เรื่องไฟฟ้ากระแสสลับ

เรื่องไฟฟ้ากระแสสลับ

อธิบายรายวิชา ศึกษาหลักการพื้นฐานของไฟฟ้ากระแสสลับ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ฟิสิกส์อะตอม และฟิสิกส์นิวเคลียร์ในเรื่อง กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์และกฎของเลนซ์ หลักการของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าวงจรพื้นฐานของไฟฟ้ากระแสสลับ การแปลงไฟฟ้ากระแส สลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง แนวคิดทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์และการทดลองของ เฮิรตซ์ สเปกตรัม คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประวัติการค้นพบอิเล็กตรอน แนวคิดเกี่ยวกับ แบบจำลองอะตอมและแนวคิดพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ปรากฏการณ์กัมมันตภาพ รังสี ปฏิกิริยานิวเคลียร์ การป้องกันอันตรายและการใช้ประโยชน์จากกัมมันตภาพรังสีและ พลังงานนิวเคลียร์ รวมทั้งการฝึกปฏิบัติการต่าง ๆ เพื่อให้มีความเข้าใจ มีทักษะกระบวนการและเจตคติทางวิทยาศาสตร์ เห็นคุณค่าของวิทยาศาสตร์ และนำความรู้และหลักการ ไปใช้อธิบายปรากฏการณ์หรือแก้ปัญหาที่เกี่ยวกับไฟฟ้ากระแสสลับ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ฟิสิกส์อะตอมและฟิสิกส์นิวเคลียร์

ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternation Current) เป็นกระแสไฟฟ้าที่มีการไหลเปลี่ยนแปลงอย่ตลอดเวลาคือมีทั้งขั้วบวกและขั้วลบ สลับกัน โดยหลักการพื้นฐานแล้วกระแสไฟฟ้าสลับนี้เกิด จากการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กตัดกับขดลวด โดยการ นำเอาขดลวดไปวางไว้ระหว่างสนามแม่เหล็กและหมุนขดลวดนั้นแล้วใช้เทคนิคในการต่อขั้วทั้งสองของขดลวดออก มาเราก็สามารถบังคับให้กระแสไฟฟ้าสลับออกมา

ทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในขดลวด จะเปลี่ยนแปลงไปตามการหมุนซึ่งตรวจดูความสัมพันธ์ ระหว่างมุมที่ขด ลวดกับขนาดทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้น จะได้ผลดัง

เมื่อขดลวดอยู่ในตำแหน่ง (a)กำหนดให้เป็นมุม 0 องศาและกำหนดให้ขดลวดหมุนไปตามทิศทางของลูกศรในรูปเมื่อขดลวดอยู่ 0องศาขดลวดไม่ได้ติดฟลักซ์แม่เหล็กแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะเป็น0 เมื่อขดลวดหมุนไปอยู่ที่ 30 องศา และ 60 องศาแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะมีค่าสูงขึ้นและมีกระแสไหลจาก A ไป B ถ้ากำหนดให้ทิศดังกล่าวเป็นบวกทิศของแรงเคลื่อนไฟฟ้าซึ่งเป็นบวกด้วยเมื่อขดลวดมาอยู่ตำแหน่งที่ (b) คือ 90 องศา ขดลวด A จะอยู่ใต้แม่เหล็ก S พอดีแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะมีค่าสูงสุดเมื่อขดลวดหมุนไปที่ 120 องศา และ 150 องศาแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะมีค่าลดลงและจะเป็น 0 เมื่อขดลวดอยู่ในตำแหน่ง (c ) คือที่ 180 องศา เมื่อเลย 180องศาไปจะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้นอีกแต่มีทิศทางกลับกันกระแสจะไหลจาก B ไป A เมื่อขดลวดหมุนไปเรื่อยๆก็จะได้ขนาดและทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหมือนรูปข้าง

เรื่องแม่เหล็กไฟฟ้า

ประวัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ฮานส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Ørsted) เกิดที่Langeland ประเทศเดนมาร์ก เขาสนใจวิชาวิทยาศาสตร์มาตั้งแต่เด็ก เขาเป็นผู้ช่วยร้านเภสัชของพ่อ ในปี 1797 เขาได้รับรางวัลสำหรับงานด้านสุนทรียศาสตร์ และการแพทย์ จากมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน สองปีถัดมา เขาได้รับรางวัลสำหรับการแสดงความคิดเห็นเรื่องปรัชญาของคานท์ ซึ่งในเวลานั้น ทางมหาวิทยาลัยยังไม่ได้สนับสนุนวิชาฟิสิกส์หรือเคมี

ในปีค.ศ. 1819-1820 ระหว่างการบรรยายในหัวข้อ "Electricity, Galvanism and Magnetism" เออร์สเตดได้บรรยายเรื่องการทดลองของเขาเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่เข็มทิศจะเบนเมื่อมีฝนตกหนักและฟ้าแลบ ในเดือนเมษายน 1820 เวลาบ่าย ระหว่างที่เขากำลังสอนอยู่ เขาทดลองว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับเข็มทิศ ถ้าผ่านกระแสไฟเข้าไปในลวดตัวนำ เขานำลวดตัวนำตั้งฉากกับเข็มทิศและพบว่าไม่มีอะไรเกิดขึ้น หลังจากการบรรยายสิ้นสุด เขาก็พบว่าถ้าเขาวางลวดตัวนำขนานกับเข็มทิศ และผ่านกระแสไฟฟ้าไปในลวดตัวนำแล้ว เข็มทิศก็จะเบน การค้นพบนี้ทำให้เออร์สเตดเป็นบุคคลแรกที่ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและแม่เหล็กสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก (Electric and Magnetic Field: EMFs) จะหมายถึงเส้นสมมุติที่เขียนขึ้นเพื่อแสดงอาณาเขตและความเข้มของเส้นแรงที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า (เรียกว่า สนามไฟฟ้า) และที่เกิดขึ้นโดยรอบวัตถุที่มีกระแสไฟฟ้าไหล (เรียกว่า สนามแม่เหล็ก) ในกรณีกล่าวถึงทั้ง สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กพร้อมกันมักจะเรียกรวมว่า สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Field: EMF)หรือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถเกิดขึ้นได้ 2 ลักษณะคือ

1) เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ได้แก่ สนามแม่เหล็กโลก คลื่นรังสีจากแสงอาทิตย์ คลื่นฟ้าผ่า คลื่นรังสีแกมมา เป็นต้น

2) เกิดขึ้นจากการสร้างของมนุษย์ แบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด คือ

- แบบจงใจ คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่จงใจสร้างให้เกิดขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์หลักที่จะใช้ประโยชน์โดยตรงจากคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นนี้ เช่น ให้สามารถส่งไปได้ในระยะไกลๆ ด้วยการส่งสัญญาณของระบบสื่อสารสัญญาณเรดาร์ คลื่นโทรศัพท์ คลื่นโทรทัศน์และ คลื่นวิทยุ และการใช้คลื่นไมโครเวฟในการให้ความร้อน เป็นต้น

- แบบไม่จงใจ คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการใช้งานอุปกรณ์ โดยไม่ได้มีวัตถุประสงค์หลักที่จะใช้ประโยชน์โดยตรงจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเช่น ระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้า (สายส่งไฟฟ้า)รวมถึงอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น

ฟลักซ์แม่เหล็ก(Magnetic Flux)
คือ จำนวนเส้นแรงแม่เหล็ก ในบริเวณหนึ่งๆ มีหน่วยเป็นเวเบอร์(Weber, Wb) ในระบบ SI หน่วยของ B เป็น เทสลา(Tesla, T) 1 T=1 Wb/m2 ***บางครั้งใช้หน่วยเป็น เกาส์(Gauss) เมื่อ 1 G = 10-4 T
การเคลื่อนที่ของอนุภาค

ในห้องทดลองนี้แสดงการเคลื่อนที่ของประจุลบ ในสนามแม่เหล็กที่มีทิศทางอยู่บนแกน + Z และ -Z เริ่มต้นให้อนุภาคเคลื่อนที่ออกจากจุดกำเนิดด้วยความเร็ว vx และ vz กำหนดให้ B = + 2.0 mT บนแกน +Z ให้ vZ = 0 และ vx มีค่าสูงสุด = 8.0 x 107 m/s กดปุ่ม RUN สังเกตว่าเกิดอะไรขึ้นไม่ว่าประจุทดสอบที่ใช้ในห้องทดลองจะเป็นประจุบวกหรือลบ เวกเตอร์ v x B จะมีทิศทางเข้าหาจุดศูนย์กลางเสมอ แต่ในห้องทดลองกำหนดให้เป็นประจุลบ อนุภาคจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมทวนเข็มนาฬิกาบนแกน +y สังเกตดูที่จุดกำเนิด x =0 , y =0 ความเร็วจะวิ่งอยู่ในทิศทางบวก x เพราะว่า เวกเตอร์ B มีทิศพุ่งออก ทำให้เวกเตอร์ v X B ชี้ไปในทิศทางแกน - y แต่เนื่องจากเป็นประจุลบ ทิศทางการครอสของเวกเตอร์จึงมีทิศทางไปทางแกน +y นั่นคือทิศทางของแรงเข้าสู่ศูนย์กลางที่จุดกำเนิด พุ่งไปบนแกนบวก y เช่นเดียวกันเมื่อประจุหมุนขึ้นไปบนสุด ( x=0 , y = ymax ) ความเร็วจะวิ่งอยู่ในทิศทาง -x ทิศทางการครอสของเวกเตอร์จึงมีทิศทางไปทางแกน -y นั่นคือทิศทางของแรงเข้าสู่ศูนย์กลางที่จุดกำเนิด พุ่งไปบนแกนลบ y เพราะ แรงเข้าสู่ศูนย์กลางที่กระทำกับประจุมีขนาดคงที่ ทำให้ประจุหมุนเป็นวงกลมอยู่ได้ ลองตอบคำถามว่า เกิดอะไรขึ้นกับรัศมีวงโคจร R ขณะที่เราลดค่า vx โดยให้ B คงที่ และ vZ เป็นศูนย์ ?กลับทิศทางของเวกเตอร์ B โดยกำหนดค่าสนามแม่เหล็ก = - 2.0 mT และยิงอิเล็กตรอนออกไปด้วยความเร็ว vz = 0 และ vx = 8.0 x 10 7 m/s สังเกตดูว่าประจุลบหมุนทวนหรือตามเข็มนาฬิกา ทั้งหมดนั้นเรากำหนดไว้ว่า ประจุไม่มีการสูญเสียพลังงานขณะเคลื่อนที่ ทำให้รัศมีวงโคจร R คงที่ แต่ถ้าอนุภาคมีการสูญเสียพลังงาน การเคลื่อนที่ของประจุจะเป็นวงกลมหมุนเข้าข้างใน เป็นเกลียวใน ให้สังเกตการเคลื่อนที่ของประจุในห้องฟอง (Bubble chamber) หรือห้องหมอก