เรื่องของพลังงาน

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับไฟฟ้า


การทำงานของกระแสไฟฟ้า

เมื่อแบ่งตามลักษณะการทำงานของกระแสไฟฟ้าจะพบว่า มี 3 แบบสำคัญๆ คือ

  1. การทำงานที่ให้ความร้อนและกำลังไฟฟ้า
  2. การทำงานทางเคมี
  3. การทำงานที่ให้สนามแม่เหล็ก
  1. การทำงานที่ให้ความร้อนและกำลังไฟฟ้า
    ตัวอย่างการทำงานของกระแสไฟฟ้าในลักษณะนี้ คือ การผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในลวดนิโครมซึ่งมีความต้านทานสูง ทำให้เกิดความร้อนขึ้น สามารถนำไปใช้ประโยชน์ เช่น ในเตาไฟฟ้า, เตารีด และหลอดไฟฟ้า ฯลฯ

ทำการทดลองโดยใช้เครื่องวัดปริมาณความร้อนในน้ำ และเพิ่มแรงดันไฟฟ้าคร่อมเส้นลวดความร้อนด้วยวาริแอก แล้วต่อแอมมิเตอร์และโวลต์มิเตอร์เพื่อวัดกระแสและแรงดันที่เส้นลวดนิโครม
เมื่อปรับวาริแอกเพื่อเปลี่ยนค่าแรงดันและกระแสของเส้นลวดนิโครม และให้กระแสไหลผ่านด้วยช่วงเวลาต่างๆ กัน แล้ววัดปริมาณความร้อนที่ได้จากเส้นลวดนิโครม จะพบว่า ถ้าแรงดันยิ่งสูง กระแสยิ่งมาก และเวลาที่กระแสผ่านยิ่งนาน ปริมาณความร้อนที่ได้จะมากขึ้นตามไปด้วย เขียนความสัมพันธ์ได้ดังนี้

กฎนี้เรียกว่า กฎของจูล ปริมาณความร้อนจะแปรผันตามขนาดของแรงดันคูณกับกระแสและเวลาที่ให้กระแสนั้นผ่าน
และจากกฎของโอห์ม แรงดัน = กระแส x ความต้านทาน จะได้ว่า

ปริมาณความร้อนจะแปรผันตามกระแสยกกำลังสองคูณกับความต้านทานและเวลาที่ให้กระแสนั้นผ่าน

เมื่อให้กระแสไหลผ่านเส้นลวดนิโครมที่แช่ในน้ำ ไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นความร้อน อุณหภูมิของน้ำจึงสูงขึ้น ปริมาณงานที่ไฟฟ้ากระทำให้เกิดความร้อนเรียกว่า ปริมาณของกำลังไฟฟ้า

ปริมาณกำลังไฟฟ้ามีหน่วยเป็นวัตต์-ชั่วโมง (Wh) และปริมาณความร้อนมีหน่วยเป็นแคลอรี (Cal) จะได้ว่า

ขนาดของงานที่ไฟฟ้ากระทำ สามารถเขียนในรูปของกำลังไฟฟ้า ซึ่งหมายถึงขนาดของงานที่ไฟฟ้ากระทำได้ต่อหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็นวัตต์ (W)

สรุป



  1. การทำงานทางเคมีของกระแสไฟฟ้า
    ตัวอย่างการทำงานของกระแสไฟฟ้าในลักษณะนี้ คือ การผ่านกระแสไฟฟ้าในสารละลายของเกลือ NaCl ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในการทำอิเล็กโตรไลซิส, การชุบโลหะ และแบตเตอรี่ ฯลฯ

ทำการทดลองโดยนำแผ่นพลาตินัม (Pt) 2 แผ่น แช่ลงในน้ำเกลือ แล้วต่อแบตเตอรี่กับแผ่นพลาตินัมทั้งสอง กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านน้ำเกลือ เกิดก๊าซคลอรีนรอบๆ แผ่นที่มีไฟฟ้า + และเกิดก๊าซไฮโดรเจนรอบแผ่นที่มีไฟฟ้า - ทั้งนี้เพราะเกลือแกงเป็นสารประกอบระหว่างธาตุโซเดียม (Na) และธาตุคลอรีน (Cl) เมื่อนำไปละลายน้ำ จะแตกตัวหลุดจากกัน โดยโซเดียมจะมีประจุ + และคลอรีนมีประจุ - สภาพของการมีประจุนี้เรียกว่า ไอออน น้ำเกลือจึงมีทั้งไอออน + และไอออน - การแตกตัวเป็นไอออนเรียกว่า การแยกไอออน ดังนั้น เมื่อนำเกลือไปละลายน้ำจะได้สารละลายที่มีไอออน เรียกสารละลายนี้ว่า สารละลายอิเล็กโทรไลต์
ถ้าผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ จะเกิดปฏิกิริยาเคมีและเกิดการแตกตัวด้วยไฟฟ้า



  1. การทำงานที่ให้สนามแม่เหล็ก
    ตัวอย่างการทำงานของกระแสไฟฟ้าในลักษณะนี้ คือ การผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในเส้นลวด ทำให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็กขึ้น สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในการทำมอเตอร์, หม้อแปลงไฟฟ้า และเครื่องบันทึกเสียง ฯลฯ

    ก่อนอื่นมาทำความรู้จักก่อนว่า "แม่เหล็กคืออะไร"

สินแร่แม่เหล็ก มีส่วนผสมส่วนใหญ่เป็น Fe3O4 มีคุณสมบัติสามารถดูดเหล็กและนิกเกิลได้ เรียกว่า คุณสมบัติแม่เหล็ก และวัสดุที่มีคุณสมบัติเช่นนี้เรียกว่า แท่งแม่เหล็ก
คุณสมบัติของแท่งแม่เหล็ก ได้แก่

  • แท่งแม่เหล็กมีขั้วแม่เหล็ก
  • แท่งแม่เหล็กชี้ไปทางทิศเหนือและใต้
  • แท่งแม่เหล็กที่ขั้วเหมือนกันจะผลักกัน และขั้วต่างกันจะดูดกัน

กระแสไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็ก

เมื่อนำเข็มทิศแม่เหล็กไปวางใกล้เส้นลวดไฟฟ้าที่มีกระแสไหลผ่าน เข็มทิศจะหมุนตามทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าดังรูป จึงทราบว่า กระแสไฟฟ้าสามารถสร้างแม่เหล็กได้ หรือพูดให้ถูกต้องก็คือ กระแสไฟฟ้าสามารถสร้างสนามแม่เหล็ก

   

เมื่อนำเข็มทิศไปวางในขดลวดที่นำเส้นลวดมาขดไว้เพียงรอบเดียว ดังรูป แล้วผ่านกระแสไฟฟ้า เข็มทิศจะเบนไปตามทิศทางดังแสดงในภาพ ทิศทางของเส้นแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นดูได้จากลูกศร

เมื่อนำเข็มทิศไปวางไว้ในขดลวดที่ขดไว้หลายๆ รอบดังรูป แล้วผ่านกระแสไฟฟ้า จะพบว่าทิศทางของเส้นแรงแม่เหล็กจะขนานกับขดลวด ลักษณะของเส้นแรงแม่เหล็กจะทำหน้าที่คล้ายกับแท่งแม่เหล็ก แต่ไม่มีขั้วแม่เหล็ก

เมื่อนำขดลวดที่มีกระแสไหลผ่านวางใกล้ชิ้นเหล็ก ชิ้นเหล็กจะขยับเขยื้อนเล็กน้อย ดังรูปที่ 1 แต่เมื่อนำแกนเหล็กใส่ไปในขดลวด ชิ้นเหล็กจะถูกดูดอย่างแรง ดังรูปที่ 2 อธิบายได้ว่า ขดลวดที่ยังไม่มีแกนเหล็ก จะเกิดสนามแม่เหล็กน้อยและไม่มีขั้วแม่เหล็ก เมื่อนำแกนเหล็กใส่เข้าไป เหล็กซึ่งมีคุณสมบัติเหนี่ยวนำเส้นแรงแม่เหล็กได้ดี เส้นแรงแม่เหล็กจึงรวมตัวกันหนาแน่นในแกนเหล็กนั้น แกนเหล็กจึงกลายสภาพเป็นแท่งแม่เหล็กและให้เส้นแรงแม่เหล็กที่มีกำลังสูง เรียกว่า แท่งแม่เหล็กไฟฟ้า