หลักการเกิดไฟฟ้ากระแสสลับ

จำนวนผู้เยี่ยมชมหน้านี้

                   
                  ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current, AC) เกิดได้จากหลักการขดลวดเคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็ก หรือสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ตัดขดลวด ซึ่งเป็นวิธีการให้กำเนิดไฟฟ้าวิธีหนึ่งในหลายๆ วิธี ที่สามารถให้กำเนิดไฟฟ้าได้ ซึ่งถูกค้นพบโดยไมเคิล ฟาราเดย์

                  ซึ่งการกำเนิดไฟฟ้าด้วยการใช้สนามแม่เหล็ก ได้มีนักประดิษฐ์ คิดประดิษฐ์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขึ้นมาเรียกว่าเจนเนอเรเตอร์ (Generator) ซึ่งมีลักษณะส่วนประกอบต่างๆ คล้ายกับมอเตอร์ และบางตัวอาจจะสามารถเป็นได้ทั้งมอเตอร์ และเจนเนอเรเตอร์เลยทีเดียว ขึ้นอยู่กับการให้พลังงานคือ ถ้าเราทำให้มันหมุนได้ (ให้พลังงานกล) มันก็จะสามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าออกมาให้กับเรา แต่ถ้าเราจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับมัน มันก็จะสามารถหมุนได้

                   แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นจากการใช้ขดลวดเคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็ก หรือสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ตัดขดลวด ในลักษณะทำมุมตั้งฉากกัน ( 90 องศา ) จะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ

                  1. ความหนาแน่นของสนามแม่เหล็ก

                  2. ความยาวของขดลวด

                  3. ความเร็วในการเคลื่อนที่ของขดลวดที่ตัดกับสนามแม่เหล็ก

                  ดังนั้น ถ้าเราให้

            e = แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ มีหน่วยเป็นโวลต์ (V)

            B = ความหนาแน่นของสนามแม่เหล็ก มีหน่วยเป็นเวเบอร์ต่อตารางเมตร (Wb/m²)

            l  = ความยาวของขดลวด  มีหน่วยเป็นเมตร (m)

            v = ความเร็วในการตัดกันของขดลวดกับสนามแม่เหล็ก มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที (m/s)

               จะสามารถหาค่าแรงดันเหนี่ยวนำได้จากสูตร

               e = Blv

ภาพที่ 1 แสดงการเกิดไฟฟ้าโดยขดลวดเคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็กเป็นมุมฉาก

                                    ซึ่งจะทำให้เกิดไฟฟ้าได้มากที่สุด

ตัวอย่างที่ 1  ขดลวดตัวนำยาว 15 เมตร เคลื่อนที่ตัดผ่านสนามแม่เหล็กที่มีความหนาแน่น 0.7 Wb/m² ด้วยความเร็ว 30 m/s  จงคำนวณหาขนาดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในลวดตัวนำ

วิธีทำ

            จากสูตร      e = Blv

โจทย์กำหนดให้   B = 0.7 Wb/m²

                     l  = 15 m

                      v = 30 m/s 

แทนค่าในสูตร จะได้

                    e = Blv

                       = 0.7 x 15 x 30

                       = 315 V  

              แต่จากสูตรการหาแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำใช้กับการเคลื่อนที่ตัดกันของขดลวดและสนามแม่เหล็กในแนวตั้งฉากกันเท่านั้น ซึ่งจากตัวอย่างด้านบน แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่หาได้ 315 V คือแรงดันไฟฟ้าที่มีค่ามากที่สุด ที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสามารถสร้างได้ ที่ขดลวดและสนามแม่เหล็กตัดกันในแนวตั้งฉากกันเท่านั้น คือที่จุด 90 องศาด้านบวก และ 270 องศา ด้านลบเท่านั้น ส่วนในตำแหน่งอื่นแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดจะน้อยลง เมื่อมุมในการตัดลดลงน้อยกว่า 90 องศา  หรือจะไม่เกิดเลย เมื่อขดลวดและสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่ขนานกัน คือ 0 องศา และ 180 องศา ทางไฟฟ้า

                 เนื่องจากในทางปฏิบัติ หรือในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ขดลวดหรือสนานแม่เหล็กจะเคลื่อนที่เป็นลักษณะวงกลม (ส่วนที่เคลื่อนที่) อีกส่วนหนึ่งก็จะอยู่กับที่ จึงทำให้การตัดกันไม่อยู่ในลักษณะของการตั้งฉากตลอดเวลา แต่จะเคลื่อนที่ไปเป็นมุมทางไฟฟ้า ตั้งแต่ 0 องศา ไปจนครบรอบที่ 360 องศา ซึ่งจะทำให้แรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นมีค่าไม่เท่ากันตลอดเวลา ตามค่ามุมการตัดที่เปลี่ยนไป โดยจะทำให้แรงดันเหนี่ยวนำมีค่าลดลงจากค่าสูงสุดตามค่าไซน์ (sin) ของมุมที่ตัด จึงทำให้ค่าแรงดันของไฟฟ้ากระแสสลับที่เกิดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีลักษณะเหมือนรูปคลื่น เราเลยเรียกรูปคลื่นนี้ว่า คลื่นไซน์ (Sine Wave)

             โดยรูปคลื่นไซน์ของไฟฟ้ากระแสสลับ แต่ละช่วงเวลาที่ขดลวดและสนามแม่เหล็กตัดกันที่มุมกี่องศา สามารถหาได้จาก

                 e = E_msinq

             เมื่อ  e = แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ตำแหน่งต่างๆ

                   E_m  = แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีค่ามากที่สุดที่ขดลวดจะสร้างได้ ( ที่มุม 90 องศา และ 270 องศา ทางไฟฟ้า)

               q  =  มุมที่ขดลวดและสนามแม่เหล็กตัดกัน

ตัวอย่างที่ 2 จากตัวอย่างที่ 1 จงหาค่าแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำในตำแหน่งที่ขดลวดและสนามแม่เหล็กตัดกันที่มุม 75 องศา และ 210 องศา

วิธีทำ

            จากสูตรหาค่าแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ตำแหน่งต่างๆ     

                 e = E_msinq

จากตัวอย่างที่ 1  แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงสุดที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถสร้างได้คือ 315 V

แทนค่าในสูตรที่ตำแหน่ง   75 องศา

                 e = 315sin75°

                    = 315 x 0.966

                    = 304 V
ดังนั้นที่ตำแหน่ง 75 องศา เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถสร้างแรงดันเหนี่ยวนำได้ 304 V ด้านบวก

แทนค่าในสูตรที่ตำแหน่ง   210 องศา

                 e = 315sin210°

                    = 315 x (-0.5)

                    = -157.5 V 
ดังนั้นที่ตำแหน่ง 210 องศา เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถสร้างแรงดันเหนี่ยวนำได้ 157.5 V ด้านลบ

             ส่วนสาเหตุที่เราเรียกไฟฟ้าที่เกิดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าว่าไฟฟ้ากระแสสลับ ว่าไฟฟ้ากระแสสลับ เนื่องจากสนามแม่เหล็กมีขั้วเหนือและขั้วใต้ ดังนั้นในการเคลื่อนที่ของขดลวดในตอนแรกจะเคลื่อนที่ตัดกับขั้วเหนือของสนามแม่เหล็กทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในด้านบวก แต่เมื่อผ่านขั้วเหนือของแม่เหล็กไปแล้วขดลวดก็จะเริ่มกลับมาตัดกับขั้วใต้ของแม่เหล็กจะทำให้แรงดันไฟฟ้ากลับทิศทางการไหลเป็นตรงข้ามหรือด้านลบนั่นเองจนครบ 1 รอบ ก็จะกลับไปเริ่มที่ขั้วเหนือใหม่สลับไปสลับมาอยู่อย่างนี้ไปตลอด เราเลยเรียกว่าไฟฟ้ากระแสสลับตามลักษณะของแรงดันที่เกิดขึ้นนั่นเอง