็นพลังงานศักย์ไฟฟ้าอีกต่อไป ดังนั้น พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดเป็นพลังงานศักย์ก่อนที่มันจะถูกจัดส่งไปให้ผู้ใช้ปลายทาง หลังจากถูกเปลี่ยนจากพลังงานศักย์ พลังงานไฟฟ้าสามารถถูกเรียกเป็นพลังงานชนิดอื่นได้เสมอเช่นพลังงานความร้อน พลังงานแสงสว่าง พลังงานการเคลื่อนไหว ฯลฯ
เนื้อหา
[ซ่อน]ชนิดของไฟฟ้า[แก้]
ชนิดของไฟฟ้ามี 2 ชนิด ได้แก่
ไฟฟ้าสถิต[แก้]
ซึ่งเกิดจากการนำวัตถุ 2 ชนิด มาขัดถูหรือเสียดสีกัน วัตถุแต่ละชนิดจะมีประจุไฟฟ้าบวก ( + ) และประจุไฟฟ้าลบ ( - ) อยู่ในตัวเท่า ๆ กัน เรียกว่า เป็นกลาง เมื่อเกิดเสียดสีขึ้นประจุไฟฟ้าลบ ( - ) ที่เบากว่าประจุไฟฟ้าบวก ( + ) ก็จะเคลื่อนที่ระหว่างวัตถุทั้งสอง ทำให้แสดงอำนาจไฟ-ฟ้าขึ้นประจุไฟฟ้าในวัตถุทั้งสอบก็จะไม่เป็นกลางอีกต่อไป วัตถุชนิดหนึ่งแสดงประจุไฟฟ้าบวกและอีกชนิดหนึ่งแสดงประจุไฟฟ้าลบ พลังงานไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดแรงดูดหรือแรงผลัก ถ้านำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันมาใกล้กันจะเกิดแรงผลักแต่ถ้ามีประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันจะเกิดแรงดูดซึ่งกันและกัน
ไฟฟ้ากระแส[แก้]
เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำไฟฟ้าจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสมีหลายวิธี ได้แก่
- ไฟฟ้าจากปฏิกิริยาถ้าเราจุ่มแผ่นทองแดงและแผ่นสังกะสีลงในกรดกำมะถันเจือจางโดยวางให้ห่างกัน ต่อหลอดไฟระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองหลอดไฟจะติดสว่าง เซลล์ไฟฟ้านี้เรียกว่า เซลล์เปียก หรือเซลล์ไฟฟ้าของโวลตาซึ่งเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างแผ่นโลหะกับกรดกำมะถันจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจรจากแผ่นทองแดงไปยังแผ่นสังกะสี เช่น การใช้ทำถ่านไฟฉายมีหลักการทำงานเช่นเดียวกับเซลล์ของโวลตา แต่เปลี่ยนสารละลายมาเป็นกาวที่ชุ่มด้วยปงถ่านแมงกานีสไดออกไซด์และแอมโมเนียมคลอไรด์บรรจุในภาชนะสังกะสีและใช้แท่งคาร์บอนแทนแผ่นทองแดง เราเรียกว่า เซลล์แห้ง ไฟฟ้าที่ได้จากปฏิกิริยาเคมีมีทิศทางการไหลแน่นอนจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ เช่น ไฟฟ้าจากถ่านไฟฉาย แบตเตอรี่รถยนต์ เราเรียกการไหลเช่นนี้ว่า ไฟฟ้ากระแสตรง เมื่อใช้ถ่านไฟฉายไปนานๆ กระแสไฟจะค่อยลดลงเรื่อย ๆ จนหมดไปแต่มีถ่านไฟฉายบางชนิดซึ่งทำมาจากนิเกิลกับแคดเมียมสามารถนำมาประจุไฟใหม่ได้
- ไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไฟฟ้าที่เราใช้ตามอาคารบ้านเรือนเป็นไฟฟ้าที่ เกิดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือที่เรียกว่า ไดนาโมหรือเจเนอเรเตอร์ซึ่งภายในประกอบด้วยขดลวดทองแดงเคลื่อนที่ตัดเส้นแรงแม่เหล็กหรืออาจเคลื่อนที่แม่เหล็กตัดขวดลวดทองแดงที่อยู่กับที่ ก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าในขดลวดไหลกลับไปกลับมาระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ เรียกว่า ไฟฟ้ากระแส-สลับ
- เซลล์สุริยะ เป็นการนำแสงอาทิตย์มาใช้ประโยชน์ ดังได้กล่าวมาแล้ว แต่เนื่องจากเซลล์สุริยะผลิตไฟฟ้าได้เฉพาะในช่วงเวลาที่แสงว่างเท่านั้นจึงต้องเก็บสะสมพลังงานไฟฟ้าไว้ในแบตเตอรี่ก่อนแล้วจึงจ่ายกระแสไฟฟ้าเมื่อต้องการใช้ โดยทั่วไปการนำพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์สุริยะไปใช้กับเครื่องใช้ต่าง ๆ ตามครัวเรือนจะต้องแปลงกระแสไฟฟ้าที่เก็บสะสมไว้ในแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นกระแสตรงให้เป็นกระแสไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านเรือน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นกระแสสลับเสียก่อน
การผลิตไฟฟ้า[แก้]
บทความหลัก: การผลิตไฟฟ้า
การผลิตไฟฟ้าเป็นกระบวนการของการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานรูปแบบอื่น
หลักการพื้นฐานของการผลิตไฟฟ้าถูกค้นพบระหว่างทศวรรษที่ 1820 ถึง 1830 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อไมเคิล ฟาราเดย์ วิธีการพื้นฐานของเขายังคงถูกใช้ในปัจจุบัน นั่นคือไฟฟ้าจะถูกผลิตขึ้นจากการเคลื่อนไหวของขดลวดหรือจานทองแดงไปมาระหว่างขั้วทั้งสองของแม่เหล็ก[1]
สำหรับโรงไฟฟ้า (เช่นการไฟฟ้าฝ่ายผลิต) นี่เป็นขั้นตอนแรกในการจัดส่งไฟฟ้าไปยังผู้ใช้ กระบวนการอื่นเช่นการจัดส่ง การกระจาย และการจัดเก็บกำลังไฟฟ้าและการกู้คืนโดยการใช้วิธีสูบขึ้นไปเก็บ เหล่านี้ปกติจะถูกดำเนินการโดยอุตสาหกรรมจำหน่ายกระแสไฟฟ้า (เช่นการไฟฟ้านครหลวง การไฟฟ้าภูมิภาค)[2]
ไฟฟ้าจะถูกผลิตโดยโรงไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่โดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไฟฟ้าเครื่องกล ซึ่งจะถูกขับเบื้องต้นโดยเครื่องยนต์พลังงานความร้อนที่ใช้เชื้อเพลิงแบบสันดาปเคมีหรือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แต่ก็ยังใช้วิธีการอื่นด้วยเช่นพลังงานศักย์จากการไหลของน้ำและลม ยังมีเทคโนโลยีอื่นอีกมากที่สามารถใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าเช่นเซลล์แสงอาทิตย์และพลังงานความร้อนใต้พิภพ
วงจรไฟฟ้า[แก้]
เครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ ทำงานได้เพราะกระแสไฟฟ้าเดินทางจากแหล่งกำเนิดผ่านสายไฟหรือลวดตัวนำ มายังหลอดไฟหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าก่อนย้อนกลับสู่แหล่งกำเนิดไฟฟ้าครบเป็นวงจร ดังนั้นวงจรไฟฟ้าจึงประกอบด้วยแหล่งกำเนิดไฟฟ้า ลวดตัวนำ และเครื่องใช้ไฟฟ้า
- การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรมเป็นการต่อเซลล์ไฟฟ้าขั้วบวกกับขั้วลบเรียงกันไปตามลำดับเพื่อให้กระแสไฟฟ้าเดินทางเดียวทำให้หลอดไฟสว่างกว่า
- การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนานซึ่งเป็นการต่อเซลล์ไฟฟ้าขั้วบวกกับขั้วบวกขั้วลบกับขั้วลบทางเดินไฟฟ้าจะแยกออกเป็น 2 ทางทำให้หลอดไฟสว่างน้อยกว่าแบบอนุกรม
กำลังไฟฟ้า VS พลังงานไฟฟ้า[แก้]
กำลังไฟฟ้า (อังกฤษ: electric power) เป็นอัตราที่พลังงานไฟฟ้าที่ถูกถ่ายโอนไปยังวงจรไฟฟ้า มีหน่วย SI เป็นวัตต์ซึ่งเท่ากับหนึ่งจูลต่อวินาที
กำลังไฟฟ้ามักจะมีการผลิตโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่ก็ยังสามารถจัดหาได้จากหลายแหล่ง เช่นแบตเตอรี่ไฟฟ้า กำลังไฟฟ้ามักจะมีการซิ้อขายเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง(เท่ากับ 1 หน่วย) (3.6 MJ) ซึ่งเป็นผลคูณของ "กำลังไฟฟ้า" เป็นกิโลวัตต์คูณด้วยเวลาการใช้งานเป็นชั่วโมง บริษัทสาธารณูปโภคไฟฟ้าจะวัดกำลังไฟโดยใช้มิเตอร์ไฟฟ้าซึ่งจะเป็น "พลังงานไฟฟ้า" รวมที่ส่งมอบให้กับลูกค้า
เราสามารถหาความแตกต่างระหว่าง "พลังงานไฟฟ้า" และ "กำลังไฟฟ้า" ได้ตามตัวอย่างนี้ สมมติว่าโทรทัศน์เครื่องหนึ่งใช้กำลังไฟฟ้า 200 วัตต์ เปิดใช้งานต่อเนื่อง 10 ชั่วโมง ดังนั้น โทรทัศน์เครื่องนี้ใช้พลังงานไฟฟ้าไปทั้งหมดเท่ากับ 0.200X10 = 2 kW หรือ 2 หน่วยซึ่งปัจจุบันค่าพลังงานไฟฟ้ามีค่าหน่วยละประมาณ 5 บาท[3]
กำลังไฟฟ้าให้รูปแบบเอนโทรปีที่ต่ำของพลังงานและสามารถเปลี่ยนให้เป็นการเคลื่อนไหวหรือรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง[4]
ความหมาย[แก้]
กำลังไฟฟ้า เหมือนเช่นพลังงานกล มันเป็นอัตราของการทำงาน มีค่าเป็นวัตต์และแทนด้วยตัวอักษร P กำลังไฟฟ้าเป็นวัตต์ที่ผลิตโดยกระแสไฟฟ้า I ซึ่งประกอบด้วยประจุไฟฟ้า Q คูลอมบ์ทุกๆ t วินาทีเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์ (แรงดัน) V จะเป็น
- P = งานที่ทำได้ต่อหน่วยเวลา = VQ/t = VI
เมื่อ
- Q เป็นประจุไฟฟ้ามีหน่วยเป็นคูลอมบ์
- t เป็นเวลามีหน่วยเป็นวินาที
- I เป็นกระแสไฟฟ้ามีหน่วยเป็นแอมแปร์
- V เป็นศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้ามีหน่วยเป็นโวลต์
คำอธิบาย[แก้]
กำลังไฟฟ้าจะถูกเปลี่ยนเป็นรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงานเมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนผ่านความต่างศักย์ (แรงดัน) ที่เกิดขึ้นในชิ้นส่วนไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า จากมุมมองของกำลังไฟฟ้า ส่วนประกอบต่างๆในวงจรไฟฟ้าหนึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท:
- อุปกรณ์แบบพาสซีฟ หรือ โหลด: เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์จากศักย์ที่สูงไปยังศักย์ที่ต่ำกว่า นั่นคือเมื่อกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ (อังกฤษ: conventional current) (ประจุบวก) เคลื่อนที่จากขั้วบวก (+) ไปยังขั้วลบ (-) "งาน" ได้ทำแล้วโดยประจุบนอุปกรณ์ พลังงานศักย์ของประจุอันเนื่องมาจากแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วทั้งสองจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ในอุปกรณ์ อุปกรณ์เหล่านี้จะเรียกว่าส่วนประกอบแบบ พาสซีฟ หรือ โหลด; มัน 'กิน' กำลังไฟฟ้าจากวงจร, แปลงเป็นพลังงานรูปแบบอื่น ๆ เช่นงานกลไก, ความร้อน, แสงสว่าง ฯลฯ ตัวอย่างเช่นเครื่องใช้ไฟฟ้าเช่นหลอดไฟ, มอเตอร์ไฟฟ้า, และเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า ในวงจรกระแสสลับ (AC) ทิศทางของแรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นตรงกันข้ามตามช่วงเวลา แต่กระแสจะไหลจากด้านที่มีศักย์สูงไปทางด้านที่มีศักย์ต่ำเสมอ
- อุปกรณ์แบบแอคทีฟหรือแหล่งกำลัง: ถ้าประจุเคลื่อนที่โดย'แรงภายนอก' ผ่านอุปกรณ์ในทิศทางจากศักย์ไฟฟ้าต่ำไปยังศักย์ไฟฟ้าที่สูงกว่า (ดังนั้นประจุบวกเคลื่อนที่จากขั้วลบไปขั้วบวก) "งาน" ได้ทำแล้ว "บน" ประจุ และพลังงานกำลังจะถูกเปลี่ยนให้เป็นพลังงานศักย์ไฟฟ้าจากบางชนิดของพลังงาน เช่นพลังงานกลหรือพลังงานเคมี อุปกรณ์ที่เกิดกิจกรรมนี้ขึ้นจะถูกเรียกว่าอุปกรณ์ แอคทีฟ หรือแหล่งพลังงาน; เช่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและแบตเตอรี่
อุปกรณ์บางอย่างอาจเป็นแหล่งกำลังหรือเป็นโหลดอย่างใดอย่างหนึ่งขึ้นอยู่กับแรงดันและกระแสผ่านพวกมัน ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่ที่ประจุใหม่ได้จะทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาเมื่อมันจ่ายกำลังไฟให้กับวงจร แต่มันจะเป็นโหลดเมื่อมันเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ชาร์จแบตเตอรี่ใหม่และกำลังเติมประจุ
ข้อตกลงสำหรับเครื่องหมายพาสซีฟ[แก้]
บทความหลัก: ข้อตกลงสำหรับเครื่องหมายพาสซีฟ
เนื่องจากกำลังไฟฟ้าสามารถไหลเข้าหรือออกจากอุปกรณ์ ข้อตกลงจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแสดงทิศทางการไหลของกำลังไฟฟ้าบวก กำลังไฟฟ้าที่ไหลออกจากวงจรหนึ่งเข้าไปในอุปกรณ์หนึ่งจะถูกกำหนดโดยพลการให้มีเครื่องหมายบวก ในขณะที่กำลังไฟฟ้าที่ไหลเข้าในวงจรจากอุปกรณ์จะถูกกำหนดให้มีเครื่องหมายลบ ดังนั้นอุปกรณ์แบบพาสซีฟจะมีการใช้พลังงานในเชิงบวก ในขณะที่แหล่งกำลังงานจะมีการใช้พลังงานเชิงลบ
วงจรความต้านทาน[แก้]
ในกรณีที่โหลดเป็นพวกความต้านทาน (แบบโอห์มหรือเชิงเส้น) กฎของจูลสามารถนำมารวมกับกฎของโอห์ม (V = I·R) เพื่อผลิตการแสดงออกที่เป็นทางเลือกสำหรับปริมาณของพลังงานที่จะกระจายออกไปดังนี้:
- P = IV = I2R = V2/R
เมื่อ R คือความต้านทานไฟฟ้า
กระแสสลับ[แก้]
บทความหลัก: ไฟฟ้ากระแสสลับ
ในวงจรกระแสสลับ อุปกรณ์ที่เก็บพลังงานได้ เช่นตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ อาจมีผลทำให้ทิศทางการไหลของพลังงานไปในทางตรงกันข้ามตามช่วงเวลา ส่วนของการไหลของพลังงาน, ที่เฉลี่ยแล้วตลอดเต็มวงจรของรูปคลื่น AC, จะมีผลในการถ่ายโอนเป็นสุทธิของพลังงานในทิศทางเดียว พลังงานส่วนนั้นจะถูกเรียกว่ากำลังงานจริงหรือกำลังงานที่แอคทีฟ (อังกฤษ: real power หรือ active power) ส่วนของกำลังงานที่ไหลเนื่องจากกำลังงานที่ถูกเก็บไว้จะถูกส่งกลับไปยังแหล่งที่มาในแต่ละรอบ ส่วนของกำลังงานนี้เรียกว่ากำลังงานปฏิกิริยา (อังกฤษ: reactive power) กำลังงานจริง P ในหน่วยวัตต์ที่ถูกบริโภคโดยอุปกรณ์หนึ่งจะได้จาก
เมื่อ
- Vp เป็นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดเป็นโวลต์
- Ip เป็นกระแสสูงสุดเป็นแอมแปร์
- Vrms เป็นค่า root mean square ของแรงดันเป็นโวลต์
- Irms เป็นค่า root mean square ของกระแสเป็นแอมแปร์
- θ คือมุมเฟสระหว่างคลื่นไซน์ของกระแสและแรงดัน
ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังงานจริง, กำลังงานปฏิกิริยาและพลังงานที่ปรากฏ (อังกฤษ: apparent power) สามารถแสดงด้วยปริมาณเวกเตอร์ กำลังงานจริงจะแสดงเป็นเวกเตอร์แนวนอนและกำลังงานรีแอคทีฟจะแสดงเป็นเวกเตอร์แนวตั้ง เวกเตอร์พลังงานที่ปรากฏคือด้านตรงข้ามมุมฉากของสามเหลี่ยมที่เกิดขึ้นโดยการเชื่อมต่อเวกเตอร์กำลังงานจริงและเวกเตอร์กำลังงานปฏิกิริยา การแสดงนี้มักจะถูกเรียกว่าสามเหลี่ยมกำลังงาน โดยใช้ทฤษฎีของพีทาโกรัส, ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังงานจริง, กำลังงานปฏิกิริยาและกำลังงานที่ปรากฏจะเป็นตามสมการ:
- กำลังงานที่ปรากฏ2 = กำลังงานจริง2 + กำลังงานปฏิกิริยา2
กำลังงานจริงและกำลังงานปฏิกิริยายังสามารถคำนวณได้โดยตรงจากกำลังงานที่ปรากฏ, เมื่อกระแสและแรงดันเป็นคลื่นไซน์ทั้งคู่ที่มีมุมเฟสเป็น θ ระหว่างกระแสและแรงดัน:
- กำลังงานจริง = กำลังงานที่ปรากฏ cosθ
- กำลังงานปฏิกิริยา = กำลังงานที่ปรากฏ sinθ
อัตราส่วนของกำลังงานจริงต่อกำลังงานที่ปรากฏเรียกว่าปัจจัยกำลังงาน (อังกฤษ: power factor) และมีค่าระหว่าง 0 และ 1 เสมอ ในกรณีที่กระแสและแรงดันไฟฟ้ามีรูปคลื่นที่ไม่ใช่ไซน์ ปัจจัยอำนาจทั่วไปจะรวมถึงผลกระทบของการบิดเบือน
สนามแม่เหล็กไฟฟ้า[แก้]
พลังงานไฟฟ้าจะไหลไปทุกแห่งที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กพร้อมกันและมีลักษณะเป็นคลื่นในสถานที่เดียวกัน ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือในวงจรไฟฟ้าอย่างที่ได้อธิบายไว้ในหัวข้อก่อนหน้านี้ อย่างไรก็ตามในกรณีทั่วไป สมการง่าย ๆ ที่ P = IV จะต้องถูกเปลี่ยนให้เป็นสมการที่ซับซ้อนกว่านี้ ค่าจำนวนเต็ม (อังกฤษ: integral) ของผลคูณเวกเตอร์สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตลอดพื้นที่ที่กำหนด จะได้สมการดังนี้:
ผลลัพธ์จะเป็นค่าแสดงบนแผงหน้าปัทม์หรือที่เรียกว่า scalar quantity เนื่องจากมันเป็นการอินทีเกรทผิวหน้า (อังกฤษ: surface integral) ของ Poynting vector.
อ้างอิง[แก้]
- ↑ "Michael Faraday House". The Institution of Engineering & Technology. Retrieved 8 November 2015.
- ↑ "Keep the Power On" (PDF). IEC Electrical Energy. Retrieved 8 November 2015.
- ↑ http://www.mea.or.th/profile/index.php?tid=3&mid=111&pid=109
- ↑ Environmental Physics By Clare Smith 2001
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น