จากวิชาฟิสิกส์ ทุกคนรู้ดีว่ากระแสไฟฟ้าหมายถึงการเคลื่อนที่ตามคำสั่งของอนุภาคที่มีประจุ เพื่อให้ได้มานั้นจะเกิดสนามไฟฟ้าขึ้นในตัวนำ เช่นเดียวกันเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้กระแสไฟฟ้าคงอยู่เป็นเวลานาน
แหล่งที่มาของกระแสไฟฟ้าสามารถ:
- คงที่;
- เคมี;
- เครื่องกล
- เซมิคอนดักเตอร์
ในแต่ละครั้ง งานจะดำเนินการโดยแยกอนุภาคที่มีประจุต่างกันออกไป กล่าวคือสร้างสนามไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า แยกจากกันสะสมที่เสาที่จุดเชื่อมต่อของตัวนำ เมื่อขั้วเชื่อมต่อกันด้วยตัวนำ อนุภาคที่มีประจุจะเริ่มเคลื่อนที่และเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น
ที่มาของกระแสไฟฟ้า: การประดิษฐ์เครื่องไฟฟ้า
ถึงกลางศตวรรษที่สิบเจ็ดมันใช้เวลามากความพยายาม. ในเวลาเดียวกัน จำนวนของนักวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับปัญหานี้ได้เพิ่มขึ้น ดังนั้น Otto von Guericke จึงคิดค้นรถยนต์ไฟฟ้าคันแรกของโลก ในการทดลองหนึ่งกับกำมะถัน มันหลอมเหลวภายในลูกแก้วกลวง ชุบแข็งและทำให้แก้วแตก Guericke เสริมความแข็งแกร่งให้กับลูกบอลเพื่อให้สามารถบิดได้ หมุนและกดชิ้นส่วนของผิวหนัง เขามีประกายไฟ แรงเสียดทานนี้อำนวยความสะดวกอย่างมากในการผลิตไฟฟ้าระยะสั้น แต่ปัญหาที่ยากขึ้นแก้ไขได้ด้วยการพัฒนาวิทยาศาสตร์ต่อไปเท่านั้น
ปัญหาคือการเรียกเก็บเงินของ Guerike หายไปอย่างรวดเร็ว เพื่อเพิ่มระยะเวลาของการชาร์จ ศพถูกวางไว้ในภาชนะปิด (ขวดแก้ว) และวัสดุที่ใช้ไฟฟ้าคือน้ำพร้อมตะปู การทดลองได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุดเมื่อปิดขวดทั้งสองด้านด้วยวัสดุที่นำไฟฟ้า (เช่น แผ่นฟอยล์ เป็นต้น) เป็นผลให้พวกเขาตระหนักว่าสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้น้ำ
ขากบเป็นแหล่งพลังงาน
วิธีอื่นในการผลิตกระแสไฟฟ้าถูกค้นพบครั้งแรกโดย Luigi Galvani ในฐานะนักชีววิทยา เขาทำงานในห้องปฏิบัติการที่พวกเขาทดลองไฟฟ้า เขาเห็นว่าขาของกบตายหดตัวเมื่อตื่นเต้นด้วยประกายไฟจากเครื่องจักร แต่แล้ววันหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์ก็ได้ใช้มีดผ่าตัดเหล็กสัมผัสเธอโดยบังเอิญ
เขาเริ่มมองหาสาเหตุที่กระแสไฟฟ้ามาจากไหน แหล่งที่มาของกระแสไฟฟ้าตามข้อสรุปสุดท้ายของเขาอยู่ในเนื้อเยื่อของกบ
อเลสซานโดร โวลโต อีกคนหนึ่งในอิตาลี ได้พิสูจน์ความล้มเหลวของธรรมชาติ "กบ" ในปัจจุบัน สังเกตได้ว่ากระแสที่ใหญ่ที่สุดเกิดขึ้นเมื่อเติมทองแดงและสังกะสีลงในสารละลายกรดซัลฟิวริก การรวมกันนี้เรียกว่าเซลล์กัลวานิกหรือเซลล์เคมี
แต่การใช้เครื่องมือดังกล่าวเพื่อขอรับ EMF จะมีค่าใช้จ่ายสูงเกินไป ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงได้คิดค้นวิธีการผลิตพลังงานไฟฟ้าในรูปแบบทางกลที่ต่างออกไป
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าปกติทำงานอย่างไร
ในต้นศตวรรษที่ 19 G. H. Oersted ค้นพบว่าเมื่อกระแสไหลผ่านตัวนำ สนามต้นกำเนิดแม่เหล็กก็เกิดขึ้น ไม่นาน ฟาราเดย์พบว่าเมื่อเส้นแรงของสนามนี้ตัดกัน EMF จะเหนี่ยวนำให้เกิดในตัวนำซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า EMF แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนไหวและตัวนำเอง เช่นเดียวกับความแรงของสนาม เมื่อข้ามแรงหนึ่งร้อยล้านเส้นต่อวินาที EMF ที่เหนี่ยวนำจะเท่ากับหนึ่งโวลต์ เป็นที่ชัดเจนว่าการนำแบบแมนนวลในสนามแม่เหล็กไม่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้ แหล่งที่มาของกระแสไฟฟ้าประเภทนี้ได้แสดงให้เห็นประสิทธิภาพมากขึ้นโดยการพันลวดบนขดลวดขนาดใหญ่หรือทำเป็นดรัม ขดลวดถูกติดตั้งบนเพลาระหว่างแม่เหล็กกับน้ำหรือไอน้ำที่หมุนได้ แหล่งกระแสทางกลดังกล่าวมีอยู่ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั่วไป
เทสลายอดเยี่ยม
นักวิทยาศาสตร์ที่เก่งกาจจากเซอร์เบีย นิโคลา เทสลา ที่อุทิศชีวิตให้กับไฟฟ้า ได้ค้นพบสิ่งใหม่ๆ มากมายที่เรายังคงใช้มาจนถึงทุกวันนี้ เครื่องจักรไฟฟ้าแบบหลายเฟส, มอเตอร์ไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัส, การส่งกำลังผ่านกระแสสลับหลายเฟส - นี่ไม่ใช่รายการทั้งหมดสิ่งประดิษฐ์ของนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่
หลายคนเชื่อว่าปรากฏการณ์ในไซบีเรียที่เรียกว่าอุกกาบาต Tunguska นั้นเกิดจากเทสลาจริงๆ แต่บางทีหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่ลึกลับที่สุดคือหม้อแปลงไฟฟ้าที่สามารถรับแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึงสิบห้าล้านโวลต์ ผิดปกติคือทั้งอุปกรณ์และการคำนวณที่ไม่เป็นไปตามกฎหมายที่ทราบ แต่ในสมัยนั้นพวกเขาเริ่มพัฒนาเทคโนโลยีสูญญากาศซึ่งไม่มีความคลุมเครือ ดังนั้นการประดิษฐ์ของนักวิทยาศาสตร์จึงถูกลืมไปชั่วขณะหนึ่ง
แต่วันนี้กับการถือกำเนิดของฟิสิกส์เชิงทฤษฎี มีความสนใจในงานของเขาเพิ่มขึ้น อีเธอร์ได้รับการยอมรับว่าเป็นก๊าซซึ่งเป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ก๊าซทั้งหมด จากที่นั่นที่เทสลาผู้ยิ่งใหญ่ดึงพลังงานออกมา เป็นที่น่าสังเกตว่าทฤษฎีอีเธอร์เป็นเรื่องธรรมดามากในอดีตในหมู่นักวิทยาศาสตร์หลายคน เฉพาะกับการถือกำเนิดของ SRT - ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ Einstein ซึ่งเขาปฏิเสธการมีอยู่ของอีเธอร์ - มันจะถูกลืมหรือไม่แม้ว่าทฤษฎีทั่วไปที่คิดค้นขึ้นในภายหลังไม่ได้โต้แย้งเรื่องนี้
แต่สำหรับตอนนี้ มาดูกระแสไฟฟ้าและอุปกรณ์ที่แพร่หลายในวันนี้กันดีกว่า
การพัฒนาอุปกรณ์ทางเทคนิค - แหล่งข้อมูลปัจจุบัน
อุปกรณ์ดังกล่าวใช้แปลงพลังงานต่าง ๆ เป็นพลังงานไฟฟ้า แม้จะมีการค้นพบวิธีการทางกายภาพและเคมีในการผลิตพลังงานไฟฟ้าเมื่อนานมาแล้ว แต่ก็แพร่หลายในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ยี่สิบเท่านั้นเมื่อเริ่มพัฒนาอย่างรวดเร็ววิทยุอิเล็กทรอนิกส์ กัลวานิกเดิมห้าคู่ถูกเติมเต็มด้วยอีก 25 ชนิด และในทางทฤษฎี อาจมีคู่กัลวานิกได้หลายพันคู่ เนื่องจากพลังงานอิสระสามารถรับรู้ได้จากตัวออกซิไดเซอร์และรีดักแตนท์ใดๆ
แหล่งกายภาพปัจจุบัน
แหล่งทางกายภาพในปัจจุบันเริ่มพัฒนาในภายหลัง เทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้ข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ และเครื่องกำเนิดความร้อนและความร้อนทางอุตสาหกรรมสามารถรับมือกับงานที่เพิ่มขึ้นได้สำเร็จ แหล่งที่มาของกระแสทางกายภาพคืออุปกรณ์ที่พลังงานความร้อน แม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องกล และรังสี และการสลายตัวของนิวเคลียร์ถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า นอกเหนือจากข้างต้น ยังรวมถึงเครื่องจักรไฟฟ้า เครื่องกำเนิด MHD เช่นเดียวกับที่ใช้ในการแปลงรังสีดวงอาทิตย์และการสลายตัวของอะตอม
เพื่อไม่ให้กระแสไฟฟ้าในตัวนำหายไป จำเป็นต้องมีแหล่งภายนอกเพื่อรักษาความต่างศักย์ที่ปลายตัวนำ ด้วยเหตุนี้จึงใช้แหล่งพลังงานที่มีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเพื่อสร้างและรักษาความต่างศักย์ EMF ของแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าวัดโดยงานที่ทำโดยการถ่ายโอนประจุบวกไปทั่ววงจรปิด
ความต้านทานภายในแหล่งปัจจุบันแสดงลักษณะเชิงปริมาณ โดยกำหนดปริมาณการสูญเสียพลังงานเมื่อส่งผ่านแหล่งที่มา
กำลังและประสิทธิภาพเท่ากับอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้าภายนอกต่อ EMF
แหล่งเคมีปัจจุบัน
แหล่งกระแสเคมีในวงจรไฟฟ้า EMF เป็นอุปกรณ์ที่พลังงานของปฏิกิริยาเคมีจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า
มันขึ้นอยู่กับสองอิเล็กโทรด: ตัวรีดิวซ์ที่มีประจุลบและตัวออกซิไดซ์ที่มีประจุบวกซึ่งสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์ ความต่างศักย์เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรด EMF
อุปกรณ์สมัยใหม่มักใช้:
- เป็นตัวรีดิวซ์ - ตะกั่ว แคดเมียม สังกะสีและอื่น ๆ
- ออกซิแดนท์ - นิกเกิลไฮดรอกไซด์ ตะกั่วออกไซด์ แมงกานีสและอื่น ๆ
- อิเล็กโทรไลต์ - สารละลายของกรด ด่าง หรือเกลือ
เซลล์แห้งสังกะสีและแมงกานีสใช้กันอย่างแพร่หลาย นำภาชนะที่ทำด้วยสังกะสี (มีขั้วลบ) อิเล็กโทรดบวกถูกวางไว้ข้างในด้วยส่วนผสมของแมงกานีสไดออกไซด์กับผงคาร์บอนหรือกราไฟต์ ซึ่งช่วยลดความต้านทาน อิเล็กโทรไลต์เป็นแอมโมเนีย แป้ง และส่วนประกอบอื่นๆ
แบตเตอรี่กรดตะกั่วมักเป็นแหล่งกระแสเคมีทุติยภูมิในวงจรไฟฟ้าที่มีกำลังสูง การทำงานที่เสถียรและต้นทุนต่ำ แบตเตอรี่ประเภทนี้ใช้ในหลายพื้นที่ มักนิยมใช้กับแบตเตอรี่สตาร์ท ซึ่งมีค่าอย่างยิ่งในรถยนต์ที่มักผูกขาด
แบตเตอรี่ทั่วไปอีกชนิดหนึ่งประกอบด้วยเหล็ก (แอโนด), นิกเกิลออกไซด์ไฮเดรต (แคโทด) และอิเล็กโทรไลต์ - สารละลายโพแทสเซียมหรือโซเดียมที่เป็นน้ำ วัสดุที่ใช้งานอยู่ในท่อเหล็กชุบนิกเกิล
การใช้สายพันธุ์นี้ลดลงหลังจากโรงงาน Edison ไฟไหม้ในปี 1914 อย่างไรก็ตาม หากเปรียบเทียบคุณลักษณะของแบตเตอรี่ประเภทแรกและประเภทที่สอง ปรากฎว่าการทำงานของเหล็ก-นิกเกิลอาจยาวนานกว่าตะกั่ว-กรดหลายเท่า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่ง่ายที่สุดสามารถแสดงเป็นโครงตัวนำซึ่งวางอยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็กและปลายที่เชื่อมต่อกับวงแหวนครึ่งฉนวน (ตัวสะสม) เพื่อให้อุปกรณ์ทำงานได้จำเป็นต้องหมุนเฟรมด้วยตัวสะสม จากนั้นจะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นโดยเปลี่ยนทิศทางภายใต้อิทธิพลของเส้นสนามแม่เหล็ก ในสายโซ่ชั้นนอกก็จะไปในทิศทางเดียว ปรากฎว่าตัวสะสมจะแก้ไขกระแสสลับที่สร้างโดยเฟรม เพื่อให้ได้กระแสคงที่ ตัวสะสมจะทำด้วยเพลต 36 ตัวขึ้นไป และตัวนำประกอบด้วยหลายเฟรมในรูปแบบของขดลวดกระดอง
ลองพิจารณาว่าแหล่งกำเนิดกระแสในวงจรไฟฟ้ามีจุดประสงค์อะไร มาดูกันว่าปัจจุบันมีแหล่งใดบ้าง
วงจรไฟฟ้า: กระแสไฟ ความแรงของกระแส แหล่งกระแส
วงจรไฟฟ้าประกอบด้วยแหล่งกระแสซึ่งเมื่อรวมกับวัตถุอื่นๆ จะสร้างเส้นทางสำหรับกระแส และแนวคิดของ EMF กระแสและแรงดันไฟเผยให้เห็นกระบวนการแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในกรณีนี้
วงจรไฟฟ้าที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยแหล่งกระแส (แบตเตอรี่ เซลล์กัลวานิก เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และอื่นๆ) ผู้ใช้พลังงาน (เครื่องทำความร้อนไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้า ฯลฯ) รวมถึงสายไฟที่เชื่อมต่อขั้วของแรงดันไฟฟ้า แหล่งที่มาและผู้บริโภค
วงจรไฟฟ้ามีชิ้นส่วนภายใน (แหล่งไฟฟ้า) และภายนอก (สายไฟ สวิตช์และสวิตช์ เครื่องมือวัด)
มันจะได้ผลและมีค่าเป็นบวกก็ต่อเมื่อให้วงจรปิด การแตกใด ๆ ทำให้กระแสหยุดไหล
วงจรไฟฟ้าประกอบด้วยแหล่งกระแสไฟฟ้าในรูปของเซลล์กัลวานิก เครื่องสะสมไฟฟ้า เครื่องกลไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก โฟโตเซลล์ และอื่นๆ
มอเตอร์ไฟฟ้าทำหน้าที่เป็นตัวรับไฟฟ้า ซึ่งแปลงพลังงานเป็นอุปกรณ์กลไก ให้แสงสว่างและให้ความร้อน โรงผลิตกระแสไฟฟ้า และอื่นๆ
อุปกรณ์เสริมคืออุปกรณ์ที่ใช้เปิดปิด เครื่องมือวัด และกลไกป้องกัน
ส่วนประกอบทั้งหมดแบ่งออกเป็น:
- active (ที่วงจรไฟฟ้าประกอบด้วยแหล่งกระแส EMF, มอเตอร์ไฟฟ้า, แบตเตอรี่ และอื่นๆ);
- passive (ซึ่งรวมถึงเครื่องรับไฟฟ้าและสายไฟต่อ)
เชนสามารถ:
- เชิงเส้น โดยที่ความต้านทานขององค์ประกอบนั้นมีลักษณะเป็นเส้นตรงเสมอ
- ไม่เชิงเส้น โดยแนวต้านขึ้นอยู่กับแรงดันไฟหรือกระแส
นี่คือวงจรที่ง่ายที่สุดที่รวมแหล่งกระแส กุญแจ หลอดไฟฟ้า รีโอสแตทไว้ในวงจร
แม้จะมีอุปกรณ์ทางเทคนิคดังกล่าวแพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงไม่กี่ครั้งที่ผ่านมา ผู้คนเริ่มถามคำถามเกี่ยวกับการติดตั้งแหล่งพลังงานทางเลือกมากขึ้น
แหล่งพลังงานไฟฟ้าหลากหลาย
แหล่งของกระแสไฟฟ้ายังคงมีอยู่? มันไม่ได้เป็นเพียงดวงอาทิตย์ ลม โลก และกระแสน้ำ พวกเขาได้กลายเป็นแหล่งไฟฟ้าทางเลือกอย่างเป็นทางการแล้ว
ต้องบอกว่ามีแหล่งอื่นมากมาย สิ่งเหล่านี้ไม่ธรรมดาเพราะยังใช้งานไม่ได้และสะดวก แต่ใครจะไปรู้ บางทีอนาคตอาจจะอยู่ข้างหลังพวกเขา
ดังนั้นพลังงานไฟฟ้าสามารถหาได้จากน้ำเกลือ นอร์เวย์ได้สร้างโรงไฟฟ้าโดยใช้เทคโนโลยีนี้แล้ว
สถานีไฟฟ้าสามารถทำงานบนเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์ออกไซด์ที่เป็นของแข็งได้
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเพียโซอิเล็กทริกเป็นที่รู้จักกันว่าใช้พลังงานจลนศาสตร์ (ทางเท้า, ทางลาด, ประตูหมุน และแม้แต่ฟลอร์เต้นรำมีอยู่แล้วด้วยเทคโนโลยีนี้)
นอกจากนี้ยังมีนาโนเจนเนอเรเตอร์ที่มุ่งเปลี่ยนพลังงานในร่างกายมนุษย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า
แล้วสาหร่ายเคยร้อนบ้าน ดาบฟุตบอลที่สร้างพลังงานไฟฟ้า จักรยานที่ชาร์จอุปกรณ์ต่างๆ หรือแม้แต่กระดาษตัดละเอียดที่ใช้เป็นแหล่งพลังงานได้ใช่ไหม
อนาคตที่ยิ่งใหญ่เป็นของการพัฒนาพลังงานภูเขาไฟ
นี่คือความจริงของวันนี้ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์กำลังดำเนินการอยู่ เป็นไปได้ว่าในไม่ช้าบางส่วนของพวกเขาจะกลายเป็นเรื่องธรรมดาโดยสิ้นเชิง เช่น ไฟฟ้าในบ้านในปัจจุบัน
บางทีอาจมีคนเปิดเผยความลับของนักวิทยาศาสตร์ นิโคลา เทสลา และมนุษยชาติจะสามารถรับกระแสไฟฟ้าจากอีเธอร์ได้ง่ายๆ หรือไม่
