ผู้ใช้:Apiechai chaisawat/กระบะทราย

ฟิสิกส์ประยุกต์ในงานสื่อสาร

Animation of Physics

ฟิสิกส์ประยุกต์ในงานสื่อสาร(อังกฤษ:Applied Physics in Communication)คือการศึกษาสาขาวิชารวมกันของฟิสิกส์และสื่อสารมวลชนเพื่อพัฒนาความเข้าใจของทั้งสองสาขาโดยการที่นำความรู้เชิงทฤษฎีหรือความรู้ที่มีอยู่แล้วในงานฟิสิกส์มาปรับใช้ให้เป็นประโยชน์ในงานสื่อสารมวลชนมากยิ่งขึ้น มีส่วนประกอบดังนี้ดังนี้

ไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

3 Phase Power Connected to Delta Load

ไฟฟ้า (กรีก: ήλεκτρον; อังกฤษ: electricity) เป็นแขนงหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ มีที่มาจากภาษากรีกซึ่งในสมัยนั้นหมายถึงผลจากสิ่งที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและการไหลของประจุไฟฟ้า เช่นเดียวกันกับอำนาจดึงดูดของแม่เหล็ก ซึ่งมีปฏิกิริยากระทำต่อกันและกัน สิ่งนี้รู้จักกันในนามวิชาว่าด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า

ไฟฟ้ามีหลากหลายสาขาย่อย อาทิเช่น

• ศักย์ไฟฟ้า (Electric Potential) ว่าด้วยเรื่องของค่าแรงดึงดูดในแต่ละงานต่างๆ มีหน่วยเป็นโวลต์
• ไฟฟ้ากระแส (Electric Current) ว่าด้วยการเคลื่อนไหวของการไหลในกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์
• สนามไฟฟ้า (Electric Field) ว่าด้วยผลที่เกิดขึ้นาจากกระแสไฟฟ้าที่พยายามออกแรงเปลี่ยนแปลงสิ่งที่อยู่ใกล้เคียง
• พลังงานไฟฟ้า (Electric Energy) ว่าด้วยพลังงานที่มีโดยเกิดจากกระแสไฟฟ้าที่กระทำต่อสื่อไฟฟ้าต่างๆ
• กำลังไฟฟ้า (Electric Power) ว่าด้วยขนาดของพลังงานไฟฟ้าที่ไปทำการเปลี่ยนแปลงหรือมาจากพลังงานอื่นๆ เช่น แสง , ความร้อนหรือพลังงานของเครื่องกล

• ประจุไฟฟ้า (Electric Charge) ว่าด้วยการอนุรักษ์ทรัพยากรดั้งเดิมของส่วนที่เล็กกว่าอะตอม ซึ่งเป็นตัวที่มีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน
  

ประวัติ

เธลีสแห่งมิเลทัส

ก่อนที่จะมีความรู้ทางด้านไฟฟ้า มีผู้คนตระหนักถึงภัยของปลาดุกไฟฟ้า ในสมัยอียิปต์โบราณพบข้อความที่จารึกในช่วงประมาณ 250 ปีก่อนพุทธศักราช ว่าปลาไฟฟ้าเป็น "สายฟ้าแห่งแม่น้ำไนล์" และพรรณนาว่ามันเป็น "ผู้พิทักษ์" แก่ปลาอื่นๆ ทั้งมวล ทั้งนี้ยังค้นพบบันทึกอื่นๆ ทั้งในกรีกโบราณ โรมัน อาหรับ ว่าการที่ถูกไฟช็อตโดยปลาดุกไฟฟ้า (Electric catfish) และปลากระเบนไฟฟ้า เม่นไฟฟ้า (torpedo ray หรือ Electric ray) จะทำให้รู้สึกตัวชา และยังทราบว่าการช็อตเช่นนั้น สามารถทำให้วัตถุเกิดการเคลื่อนที่ได้ด้วย ผู้ป่วยที่ได้รับความเจ็บปวดจากการเป็นเกาต์หรือปวดหัว จะได้รับการรักษาโดยการสัมผัสปลาไฟฟ้า ซึ่งหวังว่าจะทำให้ผู้ป่วยกระตุกเป็นการรักษาฟื้นฟูอาการ ด้วยความบังเอิญจากการช็อตทำให้ค้นพบแหล่งกำเนิดแสงสว่าง

วัตถุที่เฉพาะเจาะจงอย่างมากคือแท่งอำพัน ที่นำมาขัดถูกับขนแมว ทำให้เกิดแสงเหมือนปกคลุมด้วยขนนก ซึ่งพบโดยอารยธรรมโบราณแถบเมดิเตอร์เรเนียน เธลีส แห่ง มิเลทัส ได้จัดลำดับการเกิดไฟฟ้าสถิตในสมัยพุทธกาล ซึ่งเป็นสิ่งที่เขาเชื่อว่าเมื่อเสียดสีกับอำพันแล้ว จะทำให้อำพันแสดงความเป็นแม่เหล็กออกมา ซึ่งในทางกลับกัน หินแร่ (minerals) กลับแสดงความเป็นแม่เหล็กโดยไม่ต้องขัดถู แต่ความเขื่อของเธลีสนั้นผิดที่การขัดสีอำพันไม่ได้แสดงความเป็นแม่เหล็กของอำพันเลย แต่ภายหลังวิทยาศาสตร์ก็พิสูจน์ได้ว่าเป็นความเชื่อมต่อระหว่างความเป็นแม่เหล็กกับความเป็นไฟฟ้า เป็นที่ยอมรับกันว่าในตะวันออกกลาง สมัยราชวงศ์ปาร์เธีย (Parthia) อาจจะมีความรู้ทางด้านแผ่นโลหะไฟฟ้า (Electroplating) เพราะในปี พ.ศ. 2479 มีการค้นพบแบตเตอรี่แบกแดด ซึ่งคล้ายคลึงกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี ถึงแม้จะยังไม่ทราบแน่ใจว่าทั้งคู่จะใช่ไฟฟ้าจากธรรมชาติชนิดเดียวกันหรือไม่

ความรู้ทางด้านไฟฟ้ายังมีเล็กน้อยนับพันปีให้หลัง จนกระทั่งพุทธศตวรรษที่ 22 เมื่อวิลเลียม กิลเบิร์ต นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ศึกษาแม่เหล็กและไฟฟ้าอย่างละเอียด ผลกระทบของแร่เหล็กจากไฟฟ้าสถิตนั้นเกิดขึ้นจากการขัดสีของอำพัน เขาบัญญัติศัพท์จากการค้นพบใหม่เป็นภาษาละตินใหม่ว่า "electricus" (แปลว่าอำพันในภาษากรีก) ซึ่งก็หมายถึงคุณสมบัติของการดึงดูดวัตถุเล็กๆหลังจากการขัดสี . ในภาษาอังกฤษเรียกว่า "electric" และ "electricity" ปรากฏขึ้นครั้งแรกใน Pseudodoxia Epidemica ของโธมัส บราวน์ เมื่อปี พ.ศ. 2189

ไมเคิล ฟาราเดย์

ชิ้นงานที่ให้การสนับสนุนต่อๆ มานำโดยอ็อตโต ฟอน เกียริก, โรเบิร์ต บอยล์, สตีเฟน เกรย์ และชาร์ล เอฟ. ดู เฟย์ ในพุทธศตวรรษที่ 23 เบนจามิน แฟรงคลิน ทำการวิจัยเรื่องไฟฟ้าอย่างกว้างขวาง เขาขายทรัพย์สมบัติที่มีเพื่อเป็นทุนวิจัยของเขา ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2295 เขาได้ติดลูกกุญแจโลหะไว้ที่หางว่าว แล้วปล่อยลอยขึ้นในวันที่ท้องฟ้ามีลมพายุรุนแรง เขาสังเกตประกายไฟที่ประโดดจากลูกกุญแจโลหะสู่หลังมือของเขา มันมีแสงซึ่งก็คือไฟฟ้าในธรรมชาติอย่างแท้จริง

ในปีพ.ศ. 2334 ลุยจิ กัลวานี นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีได้ตีพิมพ์การค้นพบไฟฟ้าชีวภาพ พิสูจน์ให้เห็นว่าไฟฟ้าอยู่ระหว่างเซลล์ประสาทผ่านสัญญาณไปสู่กล้ามเนื้อ แบตเตอรี่ของอเล็กซานโดร โวลต้าในพุทธศตวรรษที่ 24 ทำมาจากชั้นที่สลับซ้อนกันของสังกะสีและทองแดง ซึ่งได้รับความเห็นจากนักวิทยาศาสตร์ว่าเป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่เชื่อถือได้มากกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Generator) ที่เคยใช้กันมาก่อนหน้านี้ มีการจำแนกทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism) เป็นสาขาของปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็ก โดยฮันส์ คริสเตียน เออสเตด และอังเดร มารี แอมแปร์ในปีพ.ศ. 2362-พ.ศ. 2363 ในปีพ.ศ. 2364 ไมเคิล ฟาราเดย์ได้ประดิษฐ์มอเตอร์ไฟฟ้า (ไดนาโม) และจอร์จ ไซมอน โอห์มได้ใช้คณิตศาสตร์วิเคราะห์วงจรไฟฟ้า หรือเป็นที่รู้จักในชื่อ "กฎของโอห์ม" ในปีพ.ศ. 2370

ในศตววรษต่อมาวิทยาศาสตร์ด้านไฟฟ้าเจริญรุดหน้าอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะเห็นความก้าวหน้าของวิศวกรรมไฟฟ้าอย่างมาก ดังจะเห็นได้จากปูชนียบุคคลสำคัญเฉกเช่น นิโคลา เทสลา, โทมัส อัลวา เอดิสัน, อ็อตโต บราธี, จอร์จ สตีเฟนสัน, เอินสท์ เวอเทอ ฟอน ซีเมนส์, อเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบลล์ และวิลเลียม ทอมสัน บารอนเคลวินที่ 1 ไฟฟ้าได้แปลงโฉมหน้าวิถีชีวิตของคนสมัยใหม่ มีความจำเป็นและสมควรกับการเป็นแรงขับเคลื่อนในการปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 2

ชนิดของไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการกระจายตัวของประจุ (+) ส่วนเกิน

1.ไฟฟ้าสถิต (อังกฤษ: Static electricity หรือ Electrostatics) เป็นปรากฏการณ์ที่ปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบบนผิววัสดุมีไม่เท่ากัน และไม่เคลื่อนที่ (จึงเรียกว่า สถิต) จนกระทั่งมีการถ่ายเทประจุ หรือเกิดการไหลของอิเล็กตรอน กลายเป็นไฟฟ้ากระแส ปกติจะแสดงในรูปการดึงดูดหรือการผลักกัน แต่ไม่เกิดประกายไฟ ไฟฟ้าสถิต

การเกิดประจุไฟฟ้าเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวันของผู้คน เพราะว่าเรามักมีการเคลื่อนที่และสัมผัสกับวัตถุต่างๆ เช่น พลาสติกและเส้นใยสังเคราะห์ซึ่งง่ายต่อการทำให้เกิดประจุไฟฟ้า ในยุคเริ่มต้นการค้นพบไฟฟ้าเมื่อประมาณ 60 ปีก่อนพุทธกาลนักปราชญ์ชาวกรีกชื่อ ทาลีส พบว่า เมื่อนำอำพันมาถูกับผ้าขนหนูสัตว์ มันสามารถดูดกับวัตถุที่มีน้ำหนักเบาได้ซึ่งอำนาจที่เกิดขึ้นได้ถูกเรียกว่า ไฟฟ้า (electricity) มาจาก elecktron ในภาษากรีก หมายถึง อำพัน ในยุคต่อมา เบนจามิน แฟรงคลิน (Benjamin Franklin) ทดลองโดยการใช้ว่าว ที่มีเชือกและลวดติดขึ้นไปบนฟ้าในวันที่ฝนฟ้าคะนอง ทำให้พิสูจน์ได้ว่ากระแสไฟฟ้าและฟ้าผ่ามีความสัมพันธ์กัน

เบนจามิน แฟรงคลิน

วัตถุบางชนิด เช่น พลาสติก เมื่อนำมาขัดถูกับผ้าสักหลาด แล้วสามารถดึงดูดวัตถุเบาๆ เช่น กระดาษเล็กๆ ได้ แรงดึงดูดนี้ไม่ใช่แรงดึงดูดระหว่างมวล เพราะเกิดขึ้นภายหลังจากที่นำวัตถุมาถูกันแล้ว แรงที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า แรงระหว่างประจุไฟฟ้า แรงระหว่างประจุไฟฟ้าชนิดเดียวกันจะเป็นแรงผลักและแรงระหว่างประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันจะเป็นแรงดูด

การเหนี่ยวนำประจุไฟฟ้า คือการนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าเข้าใกล้วัตถุที่เป็นกลางแล้วทำให้วัตถเป็นกลางเกิดประจุชนิดตรงข้ามที่ด้านใกล้และประจุชนิด เดียวกันที่ด้านไกลออกไปและเมื่อนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าออกห่างการกระจายตัวของประจุในวัตถุก็จะกลับมาเป็นเช่นเดิม

โครงสร้างพื้นฐานเกี่ยวกับอะตอม วัตถุชิ้นหนึ่งๆ ประกอบด้วยอะตอมจำนวนมากมาย แต่ละอะตอมประกอบด้วย นิวเคลียส ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวก เรียกว่า โปรตอน และอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า เรียกว่านิวตรอน และมีอนุภาคที่มีประจุลบ เรียกว่า อิเล็กตรอน เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส ซึ่งโดยทั่วไปแล้ววัตถุจะอยู่ในสภาพที่เป็นกลางทางไฟฟ้าคือมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน และถ้าวัตถุมีจำนวนอนุภาคทั้งสองไม่เท่ากันจะทำให้วัตถุนั้นมีประจุไฟฟ้าสุทธิไม่เป็นศูนย์ ซึ่งอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเมื่อเสียอิเล็กตรอนจะกลายเป็นอะตอมที่มีประจุบวก ในทางตรงกันข้ามอะตอมใดที่ได้รับอิเล็กตรอนเข้ามาจะกลายเป็นอะตอมที่มีประจุลบ

การเกิดฟ้าผ่ากับกระแสไฟฟ้า

เบนจามิน แฟรงคลิน ได้พิสูจน์ไว้ว่าการเกิดฟ้าผ่ามีความสัมพันธ์กับกระแสไฟฟ้า จากที่ได้เคยศึกษาเกี่ยวกับการเกิดประกายไฟซึ่งจะเกิดขึ้นอยู่ระหว่างวัตถุที่มีประจุและวัตถุที่ไม่มีประจุหรือระหว่างที่มีประจุไม่เหมือนกัน และพบว่าประกายไฟมีการกระโดดจากคนสู่วัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าได้ สายฟ้าเคลื่อนที่จากก้อนเมฆมาสู่พื้นดินซึ่งคล้ายกับว่าเกิดประกายไฟฟ้าที่ยาวมากๆ ฟ้าผ่าเป็นการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า ในการผลิตประกายไฟที่ยาวเช่นนั้นจะต้องมีความต่างศักย์ที่สูงมากระหว่างวัตถุหนึ่งกับอีกวัตถุหนึ่ง ในการเกิดฟ้าผ่านั้นความต่างศักย์เกิดขึ้นอาจถึงหนึ่งล้านโวลต์ โดยประจุไฟฟ้าจำนวนมากจะเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งในเวลาเสี้ยววินาที การเกิดฟ้าผ่ามักจะเกิดเมื่อมีการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของอากาศ ในเวลาที่มีพายุ ฝนฟ้าคะนอง ซึ่งการเกิดประจุไฟฟ้าบางทีอาจเกิดจากการขัดสีระหว่างอากาศที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว ฟ้าผ่ามีความอันตรายต่อชีวิของมุษย์ นักวิยาศาสตร์ชื่อ เบนจามิน แฟรงคลิน ได้สร้างเครื่องมือ ที่เรียกว่า “สายล่อฟ้า” ซึ่งก่อนที่เขาออกแบบมัน เขาพบว่าวัตถุที่มีปลายแหลมจะมีประจุไฟฟ้ามากและจะสูญเสียประจุเร็วกว่าแบบกลมเรียบดังนั้น สายล่อฟ้าจึงถูกทำให้เป็นวัตถุที่มีความแหลมมาก ซึ่งจะถูกติดตั้งตรงส่วนบนของบ้านโดยจะต่อสายไฟเข้ากับสายล่อฟ้าและพื้นดิน ซึ่งเมื่อเกิดฟ้าผ่ามันจะผ่าที่สายล่อฟ้าไม่ใช่บ้าน ประจุจะเดินทางจากสายไฟลงดินทำให้บ้านไม่เสียหาย

ฟ้าผ่า

สาเหตุที่ทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต

ปกติแล้ว วัสดุทำจากอะตอมจะเป็นกลางทางไฟฟ้าเพราะพวกมันมีประจุบวก (โปรตอนในนิวเคลียส) และประจุลบ (อิเล็กตรอน วงรอบนิวเคลียส) เท่ากัน ปรากฏการณ์ของไฟฟ้าสถิตจะเกิดขึ้นได้เมื่อแยกประจุบวกและลบออกจากกัน เมื่อวัตถุสองชนิดสัมผัสกัน อิเล็กตรอนอาจย้ายจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง ทำให้วัตถุหนึ่งมีประจุลบเกิน และอีกวัตถุหนึ่งมีประจุบวกเกิน (เพราะประจุลบหายไป) เกิดการไม่สมดุลของประจุขึ้นในวัตถุทั้งสองนั้น เมื่อแยกวัตถุทั้งสองออกจากกัน วัตถุที่มีประจุลบเกิน ก็ถือว่าเกิดไฟฟ้าสถิตประจุลบ วัตถุที่ประจุบวกเกิน ก็เรียกว่าเกิดไฟฟ้าสถิตประจุบวก

การกำจัดและป้องกันไฟฟ้าสถิต

การปลดปล่อยหรือการป้องกันการสะสมของประจุ อาจทำได้ง่ายๆแค่เปิดหน้าต่างหรือใช้ตัวเพิ่มความชื้นของอากาศทำให้อากาศเป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้น เครื่อง ionizers ก็สามารถจัดการได้

อุปกรณ์ที่ไวต่อการเกิดประจุไฟฟ้าเป็นอย่างยิ่ง อาจจะรับการป้องกันด้วยการประยุกต์ใช้สารป้องกันไฟฟ้าสถิตซึ่งจะเพิ่มชั้นผิวนำไฟฟ้า เพื่อให้ประจุส่วนเกินมีการกระจายออกไป น้ำยาปรับผ้านุ่มและแผ่นเป่าแห้ง ที่ใช้ในเครื่องซักผ้าและเครื่องอบผ้าเป็นตัวอย่างของตัวป้องกันไฟฟ้าสถิตที่ใช้ในการป้องกันและกำจัดการยึดเหนี่ยวของประจุ

ตัวอย่างถุงใส่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีสารป้องกันไฟฟ้าสถิตเคลือบอยู่ ก่อนเปิดถุงต้องเอาตัวถุงสัมผัสกับกราวด์ก่อนเพื่อความปลอดภัยของอุปกรณ์ภายในถุง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากมีความไวต่อการเกิดประจุไฟฟ้า ถุงตัวนำป้องกันไฟฟ้าสถิต มักใช้ห่ออุปกรณ์เพื่อปกป้องอุปกรณ์ดังกล่าวในขณะขนส่ง คนที่ทำงานกับวงจรที่มีอุปกรณ์เหล่านี้มักจะสายรัดข้อมือและต่อสายลงกราวด์ป้องกันไฟฟ้าสถิตทำลายอุปกรณ์นั้น

สายรัดข้อมือที่มีปลายด้านหนึ่งไว้หนีบกับกราวด์เพื่อระบายไฟฟ้าสถิตออกจากร่างกายก่อนทำงานกับอุปกรณ์ที่ไวต่อไฟฟ้าสถิต

ในโรงงานอุตสาหกรรมเช่นโรงสีหรือแป้งหรือในโรงพยาบาล, รองเท้าความปลอดภัยป้องกันไฟฟ้าสถิตบางครั้งถูกนำมาใช้เพื่อป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าเนื่องจากจะสัมผัสกับพื้น รองเท้าเหล่านี้มีพื้นรองเท้าที่มีการนำไฟฟ้าดี รองเท้าป้องกันไฟฟ้าสถิตไม่ควรจะสับสนกับรองเท้าฉนวนซึ่งจะให้ผลตรงกันข้าม เพราะรองเท้าฉนวนใช้ป้องกันไฟฟ้าช็อตอย่างรุนแรงจากกระแสไฟฟ้า
การนำไปใช้ประโยชน์

• ใช้ในเครื่องถ่ายเอกสาร
• ใช้ในการพ่นสี
• ใช้ในเครื่องพิมพ์ Inkjet
  
  
  

2.กระแสไฟฟ้าหรือไฟฟ้ากระแส คือ คือการไหลของประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าไหลเมื่อมีแรงดันเกิดขึ้นในสารตัวนำ

ในวงจรไฟฟ้า ประจุไฟฟ้านี้จะถูกนำพาไปโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็คตรอนในเส้นลวด หรืออาจถูกนำพาไปด้วยไอออนในสารอิเล็คโทรไลท์ หรือทั้งไอออนและอิเล็คตรอนในสารพลาสมา

กระแสไฟฟ้ามีหน่วยวัดเป็นแอมแปร์ ซึ่งเป็นจำนวนของประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านจุดใดจุดหนึ่งต่อวินาที กระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยใช้แอมป์มิเตอร์

กระแสไฟฟ้าก่อให้เกิดผลหลายอย่าง เช่นความร้อน และยังก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กอีกด้วย ซึ่งถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในมอเตอร์เหนี่ยวนำ, และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ตัวอย่างของกระแสไฟฟ้า ได้แก่ ปรากฏการณ์ฟ้าผ่า, ลมสุริยะ (ทำให้เกิดแสงเหนือ-แสงใต้) ในวิชาอิเล็กทรอนิกส์นั้น กระแสไฟฟ้าหมายถึงการไหลของอิเล็กตรอนผ่านตัวนำและอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ตัวต้านทาน และยังหมายถึงการไหลของไอออนในแบตเตอรี่ และการไหลของโฮลภายในสารกึ่งตัวนำด้วย

ความเข้าใจโดยทั่วไป

ทิศทางการไหลโดยทั่วไปให้คิดจาก + ไปหา - ตามเส้นสีแดง

การไหลของประจุบวกจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหมือนกันและมีผลเช่นเดียวกันกับกระแสที่เกิดจากประจุลบที่ไหลในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากกระแสไฟฟ้าอาจเกิดจากการไหลของประจุบวกหรือประจุลบ หรือทั้งสองอย่าง ความเข้าใจในทิศทางการไหลของกระแสจึงขึ้นอยู่ว่าประจุชนิดไหนที่ทำให้เกิดกระแส ทิศทางของกระแสด้วยความเข้าใจทั่วไปถูกกำหนดให้เป็นทิศทางของการไหลของประจุบวก

ในโลหะที่ใช้ทำสายไฟหรือตัวนำอื่น ๆ ประจุบวกเคลื่อนที่ไม่ได้ ตัวที่เคลื่อนที่ได้คืออิเล็กตรอน ดังนั้น การเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนในตัวนำโลหะที่อยู่ในทิศทางที่ตรงข้ามกับกระแสไฟฟ้าตามความเข้าใจโดยทั่วไป กระแสไฟฟ้าหรือไฟฟ้ากระแสคือการไหลของปัจจุไฟฟ้า

กฎของโอห์ม

ภาพแสดงวงจรโดยทั่วไป แสดงความสัมพันธ์ของ ความต่างศ้กย์ (V) กระแส (I) และความต้านทาน (R) นั่นคือ I=V/R ตามรูป แหล่งผลิตไฟฟ้าเป็นรูปวงกลม กระแสและค่าความต่างศักย์เป็นภาษาอังกฤษตัวเล็ก มักจะหมายถึง วงจร AC ถ้าเป็นวงจร DC แหล่งผลิตไฟฟ้าเป็นรูปแบตเตอรี และตัวอักษรเป็นตัวพิมพ์ใหญ่

กฏของโอห์มกล่าวว่า กระแสที่ไหลผ่านตัวนำระหว่างจุดสองจุดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความต่างศักย์ระหว่างสองจุดนั้น นั่นคือ ความต่างศักย์มาก กระแสก็มากด้วย แต่เป็นสัดส่วนผกผันกับค่าความต้านทานระหว่างจุดสองจุดนั้น นั่นคือ ความต้านทานมาก กระแสยิ่งน้อย

$I={\frac {V}{R}}$

เมื่อ I เป็นกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์, V คือค่าความต่างศักย์มีหน่วยของโวลต์และ R คือความต้านทานของตัวนำมีหน่วยของโอห์ม

DC และ AC

กระแสแบ่งออกเป็นกระแสตรง (Direct Current) และกระแสสลับ (Alternating Current)

กระแสตรง

แสดงความแตกต่างของกระแสตรงกับกระแสสลับ โดยให้แนวตั้งเป็นปริมาณกระแส แนวนอนเป็นเวลา ถ้าเป็นกระแสตรง เมื่อเวลาผ่านไป กระแสไม่เปลี่ยนทิศ แต่กระแสสลับ บางครั้งก็เป็นบวก บางครั้งก็เป็นลบ แสดงว่ากระแสเปลี่ยนทิศทาง

กระแสตรง (DC) คือการไหลทิศทางเดียวของประจุไฟฟ้า กระแสตรงเกิดจากแหล่งที่มาเช่นแบตเตอรี่, เทอร์โมคัปเปิล, เซลล์แสงอาทิตย์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงอื่นๆ กระแสตรงอาจไหลในตัวนำเช่นลวด แต่ยังสามารถไหลผ่านเซมิคอนดักเตอร์, ฉนวนหรือแม้กระทั่งผ่านสุญญากาศเช่นในลำแสงไอออน ประจุไฟฟ้าไหลในทิศทางที่คงที่แตกต่างไปจากกระแสสลับ (AC) กระแสตรงแทบไม่มีอันตราย ส่วนใหญ่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็คโทรนิคส์ขนาดเล็ก ใช้กระแสต่ำ สามารถผลิตได้จากการนำกระแสสลับมาเปลี่ยนเป็นกระแสตรง เช่นที่ชาร์จโทรศัพท์มือถือ

กระแสสลับ

ในกระแสสลับ (AC หรือ ac), เป็นกระแสไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้ากลับไป-กลับมาอย่างรวดเร็ว เช่นไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านหรืออาคารทั่วไป รูปร่างเป็น sine wave ในบางอย่างอาจเป็นรูปสามเหลี่ยมหรือรูปสี่เหลี่ยม ส่วนใหญ่มีกระแสสูง อันตรายมาก สามารถผลิตจากไฟ DC ได้ แต่ในขนาดเล็ก เช่นเปลี่ยนจากไฟเซลล์แสงอาทิตย์มาเป็น AC เพื่อให้แสงสว่างหรือเปิดทีวีในพื้นที่ห่างไกล

แม่เหล็กไฟฟ้า

ตามกฎหมายของแอมแปร์, กระแสไฟฟ้าสามารถผลิตสนามแม่เหล็กได้ เมื่อมีกระแสไหลในเส้นลวด จะเกิดสนามแม่เหล็กที่แสดงให้เห็นเป็นรูปวงกลมรอบเส้นลวด

ตามรูป กระแสไฟฟ้าสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้ ในทางกลับกัน ถ้าสนามแม่เหล็กถูกรบกวน ก็สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าบนเส้นลวดได้เช่นเดียวกัน

กระแสไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยตรงด้วยกัลวาโนมิเตอร์ แต่จะต้องตัดวงจรแล้วแทรกมิเตอร์เข้าไปเป็นส่วนหนึ่งของวงจร ซึ่งไม่สะดวกในการปฏิบัติ ปัจจุบันสามารถวัดได้โดยไม่ต้องตัดวงจรโดยการตรวจสอบสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์ที่ใช้สำหรับการนี้รวมถึงเซ็นเซอร์แบบฮอลล์เอฟเฟค หรือใช้ที่หนีบ (current clamp) หรือใช้หม้อแปลงกระแส หรือใช้ขดลวดของ Rogowski

นิยามของกระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าคือ ปริมาณประจุไฟฟ้าที่เลื่อนไหลในวงจรไฟฟ้าต่อหน่วยวินาที เรียกว่า ปริมาณกระแสไฟฟ้าไหล แอมแปร์ คือประจุไฟฟ้า 1 คูลอมบ์ เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่หน้าตัดของขดลวดในเวลา 1 วินาที และหน่วยของกระแสไฟฟ้าเป็นแอมแปร์ เพื่อให้เป็นเกียรติแก่ อองเดร เอ็ม.แอมแปร์ (Andre Marie Ampere) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส

ความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้า กับประจุไฟฟ้า

สัญลักษณ์ที่ใช้แทนปริมาณกระแสไฟฟ้า (ปริมาณประจุไฟฟ้า Q ที่ไหลต่อหน่วยเวลา T) คือ I ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางใดๆ (เช่น ภาคตัดขวางในลวดทองแดง) นิยามจาก ปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านพื้นที่ผิวในหน่วยเวลา

$I={Q \over T}$

โดยที่$Q$เป็นปริมาณประจุที่ผ่านพื้นที่ผิวหนึ่งในช่วงเวลา$T$ในสมการข้างบนเป็นค่ากระแสไฟฟ้าเฉลี่ย$I$ถ้าเวลา$T$เข้าใกล้ศูนย์ สามารถเขียนความสัมพันธ์อีกแบบในรูปกระแสไฟฟ้าขณะใดขณะหนึ่ง (instantaneous current)

$i(t)={dq(t) \over dt}$ หรือผันกลับได้ $q(t)=\int _{-\infty }^{t}i(x)\,dx$

หน่วยของกระแสไฟฟ้าในระบบ SI คือ แอมแปร์ (ampere, A)

ดูเพิ่ม

• Current 3-vector
• Direct current
• Electric shock
• Electrical measurements
• History of electrical engineering
• Hydraulic analogy
• SI electromagnetism units
  

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันไอน้ำที่ทันสมัยของสหรัฐฯ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า(อังกฤษ: Electric generator) คืออุปกรณ์ที่แปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า อุปกรณ์ดังกล่าวจะบังคับกระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านวงจรภายนอก แหล่งที่มาของพลังงานกลอาจจะเป็นลูกสูบหรือเครื่องยนต์กังหันไอน้ำ หรือแรงน้ำตกผ่านกังหันน้ำหรือล้อน้ำ หรือเครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือกังหันลม หรือข้อเหวี่ยงมือ หรืออากาศอัด หรือแหล่งพลังงานกลอื่นๆ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะจ่ายพลังงานไฟฟ้าเกือบทั้งหมดให้กับกริดพลังงานไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าของ Ganz รุ่นแรกๆใน Zwevegem, West Flanders, Belgium

การแปลงย้อนกลับของพลังงานไฟฟ้ากลับไปเป็นพลังงานกลจะกระทำโดยมอเตอร์ไฟฟ้า มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความคล้ายคลึงกันมาก มอเตอร์หลายตัวสามารถขับเคลื่อนเครื่องจักรเพื่อผลิตไฟฟ้าและบ่อยครั้งที่ได้รับการยอมรับให้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

alternator ในช่วงต้นของศตวรรษที่ 20 ในห้องโถงของสถานีผลิตไฟฟ้ากำลังน้ำ ทำในบูดาเปสท์ประเทศฮังการี

ประวัติ

ก่อนที่จะมีการค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กกับไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตถูกนำมาใช้ อุปกรณ์ดังกล่าวทำงานบนหลักการของไฟฟ้าสถิต มันจะผลิตไฟฟ้าแรงดันสูงมากแต่กระแสต่ำ มันทำงานโดยใช้การเคลื่อนย้ายเข็มขัด, จานหรือแผ่นดิสก์ที่ถูกชาร์จด้วยประจุไฟฟ้า ที่จะขนส่งประจุไฟฟ้าไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีศักย์สูง ประจุไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้สองกลไกอย่างใดอย่างหนึ่งดังนี้ :

1. เหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต
2. triboelectric effect ที่หน้าสัมผัสระหว่างสองฉนวนจะถูกชาร์จ

เนื่องจากการขาดประสิทธิภาพและความยากลำบากของเครื่องที่เป็นฉนวนที่ผลิตแรงดันไฟฟ้าที่ สูงมากของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต ทำให้มันมีระดับเรทติ้งของพลังงานที่ต่ำและไม่เคยถูกนำมาใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าในปริมาณที่มีนัยสำคัญในเชิงพาณิชย์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Wimshurst และ แวนเดอ Graaff เป็นตัวอย่างของเครื่องเหล่านี้ที่ยังมีชีวิตอยู่

ใน ปี 1827 Anyos Jedlik ชาวฮังการีเริ่มทดลองกับอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าหมุน ซึ่งเขาเรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้าใบพัดหมุนเอง, ตอนนี้เรียกว่าไดนาโมของ Jedlik ในเครื่องต้นแบบของตัวสตาร์ตเตอร์เสาไฟฟ้าเดียว(เสร็จระหว่างปี 1852 ถึงปี 1854 )ทั้งชิ้นส่วนอยู่กับที่และชิ้นส่วนหมุนเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า เขาคิดสูตรที่เป็นแนวคิดของไดนาโมไว้ไม่น้อยกว่า 6 ปีก่อนซีเมนส์และ Wheatstone แต่ไม่ได้จดสิทธิบัตรเพราะเขาคิดว่าเขาไม่ได้เป็นคนแรกที่รับรู้ถึงเรื่องนี้ ในสาระสำคัญ แนวคิดคือแทนที่จะใช้แม่เหล็กถาวร สองแม่เหล็กไฟฟ้าวางตรงข้ามกันเหนี่ยวนำทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบโรเตอร์ มันยังเป็นการค้นพบหลักการของการกระตุ้นตัวเองอีกด้วย

จานฟาราเดย์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องแรก แม่เหล็กรูปเกือกม้า (A) สร้างสนามแม่เหล็กผ่านจาน (D) เมื่อจานถูกหมุน จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเป็นรัศมีของวงกลมออกจากศูนย์กลางไปที่ขอบจาน กระแสจะไหลออกมาผ่านสปริงหน้าสัมผัสที่ที่เลื่อนได้ m ผ่านวงจรภายนอกและกลับเข้ามาที่ศูนย์กลางของจานผ่านแกนกลาง

ในปี 1831-1832, ไมเคิล ฟาราเดย์ ค้นพบหลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากแม่เหล็กไฟฟ้า หลักการที่ต่อมาเรียกว่า กฎของฟาราเดย์ นั่นคือแรงเหนี่ยวนำไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นในตัวนำ ไฟฟ้าที่ล้อมรอบสนามแม่เหล็กที่กำลังแปรเปลี่ยนไป นอกจากนี้เขายังสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเครื่องแรก เรียกว่าจานฟาราเดย์ ซึ่งเป็นประเภทหนึ่งของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ homopolar โดยใช้แผ่นจานทองแดงหมุนระหว่างขั้วของแม่เหล็กเกือกม้า มันผลิตแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่มีขนาดเล็ก

การออกแบบแบบนี้ไม่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากมีกระแสหักล้างกันเองในพื้นที่ที่ไม่ได้อยู่ภายใต้ อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก ในขณะที่กระแสถูกชักนำโดยตรงภายใต้แม่เหล็ก, กระแสจะไหลเวียนกลับทางในพื้นที่ที่อยู่นอกอิทธิพลของสนามแม่เหล็ก การไหลกลับทางนี้จำกัดการส่งออกของพลังงานไปยังสายไฟที่จ่ายโหลดและเหนี่ยวนำความร้อนสูญเปล่าขึนบนแผ่นจานทองแดง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ homopolar ต่อมาจะแก้ปัญหานี้ โดยใช้อาร์เรย์ของแม่เหล็กจัดวางเรียงตัวรอบๆแผ่นจานเพื่อรักษาระดับสนามแม่เหล็กให้คงที่ในทิศทางการไหลของกระแสเพียงทางเดียว

ข้อเสียอีกอย่างก็คือ แรงดันที่ออกมาต่ำมาก เนื่องจากมีเส้นทางของกระแสเพียงทางเดียวผ่านสนามแม่เหล็ก ผู้ทำการทดลองพบว่าการใช้ขดลวดหลายๆรอบจะสามารถผลิตแรงดันได้สูงขึ้น และมีประโยชน์มากขึ้น เนื่องจากแรงดันออกเป็นสัดส่วนกับจำนวนรอบ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า สามารถออกแบบได้อย่างง่ายดายในการผลิตแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการโดยการปรับจำนวนรอบ การพันรอบสายไฟจึงกลายเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของการออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมดที่ตามมา

ไดนาโมจะไม่ถูกนำมาใช้ในการผลิตไฟฟ้ากระแสตรงอีกต่อไป เนื่องจากขนาดและความซับซ้อนของตัวเปลี่ยนทิศทางกระแส(อังกฤษ: commutator)ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานพลังงานสูง ไดนาโมกระแสสูงขับเคลื่อนด้วยสายพานมีขนาดใหญ่ ผลิตกระแส 310 แอมแปร์ ที่ 7 โวลต์หรือ 2,170 วัตต์เมื่อหมุนที่ 1,400 รอบต่อนาที

ไดนาโมเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องแรกที่มีความสามารถในการส่งมอบพลังงานสำหรับอุตสาหกรรม มันใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อแปลงการหมุนทางเครื่องกลเป็นกระแสตรง ผ่านการใช้ตัวเปลี่ยนทิศทางกระแส ไดนาโมตัวแรกถูกสร้างขึ้นโดย Hippolyte Pixii ในปี ค.ศ. 1832

เครื่องไดนาโมประกอบด้วยโครงสร้างติดอยู่กับที่ซึ่งมีสนามแม่เหล็กคงที่และชุดของเส้นลวดหมุนที่หมุนอยูในสนามแม่เหล็กนั้น ในไดนาโมขนาดเล็ก สนามแม่เหล็กคงที่อาจจะถูกจัดให้โดย แม่เหล็กถาวรหนึ่งชุดหรือมากกว่า สำหรับไดนาโมขนาดใหญ่มีสนามแม่เหล็กคงที่จัดให้โดย แม่เหล็กไฟฟ้าหนึ่งชุดหรือมากกว่า ซึ่งมักจะถูกเรียกว่าขดลวดสนาม

โดยผ่านการค้นพบโดยบังเอิญหลายๆครั้งอย่างต่อเนื่อง, ไดนาโมกลายเป็นแหล่งที่มาของสิ่งประดิษฐ์จำนวนมากต่อมา รวมทั้งมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง, เครื่องกำเหนิดไฟฟ้ากระแสสลับ, มอเตอร์ AC ซิงโครนัส และตัวแปลงไฟฟ้าแบบหมุน(อังกฤษ: rotary converter)

ระบบการผลิตไฟฟ้ากระแสสลับเป็นที่รู้จักกันในรูปแบบที่เรียบง่ายจากการค้นพบของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กเนื่องจากกระแสไฟฟ้า เครื่องรุ่นแรกๆถูกพัฒนาขึ้นโดยผู้บุกเบิกเช่นไมเคิล ฟาราเดย์ และ Hippolyte Pixii

ฟาราเดย์ได้พัฒนา "สี่เหลี่ยมผืนผ้าหมุน" ซึ่งมีการทำงานเป็น heteropolar นั่นคือแต่ละตัวนำที่แอคทีฟเคลื่อนผ่านอย่างต่อเนื่องในบริเวณที่สนามแม่เหล็กจะอยู่ในทิศทางตรงข้าม การสาธิตสาธารณะเป็นครั้งแรกของ"ระบบเครื่องผลิตไฟฟ้ากระแสสลับ"ที่มีความแข็งแกร่งระบบหนึ่งเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1886 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับสองเฟสขนาดใหญ่ถูกสร้างขึ้นโดยช่างชาวอังกฤษ JEH กอร์ดอน ในปี ค.ศ. 1882 ลอร์ดเคลวิน และ เซบาสเตียน Ferranti ยังพัฒนา alternators รุ่นแรกๆ ผลิตความถี่ระหว่าง 100 และ 300 Hz. ใน ปี ค.ศ. 1891, Nikola Tesla ได้สิทธิบัตรเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ "ความถี่สูง"ในทางปฏิบัติ (ซึ่งทำงานที่ประมาณ 15 กิโลเฮิร์ทซ์) หลังจากปี 1891 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลายเฟสถูกนำไป ใช้จ่ายกระแสของหลายเฟสที่แตกต่างกัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวต่อมาได้รับการออกแบบให้สามารถจ่ายกระแสสลับที่ความถี่เปลี่ยนแปลงได้ระหว่าง สิบหกถึงประมาณหนึ่งร้อยเฮิรตซ์ สำหรับใช้กับ แสงสว่างแบบอาร์ก, หลอดไฟจุดใส้และมอเตอร์ไฟฟ้า

ไดนาโมผลิตกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ตอนนี้ไม่ค่อยมีให้เห็น เนื่องจากขณะนี้การใช้งานเกือบเป็นสากลคือใช้กระแสสลับส ก่อนที่จะมีการนำไฟ AC มาใช้ ไดนาโมไฟกระแสตรงที่มีขนาดใหญ่มากเป็นวิธีการเดียวในการผลิตและการจำหน่ายกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า AC ได้เข้ามาครองตลาดเนื่องจากความสามารถของมันที่จะเปลี่ยนให้ได้แรงดันที่ต่ำลงหรือสูงขึ้นได้อย่างง่ายดาย เพื่อลดการสูญเสียพลังงานตามระยะทางที่ไกลมากๆ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า

ไดนาโม

บทความหลัก: ไดนาโม

"เครื่องไฟฟ้าไดนาโม" (มุมมองส่วนท้าย, บางส่วนเนื้อหา, สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 284,110) ปี 1883

ไดนาโมเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้ากระแสตรงด้วยการใช้คอมมิวเตเตอร์ ไดนาโมเป็นตัวให้กำเนิดไฟฟ้าเครื่องแรกที่สามารถส่งมอบพลังงานสำหรับอุตสาหกรรม และเป็นรากฐานให้หลายๆอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าต่อมา รวมทั้งมอเตอร์ไฟฟ้า, เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและต้วแปลงหมุน วันนี้เครื่องกำเนิดกระแสสลับที่เรียบง่ายครองตลาดการผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ ให้ประสิทธิภาพที่ดี เชื่อถือได้และค่าใช้จ่ายสมเหตุสมผล ไดนาโมมีข้อเสียอยู่ที่กลไกของคอมมิวเตเตอร์ นอกจากนี้ การแปลงกระแสสลับให้เป็นกระแสตรงโดยการใช้ตัวเรียงกระแสกำลัง(หลอดสุญญากาศหรืออุปกรณ์โซลิดสเตทล่าสุด) มีประสิทธิภาพและมักจะประหยัดทางเศรษฐกิจ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

บทความหลัก: Alternator

โดยไม่ต้องใช้คอมมิวเตเตอร์, ไดนาโมกลายเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสซิงเกิลฟีด alternators ผลิตกระแสสลับด้วยความถี่หนึ่งที่จะขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุนของโรเตอร์และจำนวนขั้วแม่เหล็ก

alternators ในรถยนต์ผลิตความถี่ที่แตกต่างกัน เปลี่ยนแปลงไปตามความเร็วรอบของเครื่องยนต์ แล้วจะถูกแปลงเป็น DC โดยตัวเรียงกระแส alternators ที่ป้อนให้กับเพาเวอร์กริดไฟฟ้าจะทำงานโดยทั่วไปที่ความเร็วที่ใกล้เคียงกับความถี่หนึ่งที่เฉพาะเจาะจงเพื่อประโยชน์ของ อุปกรณ์ AC ที่ควบคุมความเร็วและประสิทธิภาพการทำงานบนความถี่ของกริด อุปกรณ์บางอย่างเช่นหลอดไส้และหลอดเรืองแสงที่ทำงานด้วยบัลลาสต์ไม่จำเป็นต้องมีความถี่คงที่ แต่มอเตอร์แบบซิงโครนัส เช่นในนาฬิกาไฟฟ้าแขวนผนังจำเป็นต้องใช้ความถี่กริดคงที่

เมื่อต่อเข้ากับกริดไฟฟ้าขนาดใหญ่กว่าที่มี alternators อื่นๆ, alternator จะทำปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกกับความถี่ที่มีอยู่แล้วในกริด และจะต้องทำงานที่ความเร็วที่เข้ากันได้กับความถี่กริด ถ้าไม่มีพลังงานขับใส่เข้าไป alternator จะยังคงหมุนต่อไปที่ความเร็วคงที่อยู่ดี แต่จะถูกขับเหมือนกับว่าเป็นมอเตอร์ซิงโครนัสตัวหนึ่งตามความถี่กริด ปกติแล้ว มันจำเป็นสำหรับ alternator ที่จะ ถูกเร่งความเร็วให้ได้ถึงความเร็วและการจัดตำแหน่งเฟสที่ถูกต้องก่อนที่จะเชื่อมต่อเข้ากับกริด เพราะการที่มีความถี่ไม่ตรงกันจะทำให้ alternator ทำงานเป็นมอเตอร์ซิงโครนัส และจะ กระโดดทันทีทันใดไปที่การจัดตำแหน่งเฟสที่ถูกต้องเนื่องจากมันดูดซับกระแสไหลเข้าฉับพลันอย่างมากจากกริด ซึ่งอาจเกิดความเสียหายกับโรเตอร์และอุปกรณ์อื่น ๆ

alternators ทั่วไปใช้ขดลวดสนามโรเตอร์ที่ถูกกระตุ้นด้วยกระแสตรง และขดลวดอยู่กับที่ (สเตเตอร์)เพื่อผลิตกระแสสลับ เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่โรเตอร์ต้องการเป็นเพียงส่วนเล็กๆของพลังงานที่ถูกสร้างขึ้นโดยเครื่อง, แปรงถ่านสำหรับต่อกับสนามจะสามารถมีขนาดค่อนข้างเล็กได้ ในกรณีที่ตัวกระตุ้นไม่ได้ใช้แปรงถ่าน แกนโรเตอร์จะมีตัวเรียงกระแสเกาะอยู่เพื่อกระตุ้นขดลวดสนามหลัก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ

บทความหลัก: Induction generator

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสสลับประเภทหนึ่งที่ใช้หลักการของมอเตอร์เหนี่ยวนำในการผลิตพลังงาน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำทำงานโดยการหมุนโรเตอร์ด้วยแรงกลให้เร็วกว่าความเร็วซิงโครนัส ทำให้เกิด slip ในเชิงลบ มอเตอร์ AC อะซิงโครนัสโดยทั่วไปมักจะสามารถถูกใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวหนึ่งได้โดยไม่มีการแก้ไขใดๆภายใน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำมีประโยชน์ในการใช้งาน เช่นโรงงานไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็ก, กังหันลมหรือในการลดกระแสก๊าซแรงดันสูงให้มีแรงดันต่ำลง เพราะมันสามารถกู้คืนพลังงานด้วยการควบคุมที่ค่อนข้างง่าย

ในการใชังานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ มันจะต้องถูกกระตุ้นด้วย leading voltage สิ่งนี้ มักจะทำโดยการเชื่อมต่อกับกริดไฟฟ้า หรือบางครั้งพวกมันจะถูกกระตุ้นได้ด้วยตัวเองโดยใช้ตัวเก็บประจุแก้ไขเฟส

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ MHD

บทความหลัก: MHD generator

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ magnetohydrodynamic สกัดพลังงานไฟฟ้าโดยตรงจากก๊าซร้อนที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กโดยไม่ต้องใช้การหมุนของเครื่องจักรกลแม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ MHD มีการพัฒนามาแต่เดิมเพราะเอาต์พุตของ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า MHD พลาสม่าเป็นเปลวไฟ ดีพอที่จะให้ความร้อนแก่หม้อไอน้ำของโรงไฟฟ้าไอน้ำ การออกแบบในทางปฏิบัติ ครั้งแรกคือ Avco Mk 25 ได้รับการพัฒนาในปี ค.ศ. 1965 รัฐบาลสหรัฐ ได้ให้ทุนสนับสนุน การพัฒนาที่สำคัญ สูงสุดในโรงงานสาธิตขนาด 25 MW ในปี ค.ศ. 1987 ในสหภาพโซเวียต จากปี 1972 จนถึงปลายปี 1980s โรงงาน MHD U25 อยู่ในการดำเนินงานเชิงพาณิชย์ ปกติในระบบไฟฟ้ามอสโกด้วยกำลังการผลิต 25 เมกะวัตต์ โรงงาน MHD ที่มีกำลังการผลิตที่ใหญ่ที่สุดในโลกในเวลานั้น. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ MHD ที่ดำเนินการเป็น topping cycle ในปัจจุบัน(ปี 2007) มีประสิทธิภาพน้อยกว่ากังหันก๊าซความร้อนร่วม

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนอื่นๆ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดอื่นๆเช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสหรือแบบเหนี่ยวนำซิงเกิลฟีด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบดับเบิลฟีด หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพันโรเตอร์ไม่ใช้แปรงถ่านดับเบิลฟีดเหล่านี้ไม่รวมแม่เหล็กถาวรหรือขดลวดสนามแม่เหล็กที่ใช้สร้างสนามแม่เหล็กคง และ เป็นผลให้เห็นความสำเร็จในการปรับความเร็วในการใช้งานความถี่คงที่ เช่นกังหันลมหรือเทคโนโลยีพลังงานทดแทนอื่นๆ

ประสิทธิภาพการทำงานที่ส่งออกเต็มรูปแบบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าใดๆ สามารถถูกปรับให้เหมาะสมกับการควบคุมทางอิเล็กทรอนิกส์ แต่เครื่องกำเนิดแบบดับเบิลฟีดหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพันโรเตอร์ไม่ใช้แปรงถ่านเท่านั้นจะรวมการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์กับเพาเวอร์เรทติ้งที่มีน้อยกว่าเพาเวอร์เอาต์พุตของตัวกำเนิดที่อยู่ภายใต้การควบคุม คุณสมบัติซึ่งโดยตัวของมันเอง จะเสนอค่าใช้จ่าย, ความน่าเชื่อถือและผลประโยชน์ที่มีประสิทธิภาพ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ Homopolar

บทความหลัก: Homopolar Generator

จานฟาราเดย์ เครื่องกำเนิดแบบ homopolar เครื่องแรก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ homopolar เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่ประกอบไปด้วยแผ่น ตัวนำไฟฟ้าหรือกระบอกหมุนในระนาบที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอติดอยู่กับที่ ความต่างศักย์จะถูกสร้างขึ้นระหว่างศูนย์กลางของแผ่นดิสก์และขอบ(หรือปลายของกระบอก) ขั้วไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับทิศทางการหมุนและการวางตัวของสนามแม่เหล็ก มันยังเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ unipolar, เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ acyclic, ดิสก์ไดนาโม หรือฟาราเดย์ดิสก์ แรงดันไฟฟ้าโดยทั่วไปจะต่ำ เพียงไม่กี่โวลต์ในกรณีของรุ่นสาธิตขนาดเล็ก แต่เครื่องกำเนิดเพื่อ การวิจัยขนาดใหญ่สามารถผลิตหลายร้อยโวลต์ และบางระบบมีหลายเครื่องกำเนิดต่อกันเป็นแถว เพื่อผลิตแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ พวกมันมีความผิดปกติ ในการที่พวกมันสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าสูงอย่างมาก บางเครื่องมากกว่าหนึ่งล้านแอมแปร์ เพราะเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ homopolar สามารถถูกทำให้มีความต้านทานภายในที่ต่ำมาก

การกระตุ้น

alternator ขนาดเล็กในช่วงต้นของปี 1900s ขนาด 75 kVA ขับเคลื่อนโดยตรง ติดตั้งที่สถานีผลิตไฟฟ้ากระแสสลับ กับเครื่องกระตุ้นขับเคลื่อนด้วยสายพานแยกส่วน

บทความหลัก: Excitation (magnetic)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้ขดลวดสนามแม่เหล็กแทนที่จะใช้แม่เหล็กถาวรต้องการกระแสไหลในขดลวดสนามเพื่อให้อุปกรณ์สามารถทำงานได้ ถ้าขดลวดสนามไม่ได้ถูกใส่พลังขับเคลื่อน โรเตอร์ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถหมุนได้โดยไม่ได้ผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ สามารถใช้งานได้ ในขณะที่ใบพัดของมอเตอร์อาจจะไม่หมุนเลย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่บางครั้งกระตุ้นตัวเองได้ ซึ่งหมายความว่าขดลวดสนามถูกใส่กำลังจากกระแสที่ผลิตโดยตัวเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเอง ขดลวดสนามจะถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือแบบ ขนานกับขดลวดของอาเมเจอร์ เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเริ่มจะทำงานในตอนแรก อำนาจแม่เหล็กขนาดเล็กที่ยังค้างอยู่ในแกนเหล็กจะให้สนามแม่เหล็กเพื่อสตาร์ทเครื่อง ทำให้เกิดกระแสขนาดเล็กในอาเมเจอร์ กระแสนี้จะไหลผ่านขดลวดสนาม, ไปสร้างสนามแม่เหล็กที่มีขนาดใหญ่ ซึ่งจะสร้างกระแสขนาดใหญ่กว่าในอาเมเจอร์ กระบวนการ"bootstrap"นี้ดำเนินต่อไปจนกว่าสนามแม่เหล็กในแกนกลางมีระดับมากพอจนอิ่มตัว และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าสู่สภาวะมั่นคงในการจ่ายพลังงานออกไป

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในสถานีไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่มากมักจะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่แยกต่างหากเพื่อกระตุ้นขดลวดสนามของตัวที่ใหญ่กว่า ในกรณีที่ไฟฟ้าดับอย่างรวดเร็วรุนแรงเป็นบริเวณกว้างและสถานีพลังงานอยู่ในบริเวณที่ไฟดับ สถานีทั้งหลายอาจต้องสตาร์ทแบบ black start เพื่อกระตุ้นสนามแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวที่ใหญ่ที่สุด เพื่อเรียกคืนพลังงานให้ลูกค้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต

บทความหลัก: electrostatic generator

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แวนเดอ Graaff สำหรับ การสาธิตในห้องเรียน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตหรือเครื่องไฟฟ้าสถิต เป็นอุปกรณ์เครื่องจักรกลที่ผลิตกระแสไฟฟ้าที่อยู่กับที่หรือไฟฟ้าที่แรงดันสูงและกระแสต่อเนื่องต่ำ ความรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย้อนหลังกลับไปที่ อารยธรรมเก่าแก่ที่สุดแต่สำหรับเมื่อพันปีก่อน มันก็ยังคงเป็นเพียงปรากฏการณ์ที่น่าสนใจและ ลึกลับโดยไม่มีทฤษฎีที่จะอธิบายพฤติกรรมของมันและมักจะสับสนกับแม่เหล็ก ในตอนท้ายของ ศตวรรษที่ 17 นักวิจัยมากมายได้พัฒนาวิธีการทางปฏิบัติของการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยแรงเสียดทาน แต่การพัฒนาของเครื่องไฟฟ้าสถิตไม่ได้เริ่มต้นอย่างจริงจังจนกระทั่งศตวรรษที่ 18 เมื่อ พวกมันกลายเป็นเครื่องมือพื้นฐานในการศึกษาเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ใหม่ของไฟฟ้า เครื่องกำเนิด ไฟฟ้าสถิตทำงานโดยใช้มือ(หรือกำลังอื่นๆ) ที่จะเปลี่ยนงานเชิงกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า เคี่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตพัฒนาประจุไฟฟ้าสถิตของสัญลักษณ์ตรงข้ามให้กลายเป็นสองตัวนำไฟฟ้า โดยใช้กำลังไฟฟ้าเท่านั้นและงานโดยการใช้แผ่นเคลื่อนที่, กลองหรือสายพานขนประจุไฟฟ้าไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีศักย์ไฟฟ้าสูง ประจุจะถูกสร้างจากหนึ่งในสองวิธีคือผลของ triboelectric (แรงเสียดทาน)หรือการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต

สมมติว่าเงื่อนไขเป็นไปตามในรูป ด้วยเซกเมนท์ A1เป็นบวกและเซกเมนท์ B1 เป็นลบ ขณะนี้ เมื่อ A1 เคลื่อนไปทางซ้ายและ B1 ไปทางขวา, ศักยภาพทางไฟฟ้าของพวกมันจะเพิ่มขึ้นเนื่องมาจากงานที่ทำในการแยกพวกมันออกจากแรงดึงดูด เมื่อ A1 และเซกเตอร์ใกล้เคียงมาตรงข้ามกับเซกเมนท์ B2 ของแผ่น B ซึ่งตอนนี้ต่ออยู่กับแปรง Y พวกมันจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าไปตามตัวนำระหว่าง Y และ Y1 นำประจุลบมาจำนวนหนึ่ง มีขนาดใหญ่กว่าประจุบวกใน A1 อย่างเดียว บน Y และส่งประจุบวกไปยังเซกเมนท์ที่แตะอยู่กับ Y1 เมื่อ A1 เคลื่อนที่ไป มันผ่านใกล้แปรง Z และบางส่วนมีการปล่อยประจุให้กับวงจรภายนอก จากนั้นมันก็ผ่านเลยไปจนกระทั่ง เมื่อสัมผัสกับแปรง X มีประจุใหม่เกิดขึ้น คราวนี้เป็นลบ ถูกขับเข้าไปโดยการเหนี่ยวนำจากเซกเตอร์ B2 และเซกเตอร์ใกล้เคียง เมื่อเครื่องหมุน กระบวนการจะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นอย่างเอกโปเนนเชียลของแรงดันไฟฟ้า ในทุกตำแหน่งจนเกิดประกายไฟที่จำกัดการเพิ่มขึ้นนั้น

เครื่อง Wimshurst

บทความหลัก: Wimshurst machine

เครื่องอิทธิพล Wimshurst เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตแบบหนึ่งสำหรับสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูง ถูกพัฒนาระหว่างปี 1880 และ 1883 โดยนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ เจมส์ Wimshurst (1832-1903) มันมีลักษณะที่โดดเด่นด้วยแผ่นจานขนาดใหญ่สองแผ่นที่หมุนไปคนละทางในแนวตั้ง มีแท่งเหล็กสองแท่งวางไขว้กันติดกับแปรงโลหะ และ ช่องว่างจุดประกาย ที่จะถูกสร้างขึ้นโดย โลหะทรงกลมสองลูก

เครื่อง Wimshurst กับขวดเลย์เดนสองขวด

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แวนเดอ Graaff

บทความหลัก: Van de Graaff generator

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอ Graaff เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตที่ใช้สายพานเคลื่อนที่เพื่อสะสม แรงดันไฟฟ้าที่สูงมากบนลูกกลมโลหะกลวงบนยอดของของขาตั้ง มันถูกคิดค้นโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน โรเบิร์ต เจ แวนเดอ Graaff ในปี ค.ศ. 1929 ความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นในเครื่อง กำเนิดไฟฟ้า แวนเดอ Graaff ที่ทันสมัยสามารถทำได้ถึง 5 megavolts เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แวนเดอ Graaff สามารถคิดว่าเป็นแหล่งจ่ายกระแสคงที่ที่ต่อขนานกับตัวเก็บประจุอันหนึ่งและตัวต้านทานไฟฟ้าขนาดใหญ่มากอีกตัวหนึ่ง ดังนั้นมันจึงสามารถสร้างการปล่อยประจุไฟฟ้าที่มองเห็นได้ไปที่พื้นผิวดินในบริเวณใกล้เคียงซึ่งอาจจะทำให้เกิด "ประกายไฟ" ที่ขึ้นอยู่กับขนาดแรงดันไฟฟ้า

คำศัพท์

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือมอเตอร์มีสองส่วนหลักที่สามารถอธิบายในแง่เชิงกลหรือไฟฟ้าดังนี้

• เชิงกล:
  • โรเตอร์ : ส่วนที่หมุนของเครื่องใช้ไฟฟ้า
  • สเตเตอร์ : ส่วนที่ไม่เคลื่อนที่ของเครื่องใช้ไฟฟ้า
• ไฟฟ้า
  • อาเมเจอร์ : ขิ้นส่วนที่สร้างพลังงานของเครื่องใช้ไฟฟ้า ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ, alternator หรือไดนาโม ขดลวดที่พันรอบอาเมเจอร์จะสร้างกระแสไฟฟ้า อาเมเจอร์สามารถอยู่ บนโรเตอร์หรือสเตเตอร์ที่ใดที่หนึ่ง
  • สนาม : ชิ้นส่วนของสนามแม่เหล็กของเครื่องใช้ไฟฟ้า สนามแม่เหล็กของไดนาโมหรือของ alternator สามารถได้มาจากแม่เหล็กไฟฟ้าหรือจากแม่เหล็กถาวรที่ติดตั้งอยู่บนโรเตอร์หรือบน สเตเตอร์ที่ใดที่หนึ่ง

เป็นเพราะพลังงานที่ถูกถ่ายโอนเข้าไปในวงจรสนามมีน้อยกว่าในวงจรอาเมเจอร์มาก, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า AC เกือบมักจะมีขดลวดสนามบนโรเตอร์ และขดลวดาเมเจอร์บนสเตเตอร์ มีเพียงจำนวนเล็กน้อยของกระแสสนามเท่านั้นที่ต้องถูกถ่ายโอนไปยังโรเตอร์ที่กำลังเคลื่อนที่ โดยใช้ slip rings เครื่องกระแสตรง (ไดนาโม) ต้องการคอมมิวเตเตอร์บนแกนหมุนเพื่อแปลงกระแสสลับที่ผลิตโดยอาเมเจอร์ให้เป็นกระแสตรง ดังนั้นขดลวดอาเมเจอร์จึงอยู่บนโรเตอร์ของเครื่อง

วงจรสมมูล

วงจรสมมูลของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและโหลด
G = เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
V_G=แรงดันเครื่องกำเนิดไฟฟ้า วงจรเปิด
R_G=ความต้านทานภายในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
V_L=แรงดันเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ขณะมีโหลด
R_L=ความต้านทานของโหลด

วงจรสมมูลของเครื่องกำเนิดฟฟ้าและโหลดถูกแสดงในแผนภาพด้านขวา พารามิเตอร์ $V_{G}$ และ $R_{G}$ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถถูกกำหนดโดยการวัดความต้านทานของขดลวด (แก้ไขให้อยู่ในอุณหภูมิในการทำงานแล้ว) และการวัดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดและแรงดันที่โหลดสำหรับกระแสโหลดที่กำหนดไว้

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าติดรถยนต์

ยานยนต์ช่วงต้นจนถึงปี 1960 มีแนวโน้มที่จะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่มีการควบคุมด้วยกลไกไฟฟ้า อุปกรณ์เหล่านี้ได้ถูกแทนที่โดย alternators ที่มีวงจรเรียงกระแสติดตั้งอยู่ข้างใน ที่มีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าและเบากว่าสำหรับเอ้าท์พุทที่เท่าเทียมกัน นอกจากนี้พลังงานที่ส่งออกมาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเป็นสัดส่วนกับความเร็วในการหมุน ในขณะที่พลังงานมี่ส่งออกมาจาก alternator ไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุน ผลก็คือ ผลผลิตที่กำลังชาร์จของ alternator ที่ความเร็วรอบเดินเบาเครื่องยนต์ อาจจะมากขึ้นกว่าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง alternators ของยานยนต์ให้พลังงานระบบไฟฟ้าในยานยนต์และชาร์จแบตเตอรี่หลังจากสตาร์ทเครื่อง เอ้าท์พุทที่ได่ตามความจุโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 50-100 A ที่ 12 V ขึ้นอยู่กับโหลดไฟฟ้าที่ถูกออกแบบเอาไว้ภายในของรถ รถบางคันตอนนี้มีการขับเคลื่อนพวงมาลัยและเครื่องปรับอากาศด้วยระบบช่วยเหลือไฟฟ้า ซึ่งเป็นภาระอย่างสูงในระบบไฟฟ้า รถเพื่อการพาณิชย์ขนาดใหญ่ มีแนวโน้มที่จะใช้ 24 V เพื่อให้พลังงานเพียงพอที่จะจ่ายให้ตัวสตาร์ทของมอเตอร์ เพื่อเปิดการทำงานเครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่ alternators ของยานพาหนะไม่ได้ใช้แม่เหล็กถาวร และโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพเพียง 50-60% เท่านั้นตลอดช่วงความเร็วที่กว้าง alternators ของรถจักรยานยนต์มักจะใช้ stators แม่เหล็กถาวรที่ทำด้วยสารแม่เหล็กโลกที่หายาก เนื่องจากพวกมันสามารถที่จะทำให้มีขนาดเล็กและเบากว่าชนิดอื่นๆ (ดูรถไฮบริด)

เครื่อง magneto เช่น ไดนาโมจะใช้แม่เหล็กถาวร แต่สร้างกระแสกระแสสลับเหมือน alternator เนื่องจากความแรงของสนามของแม่เหล็กถาวรถูกจำกัด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ magneto ไม่ได้ถูกใช้สำหรับการใช้งานเพื่อผลิตพลังงานสูง แต่ได้มีการใช้โดยผู้เชี่ยวชาญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในประภาคาร เพราะพวกมันจะง่ายและเชื่อถือได้ ความน่าเชื่อถือนี้เป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลที่พวกมันจะยังคงถูกใช้เป็น magnetos เพื่อจุดระเบิดในเครื่องยนต์ลูกสูบในการบิน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่สุดบางตัวถูกพบทั่วไปในการให้พลังงานกับไฟจักรยาน ถูกเรียกว่า ไดนาโมขวด ซึ่งจะมีขนาดราว 0.5 แอมป์, เป็น alternators แม่เหล็กถาวรที่ให้ 3-6 W ที่ 6V หรือ 12V. ถูกขับให้ทำงานโดยผู้ขี่ ประสิทธิภาพระดับพรีเมี่ยม ดังนั้นไดนาโมเหล่านี้อาจใช้แม่เหล็กธาตุหายากและได้รับการออกแบบและผลิตด้วยความแม่นยำมาก ประสิทธิภาพสูงสุดคือ ประมาณ 80% สำหรับที่ดีที่สุดของเครื่องกำเนิดเหล่านี้ (60% เป็นเรื่องปกติมากกว่า) เนื่องจาก ในส่วนที่แรงเสียดทานที่เกิดขณะที่หมุนตรงจุดรอยต่อระหว่างเครื่องกำเนิดกับยางและการจัดตำแหน่งที่ไม่สมบูรณ์และขนาดที่เล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความสูญเสียที่แบริ่ง การออกแบบที่ถูกกว่ามีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพน้อยลง เนื่องจากมีการใช้แม่เหล็กถาวร ประสิทธิภาพจะตกลงที่ความเร็วสูงเพราะความแรงของสนามแม่เหล็กไม่สามารถควบคุมได้เลย ในทางใดทางหนึ่ง ไดนาโมที่ดุมล้อช่วยแก้ไขหลายข้อบกพร่องเหล่านี้เนื่องจากเป็นข้อบกพร่องที่อยู่ภายในฮับของจักรยานและไม่ต้องการจุดเชื่อมต่อระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากับยาง การใช้ที่เพิ่มขึ้นของไฟ LED ที่มีประสิทธิภาพมากกว่าหลอดไส้, ช่วยลดการใช้พลังงานที่จำเป็นสำหรับ แสงสว่างของจักรยาน

เรือใบอาจจะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขับเคลื่อนด้วยน้ำหรือลมเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ ใบพัดขนาดเล็ก, กังหันลมถูกเชื่อมต่อกับ alternator หรือตัวเรียงกระแสพลังงานต่ำเพื่อจ่ายกระแสสูงถึง 12 A ที่ความเร็วล่องเรือปกติ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กยังคงถูกนำมาใช้ในการใช้งานพลังงานขนาดจิ๋วอีกด้วย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์

บทความหลัก: Engine-generator

ไฟล์:Caterpillar 3512C Generator Set.JPG

3512C Genset Caterpillar เป็นตัวอย่างอันหนึ่งของแพคเกจเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์ หน่วยนี้ผลิตพลังงานไฟฟ้า 1,225 กิโลวัตต์

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์คือการรวมกันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเครื่องยนต์(ตัวหมุนหลัก) ที่ติดตั้งอยู่ด้วยกันเพื่อให้เป็นชิ้นเดียวกันของอุปกรณ์ที่ทำงานได้ด้วยตนเอง เครื่องยนต์ที่ใช้มักจะเป็นเครื่องยนต์ลูกสูบ แต่กังหันก๊าซยังสามารถนำมาใช้ได้ และมีแม้เครื่องไฮบริดดีเซล-ก๊าซ ที่เรียกว่าเครื่องสองเชื้อเพลิง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์มีหลายรุ่นที่แตกต่างกัน ตั้งแต่แบบพกพาขนาดเล็กมากใช้น้ำมันไปจนกระทั่งเครื่องกังหันขนาดใหญ่ ข้อได้เปรียบหลักของมันคือความสามารถในการจัดหาไฟฟ้าอย่างอิสระ ช่วยให้ตัวมันให้บริการเป็นพลังงาน สำรอง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขับเคลื่อนด้วยมนุษย์

บทความหลัก: Self-powered equipment

ผู้ประท้วงที่ครอบครอง Wall Street ใช้จักรยานเชื่อมต่อกับมอเตอร์และไดโอดทางเดียวเพื่อ ชาร์จแบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของพวกเขา

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ายังสามารถขับเคลื่อนด้วยพลังกล้ามเนื้อของมนุษย์ (เช่นในอุปกรณ์สถานีวิทยุสนาม)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงขับเคลื่อนด้วยมนุษย์มีใช้ในเชิงพาณิชย์ และได้เป็นโครงการของผู้ที่ชื่นชอบ DIY บางคน โดยทั่วไป การทำงานโดยใช้พลังการเหยียบแป้น, การปั่นจักรยานอยู่กับที่, หรือการใช้เท้าปั๊ม, เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดังกล่าวสามารถนำมาใช้ในทางปฏิบัติในการชาร์จแบตเตอรี่และ ในบางกรณีได้รับการออกแบบด้วยอินเวอร์เตอร์ ผู้ใหญ่โดยเฉลี่ยจะสามารถสร้างพลังงานได้ประมาณ 125-200 วัตต์บนเครื่องกำเนิดแบบเหยียบแป้น แต่ที่กำลังไฟ 200 W, สุขภาพของมนุษย์โดยทั่วไปจะเข้าถึงความอ่อนเพลียที่สมบูรณ์และล้มเหลวที่จะผลิตไฟฟ้าได้อีกหลังจากนั้นประมาณ 1.3 ชั่วโมง เครื่องรับวิทยุแบบพกพาที่ทำงานด้วยข้อเหวี่ยงถูกผลิตมา เพื่อลดความต้องการซื้อแบตเตอรี่ (ดูวิทยุนาฬิกา) ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20, วิทยุพลังเหยียบ ถูกนำมาใช้ทั่วชนบทของออสเตรเลียเพื่อให้การศึกษา (โรงเรียนในอากาศ), การแพทย์ และความต้องการอื่นในสถานีและเมืองระยะไกล

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแนวราบ

บทความหลัก: Linear alternator

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแนวราบ แม่เหล็กที่เลื่อนได้เคลื่อนที่ไปมาผ่านขดลวดโซลีนอยด์(หลอดลวดทองแดง) กระแสสลับถูกเหนี่ยวนำในลูปของลวดตามกฎของฟาราเดย์ ทุกครั้งที่แม่เหล็กเลื่อนผ่านมัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภทนี้จะถูกใช้ในไฟฉายฟาราเดย์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแนวราบขนาดใหญ่ถูกใช้ในโครงการพลังงานคลื่นในมหาสมุทร

Tachogenerator

tachogenerator เป็นอุปกรณ์เครื่องกลไฟฟ้าที่ผลิตแรงดันออกมาเป็นสัดส่วนกับความเร็วของเพลา มันสามารถถูกใช้เป็นตัวบ่งชี้ความเร็วแบบแอนะล็อกและอุปกรณ์ป้อนกลับความเร็วหรือตัว รวบรวมสัญญาณ tachogenerators ที่ใช้กันทั่วไปมีสองแบบคือแบบ DC และแบบ AC

Tachogenerators มักถูกใช้ขับเคลื่อนเครื่องวัดความเร็ว(อังกฤษ: tachometer) เพื่อวัด ความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้า, เครื่องยนต์และอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มันขับเคลื่อน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสร้างแรงดันไฟฟ้าประมาณเป็นสัดส่วนกับความเร็วของเพลา ด้วยการก่อสร้างและการออกแบบ ที่แม่นยำ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถถูกสร้างขึ้นเพื่อผลิตแรงดันไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำมากสำหรับบางช่วงของความเร็วเพลา

ดูเพิ่ม

• Diesel generator
• มอเตอร์ไฟฟ้า
• Faraday's law of induction
• Goodness factor
• Hybrid vehicle
• Induction motor
• Mechanical generator
• Radioisotope thermoelectric generator
• เซลล์แสงอาทิตย์
• Superconducting electric machine
• Thermogenerator
• Tidal generator
• Tidal power
• Turbine hall
• Wave power
• กังหันลมผลิตไฟฟ้า
  

แม่เหล็ก

แม่เหล็กรูปเกือกม้า ทำให้แม่เหล็กมีแรงดูดมากขึ้น

รูปแสดงเส้นแรงแม่เหล็กจากขั้วเหนือไปขั้วใต้ บริเวณที่แรงนี้ส่งไปถึง เรียกว่าสนามแม่เหล็ก

แม่เหล็ก เป็นแร่หรือโลหะที่มีสมบัติดูดเหล็กได้ ในประวัติศาสตร์ พบว่า สาร"Magnesian stone") ("หินแมกแนเซียน") เป็นวัตถุที่ดูดเหล็กได้ แม่เหล็ก (มาจากภาษากรีก μαγνήτις λίθος magnḗtis líthos) แม่เหล็กสามารถทำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ นั่นคือมันสามารถส่งแรงดูดหรือแรงผลัก ออกไปรอบ ๆ ตัวมันได้ แม้ว่าสนามแม่เหล็กจะเป็นสิ่งที่ไม่สามารถมองเห็นได้แต่มันเป็นเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติสำคัญของแม่เหล็กโดยตรง ได้แก่ คุณสมบัติการดูดและการผลักกันระหว่างแท่งแม่เหล็ก เราสามารถสร้างแม่เหล็กขึ้นมาได้ วิธีแรกคือ นำเหล็กมาถูกับแม่เหล็ก วิธีที่สองคือ ป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวดที่พันรอบเหล็ก แรงเหนี่ยวนำในขดลวดทำให้เหล็กนั้นกลายเป็นแม่เหล็กชั่วคราว และทำให้เกิด สนามแม่เหล็กรอบ ๆ เหล็กนั้น เราเรียกแม่เหล็กแบบนี้ว่า แม่เหล็กไฟฟ้า ปัจจุบัน มีสารอื่นที่ทำให้เป็นแม่เหล็กได้ เช่น นิเกิล โคบอล แมงกานีส

รูปแสดงการเรียงตัวของผงตะไบเหล็กในสนามแม่เหล็ก

คุณสมบัติของแม่เหล็ก

1. แม่เหล็กมี 2 ขั้วเสมอ ขั้วเหนือและขั้วใต้ ถ้าแขวนแท่งแม่เหล็กให้เคลื่อนที่อย่างอิสระ เมื่อหยุดนิ่ง ขั้วที่ชี้ไปทางทิศเหนือ เรียกว่า ขั้วเหนือ (N) ขั้วที่ชี้ไปทางทิศใต้ เรียกว่า ขั้วใต้ (S)
2. ขั้วแม่เหล็กทั้งขั้วเหนือและขั้วใต้จะดูดสารแม่เหล็กเสมอ
3. เมื่อนำแม่เหล็ก 2 อันมาอยู่ใกล้กัน ขั้วเหมือนกันจะผลักกัน และขั้วต่างกันจะดูดกัน
4. แรงดูดจะมีมากที่สุดที่บริเวณขั้วทั้งสองของแม่เหล็กและลดน้อยลงเมื่อถัดเข้ามา
5. เส้นแรงแม่เหล็กมีทิศทางออกจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ ทั้งสามมิติ
6. สนามแม่เหล็กหมายถึงบริเวณที่แม่เหล็กส่งแรงไปถึง

การประดิษฐ์แม่เหล็ก

1. แท่งแม่เหล็กโดยการถู วางแท่งแม่เหล็กบนโต๊ะแล้วใช้แท่งแม่เหล็กถูลากจากปลายหนึ่งไปยังอีกข้างหนึ่งแล้วยกขึ้นนำกลับมาวางที่ปลายตั้งต้น ทำซ้ำหลาย ๆ ครั้ง จนกระทั่งแท่งแม่เหล็กกลายเป็นแม่เหล็ก สังเกตลักษณะของเหล็ก

• ถ้าเหล็กเป็นเหล็กอ่อน (iron) จะได้แม่เหล็กชั่วคราว
• ถ้าเหล็กเป็นเหล็กกล้า (steel) จะได้แม่เหล็กถาวร

ซึ่งแม่เหล็กจะหมดอำนาจเมื่อถูกนำไปเผาหรือทุมด้วยค้อนหลาย ๆ ครั้ง

1. เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวดสามารถแสดงอำนาจเป็นแม่เหล็กเกิดขึ้นได้และอำนาจจะหมดเมื่อหยุดปล่อยกระแสไฟฟ้า

การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ทีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก

เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก B ⃑ ด้วยความเร็ว v ⃑ ทำมุมใด ๆ ที่ไม่ขนานกับสนามแม่เหล็กจะมีแรงกระทำต่ออนุภาคดังสมการ F ⃑= q (V ⃑×B ⃑) โดยทิศทางสามารถหาได้จาก กฎมือขวา (right hand rule) และเมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลาย ๆ วงเรียงซ้อนกัน เป็นรูปทรงกระบอก เรียกว่า โซเลนอยด์ (solenoid)

กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำในลักษณะดังนี้

1. .กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำตรง จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำ หาทิศทางของสนามแม่เหล็กได้จาก กฎมือขวาโดยการกำมือรอบลวดตัวนำตรง และให้นิ้วหัวแม่มือชี้ไปทางทิศทางของกระแสไฟฟ้า ทิศการวนตามการชี้ของนิ้วทั้งสี่จะชี้ทิศทางของสนามแม่เหล็ก
2. เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านโซเลนอยด์ (รวมทั้งลวดตัวนำวงกลม) จะเกิดสนามแม่เหล็กที่มีลักษณะคล้ายกับสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก การหาทิศทางยังคงใช้กฎมือขวาโดยวิธีกำมือขวาให้นิ้วทั้งสี่ชี้ไปตามทิศทางของกระแสไฟฟ้านิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศทางของสนามแม่เหล็ก
3. กระแสไฟฟ้าผ่านทอรอยด์ จะเกิดสนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์ การหาทิศทางใช้วิธีกำมือขวารอบแกนทอรอยด์ให้นิ้วทั้งสี่วนไปตามทิศทางของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม้มือจะชี้ทิศทางของสนามแม่เหล็ก

แรงแม่เหล็กกระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า

เมื่อลวดตัวนำตรงยาว l ที่มีกระแสไฟฟ้า I ผ่านขณะวางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก B ⃑ จะเกิดแรงกระทำด้วยขนาด F=IlB โดยทิศทางของแรงหาได้จากการกำมือขวาโดยวนนิ้วทั้งสี่ (ผ่านมุมเล็ก) จากทิศทางของกระแสไฟฟ้าไปหาทิศทางของสนามแม่เหล็กนิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศทางของแรง ส่วนในกรณีลวดตัวนำวางในทิศทางกระแสไฟฟ้าที่ทำมุมθกับสนามแม่เหล็กB ⃑ ขนาดของแรงจะเป็น F=IlBsin⁡θ โดยยังคงใช้กฎมือขวาหาทิศทางของแรงได้เช่นกัน แรงแม่เหล็กระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน ลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน จะมีแรงกระทำระหว่างลวดตัวนำทั้งสองโดยจะเป็นแรงดึงดูดถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำทั้งสองมีทิศทางเดียวกัน แต่จะเป็นแรงผลัก ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำทั้งสองมีทิศทางตรงข้ามกัน

แกลแวนอมิเตอร์และมอเตอร์กระแสตรง

แกลแวนอมิเตอร์เป็นเครื่องมือวัดไฟฟ้าประกอบด้วยขดลวดทองแดงเคลือบน้ำยาที่หมุนรอบแกน มีลักษณะเป็นขดขวดสี่เหลี่ยมมีแกนหมุนที่หมุนได้คล่องซึ่งจะใช้วัตถุที่มีความแข็งมาก เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดจะเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบบิดขดขวดให้หมุนไป ทำให้เข็มชี้ (ตัดกับแกนหมุนของชดลวด) เบนตามไปด้วย มุมเบนของเข็มชี้แปรผันตรงกับขนาดของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด การสร้างสเกลเพื่ออ่านกระแสไฟฟ้าทำได้โดยผ่านกระแสไฟฟ้าขนาดต่าง ๆ มอเตอร์กระแสตรง เป็นอุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ประกอบด้วยขดลวดที่หมุนได้รอบแกนวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก มีคอมมิวเทเตอร์และแปรงสัมผัสช่วยให้ขดลวดหมุนอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวเมื่อมีกระแสจากแบตเตอรี่ผ่านเข้าขดลวด

กระแสเหนี่ยวนำและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

กระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำเกิดจากการที่มีการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดตัวนำเรียกการทำให้เกิดกระเกิดกระแสไฟฟ้าลักษณะนี้ว่า การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (eletro magnetic induction) และเรียกกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากวิธีนี้ว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (inducedcurrent) ปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำมีความต่างศักย์ ดังนั้นถ้าต่อเส้นลวดตัวนำนี้ให้ครบวงจร ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่าปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำทำหน้าที่ เสมือนเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced electromotive force) หรือ อีเอ็มเอฟเหนี่ยวนำ (induced emf) กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ สรุปได้ว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวดเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดนั้นเมื่อเทียบกับเวลา กฎของเลนซ์มีใจความว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ในขดลวดจะทำให้เกิดกระแสเหนี่ยวนำในทิศทางที่จำทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กใหม่ขึ้นมาต้านการเปลี่ยนแปลง ของฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัดผ่านขดลวดนั้น

แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

มอเตอร์ขณะหมุนจะมีฟลักซ์ม่เหล็กเปลี่ยนแปลงผ่านขดลวด ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีทิศทางตรงข้ามกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเดิม เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับ ในกรณีมอเตอร์ติดขัดหรือหมุนช้ากว่าปกติแรงเคลื่อนไฟฟฟ้ากลับจะมีค่าน้อยทำให้กระแสไฟฟ้าในขดลวดมีค่ามาก อาจทำให้ขดลวดร้อนจนไหม้ได้ จึงจำเป็นต้องตัดสวิตซ์เพื่อหยุดการทำงานของมอเตอร์ทุกครั้งที่แรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับมีค่าน้อย

ค่าของปริมาณที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้ากระแสสลับ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเปลี่ยนค่าตามเวลาในรูปฟังก์ชันไซน์ดังสมการ

e = E_m sin⁡ωt

เมื่อ e เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เวลา t ใด ๆ Em เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงสุด ω เป็นความถี่เชิงมุมซึ่งมีค่าเท่ากับ 2πf (โดย f เป็นความถี่ในการเปลี่ยนค่าซ้ำเดิมของแรงเคลื่อนไฟฟ้า)

การนำความรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กไปใช้ประโยชน์

ความรู้ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกนำไปใช้ในการสร้างและพัฒนาเครื่องมือเครื่องใช้ด้านต่าง ๆ เช่น ไมโครโฟน ลำโพง แผ่นบันทึกข้อมูลของคอมพิวเตอร์ ฯลฯ

การนำไปใช้งาน

• บันทึกข้อมูล เช่น เทปเพลงหรือภาพยนตร์ hard disk ในเครื่องคอมพิวเตอร์ เป็นต้น โดยกำหนดให้ขั้วใดขั้วหนึ่งเป็น 1 อีกขั้วหนึ่งเป็น 0 ฉาบบาง ๆ ที่ผิว

เครดิต/เดบิต เอทีเอ็ม คาร์ด

• จอภาพ
• ไมโครโฟน/ลำโพง
• กีตาร์ไฟฟ้า
• มอเตอร์/ไดนาโม
• การแพทย์
• เคมี
• งานดูดโลหะเช่นประตูตู้เย็น แยกขยะโลหะออกจากกองขยะ
• เข็มทิศ
• เครื่องประดับ เฟอร์นิเจอร์ งานศิลปะ เครื่องใช้ในครัวเรือน
• โครงงานวิทยาศาสตร์
• ของเล่น
• ยานพาหนะ รถไฟความเร็วสูง
• อุปกรณ์ไฟฟ้า
• ตุ๊กตายาง

แหล่งข้อมูลอื่น

• About Magnets
• 
  

สนามแม่เหล็กของโลก

ความแตกต่างระหว่างขั้วแม่เหล็กเหนือ กับขั้วโลกเหนือแท้จริง

สนามแม่เหล็กของโลก (และสนามแม่เหล็กพื้นผิว) เป็นแม่เหล็กสองขั้วชนิดหนึ่ง ซึ่งมีขั้วด้านหนึ่งอยู่ใกล้ตำแหน่งขั้วโลกเหนือ (ดู ขั้วแม่เหล็กเหนือ) และขั้วอีกด้านหนึ่งอยู่ใกล้ตำแหน่งขั้วโลกใต้ (ดู ขั้วแม่เหล็กใต้) เส้นที่เชื่อมระหว่างขั้วแม่เหล็กทั้งสองด้านมีความเอียงประมาณ 11.3° กับแกนการหมุนของโลก สาเหตุของการเกิดสนามแม่เหล็กให้ดูในทฤษฎีไดนาโม (dynamo theory)

สนามแม่เหล็กนี้แผ่ออกไปไม่มีที่สิ้นสุด แม้จะมีความเข้มสนามอ่อนลงเรื่อยๆ เมื่ออยู่ห่างจากแหล่งกำเนิด ขอบเขตสนามแม่เหล็กของโลกแผ่ออกไปครอบคลุมเนื้อที่หลายหมื่นกิโลเมตรในห้วงอวกาศ มีชื่อเรียกว่า แมกนีโตสเฟียร์

การกลับขั้วแม่เหล็กโลก

จากผลการศึกษาการไหลเวียนของหินบะซอลต์เหลวผ่านใต้พิภพ มีทฤษฎีว่าขั้วแม่เหล็กของโลกสามารถมีการกลับขั้ว โดยมีช่วงระยะห่างตั้งแต่หลายหมื่นปีไปจนถึงหลายล้านปี โดยที่มีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 250,000 ปี ปรากฏการณ์กลับขั้วครั้งล่าสุดเรียกชื่อว่า Brunhes-Matuyama reversal เชื่อว่าได้เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 780,000 ปีมาแล้ว

ยังไม่มีทฤษฎีใดสามารถอธิบายได้แน่ชัดว่าการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกเกิดขึ้นเนื่องจากอะไร นักวิทยาศาสตร์บางส่วนได้สร้างแบบจำลองแกนโลกขึ้นโดยที่ภายในสนามแม่เหล็กเป็นแบบ quasi-stable และขั้วแม่เหล็กสามารถเปลี่ยนข้างเองได้จากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งเมื่อเวลาผ่านไปหลายร้อยหรือหลายพันปี นักวิทยาศาสตร์อีกส่วนหนึ่งเสนอว่าการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเอง แต่น่าจะมีการกระตุ้นจากภายนอกเช่นจากการถูกดาวหางพุ่งชน และทำให้เกิดการ "restart" โดยขั้วแม่เหล็กด้าน "เหนือ" อาจจะชี้ไปทางเหนือหรือใต้ก็ได้ ปรากฏการณ์ภายนอกนี้ไม่น่าจะสร้างให้เกิดการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กแบบเป็นวงรอบได้ เมื่อพิจารณาจากอายุของแอ่งปะทะเทียบกับช่วงเวลาการกลับขั้วที่ศึกษาได้

การศึกษาการไหลเวียนของลาวาที่ภูเขาสตีนส์ รัฐโอรีกอน บ่งชี้ว่าสนามแม่เหล็กเคยมีการเปลี่ยนแปลงไปในอัตรา 6 องศาต่อวันในประวัติศาสตร์ของโลก ซึ่งเป็นการท้าทายที่สำคัญในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับสาเหตุของการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กของโลก

           การกลับขั้วสนามแม่เหล็กโลกนั้นเกิดจากพื้นดินที่เลื่อนไปปิดสนามแม่เหล็กที่มีอยู่   จึงทำให้สนามแม่เหล็กปิดตัวลงแต่ก็ไม่ปิดลงหมดเสียทีเดียวเพราะท่าเป็นเช่นนั้นพือนดินก็เปิด

และทำให้สนามแม่เหล็กกลับมาทำงานได้อีก และก็จะไม่มีการกลับขั้ว จริงๆแล้วสิ่งที่จะตามมาเข้าใจว่าเมื่อสนามแม่เหล็กโลกปิดตัวลงก็จะยังคงเหลือแรงดึงดูดอยู่เป็นส่วนหนึ่ง แต่โลกจะขาดการปกป้อง จนเป็นเหตุให้พลังจากนอกโลกเข้ามาเป็นจำนวนมาก เช่นทำให้ไฟฟ้าดับไปทีละประเทศ และดับจนหมดโลกในที่สุด เมื่อพลังงานเหล่านั้นสะสมตัวมากพอก็จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นมาใหม่ ซึ่งเข้าใจว่าจะเกิดขึ้นทางขั้วโลกใต้ และท่าเป็นเช่นนั้นจริงก็จะเกิดการสูญพันธ์ครั้งใหญ เพราะแผ่นดินจะเดินทางกลับไปต่อจิกซอกันในขั้วโลกใต้ ซี่งมันจะร้ายกาดรุนแรงกว่าแผ่นดินไหวมาก

ดูเพิ่ม

• แถบการแผ่รังสีแวนอัลเลน
• ทฤษฎีและคุณสมบัติของสนามแม่เหล็ก
  

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แสงขาวประกอบไปด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่างๆ กันสามารถแยกออกได้ด้วยปริซึม

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Radiation (EM radiation หรือ EMR)) เป็นคลื่นชนิดหนึ่งที่ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น คลื่นวิทยุ (Radio waves) คลื่นไมโครเวฟ (Microwaves)

ปัจจุบันมีการใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในหลาย ๆ ด้าน เช่น การติดต่อสื่อสาร (มือถือ โทรทัศน์ วิทยุ เรดาร์ ใยแก้วนำแสง) ทางการแพทย์ (รังสีเอกซ์) การทำอาหาร (คลื่นไมโครเวฟ) การควบคุมรีโมท (รังสีอินฟราเรด)

คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคือเป็นคลื่นที่เกิดจากคลื่นไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็กตั้งฉากกันและเคลื่อนที่ไปยังทิศทางเดียวกัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเดินทางได้ด้วยความเร็ว 299,792,458 เมตร/วินาที หรือเทียบเท่ากับความเร็วแสง

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic disturbance) โดยการทำให้สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลง เมื่อสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก หรือถ้าสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวาง ประกอบด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่มีการสั่นในแนวตั้งฉากกัน และอยู่บนระนาบตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง จึงสามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้

สเปกตรัม (Spectrum) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่และความยาวคลื่นแตกต่างกัน ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่ คลื่นแสงที่ตามองเห็น อัลตราไวโอเลต อินฟราเรด คลื่นวิทยุ โทรทัศน์ ไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จึงมีประโยชน์มากในการสื่อสารและโทรคมนาคม และทางการแพทย์

ฟิสิกส์

ทฤษฎี

แสดงความสัมพันธ์ของความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของความแตกต่างของสีของแสง (น้ำเงิน, เขียว, และ แดง) ด้วยสเกลระยะทางในหน่วยไมโครเมตรตามแนวแกน x

สมการแมกซ์เวลล์สำหรับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ห่างไกลจากแหล่งกำเนิด

เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ได้เป็นผู้ที่ตั้งสมมติฐานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างเป็นทางการเป็นครั้งแรก เหล่านี้ได้รับการยืนยันภายหลังต่อมาโดย ไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ (Heinrich Hertz)

สมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

1. ไม่ต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ (บางชนิด)
2. อัตราเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดในสุญญากาศเท่ากับ 299,792,458 เมตร/วินาที ซึ่งเท่ากับ อัตราเร็วของแสง
3. เป็นคลื่นตามขวาง
4. ถ่ายเทพลังงานจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง
5. ถูกปล่อยออกมาและถูกดูดกลืนได้โดยสสาร
6. ไม่มีประจุไฟฟ้า
7. คลื่นสามารถแทรกสอด สะท้อน หักเห และเลี้ยวเบนได้
   

สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum) คือ แถบรังสีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างๆกัน สเปกตรัมที่มองเห็นได้คือแสง เมื่อแสงขาวผ่านปริซึมจะเกิดการหักเหเป็นแสงสีต่างๆ ซึ่งเรียกสเปกตรัมตั้งแต่ความยาวคลื่นน้อยไปหามากตามลำดับ ดังนี้ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง

โดยแสงอาทิตย์จะให้ความอบอุ่นแก่โลก พร้อมทั้งให้รังสีต่างๆ และแสงอาทิตย์เดินทางมาโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นมีองค์ประกอบคือ

1. ยอดคลื่น ส่วนบนสุดของคลื่น
2. ท้องคลื่น ส่วนต่ำสุดของคลื่น
3. ส่วนสูงของคลื่น วัดจากแนวระนาบถึงยอดคลื่น

• ความถี่ หรือที่เรียกว่า เฮิร์ตซ์
• ความถี่ สูง ความยาว ต่ำ เสียงจะสูง
• ความถี่ ต่ำ ความยาว สูง เสียงจะทุ้ม

คลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุมีความถี่ช่วง 10⁴ - 10⁹ Hz( เฮิรตซ์ ) ใช้ในการสื่อสาร คลื่นวิทยุมีการส่งสัญญาณ 2 ระบบคือ

• ระบบเอเอ็ม (A.M. = amplitude modulation)

ระบบเอเอ็ม มีช่วงความถี่ 530 - 1600 kHz( กิโลเฮิรตซ์ ) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้าไปกับคลื่นวิทยุเรียกว่า "คลื่นพาหะ" โดยแอมพลิจูดของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ในการส่งคลื่นระบบ A.M. สามารถส่งคลื่นได้ทั้งคลื่นดินเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงขนานกับผิวโลกและคลื่นฟ้าโดยคลื่นจะไปสะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แล้วสะท้อนกลับลงมา จึงไม่ต้องใช้สายอากาศตั้งสูงรับ

• ระบบเอฟเอ็ม (F.M. = frequency modulation)

ระบบเอฟเอ็ม มีช่วงความถี่ 88 - 108 MHz (เมกะเฮิรตซ์) สื่อสารโดยใช้คลื่นเสียงผสมเข้ากับคลื่นพาหะ โดยความถี่ของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณคลื่นเสียง ในการส่งคลื่นระบบ F.M. ส่งคลื่นได้เฉพาะคลื่นดินอย่างเดียว ถ้าต้องการส่งให้คลุมพื้นที่ต้องมีสถานีถ่ายทอดและเครื่องรับต้องตั้งเสาอากาศสูง ๆ รับ

คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟ

คลื่นโทรทัศน์และไมโครเวฟมีความถี่ช่วง 10⁸ - 10¹² Hz มีประโยชน์ในการสื่อสาร แต่จะไม่สะท้อนที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ แต่จะทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก ในการถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์จะต้องมีสถานีถ่ายทอดเป็นระยะ ๆ เพราะสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง และผิวโลกมีความโค้ง ดังนั้นสัญญาณจึงไปได้ไกลสุดเพียงประมาณ 80 กิโลเมตรบนผิวโลก อาจใช้ไมโครเวฟนำสัญญาณจากสถานีส่งไปยังดาวเทียม แล้วให้ดาวเทียมนำสัญญาณส่งต่อไปยังสถานีรับที่อยู่ไกล ๆ เนื่องจากไมโครเวฟจะสะท้อนกับผิวโลหะได้ดี จึงนำไปใช้ประโยชน์ในการตรวจหาตำแหน่งของอากาศยาน เรียกอุปกรณ์ดังกล่าวว่า เรดาร์ โดยส่งสัญญาณไมโครเวฟออกไปกระทบอากาศยาน และรับคลื่นที่สะท้อนกลับจากอากาศยาน ทำให้ทราบระยะห่างระหว่างอากาศยานกับแหล่งส่งสัญญาณไมโครเวฟได้

รังสีอินฟราเรด (infrared rays)

รังสีอินฟราเรดมีช่วงความถี่ 10¹¹ - 10¹⁴ Hz หรือความยาวคลื่นตั้งแต่ 10^-3 - 10^-6 เมตร ซึ่งมีช่วงความถี่คาบเกี่ยวกับไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรดสามารถใช้กับฟิล์มถ่ายรูปบางชนิดได้ และใช้เป็นการควบคุมระยะไกลหรือรีโมทคอนโทรลกับเครื่องรับโทรทัศน์ได้

แสง (light)

แสงมีช่วงความถี่ 1014Hz หรือความยาวคลื่น 4x10^-7 - 7x10^-7 เมตร เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตาของมนุษย์รับได้ สเปคตรัมของแสงสามารถแยกได้ดังนี้

สี ความยาวคลื่น (nm) ม่วง 380-450 น้ำเงิน 450-500 เขียว 500-570 เหลือง 570-590 แสด 590-610 แดง 610-760

รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet rays)

รังสีอัลตราไวโอเลต หรือ รังสีเหนือม่วง มีความถี่ช่วง 10¹⁵ - 10¹⁸ Hz เป็นรังสีตามธรรมชาติส่วนใหญ่มาจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้เกิดประจุอิสระและไอออนในบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ รังสีอัลตราไวโอเลต สามารถทำให้เชื้อโรคบางชนิดตายได้ แต่มีอันตรายต่อผิวหนังและตาคน

รังสีเอกซ์ (X-rays)

รังสีเอกซ์ มีความถี่ช่วง 10¹⁶ - 10²² Hz มีความยาวคลื่นระหว่าง 10^-8 - 10^-13 เมตร ซึ่งสามารถทะลุสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ หลักการสร้างรังสีเอกซ์คือ การเปลี่ยนความเร็วของอิเล็กตรอน มีประโยชน์ทางการแพทย์ในการตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกาย ในวงการอุตสาหกรรมใช้ในการตรวจหารอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ ใช้ตรวจหาอาวุธปืนหรือระเบิดในกระเป๋าเดินทาง และศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึก

รังสีแกมมา (Gamma-rays)

รังสีแกมมามีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้ามีความถี่สูงกว่ารังสีเอกซ์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์และสามารถกระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ มีอำนาจทะลุทะลวงสูง การที่ให้จะมันหยุดได้จะต้องใช้คอนกรีตหนาประมาณ 20 เมตรอย่างน้อย สามารถฆ่าเซลล์มะเร็งได้แต่อันตรายมากจึงไม่นิยม จะใช้เฉพาะการแพทย์เท่านั้น

ระบบการเห็น

ระบบการเห็นประกอบด้วยตา และ วิถีประสาทที่เชื่อมตากับคอร์เทกซ์สายตาและส่วนอื่นของสมอง รูปนี้แสดงระบบการเห็นของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

ระบบการเห็น หรือ ระบบประสาทการมองเห็น หรือ ระบบสายตา (อังกฤษ: visual system) เป็นส่วนของระบบประสาทกลาง ซึ่งยังสิ่งมีชีวิตให้สามารถทำการรับรู้ด้วยการเห็น (visual perception) และทำให้เกิดการตอบสนองเนื่องด้วยข้อมูลทางตาแต่ไม่มีการรับรู้ด้วยการเห็นหลายอย่าง เป็นระบบที่สามารถตรวจจับและแปลผลข้อมูลแสงที่อยู่ในระหว่างความถี่ที่เห็นได้ เพื่อจะสร้างรูปแบบจำลองของสิ่งแวดล้อม ระบบการเห็นทำหน้าที่ที่ซับซ้อนหลายอย่างรวมทั้ง

• การรับแสงและการสร้างรูปแบบจำลองจากการเห็นด้วยตาแต่ละข้าง (monocular)
• การสร้างการรับรู้คือการเห็นด้วยตาทั้งสอง (binocular) จากข้อมูล 2-มิติ จากตาทั้งสองข้าง
• การรู้จำและการจำแนกประเภทของวัตถุที่เห็น
• การประเมินระยะทางที่จะไปถึงวัตถุและระยะทางระหว่างวัตถุ และ
• การนำการเคลื่อนไหวทางกายโดยสัมพันธ์กับวัตถุที่เห็น

กระบวนการประมวลข้อมูลทางตาตามแนวจิตวิทยา เรียกว่า การรับรู้ทางตา หรือ การรับรู้ด้วยการเห็น (visual perception) และความไม่สามารถรับรู้ด้วยการเห็นเรียกว่า ตาบอด กิจหน้าที่เกี่ยวข้องกับการเห็นแม้จะไม่ก่อให้เกิดการรับรู้ทางตา และเป็นอิสระจากการรับรู้ทางตา รวมกิจเช่น รีเฟร็กซ์รูม่านตาต่อแสง (pupillary light reflex) และ circadian photoentrainment

อารัมภบท

ตามนุษย์
ภาพที่ตกลงบนเรตินากลับด้านเพราะเหตุจากจากเลนส์ที่อยู่ในตา

บทความนี้โดยมากพรรณนาถึงระบบการเห็นของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แม้ว่าสัตว์ซับซ้อนอย่างอื่นอาจจะมีระบบการเห็นที่คล้ายคลึงกัน ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ระบบการเห็นแบ่งออกเป็น

• ตา โดยเฉพาะตัวเรตินา
• เส้นประสาทตา (Optic nerve)
• ส่วนไขว้ประสาทตา (Optic chiasma)
• ลำเส้นใยประสาทตา (Optic tract)
• นิวเคลียสงอคล้ายเข่าด้านข้าง (Lateral geniculate nucleus)
• ส่วนแผ่ประสาทตา (Optic radiation)
• คอร์เทกซ์สายตา (Visual cortex)
• คอร์เทกซ์สายตาสัมพันธ์ (Visual association cortex)

สัตว์สปีชีส์ต่าง ๆ สามารถเห็นส่วนต่าง ๆ ของสเปกตรัมแสงได้ไม่เหมือนกัน ตัวอย่างเช่น ผึ้งสามารถเห็นแสงอัลตราไวโอเลต ในขณะที่สัตว์ในวงศ์ย่อยงูหางกระดิ่งสามารถล่าสัตว์โดยใช้แอ่งรับรู้แสงอินฟราเรด ส่วนตาของปลากระโทงดาบสามารถสร้างความร้อนเพื่อตรวจจับเหยื่อให้ดียิ่งขึ้นในน้ำลึกมากกว่า 2,000 ฟุต

ประวัติ

ในครึ่งหลังแห่งคริสต์ศตวรรษที่ 19 มีการตั้งทฤษฎีต่าง ๆ เกี่ยวกับการทำงานในระบบประสาทเช่น neuron doctrine และ functional specialization ซึ่งเป็นทฤษฎีที่กำหนดว่า นิวรอนเป็นหน่วยพื้นฐานของระบบประสาท และว่า เขตต่าง ๆ ของสมองมีหน้าที่ความชำนาญที่ต่าง ๆ กัน ตามลำดับ ทฤษฎีเหล่านี้ได้กลายเป็นหลักของศาสตร์ใหม่คือประสาทวิทยาศาสตร์ และเป็นหลักสนับสนุนการทำความเข้าใจของระบบสายตา

ในปี ค.ศ. 1810 ฟรานซ์ โจเซฟ กอลล์ ได้เสนอความคิดเป็นครั้งแรกว่า เปลือกสมองแบ่งออกโดยกิจเป็นคอร์เทกซ์ส่วนต่าง ๆ ที่เดี๋ยวนี้รู้กันว่ามีหน้าที่เกี่ยวกับ การรับรู้สัมผัส (คือ คอร์เทกซ์รับรู้ความรู้สึกทางกาย) การสั่งการเคลื่อนไหว (คือ คอร์เทกซ์สั่งการ) และการเห็น (คือ คอร์เทกซ์การเห็น) และหลักฐานว่า สมองแบ่งออกโดยกิจเป็นเขตต่าง ๆ ก็เพิ่มพูนทวีคูณยิ่งขึ้นด้วยการค้นพบศูนย์ภาษาคือเขตโบรคา โดยพอล์ โบรคา ในปี ค.ศ. 1861 และการค้นพบคอร์เทกซ์สั่งการ (motor cortex) โดยกัสตาฟ ฟริตซ์ และเอดวา ฮิตซิก ในปี ค.ศ. 1871 ในปี ค.ศ. 1876 โดยใช้วิธีการทำลายส่วนในสมองและศึกษาผลที่ตามมา เดวิด เฟอร์ริเออร์ ได้เสนอว่า กิจหน้าที่ในการเห็นจำกัดอยู่ในสมองกลีบข้าง (parietal lobe) แต่ในปี ค.ศ. 1881 เฮอร์แมนน์ มังค์ เสนอว่า การเห็นนั้นอยู่ในสมองกลีบท้ายทอย (occipital lobe) ซึ่งเป็นข้อเสนอที่สมบูรณ์แม่นยำกว่าของเฟอร์ริเออร์ คือ สมองกลีบท้ายทอยเป็นส่วนที่เดี๋ยวนี้รู้กันว่า เป็นที่อยู่ของคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิ (primary visual cortex)

ชีวภาพของระบบสายตา

ตา

ตาเป็นองค์ประกอบแรกสุดของระบบการเห็น เซลล์รับแสงในเรตินาในตาแปลงสัญญาณแสงที่มาตกกระทบ แล้วส่งสัญญาณผ่านใยประสาทเข้าไปในเขตสายตา V1 ในคอร์เทกซ์สายตา ซึ่งเป็นจุดเริ่มแรกในการประมวลข้อมูลจากตาเพื่อการรับรู้คือการเห็น

บทความหลัก: ตา

ตาเป็นระบบชีวภาพที่ซับซ้อน และการทำงานของกล้องถ่ายภาพมักจะได้รับการเปรียบเทียบกับการทำงานของตา เพราะว่า ระบบทั้งสองนั้นรวบรวมแสงจากวัตถุภายนอกให้ตกลงไปที่วัตถุไวแสง ในกรณีกล้องถ่ายภาพ วัตถุไวแสงนั้นก็คือฟิลม์หรือเครื่องรับรู้อิเล็กทรอนิกส์ และในกรณีตา ก็คือตัวรับรู้ความรู้สึก (sensory receptor) ดังนั้น ด้วยวิธีการเปรียบเทียบทางโครงสร้างแบบนี้ และโดยกฏของทัศนศาสตร์ (optics) ตาทำงานเป็นตัวแปลงสัญญาณ และกล้องถ่ายภาพที่ใช้ CCD เทคโนโลยีก็เช่นกัน

แสงสว่างที่เข้าไปในตาจะมีการหักเหเมื่อผ่านกระจกตา และเมื่อแสงผ่านรูม่านตา (pupil) ซึ่งควบคุมโดยม่านตา (iris) ก็จะมีการหักเหเพิ่มขึ้นอีกโดยเลนส์ตา ทั้งกระจกตาและเลนส์รวมกันทำหน้าที่เป็นเลนส์แบบผสม เพื่อรวมแสงเป็นรูปกลับด้านให้ตกลงที่เรตินา

เรตินา

เรตินาวาดโดยซานเตียโก รามอน อี กาฮาล จากหนังสือ โครงสร้างเรตินาของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม พิมพ์ปี ค.ศ. 1900

บทความหลัก: เรตินา

เรตินาประกอบด้วยเซลล์รับแสง (photoreceptor cell) เป็นจำนวนมากที่มีโมเลกุลโปรตีนที่เรียกว่า opsin ในมนุษย์ มี opsin 2 ชนิดที่เกี่ยวข้องกับการเห็นใต้อำนาจจิตใจ คือ rod opsins ในเซลล์รูปแท่ง (rod cell) และ cone opsins ในเซลล์รูปกรวย (cone cell) โปรตีนชนิดที่ 3 ที่เรียกว่า melanopsin อยู่ใน retinal ganglion cell (RGC) ซึ่งเป็นส่วนของกลไกการรักษาเวลาของร่างกาย และอาจจะไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการเห็นใต้อำนาจจิตใจ เพราะว่า RGC ไม่ส่งสัญญาณไปยัง นิวเคลียสงอคล้ายเข่าด้านข้าง (lateral geniculate nucleus) แต่ส่งสัญญาณไปยัง pretectal area แทน

โปรตีน opsin หนึ่ง ๆ ทำหน้าที่รับโฟตอนหนึ่ง ๆ แล้วส่งสัญญาณต่อไปที่เซลล์ด้วยกรรมวิธี การถ่ายโอนสัญญาณ (signal transduction) มีผลเป็นการเพิ่มขั้ว (hyperpolarization) ในเซลล์รับแสง

เซลล์รูปแท่งและเซลล์รูปกรวยมีหน้าที่แตกต่างกัน เซลล์รูปแท่งปรากฏอย่างหนาแน่นในส่วนนอกของเรตินา ใช้ในการเห็นเมื่อมีแสงสลัว เซลล์รูปกรวยพบได้อย่างหนาแน่นที่ศูนย์กลางของเรตินา (คือที่ fovea) มีเซลล์รูปกรวย 3 ประเภทที่รับแสงโดยความถี่ที่ต่างกันโดยมีชื่อว่า short (สั้น) หรือ blue (น้ำเงิน), middle (กลาง) หรือ green (เขียว), และ long (ยาว) หรือ red (แดง) เซลล์รูปกรวยโดยหลักใช้เพื่อแยกแยะสีและลักษณะอื่น ๆ ของโลกทางตาในระดับแสงที่ปกติ

ในเรตินา เซลล์รับแสงเชื่อมไซแนปส์โดยตรงกับเซลล์สองขั้ว (bipolar cell) ซึ่งก็เชื่อมไซแนปส์กับ retinal ganglion cell (RGC) ในชั้นนอกสุดของเรตินา ซึ่งเป็นเซลล์ที่ส่งศักยะงานไปยังสมอง การประมวลผลทางตาเป็นจำนวนสำคัญ เกิดขึ้นเนื่องจากรูปแบบของการติดต่อสื่อสารระหว่างกันและกันของนิวรอนในเรตินา คือ แม้ว่า จะมีเซลล์รับแสงถึง 130 ล้านตัว แต่มีแอกซอนของ RGC เพียงแค่ 1.2 ล้านแอกซอนเท่านั้นที่ส่งข้อมูลจากเรตินาไปยังสมอง นั่นก็คือเรตินาไม่ได้ข้อมูลดิบจากเซลล์รับแสงไปยังสมองโดยตรง อีกอย่างหนึ่ง การประมวลผลในเรตินารวมถึงการจัดระเบียบลานสัญญาณของเซลล์สองขั้วและ ganglion cell เป็นแบบ center-surround และรวมทั้งการรวมสัญญาณ (convergence) และการแผ่สัญญาณ (divergence) จากเซลล์รับแสงไปยังเซลล์สองขั้ว นอกจากนั้นแล้ว นิวรอนอื่น ๆ ในเรตินาโดยเฉพาะเซลล์แนวนอน (horizontal cell) และเซลล์ขั้วสั้น (amacrine cell) ส่งสัญญาณแผ่ออกไปด้านข้าง คือไปยังนิวรอนติดกันที่อยู่ในชั้นเดียวกัน ซึ่งรวมกันมีผลเป็นลานสัญญาณที่มีความซับซ้อนมากขึ้น ที่มีลักษณะไม่แยกแยะสีแต่ไวต่อความเคลื่อนไหวก็ได้ มีลักษณะไวสีแต่ไม่แยกแยะความเคลื่อนไหวก็ได้

กลไกการสร้างสัญญาณการเห็น

เรตินาปรับตัวตามแสงโดยใช้เซลล์รูปแท่ง คือ ในที่มืด สารติดสียากคือ retinal ที่อยู่ในโปรตีน opsin จะมีรูปคดเรียกว่า cis-retinal เมื่อเกิดมีแสงขึ้น retinal จะเปลี่ยนรูปไปเป็นแบบตรงเรียกว่า trans-retinal และจะแยกตัวออกจาก opsin ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า bleaching (การฟอกขาว) เพราะว่า rhodopsin ที่ปราศจาก retinal เปลี่ยนสีจากสีม่วงไปเป็นไม่มีสีในที่ที่มีแสง ในระดับความมืดที่เป็นปทัฏฐาน rhodopsin ไม่มีการดูดแสง และจะหลั่งกลูตาเมตซึ่งมีฤทธิ์ยับยั้งเซลล์สองขั้ว การยับยั้งเซลล์สองขั้ว ก็จะเข้าไปยับยั้งการหลั่งสารสื่อประสาทจากเซลล์สองขั้วไปยัง RGC แต่เมื่อเกิดมีแสงขึ้น การหลั่งกลูตาเมตจากเซลล์รูปแท่งก็จะหยุดลง เซลล์สองขั้วก็จะหลั่งสารสื่อประสาทไปกระตุ้น RGC และดังนั้น กระบวนการตรวจจับสิ่งที่เห็นก็ได้เริ่มเกิดขึ้น ผลสุดท้ายของการประมวลผลอย่างนี้ก็คือ มีกลุ่มของ RGC 5 กลุ่มที่ส่งข้อมูลทางตา (ทั้งที่ทำให้เกิดการเห็นโดยที่สุด ทั้งที่ไม่ทำให้เกิดการเห็น) ไปยังสมอง กลุ่มทั้ง 5 คือ

1. เซลล์ M มีลานสัญญาณแบบ center-surround ขนาดใหญ่ที่มีความไวต่อความลึก (คือระยะทางจากวัตถุที่เห็น) ไม่แยกแยะสี และสามารถปรับตัวตามตัวกระตุ้นได้อย่างรวดเร็ว
2. เซลล์ P มีลานสัญญาณแบบ center-surround ขนาดที่เล็กกว่าที่ไวต่อทั้งสีและทั้งรูปร่าง
3. เซลล์ K มีลานสัญญาณแบบ center-only ขนาดใหญ่มากที่ไวต่อสีและไม่แยกแยะรูปร่างหรือความลึก
4. ganglion cell ประเภทไวแสง (photosensitive ganglion cell)
5. เซลล์อีกกลุ่มหนึ่งที่ส่งสัญญาณใช้ในการเคลื่อนไหวตา

งานวิจัยปี ค.ศ. 2006 ที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา ประเมินอัตราการส่งถ่ายข้อมูล (bandwidth) ของเรตินาในมนุษย์ว่าอยู่ที่ประมาณ 8,960 กิโลบิตต่อวินาที เปรียบเทียบกับในหนูตะเภาที่ประมาณ 875 กิโลบิตต่อวินาที

ในปี ค.ศ. 2007 ไซดีและคณะร่วมงานทำงานวิจัยในคนไข้ที่ปราศจากทั้งเซลล์รูปแท่งและเซลล์รูปกรวย และพบว่า ganglion cell ไวแสงที่พึ่งค้นพบใหม่ ๆ มีบทบาทในการรับรู้ทางตาทั้งที่อยู่ใต้อำนาจจิตใจและทั้งที่อยู่เหนืออำนาจจิตใจ เซลล์เหล่านั้นไวแสงที่สุดต่อแสงมีความยาวคลื่น 481 นาโนเมตร ผลงานวิจัยนี้แสดงว่า มีวิถีประสาทสองทางสำหรับข้อมูลการเห็นจากเรตินา ทางหนึ่งมีเซลล์รับแสงคือเซลล์รูปแท่งและเซลล์รูปกรวยเป็นฐาน และอีกทางหนึ่งมี ganglion cell ไวแสงที่พึ่งค้นพบใหม่ ทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจจับความสว่างอย่างคร่าว ๆ ทางตา

กระบวนการเคมีแสง

ในระบบการเห็น สาร retinal หรือที่มีชื่อในวงการว่า retinene₁ หรือ retinaldehyde เป็นโมเลกุลไวแสงพบในเซลล์รูปแท่งและเซลล์รูปกรวยในเรตินา retinal เป็นโครงสร้างพื้นฐานที่มีหน้าที่ถ่ายโอนแสงไปเป็นสัญญาณประสาททางตา ซึ่งก็คือ พลังประสาทที่ผ่านระบบประสาทตาไปยังสมอง ในที่มีแสง โมเลกุลของ retinal เปลี่ยนรูปร่างไป ซึ่งทำให้เกิดการส่งพลังประสาทเป็นผลที่สุด

ใยประสาทตาสู่ทาลามัส

เส้นประสาทตา

บทความหลัก: เส้นประสาทตา

ข้อมูลส่งไปทางตา (บน) ผ่าน optic nerve ข้าม optic chiasma ไปยัง optic tract ที่ที่ข้อมูลจากตาซ้ายและขวามารวมกัน แล้วข้อมูลต่าง ๆ ก็เดินทางไปยังชั้นเฉพาะของตน ๆ ใน lateral geniculate nucleus. Primary visual cortex มีสีแดงล่างสุดของรูป (มาจากรูป 1543 จากหนังสือ Fabrica โดย Andreas Vesalius)

ตาส่งข้อมูลการเห็นไปยังสมองผ่านเส้นประสาทตา (Optic nerve) คือ กลุ่มต่าง ๆ ของ ganglion cell ในเรตินาส่งข้อมูลไปยังสมองผ่านเส้นประสาทตา ประมาณ 90% ของแอกซอนในเส้นประสาทตาไปสุดที่นิวเคลียสงอคล้ายเข่าด้านข้าง (lateral geniculate nucleus) ในทาลามัส แอกซอนเหล่านี้มีต้นกำเนิดจาก ganglion cell ประเภท M, P และ K ดังที่กล่าวมาแล้ว การประมวลผลแบบขนาน (คือหลาย ๆ แขนงหลาย ๆ ทางพร้อมกัน) แบบนี้ มีความสำคัญในการสร้างแบบจำลองของโลกของการเห็น ข้อมูลแต่ละอย่างจะไปตามทางประสาทของตน ๆ ซึ่งนำไปสู่การรับรู้ (perception) โดยที่สุด ส่วนแอกซอนอีกกลุ่มหนึ่งส่งข้อมูลไปยัง superior colliculus ในสมองส่วนกลาง (midbrain) ซึ่งมีบทบาทในการสั่งการเคลื่อนไหวตาประเภท saccade และในปฏิกิริยาด้วยการเคลื่อนไหวอย่างอื่น ๆ อีกด้วย

ganglion cell ไวแสงกลุ่มหนึ่ง ซึ่งมีสารไวแสง melanopsin ส่งข้อมูลทางตาไปทางประสาท retinohypothalamic tract ไปยัง pretectum (มีบทบาทเกี่ยวกับรีเฟล็กซ์รูม่านตา), ไปยังโครงสร้างอื่น ๆ ที่มีบทบาทในการควบคุมจังหวะรอบวัน (circadian rhythm) และการนอนหลับ เช่น suprachiasmatic nucleus (มีบทบาทเป็นนาฬิกาทางชีวภาพ), และไปยัง ventrolateral preoptic nucleus ซึ่งมีบทบาทในการควบคุมการนอนหลับ บทบาทที่พึ่งค้นพบเร็ว ๆ นี้ของ ganglion cell ไวแสงก็คือ เป็นตัวสื่อการเห็นทั้งภายใต้อำนาจจิตใจและทั้งเหนืออำนาจจิตใจ คือทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจจับความสว่างอย่างคร่าว ๆ ทางตา

ส่วนไขว้ประสาทตา

เส้นประสาทตาจากตาทั้งสองเดินทางมาบรรจบและข้ามทแยงกันที่ส่วนไขว้ประสาทตา (Optic chiasma) ที่ฐานของไฮโปทาลามัสในสมอง (ดูรูปข้างบน) ที่ส่วนไขว้นี้ ข้อมูลจากทั้งสองตามารวมกันแล้วก็แยกกันไปตามลานสายตา (visual field) คือ ข้อมูลลานสายตาด้านซ้ายส่งไปยังสมองซีกขวา และข้อมูลลานสายตาด้านขวาส่งไปยังสมองซีกซ้าย เพื่อการประมวลผลต่อไป นั่นก็คือ คอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิซีกขวา จัดการข้อมูลจากลานสายตาด้านซ้าย แม้ว่าข้อมูลลานสายตาจะมาจากตาทั้งสองข้าง และโดยนัยเดียวกัน คอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิอีกซีกหนึ่งก็เช่นกัน แต่ว่า ก็ยังมีเขตเล็ก ๆ ท่ามกลางลานสายตาที่มีการประมวลผลซ้ำซ้อนกันโดยซีกสมองทั้งสองข้าง

ลำเส้นใยประสาทตา

บทความหลัก: ลำเส้นใยประสาทตา

ข้อมูลจากลานสายตาด้านขวา (ซึ่งมาถึงด้านซ้ายของสมองแล้ว) เดินทางไปในลำเส้นใยประสาทตา (optic tract) ด้านซ้าย และข้อมูลจากลานสายตาด้านซ้าย ก็เดินทางไปในลำเส้นใยประสาทตา ด้านขวา (ดูรูปข้างบน) ลำเส้นใยประสาทตาแต่ละเส้นไปสุดที่นิวเคลียสงอคล้ายเข่าด้านข้าง (lateral geniculate nucleus) ในทาลามัส

นิวเคลียสงอคล้ายเข่าด้านข้าง

ชั้นทั้ง 6 ของนิวเคลียสงอคล้ายเข่าด้านข้าง

บทความหลัก: นิวเคลียสงอคล้ายเข่าด้านข้าง

นิวเคลียสงอคล้ายเข่าด้านข้าง (lateral geniculate nucleus ตัวย่อ LGN) เป็นนิวเคลียสถ่ายทอดสัญญาณความรู้สึก (จากตาไปยังคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิ) ในทาลามัส LGN ประกอบดัวยชั้น 6 ชั้นในมนุษย์และในไพรเมตบางประเภทเริ่มต้นแต่ไพรเมตที่มี Parvorder เป็น Catarrhini รวมทั้งวงศ์ลิงโลกเก่าและเอป ชั้น 1, 4 และ 6 เป็นชั้นที่รับข้อมูลมาจากใยประสาทด้านตรงข้ามกายจากเรตินาใกล้จมูก (หรือจากลานสายตาใกล้ขมับ) ส่วนชั้น 2, 3 และ 5 รับข้อมูลจากใยประสาทจากเรตินาด้านขมับที่อยู่ในกายด้านเดียวกัน (หรือจากลานสายตาใกล้จมูก)

ชั้นที่ 1 ของ LGN ประกอบด้วยเซลล์ M ซึ่งรับข้อมูลมาจากเซลล์ M (magnocellular) ของเส้นประสาทตาจากตาด้านตรงข้าม และมีข้อมูลเกี่ยวกับความลึกและการเคลื่อนไหว ชั้นที่ 4 และ 6 ของ LGN ก็เชื่อมต่อกับตาด้านตรงข้ามเช่นกัน แต่ว่าเชื่อมกับเซลล์ P ของเส้นประสาทตาที่มีข้อมูลเกี่ยวกับสีและเส้นขอบ (ของสิ่งที่เห็น) เปรียบเทียบกับ ชั้น 2, 3 และ 5 ของ LGN ที่เชื่อมกับเซลล์ M และ P (parvocellular) ของเส้นประสาทตาจากกายด้านเดียวกัน เมื่อแผ่ออก ชั้นทั้งหกของ LGN มีขนาดเท่ากันกับบัตรเครดิตแต่มีความหนาประมาณ 3 เท่าของบัตร เมื่อม้วนเข้า LGN มีขนาดและรูปร่างเป็นไข่นก 2 ใบเล็ก ๆ และในระหว่างชั้นทั้ง 6 มีชั้นของเซลล์เล็ก ๆ ที่รับข้อมูลมาจากเซลล์ K ซึ่งมีข้อมูลเกี่ยวกับสีจากเรตินา

แม้ว่า นิวรอนของ LGN จะถ่ายทอดรูปทางตาต่อไปยังคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิ (หรือ V1) ซึ่งอยู่ในสมองกลีบท้ายทอย ใน calcarine sulcus และบริเวณรอบ ๆ นั้น แต่ว่า LGN อาจไม่ใช่เป็นเพียงแค่สถานีถ่ายทอดสัญญาณไปยัง V1 เท่านั้น แต่ตัวเองก็ยังอาจเป็นศูนย์การประมวลผลด้วย คือ LGN รับข้อมูลป้อนกลับจาก V1 เป็นจำนวนประมาณ 10 เท่าของข้อมูลที่ส่งไป และถึงแม้ว่า ยังไม่มีความชัดเจนว่า การประมวลผลนี้ให้ผลเป็นอะไร แต่นักวิจัยบางพวกเชื่อว่าการเชื่อมต่อเป็นวงจรอย่างนี้ ช่วยการพยากรณ์ความมีอยู่ของตัวกระตุ้น เป็นกระบวนการที่เรียกว่า การเข้ารหัสตัวกระตุ้นด้วยการพยากรณ์ (predictive coding) และงานวิจัยปี ค.ศ. 2000 แสดงว่า การหยุดการทำงานของคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิของแมวโดยใช้ความเย็น มีผลต่อเส้นโค้งการตอบสนองของความเปรียบต่าง (contrast response curve) ของ LGN

แผนผังของลำเส้นใยประสาทตา พร้อมทั้งภาพทางตาที่มีการแปลผลในโครงสร้างแต่ละระดับจนกระทั่งถึงเซลล์ธรรมดา (simple) ในคอร์เทกซ์

ส่วนแผ่ประสาทตา

ส่วนแผ่ประสาทตา (Optic radiation) ซึ่งมีอยู่ในซีกสมองทั้งสองข้าง ส่งข้อมูลไปจากนิวเคลียสงอคล้ายเข่าด้านข้าง (lateral geniculate nucleus ตัวย่อ LGN) ที่อยู่ในทาลามัส ไปยังคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิ (หรือ V1) คือ นิวรอนชั้น P ของ LGN ส่งข้อมูลไปยังชั้น 4Cβ ของ V1, ส่วนนิวรอนชั้น M ส่งข้อมูลไปยังชั้น 4Cα และ 6, และนิวรอนชั้น K ส่งข้อมูลไปให้กับกลุ่มนิวรอนที่เรียกว่า blobs ในชั้น 2 และ 3

ในแต่ละจุดของลานสายตา จะมีใยประสาทตาในลำเส้นใยประสาทตา และจะมีนิวรอนใน V1 ที่สัมพันธ์กับจุดนั้น แต่ว่าหลังจากนั้น ความสัมพันธ์อย่างตรงไปตรงมาแบบนี้จะเริ่มหายไป เนื่องจากว่า มีการเชื่อมต่อกันอย่างข้ามไปข้ามมาระหว่างนิวรอนในคอร์เทกซ์สายตา

คอร์เทกซ์สายตา

บทความหลัก: คอร์เทกซ์สายตา

คอร์เทกซ์สายตา: เขตสายตาที่เรียกว่า V1, V2, V3, V4, และ V5 (หรือ MT)

คอร์เทกซ์สายตาเป็นระบบสมองที่ใหญ่ที่สุดในมนุษย์ และมีหน้าที่ประมวลผลเกี่ยวกับสิ่งที่เห็นทางตา อยู่ด้านท้ายของสมอง (ซึ่งได้รับการเน้นในรูปข้างบน) เหนือซีรีเบลลัม เขตในคอร์เทกซ์ที่รับการเชื่อมต่อโดยตรงจาก LGN เรียกว่าคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิ (หรือเรียกว่า V1 หรือคอร์เทกซ์ลาย) ข้อมูลทางตาผ่าน V1 เข้าไปสู่เขตสายตาต่าง ๆ ตามลำดับ ซึ่งก็คือเขต V2, V3, V4 และ V5 (หรือที่เรียกว่า MT) แต่ว่า การเชื่อมต่อกันระหว่างเขตเหล่านี้จะต่าง ๆ กันไปในสัตว์ขึ้นอยู่กับสปีชีส์ เขตสายตาทุติยภูมิเหล่านี้ ซึ่งเรียกรวมกันว่า เขตคอร์เทกซ์สายตานอกคอร์เทกซ์ลาย (extrastriate visual cortex) ทำหน้าที่ประมวลผลจากข้อมูลพื้นฐานทางตามากมาย นิวรอนใน V1 และ V2 ตอบสนองโดยเฉพาะต่อเส้นที่มีทิศทางโดยเฉพาะ (เช่นเส้นตั้ง เส้นนอน) หรือส่วนประกอบที่มีเส้นเหล่านั้น ความเป็นไปอย่างนี้ เชื่อกันว่า เป็นเพื่อสนับสนุนการตรวจจับขอบและมุมของวัตถุที่เห็น โดยนัยเช่นเดียวกัน ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับสีและความเคลื่อนไหวก็ได้รับการประมวลผลใน V1

คอร์เทกซ์สายตาสัมพันธ์

บทความหลัก: สมมุติฐานทางสัญญาณสองทาง

ในขณะที่ข้อมูลทางตาเดินทางไปในเขตต่าง ๆ ของคอร์เทกซ์สายตา ระดับความซับซ้อนของข้อมูลต่าง ๆ ที่นิวรอนรองรับ (คือเป็นตัวแทน) ก็เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เปรียบเทียบกับนิวรอนใน V1 ที่อาจจะตอบสนองโดยเฉพาะต่อเส้นที่มีทิศทางโดยเฉพาะในลานสายตาส่วนเฉพาะ (ที่เป็นส่วนของวัตถุที่เห็น) นิวรอนด้านข้างของสมองกลีบท้ายทอยอาจจะตอบสนองโดยเฉพาะต่อวัตถุที่เห็นทั้งหมด (เช่นรูปวาด) และนิวรอนในคอร์เทกซ์สายตาสัมพันธ์อาจจะตอบสนองโดยเฉพาะต่อใบหน้ามนุษย์ หรือต่อวัตถุใดวัตถุหนึ่ง

เมื่อความซับซ้อนของข้อมูลที่รองรับโดยนิวรอนเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ อย่างนี้ ก็อาจจะเริ่มมีการประมวลผลแบบเฉพาะหน้าที่ในระบบนิวรอนที่แบ่งออกเป็นทางประสาท 2 ทาง คือทางสัญญาณด้านหลัง (dorsal stream) และทางสัญญาณด้านล่าง (ventral stream) ซึ่งเป็นทางสัญญาณที่เสนอไว้ในสมมุติฐานทางสัญญาณสองทาง (Two-streams hypothesis) ซึ่งเป็นสมมุติฐานที่เสนอเป็นครั้งแรกโดย เลสลี อังเกอร์เลเดอร์ และมอร์ติเมอร์ มิชกิน ในปี ค.ศ. 1982 ทางสัญญาณด้านหลัง ที่นิยมระบุว่า "เป็นทางสัญญาณบอกว่า ที่ไหน" มีบทบาทในการใส่ใจเกี่ยวกับปริภูมิ และเชื่อมต่อกับเขตสมองอื่น ๆ ที่สั่งการการเคลื่อนไหวตาและมือ นอกจากนั้นในเร็ว ๆ นี้ ทางสัญญาณนี้ยังได้รับชื่อว่า "ทางสัญญาณบอกว่า อย่างไร" เพื่อเน้นบทบาทในพฤติกรรมที่นำการเคลื่อนไหวร่างกายไปในส่วนต่าง ๆ ในปริภูมิ เปรียบเทียบกับทางสัญญาณด้านล่าง ที่นิยมระบุว่า "เป็นทางสัญญาณบอกว่า อะไร" ที่มีบทบาทในการรู้จำ ในการระบุ และในการจัดประเภทของสิ่งที่เห็น

อย่างไรก็ดี ก็ยังมีการอภิปรายกันถึงระดับของการทำงานเฉพาะหน้าที่ในทางสัญญาณทั้งสองนี้ เนื่องจากว่า ทางสัญญาณทั้งสองนี้มีการเชื่อมต่อไปหากันและกันอย่างหนาแน่น

การจัดประเภทของวัตถุที่เห็น จากงานวิจัยใช้ fMRI

อเล็กซานเดอร์ ฮูธ และคณะ ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์ ได้ทำงานวิจัยในมนุษย์ 5 คนที่ดูคลิปภาพยนตร์เป็นระยะเวลา 2 ช.ม. ในขณะที่มีการสร้างภาพสมองโดยเทคนิค fMRI ไปในขณะเดียวกัน การสร้างภาพสมองแต่ละครั้งบันทึกระดับการเดินโลหิตในส่วนต่าง ๆ ของสมองเป็นพัน ๆ ส่วน และเมื่อแปลงผลข้อมูลที่ได้โดยใช้วิธี Principal components analysis ก็ปรากฏว่าคอร์เทกซ์มีตำแหน่งกว่า 30,000 ตำแหน่งที่รองรับการจัดประเภทของสิ่งที่เห็นมากกว่า 1,700 ประเภท ฮูธและคณะได้ค้นพบแผนที่ (แสดงประเภทของสิ่งที่เห็น) ที่คาบเกี่ยวกัน ที่เป็นระเบียบอย่างยิ่ง ในพื้นที่มากกว่า 20% ในคอร์เทกซ์

ระบบการเห็นและการทรงตัว

พร้อมกับระบบการรับรู้อากัปกิริยา (proprioception) และ vestibular system ระบบการเห็นมีบทบาทสำคัญในการที่บุคคลสามารถควบคุมการทรงตัวและรักษาอากัปกิริยาที่ตั้งตรงไว้ได้ เมื่อแยกระบบสามอย่างเหล่านี้เป็นส่วน ๆ เพื่อที่จะทดสอบหน้าที่และอิทธิพลในการทรงตัว พบว่า การเห็นเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในการทรงตัว คือ สำคัญกว่าระบบทั้ง 2 ที่เหลือ ความชัดเจนที่บุคคลหนึ่งสามารถเห็นสิ่งที่อยู่แวดล้อม ขนาดของลานสายตา (visual field) ความอ่อนไหวต่อแสงบาดตา และความสามารถในการรับรู้ความลึก (คือระยะทางจากตัว) มีบทบาทสำคัญในการให้ข้อมูลป้อนกลับ (feedback) แก่สมอง เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของกายโดยสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม อะไรก็ตามที่มีอิทธิพลต่อตัวแปรเหล่านี้ สามารถทำให้เกิดผลลบแก่การทรงตัวและการทรงอากัปกิริยา ผลลบเช่นนี้ปรากฏในงานวิจัยกับผู้ใหญ่วัยชรา เมื่อเปรียบเทียบกับชนกลุ่มควบคุมที่มีวัยเยาว์ ในคนไข้โรคต้อหินเปรียบเทียบกับชนกลุ่มทดลองมีวัยเดียวกัน ในคนไข้ต้อกระจกเทียบกันช่วงก่อนและหลังศัลยกรรมเพื่อรักษาต้อ และแม้แต่ในเหตุการณ์ปกติธรรมดาเช่นการใส่แว่นนิรภัย การเห็นด้วยตาข้างเดียว (monocular vision) มีผลลบต่อการทรงตัว ดังปรากฏในงานวิจัยเกี่ยวกับคนไข้ต้อหินและต้อกระจกดังที่กล่าวไปแล้ว และในเด็กและผู้ใหญ่ที่ปกติด้วย

ตามงานวิจัยในปี ค.ศ. 2010 ของโปลล็อกและคณะ โรคหลอดเลือดสมองเป็นเหตุหลักในความเสื่อมทางการเห็น และที่เกิดบ่อยที่สุดคือการสูญเสียส่วนในลานสายตา (visual field loss) เช่นการสูญเสียการเห็นประเภท homonymous hemianopsia แต่ว่า ยังเป็นที่น่าเสียดายว่า หลักฐานแสดงประสิทธิภาพของวิธีรักษาที่มีค่าใช้จ่ายที่เหมาะสม ที่ได้สร้างขึ้นเพื่อแก้ไขปัญหาลานสายตาเหล่านี้ ยังไม่มีความชัดเจน

ดูเพิ่ม

• ภาวะไม่รู้ความเคลื่อนไหว (Akinetopsia)
• ภาวะเสียการระลึกรู้ทางตาแบบวิสัญชาน (Apperceptive visual agnosia)
• ภาวะเสียการระลึกรู้ทางตาแบบสัมพันธ์ (Associative visual agnosia)
• สายตาเอียง (Astigmatism)
• ตาบอดสี (Color blindness)
• ภาวะไม่รู้ใบหน้า (Prosopagnosia)
• ภาวะเสียการระลึกรู้ทางตา (Visual agnosia)
  

แสง

ปริซึมสามเหลี่ยมกระจายลำแสงขาว ลำที่ความยาวคลื่นมากกว่า (สีแดง) กับลำที่ความยาวคลื่นน้อยกว่า (สีม่วง) แยกจากกัน

แสง (อังกฤษ: light) คือ คลื่นชนิดหนึ่งและมีพลังงานการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองเห็น หรือบางครั้งอาจรวมถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีอินฟราเรดถึงรังสีอัลตราไวโอเลตด้วย

สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าและแสงที่เห็นได้

แสงคือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในช่วง สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สามารถมองเห็นได้ คือ อยู่ในย่านความถี่ 380 THz (3.8×10¹⁴ เฮิรตซ์) ถึง 789 THz (7.5×10¹⁴ เฮิรตซ์) จากความสัมพันธ์ระหว่าง ความเร็ว ($v$) ความถี่ ($f$ หรือ $\nu$) และ ความยาวคลื่น ($\lambda$) ของแสง:

$v=f~\lambda \,\!$

และ ความเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่าคงที่ ดังนั้นเราจึงสามารถแยกแยะแสงโดยใช้ตามความยาวคลื่นได้ โดยแสงที่เรามองเห็นได้ข้างต้นนั้นจะมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 นาโนเมตร (ย่อ 'nm') และ 800 nm (ในสุญญากาศ)

การมองเห็นของมนุษย์นั้นเป็นผลมาจากภาวะอนุภาคของแสงโดยเฉพาะ เกิดจากการที่ก้อนพลังงาน (อนุภาคโฟตอน) แสง ไปกระตุ้น เซลล์รูปแท่งในจอตา(rod cell) และ เซลล์รูปกรวยในจอตา (cone cell) ที่จอตา (retina) ให้ทำการสร้างสัญญาณไฟฟ้าบนเส้นประสาท และส่งผ่านเส้นประสาทตาไปยังสมอง ทำให้เกิดการรับรู้มองเห็น

ทัศนศาสตร์

การหักเหของแสง

แสงนั้นวิ่งผ่านตัวกลางด้วยความเร็วจำกัด ความเร็วของแสงในสุญญากาศ c จะมีค่า c = 299,792,458 เมตร ต่อ วินาที (186,282.397 ไมล์ ต่อ วินาที) โดยไม่ขึ้นกับว่าผู้สังเกตการณ์นั้นเคลื่อนที่หรือไม่ เมื่อแสงวิ่งผ่านตัวกลางโปร่งใสเช่น อากาศ น้ำ หรือ แก้ว ความเร็วแสงในตัวกลางจะลดลงซึ่งเป็นเหตุให้เกิดปรากฏการณ์การหักเหของแสง คุณลักษณะของการลดลงของความเร็วแสงในตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงนี้จะวัดด้วย ดรรชนีหักเหของแสง (refractive index) n โดยที่

$n={\frac {c}{v}}\;\!$

โดย n=1 ในสุญญากาศ และ n>1 ในตัวกลาง

เมื่อลำแสงวิ่งผ่านเข้าสู่ตัวกลางจากสุญญากาศ หรือวิ่งผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง แสงจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงความถี่ แต่เปลี่ยนความยาวคลื่นเนื่องจากความเร็วที่เปลี่ยนไป ในกรณีที่มุมตกกระทบของแสงนั้นไม่ตั้งฉากกับผิวของตัวกลางใหม่ที่แสงวิ่งเข้าหา ทิศทางของแสงจะถูกหักเห ตัวอย่างของปรากฏการณ์หักเหนี้เช่น เลนส์ต่างๆ ทั้งกระจกขยาย คอนแทคเลนส์ แว่นสายตา กล้องจุลทรรศน์ กล้องส่องทางไกล

อัตราเร็ว

บทความหลัก: อัตราเร็วของแสง

นักฟิสิกส์หลายคนได้พยายามทำการวัดความเร็วของแสง การวัดแรกสุดที่มีความแม่นยำนั้นเป็นการวัดของ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Ole Rømer ในปี ค.ศ. 1676 เขาได้ทำการคำนวณจากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวพฤหัสบดี และ ดวงจันทร์ไอโอ ของดาวพฤหัสบดี โดยใช้กล้องดูดาว เขาได้สังเกตความแตกต่างของช่วงการมองเห็นรอบของการโคจรของดวงจันทร์ไอโอ และได้คำนวณค่าความเร็วแสง 227,000 กิโลเมตร ต่อ วินาที (ประมาณ 141,050 ไมล์ ต่อ วินาที)

การวัดความเร็วของแสงบนโลกนั้นกระทำสำเร็จเป็นครั้งแรกโดย Hippolyte Fizeau ในปี ค.ศ. 1849 เขาทำการทดลองโดยส่องลำของแสงไปยังกระจกเงาซึ่งอยู่ห่างออกไปหลายพันเมตรผ่านซี่ล้อ ในขณะที่ล้อนั้นหมุนด้วยความเร็วคงที่ ลำแสงพุ่งผ่านช่องระหว่างซี่ล้อออกไปกระทบกระจกเงา และพุ่งกลับมาผ่านซี่ล้ออีกซี่หนึ่ง จากระยะทางไปยังกระจกเงา จำนวนช่องของซี่ล้อ และความเร็วรอบของการหมุน เขาสามารถทำการคำนวณความเร็วของแสงได้ 313,000 กิโลเมตร ต่อ วินาที

Albert A. Michelson ได้ทำการพัฒนาการทดลองในปี ค.ศ. 1926 โดยใช้กระจกเงาหมุน ในการวัดช่วงเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปกลับจาก ยอด Mt. Wilson ถึง Mt. San Antonio ในรัฐแคลิฟอร์เนีย ซึ่งการวัดนั้นได้ 186,285 ไมล์/วินาที (299,796 กิโลเมตร/วินาที) ค่าความเร็วแสงประมาณหรือค่าปัดเศษที่เราใช้กันในทุกวันนี้คือ 300,000 km/s and 186,000 miles/s.

หน่วยและการวัด

หน่วยที่ใช้ในการวัดแสง

• ความจ้า (brightness) หรือ อุณหภูมิ(temperature)
• ความสว่าง (illuminance หรือ illumination) (หน่วยSI: ลักซ์ (lux))
• ฟลักซ์ส่องสว่าง (luminous flux) (หน่วย SI: ลูเมน (lumen))
• ความเข้มของการส่องสว่าง (luminous intensity) (หน่วย SI: แคนเดลา (candela))

นอกจากนี้ยังมี:

• ความสุกใสของแสง (brilliance) หรือ แอมปลิจูด (amplitude)
• สี (color) หรือ ความถี่ (frequency)
• โพลาไรเซชั่น (polarization) หรือ มุมการแกว่งของคลื่น (angle of vibration)

หน่วย SI ของแสง
ปริมาณ	หน่วย SI	ตัวย่อ	หมายเหตุ
พลังงานของการส่องสว่าง	จูล (joule)	J
ฟลักซ์ส่องสว่าง (Luminous flux)	ลูเมน (lumen) หรือ แคนเดลา • สเตอเรเดียน (candela • steradian)	lm	อาจเรียกว่า กำลังของความสว่าง (Luminous power)
ความเข้มของการส่องสว่าง (Luminous intensity)	แคนเดลา (candela)	cd
ความเข้มของความสว่าง (Luminance)	แคนเดลา/ตารางเมตร (candela/square metre)	cd/m2	อาจเรียกว่า ความหนาแน่นของความเข้มการส่องสว่าง
ความสว่าง (Illuminance)	ลักซ์ (lux) หรือ ลูเมน/ตารางเมตร	lx
ประสิทธิภาพการส่องสว่าง (Luminous efficacy)	ลูเมน ต่อ วัตต์ (lumens per watt)	lm/W

ดูเพิ่ม

• หลักการของไฮเกนส์
• โฟตอนิกส์
  

เสียง

แผนภูมิแสดงการได้ยินเสียง (น้ำเงิน : คลื่นเสียง; แดง: แก้วหู; เหลือง: คลอเคลีย; เขียว: เซลล์รับรู้การได้ยิน; ม่วง : สเปกตรัมความถี่ ของการตอบสนองการได้ยิน; ส้ม: อิมพัลส์ประสาท)

เสียง เป็นคลื่นเชิงกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถเดินทางผ่านสสารในสถานะก๊าซ ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้

เมื่อการสั่นสะเทือนนั้นมาถึงหู มันจะถูกแปลงเป็นพัลส์ประสาท ซึ่งจะถูกส่งไปยังสมอง ทำให้เรารับรู้และจำแนกเสียงต่างๆ ได้

คุณลักษณะของเสียง

คุณลักษณะเฉพาะของเสียง ได้แก่ ความยาวช่วงคลื่น แอมปลิจูด และความเร็ว

เสียงแต่ละเสียงมีความแตกต่างกัน เสียงสูง-เสียงต่ำ, เสียงดัง-เสียงเบา, หรือคุณภาพของเสียงลักษณะต่างๆ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดเสียง และจำนวนรอบต่อวินาทีของการสั่นสะเทือน

ความถี่

ระดับเสียง (pitch) หมายถึง เสียงสูงเสียงต่ำ สิ่งที่ทำให้เสียงแต่ละเสียงสูงต่ำแตกต่างกันนั้น ขึ้นอยู่กับความเร็วในการสั่นสะเทือนของวัตถุ วัตถุที่สั่นเร็วเสียงจะสูงกว่าวัตถุที่สั่นช้า โดยจะมีหน่วยวัดความถี่ของการสั่นสะเทือนต่อวินาที เช่น 60 รอบต่อวินาที, 2,000 รอบต่อวินาที เป็นต้น และนอกจาก วัตถุที่มีความถี่ในการสั่นสะเทือนมากกว่า จะมีเสียงที่สูงกว่าแล้ว หากความถี่มากขึ้นเท่าตัว ก็จะมีระดับเสียงสูงขึ้นเท่ากับ 1 ออกเตฟ (octave) ภาษาไทยเรียกว่า 1 ช่วงคู่แปด

ความยาวช่วงคลื่น

ความยาวช่วงคลื่น (wavelength) หมายถึง ระยะทางระหว่างยอดคลื่นสองยอดที่ติดกันซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการอัดตัวของคลื่นเสียง (คล้ายคลึงกับยอดคลื่นในทะเล) ยิ่งความยาวช่วงคลื่นมีมาก ความถึ่ของเสียง (ระดับเสียง) ยิ่งต่ำลง

แอมปลิจูด

แอมปลิจูด (amplitude) หมายถึง ความสูงระหว่างยอดคลื่นและท้องคลื่นของคลื่นเสียง ที่แสดงถึงความเข้มของเสียง (Intensity) หรือความดังของเสียง (Loudness) ยิ่งแอมปลิจูดมีค่ามาก ความเข้มหรือความดังของเสียงก็ยิ่งเพิ่มขึ้น

แหล่งข้อมูลอื่น

• เสียง จาก icphysics.com

คลื่น

สำหรับความหมายอื่น ดูที่ คลื่นน้ำ

ผิวน้ำถูกรบกวน เกิดเป็นคลื่นแผ่กระจายออกรอบข้าง

คลื่น: 1.&2. คลื่นตามขวาง 3. คลื่นตามยาว

คลื่น หมายถึง ลักษณะของการถูกรบกวน ที่มีการแผ่กระจาย เคลื่อนที่ออกไป ในลักษณะของการกวัดแกว่ง หรือกระเพื่อม และมักจะมีการส่งถ่ายพลังงานไปด้วย คลื่นเชิงกลซึ่งเกิดขึ้นในตัวกลาง (ซึ่งเมื่อมีการปรับเปลี่ยนรูป จะมีความแรงยืดหยุ่นในการดีดตัวกลับ) จะเดินทางและส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในตัวกลาง โดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนตำแหน่งอย่างถาวรของอนุภาคตัวกลาง คือไม่มีการส่งถ่ายอนุภาคนั่นเอง แต่จะมีการเคลื่อนที่แกว่งกวัด (oscillation) ไปกลับของอนุภาค อย่างไรก็ตามสำหรับ การแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และ การแผ่รังสีแรงดึงดูด นั้นสามารถเดินทางในสุญญากาศได้ โดยไม่ต้องมีตัวกลาง

ลักษณะของคลื่นนั้น จะระบุจาก สันคลื่น หรือ ยอดคลื่น (ส่วนที่มีค่าสูงขึ้น) และ ท้องคลื่น (ส่วนที่มีค่าต่ำลง) ในลักษณะ ตั้งฉากกับทิศทางเดินคลื่น เรียก "คลื่นตามขวาง" (transverse wave) หรือ ขนานกับทิศทางเดินคลื่น เรียก "คลื่นตามยาว" (longitudinal wave)

ตัวกลางของคลื่น

ตัวกลางที่คลื่นใช้ในการแผ่กระจายออก แบ่งออกเป็นประเภทได้ตามคุณลักษณะต่อไปนี้:

• ตัวกลางเชิงเส้น มีคุณสมบัติที่ขนาดของผลรวมคลื่น ที่จุดใด ๆ ในตัวกลางมีขนาดเท่ากับผลบวกของขนาดของคลื่นต่างขบวนกัน
• ตัวกลางจำกัด คือ ตัวกลางที่มีขนาดจำกัด
• ตัวกลางเนื้อเดียว คือ ตัวกลางที่มีคุณสมบัติเหมือนๆ กันในทุกตำแหน่ง
• ตัวกลางไอโซทรอปิก คือ ตัวกลางที่มีคุณสมบัติ ไม่ขึ้นกับทิศทาง

คุณสมบัติของคลื่น

คลื่นทุกประเภทจะมีพฤติกรรมร่วมที่เหมือนกันภายใต้สภาวะปกติ โดยมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ คือ

• การสะท้อน (en:reflection) คลื่นเปลี่ยนทิศทางโดยการสะท้อนเมื่อตกกระทบพื้นผิว
• การหักเห (en:refraction) คลื่นเปลี่ยนทิศทางเมื่อเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง
• การเลี้ยวเบน (en:diffraction) คลื่นเคลื่อนที่ขยายวงออกเรื่อยๆ เช่น ลำคลื่นที่วิ่งผ่านออกจากช่องแคบๆ จะมีลักษณะขยายขนาดลำออก
• การแทรกสอด (en:inference) เกิดจากการซ้อนทับกันของคลื่น เมื่อวิ่งมาตัดกัน
• การกระจาย (en:dispersion) องค์ประกอบที่ความถี่ต่างกันของคลื่น จะมีการแยกตัวออกห่างจากกัน
• การแผ่เชิงเส้นตรง (en:rectilinear propagation) การเคลื่อนที่ของคลื่นเป็นเส้นตรง

ลักษณะทางกายภาพของคลื่น

ค่าที่ใช้ในการระบุรูปร่างของคลื่น คือ ความถี่ ความยาวคลื่น แอมพลิจูด คาบ

แอมพลิจูด $\,A\,$ นั้นวัดจากขนาด ของการรบกวนตัวกลาง ที่มากที่สุด ในช่วงหนึ่งคาบ โดยมีหน่วยของการวัดขึ้นกับประเภทของคลื่น เช่น คลื่นในเส้นเชือกมีหน่วยการวัดเป็นระยะทาง (เช่น เมตร) ส่วนคลื่นเสียงมีหน่วยการวัดเป็นความดัน (เช่น ปาสกาล) และ คลื่นเม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยการวัดเป็น ค่าตามขนาดสนามไฟฟ้า (โวลต์/เมตร) ค่าแอมพลิจูดนั้นอาจมีค่าเป็นคงที่ $\,A_{o}\,$ (เรียกคลื่นประเภทนี้ว่า คลื่นต่อเนื่อง (continuous wave) ย่อ c.w. หรือ อาจมีค่าเปลี่ยนแปลงตามเวลา และ ตำแหน่ง $\,A(t,z)\,$ (หากคลื่นเคลื่อนที่ไปในทิศทาง $\,z\,$) การเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูด เรียกว่า ซอง (envelope) ของคลื่น

คาบ $\,T\,$ เป็นช่วงเวลาที่คลื่นใช้ในการวนครบรอบในการกวัดแกว่ง ความถี่ $\,f\,$ คือ จำนวนรอบที่คลื่นกวัดแกว่งครบรอบ ในหนึ่งหน่วยเวลา (เช่น ใน 1 วินาที) และมีหน่วยของการวัดเป็น เฮิรตซ์ โดยมีความสัมพันธ์

$f={\frac {1}{T}}$

บางครั้งสมการทางคณิตศาสตร์ของคลื่นอาจอยู่ในรูปของ ความถี่เชิงมุม (en:angular frequency) นิยมใช้สัญลักษณ์ $\,\omega \,$ และมีหน่วนเป็น เรเดียนต่อวินาที และมีความสัมพันธ์กับ $\,f\,$ ดังต่อไปนี้

$f={\frac {\omega }{2\pi }}$

การเคลื่อนที่ของคลื่น

คลื่นนิ่ง - จุดสีแดง คือ บัพของคลื่น

คลื่นที่ไม่เคลื่อนที่เรียก คลื่นนิ่ง (standing wave) เช่น การสั่นของสายไวโอลิน ส่วนคลื่นที่มีการเคลื่อนย้ายตำแหน่งเรียก คลื่นเคลื่อนที่ (travelling wave) การรบกวนในตัวกลางนั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา $\,t\,$ และ ระยะทาง $\,z\,$ (กรณีทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น คือ $\,z\,$) อยู่ในรูปทางคณิตศาสตร์ คือ

$\,y=A(z,t)\cos(\omega t-kz+\phi )\,$

โดย $\,A(z,t)\,$ คือ ซองแอมพลิจูดของคลื่น $\,k\,$ คือ เลขคลื่น (wave number) $\,\phi \,$ คือ เฟส และ $\,v\,$ คือ ความเร็วของคลื่น

$v={\frac {\omega }{k}}=\lambda f$

โดย $\,\lambda \,$ คือ ความยาวคลื่น

สมการคลื่น

สมการคลื่นเป็นสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย ใช้จำลองพฤติกรรมของคลื่นฮาร์มอนิกเคลื่อนที่ในตัวกลาง สมการคลื่นมีหลายรูปแบบขึ้นกับลักษณะการส่งผ่านของคลื่น และ คุณสมบัติของตัวกลาง ตัวคลื่นก็มีรูปร่างหลากหลาย ไม่จำเป็นจะต้องเป็นคลื่นรูปไซน์เสมอไป

สมการคลื่นในรูปทั่วไป คือ

$\nabla ^{2}\phi ={1 \over c^{2}}{\partial ^{2}\phi \over \partial t^{2}}\qquad$ และ ใน 1 มิติตามแนวแกน x คือ ${\frac {\partial ^{2}\phi }{\partial x^{2}}}={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}\phi }{\partial t^{2}}}$

และ คำตอบในรูปทั่วไป (กรณี 1 มิติ ในแนวแกน x) ซึ่งค้นพบโดยดาเลมแบร์ คือ

$\,\phi (x,t)=F(x-ct)+G(x+ct)\,$

ใช้หมายถึงรูปร่างของคลื่น 2 ลูก โดยที่ $\,F\,$ เคลื่อนที่ไปในทิศทาง +x และ $\,G\,$ เคลื่อนที่ไปในทิศทาง -x

นอกจากสมการคลื่น ดังกล่าวข้างต้นแล้ว ยังมีสมการคลื่นชนิดอื่นๆ รวมถึงสมการไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งอาจทำให้เกิดการเคลื่อนมวลสารได้ด้วย เช่น สมการเชรอดิงเงอร์ (en:Schrödinger equation) ซึ่งใช้ในการจำลองพฤติกรรมเชิงคลื่นของอนุภาคในกลศาสตร์ควอนตัม โดยมีคำตอบของสมการเป็นฟังก์ชันคลื่น ที่บ่งบอกถึงความน่าจะเป็นของอนุภาค

ตัวอย่างของคลื่น

คลื่นปะทะชายฝั่ง

• คลื่นเชิงกล
  • คลื่นทะเล (en:ocean surface wave) หรือ คลื่นผิวทะเล
  • เสียง
  • คลื่นบนสายเครื่องดนตรี (en:vibrating string)
• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
  • แสงที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า
  • คลื่นวิทยุ
  • รังสีเอกซ์
  • รังสีแกมมา
  • รังสีอัลตราไวโอเลต หรือรังสีเหนือม่วง
  • รังสีอินฟราเรด หรือรังสีใต้แดง
• คลื่นสนามแรงโน้มถ่วง (en:gravitational wave) (ต่างจากคลื่นจากแรงโน้มถ่วง (en:gravity wave) ซึ่งเป็นคลื่นในของไหล)

ในชีวิตประจำวันคลื่นมีอยู่มากมายเช่น คลื่นน้ำ คลื่นเสียง คลื่นแสง เป็นต้น ซึ่งคลื่นเกิดขึ้นได้อย่างไร เราตอบปัญหานี้ได้ โดยพิจารณาคลื่นน้ำเป็นตัวอย่าง   เช่น การวางเศษไม้  หรือวัสดุที่ลอยน้ำได้ลงบนผิวน้ำ แล้วเราโยนก้อนหิน หรือตีน้ำทำให้เกิดคลื่น จะสังเกตเห็นเศษไม้ หรือวัสดุจะกระเพื่อมขึ้นลงอยู่กับที่ แต่จะไม่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น แสดงให้เห็นว่า การเกิดคลื่นเป็นการถ่ายโอนพลังงานโดยผ่านโมเลกุลของน้ำ ซึ่งโมเลกุลของน้ำ ( ตัวกลาง ) จะไม่เคลื่อนที่ไปกับคลื่น ปรากฏการณ์เช่นนี้สรุปได้ว่าวัตถุได้รับพลังงานมาจากคลื่น เราจึงสรุปได้ว่าคลื่นเกิดจากการรบกวนตัวกลาง( ในที่นี้คือน้ำ)ซึ่งสิ่งที่คลื่นพาไปคือพลังงานในรูปของการสั่น และสิ่งที่รบกวนตัวกลางเราเรียกว่าแล่งกำเนิดคลื่น 

ชนิดของคลื่น ชนิดของคลื่น จำแนกตามลักษณะการอาศัยตัวกลาง แบ่งได้ 2 ประเภทคือ 1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic waves) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง สามารถเคลื่อนที่ในสุญญากาศได้ เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุและโทรทัศน์ คลื่นไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา เป็นต้น 2. คลื่นกล (Mechanical wave) เป็นคลื่นที่เคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลางซึ่งอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซก็ได้ เช่น คลื่นเสียง คลื่นที่ผิวน้ำ คลื่นในเส้นเชือก คลื่นสปริง เป็นต้น จำแนกตามลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคของตัวกลางที่ถูกรบกวน แบ่งได้ 2 ประเภทคือ 1. คลื่นตามขวาง (Transverse waves) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นแสง คลื่นในเส้นเชือก คลื่นที่ผิวน้ำ 2. คลื่นตามยาว (Longitudinal waves) เป็นคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางเคลื่อนที่ไปมาในแนวเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น คลื่นเสียง คลื่นในสปริง จำแนกตามลักษณะการเกิดคลื่นหรือการรบกวน แบ่งได้ 2 ประเภท คือ 1. คลื่นดล (Pulse waves) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเพียงครั้งเดียว 2 คลื่นต่อเนื่อง (Continuous waves) เป็นคลื่นที่เกิดจากแหล่งกำเนิดถูกรบกวนเป็นจังหวะต่อเนื่องหลายๆครั้ง

คลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุ (อังกฤษ: Radio waves) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นในช่วงความถี่วิทยุบนเส้นสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าซึงสามารถใช้ต้มน้ำร้อนได้แล้วช่วยลดโลกร้อนได้เป็นการบวกที่ดี

เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ เป็นผู้ค้นพบระหว่างการตรวจสอบทางคณิตศาสตร์ เมื่อ ปี ค.ศ. 1865 จากการสังเกตคุณสมบัติของแสงบางประการที่คล้ายคลึงกับคลื่น และคล้ายคลึงกับผลการเฝ้าสังเกตกระแสไฟฟ้าและแม่เหล็ก เขาจึงนำเสนอสมการที่อธิบายคลื่นแสงและคลื่นวิทยุในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางในอวกาศ ปี ค.ศ. 1887 เฮนริค เฮิร์ตซ ได้สาธิตสมการของแมกซ์เวลล์ว่าเป็นความจริงโดยจำลองการสร้างคลื่นวิทยุขึ้นในห้องทดลองของเขา หลังจากนั้นก็มีสิ่งประดิษฐ์ต่างๆ เกิดขึ้นมากมาย และทำให้เราสามารถนำคลื่นวิทยุมาใช้ในการส่งข้อมูลผ่านห้วงอวกาศได้

นิโคลา เทสลา และกูลเยลโม มาร์โกนี ได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้ประดิษฐ์ระบบที่นำคลื่นวิทยุมาใช้ในการสื่อสาร

คุณสมบัติของคลื่นวิทยุ

การสะท้อน

การสะท้อนกลับของคลื่นวิทยุ คือ การเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นในทันที เมื่อคลื่นนั้นไปกระทบกับตัวกลางขนาดใหญ่

การหักเห

การหักเหของคลื่นวิทยุจะเกิดขึ้น เมื่อคลื่นวิทยุเดินทางจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีคุณสมบัติของไฟฟ้าไม่เหมือนกัน เช่นเดียวกับเวลาเราส่องไฟฉายลงให้ผิวน้ำจะมีทั้งแสงที่ทะลุลงไปใต้น้ำกับแสงที่สะท้อนกลับมา

การหักเหของคลื่นวิทยุ ซึ่งความเร็วของคลื่นวิทยุจะมีการเดินทางผ่านตัวกลางที่แตกต่างกันด้วยความเร็วที่ไม่เท่ากัน รูปแบบการหักเหของคลื่นวิทยุที่เดินทางไปยังน้ำ จะมีการเดินทางช้าลง แต่ส่วนที่ยังคงอยู่ในอากาศจะเดินทางได้เร็วกว่า

การเลี้ยวเบน

การเบี่ยงเบนของคลื่นวิทยุเกิดจาก เมื่อคลื่นวิทยุเดินทางผ่านมุมของตัวกลางที่คลื่นไม่สามารถผ่านได้ เช่น หากต้องการส่งสัญญาณผ่านยอดเขา และมีคุณสมบัติเดินทางเป็นเส้นตรง ส่วนที่อยู่หลังเขา น่าจะรับสัญญาณไม่ได้ แต่จะมีบางส่วนที่อยู่หลังเขา และซึ่งเป็นพื้นดินที่อยู่ห่างออกไป จะรับสัญญาณได้แต่ไม่แรงมากนัก ในความถี่ต่ำๆ จะมีการเบี่ยงเบนได้มากกว่าในความถี่สูงๆ และคลื่นวิทยุจะมีการเบี่ยงเบนได้มากกว่าแสง แต่น้อยกว่าคลื่นเสียง

ระบบการผสมคลื่นวิทยุเข้ากับคลื่นเสียง

ระบบการผสมคลื่นวิทยุเข้ากับคลื่นเสียงสามารถทำได้ 2 วิธี

เอเอ็ม

ระบบเอเอ็ม (AM) หรือเรียกว่า การผสมทางความสูงของคลื่นเสียง (Amplitude Modulation) เป็นการผสมโดยนำคลื่นเสียงไปรวมกับคลื่นพาหะหรือคลื่นวิทยุ ทำให้ความสูงของคลื่นวิทยุเปลี่ยนแปลงไปตามคลื่นเสียง ทำให้วิทยุ AM จะให้คุณภาพของเสียงไม่ดีมากนัก เกิดการรบกวนได้ง่าย โดยเฉพาะการถูกรบกวนจากธรรมชาติ เช่น หากสภาพอากาศแปรปรวน มีฝนตก ฟ้าผ่า จำทำให้เสียงขาดๆหายๆ เป็นช่วงๆ การส่งวิทยุ AM สามารถแบ่งความถี่ในการใช้งานออกเป็นช่วงคลื่น (Band) ได้ดังนี้

• 1.1 Long Wave (LW) อยู่ในช่วงความถี่ตั้งแต่ 30-300 kHz
• 1.2 Medium Wave (MW) อยู่ในช่วงความถี่ตั้งแต่ 535-1605 kHz ส่วนใหญ่จะใช้ในประเทศไทยเป็นจำนวนกว่า 200 สถานี โดยทั่วไปสามารถส่งได้ไกลประมาณ 200 กิโลเมตร
• 1.3 Shot Wave (SW) อยู่ในช่วงความถี่ตั้งแต่ 3-30MHz สามารถส่งไปได้ไกลนับพันกิโลเมตร แต่มีคุณภาพเสียงไม่ดี

เอฟเอ็ม

ระบบเอฟเอ็ม (FM) หรือเรียกว่า การผสมคลื่นทางความถี่ (Frequency Modulation) ส่งด้วยความถี่ระหว่าง 88-108 MHz เป็นการผสมระหว่างคลื่นวิทยุและคลื่นเสียงแล้ว จะมีความถี่เปลี่ยนแปลงไปตามคลื่นเสียงไม่สม่ำเสมอ แต่มีความสูงของคลื่นวิทยุยังคงเดิม ทำให้เสียงมีคุณภาพดี ไม่มีสัญญาณรบกวนถึงแม้จะอยู่ในสภาพอากาศที่แปรปรวน แต่สามารถส่งได้ในระยะทางไม่ไกลมาก ประมาณ 150 กิโลเมตร ในประเทศไทยมีสถานีวิทยุที่ใช้ระบบนี้กว่า 100 สถานี ทั่วประเทศ นิยมใช้การส่งแบบ สเตอริโอหรือที่เรียกว่า ระบบ FM Sterio Multiplex เครื่องรับวิทยุจะสามารถแยกสัญญาณออกเป็น 2 ข้างคือ สัญญาณที่ใช้สำหรับลำโพงด้านซ้าย (F) และสัญญาณที่ใช้สำหรับลำโพงด้านขวา (L)

แถบคลื่นวิทยุบนสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

คลื่นวิทยุแบ่งออกเป็นหลายแถบความถี่ (ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นสึนามิ) ดังแสดงในตารางแจกแจงความถี่ของวิทยุข้างล่างนี้

ชื่อแถบ	ตัวย่อ	ITU band	ความถี่และ ความยาวคลื่นในอากาศ	ตัวอย่างการใช้งาน
			< 3 Hz > 100,000 km
Extremely low frequency	ELF	1	3-30 Hz 100,000 km - 10,000 km	การสื่อสารกับเรือดำน้ำ
Super low frequency	SLF	2	30-300 Hz 10,000 km - 1000 km	การสื่อสารกับเรือดำน้ำ
Ultra low frequency	ULF	3	300-3000 Hz 1000 km - 100 km	การสื่อสารภายในเหมือง
Very low frequency	VLF	4	3-30 kHz 100 km - 10 km	การสื่อสารกับเรือดำน้ำ, avalanche beacons, การตรวจจับคลื่นหัวใจแบบไร้สาย, ฟิสิกส์ธรณีวิทยา
Low frequency	LF	5	30-300 kHz 10 km - 1 km	การเดินเรือ, สัญญาณเวลา, การกระจายสัญญาณแบบคลื่นยาว (AM), RFID
Medium frequency	MF	6	300-3000 kHz 1 km - 100 m	การกระจายสัญญาณ AM แบบคลื่นปานกลาง
High frequency	HF	7	3-30 MHz 100 m - 10 m	วิทยุคลื่นสั้น, วิทยุสมัครเล่น และการสื่อสารของอากาศยานเหนือเส้นขอบฟ้า, RFID
Very high frequency	VHF	8	30-300 MHz 10 m - 1 m	วิทยุ FM, การกระจายสัญญาณโทรทัศน์, การสื่อสารระหว่างภาคพื้นกับอากาศยาน หรืออากาศยานกับอากาศยานที่มองเห็นในสายตา, การสื่อสารโทรศัพท์เคลื่อนที่บนภาคพื้น
Ultra high frequency	UHF	9	300-3000 MHz 1 m - 100 mm	การกระจายสัญญาณโทรทัศน์, เครื่องอบไมโครเวฟ, โทรศัพท์เคลื่อนที่, wireless LAN, บลูทูธ, GPS, คลื่น3G และการสื่อสารวิทยุสองทางอื่นๆ เช่น Land Mobile, วิทยุ FRS และวิทยุ GMRS
Super high frequency	SHF	10	3-30 GHz 100 mm - 10 mm	อุปกรณ์ไมโครเวฟ, wireless LAN, เรดาร์สมัยใหม่
Extremely high frequency	EHF	11	30-300 GHz 10 mm - 1 mm	ดาราศาสตร์วิทยุ, high-speed microwave radio relay
			Above 300 GHz < 1 mm

ดูเพิ่ม

• ความถี่วิทยุ
  

โทรทัศน์

เครื่องรับโทรทัศน์ Braun HF 1 จากเยอรมนี สมัยปี พ.ศ. 2501

โทรทัศน์ เป็นระบบโทรคมนาคมสำหรับการกระจายและรับภาพเคลื่อนไหวและเสียงระยะไกล คำนี้ยังหมายถึงรายการโทรทัศน์และการแพร่ภาพอีกด้วย คำว่าโทรทัศน์ในภาษาไทย มีที่มาจากคำในภาษาอังกฤษ คือ television ซึ่งเป็นคำผสมจากคำกรีก tele- ("ระยะไกล" — โทร-) และ -vision ที่มาจากภาษาละติน visio ("การมองเห็น" — ทัศน์) มักเรียกย่อเป็น TV (ทีวี)

เครื่องรับโทรทัศนขาว-ดำเครื่องแรกของโลก สร้างขึ้นในปีพ.ศ. 2468 โดยเป็นผลงานการประดิษฐ์ของจอห์น ลอกกี้ เบรียด ชาวสกอตแลนด์

ตัวเลขที่ถูกบังคับให้ส่งคลื่น

• VHF มีจำนวน 12 ช่อง คือ ช่อง 1-12 บางกรณีอาจถึง 13 ช่อง คือจนถึงช่อง 13 นั้นเอง (บางครั้งก็ใช้ตัวอักษรโรมัน เรียกการส่งคลื่นในบางประเทศ)
• UHF มีจำนวน 72 ช่อง คือ ช่อง 13-84 บางกรณีอาจเริ่มตั้งแต่ช่อง 14 เพราะฉะนั้นมาตรฐานอาจจะเหลือเป็น 71 ช่อง

ทั้งนี้ บางประเทศอาจส่งโทรทัศน์มากกว่ามาตรฐานก็ว่าได้ ยกตัวอย่างเช่น มีบางประเทศอาจจะส่งโทรทัศน์ในระบบวีเอชเอฟตั้งแต่ช่อง 1 ถึงช่อง 18 และระบบยูเอชเอฟตั้งแต่ช่อง 19 ถึงช่อง 72 เป็นต้น และระบบทั้ง 2 เป็นช่องส่งสัญญาณโทรทัศน์ที่กำหนดได้แน่นอนที่สุด แม้จะออกอากาศโดยใช้เสาอากาศภาคพื้นดิน

คลื่นความถี่ส่ง

แบ่งเป็น 3 ประเภทดังนี้

ประเภทเครื่องส่งกับเสาอากาศภาคพื้นดิน

• ระบบวีเอชเอฟ
• ระบบยูเอชเอฟ

ประเภทเครื่องส่งกับดาวเทียม

• ระบบอีเอชเอฟ สำหรับผ่านดาวเทียม

ประเภทอื่น

• เคเบิลทีวี ใช้กับสายไฟเบอร์ออฟติกและดาวเทียม

ประเภทของโทรทัศน์

ขนาดภาพของโทรทัศน์ส่วนใหญ่ที่ส่งมาตามบ้านมักจะมีขนาดเล็กมากกว่าจอเครื่องรับโทรทัศน์ทั่วไป ขนาดของโทรทัศน์ที่แสดงในตารางเป็นขนาดอย่างน้อยที่สุดที่ภาพจะไม่ถูกบีบอัดให้เล็กลง โดยทั่วไปมักใช้ SDTV ที่ภาพมีขนาดพอดีกับ 8 นิ้วแต่ภาพก็จะมาถูกขยายให้ใหญ่เท่ากับขนาดของเครื่องรับโทรทัศน์ที่อยู่ตามบ้านซึ่งอาจอยู่ที่ 14-28 นิ้ว ส่วนเครื่องรับโทรทัศน์ตั้งแต่แบบ HDTV ขึ้นไปจะเป็นการส่งสัญญาณภาพที่มีขนาดใหญ่มากกว่าเพื่อความชัดของภาพ และโดยทั่วไปมักใช้เครื่องรับโทรทัศน์ขนาด 32 นิ้วขึ้นไปในการรับชมแบบความละเอียดสูง ถ้าเครื่องรับโทรทัศน์ตามบ้านมีขนาดเล็กกว่าขนาดของภาพที่ส่งมา ภาพก็จะถูกบีบอัดให้เล็กลงตามขนาดของเครื่องรับโทรทัศน์

led tv (Light Emitting Diode) อีกหนึ่งจอภาพที่ถูกพัฒนามาจากแอลซีดีเปลี่ยนการใช้หลอด CCFL มาเป็นหลอดแอลอีดีทำงานร่วมกับ Liquid Crystal บิดแสงสีขาวผ่านแม่สีทั้งสาม (แดง , น้ำเงิน , เขียว) ที่มีคุณบัติเหนือกว่าทั้งการแสดงผลและประหยัดพลังงาน ทำให้ดีไซน์ led tv ในปัจจุบันบันมีความบางลงมากกลายเป็นเฟอร์นิเจอร์ชิ้นสำคัญภายในบ้าน หน้าจอ led tv ถูกพัฒนาจนได้ความคมชัดระดับ Ultra HD TV (3840 x 2160) พร้อมเทคโนโลยีภาพแบบ 4K ทำให้ความคมชัดที่ได้เป็นมาตรฐานสูงสุด

ชื่อ	ขนาด	อัตราส่วน	อักษรย่อ
โทรทัศน์ความละเอียดต่ำ	320 × 240	4 : 3	LDTV (240p)
โทรทัศน์ความละเอียดมาตรฐาน	640 × 480	4 : 3	SDTV (480p)
โทรทัศน์ความละเอียดมาตรฐาน (ภาพกว้าง)	1024 × 576	16 : 9	EDTV (576i)
โทรทัศน์ความละเอียดสูง (ภาพกว้าง)	1920 × 1080	16 : 9	HDTV (1080i)
โทรทัศน์ความละเอียดสูงมาก (ภาพกว้าง)	2560 × 1440	16 : 9	EHDTV (1440i)
โทรทัศน์ความละเอียดสูงยิ่ง (4k) (ภาพกว้าง)	3840 × 2160	16 : 9	QHDTV (2160p)
โทรทัศน์ความละเอียดสูงยิ่งยวด (8k) (ภาพกว้าง)	7680 × 4320	16 : 9	UHDTV (4320p)

• โทรทัศน์ความละเอียดต่ำ จะใช้ส่งเฉพาะในโทรศัพท์เคลื่อนที่เท่านั้น
• โทรทัศน์ความละเอียดสูงมาก จะไม่มีการใช้ โดยในอนาคตจะข้ามไปใช้โทรทัศน์ 4k แทนและมักเป็นความละเอียดสำหรับสื่อบนอินเทอร์เน็ตเท่านั้น
• โทรทัศน์ 4k เริ่มทดลองออกอากาศที่ประเทศญี่ปุ่นในปี 2012 และเริ่มแพร่ภาพครั้งแรกที่ มหกรรมฟุตบอลโลก 2014 ที่ประเทศบราซิล
• โทรทัศน์ 8k เริ่มทดลองออกอากาศที่ประเทศญี่ปุ่นในปี 2016 และเริ่มแพร่ภาพครั้งแรกที่ มหกรรมกีฬาโอลิมปิก 2020 ที่ประเทศญี่ปุ่นเช่นเดียวกัน

การจัดเวลาออกอากาศ

ประเทศต่างๆ ที่มีเขตเวลาของประเทศเพียงเขตเดียวจะแจ้งเวลาออกอากาศเพียง 1 เวลาตามปกติเท่านั้น เช่น ในประเทศไทย ส่วนประเทศที่มีขนาดใหญ่มากและมีเขตเวลาหลายเขตจะแจ้งเวลาในการออกอากาศของรายการโทรทัศน์ต่างกันออกไป ยกตัวอย่างเช่น สหรัฐอเมริกา มีช่วงแบ่งเขตเวลาหลักๆ ในประเทศทั้งหมด 4 เขตหลัก กับอีก 4 เขตย่อยและจะนับทางซ้ายสุดของประเทศเป็นเขตที่ 1 ตามมาด้วยจนถึงด้านขวาสุดเป็นเขตที่ 4 โดยในโทรทัศน์จะทำการแจ้งเวลาที่ 2 เขตตรงกลาง คือ เขตที่ 2 และ 3 ของประเทศเท่านั้น ส่วนที่เหลือผู้ชมจะต้องบวกลบเวลากันเอาเอง ซึ่งรายการได้ฉายพร้อมกันทั้งประเทศจะแจ้งเวลาดังนี้

8/7 Central หมายถึง 16:00 (4 pm) นาฬิกาตรงเขตย่อยที่ 1 ของประเทศ (Hawaii Time)

8/7 Central หมายถึง 17:00 (5 pm) นาฬิกาตรงเขตย่อยที่ 2 ของประเทศ (Alaska Time)

• 8/7 Central หมายถึง 18:00 (6 pm) นาฬิกาตรงเขตหลักที่ 1 ของประเทศ (Pacific Time)
• 8/7 Central หมายถึง 19:00 (7 pm) นาฬิกาตรงเขตหลักที่ 2 ของประเทศ (Mountain Time)
• 8/7 Central หมายถึง 20:00 (8 pm) นาฬิกาตรงเขตหลักที่ 3 ของประเทศ (Central Time)
• 8/7 Central หมายถึง 21:00 (9 pm) นาฬิกาตรงเขตหลักที่ 4 ของประเทศ (Eastern Time)

8/7 Central หมายถึง 22:00 (10 pm) นาฬิกาตรงเขตย่อยที่ 3 ของประเทศ (Atlantic Time)

8/7 Central หมายถึง 22:30 (10:30 pm) นาฬิกาตรงเขตย่อยที่ 4 ของประเทศ (Newfoundland Time)

เพราะฉะนั้นถ้าแจ้งเวลามาเป็น 8/7 Central ทางด้านซ้ายสุดของประเทศจะได้รับชมในเวลา 18:00 (6 pm) นาฬิกา (เขตเวลาการออกอากาศของสหรัฐอเมริกาส่วนใหญ่นับแค่ 48 รัฐในแผ่นดินใหญ่ซึ่งผนวกเวลาในส่วนของ Atlantic Time กับ Newfoundland Time เข้าไปไว้กับ Eastern Time และไม่นับรวม Hawaii Time กับ Alaska Time ที่จะห่างออกไปอีก 1-2 ชั่วโมง) แต่โดยส่วนมากแล้วถ้าฉายพร้อมกันทั้งประเทศจะทำให้บางเขตไม่เหมาะสมและตรงกับในช่วงเวลาตอนเย็นหรือเวลาทำงาน ฉะนั้นอีกครึ่งประเทศทางด้านซ้าย 2 ส่วนโดยส่วนมากจะได้รับชมช้ากว่าครึ่งประเทศทางด้านขวา 1-2 ชั่วโมงเพื่อให้ตรงกับเวลาที่ผู้คนเลิกงานแล้ว โดยจะถูกจัดการตารางโดย Affiliate หรือสถานีย่อยเพื่อความเหมาะสม

ดูเพิ่ม

• จอภาพ
• โทรทัศน์ระบบดิจิทัลในประเทศไทย
  

การสร้างภาพเชิง 3 มิติ

การสร้างภาพเชิง 3 มิติ (อังกฤษ: three-dimensional imaging) คือ การหารูปร่างและขนาดของวัตถุใน 3 มิติ โดยเทคนิคของการวัดรูปร่างนี้ จะมีเงื่อนไขจำกัดอยู่ เนื่องจากสิ่งที่ต้องการวัดคือ ขนาดสัมบูรณ์ของวัตถุ เพราะฉะนั้นขนาดของวัตถุที่วัดได้ จะต้องไม่ขึ้นกับชนิดผิวและการสะท้อนของวัตถุ ระยะห่างจากอุปกรณ์เก็บภาพ 3 มิติ และ สภาพแสงและการส่องสว่าง

เทคนิคในการเก็บภาพ 3 มิตินี้ มีอยู่หลายวิธีด้วยกัน ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อจำกัดที่แตกต่างกันไป อุปกรณ์รับรู้ที่ใช้ในการเก็บภาพ 3 มิตินี้ สามารถแยกกว้างๆ ได้เป็น 3 กลุ่ม คือ

1. การสามเหลี่ยม (triangulation)
2. การวัดโดยเวลาในการเดินทาง (time-of-flight measurement, TOF)
3. การวัดการแทรกสอด (interferometry)

การสามเหลี่ยม

การสามเหลี่ยม เป็นการวัดหาระยะความลึก (depth) ของภาพโดยในการวัดจะมีพื้นฐานมาจาก การตัดกันของแกนอะไรบางอย่างเป็นรูปสามเหลี่ยม เมื่อรวมกับข้อมูลของอุปกรณ์วัด จะทำให้สามารถหาระยะลึกได้

1. เทคนิคการใช้โฟกัส
   1. Depth from focus
   2. Depth from defocus
   3. การสามเหลี่ยมแบบกัมมันต์ (Active triangulation) กระทำด้วยการฉายแสงที่มีโครงสร้างแน่นอน ไปบนวัตถุ โดยอาศัยข้อมูลตำแหน่งของตัวฉายแสงกับอุปกรณ์รับ และ มุมที่อุปกรณ์ทั้งสองไปยังตำแหน่งใดๆของแสง ทำกับเส้นเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ทั้งสองเป็นสามเหลี่ยม จะทำให้หาระยะความลึกได้ โดยแสงที่ฉายอาจเป็นจุด เส้น หรือแสงที่เข้ารหัส
   4. การสามเหลี่ยมแบบกสานติ์ (Passive triangulation) จะเป็นลักษณะของการเห็นสามมิติ จะใช้อุปกรณ์รับภาพ 2 ตัวหรือมากกว่า โดยการหาตำแหน่งร่วมในภาพ แล้ววัดระยะของตำแหน่งร่วมใดๆ ในภาพ ต้วยการสามเหลี่ยม จากข้อมูลตำแหน่งอุปกรณ์รับภาพทั้งสองกับมุม เช่นเดียวกับในกรณี การสามเหลี่ยมกัมมันต์ ซึ่งการหาตำแหน่งร่วมนี้เป็นจุดสำคัญ โดยอาจทำได้โดยการจับคู่จุดเด่นในภาพ พื้นผิวของภาพ หรือ การเอาวัตถุที่มีลักษณะเฉพาะเข้าไปวางบนวัตถุ หรือไว้ในฉากที่ต้องการวัด
2. Theodolites หรือ เครื่องมือรังวัด
3. Shape from shading วิทยานิพนธ์ฉบับแรกในเรื่องนี้ Shape from Shading: A Method for Obtaining the Shape of a Smooth Opaque Object from One View โดย Berthold K. P. Horn เป็นการหารูปร่างจากแสงและเงา โดยใช้ตำแหน่งของอุปกรณ์รับภาพ และตำแหน่งของอุปกรณ์ฉายแสง ในการหาขนาดของวัตถุ

การวัดโดยเวลาในการเดินทาง

เป็นเทคนิคหาระยะ โดยวัดระยะเวลาการเดินทางของสัญญาณที่ส่งออกไป และสะท้อนวัตถุกลับมา เมื่อรวมกับความเร็วในการเดินทางของสัญญาณ จะทำให้หาระยะความลึกได้ สัญญาณที่ใช้วัดจะแบ่งได้เป็น pulse modulation continuous wave และ pseudo-random noise

อ้างอิง

• USGS Geomagnetism Program. Real time monitoring of the Earth's magnetic field. U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey, February 17, 2005.
• Geomagnetism. National Geophysical Data Center, NOAA. Apr-2005.
• Davison JA, Patel AS, Cunha JP, Schwiegerling J, Muftuoglu O (July 2011). "Recent studies provide an updated clinical perspective on blue light-filtering IOLs". Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 249 (7): 957–68. doi:10.1007/s00417-011-1697-6. PMC 3124647. PMID 21584764.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (ลิงก์)
• Hatori M, Panda S (October 2010). "The emerging roles of melanopsin in behavioral adaptation to light". Trends Mol Med. 16 (10): 435–46. doi:10.1016/j.molmed.2010.07.005. PMC 2952704. PMID 20810319.
• Hubel, David H. (1995). Eye, brain, and vision. New York: Scientific American Library. ISBN 0-7167-6009-6. OCLC 32806252.
• Marr, David; Ullman, Shimon;Poggio, Tomaso (2010). Vision: A Computational Investigation into the Human Representation and Processing of Visual Information. Cambridge, Mass: The MIT Press. ISBN 0-262-51462-1. OCLC 472791457.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (ลิงก์)
• Rodiek, R.W. (1988). "The Primate Retina". Comparative Primate Biology. Neurosciences. New York: A.R. Liss. 4.{{cite journal}}: CS1 maint: postscript (ลิงก์). (H.D. Steklis and J. Erwin, editors.) pp. 203–278.
• Schmolesky, Matthew. "The Primary Visual Cortex". สืบค้นเมื่อ 2005-01-01.{{cite web}}: CS1 maint: postscript (ลิงก์).
• Tovée, Martin J. (2008). An introduction to the visual system. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0-521-88319-9. OCLC 185026571.
• Vesalius, Andreas (1543). "De Humani Corporis Fabrica (On the Workings of the Human Body". {{cite journal}}: Cite journal ต้องการ |journal= (help)CS1 maint: postscript (ลิงก์)
• Wiesel, Torsten; Hubel, David H. (1963). "The effects of visual deprivation on the morphology and physiology of cell's lateral geniculate body". Journal of Neurophysiology. 26: 978–993. PMID 14084170.{{cite journal}}: CS1 maint: postscript (ลิงก์).
• "Webvision: The Organization of the Retina and Visual System" – John Moran Eye Center at University of Utah
• VisionScience.com – An online resource for researchers in vision science.
• Journal of Vision – An online, open access journal of vision science.
• Hagfish research has found the “missing link” in the evolution of the eye. See: Nature Reviews Neuroscience.
• McKeever,Susan;Foote,Martyn (1993).The Random House science encyclopedia.Toronto:Random House. ISBN 0-394-22341-1
• ศิวเวทกุล,ประชา.คู่มือวิทยาศาสตร์คำนวณ ม.ต้น (ม.1-ม.2-ม.3).กรุงเทพฯ:สำนักพิมพ์เดอะบุคส์.ISBN 974-394-126-6
• คลื่น คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยราชมงคล
• ปรากฏการณ์คลื่น

www.rsu.ac.th/science/physics/pom/physics_2/wave/wave_1.htm หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานกลุ่มสาระวิทยาศาสตร์ : ฟิสิกส์ ม.4-6 ช่วงชั้นที่ 4 กรุงเทพ ฯ : อักษรเจริญทัศน์ 2549 หน้าที่ 154-156

หนังสืออ่านเพิ่ม

• Albert Abramson, The History of Television, 1942 to 2000, Jefferson, NC, and London, McFarland, 2003, ISBN 0-7864-1220-8.
• Pierre Bourdieu, On Television, The New Press, 2001.
• Tim Brooks and Earle March, The Complete Guide to Prime Time Network and Cable TV Shows, 8th ed., Ballantine, 2002.
• Jacques Derrida and Bernard Stiegler, Echographies of Television, Polity Press, 2002.
• David E. Fisher and Marshall J. Fisher, Tube: the Invention of Television, Counterpoint, Washington, DC, 1996, ISBN 1-887178-17-1.
• Steven Johnson, Everything Bad is Good for You: How Today's Popular Culture Is Actually Making Us Smarter, New York, Riverhead (Penguin), 2005, 2006, ISBN 1-59448-194-6.
• Jerry Mander, Four Arguments for the Elimination of Television, Perennial, 1978.
• Jerry Mander, In the Absence of the Sacred, Sierra Club Books, 1992, ISBN 0-87156-509-9.
• Neil Postman, Amusing Ourselves to Death: Public Discourse in the Age of Show Business, New York, Penguin US, 1985, ISBN 0-670-80454-1.
• Evan I. Schwartz, The Last Lone Inventor: A Tale of Genius, Deceit, and the Birth of Television, New York, Harper Paperbacks, 2003, ISBN 0-06-093559-6.
• Beretta E. Smith-Shomade, Shaded Lives: African-American Women and Television, Rutgers University Press, 2002.
• Alan Taylor, We, the Media: Pedagogic Intrusions into US Mainstream Film and Television News Broadcasting Rhetoric, Peter Lang, 2005, ISBN 3-631-51852-8.
• A History of Television at the Canada Science and Technology Museum
• The Encyclopedia of Television at the Museum of Broadcast Communications
• The Evolution of TV, A Brief History of TV Technology in Japan NHK
• Television's History – The First 75 Years
• Worldwide Television Standards
• Global TV Market Data
• Television in Color, April 1944 one of the earliest magazine articles detailing the new technology of color television
• Littleton, Cynthia. "Happy 70th Birthday, TV Commercial broadcasts bow on July 1, 1941; Variety calls it 'corney'", Variety, July 1, 2011. WebCitation archive.

หมวดหมู่:ไฟฟ้าสถิต หมวดหมู่:ไฟฟ้า หมวดหมู่:เครื่องกล หมวดหมู่:พลังงานไฟฟ้า หมวดหมู่:แม่เหล็ก หมวดหมู่:โลก หมวดหมู่:คลื่น หมวดหมู่:การแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หมวดหมู่:คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หมวดหมู่:สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า หมวดหมู่:ระบบการมองเห็น หมวดหมู่:ระบบรับความรู้สึก หมวดหมู่:สมอง หมวดหมู่:ธรรมชาติ หมวดหมู่:การมองเห็น หมวดหมู่:แสง หมวดหมู่:การได้ยิน หมวดหมู่:สวนศาสตร์ หมวดหมู่:ฟิสิกส์ หมวดหมู่:เสียง หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์ หมวดหมู่:ศัพทวิทยาโทรทัศน์ หมวดหมู่:โทรทัศน์ หมวดหมู่:สิ่งประดิษฐ์ของสหรัฐอเมริกา หมวดหมู่:สิ่งประดิษฐ์ของสกอตแลนด์ หมวดหมู่:ศิลปะการแสดง หมวดหมู่:การถ่ายภาพ {{โครงสื่อสาร}}

{{โครงวิทยาศาสตร์}