กระแสไฟฟ้าคืออะไร? เงื่อนไขการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า: ลักษณะและการกระทำ

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

กระแสไฟฟ้าคือประจุไฟฟ้าที่กำลังเคลื่อนที่ อาจอยู่ในรูปแบบของการคายประจุไฟฟ้าสถิตอย่างกะทันหัน เช่น ฟ้าผ่า หรืออาจเป็นกระบวนการควบคุมในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แบตเตอรี่ เซลล์แสงอาทิตย์ หรือเซลล์เชื้อเพลิง วันนี้เราจะมาพิจารณาแนวคิดของ "กระแสไฟฟ้า" และเงื่อนไขการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า

พลังงานไฟฟ้า

ไฟฟ้าที่เราใช้ส่วนใหญ่มาในรูปของไฟฟ้ากระแสสลับจากโครงข่ายไฟฟ้า มันถูกสร้างขึ้นโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำงานตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงสามารถเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในตัวนำได้

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีขดลวดที่หมุนผ่านสนามแม่เหล็กได้การหมุน เมื่อขดลวดหมุน ขดลวดจะเปิดและปิดสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก และสร้างกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนทิศทางทุกครั้งที่หมุน กระแสจะหมุนไปข้างหน้าและย้อนกลับเต็มรอบ 60 ครั้งต่อวินาที

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำที่ให้ความร้อนด้วยถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ น้ำมัน หรือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสจะไหลผ่านชุดของหม้อแปลงไฟฟ้า โดยที่แรงดันไฟจะเพิ่มขึ้น เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวดจะเป็นตัวกำหนดปริมาณและความแรงของกระแสไฟฟ้าที่พวกมันสามารถขนส่งได้โดยไม่เกิดความร้อนสูงเกินไปและสิ้นเปลืองพลังงาน และแรงดันไฟฟ้าจะถูกจำกัดด้วยฉนวนของสายไฟจากพื้นเท่านั้น

น่าสังเกตว่ากระแสไฟฟ้าใช้สายเพียงเส้นเดียว ไม่ใช่สองเส้น ทั้งสองด้านถูกกำหนดให้เป็นบวกและลบ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระแสสลับเปลี่ยน 60 ครั้งต่อวินาที จึงมีชื่อเรียกอื่น - ร้อน (สายไฟลำตัว) และต่อสายดิน (ผ่านใต้ดินเพื่อทำให้วงจรสมบูรณ์)

ทำไมต้องใช้ไฟฟ้า

ไฟฟ้ามีประโยชน์หลายอย่าง: มันสามารถส่องสว่างบ้านของคุณ ซักและตากเสื้อผ้าของคุณ ยกประตูโรงรถของคุณ ต้มน้ำในกาต้มน้ำ และจ่ายไฟให้กับของใช้ในครัวเรือนอื่นๆ ที่ทำให้ชีวิตของเราง่ายขึ้นมาก อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการส่งข้อมูลในปัจจุบันมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ

เมื่อเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตคอมพิวเตอร์ใช้กระแสไฟฟ้าเพียงส่วนเล็ก ๆ แต่นี่คือสิ่งที่ไม่มีคนทันสมัยนึกภาพชีวิตไม่ออก

แนวคิดของกระแสไฟฟ้า

เหมือนการไหลของแม่น้ำ การไหลของโมเลกุลของน้ำ กระแสไฟฟ้าคือการไหลของอนุภาคที่มีประจุ อะไรเป็นสาเหตุของมัน และทำไมมันไม่ไปในทิศทางเดียวกันเสมอไป? เมื่อได้ยินคำว่า Flow คุณนึกถึงอะไร? บางทีมันอาจจะเป็นแม่น้ำ เป็นความสัมพันธ์ที่ดี เพราะนั่นคือเหตุผลที่กระแสไฟฟ้าได้รับชื่อ คล้ายกับการไหลของน้ำ แทนที่จะเป็นโมเลกุลของน้ำที่เคลื่อนที่ไปตามช่องทาง อนุภาคที่มีประจุจะเคลื่อนที่ไปตามตัวนำ

ในเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า มีรายการสำหรับการปรากฏตัวของอิเล็กตรอน อะตอมในวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามีอนุภาคที่มีประจุฟรีจำนวนมากที่ลอยอยู่รอบ ๆ และระหว่างอะตอม การเคลื่อนที่ของพวกมันเป็นแบบสุ่ม ดังนั้นจึงไม่มีกระแสในทิศทางใดๆ กระแสไฟฟ้าจะมีอยู่ได้อย่างไร

เงื่อนไขสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้ารวมถึงการมีอยู่ของแรงดันไฟฟ้า เมื่อนำไปใช้กับตัวนำ อิเล็กตรอนอิสระทั้งหมดจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ทำให้เกิดกระแส

อยากรู้กระแส

สิ่งที่น่าสนใจก็คือเมื่อพลังงานไฟฟ้าถูกส่งผ่านตัวนำด้วยความเร็วแสง อิเล็กตรอนเองก็เคลื่อนที่ช้ากว่ามาก ที่จริงแล้ว ถ้าคุณเดินสบายๆ ข้างๆ ลวดนำไฟฟ้า ความเร็วของคุณก็จะเร็วกว่า 100 เท่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ เนื่องจากไม่ต้องเดินทางไกลเพื่อส่งพลังงานให้กันและกัน

กระแสตรงและกระแสสลับ

วันนี้มีการใช้กระแสไฟฟ้าสองประเภทที่แตกต่างกัน - แบบตรงและแบบสลับ ในขั้นแรก อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว จากด้าน "ลบ" ไปทางด้าน "บวก" กระแสสลับดันอิเล็กตรอนไปมาโดยเปลี่ยนทิศทางการไหลหลายครั้งต่อวินาที

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้ในโรงไฟฟ้าเพื่อผลิตไฟฟ้าได้รับการออกแบบเพื่อผลิตไฟฟ้ากระแสสลับ คุณอาจไม่เคยสังเกตว่าไฟในบ้านของคุณกำลังกะพริบจริง ๆ เมื่อทิศทางปัจจุบันเปลี่ยนไป แต่มันเกิดขึ้นเร็วเกินไปสำหรับดวงตาที่จะจดจำ

เงื่อนไขของการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าตรงคืออะไร? ทำไมเราต้องการทั้งสองแบบและแบบไหนดีกว่ากัน? นี่เป็นคำถามที่ดี ความจริงที่ว่าเรายังคงใช้กระแสทั้งสองประเภทแสดงให้เห็นว่าทั้งสองมีจุดประสงค์เฉพาะ ย้อนกลับไปในศตวรรษที่ 19 เป็นที่ชัดเจนว่าการส่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพในระยะทางไกลระหว่างโรงไฟฟ้าและบ้านเรือนสามารถทำได้ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากเท่านั้น แต่ปัญหาก็คือการส่งไฟฟ้าแรงสูงนั้นอันตรายมากสำหรับผู้คน

วิธีแก้ปัญหานี้คือคลายเครียดนอกบ้านก่อนส่งเข้าบ้าน จนถึงทุกวันนี้ กระแสไฟฟ้าตรงถูกใช้เพื่อส่งขนาดใหญ่ระยะทาง สาเหตุหลักมาจากความสามารถในการแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าอื่นได้อย่างง่ายดาย

กระแสไฟฟ้าทำงานอย่างไร

เงื่อนไขสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า ได้แก่ การมีอยู่ของอนุภาคที่มีประจุ ตัวนำ และแรงดันไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ศึกษาไฟฟ้าและพบว่ามีอยู่ 2 ประเภทคือ ไฟฟ้าสถิตย์และกระแสไฟ

เป็นครั้งที่สองที่มีบทบาทอย่างมากในชีวิตประจำวันของใครก็ตามเนื่องจากเป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจร เราใช้มันทุกวันเพื่อเพิ่มพลังให้บ้านของเราและอีกมากมาย

กระแสไฟฟ้าคืออะไร

เมื่อประจุไฟฟ้าหมุนเวียนในวงจรจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง จะเกิดกระแสไฟฟ้า เงื่อนไขสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้านั้นรวมถึงนอกเหนือจากอนุภาคที่มีประจุแล้ว การมีอยู่ของตัวนำด้วย ส่วนใหญ่มักจะเป็นลวด วงจรของมันคือวงจรปิดซึ่งกระแสไหลจากแหล่งพลังงาน เมื่อวงจรเปิด เขาไม่สามารถเดินทางให้เสร็จสิ้นได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อไฟในห้องของคุณดับ วงจรจะเปิด แต่เมื่อปิดวงจร ไฟก็จะติด

กำลังปัจจุบัน

เงื่อนไขสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าในตัวนำนั้นได้รับอิทธิพลอย่างมากจากลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าเช่นกำลังไฟฟ้า นี่คือการวัดปริมาณการใช้พลังงานในช่วงเวลาหนึ่ง

มีหลายหน่วยที่ใช้ได้การแสดงออกของลักษณะนี้ อย่างไรก็ตาม พลังงานไฟฟ้าวัดได้เกือบเป็นวัตต์ หนึ่งวัตต์เท่ากับหนึ่งจูลต่อวินาที

ประจุไฟฟ้าขณะเคลื่อนที่

เงื่อนไขของการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าคืออะไร? อาจอยู่ในรูปแบบของการปล่อยไฟฟ้าสถิตอย่างกะทันหัน เช่น ฟ้าผ่าหรือประกายไฟจากการเสียดสีด้วยผ้าขนสัตว์ อย่างไรก็ตาม บ่อยครั้งเมื่อเราพูดถึงกระแสไฟฟ้า เราหมายถึงรูปแบบไฟฟ้าที่มีการควบคุมมากขึ้น ซึ่งทำให้ไฟและเครื่องใช้ทำงานได้ ประจุไฟฟ้าส่วนใหญ่ดำเนินการโดยอิเล็กตรอนเชิงลบและโปรตอนบวกภายในอะตอม อย่างไรก็ตาม ส่วนหลังส่วนใหญ่จะถูกตรึงภายในนิวเคลียสของอะตอม ดังนั้นงานในการถ่ายโอนประจุจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งจึงกระทำโดยอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนในวัสดุนำไฟฟ้า เช่น โลหะ ส่วนใหญ่จะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งตามแถบการนำไฟฟ้า ซึ่งเป็นวงโคจรของอิเล็กตรอนที่สูงกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าหรือแรงดันไฟที่เพียงพอจะสร้างประจุที่ไม่สมดุลซึ่งอาจทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านตัวนำเป็นกระแสไฟฟ้าได้

ถ้าเราเปรียบเสมือนน้ำ ให้ยกตัวอย่าง ไปป์ เมื่อเราเปิดวาล์วที่ปลายด้านหนึ่งเพื่อให้น้ำเข้าสู่ท่อ เราไม่ต้องรอให้น้ำนั้นทำงานตลอดทางจนถึงปลายท่อ เราได้รับน้ำที่ปลายอีกด้านเกือบจะในทันทีเพราะน้ำที่เข้ามาดันน้ำที่อยู่ในท่ออยู่แล้ว นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าอยู่ในสายไฟ

กระแสไฟฟ้า: เงื่อนไขสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้ามักจะถูกมองว่าเป็นการไหลของอิเล็กตรอน เมื่อปลายทั้งสองของแบตเตอรี่เชื่อมต่อกันด้วยลวดโลหะ มวลที่ชาร์จนี้จะไหลผ่านลวดจากปลายด้านหนึ่ง (อิเล็กโทรดหรือขั้ว) ของแบตเตอรี่ไปทางตรงข้าม เรามาตั้งชื่อเงื่อนไขสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้ากัน:

1. อนุภาคประจุ
2. นักสำรวจ
3. แหล่งจ่ายแรงดัน

แต่ไม่ใช่ทุกอย่างจะง่ายนัก เงื่อนไขใดที่จำเป็นสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า? คำถามนี้สามารถตอบได้ในรายละเอียดเพิ่มเติมโดยดูที่ลักษณะดังต่อไปนี้:

• ความต่างศักย์ (แรงดัน). นี่เป็นหนึ่งในข้อกำหนดเบื้องต้น ระหว่างจุด 2 จุดจะต้องมีความต่างศักย์ หมายความว่าแรงผลักที่เกิดจากอนุภาคที่มีประจุในที่หนึ่งจะต้องมากกว่าแรงที่จุดอื่น ตามกฎแล้วแหล่งจ่ายแรงดันจะไม่เกิดขึ้นในธรรมชาติและอิเล็กตรอนจะถูกกระจายอย่างเท่าเทียมกันในสภาพแวดล้อม อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์สามารถคิดค้นอุปกรณ์บางประเภทที่สามารถสะสมอนุภาคที่มีประจุเหล่านี้ได้ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นมาก (เช่น ในแบตเตอรี่)
• ความต้านทานไฟฟ้า (ตัวนำ). นี่เป็นเงื่อนไขสำคัญประการที่สองที่จำเป็นสำหรับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้า นี่คือเส้นทางที่อนุภาคที่มีประจุเดินทาง เฉพาะวัสดุที่อนุญาตให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเท่านั้นที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำ เดียวกันที่ซึ่งไม่มีความสามารถนี้เรียกว่าฉนวน ตัวอย่างเช่น ลวดโลหะจะเป็นตัวนำที่ดีเยี่ยม ในขณะที่ปลอกยางจะเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยม

เมื่อศึกษาเงื่อนไขการเกิดขึ้นและการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าอย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว ผู้คนสามารถเชื่ององค์ประกอบที่ทรงพลังและอันตรายนี้และชี้นำเพื่อประโยชน์ของมนุษยชาติ