เนื้อหา:

การถกเถียงกันมานานหลายทศวรรษว่ากระแสน้ำประเภทใดมีอันตรายมากกว่า - กระแสสลับหรือกระแสตรง บางคนแย้งว่าเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ถูกแก้ไขซึ่งเป็นภัยคุกคามที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ในขณะที่บางคนเชื่ออย่างจริงใจว่าไซนัสอยด์กระแสสลับซึ่งตรงกับแอมพลิจูดกับการเต้นของหัวใจของมนุษย์จะหยุดมันได้ แต่เช่นเคยเกิดขึ้นในชีวิต มีความคิดเห็นมากมาย ดังนั้นจึงควรพิจารณาปัญหานี้จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ล้วนๆ แต่มันก็คุ้มค่าที่จะทำสิ่งนี้ในภาษาที่เข้าใจได้แม้กระทั่งกับหุ่นจำลอง เพราะว่า... ไม่ใช่ทุกคนที่มีการศึกษาด้านวิศวกรรมไฟฟ้า ในขณะเดียวกันใครๆ ก็คงอยากรู้ที่มาของกระแสตรงและกระแสสลับ

คุณควรเริ่มต้นที่ไหน? ใช่อาจมาจากคำจำกัดความ - ไฟฟ้าคืออะไรเหตุใดจึงเรียกว่าตัวแปรหรือค่าคงที่ประเภทใดที่อันตรายกว่าและเพราะเหตุใด

คนส่วนใหญ่รู้ว่ากระแสไฟฟ้าตรงสามารถรับได้จากหน่วยหรือแบตเตอรี่ต่างๆ และไฟฟ้ากระแสสลับจะถูกส่งไปยังอพาร์ทเมนต์และสถานที่ต่างๆ ผ่านเครือข่ายไฟฟ้า และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนและระบบไฟส่องสว่างทำงานได้ แต่มีเพียงไม่กี่คนที่คิดว่าเหตุใดแรงดันไฟฟ้าหนึ่งจึงช่วยให้คุณได้รับอีกแรงดันหนึ่งและเหตุใดจึงจำเป็น

มันสมเหตุสมผลที่จะตอบคำถามทั้งหมดที่เกิดขึ้น

กระแสไฟฟ้าคืออะไร?

กระแสไฟฟ้าเป็นปริมาณคงที่หรือแปรผันซึ่งเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่โดยตรงหรือตามคำสั่งที่สร้างขึ้นโดยอนุภาคที่มีประจุ ในโลหะคืออิเล็กตรอน ในอิเล็กโทรไลต์คือไอออน และในก๊าซทั้งสองอย่าง กล่าวอีกนัยหนึ่งว่ากระแสไฟฟ้า "ไหล" ผ่านสายไฟ

บางคนเข้าใจผิดว่าอิเล็กตรอนที่มีประจุแต่ละตัวเคลื่อนที่ไปตามตัวนำจากแหล่งกำเนิดไปยังผู้บริโภค นี่เป็นสิ่งที่ผิด มันจะถ่ายโอนประจุไปยังอิเล็กตรอนข้างเคียงเท่านั้นและยังคงอยู่ที่เดิม เหล่านั้น. การเคลื่อนไหวของมันวุ่นวายแต่มีขนาดเล็กมาก ประจุเองเคลื่อนที่ไปตามตัวนำถึงผู้บริโภค

กระแสไฟฟ้ามีพารามิเตอร์การวัด เช่น แรงดันไฟฟ้า เช่น ค่าของมันวัดเป็นโวลต์ (V) และกระแสซึ่งวัดเป็นแอมแปร์ (A) สิ่งที่สำคัญมากในระหว่างการเปลี่ยนแปลงคือ ลดลงหรือเพิ่มขึ้นด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์พิเศษ ค่าหนึ่งจะส่งผลต่ออีกค่าหนึ่งในสัดส่วนผกผัน ซึ่งหมายความว่าการลดแรงดันไฟฟ้าโดยใช้หม้อแปลงแบบธรรมดาจะทำให้กระแสไฟเพิ่มขึ้นและในทางกลับกัน

กระแสไฟ DC และ AC

สิ่งแรกที่ต้องเข้าใจคือความแตกต่างระหว่างกระแสตรงและกระแสสลับ ความจริงก็คือกระแสสลับไม่เพียงได้รับง่ายกว่าเท่านั้นถึงแม้จะมีความสำคัญก็ตาม ลักษณะเฉพาะช่วยให้สามารถส่งสัญญาณผ่านตัวนำได้ทุกระยะทางโดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด โดยเฉพาะที่แรงดันไฟฟ้าสูงและกำลังไฟต่ำกว่า นั่นคือสาเหตุที่สายไฟระหว่างเมืองต่างๆ จึงมีไฟฟ้าแรงสูง และในพื้นที่ที่มีประชากรอาศัยอยู่แล้ว กระแสไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า

แต่กระแสตรงนั้นหาได้ง่ายมากจากกระแสสลับซึ่งใช้ไดโอดหลายทิศทาง (ที่เรียกว่าไดโอดบริดจ์) ความจริงก็คือกระแสสลับ (AC) หรือความถี่ของการแกว่งของมันคือไซนัสอยด์ซึ่งเมื่อผ่านวงจรเรียงกระแสจะสูญเสียการสั่นบางส่วนไป ดังนั้นเอาต์พุตจึงสร้างแรงดันไฟฟ้าคงที่ (AC) ที่ไม่มีความถี่

มันสมเหตุสมผลแล้วที่จะระบุว่าท้ายที่สุดแล้วมันต่างกันอย่างไร

ความแตกต่างในปัจจุบัน

แน่นอนว่าความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง AC และ DC คือความสามารถในการขนส่ง DC ในระยะทางไกล ในเวลาเดียวกัน หากกระแสตรงถูกส่งไปในลักษณะเดียวกัน ก็จะไม่เหลืออะไรเลย เนื่องจากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น จึงมีการบริโภค นอกจากนี้ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าการแปลงเป็นตัวแปรนั้นยากมาก ในขณะที่การดำเนินการดังกล่าวในลำดับย้อนกลับนั้นทำได้ค่อนข้างง่าย

การแปลงไฟฟ้าเป็นพลังงานกลโดยใช้มอเตอร์ AC จะประหยัดกว่ามาก แม้ว่าจะมีบางพื้นที่ที่สามารถใช้กลไกกระแสตรงเท่านั้นก็ตาม

สุดท้ายแต่ไม่ท้ายสุด - ท้ายที่สุดแล้ว กระแสสลับปลอดภัยกว่าสำหรับผู้คน ด้วยเหตุนี้อุปกรณ์ทั้งหมดที่ใช้ในชีวิตประจำวันและขับเคลื่อนโดย DC จึงมีกระแสไฟต่ำ แต่จะเป็นไปไม่ได้ที่จะละทิ้งการใช้สิ่งที่อันตรายกว่าเพื่อประโยชน์ของผู้อื่นโดยสิ้นเชิงด้วยเหตุผลที่ระบุไว้ข้างต้น

ทั้งหมดข้างต้นนำไปสู่คำตอบทั่วไปสำหรับคำถามว่ากระแสสลับแตกต่างจากกระแสตรงอย่างไร - นี่คือลักษณะที่มีอิทธิพลต่อการเลือกแหล่งพลังงานเฉพาะในบางพื้นที่

การส่งกระแสไฟฟ้าในระยะทางไกล

บางคนมีคำถามที่ได้รับคำตอบแบบผิวเผินข้างต้น: เหตุใดไฟฟ้าแรงสูงจึงไหลผ่านสายไฟ? หากคุณไม่ทราบความซับซ้อนทั้งหมดของวิศวกรรมไฟฟ้า คุณสามารถเห็นด้วยกับคำถามนี้ได้ แท้จริงแล้วหากสายไฟผ่านแรงดันไฟฟ้า 380 V ก็ไม่จำเป็นต้องติดตั้งสถานีย่อยหม้อแปลงราคาแพง และคุณไม่จำเป็นต้องเสียเงินไปกับการบำรุงรักษาใช่ไหม? ปรากฎว่าไม่

ความจริงก็คือหน้าตัดของตัวนำที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านนั้นขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสไฟฟ้าและการใช้พลังงานเท่านั้นและแรงดันไฟฟ้ายังคงแตกต่างไปจากนี้โดยสิ้นเชิง ซึ่งหมายความว่าด้วยกระแส 2 A และแรงดันไฟฟ้า 25,000 V คุณสามารถใช้สายไฟเดียวกันกับ 220 V ที่มี 2 A เดียวกันได้ แล้วอะไรจะเกิดขึ้นจากนี้?

ที่นี่มีความจำเป็นต้องกลับไปสู่กฎของสัดส่วนผกผัน - ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันเช่น เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น กระแสไฟฟ้าจะลดลงและในทางกลับกัน ดังนั้นกระแสไฟฟ้าแรงสูงจะถูกส่งไปยังสถานีย่อยหม้อแปลงไฟฟ้าผ่านสายไฟที่บางกว่า ซึ่งช่วยให้สูญเสียการส่งผ่านน้อยลง

คุณสมบัติการถ่ายโอน

การสูญเสียนั้นเป็นคำตอบสำหรับคำถามที่ว่าเหตุใดจึงไม่สามารถส่งกระแสตรงในระยะทางไกลได้ ถ้าเรามอง DC จากมุมนี้ ด้วยเหตุผลนี้เองที่หลังจากระยะทางสั้นๆ จะไม่มีไฟฟ้าเหลืออยู่ในตัวนำ แต่สิ่งสำคัญที่นี่ไม่ใช่การสูญเสียพลังงาน แต่เป็นสาเหตุโดยตรงซึ่งอยู่ในลักษณะหนึ่งของ AC และ DC อีกครั้ง

ความจริงก็คือความถี่ของกระแสสลับในเครือข่ายไฟฟ้าสาธารณะในรัสเซียคือ 50 Hz (เฮิรตซ์) ซึ่งหมายความว่าแอมพลิจูดของความผันผวนของประจุระหว่างบวกและลบเท่ากับ 50 การเปลี่ยนแปลงต่อวินาที พูดง่ายๆ ก็คือทุกๆ 1/50 วินาที ประจุเปลี่ยนขั้วนี่คือความแตกต่างระหว่างกระแสตรง - มีการสั่นในทางปฏิบัติหรือไม่มีการสั่นเลย ด้วยเหตุนี้ DC จึงถูกใช้โดยตัวมันเองในขณะที่ไหลผ่านตัวนำขนาดยาว อย่างไรก็ตามความถี่การสั่นในสหรัฐอเมริกานั้นแตกต่างจากความถี่ของรัสเซียและคือ 60 Hz

กำลังสร้าง

คำถามที่น่าสนใจมากคือกระแสตรงและกระแสสลับเกิดขึ้นได้อย่างไร แน่นอนว่าคุณสามารถผลิตทั้งสองอย่างได้ แต่ปัญหาเรื่องขนาดและต้นทุนก็เกิดขึ้นที่นี่ ความจริงก็คือถ้าเรายกตัวอย่างรถยนต์ธรรมดาการติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงจะง่ายกว่ามากโดยไม่รวมไดโอดบริดจ์ออกจากวงจร แต่นี่คือสิ่งที่จับได้

หากคุณถอดวงจรเรียงกระแสออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ารถยนต์ดูเหมือนว่าระดับเสียงก็ควรจะลดลงเช่นกัน แต่สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น และเหตุผลก็คือขนาดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง นอกจากนี้ต้นทุนจะเพิ่มขึ้นอย่างมากซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแปรผัน

ปรากฎว่าการสร้าง DC นั้นทำกำไรได้น้อยกว่า AC มาก และมีหลักฐานที่เป็นรูปธรรมเกี่ยวกับเรื่องนี้

นักประดิษฐ์ผู้ยิ่งใหญ่สองคนในคราวเดียวได้เริ่มสิ่งที่เรียกว่า "สงครามแห่งกระแส" ซึ่งสิ้นสุดในปี 2550 เท่านั้น และฝ่ายตรงข้ามคือ Nikola Tesla ร่วมกับ George Westinghouse ผู้สนับสนุนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอย่างกระตือรือร้น และ Thomas Edison ผู้ยืนหยัดเพื่อการใช้กระแสตรงทุกแห่ง ดังนั้นในปี 2550 เมืองนิวยอร์กจึงได้เข้าข้างเทสลาโดยสิ้นเชิง ถือเป็นชัยชนะของเขา มันคุ้มค่าที่จะลงรายละเอียดเพิ่มเติมเล็กน้อยเกี่ยวกับเรื่องนี้

เรื่องราว

บริษัทของโทมัส เอดิสัน ซึ่งเรียกว่า Edison Electric Light ก่อตั้งขึ้นในช่วงปลายทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ 19 จากนั้น ในยุคแห่งเทียน ตะเกียงน้ำมันก๊าด และไฟแก๊ส หลอดไส้ที่ผลิตโดย Edison สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 12 ชั่วโมง และแม้ว่าตอนนี้อาจดูเล็กน้อยอย่างน่าขัน แต่มันก็เป็นความก้าวหน้าอย่างแท้จริง แต่ในช่วงทศวรรษที่ 1880 บริษัท ไม่เพียงแต่สามารถจดสิทธิบัตรการผลิตและส่งกระแสตรงผ่านระบบสามสายเท่านั้น (ซึ่งได้แก่ "ศูนย์", "+110 V" และ "-110 V") แต่ยังรวมถึง แนะนำหลอดไส้ที่มีทรัพยากร 1200 ชั่วโมง .

ตอนนั้นเองที่วลีของโธมัส เอดิสัน ซึ่งต่อมาเป็นที่รู้จักไปทั่วโลกได้ถือกำเนิดขึ้น: “เราจะผลิตไฟฟ้าแสงสว่างราคาถูกจนมีเพียงคนรวยเท่านั้นที่จะจุดเทียน”

ภายในปี 1887 โรงไฟฟ้ามากกว่า 100 แห่งประสบความสำเร็จในการดำเนินงานในสหรัฐอเมริกา ซึ่งผลิตไฟฟ้ากระแสตรงและใช้ระบบสามสายในการส่ง ซึ่งใช้เพื่อลดการสูญเสียไฟฟ้าอย่างน้อยเล็กน้อย

แต่นักวิทยาศาสตร์ในสาขาฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ George Westinghouse หลังจากอ่านสิทธิบัตรของ Edison พบรายละเอียดที่ไม่พึงประสงค์อย่างหนึ่ง - มันเป็นการสูญเสียพลังงานอย่างมากระหว่างการส่งผ่าน สมัยนั้นมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับอยู่แล้วซึ่งไม่ได้รับความนิยมเนื่องจากมีอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยพลังงานดังกล่าว ในเวลานั้น Nikola Tesla วิศวกรผู้มีความสามารถยังคงทำงานให้กับ Edison ในบริษัท แต่วันหนึ่งเมื่อเขาถูกปฏิเสธการขึ้นเงินเดือนอีกครั้ง Tesla ก็ทนไม่ไหวและไปทำงานให้กับคู่แข่งซึ่งก็คือ Westinghouse ในสถานที่ใหม่ Nikola (ในปี 1988) ได้สร้างมิเตอร์ไฟฟ้าเครื่องแรก

นับจากวินาทีนี้เป็นต้นไป "สงครามแห่งกระแส" จะเริ่มต้นขึ้น

ข้อสรุป

ลองสรุปข้อมูลที่นำเสนอ ทุกวันนี้เป็นไปไม่ได้ที่จะจินตนาการถึงการใช้ไฟฟ้าประเภทใดประเภทหนึ่ง (ทั้งในชีวิตประจำวันและในอุตสาหกรรม) - ทั้งกระแสตรงและกระแสสลับมีอยู่เกือบทุกที่ ท้ายที่สุดจำเป็นต้องมีค่าคงที่บางแห่ง แต่การส่งสัญญาณในระยะทางไกลนั้นเป็นไปไม่ได้และบางแห่งก็แปรผันได้

แน่นอนว่าได้รับการพิสูจน์แล้วว่า AC ปลอดภัยกว่ามาก แต่แล้วอุปกรณ์ที่ช่วยประหยัดพลังงานหลายเท่าในขณะที่ใช้งานได้กับ DC เท่านั้นล่ะ

ด้วยเหตุนี้กระแสน้ำจึง “อยู่ร่วมกันอย่างสันติ” ในชีวิตของเรา ยุติ “สงคราม” ที่กินเวลายาวนานกว่า 100 ปี สิ่งเดียวที่ไม่ควรลืมคือไม่ว่าอันหนึ่งจะปลอดภัยกว่าอันอื่นมากน้อยเพียงใด (แรงดันไฟฟ้าคงที่หรือกระแสสลับไม่สำคัญ) ก็สามารถก่อให้เกิดอันตรายอย่างใหญ่หลวงต่อร่างกายถึงขั้นเสียชีวิตได้

นั่นคือเหตุผลที่เมื่อทำงานกับแรงดันไฟฟ้าจำเป็นต้องปฏิบัติตามมาตรฐานและกฎความปลอดภัยทั้งหมดอย่างรอบคอบและอย่าลืมเกี่ยวกับการดูแลและความถูกต้อง ท้ายที่สุด ดังที่นิโคลา เทสลากล่าวไว้ ไม่ควรกลัวไฟฟ้า แต่ควรได้รับการเคารพ

ตอนนี้เป็นไปไม่ได้ที่จะจินตนาการถึงอารยธรรมของมนุษย์ที่ไม่มีไฟฟ้า ทีวี คอมพิวเตอร์ ตู้เย็น เครื่องเป่าผม เครื่องซักผ้า - เครื่องใช้ในครัวเรือนทั้งหมดใช้งานได้ ไม่ต้องพูดถึงอุตสาหกรรมและองค์กรขนาดใหญ่ แหล่งพลังงานหลักสำหรับเครื่องรับไฟฟ้าคือไฟฟ้ากระแสสลับ นี่คืออะไร? พารามิเตอร์และคุณลักษณะของมันคืออะไร? อะไรคือความแตกต่างระหว่างกระแสตรงและกระแสสลับ? ไม่กี่คนที่รู้คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้

ตัวแปรเทียบกับค่าคงที่

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 ต้องขอบคุณการค้นพบในสาขาแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้เกิดข้อถกเถียงกันว่ากระแสแบบไหนดีที่สุดที่จะใช้เพื่อตอบสนองความต้องการของมนุษย์ ทุกอย่างเริ่มต้นอย่างไร? โทมัส เอดิสัน ก่อตั้งบริษัทของเขาในปี พ.ศ. 2421 ซึ่งต่อมาได้กลายเป็นบริษัท General Electric ที่มีชื่อเสียง บริษัทร่ำรวยอย่างรวดเร็วและได้รับความไว้วางใจจากนักลงทุนและประชาชนทั่วไปของสหรัฐอเมริกา เนื่องจากมีการสร้างโรงไฟฟ้า DC หลายร้อยแห่งทั่วประเทศ ข้อดีของเอดิสันอยู่ที่การประดิษฐ์ระบบสามสาย กระแสตรงทำงานได้ดีกับมอเตอร์ไฟฟ้าตัวแรกและหลอดไส้ จริงๆ แล้วสิ่งเหล่านี้เป็นเพียงตัวรับพลังงานเพียงอย่างเดียวในเวลานั้น มิเตอร์ซึ่งคิดค้นโดยเอดิสันนั้นทำงานเฉพาะกับกระแสตรงเท่านั้น อย่างไรก็ตาม บริษัทที่กำลังพัฒนาของ Edison ถูกต่อต้านโดยบริษัทที่มีการแข่งขันและนักประดิษฐ์ที่ต้องการต่อต้านกระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ

ข้อเสียของการประดิษฐ์ของเอดิสัน

George Westinghouse วิศวกรและนักธุรกิจ สังเกตเห็นความเชื่อมโยงที่อ่อนแอในสิทธิบัตรของ Edison นั่นคือการสูญเสียตัวนำอย่างมาก อย่างไรก็ตามเขาไม่สามารถพัฒนาการออกแบบที่สามารถแข่งขันกับสิ่งประดิษฐ์นี้ได้ ข้อเสียของกระแสตรงของ Edison คืออะไร? ปัญหาหลักคือการส่งกระแสไฟฟ้าในระยะทาง และเมื่อเพิ่มขึ้น ความต้านทานของตัวนำก็เพิ่มขึ้นด้วย ซึ่งหมายความว่าการสูญเสียพลังงานก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ในการลดระดับนี้จำเป็นต้องเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและสิ่งนี้จะส่งผลให้ความแรงของกระแสไฟฟ้าลดลงหรือทำให้ลวดหนาขึ้น (นั่นคือลดความต้านทานของตัวนำ) ในขณะนั้นยังไม่มีวิธีใดที่จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น โรงไฟฟ้าของเอดิสันจึงรักษาแรงดันไฟฟ้าไว้เกือบสองร้อยโวลต์ น่าเสียดายที่กระแสพลังงานที่ส่งในลักษณะนี้ไม่สามารถตอบสนองความต้องการของผู้ประกอบการอุตสาหกรรมได้ กระแสตรงไม่สามารถรับประกันการผลิตไฟฟ้าให้กับผู้บริโภคที่ทรงพลังซึ่งอยู่ห่างจากโรงไฟฟ้าได้มาก และมีราคาแพงเกินไปที่จะเพิ่มความหนาของสายไฟหรือสร้างสถานีเพิ่ม

เอซีและดีซี

ต้องขอบคุณหม้อแปลงที่พัฒนาขึ้นในปี พ.ศ. 2419 โดยวิศวกร Pavel Yablochkov การเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าของกระแสสลับนั้นง่ายมากซึ่งทำให้สามารถส่งผ่านเป็นระยะทางหลายร้อยหลายพันกิโลเมตร อย่างไรก็ตาม ในเวลานั้นยังไม่มีเครื่องยนต์ที่ทำงานด้วยไฟฟ้ากระแสสลับ ดังนั้นจึงไม่มีสถานีสร้างหรือเครือข่ายการส่งสัญญาณ

สิ่งประดิษฐ์ของนิโคลา เทสลา

ข้อได้เปรียบที่ไม่ต้องสงสัยของค่าคงที่นั้นอยู่ได้ไม่นาน นิโคลา เทสลา ซึ่งทำงานเป็นวิศวกรในบริษัทของเอดิสัน ตระหนักดีว่ากระแสตรงไม่สามารถให้กระแสไฟฟ้าแก่มนุษยชาติได้ ในปี พ.ศ. 2430 Tesla ได้รับสิทธิบัตรหลายฉบับสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับ การต่อสู้ทั้งหมดเริ่มต้นขึ้นเพื่อให้ระบบมีประสิทธิภาพมากขึ้น คู่แข่งหลักของ Tesla คือ Thomson และ Stanley และในปี พ.ศ. 2431 วิศวกรชาวเซอร์เบียได้รับชัยชนะอย่างชัดเจน ซึ่งเป็นผู้จัดหาระบบที่สามารถขนส่งพลังงานไฟฟ้าในระยะทางหลายร้อยไมล์ นักประดิษฐ์รุ่นเยาว์ถูกเวสติงเฮาส์จับตัวไปอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม การเผชิญหน้าระหว่างบริษัทเอดิสันและเวสติงเฮาส์เริ่มต้นขึ้นทันที ในปีพ.ศ. 2434 เทสลาได้พัฒนาระบบไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสซึ่งทำให้สามารถชนะการประกวดราคาสำหรับการก่อสร้างโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้ ตั้งแต่นั้นมา กระแสสลับก็เข้ามารับตำแหน่งผู้นำอย่างชัดเจน ฝ่ายถาวรกำลังสูญเสียพื้นที่ในทุกด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อวงจรเรียงกระแสปรากฏขึ้นซึ่งสามารถแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงซึ่งสะดวกสำหรับเครื่องรับทั้งหมด

ความหมายของกระแสสลับ

ตัวอย่างของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอย่างง่าย

แหล่งกำเนิดที่ง่ายที่สุดคือกรอบสี่เหลี่ยมที่ทำจากทองแดงซึ่งติดตั้งบนแกนและหมุนในสนามแม่เหล็กโดยใช้สายพานขับเคลื่อน ปลายของเฟรมนี้ถูกบัดกรีด้วยแหวนสลิปทองแดงซึ่งเลื่อนไปเหนือแปรง แม่เหล็กสร้างสนามแม่เหล็กที่กระจายสม่ำเสมอในอวกาศ ความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็กตรงนี้จะเท่ากันในทุกส่วน เฟรมที่กำลังหมุนตัดผ่านเส้นเหล่านี้ และแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระแสสลับ (EMF) จะเกิดขึ้นที่ด้านข้าง ในการหมุนแต่ละครั้ง ทิศทางของ EMF ทั้งหมดจะกลับด้าน เนื่องจากด้านการทำงานของเฟรมเคลื่อนผ่านขั้วแม่เหล็กที่แตกต่างกันในแต่ละรอบ เนื่องจากความเร็วของจุดตัดของเส้นแรงเปลี่ยนแปลง ขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้าจึงแตกต่างกันด้วย ดังนั้นหากเฟรมหมุนสม่ำเสมอ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเปลี่ยนเป็นระยะทั้งในทิศทางและขนาด สามารถวัดได้โดยใช้เครื่องมือภายนอก และเป็นผลให้ถูกใช้เพื่อสร้างกระแสสลับในวงจรภายนอก

ไซนัสอยด์ลิตี้

มันคืออะไร? กระแสสลับมีลักษณะเป็นเส้นโค้งคล้ายคลื่น - ไซนัสอยด์ ดังนั้น EMF กระแสและแรงดันซึ่งเปลี่ยนแปลงตามกฎหมายนี้จึงเรียกว่าพารามิเตอร์ไซน์ซอยด์ เส้นโค้งถูกตั้งชื่อเช่นนี้เนื่องจากเป็นภาพของตัวแปรตรีโกณมิติ - ไซน์ มันเป็นธรรมชาติของกระแสสลับแบบไซน์ซึ่งพบได้บ่อยที่สุดในวิศวกรรมไฟฟ้าทั้งหมด

พารามิเตอร์และลักษณะเฉพาะ

กระแสสลับเป็นปรากฏการณ์ที่มีลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์บางตัว ซึ่งรวมถึงแอมพลิจูด ความถี่ และคาบ อย่างหลัง (แสดงด้วยตัวอักษร T) คือช่วงเวลาที่แรงดัน กระแส หรือ EMF เสร็จสิ้นวงจรของการเปลี่ยนแปลงทั้งหมด ยิ่งโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนเร็วเท่าไร ระยะเวลาก็จะสั้นลงเท่านั้น ความถี่ (f) คือจำนวนคาบที่สมบูรณ์ของกระแส แรงดัน หรือแรงเคลื่อนไฟฟ้า มีหน่วยวัดเป็น Hz (เฮิรตซ์) และระบุจำนวนช่วงเวลาในหนึ่งวินาที ดังนั้นยิ่งระยะเวลานานเท่าใดความถี่ก็จะยิ่งลดลง แอมพลิจูดของปรากฏการณ์ เช่น กระแสสลับ คือค่าที่ใหญ่ที่สุด แอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้า กระแส หรือแรงเคลื่อนไฟฟ้าเขียนด้วยตัวอักษรที่มีดัชนี "t" - U t I t, E t ตามลำดับ บ่อยครั้งที่พารามิเตอร์และคุณลักษณะของกระแสสลับมีค่าประสิทธิผลรวมอยู่ด้วย แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า หรือ EMF ที่กระทำในวงจรในแต่ละช่วงเวลานั้นเป็นค่าที่เกิดขึ้นทันที (ทำเครื่องหมายด้วยตัวอักษรพิมพ์เล็ก - i, u, e) อย่างไรก็ตาม เป็นการยากที่จะประเมินกระแสสลับ งานที่ทำ และความร้อนที่เกิดจากค่าปัจจุบัน เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ดังนั้นจึงใช้กระแสซึ่งแสดงถึงความแรงของกระแสตรงซึ่งจะปล่อยความร้อนออกมามากในระหว่างที่ผ่านตัวนำเช่นเดียวกับกระแสสลับ

มีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่สามารถเข้าใจได้ว่ากระแสสลับและกระแสตรงมีความแตกต่างกัน ไม่ต้องพูดถึงการตั้งชื่อความแตกต่างที่เฉพาะเจาะจง วัตถุประสงค์ของบทความนี้คือเพื่ออธิบายคุณลักษณะหลักของปริมาณทางกายภาพเหล่านี้ในแง่ที่ผู้ที่ไม่มีความรู้ด้านเทคนิคสามารถเข้าใจได้ พร้อมทั้งให้แนวคิดพื้นฐานบางประการที่เกี่ยวข้องกับปัญหานี้

ความท้าทายในการแสดงภาพ

คนส่วนใหญ่ไม่มีปัญหาในการทำความเข้าใจแนวคิดต่างๆ เช่น ความกดดัน ปริมาณ และการไหล เนื่องจากต้องเผชิญอยู่ตลอดเวลาในชีวิตประจำวัน เช่น เข้าใจง่ายว่าการเพิ่มกระแสน้ำเมื่อรดน้ำดอกไม้จะทำให้ปริมาณน้ำที่ไหลออกจากสายยางเพิ่มขึ้น ในขณะที่แรงดันน้ำที่เพิ่มขึ้นจะทำให้เคลื่อนที่เร็วขึ้นและมีแรงมากขึ้น

คำศัพท์ทางไฟฟ้า เช่น "แรงดันไฟฟ้า" และ "กระแส" มักจะเข้าใจยาก เนื่องจากคุณไม่สามารถมองเห็นหรือสัมผัสได้ว่าไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านสายเคเบิลและวงจรไฟฟ้า เป็นเรื่องยากมากสำหรับแม้แต่ช่างไฟฟ้ามือใหม่ที่จะเห็นภาพสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุล หรือแม้กระทั่งเข้าใจอย่างชัดเจนว่าอิเล็กตรอนคืออะไร เป็นต้น อนุภาคนี้อยู่นอกเหนือความสามารถทางประสาทสัมผัสของมนุษย์ และไม่สามารถมองเห็นหรือสัมผัสได้ เว้นแต่จะผ่านเข้าไปในร่างกายมนุษย์ได้จำนวนหนึ่ง เมื่อนั้นเหยื่อจะรู้สึกถึงพวกเขาและสัมผัสกับสิ่งที่เรียกว่าไฟฟ้าช็อตอย่างแน่นอน

อย่างไรก็ตาม สายเคเบิลและสายไฟที่เปิดโล่งดูเหมือนจะไม่เป็นอันตรายโดยสิ้นเชิงสำหรับคนส่วนใหญ่ เพียงเพราะพวกเขาไม่สามารถมองเห็นอิเล็กตรอนที่รออยู่ในเส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุด ซึ่งโดยปกติจะเป็นพื้น

การเปรียบเทียบ

เป็นที่เข้าใจได้ว่าทำไมคนส่วนใหญ่ไม่สามารถมองเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นภายในตัวนำและสายเคเบิลทั่วไปได้ การพยายามอธิบายว่าบางสิ่งกำลังเคลื่อนที่ผ่านโลหะนั้นขัดต่อสามัญสำนึก ในระดับพื้นฐานที่สุด ไฟฟ้าไม่ได้แตกต่างจากน้ำมากนัก ดังนั้นแนวคิดพื้นฐานจึงค่อนข้างเข้าใจง่ายเมื่อคุณเปรียบเทียบวงจรไฟฟ้ากับระบบประปา ข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างน้ำและไฟฟ้าก็คือ น้ำแบบแรกจะเติมบางสิ่งเข้าไปหากมันสามารถหลุดออกจากท่อได้ ในขณะที่แบบหลังต้องใช้ตัวนำในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน ด้วยการแสดงภาพระบบท่อ คำศัพท์ทางเทคนิคจึงเป็นเรื่องง่ายสำหรับคนส่วนใหญ่ที่จะเข้าใจ

แรงดันไฟฟ้าเป็นความดัน

แรงดันไฟฟ้ามีความคล้ายคลึงกับแรงดันอิเล็กตรอนมากและบ่งบอกว่าพวกมันเคลื่อนที่ผ่านตัวนำได้เร็วและแรงเท่าใด ปริมาณทางกายภาพเหล่านี้เทียบเท่ากันหลายประการ รวมถึงความสัมพันธ์กับความแข็งแรงของสายเคเบิลไปป์ไลน์ เช่นเดียวกับแรงดันที่มากเกินไปทำให้ท่อแตก แรงดันไฟฟ้าที่มากเกินไปก็จะทำลายหรือเจาะเกราะของตัวนำได้

กระแสเป็นกระแส

กระแสไฟฟ้าคืออัตราการไหลของอิเล็กตรอน ซึ่งระบุจำนวนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านสายเคเบิล ยิ่งสูงเท่าไร อิเล็กตรอนก็จะผ่านตัวนำมากขึ้นเท่านั้น เช่นเดียวกับน้ำปริมาณมากต้องใช้ท่อที่หนากว่า กระแสน้ำขนาดใหญ่ก็ต้องใช้สายเคเบิลที่หนากว่าเช่นกัน

การใช้แบบจำลองวงจรน้ำทำให้คุณสามารถอธิบายคำศัพท์อื่นๆ ได้มากมาย ตัวอย่างเช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าอาจเปรียบเสมือนปั๊มน้ำ และโหลดทางไฟฟ้าก็เปรียบเสมือนโรงสีน้ำที่ต้องใช้การไหลของน้ำและแรงดันในการหมุน แม้แต่ไดโอดอิเล็กทรอนิกส์ก็ถือได้ว่าเป็นวาล์วน้ำที่ยอมให้น้ำไหลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น

ดี.ซี

ความแตกต่างระหว่างกระแสตรงและกระแสสลับนั้นชัดเจนจากชื่อ อันแรกแสดงถึงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในทิศทางเดียว มันง่ายมากที่จะแสดงภาพโดยใช้โมเดลลูปน้ำ ก็เพียงพอแล้วที่จะจินตนาการว่าน้ำไหลผ่านท่อไปในทิศทางเดียว อุปกรณ์ทั่วไปที่ผลิตไฟฟ้ากระแสตรง ได้แก่ เซลล์แสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ และไดนาโม อุปกรณ์เกือบทุกชนิดสามารถออกแบบให้ใช้พลังงานจากแหล่งดังกล่าวได้ นี่เป็นโดเมนเฉพาะของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและแรงดันไฟฟ้าต่ำเท่านั้น

กระแสตรงค่อนข้างง่ายและเป็นไปตามกฎของโอห์ม: U = I × R มีหน่วยวัดเป็นวัตต์และเท่ากับ: P = U × I

เนื่องจากสมการและพฤติกรรมที่เรียบง่าย กระแสตรงจึงค่อนข้างง่ายต่อการกำหนดแนวความคิด ระบบส่งกำลังระบบแรกที่พัฒนาโดยโทมัส เอดิสัน ย้อนกลับไปในศตวรรษที่ 19 ใช้เฉพาะสิ่งนี้เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างระหว่างกระแสสลับและกระแสตรงก็ปรากฏชัดเจนในไม่ช้า การส่งสัญญาณอย่างหลังในระยะทางไกลนั้นมาพร้อมกับการสูญเสียครั้งใหญ่ดังนั้นหลังจากนั้นไม่กี่ทศวรรษมันก็ถูกแทนที่ด้วยระบบที่ทำกำไรได้มากกว่า (ในเวลานั้น) ที่พัฒนาโดย Nikola Tesla

แม้ว่าเครือข่ายพลังงานเชิงพาณิชย์ทั่วโลกในปัจจุบันจะใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ แต่ที่น่าประชดก็คือความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีทำให้การส่งกระแสตรงแรงดันสูงในระยะทางไกลมากและภายใต้ภาระหนักมากมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งยกตัวอย่างใช้เมื่อเชื่อมต่อแต่ละระบบ เช่น ทั้งประเทศ หรือแม้แต่ทวีป นี่เป็นข้อแตกต่างระหว่าง AC และ DC อย่างไรก็ตามแบบแรกยังคงใช้ในเครือข่ายเชิงพาณิชย์แรงดันต่ำ

กระแสตรงและกระแสสลับ: ความแตกต่างในการผลิตและการใช้งาน

แม้ว่าไฟฟ้ากระแสสลับจะผลิตได้ง่ายกว่ามากโดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้พลังงานจลน์ แต่แบตเตอรี่สามารถสร้างได้เฉพาะไฟฟ้ากระแสตรงเท่านั้น ดังนั้นส่วนหลังจึงครอบงำวงจรจ่ายไฟของอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงต่ำและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แบตเตอรี่สามารถชาร์จได้ด้วยกระแส DC เท่านั้น ดังนั้นกระแสไฟหลัก AC จะถูกแก้ไขเมื่อแบตเตอรี่เป็นส่วนหลักของระบบ

ตัวอย่างทั่วไปคือยานพาหนะใดๆ เช่น รถจักรยานยนต์ รถยนต์ และรถบรรทุก เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่จะสร้างกระแสสลับซึ่งจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรงทันทีโดยใช้วงจรเรียงกระแส เนื่องจากมีแบตเตอรี่อยู่ในระบบจ่ายไฟ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ต้องการแรงดันไฟฟ้าคงที่ในการทำงาน เซลล์แสงอาทิตย์และเซลล์เชื้อเพลิงยังผลิตเฉพาะกระแสตรงเท่านั้น ซึ่งสามารถแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับได้หากจำเป็นโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าอินเวอร์เตอร์

ทิศทางการเคลื่อนไหว

นี่เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของความแตกต่างระหว่าง DC และ AC ตามชื่อที่แสดง อย่างหลังคือกระแสของอิเล็กตรอนที่เปลี่ยนทิศทางอยู่ตลอดเวลา นับตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 พลังงานไฟฟ้าในประเทศและอุตสาหกรรมเกือบทั้งหมดทั่วโลกได้ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับแบบไซนูซอยด์ เนื่องจากหาซื้อได้ง่ายกว่าและจำหน่ายถูกกว่ามาก ยกเว้นในบางกรณีน้อยมากของการส่งผ่านระยะไกลซึ่งการสูญเสียพลังงานบังคับให้มีการใช้ ระบบไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูงใหม่ล่าสุด

ไฟฟ้ากระแสสลับมีข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่ง: ช่วยให้สามารถส่งพลังงานกลับจากจุดที่ใช้กลับคืนสู่โครงข่ายได้ ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากในอาคารและโครงสร้างที่ผลิตพลังงานมากกว่าที่ใช้ ซึ่งค่อนข้างเป็นไปได้โดยใช้แหล่งพลังงานทดแทน เช่น แผงโซลาร์เซลล์ และความจริงที่ว่ากระแสสลับทำให้พลังงานหมุนเวียนได้สองทิศทางเป็นเหตุผลหลักที่ทำให้ความนิยมและความพร้อมของพลังงานทดแทน แหล่งที่มา

ความถี่

เมื่อพูดถึงระดับเทคนิค น่าเสียดายที่เป็นการยากที่จะอธิบายว่ากระแสสลับทำงานอย่างไร เนื่องจากแบบจำลองวงจรน้ำไม่ค่อยพอดี อย่างไรก็ตาม มันเป็นไปได้ที่จะเห็นภาพระบบที่น้ำเปลี่ยนทิศทางการไหลอย่างรวดเร็ว แม้ว่าจะไม่ชัดเจนว่ามันจะมีประโยชน์อย่างไรก็ตาม กระแสสลับและแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนทิศทางอยู่ตลอดเวลา อัตราการเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความถี่ (วัดเป็นเฮิรตซ์) และสำหรับเครือข่ายไฟฟ้าในครัวเรือนมักจะเป็น 50 Hz ซึ่งหมายความว่าแรงดันและกระแสเปลี่ยนทิศทาง 50 ครั้งต่อวินาที การคำนวณส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ในระบบไซน์ซอยด์นั้นค่อนข้างง่าย การหารค่าจุดสูงสุดด้วย √2 ก็เพียงพอแล้ว

เมื่อกระแสสลับเปลี่ยนทิศทาง 50 ครั้งต่อวินาที นั่นหมายความว่าหลอดไฟเปิดและปิด 50 ครั้งต่อวินาที สายตามนุษย์ไม่สามารถสังเกตเห็นสิ่งนี้ได้ และสมองก็เชื่อว่ามีแสงสว่างอยู่ตลอดเวลา นี่เป็นข้อแตกต่างระหว่าง AC และ DC

คณิตศาสตร์เวกเตอร์

กระแสและแรงดันไม่เพียงแต่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา แต่เฟสไม่ตรงกัน (ไม่ซิงโครไนซ์) โหลดไฟ AC ส่วนใหญ่ทำให้เกิดความแตกต่างของเฟส ซึ่งหมายความว่าแม้แต่การคำนวณที่ง่ายที่สุดก็ยังจำเป็นต้องใช้คณิตศาสตร์แบบเวกเตอร์ เมื่อทำงานกับเวกเตอร์ คุณไม่สามารถบวก ลบ หรือดำเนินการทางคณิตศาสตร์แบบสเกลาร์อื่นๆ ได้ สำหรับกระแสคงที่ หากสายเคเบิลเส้นหนึ่งส่งกระแสไฟ 5A ไปยังจุดหนึ่ง และอีกเส้นหนึ่งส่งกระแสไฟ 2A ผลลัพธ์ที่ได้คือ 7A ในกรณีของตัวแปร จะไม่เป็นเช่นนั้น เนื่องจากผลลัพธ์จะขึ้นอยู่กับทิศทางของเวกเตอร์

ตัวประกอบกำลัง

กำลังไฟฟ้าที่ใช้งานของโหลดที่จ่ายไฟ AC สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรง่ายๆ P = U × I × cos (φ) โดยที่ φ คือมุมระหว่างแรงดันและกระแส cos (φ) เรียกอีกอย่างว่าตัวประกอบกำลัง นี่คือความแตกต่างระหว่างกระแสตรงและกระแสสลับ: ประการแรก cos (φ) จะเท่ากับ 1 เสมอ พลังงานที่ใช้งานเป็นสิ่งจำเป็น (และจ่าย) โดยผู้บริโภคในครัวเรือนและอุตสาหกรรม แต่มันไม่เท่ากับพลังงานที่ซับซ้อนที่ไหลผ่าน ตัวนำ (สายเคเบิล) ต่อโหลดซึ่งสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร S = U × I และวัดเป็นโวลต์แอมแปร์ (VA)

ความแตกต่างระหว่างกระแสตรงและกระแสสลับในการคำนวณนั้นชัดเจน - พวกมันซับซ้อนมากขึ้น แม้แต่การคำนวณที่ง่ายที่สุดก็ยังต้องมีความรู้ทางคณิตศาสตร์เวกเตอร์ปานกลางเป็นอย่างน้อย

เครื่องเชื่อม

ความแตกต่างระหว่างกระแสตรงและกระแสสลับก็ปรากฏขึ้นเมื่อทำการเชื่อมด้วย ขั้วของส่วนโค้งมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณภาพของมัน การเชื่อมด้วยอิเล็กโทรดบวกจะแทรกซึมได้ลึกกว่าอิเล็กโทรดเชิงลบ แต่การเชื่อมแบบหลังจะเร่งการสะสมของโลหะ เมื่อใช้ไฟฟ้ากระแสตรง ขั้วจะคงที่เสมอ ด้วยตัวแปรจะเปลี่ยนแปลง 100 ครั้งต่อวินาที (ที่ 50 Hz) ควรใช้การเชื่อมอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการผลิตจะราบรื่นยิ่งขึ้น ความแตกต่างระหว่างการเชื่อมแบบ AC และ DC ก็คือในกรณีแรก การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะถูกขัดจังหวะเป็นเวลาเสี้ยววินาที ซึ่งนำไปสู่การเต้นเป็นจังหวะ ความไม่เสถียร และการสูญเสียส่วนโค้ง การเชื่อมประเภทนี้ไม่ค่อยได้ใช้ เช่น เพื่อกำจัดการเคลื่อนอาร์คในกรณีของอิเล็กโทรดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่

กระแสคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง จำเป็นที่อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในอุปกรณ์ของเราด้วย กระแสไฟฟ้าในเต้าเสียบมาจากไหน?

โรงไฟฟ้าแปลงพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนให้เป็นพลังงานไฟฟ้า นั่นคือโรงไฟฟ้าพลังน้ำใช้น้ำไหลเพื่อหมุนกังหัน ใบพัดกังหันหมุนลูกบอลทองแดงระหว่างแม่เหล็กสองตัว แม่เหล็กทำให้อิเล็กตรอนในทองแดงเคลื่อนที่ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนในสายไฟที่เชื่อมต่อกับลูกบอลทองแดงเคลื่อนที่ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าก็เหมือนกับปั๊มน้ำ และสายไฟก็เหมือนกับสายยาง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า-ปั๊มจะสูบอิเล็กตรอน-น้ำผ่านสายไฟ-ท่อ

กระแสสลับคือกระแสที่เรามีในทางออก เรียกว่าแปรผันเพราะทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ไฟ AC จากเต้ารับมีความถี่และแรงดันไฟฟ้าต่างกัน มันหมายความว่าอะไร? ในปลั๊กไฟของรัสเซีย ความถี่คือ 50 เฮิรตซ์ และแรงดันไฟฟ้าคือ 220 โวลต์ ปรากฎว่าในไม่กี่วินาทีการไหลของอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและประจุจากบวกเป็นลบ 50 เท่า คุณสามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงทิศทางในหลอดฟลูออเรสเซนต์เมื่อเปิดเครื่อง ในขณะที่อิเล็กตรอนกำลังเร่ง มันจะกะพริบหลายครั้ง - นี่คือการเปลี่ยนแปลงทิศทางการเคลื่อนที่ และ 220 โวลต์คือ "แรงดัน" สูงสุดที่เป็นไปได้ซึ่งอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในเครือข่ายนี้

ในไฟฟ้ากระแสสลับ ประจุจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าเป็น 100% จากนั้น 0% และ 100% อีกครั้ง หากแรงดันไฟฟ้าคงที่ 100% ก็จำเป็นต้องใช้ลวดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ และเมื่อประจุเปลี่ยนไป สายไฟก็อาจจะบางลง สะดวกครับ. โรงไฟฟ้าสามารถส่งโวลต์ได้หลายล้านโวลต์ผ่านสายไฟขนาดเล็ก จากนั้นหม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับบ้านแต่ละหลังจะใช้แรงดันไฟฟ้า 10,000 โวลต์ และส่งกระแสไฟ 220 โวลต์ไปยังแต่ละเต้ารับ

กระแสตรงคือกระแสที่คุณมีในแบตเตอรี่โทรศัพท์หรือแบตเตอรี่ของคุณ เรียกว่าคงที่เนื่องจากทิศทางที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไม่เปลี่ยนแปลง เครื่องชาร์จแปลงกระแสสลับจากเครือข่ายเป็นไฟฟ้ากระแสตรง และในรูปแบบนี้จะกลายเป็นแบตเตอรี่

กระแสสลับคือกระแสที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดและทิศทางซ้ำเป็นระยะๆ ในช่วงเวลาเท่ากัน T

ในด้านการผลิต การส่ง และการกระจายพลังงานไฟฟ้า กระแสสลับมีข้อดีหลักสองประการเหนือกระแสตรง:

1) ความสามารถ (การใช้หม้อแปลงไฟฟ้า) ในการเพิ่มและลดแรงดันไฟฟ้าอย่างง่ายดายและประหยัด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการส่งพลังงานในระยะทางไกล

2) ความเรียบง่ายที่มากขึ้นของอุปกรณ์มอเตอร์ไฟฟ้าและทำให้ต้นทุนลดลง

ค่าของปริมาณตัวแปร (กระแส, แรงดัน, แรงเคลื่อนไฟฟ้า) ในเวลาใดๆ จะถูกเรียก t มูลค่าทันที และเขียนแทนด้วยตัวอักษรพิมพ์เล็ก (ปัจจุบัน i, แรงดันไฟฟ้า u, แรงเคลื่อนไฟฟ้า - e)

ค่าที่ใหญ่ที่สุดในทันทีของการเปลี่ยนแปลงกระแสแรงดันไฟฟ้าหรือแรงเคลื่อนไฟฟ้าเป็นระยะเรียกว่า สูงสุด หรือ แอมพลิจูด ค่าและกำหนดด้วยอักษรตัวใหญ่ด้วยดัชนี "m" (I m, U m)

ช่วงเวลาที่สั้นที่สุดหลังจากนั้นเรียกว่าค่าทันทีของปริมาณตัวแปร (กระแส, แรงดัน, แรงเคลื่อนไฟฟ้า) ในลำดับเดียวกัน ระยะเวลา T และผลรวมของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในระหว่างงวดคือ วงจร

ส่วนกลับของช่วงเวลาเรียกว่าความถี่และเขียนแทนด้วยตัวอักษร f

เหล่านั้น. ความถี่ – จำนวนช่วงเวลาต่อ 1 วินาที

หน่วยความถี่ 1/วินาที - เรียกว่า เฮิรตซ์ (เฮิร์ตซ์) หน่วยความถี่ที่ใหญ่กว่าคือกิโลเฮิรตซ์ (kHz) และเมกะเฮิรตซ์ (MHz)

การได้รับกระแสสลับไซน์ซอยด์

ในเทคโนโลยีจะหากระแสสลับและแรงดันไฟฟ้าตามกฎงวดที่ง่ายที่สุด - ไซน์ซอยด์ เนื่องจากไซน์ซอยด์เป็นฟังก์ชันคาบเดียวที่มีอนุพันธ์คล้ายกับตัวมันเอง ส่งผลให้รูปร่างของเส้นโค้งแรงดันและกระแสในการเชื่อมโยงทั้งหมดของวงจรไฟฟ้าเหมือนกัน ซึ่งทำให้การคำนวณง่ายขึ้นอย่างมาก

หากต้องการรับกระแสความถี่อุตสาหกรรม ให้ใช้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งการดำเนินการเป็นไปตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเมื่อวงจรปิดเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กกระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในนั้น

แผนภาพวงจรของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับอย่างง่าย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับกำลังสูงที่ออกแบบมาสำหรับแรงดันไฟฟ้า 3-15 kV ทำด้วยขดลวดที่อยู่นิ่งบนสเตเตอร์ของเครื่องจักรและโรเตอร์แม่เหล็กไฟฟ้าแบบหมุน ด้วยการออกแบบนี้ทำให้ง่ายต่อการป้องกันสายไฟของขดลวดคงที่และง่ายกว่าในการเปลี่ยนกระแสไปยังวงจรภายนอก

การปฏิวัติโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบสองขั้วหนึ่งครั้งสอดคล้องกับช่วงเวลาหนึ่งของการสลับ EMF ที่เกิดจากการม้วน

หากโรเตอร์ทำการปฏิวัติ n รอบต่อนาที แสดงว่าความถี่ของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

.

เพราะ ในกรณีนี้คือความเร็วเชิงมุมของเครื่องกำเนิด
จากนั้นระหว่างมันกับความถี่ที่เกิดจาก EMF จะมีความสัมพันธ์กัน
.

เฟส. การเปลี่ยนเฟส

สมมติว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีการหมุนสองรอบที่เหมือนกันที่กระดองซึ่งเลื่อนไปในอวกาศ เมื่อกระดองหมุน EMF ที่มีความถี่เท่ากันและมีแอมพลิจูดเท่ากันจะถูกเหนี่ยวนำให้เกิดการหมุน เนื่องจาก ขดลวดหมุนด้วยความเร็วเท่ากันในสนามแม่เหล็กเดียวกัน แต่เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของการหมุนในอวกาศ EMF จึงไม่สามารถเข้าถึงสัญญาณแอมพลิจูดพร้อมกันได้

หากในขณะนี้การนับเวลาเริ่มต้น (t=0) เทิร์น 1 จะอยู่ที่มุมสัมพันธ์กับระนาบที่เป็นกลาง
และเทิร์นที่ 2 อยู่ในมุม
- จากนั้น EMF จะเกิดขึ้นในเทิร์นแรก:

และในวินาที:

เมื่อถึงเวลานับถอยหลัง:

มุมไฟฟ้า และ เรียกว่าการกำหนดค่าของแรงเคลื่อนไฟฟ้าในช่วงเวลาเริ่มต้น ระยะเริ่มต้น

เรียกว่าความแตกต่างในระยะเริ่มต้นของปริมาณไซน์ซอยด์สองปริมาณที่มีความถี่เท่ากัน มุมเฟส .

ปริมาณที่ค่าศูนย์ (หลังจากนั้นใช้กับค่าบวก) หรือค่าแอมพลิจูดที่เป็นบวกจะได้รับเร็วกว่าค่าอื่นที่ถือว่า ขั้นสูงในเฟส และสิ่งที่ได้รับค่าเดียวกันในภายหลัง - ล้าหลังในเฟส

ถ้าปริมาณไซน์ซอยด์สองปริมาณถึงแอมพลิจูดและค่าศูนย์พร้อมกัน ก็จะกล่าวว่าปริมาณดังกล่าวเป็น ในเฟส - หากมุมการเปลี่ยนเฟสของปริมาณไซน์ซอยด์คือ 180 0
แล้วพวกเขาก็บอกว่าจะเปลี่ยนเข้ามา แอนติเฟส