ไฟฟ้ากระแสสลับ ความถี่และคาบเวลา

ไฟฟ้ากระแสสลับความถี่และคาบเวลา

ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current)

          ไฟฟ้ากระแสสลับ คือ ไฟฟ้าที่ลักษณะการไหลของกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนทิศทางตลอดเวลา คือ ขณะหนึ่งมีค่าเป็น 0 แล้วจะเพิ่มขึ้นมีค่าสูงสุดในทิศทางบวกแล้วลดลงเป็น 0 ต่อจากนั้นก็จะมีค่าเพิ่มขึ้นอีกจนถึงค่าสูงสุด และทิศทางลบแล้วจะลดลงเป็น 0 อีก จะสลับกันไปตลอดเวลา ถ้าไฟฟ้ากระแสสลับมีความถี่คงที่ กระแสไฟฟ้าที่จะไหลก็จะเปลี่ยนทิศทางคงที่ตามไฟด้วย

          การสร้างไฟฟ้ากระแสสลับ

            เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับมีลักษณะการทำงาน  คือ  จะทำการเปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า  ซึ่งเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับนี้  สามารถที่จะผลิตแรงดันไฟฟ้า  AC  ได้โดยใช้หลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นขบวนการของการเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าในลวดตัวนำ โดยลวดตัวนำจะเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก

            กฎมือซ้ายสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สามารถถูกใช้ในการหาทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก  เมื่อนิ้วหัวแม่มือจะแทนทิศทางการเคลื่อนที่ของลวดตัวนำ  นิ้วชี้แทนทิศทางของการแนวฟลักซ์แม่เหล็กจากเหนือไปใต้ และนิ้วกลางจะแทนทิศทางของกระแสที่ไหลในลวดตัวนำ สำหรับค่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดจะถูกเหนี่ยวนำเมื่อแนวการเคลื่อนที่ของลวดตัวนำตั้งฉากกับแนวของฟลักซ์ และเมื่อแนวการเคลื่อนที่ของลวดตัวนำไปอยู่ในแนวขนานกับแนวของฟลักซ์ จะทำให้ไม่มีแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้น  จากรูปที่  1  แสดงลงลวดตัวนำที่หมุนผ่านสนามแม่เหล็ก โดยที่ในตำแหน่ง  A  แนวการเคลื่อนที่ของวงลวดตัวนำจะขนานกับแนวของเส้นแรงแม่เหล็กซึ่งในสภาวะนี้จะไม่มีแรงดันไฟฟ้าถูกเหนี่ยวนำขึ้นในวงลวดตัวนำเลย และเมื่อวงลวดตัวนำถูกหมุนมาอยู่ในตำแหน่ง B จะทำให้มันตัดกับแนวเส้นแรงแม่เหล็กขึ้น และแรงดันไฟฟ้าถูกเหนี่ยวขึ้นสูงที่สุดเมื่อแนวทิศทางการเคลื่อนที่ของวงลวดตัวนำที่มุมฉากกับแนวเส้นแรงแม่เหล็ก  และเมื่อวงลวดตัวนำหมุนต่อไปจนถึงตำแหน่ง  C  ซึ่งมันจะตัดผ่านแนวเส้นแรงแม่เหล็กเพียง  2-3 เส้น  ทำให้แรงดันไฟฟ้าถูกเหนี่ยวนำลดลง จาการเคลื่อนที่ของวงลวดตัวนำจากตำแหน่ง  A – C  จะกล่าวได้ว่า ขดลวดตัวนำหมุนไป  180  องศา  และเมื่อวงลวดตัวนำหมุนต่อไปจนถึงตำแหน่ง  D  จะส่งผลให้เกิดการสลับของทิศทางของการไหลของกระแส และแรงดันไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำขึ้นสูงสุดอีกครั้งหนึ่ง เมื่อแนวการเคลื่อนที่ของวงลวดตัวนำตั้งฉากกับแนวเส้นแรงแม่เหล็กและวงลวดตัวนำจะเคลื่อนที่กลับไปอยู่ในตำแหน่งเริ่มต้นที่  E  ซึ่งแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะกลับไปสู่  O 

            การสลับ  คือใน  1  ไซเคิล จะมีการเปลี่ยนแปลงที่เหมือนกัน

            ในแต่ละครั้งที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเคลื่อนที่ครบ  1  รอบ  จะกล่าวได้ว่า  “เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับทำงานได้ 1 ไซเคิล” และแรงดันไฟฟ้าที่ผลิตได้ก็จะเรียกว่าแรงดันไฟฟ้า 1 ไซเคิลเช่นกัน และในทำนองเดียวกันเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับก็จะผลิตกระแสไฟฟ้าในวงจรที่สมบูรณ์แบบออกมา 1 ไซเคิลเช่นกัน และสำหรับการเปลี่ยนแปลงของทั้งสองซีกของไซเคิลนี้เรียกว่า  การสลับ (Alternation)  สำหรับวงลวดตัวนำที่หมุนนี้เรียกว่า อาร์เมเจอร์ (Armature)  และแรงดันไฟฟ้า  AC  นั้นจะถูกเหนี่ยวนำในอาร์เมเจอร์  และเคลื่อนที่จากตอนปลายของวงลวดตัวนำผ่านหน้าสัมผัสที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งติดอยู่ตรงปลายของอาร์เมอเจอร์  วงแหวน  2 วงจะถูกเรียกว่า  สลิปริง  ซี่งจะถูกยึดติดกับตอนปลายของวงลวดตัวนำและแปรงถ่าน  จะเป็นส่วนที่รับแรงดันไฟฟ้า  AC จาก สปริง  และสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่อธิบายมานี้จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า  AC ที่ค่าต่ำ ๆ ดังนั้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจะต้องมีจำนวนของวงลวดตัวนำเพิ่มขึ้น  จึงจะทำให้แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงขึ้น

            สำหรับรูปคลื่นที่ถูกผลิตโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจะถูกเรียกว่า  รูปคลื่นซายน์หรือคลื่นรูปซายน์  (Sinusoidal waveform หรือ Sine wave) สำหรับคลื่นรูปซายน์เป็นคลื่นพื้นฐานที่นิยมใช้มากที่สุดในบรรดาคลื่นกระแสสลับทั้งหมด  มันสามารถผลิตได้ทั้งวิธีทางกลและทางไฟฟ้า คลื่นรูปซายน์ถูกแจกแจงด้วยฟังก์ชันซายน์ในตรีโกณมิติ  ซึ่งคลื่นรูปซายน์จะเปลี่ยนแปลงจาก  0  ไปจนถึงค่าสูงสุดของฟังก์ชันซายน์ โดยทั้งแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าจะอยู่ในรูปซายน์

            ค่าใช้งาน  (Effective value) ของไฟฟ้ากระแสสลับ คือ จำนวนที่คำนวณจากองศาของความร้อนที่ให้โดยตัวต้านทานซึ่งจะเปรียบเทียบเสมือนกับจำนวนของไฟฟ้ากระแสตรง

            ค่าที่ใช้งานสามารถหาได้โดยวิธีทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่ารูทมีนสแคว  (root – mean – square process)  ดังนั้นค่าใช้งานจะเป็นค่าเดียวกับค่า  rms จากการที่ใช้ขั้นตอนของ  rms  จะได้ว่าค่าใช้งานของคลื่นซายน์จะเท่ากับ  0.707  เท่าของค่ายอด  เมื่อแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า AC ที่ให้มาไม่มีข้อกำกับมาจะถือว่าเป็นค่าที่ใช้งาน และมิเตอร์ส่วนมากจะถูกปรับแต่งให้แสดงแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าออกมาเป็นค่าที่ใช้งานหรือ  rms

            คาบ  (Period)  คือเวลาที่ต้องการสำหรับการสร้างคลื่นซายน์  1  ไซเคิล  ซึ่งมีหน่วยการวัดเป็นวินาที  (Second, s)  และใช้สัญลักษณ์แทนด้วยตัว T

            จำนวนของไซเคิลที่ปรากฏในคาบเวลาหนึ่ง ๆ ถูกเรียกว่า  ความถี่  (frequency,  f)  ซึ่งความถี่ของคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับรูปซายน์จะถูกแสดงในรูปของไซเคิลต่อวินาที  และหน่วยของความถี่คือ  เฮิรตช์  (Hertz, Hz)  เพราะฉะนั้น  1 เฮิรตช์จะเท่ากับ  1  ไซเคิลต่อวินาที

สนใจ สามารถอ่านต่อเพื่มเติมได้ที่ https://www.geocities.com/web_2el/html/electric_6.htm ตามไปดูได้เลยค่ะ