พลังงานไฟฟ้า

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

พลังงานไฟฟ้า (อังกฤษ: electrical energy) เป็นพลังงานที่ได้จากพลังงานศักย์หรือพลังงานจลน์ไฟฟ้า เมื่อถูกใช้อย่างหลวมๆเพื่ออธิบายพลังงานที่ถูกดูดซับหรือถูกนำส่งโดยวงจรไฟฟ้าหนึ่ง (ยกตัวอย่างเช่น พลังงานที่จัดหามาให้จากโรงไฟฟ้า) "พลังงานไฟฟ้า" จะพูดถึงพลังงานที่ถูกแปลงมาจากพลังงานศักย์ไฟฟ้า พลังงานนี้ถูกจ่ายออกมาโดยการผสมกันของกระแสไฟฟ้ากับศักย์ไฟฟ้าโดยส่งออกมาในกริด (ไฟฟ้า) ณ จุดที่พลังงานศักย์ไฟฟ้านี้ถูกเปลี่ยนให้เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของพลังงาน มันจะไม่ได้เป็นพลังงานศักย์ไฟฟ้าอีกต่อไป ดังนั้น พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดเป็นพลังงานศักย์ก่อนที่มันจะถูกจัดส่งไปให้ผู้ใช้ปลายทาง หลังจากถูกเปลี่ยนจากพลังงานศักย์ พลังงานไฟฟ้าสามารถถูกเรียกเป็นพลังงานชนิดอื่นได้เสมอเช่นพลังงานความร้อน พลังงานแสงสว่าง พลังงานการเคลื่อนไหว ฯลฯ

การผลิตไฟฟ้า[แก้]

บทความหลัก: การผลิตไฟฟ้า

การผลิตไฟฟ้าเป็นกระบวนการของการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานรูปแบบอื่น

หลักการพื้นฐานของการผลิตไฟฟ้าถูกค้นพบระหว่างทศวรรษที่ 1820 ถึง 1830 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อไมเคิล ฟาราเดย์ วิธีการพื้นฐานของเขายังคงถูกใช้ในปัจจุบัน นั่นคือไฟฟ้าจะถูกผลิตขึ้นจากการเคลื่อนไหวของขดลวดหรือจานทองแดงไปมาระหว่างขั้วทั้งสองของแม่เหล็ก[1]

สำหรับโรงไฟฟ้า (เช่นการไฟฟ้าฝ่ายผลิต) นี่เป็นขั้นตอนแรกในการจัดส่งไฟฟ้าไปยังผู้ใช้ กระบวนการอื่นเช่นการจัดส่ง การกระจาย และการจัดเก็บกำลังไฟฟ้าและการกู้คืนโดยการใช้วิธีสูบขึ้นไปเก็บ เหล่านี้ปกติจะถูกดำเนินการโดยอุตสาหกรรมจำหน่ายกระแสไฟฟ้า (เช่นการไฟฟ้านครหลวง การไฟฟ้าภูมิภาค)[2]

ไฟฟ้าจะถูกผลิตโดยโรงไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่โดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไฟฟ้าเครื่องกล ซึ่งจะถูกขับเบื้องต้นโดยเครื่องยนต์พลังงานความร้อนที่ใช้เชื้อเพลิงแบบสันดาปเคมีหรือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แต่ก็ยังใช้วิธีการอื่นด้วยเช่นพลังงานศักย์จากการไหลของน้ำและลม ยังมีเทคโนโลยีอื่นอีกมากที่สามารถใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าเช่นเซลล์แสงอาทิตย์และพลังงานความร้อนใต้พิภพ

กำลังไฟฟ้า VS พลังงานไฟฟ้า[แก้]

กำลังไฟฟ้าจะถูกส่งไปบนสายไฟฟ้าแรงสูงที่แขวนอากาศเช่นนี้และบนสายไฟฟ้าใต้ดินอีกด้วย

กำลังไฟฟ้า (อังกฤษ: electric power) เป็นอัตราที่พลังงานไฟฟ้าจะถูกถ่ายโอนไปยังวงจรไฟฟ้า มีหน่วย SI เป็นวัตต์ซึ่งเท่ากับหนึ่งจูลต่อวินาที

กำลังไฟฟ้ามักจะมีการผลิตโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่ก็ยังสามารถจัดหาได้จากหลายแหล่ง เช่นแบตเตอรี่ไฟฟ้า กำลังไฟฟ้ามักจะมีการซิ้อขายเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง(เท่ากับ 1 หน่วย) (3.6 MJ) ซึ่งเป็นผลคูณของ "กำลังไฟฟ้า" เป็นกิโลวัตต์คูณด้วยเวลาการใช้งานเป็นชั่วโมง บริษัทสาธารณูปโภคไฟฟ้าจะวัดกำลังไฟโดยใช้มิเตอร์ไฟฟ้าซึ่งจะเป็น "พลังงานไฟฟ้า" รวมที่ส่งมอบให้กับลูกค้า

เราสามารถหาความแตกต่างระหว่าง "พลังงานไฟฟ้า" และ "กำลังไฟฟ้า" ได้ตามตัวอย่างนี้ สมมติว่าโทรทัศน์เครื่องหนึ่งใช้กำลังไฟฟ้า 200 วัตต์ เปิดใช้งานต่อเนื่อง 10 ชั่วโมง ดังนั้น โทรทัศน์เครื่องนี้ใช้พลังงานไฟฟ้าไปทั้งหมดเท่ากับ 0.200X10 = 2 kW หรือ 2 หน่วยซึ่งปัจจุบันค่าพลังงานไฟฟ้ามีค่าหน่วยละประมาณ 5 บาท[3]

กำลังไฟฟ้าให้รูปแบบเอนโทรปีที่ต่ำของพลังงานและสามารถเปลี่ยนให้เป็นการเคลื่อนไหวหรือรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง[4]


ความหมาย[แก้]

กำลังไฟฟ้า เหมือนเช่นพลังงานกล มันเป็นอัตราของการทำงาน มีค่าเป็นวัตต์และแทนด้วยตัวอักษร P กำลังไฟฟ้าเป็นวัตต์ที่ผลิตโดยกระแสไฟฟ้า I ซึ่งประกอบด้วยประจุไฟฟ้า Q คูลอมบ์ทุกๆ t วินาทีเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์ (แรงดัน) V จะเป็น

P = งานที่ทำได้ต่อหน่วยเวลา = VQ/t = VI

เมื่อ

Q เป็นประจุไฟฟ้ามีหน่วยเป็นคูลอมบ์
t เป็นเวลามีหน่วยเป็นวินาที
I เป็นกระแสไฟฟ้ามีหน่วยเป็นแอมแปร์
V เป็นศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้ามีหน่วยเป็นโวลต์

คำอธิบาย[แก้]

ภาพเคลื่อนไหวแสดงโหลดไฟฟ้า

กำลังไฟฟ้าจะถูกเปลี่ยนเป็นรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงานเมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนผ่านความต่างศักย์ (แรงดัน) ที่เกิดขึ้นในชิ้นส่วนไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า จากมุมมองของกำลังไฟฟ้า ส่วนประกอบต่างๆในวงจรไฟฟ้าหนึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท:

  • อุปกรณ์แบบพาสซีฟ หรือ โหลด: เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์จากศักย์ที่สูงไปยังศักย์ที่ต่ำกว่า นั่นคือเมื่อกระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ (อังกฤษ: conventional current) (ประจุบวก) เคลื่อนที่จากขั้วบวก (+) ไปยังขั้วลบ (-) "งาน" ได้ทำแล้วโดยประจุบนอุปกรณ์ พลังงานศักย์ของประจุอันเนื่องมาจากแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วทั้งสองจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ในอุปกรณ์ อุปกรณ์เหล่านี้จะเรียกว่าส่วนประกอบแบบ พาสซีฟ หรือ โหลด; มัน 'กิน' กำลังไฟฟ้าจากวงจร, แปลงเป็นพลังงานรูปแบบอื่น ๆ เช่นงานกลไก, ความร้อน, แสงสว่าง ฯลฯ ตัวอย่างเช่นเครื่องใช้ไฟฟ้าเช่นหลอดไฟ, มอเตอร์ไฟฟ้า, และเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า ในวงจรกระแสสลับ (AC) ทิศทางของแรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นตรงกันข้ามตามช่วงเวลา แต่กระแสจะไหลจากด้านที่มีศักย์สูงไปทางด้านที่มีศักย์ต่ำเสมอ
ภาพเคลื่อนไหวแสดงแหล่งกำลัง
  • อุปกรณ์แบบแอคทีฟหรือแหล่งกำลัง: ถ้าประจุเคลื่อนที่โดย'แรงภายนอก' ผ่านอุปกรณ์ในทิศทางจากศักย์ไฟฟ้าต่ำไปยังศักย์ไฟฟ้าที่สูงกว่า (ดังนั้นประจุบวกเคลื่อนที่จากขั้วลบไปขั้วบวก) "งาน" ได้ทำแล้ว "บน" ประจุ และพลังงานกำลังจะถูกเปลี่ยนให้เป็นพลังงานศักย์ไฟฟ้าจากบางชนิดของพลังงาน เช่นพลังงานกลหรือพลังงานเคมี อุปกรณ์ที่เกิดกิจกรรมนี้ขึ้นจะถูกเรียกว่าอุปกรณ์ แอคทีฟ หรือแหล่งพลังงาน; เช่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและแบตเตอรี่

อุปกรณ์บางอย่างอาจเป็นแหล่งกำลังหรือเป็นโหลดอย่างใดอย่างหนึ่งขึ้นอยู่กับแรงดันและกระแสผ่านพวกมัน ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่ที่ประจุใหม่ได้จะทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาเมื่อมันจ่ายกำลังไฟให้กับวงจร แต่มันจะเป็นโหลดเมื่อมันเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ชาร์จแบตเตอรี่ใหม่และกำลังเติมประจุ

ข้อตกลงสำหรับเครื่องหมายพาสซีฟ[แก้]

บทความหลัก: ข้อตกลงสำหรับเครื่องหมายพาสซีฟ

เนื่องจากกำลังไฟฟ้าสามารถไหลเข้าหรือออกจากอุปกรณ์ ข้อตกลงจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแสดงทิศทางการไหลของกำลังไฟฟ้าบวก กำลังไฟฟ้าที่ไหลออกจากวงจรหนึ่งเข้าไปในอุปกรณ์หนึ่งจะถูกกำหนดโดยพลการให้มีเครื่องหมายบวก ในขณะที่กำลังไฟฟ้าที่ไหลเข้าในวงจรจากอุปกรณ์จะถูกกำหนดให้มีเครื่องหมายลบ ดังนั้นอุปกรณ์แบบพาสซีฟจะมีการใช้พลังงานในเชิงบวก ในขณะที่แหล่งกำลังงานจะมีการใช้พลังงานเชิงลบ

วงจรความต้านทา​​น[แก้]

ในกรณีที่โหลดเป็นพวกความต้านทาน (แบบโอห์มหรือเชิงเส้น) กฎของจูลสามารถนำมารวมกับกฎของโอห์ม (V = I·R) เพื่อผลิตการแสดงออกที่เป็นทางเลือกสำหรับปริมาณของพลังงานที่จะกระจายออกไปดังนี้:

P = IV = I2R = V2/R

เมื่อ R คือความต้านทานไฟฟ้า

กระแสสลับ[แก้]

บทความหลัก: ไฟฟ้ากระแสสลับ

ในวงจรกระแสสลับ อุปกรณ์ที่เก็บพลังงานได้ เช่นตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ อาจมีผลทำให้ทิศทางการไหลของพลังงานไปในทางตรงกันข้ามตามช่วงเวลา ส่วนของการไหลของพลังงาน, ที่เฉลี่ยแล้วตลอดเต็มวงจรของรูปคลื่น AC, จะมีผลในการถ่ายโอนเป็นสุทธิของพลังงานในทิศทางเดียว พลังงานส่วนนั้นจะถูกเรียกว่ากำลังงานจริงหรือกำลังงานที่แอคทีฟ (อังกฤษ: real power หรือ active power) ส่วนของกำลังงานที่ไหลเนื่องจากกำลังงานที่ถูกเก็บไว้จะถูกส่งกลับไปยังแหล่งที่มาในแต่ละรอบ ส่วนของกำลังงานนี้เรียกว่ากำลังงานปฏิกิริยา (อังกฤษ: reactive power) กำลังงานจริง P ในหน่วยวัตต์ที่ถูกบริโภคโดยอุปกรณ์หนึ่งจะได้จาก

P = {1 \over 2}V_p I_p \cos \theta = V_{rms}I_{rms} \cos \theta \,

เมื่อ

Vp เป็นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดเป็นโวลต์
Ip เป็นกระแสสูงสุดเป็นแอมแปร์
Vrms เป็นค่า root mean square ของแรงดันเป็นโวลต์
Irms เป็นค่า root mean square ของกระแสเป็นแอมแปร์
θ คือมุมเฟสระหว่างคลื่นไซน์ของกระแสและแรงดัน
สามเหลี่ยมพลังงาน: องค์ประกอบของกำลังไฟ AC

ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังงานจริง, กำลังงานปฏิกิริยาและพลังงานที่ปรากฏ (อังกฤษ: apparent power) สามารถแสดงด้วยปริมาณเวกเตอร์ กำลังงานจริงจะแสดงเป็นเวกเตอร์แนวนอนและกำลังงานรีแอคทีฟจะแสดงเป็นเวกเตอร์แนวตั้ง เวกเตอร์พลังงานที่ปรากฏคือด้านตรงข้ามมุมฉากของสามเหลี่ยมที่เกิดขึ้นโดยการเชื่อมต่อเวกเตอร์กำลังงานจริงและเวกเตอร์กำลังงานปฏิกิริยา การแสดงนี้มักจะถูกเรียกว่าสามเหลี่ยมกำลังงาน โดยใช้ทฤษฎีของพีทาโกรัส, ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังงานจริง, กำลังงานปฏิกิริยาและกำลังงานที่ปรากฏจะเป็นตามสมการ:

กำลังงานที่ปรากฏ2 = กำลังงานจริง2 + กำลังงานปฏิกิริยา2

กำลังงานจริงและกำลังงานปฏิกิริยายังสามารถคำนวณได้โดยตรงจากกำลังงานที่ปรากฏ, เมื่อกระแสและแรงดันเป็นคลื่นไซน์ทั้งคู่ที่มีมุมเฟสเป็น θ ระหว่างกระแสและแรงดัน:

กำลังงานจริง = กำลังงานที่ปรากฏ cosθ
กำลังงานปฏิกิริยา = กำลังงานที่ปรากฏ sinθ

อัตราส่วนของกำลังงานจริงต่อกำลังงานที่ปรากฏเรียกว่าปัจจัยกำลังงาน (อังกฤษ: power factor) และมีค่าระหว่าง 0 และ 1 เสมอ ในกรณีที่กระแสและแรงดันไฟฟ้ามีรูปคลื่นที่ไม่ใช่ไซน์ ปัจจัยอำนาจทั่วไปจะรวมถึงผลกระทบของการบิดเบือน

สนามแม่เหล็กไฟฟ้า[แก้]

พลังงานไฟฟ้าจะไหลไปทุกแห่งที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กพร้อมกันและมีลักษณะเป็นคลื่นในสถานที่เดียวกัน ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือในวงจรไฟฟ้าอย่างที่ได้อธิบายไว้ในหัวข้อก่อนหน้านี้ อย่างไรก็ตามในกรณีทั่วไป สมการง่าย ๆ ที่ P = IV จะต้องถูกเปลี่ยนให้เป็นสมการที่ซับซ้อนกว่านี้ ค่าจำนวนเต็ม (อังกฤษ: integral) ของผลคูณเวกเตอร์สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตลอดพื้นที่ที่กำหนด จะได้สมการดังนี้:


P = \int_S (\mathbf{E} \times \mathbf{H}) \cdot \mathbf{dA}. \,

ผลลัพท์จะเป็นค่าแสดงบนแผงหน้าปัทม์หรือที่เรียกว่า scalar quantity เนื่องจากมันเป็นการอินทีเกรทผิวหน้า (อังกฤษ: surface integral) ของ Poynting vector.

อ้างอิง[แก้]

  1. "Michael Faraday House". The Institution of Engineering & Technology. Retrieved 8 November 2015.
  2. "Keep the Power On" (PDF). IEC Electrical Energy. Retrieved 8 November 2015.
  3. http://www.mea.or.th/profile/index.php?tid=3&mid=111&pid=109
  4. Environmental Physics By Clare Smith 2001