บทที่ 2 ไฟฟ้ากระแสและการเกิดแรงดันไฟฟ้า

ไฟฟ้ากระแสอิเล็กตรอน

กระแสอิเล็กตรอน

กระแสอิเล็กตรอนไหลได้ในวงจรที่ปิดอยู่ (CLOSED CIRCUIT) เท่านั้นและในวงจรปิดนั้นต้องตัวกำเหนิดแรงดันไฟฟ้ที่มีความต่างศักย์ระหว่างขั้วทั้งสอง ไม่เท่ากันต่ออยู่ด้วยเสมอ เพราะตัวดำเนิดแรงดันไฟ้านี้จะเป็นตัวผลักดันอิเล็กตรอนอิสระให้ไหลจากขั้วลบผ่านวงจรไฟฟ้าและกลับมายังขั้วบวก อย่างต่อเนื่องตลอดเวลา การไหลของอิเล็กตรอนจะปรากฎในทิศทางเดียวเสมอ (คือ จากขั้วลบไปยังขั้วบวกของตัวกำเนิดแรงดันไฟฟ้า)เราเรียกลักษณะของกระแสแบบนี้ว่า ไฟฟ้ากระแสตรง (DIRECT CURRENT) และตัวกำเนิดแรงดันไฟฟ้าชนิดนี้ก็เรียกว่า แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (DIRECT CURRENTSUPPLY)เช่นแบตเตอรี่ เซลล์ไฟฟ้า หรือถ่านไฟฉาย แสดงดังรูป 2.1

ก. วงจรปิดกระแสไหลได้

ข.วงจรเปิดกระแสไม่ไหล

รูป 2.1 ก.แสดงวงจรไฟฟ้ากระแสตรงขณะปิดวงจร CLOSED CIRCUIT

ข.แสดงวงจรไฟฟ้ากระแสตรงขณะเปิดวงจร OPEN CIRCUIT

สิ่งที่ควรกระทำคือ ต้องไม่ต่อวงจรไฟฟ้า โดย ไม่มีอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น หลอดไฟฟ้าในวงจร เพราะจะทำให้เกิดกระแสไหลในวงจรเป็นจำนวนมาก (เราเรียกว่า การลัดวงจร) เนื่องจากไม่หลอดไฟฟ้ามาต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้า

ดังนั้น ในวงจรไฟฟ้าใดๆก็ตามต้องประกอบด้วย 1. ตัวกำเนิดแรงดันไฟฟ้า 2. ตัวนำไฟฟ้า (เช่น สายไฟฟ้า 3. ภาระไฟฟ้า (LOAD)เช่น หลอดไฟฟ้า หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆก็ได้ที่ทำให้เกิดแรงดันตดคร่อม (Voltsage drop) เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านดังรูป 2.1

กระแสนิยม (Conventional Current)

         เราทราบกันมาแล้ว     กระแสไฟฟ้า คือ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระไปในทิศทางเดียวกัน เมื่อสมัยก่อนที่ยังไม่มีทฤษฎีอิเล็กตรอน ยังไม่มีใครรู้แน่ชัดว่า กระแสไฟฟ้าจริงๆ นั้นเคลื่อนที่อย่างไร จึงสมมุติ เอาว่า เคลื่อนที่จากขั้วบวกของตัวกำเนิดแรงดันไฟฟ้าไหลผ่านวงจไฟฟ้าและกลับบบบบบเข้าสู่ขั้วลบ ส่วนภายในตัวกำเนิดแรงดันไฟฟ้า กระแสก็จะเคลื่อนจากขั้วลบไปยังขั้วบวก และมีการพัฒนาทฤษฎี   และกฎต่างๆ กันขึ้นมาอีกมากมาย ทำให้ความเข้าใจเรื่องการไหลของกระแสไฟฟ้านี้ผิดจากความจริง    แต่ก็ไม่มีใครคิดเปลิ่ยนแปลงเพราะจะทำให้เกิดความยุ่งยากขึ้นมาอีกมาก จึงยอมรับเอาตามแบบเดิม และสมมติชื่อการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้านี้ว่า กระแสนิยม ซึ่งสรุปแล้วทิศทางของกระแสนิยม จะไหลตรงกันข้ามกับกระแสอิเล็กตรอน ดังรูป 2.2

       เราจะไม่พูดถึงกระแสอิเล็กตรอนอีกแล้ว ในวงจรไฟฟ้าแบบต่างๆที่จะศึกษาต่อไปจะกล่าวถึงกระแสนิยม เท่านั้น และในหนังสือเล่มนี้ จะเรียกกกระแสนิยมว่า กระแสไฟฟ้า และทิศทาง การไหลของกระแสในวงจรก็จะใช้ทิศทางของกระแสนิยม

รูป 2.2 ก. แสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า

        ข. แสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของกระแสอิเล็กตรอน

        ตัวนำไฟฟ้า และฉนวนไฟฟ้า

                        ความหมายของวัตถุที่เป็นตัวนำไฟฟ้า (Conductor)และฉนวนไฟฟ้า (Insulator) ถ้าวัตถุใดยอมให้ไฟฟ้าผ่านง่ายๆวัตถุนั้นคือตัวนำไฟฟ้าที่ดีที่สุด   และวัตถุใดที่ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ยากหรือไหลไม่ได้เลย วัตถุนั้นคือฉนวนไฟฟ้า การนำไฟฟ้าของวัตถุใดๆขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนอิสระที่มีอยู่ในวัตถุนั้น   ประโยคนี้สามารถอธิบายความแตกต่างของตัวนำและฉนวนไฟฟ้าได้

                                    ตัวนำ      ธาตุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี คือ ธาตุที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุดเท่ากับ 1 ตัว การที่อะตอมของธาตุใด มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 1 ตัว มันสามารถหลุดออกนอกวงโคจรได้ง่ายที่สุดเนื่องจากพลังงานภายนอกที่เข้ามาสู่อะตอมจะเข้าหาอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ง่าย เพราะเมื่ออิเล็กตรอนหลุดออกจากงวงโคจรชั้นวาเลนซ์แล้ว มันก็จะกลายเป็นกระแสไฟฟ้าสังเกตตารางธาตุในรูป 2.1 ในช่องที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด จะเลือกเอาธาตุที่เรารู้จักกันดี   มาดูโครงสร้างกัน เช่น ทองแดง Cu มีอิเล็กตรอน   2,8,18,1 ทอง Au มีอิเล็กตรอน   2,8,18,32,18,1 เงิน Ag มีอิเล็กตรอน 2,8,18,18,1 เมื่อเขียนโครงสร้างอะตอมของทองแดง ,เงิน และ ทอง ได้ดังรูป 2.3

รูป 2.3 แสดงโครงสร้างอะตอมของทองแดง ,เงิน,ทอง

            จากรูป 2.3 นี้อะตอมของเงินและทองนั้น   เขียนตัวเลขแสดงจำนวนของอิเล็กตรอน แต่ละชั้นของวงโคจร เช่น เงินก็มีชั้นที่ 1 = 2 ตัว, ชั้นที่ 2 = 8ตัว, ชั้นที่ 3 = 18 ตัว,ชั้นที่ 4 = 18 ตัว, ชั้นที่ 5 = 1 ตัว เป็นต้น ถ้าธาตุใดที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 1 ตัว และเจ้า 1 ตัวนี้อยู่ชั้นไกลๆธาตุนั้นจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีที่สุด เพราะว่าอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสจะมีแรงยึดเหนี่ยวมากกว่า (ก็นิวเคลียสมีประจุบวกซึ่งต้องดึงดูดอิเล็กตรอนไว้ยิ่งใกล้ก็ยิ่งมีแรงดึงดูดมาก) ทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นในๆมีพลังงานในตัวเองลดลง ยิ่งอยู่ชั้นไกลเท่าใด แรงยึดเหนี่ยวนี้ก็ยิ่งลดลงพลังงานในตัวอิเล็กตรอนยิ่งมากขึ้น จึงทำให้มันใช้พลังงานจากภายนอก เพื่อที่จะผลักให้หลุดมาเป็นอิเล็กตรอนอิสระ น้อยกว่าตัวที่อยู่ในชั้นใกล้ๆดังนั้น วัตถุที่ยกตัวอย่างมาทองจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีที่สุดเพราะอิเล็กตรอนวงนอกสุดมี 1 ตัว และอยู่ในวงโคจรชั้นที่ 6 ส่วนเงินและทองแดงก็ดีรองลงมา

                 แต่ว่าทองมีราคาแพงมากจึงไม่มีใครนิยมนำไปทำสายไฟฟ้า พวกเรามักจะเห็นว่าเขานิยมใช้ทองแดงทำเพราะหาง่ายและราคาถูกกว่า ส่วนทองนั้นก็มีใช้กันบ้างในงานบางอย่างที่ต้องการความนำไฟฟ้าสูงสุด เช่น แจ๊คในระบบเครื่องเสียงชั้นยอดของโลก หรือคอนเนกเตอร์ (CONNECTOR) ตัวต่อสายที่ใช้ในวงจรที่ต้องการความแน่นอนและมีเสถียรภาพสูง เป็นต้น

                 ฉนวน วัตถุหรือธาตุใดที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 8 ตัว หรืออยู่ระหว่าง 5 ถึง 8 ตัว จะเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี (อิเล็กตรอนวงนอกสุดมีได้ไม่เกิน 8 ตัวดูในตาราง) เพราะว่าพลังงานจกภายนอกที่เข้ามาจะเฉลี่ยให้กับทั้ง 8 ตัวเท่าๆกันดังนั้นจึงต้องใช้พลังงานมากๆจึงจะทำให้ตัวใดตัวหนึ่งหลุดออกทางโคจรได้ และอะตอมประเภทนี้จะมีเสถียรภาพมากที่สุด ธาตุประเภทนี้จะไม่ทำปฏิกิริยาใดๆทั้งสิ้น คือ ธาตุที่เราเรียกว่า ก๊าซเฉื่อย (inter Gases)ในตารางธาตุ 1-1 มี 6 ตัว คือ นีออน (Neon,Ne)อาร์กอน คริปตอน ซีนอน เรดอน และอีกตัวหนึ่งที่แปลกคือ ฮีเลียม มีเพียง 2 ตัว ซึ่งก็ถือว่าเต็มโคจร และมีเสถียรภาพเหมือนกัน

รูป 2.4 แสดงโครงสร้างอะตอมของธาตุที่เป็นฉนวน

ฉนวนที่ดีที่สุด คือ ธาตุที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 7 ตัว เพราะว่าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน (อิเล็กตรอนอิสระ)มันทั้ง 7 ตัว เพื่อให้มีเสถียรภาพสูงสุด เมื่ออิเล็กตรอนอิสระถูกดูดเข้ามาในวงโคจรมากๆเข้า กระแสไฟฟ้าก็ลดลง และในที่สุดก็ไม่มีกระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านสารหรือธาตุพวกนี้ เช่น ฟลูออรีน (FLUOURINE, F) คลอรีน,โบรมีน เป็นต้น

              เรายังคงมองสารต่างๆที่กล่าวไม่ออกว่ามันว่ามันทำฉนวนได้อย่างไร ที่กล่าวนี้เป็นธาตุในธรรมชาติ แต่มนุษย์นำเอาธาตุอื่นๆมาสร้างเป็นสารประกอบต่างๆให้มีคุณสมบัติเป็นฉนวนได้ ซึ่งมันสามารถผลิตและนำไปใช้งานได้สะดวกกว่าธาตุธรรมชาติ เช่น พลาสติก (PLASTIC), พี.วี.ซี(POLYVINYL CHLORIDE< P, V, C)ยาง(RUBBER), กระเบื้องเคลือบ,ไมก้า ฯลฯ จะเห็นได้ว่าเราใช้ฉนวนพลาสติก หรือ พี.วี.ซี มาห่อหุ้มสายไฟ,ใช้เป็นเทปพันสายไฟ,ใช้กระเบื้องเคลือบทำเป็นฐานฟิวส์ หรือ ฐานสวิตช์ใบมีด หรือใช้ไมก้าเป็นฉนวนรองอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่นพวกทรานซิสเตอร์ เป็นต้น



ตัวกำเนิดแรงดันไฟฟ้า

ตัวกำเนิด หรือ ต้นกำเนิดแรงดันไฟฟ้า หมายถึง หลักหรือวิธีการต่างๆ ที่สามารถทำให้แรงดันไฟฟ้า    หรือแรงเคลื่อนไฟฟ้า (Electromotive Force)ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในรูปแบบต่างๆกันได้    หลักหรือวิธีการที่ทำให้เกิดไฟฟ้านี้กล่าวรวมได้ 6 วิธีคือ

             1.ผลของการขัดถูกันทางวัตถุ

             2.ผลของปฏิกิริยาทางเคมี

             3.ผลของความร้อน

             4.ผลของแสงอาทิตย์

             5.ผลของสนามแม่เหล็ก

             6.ผลของแรงกดดัน

ผลของปฏิกิริยาทางเคมี

            มีนักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาเลียนชื่อ อเลสซานโดร โวลต์ตา   ได้ทำการทดลองและค้นพบว่าการนำสารละลายอิเล็กโตรไลท์   (ELECTROLYTE) ซึ่งประกอบด้วย กรดซัลฟูริก และน้ำ มีสูตรทางเคมีว่า H2SO4 ใส่ไว้ในโถแก้ว แล้งนำแท่งทองแดง 1 แท่งกับสังกะสี 1 แท่ง จุ่มลงไปในสารละลายดังกล่าว จะทำให้เกิดประจุไฟฟ้าบวกขึ้นที่แท่งทองแดง และประจุไฟฟ้าลบขึ้นที่แท่งสังกะสีและเมื่อมีการทดสอบ โดยการวัดค่าความต่างศักย์ระหว่างแท่งทองแดงกับสังกะสี ปรากฏว่ามีค่าประมาณ 1.1 โวลต์ ดังแสดงในรูป 2.5

รูป 2.5แสดงส่วนประกอบของโวลต์ตาอิกเซลล์(VOLTAIC CELL)ซึ่งเรียกตามชื่อของท่านผู้ค้นพบ

               ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้ว่าสารละลายอิเล็กโตรไลท์ปกติจะคงสภาพเป็นกลางคือ มีไอออนบวก ไอออนลบเท่าๆกัน โดย H2 เป็น(+) และ SO4 เป็น(-) สังกะสีจะทำปฏิกิริยาเคมีโดยรวมตัวกับ SO4 (ซัลเฟต) โดยสังกะสีจะเสียไอออน+ให้กับ SO4 เพื่อรวมตัวกันให้เป็นกลาง ผลคือ H2 ซึ่งเป็น(+) จะเป็นตัวเกินในสารละลาย (หมายความว่าขนาดนี้สารละลายมีสภาพเป็นบวก) ทำให้ทองแดงต้องตกไอออน -ออกมา รวมตัวกับ H2 ซึ่งเป็น(+) เพื่อให้ผลรวมของสารละลายเป็นกลางอยู่เสมอ จะเห็นว่าทองแดงต้องเสียไอออน-ออกไปทำให้ตัวมันเองแสดงประจุไฟฟ้า(+) และสังกะสีก็เสียไอออน+ออกไปทำให้ตัวมันเองแสดงประจุไฟฟ้า(-) เกิดความต่างศักดาระหว่างแท่งโลหะทั้ง 2 เราให้ชื่อขั้วบวก(ทองแดง) ว่าอาโหนด (ANODE) และขั้วลบสังกะสีว่าคาโธด (CATHOD) ลักษณะของการทำปฏิกิริยาดังกล่าวแสดงในรูป 2.6



รูป 2.6แสดงการรวมตัวของสารละลายกับทองแดงและสังกะสีทำให้เกิดความต่างศักย์

                        และสามารถใช้ประโยชน์ได้ โดยทำเป็นตัวกำเนิดแรงดันไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า

เมื่อนำโวลต์ตาอิกเซลล์ไปใช้งาน เช่น ต่อกับภาระไฟฟ้าในรูป ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อย และเมื่อใช้ไปเป็นเวลานานจะเกิดฟองของไฮโดรเจนเกาะที่ขั้วลบ ทำให้ปฏิกิริยาทางเคมีกลับสู่ความเป็นกลาง ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าก็ค่อยๆลดลง จนกระทั่งหมดไปเมื่อปฏิกิริยาทั้งหมดหยุดลง   ถ้าจะนำไปใช้งานอีกก็ต้องนำแท่งสังกะสี (ขั้วลบ) ออกมาทำความสะอาดให้ฟองของไฮโดรเจนหมดไป ปฏิกิริยาการเกิดฟองของไอโดรเจนนี้ เรียกว่า โปลาไรเซชัน วิธีแก้ไขการเกิดโปลาไรเซชั่นทำได้โดยการเติมออกซิเจนเข้าไปในสารละลาย เพื่อให้รวมตัวกับไอโดรเจนที่เกิดขึ้น แล้วให้กลายเป็นน้ำ เราเรียกแก้ไขนี้ว่า ดีโปลาไรเซชัน   (DEPOLARIZATION)

             การค้นพบของท่านโวตานี้ทำให้เป็นรากฐานของการสร้างเซลล์ไฟฟ้าแบบต่างๆขึ้นมาอีกรวมทั้งการสร้างถ่านไฟฉายและแบตเตอร์ในปัจจุบันนี้ด้วย

          ผลของความร้อน   ทำให้เกิดไฟฟ้า

               มีธาตุบางธาตุมีคุณสมบัติเป็นผู้ให้อิเล็กตรอน และบางธาตุก็ทำหน้าที่เป็นผู้รับอิเล็กตรอนเมื่อธาตุนั้นได้รับความร้อน เนื่องจากว่าความร้อนเป็นพลังงานชนิดหนึ่งเหมือนกัน พลังงานความร้อนนี้ก็จะทำให้ธาตุบางธาตุ เช่น ทองแดง    เกิดอิเล็กตรอนอิสระขึ้น ถ้านำลวดทองแดงมาเชื่อมต่อกับลวดเหล็กที่ปลายข้างใดข้างหนึ่ง และให้ความร้อนกับจุดต่อดังกล่าว ทองแดงจะสูญเสียอิเล็กตรอนอิสระให้กับเหล็ก ทำให้เกิดศักดาไฟฟ้าบวกที่ทองแดง และเหล็กจะได้รับอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มขึ้น จึงเกิดศักดาไฟฟ้าลบที่อีกปลายหนึ่งของของเหล็ก ยังมีธาตุคู่อื่นๆ อีกหลายชนิดที่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาแบบนี้ได้ เช่น ทองแดงกับสังกะสี,โครเมียมกับนิเกิลหรือเหล็กกับสังกะสี ศักดาไฟฟ้าระหว่างขั้วบวก(ทองแดง) และขั้วลบ(เหล็ก) สามารถใช้มิลิโวลต์มิเตอร์(MILIVOLT METER) วัดค่าได้จะอยู่ระหว่าง 17 ถึง 40 มิลิโวลต์ (1 มิลิโวลต์ เท่ากับ

   โวลต์) ซึ่งแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากวิธีการนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่เปลวไฟด้วย คือ ถ้าอุณหภูมิสูงขึ้นแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ก็จะมากขึ้นด้วย ดังแสดงในรูป 2.7

รูป 2.7 แสดงการถ่ายเทอิเล็กตรอนอิสระจากวัตถุ 2 ชนิด เมื่อได้รับความร้อน

          เมื่อนำปลายอีก 2 ข้างที่เหลือมาต่อกันให้ครบวงจรจะได้กระแสอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงจรนั้นด้วยแสดงดังรูป

                                    (ก)                                                       (ข)

รูป 2.8 ก.การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวัสดุเทอร์โมคัปเปิลเมื่ออุณหภูมิสูง

ข.เมื่ออุณหภูมิต่ำ

            ปรากฏการณ์ที่ใช้ความร้อนเพื่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าโดยใช้โลหะ 2 ชนิดดังกล่าวมาแล้วนี้เราเรียกว่า เทอร์โมคัปเปิล(THERMO COUPLE)

            จะเห็นว่าเมื่ออุณหภูมิสูงนั้น อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางหนึ่ง และเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียส อิเล็กตรอนก็จะเคลื่อนที่ในอีกทางหนึ่ง เราสามารถนำวัสดุเทอร์โมคัปเปิลไปใช้งานได้ดี ด้านการวัดอุณหภูมิ โดยแปลงอุณหภูมิเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ปลายของวัสดุทั้งสอง และใช้มิลิโวลต์มิเตอร์หรือ กัลวานอมิเตอร์ วัดค่าออกมาเปรียบเทียบกับเทอร์โมมิเตอร์ เมื่ออุณหภูมิสูงเข็มมิเตอร์จะชี้ไปทางด้านลบ(-) และถ้าสูงมากขึ้นก็จะชี้ไปที่ค่าลบมากขึ้น ในขณะอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาก็จะชี้มาที่ค่าบวก(+) ดังแสดงการวัดในรูป 2.9

                      รูป 2.9 แสดงการใช้เทอร์โมคัปเปิลวัดอุณหภูมิโดยต่อร่วมกับกัลวานอมิเตอร์

          ผลของแสงอาทิตย์ทำให้เกิดไฟฟ้า

             เราคงจะเคยเห็นเครื่องคำนวณอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่กันมาแล้ว จะเห็นว่าจะมีช่องกระจก และเห็นภายในเป็นแผ่นสีเทาดำหรือสีน้ำตาล พอได้รับแสงก็ทำให้เครื่องทำงานได้พอปิดช่องแสงก็ทำให้เครื่องหยุดทำงานเจ้าแผ่นสีเทาๆดำๆ นี่แหละที่เราเรียกว่าโฟโต้เซลล์ (PHOTO CELL) หรือโซลาร์เซลล์(SOLAR CELL) ทำหน้าที่กำเนิดแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กค่าหนึ่งเพื่อจ่ายให้กับเครื่องคำนวณ

รูป 2.10 แสดงเครื่องคำนวณอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้โซล่าร์เซลล์เป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้า

                  โซลาร์เซลล์หรือเซลล์แสงอาทิตย์ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสง อาจจะเป็นแสงจากดวงอาทิตย์หรือแสงที่มนุษย์สร้างขึ้นก็ได้ ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยใช้สารกึ่งตัวนำ จำพวกซิลิกอน(SILICON) หรือซิลิเนียม(SILINIUM)

                   เนื่องจากแสงก็เป็นพลังงานรูปหนึ่ง เมื่อกระทบกับสารกึ่งตัวนำบางสภาวะจะทำให้สารตัวนำบางชนิดที่ถูกสารเจือปนแล้วมีอิเล็กตรอนอิสระเกิดขึ้น ปกติในหนึ่งเซลล์จะกำเนิดแรงดันไฟฟ้าได้ระหว่าง 0.45 ถึง 0.5 โวลต์และสูงสุด 0.6 โวลต์โซลาร์เซลล์เมื่อได้รับแสงสว่างมาๆ จะกำเนิดแรงดันไฟฟ้าสูงและเมื่อแสงสว่างลดลง แรงดันไฟฟ้าที่โซลาร์เซลล์กำเนิดได้ก็จะลดลง ดังรูป 2.11

รูป 2.11 แสดงการกำเนิดแรงดันไฟฟ้าของโซลาร์เซลล์

                         เมื่อต้องการกำเนิดไฟฟ้าจำนวนมาก สามารถทำได้โดยการต่อโซลาร์เซลล์ รวมกันหลายๆเซลล์ดังรูป 2.12

รูป 2.12 แสดงการต่อเซลล์แบบต่างๆโดยแต่ละเซลล์มีค่าแรงดันเท่ากับ 0.5 โวลต์

             ก.ต่ออนุกรม(SERIES) 2 เซลล์มีค่าแรงดันรวมเท่ากับ 0.5

              ข.ต่ออนุกรม 3 เซลล์ มีค่าแรงดันรวมเท่ากับ 0.5x3 = 1 โวลต์

              ค.ต่ออนุกรม 3 เซลล์   3 ชุด และนำแต่ละชุดมาขนาดกันได้แรงดัน 1.5 โวลต์ แต่

มีกำลังไฟฟ้า (ELECTRIC    POWER) มากกว่าแบบ (ข) 2 เท่า

          การใช้โซลาร์เซลล์เพื่อกำหนดไฟฟ้านี้   ปัจจุบันการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ) ได้มีการวิจัย และทดลองใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ใช้กับที่ซึ่งเป็นขนบทไฟฟ้าเข้าไปไม่ถึง โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับวิทยุสื่อสาร แสงสว่าง ไฟสัญญาณ และใช้กับเครื่องวัดแผ่นดินไหว เป็นต้น ลักษณะการใช้งานจะมีแผงของเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ เป็นตัวแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า และเก็บพลังงานไฟฟ้าที่สะสมได้ลงในแบตเตอรี่ แล้วจึงผ่านเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าให้เป็นไฟฟ้าที่ใช้งานได้ โดยส่งไปตามเสาส่งไฟฟ้า แต่ยังอยู่ในระหว่างทดลองใช้และต้นทุนในการผลิตยังสูงกว่าแบบอื่น ซึ่งไม่แพร่หลาย แสดงดังรูป 2.13

รูป 2.13 แสดงขั้นตอนการผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสดงอาทิตย์ของการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย

ผลของสนามแม่เหล็กทำให้เกิดไฟฟ้า

              ไมเคิล   ฟาราเดย์ (MICHAEL FARADAY) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เป็นผู้ค้นพบว่าถ้านำเอาลวดตัวนำเส้นหนึ่งต่อปลายทั้งสองข้างเข้ากับกัลวาน อมิเตอร์ ลักษณะเป็นวงจรปิดหรือลูป (LOOP)ใช้มือทั้งสองจับที่ลวดตัวนำ ที่ตำแหน่ง A และ B และเคลื่อนที่ ลวด AB ผ่านเข้าไปในสนามแม่เหล็กถาวร เข็มของกัลวานอมิเตอร์จะบ่ายเบนไปจากตำแหน่งศูนย์

รูป 2.14 แสดงการทดลองวัดค่ากระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำของฟาราเดย์

            นั่นแสดงให้เห็นว่า กระแสไฟฟ้าจะเกิดข้นได้เมื่อเคลื่อนที่ตัวนำไฟฟ้าตัดผ่านเส้นแรงแม่เหล็ก(MAGNETIC LINE OF FORCE) และอีกไม่นานนักฟาราเดย์ก็ได้สร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง(DIRECT CURRENT GENERATOR)ขึ้นมาตัวหนึ่ง เรียกชื่อว่าไดนาโมของฟาราเดย์   (FARADAY ‘S DYNAMOซึ่งประกอบด้วยแม่เหล็กถาวรรูปเกือกม้าแท่งหนึ่ง   แผ่นจานกลมทำด้วยทองแดง มีเพลายึดกับมือหมุนอยู่กลางจาน ที่ขอบของจานทองแดงสัมผัสอยู่ เรียกว่า แปรงถ่าน (BRUSH)   และมีแปรงถ่านอีกอันหนึ่งสัมผัสอยู่ที่แกนกลางของแผ่นจาน แปรงถ่านทั้ง2 นี้ คือขั้วต่อสายตัวนำเพื่อกระแสออกไปใช้งานภายนอก

รูป 2.15 แสดงลักษณะภายนอก และการทำงานของไดนาโมของฟาราเดย์

            เมื่อหมุนไดนาโมไปในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ทำให้จานทองแดงหมุนตัดกับเส้นแรงแม่เหล็กที่ปลายเกือกม้า จะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางจากจุด Mไปจุด S ซึ่งถ้านำแปรงถ่านมาต่อนำกระแสไฟฟ้าออกไปสู่วงจรภายนอก เช่น ต่อกับหลอดไฟฟ้า ฯลฯ ก็จะได้พลังงานไฟฟ้าไปใช้งานได้ โดยแปรงถ่านด้านบนเป็นขั้วบวก และด้านลางเป็นขั้วลบ ซึ่งไดนาโมของฟาราเดย์นี้เองเป็นต้นกำเนิดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงในปัจจุบัน

           เครื่องกำเนิดไฟฟ้าปัจจุบัน ไม่ได้จานทองแดงหมุนแบบฟาราเดย์ เนื่องจากมีขนาดใหญ่มาก ลำบากในการออกแบบโครงสร้าง จึงใช้ลวดทองแดงพันบนทุ่นหมุนแทน ซึ่งลวดทองแดงนี้สามารถฟันให้มีจำนวนรอบมากหรือน้อยได้ตามขนาดของไฟฟ้าที่จะผลิต ถ้าเครื่องกำเนิดมีขนาดจ่ายไฟฟ้าได้มาก ทุ่นหมุนก็จะพันด้วยลวดทองแดงจำนวนรอบมาก แต่ถ้าเป็นเครื่องกำเนิดที่จ่ายไฟฟ้าน้อยกว่า ทุ่นหมุนก็จะพันลวดทองแดงจำนวนน้อยลงเป็นต้น   ทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่กำเนิดออกมาได้ ขึ้นอยู่กบทิศทางการหมุนของทุ่นหมุน (ถ้ากำหนดให้ทิศทางของเส้นแรงแม่เหล็กคงที่) ซึ่งเราสามารถอธิบายทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ที่เกิดจากผลของสนามแม่เหล็ก ที่มีลวดตัวนำหมุนตัดผ่านได้   โดย   กฎมือขวาของเฟลมมิ่ง   โดยสามารถอธิบายได้จากรูป    นำลวดทองแดงเส้นเคลื่อนที่ในทิศทางขึ้นและลง โดยลวดทองแดงเส้นนั้นตัดกับเส้นแรงแม่เหล็กระหว่างขั้วเหนือ ใต้ เมื่อเคลื่อนที่ลง เข็มของกัลวานอมิเตอร์ชี้ไปทาง (+) และถ้าเคลื่อนที่ลวดทองแดงขึ้น เข็มของมิเตอร์ชี้ไปทาง (-) แสดงว่าจะมีกระแสไฟฟ้าไหลออกมาจากลวดทองแดงในทิศทางที่ตรงกัน ดังแสดงดังรูป 2.16

รูป 2.16 แสดงกฎมือขวาของเฟลมมิ่ง

(ก) เมื่อเคลื่อนที่ตัวนำมาทางด้านล่างจะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลตามที่นิ้วกลางชี้ ทำให้เข็มของกลัววานอมิเตอร์บ่ายเบนไปในทิศทางหนึ่ง (ข) เมื่อเคลื่อนที่ตัวนำไปทางด้านบนตามนิ้วหัวแม่มือชี้ จะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลไปตามทิศทางที่นิ้วกลางชี้ (จะไหลกับทางจากเดิม)ทำให้เข็มของกัลวานอมิเตอร์บ่ายเบนไปในทิศทางตรงข้าม ขอให้เราพิจารณารูป 2.16 (ข)จะเห็นรูปมือมือขวาหงายมืออยู่ เฟลมมิ่งบอกว่า ถ้าแทนนิ้วชี้ด้วยทิศทางของเส้นแรงแม่เหล็ก (ชี้ไปทางขั้วใต้) (S) และนิ้วหัวแม่มือแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของตัวนำในที่นี้คือทิศทางการหมุนของจานทองแดงไหลตามทิศทางที่นิ้วกลางชี้ และในรูป 2.16 (ก)เมื่อเคลื่อนที่ในทิศทางตรงข้าม ให้กลับมือขวาใหม่ให้นิ้วหัวแม่มือ ชี้ในทิศทางเดียวกันกับการเคลื่อนที่โดยการเคลื่อนทีโดยที่นิ้วชี้อยู่ตำแหน่งเดิม จะพบว่า ทิศทางของกระแสที่เกิดขึ้นในตัวนำลวดทองแดงเกิดตรงข้ามกับรูป 2.16 (ข) โดยนิ้วกลางจะชี้บอกทิศทางของกระแสไฟฟ้า

         เมื่อนำลวดทองแดงมาพับบนทุ่นให้มีจำนวนรอบมากๆ ก็สามารถกำเนิดไฟฟ้าได้เป็นจำนวนมาก ดังแสดงในรูป 2.17

รูป 2.17 แสดงลักษณะของทุ่นหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่ใช้มือหมุน

          ผลของแรงกดอัดทำให้เกิดไฟฟ้า

สารบางชนิด เช่น ผลึกของหินควอตซ์ (QUARTZ) นั้น เมื่อได้รับแรงอัดจากภายนอกจะทำให้อิเล็กตรอนที่วงวาเลนซ์หลุดออกมากลายเป็นประจุไฟฟ้าไปสะสมย้งชิ้นสารอีกด้านหนึ่งที่ไม่ถูกกด ยังมีสารอีกหลายอย่างที่มีคุณสมบัติเช่นนี้ เช่น ผลึกของเกลือรอชเชล   ( ROCHELLE)ผลึกทูมาลีน (TUMALENE) เป็นต้น   คุณสมบัติของสารที่มีประจุไฟฟ้าเมื่อส่งแรงกดอัดเข้าไปนี้ เรียกว่า เพียซโซ อิเล็กตริก (PIEZO ELECTRIC)และเราเรียกสารเหล่านี้รวมๆกันว่าสาร เพียซโซ

            ไฟฟ้า ที่เกิดขึ้นจากการกดสารเพียซโซนี้มีประมาณน้อยมาก ต้องนำไปขยายโดยการผ่านวงจรขยาย เช่นเครื่องขยายเสียง หรือ แอมปลิไฟร์ จึงนิยมนำเอาสารเพียซโซไปสร้างเป็นไมโครโฟนชนิดคริสตัล (CRYSTAL MICROPHONE) หรือทำเป็นหัวเข็มของเครื่องเล่นจานเสียง (PHONO CARTRISDGES) แม้ปัจจุบันย้งมีการนำเอาสารเพียซโซบางชนิดมาสร้างเป็นออดไฟฟ้าหรือไซเรน สำหรับส่งสัญญาณเสียงได้อีกด้วย โดยอาศัยผลตรงกันข้าม คือ จ่ายไฟฟ้าเข้าไปแล้วทำให้สารเพียซโซนั้นขยายตัวหรือหดตัว และผ่านกระบวนการบางอย่างเพื่อทำให้การเคลื่อนนที่นี้กลายเป็นเสียงดังได้