ไฟฟ้ากระแสสลับและกระแสตรงคืออะไร?

นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันเข้าใจดีว่าไฟฟ้าเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์พื้นฐานที่สุดในธรรมชาติ แรงกระตุ้นไฟฟ้าจะไหลผ่านร่างกายของเราอย่างต่อเนื่อง และแม้กระทั่งเรื่องสำคัญของโลกของเราก็ยังถูกประจุไฟฟ้าจับรวมกัน อย่างไรก็ตามเรื่องนี้ ไฟฟ้ายังต้องถูกค้นพบ และมีการโต้เถียงกันว่าใครเป็นคนแรกที่ทำเช่นนี้

ผู้ค้นพบอาจเป็นนายแพทย์ชาวอังกฤษ วิลเลียม กิลเบิร์ต ซึ่งเป็นคนแรกที่ใช้คำว่า "อิเล็กทริกคัส" ในปี ค.ศ. 1600 อาจเป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ โธมัส บราวน์ ผู้คิดค้นคำว่า "ไฟฟ้า" ในอีกไม่กี่ปีต่อมา

ชาวอเมริกันชอบที่จะเชื่อว่าเป็นผู้ประดิษฐ์ Benjamin Franklin ซึ่งพิสูจน์ว่าสายฟ้าเป็นไฟฟ้าในปี 1752 มีแม้กระทั่งหลักฐานที่แสดงให้เห็นว่าชาวกรีกและเปอร์เซียโบราณรู้เรื่องไฟฟ้า ใครได้รางวัลไป พนันได้เลยว่าพวกเขาค้นพบไฟฟ้ากระแสตรง (กระแสตรง) ไฟฟ้ากระแสสลับ (กระแสสลับ) ไม่ได้มาจนถึงศตวรรษที่ 19

นักวิทยาศาสตร์นึกภาพกระแสไฟฟ้าเป็นการไหลของอนุภาคที่มีประจุลบที่เรียกว่าอิเล็กตรอน พวกมันเป็นอนุภาคเดียวกันกับที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมทั้งหมดที่ประกอบเป็นสสาร

กฎพื้นฐานสองประการของไฟฟ้าคือสิ่งตรงกันข้ามดึงดูดและชอบขับไล่ ดังนั้นอิเล็กตรอนจะไหลไปยังขั้วบวกและออกจากขั้วลบ การไหลเกิดขึ้นในทิศทางเดียวเท่านั้น และความแรงของการไหล หรือกระแส ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของประจุระหว่างขั้วทั้งสอง ความแตกต่างนี้คือแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้ว

หากไม่มีอินพุตจากภายนอก อิเล็กตรอนจะสะสมบนขั้วบวกและลดความต่างศักย์ระหว่างขั้วทั้งสอง และสุดท้ายการไหลจะหยุดลง

บางทีตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดของกระแสไฟตรงคือฟ้าผ่า การพิสูจน์ว่าสายฟ้าเป็นปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าคือความสำเร็จที่แท้จริงของเบนจามิน แฟรงคลิน แฟรงคลินเล่นว่าวท่ามกลางพายุฝนฟ้าคะนองและติดกุญแจเข้ากับเชือกว่าว เมื่อกุญแจถูกชาร์จด้วยไฟฟ้าและทำให้เขาตกใจเล็กน้อย เขาก็มีความสุข เขาได้พิสูจน์แล้วว่าประจุไฟฟ้าก่อตัวขึ้นในเมฆ และสายฟ้านั้นเป็นการปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้านี้ในชั่วขณะของกระแสไฟตรง

แบตเตอรี่เป็นอีกแหล่งหนึ่งของไฟฟ้ากระแสตรง ประกอบด้วยขั้วคู่ที่มีประจุตรงข้ามกัน และเมื่อคุณเชื่อมต่อขั้วกับตัวนำ กระแสไฟฟ้าจะไหลจากขั้วลบ (แคโทด) ไปยังขั้วบวก (ขั้วบวก)

ความแตกต่างของประจุในแบตเตอรี่โดยทั่วไปมาจากกระบวนการทางเคมีในแกนกลางของแบตเตอรี่ และกระบวนการนี้สามารถดำเนินต่อไปได้ในเวลาจำกัดเท่านั้น หากคุณดึงพลังงานจากแบตเตอรี่ออกมาเรื่อยๆ แบตเตอรี่จะหยุดผลิตประจุและดับลงในที่สุด

นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Michael Faraday ค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในปี 1831 เมื่อเขาพบว่าเขา สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าในขดลวดนำไฟฟ้าได้โดยการเคลื่อนแม่เหล็กไปมาภายใน ม้วน.

ฟาราเดย์สังเกตว่ากระแสน้ำเปลี่ยนทิศทางเมื่อใดก็ตามที่เขาเปลี่ยนทิศทางของแม่เหล็ก ผู้ผลิตเครื่องดนตรีชาวฝรั่งเศส Hippolyte Pixii ใช้การค้นพบนี้เพื่อสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเครื่องแรกในปี 1832

ไฟฟ้ากระแสสลับมักผลิตโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำประเภทที่สร้างโดย Pixii แม้ว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทันสมัยจะมีความซับซ้อนมากกว่าเครื่องของ Pixii ก็ตาม เครื่องกำเนิดไฟฟ้าอาจใช้แม่เหล็กหมุนหรืออาจมีขดลวดหมุน แต่ก็มีบ้างเสมอ ประเภทของการหมุนที่เกี่ยวข้องและระยะเวลาของการหมุนจะกำหนดความถี่ของการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบัน ทิศทาง.

เนื่องจากไฟฟ้าเปลี่ยนทิศทาง ไฟฟ้ากระแสสลับจึงมีความถี่ที่เกี่ยวข้องกัน ซึ่งเป็นจำนวนครั้งต่อวินาทีที่ไฟฟ้าย้อนกลับ

คุณไม่ต้องมองไกลเพื่อค้นหาตัวอย่างไฟฟ้ากระแสสลับ ไฟในห้องที่คุณนั่ง เช่นเดียวกับเครื่องปรับอากาศ เครื่องทำความร้อนไฟฟ้า และเครื่องใช้ไฟฟ้าทั้งหมด ทำงานโดยใช้ไฟ AC ซึ่งสร้างขึ้นที่สถานีไฟฟ้าในพื้นที่ของคุณ

โรงไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้ไอน้ำที่เกิดจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน หรือกระบวนการความร้อนใต้พิภพเพื่อหมุนกังหัน กังหันผลิตไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า และควบคุมความเร็วของการหมุนอย่างระมัดระวังเพื่อผลิตไฟฟ้าด้วยความถี่คงที่ ในอเมริกาเหนือ ความถี่คือ 60 Hz (รอบต่อวินาที) แต่ในส่วนอื่นๆ ของโลก ความถี่คือ 50 Hz

กังหันลมเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ผลิตไฟฟ้ากระแสสลับเช่นกัน แต่พวกมันพึ่งพาลมเพื่อหมุนกังหันแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลหรือเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ เครื่องกำเนิดคลื่นบางเครื่องยังมีกังหันที่ผลิตไฟฟ้ากระแสสลับ เมื่อคลื่นบีบอัดระบบไฮดรอลิกส์หรือช่องอากาศปิด พลังงานที่เก็บไว้จะถูกใช้เพื่อหมุนกังหัน

ในโลกที่เต็มไปด้วยกระแสไฟฟ้าแห่งศตวรรษที่ 21 เป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการถึงช่วงเวลาที่ไม่มีไฟฟ้าใช้ แต่เวลานั้นไม่นานมานี้เอง ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 หลอดไฟถูกประดิษฐ์ขึ้น แต่ไม่มีวิธีใดที่จะสร้างพลังงานและนำเข้าสู่บ้านเพื่อให้ผู้คนสามารถใช้สิ่งประดิษฐ์ใหม่ได้

Thomas Edison ผู้ช่วยพัฒนาและทำการตลาดหลอดไฟ ให้การสนับสนุนเครือข่ายเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง สถานีต่างๆ ในขณะที่นิโคลา เทสลา นักประดิษฐ์ชาวเซอร์เบียและอดีตลูกจ้างของ Edison ชื่นชอบ AC เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Tesla ชนะ และนี่คือเหตุผลบางประการ:

• ที่แรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการใช้ไฟฟ้าในวงกว้าง ไฟฟ้ากระแสสลับสามารถส่งต่อไปตามสายไฟฟ้าที่มีแรงดันตกน้อยกว่า ถ้าเอดิสันมีชัย และไฟฟ้ากระแสตรงได้กลายเป็นมาตรฐาน จะต้องมีโรงไฟฟ้าภายในระยะหนึ่งไมล์จากกันและกัน ในทางกลับกัน เทสลาสามารถให้พลังงานแก่ทั้งเมืองบัฟฟาโล รัฐนิวยอร์ก ด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำเดี่ยวที่อยู่ใต้น้ำตกไนแองการา

• การผลิตไฟฟ้ากระแสสลับมีราคาถูกกว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำเช่นเครื่องที่น้ำตกไนแองการ่าสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าจากกระบวนการทางธรรมชาติได้ ไม่จำเป็นต้องป้อนข้อมูลอื่น

• แรงดันไฟฟ้าของไฟกระแสสลับสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยหม้อแปลงไฟฟ้า ในช่วงเวลาของเทสลาและเอดิสัน กระแสไฟตรงไม่สามารถทำได้ อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันมีหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้วงจรภายในหรืออินเวอร์เตอร์เพื่อเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าของกระแสไฟตรง

แม้ว่าไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายไฟจะเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มักต้องการไฟฟ้ากระแสตรง ในแผนภาพวงจร สัญลักษณ์กระแสตรงคือเส้นตรงที่มีจุดหรือเส้นสามจุดอยู่ข้างใต้ ในขณะที่สำหรับกระแสสลับจะเป็นเส้นหยักเส้นเดียว ในการแปลงกระแสไฟ AC เป็น DC ผู้เชี่ยวชาญด้านอิเล็กทรอนิกส์มักใช้ส่วนประกอบวงจรที่เรียกว่าไดโอดหรือวงจรเรียงกระแส มันส่งกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น จึงสร้างสัญญาณ DC แบบพัลซิ่งจากแหล่งกระแสไฟ AC

เครื่องมือสำหรับแปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับเรียกว่าอินเวอร์เตอร์ ใช้ทรานซิสเตอร์ซึ่งเป็นส่วนประกอบวงจรที่สามารถเปิดและปิดได้อย่างรวดเร็วมาก เพื่อควบคุมกระแสไฟตรงตามชุดของวงจร เส้นทางที่เปลี่ยนทิศทางได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านขั้วกลางคู่หนึ่งซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวงจรที่คุณต่อ AC โหลด อินเวอร์เตอร์ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า พวกเขายังใช้ในระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เพื่อแปลงไฟฟ้ากระแสตรงที่เกิดจากแผงโซลาร์เซลล์เป็นกระแสไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับใช้ในบ้าน