บทที่ 8

เอกสารประกอบการเรียน แผนการเรยี นที่ 8 เรอ่ื ง หลกั การกาเนิดแรงดนั ไฟฟ้า หลกั การกาเนิดแรงดนั ไฟฟา้ วอลตา นกั วทิ ยาศาสตรช์ าวอิตาเลยี น ไดค้ น้ พบไฟฟ้าทเ่ี กดิ จากปฏิกิริยาเคมี เมื่อ พ.ศ. 2333 หลงั จากนนั้ อกี ประมาณ 40 ปี ไมเคลิ ฟาราเดย์ นกั วิทยาศาสตรช์ าวองั กฤษ ไดค้ น้ พบไฟฟา้ ทเ่ี กิดจากอานาจ แม่เหล็กขนึ้ ซง่ึ มปี ระโยชนม์ หาศาล ทาใหเ้ รามีไฟฟา้ ใชจ้ นถงึ ทกุ วนั นี้ ถา้ ต่อปลายของเสน้ ลวดตวั นาเขา้ กบั แอมมเิ ตอรท์ มี่ คี วามไวสงู แลว้ เคลอ่ื นลวดตวั นานลี้ งไปตรง ๆ ตดั กบั เสน้ แรงแม่เหล็ก จะสงั เกตเห็นวา่ เขม็ ของแอมมเิ ตอรก์ ระดิกบดิ เบนไป โดยเข็มของแอมมิเตอรจ์ ะชตี้ ง้ั แต่ ศนู ยจ์ นถึงค่ามากทส่ี ดุ ทงั้ นกี้ ็เนื่องจากมกี ระแสไฟฟ้าไหลผา่ นแอมมิเตอรน์ ่ันเอง และถา้ เคลอื่ นทีล่ วดตวั นาขนึ้ บนบา้ ง จะเหน็ วา่ เขม็ ของแอมมเิ ตอรช์ กี้ ลบั ทางกบั ตอนแรก สรุปไดว้ า่ ทศิ ทางการไหลของกระแสไฟฟา้ ทเ่ี กดิ จากการเหนย่ี วนานี้ ขึน้ อยกู่ บั ทศิ ทางการเคลอ่ื นทข่ี องลวดตวั นา ฉะนน้ั จงึ สรุปไดว้ ่า แรงดนั ไฟฟา้ จะเกดิ ขนึ้ มากหรือนอ้ ยขนึ้ อยกู่ บั สงิ่ ตอ่ ไปนี้ 1. ความเขม้ ของเสน้ แรงแมเ่ หลก็ 2. ความยาวของเสน้ ลวดตวั นาทอี่ ยู่ในสนามแมเ่ หล็ก 3. ความเร็วของลวดตวั นาทเ่ี คลื่อนทตี่ ดั เสน้ แรงแม่เหล็ก 4. มมุ หรอื องศาท่ีเสน้ ลวดตวั นาตดั ผ่านเสน้ แรงแม่เหล็ก ตามปกตเิ ครือ่ งกาเนิดไฟฟ้าใด ๆ ความเขม้ ของสนามแม่เหลก็ และความยาวของเสน้ ลวด ตวั นาจะมปี รมิ าณคงที่ ตลอดทง้ั มมุ หรอื องศาที่เสน้ ลวดตวั นาตดั กบั เสน้ แรงแมเ่ หล็กกค็ งท่ดี ว้ ย แตค่ วามเรว็ ของลวดตวั นาทหี่ มนุ ตดั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ สามารถเปลีย่ นแปลงได้ ถา้ เสน้ ลวดตวั นาหมนุ ดว้ ย ความเรว็ สงู ก็จะสามารถตดั กบั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ ต่อวินาทีไดม้ าก การเหนี่ยวนาแรงดัน ไฟฟ้าก็สงู ตามไปดว้ ย ในเครอื่ งกาเนดิ ไฟฟ้ากระแสตรงหรอื ไฟฟา้ กระแสสลบั อานาจแมเ่ หลก็ ท่ใี ชใ้ นเครอ่ื ง กาเนดิ ไฟฟา้ จะใชอ้ านาจแมเ่ หลก็ ไฟฟ้า สว่ นลวดตวั นานน้ั จะพนั เอาไวท้ ีอ่ ารเ์ มเจอรเ์ พ่ือทาการหมนุ ตดั กบั เสน้ แรงแม่เหลก็ เหลา่ นี้ เน่ืองจากใชล้ วดตวั นามากและตา่ งก็ตอ่ กันไวแ้ บบอนุกรม จงึ ทาใหเ้ กิดแรงดนั ไฟฟา้

เหนยี่ วนานไี้ ดป้ รมิ าณมาก สรุปแลว้ การทีไ่ ดแ้ รงดนั ไฟฟ้าเหน่ยี วนาในปรมิ าณมาก กเ็ นอื่ งจากมีเสน้ ลวดตวั นา มาหมนุ ตดั เสน้ แรงแมเ่ หล็กท่มี คี วามเขม้ มาก และหมนุ ดว้ ยความเร็วสงู มากดว้ ยน่นั เอง กฎของเฟลมมิง (Fleming Rule) กฎของเฟลมมิง เป็นกฏซึ่งใชห้ าทศิ ทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ซ่งึ เกดิ ขนึ้ จากการเหนย่ี วนา โดยที่ เราทราบทิศทางของเสน้ แรงแม่เหล็ก และทศิ ทางการเคลอื่ นทีข่ องลวดตวั นาเรากส็ ามารถทราบทศิ ทางการไหล ของกระแสไฟฟ้าได้ กฎกลา่ ววา่ เม่อื ตงั้ หวั แม่มือ ใหน้ วิ้ ชี้ นิว้ กลาง ของมือซา้ ยตง้ั ไดฉ้ ากซงึ่ กนั และกนั โดยใหห้ วั แม่มอื ชที้ ิศ ทางการเคลอ่ื นทขี่ องตวั นา นิว้ ชชี้ ที้ ศิ ทางของเสน้ แรงแมเ่ หลก็ นิว้ กลางกจ็ ะชที้ ิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า เครอื่ งกาเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (The A.C. Gene – rator) อปุ กรณส์ าคญั ของเครือ่ งกาเนดิ ไฟฟา้ แสดงในรูปท่ี 8.3 จะเห็นวา่ มเี สน้ ลวดตวั นา 1 รอบ หมนุ อยู่ ระหวา่ งขวั้ แมเ่ หล็กสองขว้ั ทต่ี า่ งชนดิ กนั เพื่อตอ้ งการใหอ้ ธบิ ายหลกั การเกดิ แรงดนั ไฟฟ้าไดง้ ่ายขนึ้ จงึ ไดแ้ รเงา ลวดตวั นาขา้ งหน่ึงเป็นเสน้ ทบึ และอีกขา้ งเป็นเสน้ บาง ปลายทง้ั สองของขดลวดตวั นานจี้ ะนามาตอ่ เขา้ กบั สลิ ปริง (Slip Ring) ซึง่ เป็นตาแหน่งท่สี ามารถตอ่ กระแสไฟฟา้ ออกสนู่ อกวงจรได้ โดยตอ่ ทแี่ ปรงถา่ นซ่ึงสมั ผสั อยู่ ทีส่ ลปิ ริงนี้ เมื่อเริ่มหมนุ ขดลวดไปตามเข็มนาฬกิ า ซง่ึ อย่ใู นตาแหน่งที่ 1 เสน้ ลวดตวั จะตดั ขนานกบั เสน้ แรง แม่เหลก็ ฉะนน้ั ตาแหน่งนจี้ งึ ไมต่ ดั กบั เสน้ แรงแม่เหลก็ เลย แรงดนั ไฟฟา้ เหนีย่ วนาจะไดอ้ อกมาเป็นศนู ย์ เม่อื ขดลวดหมนุ ต่อไปอกี อยู่ในตาแหนง่ ที่ 2 จะเห็นวา่ ดา้ นขา้ งทงั้ สองดา้ นของขดลวดตวั นาจะตดั กบั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ ในทิศทางตรงกนั ขา้ ม ฉะนนั้ เม่อื ใชก้ ฎของเฟลมมิงหาทิศทางการไหลของกระแสไฟฟา้ จะ พบวา่ กระแสไฟฟา้ ในขดลวดแต่ละดา้ นไหลไปในทศิ ทางตรงกนั ขา้ มกนั น่นั หมายความว่า ถา้ เราคดิ ตลอดรอบ ของขดลวดแลว้ จะเหน็ ว่า กระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดยี วกนั (ไหลออกส่วู งจรภายนอกไปทางเดยี วกนั ) เมอ่ื ขดลวดหมนุ ต่อไปอกี อยู่ในตาแน่งที่ 3 จะเหน็ วา่ ขณะนน้ั เราหมนุ ขดลวดไปแลว้ คร่งึ รอบจะพบว่า ขดลวดทง้ั สองดา้ นหมนุ ตดั ขนานอยกู่ บั เสน้ แรงแม่เหล็กอกี ณ ตาแหนง่ นจี้ ะไม่เกิดแรงดนั ไฟฟ้าขนึ้ และไมม่ ี กระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นวงจรภายนอกเลย

ตอ่ เม่ือหมนุ ขดลวดตอ่ ไปอีกจนอยใู่ นตาแหน่งที่ 4 ณ ตาแหนง่ นี้ เราจะพบวา่ ขดลวดหมนุ ไปไดแ้ ลว้ ¾ รอบ และถา้ เราใชก้ ฎของเฟลมมิงหาทิศทางการไหลของกระแสไฟฟา้ ในขดลวดดู จะพบว่ากระแสไฟฟ้าไหล สวนทางกนั ดงั รูปที่ 8.4 และถา้ หมนุ ขดลวดตอ่ ไปอีก ¼ รอบ ขดลวดก็จะหมนุ ครบ 1 รอบพอดี ซึ่งเป็นจดุ เร่มิ ตน้ ของการหมนุ ณ ตาแหนง่ นแี้ รงดนั ไฟฟ้าและกระแสไฟฟา้ กจ็ ะมคี า่ เป็นศนู ย์ จากการหมนุ ของขดลวดนี้ พอจะสรุปผลทเ่ี กดิ ขนึ้ ไดด้ งั นี้ 1. แรงดนั ไฟฟ้าเหน่ียวนาที่เกิดขนึ้ ในขดลวดจะเปลี่ยนทิศทางการไหล 2 ครงั้ ใน 1 รอบ 2. กระแสไฟฟา้ สลบั ซ่ึงเปลย่ี นทิศทางการไหล 2 ครง้ั ในการหมนุ แต่ละรอบนน้ั จะแสดง ใหเ้ ห็นไดท้ ว่ี งจรภายนอก 3. ลกั ษณะของแรงดนั ไฟฟา้ และกระแสไฟฟ้าทเี่ กิดขนึ้ มีลกั ษณะเป็นรูปคลนื่ ซ่ึงเป็น กราฟแสดงการเปลยี่ นแปลงของการเกดิ แรงดนั ไฟฟ้าตอ่ การหมนุ ครบ 1 รอบ ยอดสงู สดุ ของกราฟแสดงขนาด ของแรงดนั ไฟฟา้ สงู สดุ ทเ่ี กิดขนึ้ เมอ่ื ขดลวดหมนุ ตดั เสน้ แรงแม่เหลก็ ดว้ ยความเร็วเตม็ ท่ี หรือเป็นตาแหนง่ ซงึ่ ขดลวดตวั นาหมนุ ตดั ตง้ั ฉากกบั สนามแมเ่ หลก็ ไดเ้ ตม็ ที่น่นั เอง ส่วนกราฟซงึ่ อยู่ซกี ทางดา้ นล่างนนั้ แสดงทิศทาง ของแรงดนั ไฟฟ้าซงึ่ มที ศิ ทางตรงกนั ขา้ มกนั เคร่อื งกาเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (D.C. Generator) เราไดไ้ ฟฟา้ กระแสตรงไหลออกส่วู งจรภายนอก โดยการทาหนา้ ที่ของอปุ กรณซ์ ึ่งเรียกว่า คอมมิวเต เตอร์ (Commutator) จากรูปท่ี 8.8 แสดงขดลวดรอบเดยี วหมนุ อยู่ระหว่างสนามแม่เหลก็ โดยที่ปลายทงั้ สองของขดลวดนจี้ ะ ต่ออยูก่ บั คอมมวิ เตเตอร์ ซ่ึงมีลกั ษณะเป็นวงแหวนผา่ ซกี แยกออกเป็นสองชนิ้ เมือ่ ขดลวดนหี้ มนุ ไป จาเป็นตอ้ ง หาแปรงถ่านมาวางใหส้ มั ผสั อยูก่ บั คอมมวิ เตเตอรน์ ี้ เพือ่ รบั กระแสไฟฟา้ จากขดลวดออกไปใชง้ าน ณ ตาแหน่งท่ี 1 ขดลวดหมนุ ไปตามเขม็ นาฬกิ า จะสงั เกตเหน็ วา่ ขดลวดอย่ใู นลกั ษณะแนวด่ิง ซ่งึ เป็น ลกั ษณะที่ขนานกบั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ ฉะนนั้ ณ ตาแหนง่ นี้ แรงดนั ไฟฟา้ และกระแสไฟฟ้าจะไมเ่ กิดขนึ้ จึงไมม่ ี กระแสไฟฟ้าไหลออกส่วู งจรภายนอกเลย ณ ตาแหนง่ ที่ 2 จะเหน็ วา่ ดา้ นขา้ งของขดลวดกาลงั เคลื่อนทตี่ ดั อยกู่ บั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ ทาใหม้ ี กระแสไฟฟ้าไหลออกจากขดลวดดา้ นสีขาวมายงั คอมมวิ เตเตอรส์ ขี าว ผา่ นมาทางแปรงถา่ นสขี าว และออกสู่ วงจรภายนอก (Load) โดยกระแสไฟฟา้ จะมที ศิ ทางการไหลจากซา้ ยไปขวาผ่านมิเตอร์ ดงั นนั้ แปรงถา่ นสีขาว จึงมีขวั้ เป็นลบ และแปรงถ่านสีดาจงึ มขี ว้ั เป็นบวก

ณ ตาแหนง่ ที่ 3 เม่ือขดลวดหมนุ มาอยู่ในตาแหน่งนี้ ซ่ึงเป็นตาแหนง่ ทีข่ ดลวดอยใู่ นแนวดง่ิ ณ ตาแหน่ง นกี้ ารเหน่ียวนาแรงดนั ไฟฟา้ จะไมเ่ กดิ ขนึ้ ณ ตาแหน่งที่ 4 รูปที่ 8.11 เมื่อขดลวดหมนุ มาอย่ใู นตาแหน่งนี้ การเหนยี่ วนาแรงดนั ไฟฟ้าก็จะเกดิ ขนึ้ อกี แตท่ ศิ ทางของแรงดนั นน้ั จะกลบั กบั ตอนแรก และถา้ สงั เกตใหด้ จี ะพบวา่ กระแสไฟฟ้าที่ออกจากขดลวด ดา้ นสีดานนั้ จะผา่ นออกมายงั โหลดทางแปรงถา่ นสขี าว ฉะนนั้ ขว้ั ท่แี ปรงถ่านสขี าวจึงยงั เป็นขวั้ ลบเหมอื นเดิม และกระแสไฟฟ้าซ่งึ ไหลผ่านวงจรภายนอกจะมีทศิ ทางเหมอื นเดิมดว้ ย จากปรากฏการณท์ ี่เกิดขนึ้ พอจะสรุปไดด้ งั นี้ 1. แรงดนั ไฟฟา้ เหนย่ี วนาในขดลวดจะเปลีย่ นทิศทางสองครงั้ ในการหมนุ แต่ละรอบ 2. แรงดนั ไฟฟ้าเหน่ียวนาและกระแสไฟฟา้ มีลกั ษณะเป็นคลนื่ 3. กระแสไฟฟ้าไหลในขดลวดเป็น A.C. แต่กระแสไฟฟ้าออกส่วู งจรภายนอกเป็นไฟฟา้ D.C. กราฟแสดงการเกดิ ของแรงดนั ไฟฟ้าเหนยี่ วนา เมอื่ ขดลวดหมนุ ครบหน่ึงรอบนนั้ ไดแ้ สดง ไวใ้ นรูปที่ 8.12 แรงดนั ไฟฟา้ ซึ่งไดจ้ ากขดลวดเพียงรอบเดียวนนั้ จะมเี พยี งเลก็ นอ้ ยเทา่ นน้ั และมรี ูปแบบเป็นคลื่นดว้ ย จงึ ใชง้ านไดเ้ ฉพาะในเคร่อื งใชบ้ างอยา่ งเทา่ นน้ั แตส่ าหรบั เคร่อื งกาเนิดไฟฟ้าซงึ่ ใชใ้ นกจิ การ อตุ สาหกรรม ขดลวดเหน่ียวนานนั้ ตอ้ งใชห้ ลายรอบเองหลายขดพนั อยู่ในส่วนท่หี มนุ ซ่งึ จะทาใหไ้ ดแ้ รงดนั ไฟฟา้ สงู ขนึ้ และปอ้ งกนั ความไมส่ ม่าเสมอหรือไมเ่ รยี บของแรงดนั ไฟฟา้ ท่จี า่ ยออกดว้ ย ซึง่ ประกอบดว้ ยส่วนสาคญั ดงั ตอ่ ไปนี้ 1. จานวนขวั้ แม่เหลก็ 2. จานวนเสน้ แรงแมเ่ หล็กตอ่ ขวั้ 3. จานวนตวั นาซง่ึ พนั อยใู่ นอารเ์ มเจอร์ 4. ความเรว็ ของเสน้ ลวดตวั นาในอารเ์ มเจอร์ 5. จานวนวงรขนานในอารเ์ มเจอร์

ใบงาน แผนการเรยี นท่ี 8 เร่อื ง หลกั การกาเนดิ แรงดนั ไฟฟา้ 1. ผทู้ ่ีคน้ พบไฟฟ้าท่ีเกิดจากอานาจแม่เหลก็ คอื ใคร ก. วอลตา ข. ทาลสี ค. เอดสิ นั ง. ไมเคลิ ฟาราเดย์ 2. แรงดนั ไฟฟา้ ท่ีเกดิ ขนึ้ จะมากหรอื นอ้ ยขนึ้ อยกู่ บั อะไร ก. ความเร็วของสนามแมเ่ หล็ก ข. ขวั้ แม่เหล็กมากหรือนอ้ ย ค. ความเขม้ ของเสน้ แรงแมเ่ หลก็ ง. กระแสไฟฟ้าเหนย่ี วนา 3. ในเคร่ืองกาเนิดไฟฟา้ ใด ๆ สงิ่ ท่เี ราเปล่ียนแปลงไดค้ ืออะไร ก. ความเขม้ ของสนามแมเ่ หลก็ ข. ความเร็วของลวดตวั นา ค. มมุ ท่ีเสน้ ลวดตวั นาตดั เสน้ แรงแมเ่ หลก็ ง. ขวั้ แม่เหล็ก 4. อปุ กรณท์ จี่ าเป็นในเคร่ืองกาเนดิ ไฟฟา้ กระแสสลบั คือขอ้ ใด ก. แปรงถ่าน ข. สลปิ รงิ ค. คอมมิวเตเตอร์ ง. สเตเตอร์

5. ในการกาเนดิ แรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั เม่อื หมนุ ครบ 1 รอบนนั้ จะเกดิ อะไรขนึ้ ก. เกิดแรงดนั ไฟฟ้าสงู สดุ เพียง 1 ครง้ั ข. เกดิ แรงดนั ไฟฟา้ สงู สดุ 2 ครง้ั ค. เกิดแรงดนั ไฟฟา้ บวก 2 ครงั้ ลบ 2 ครงั้ ง. เกิดแรงดนั ไฟฟา้ ท่ขี า้ งบวกตลอด