วิกิพีเดีย

ไฟฟ้า

ปรากฏการณ์ทางกายภาพเกี่ยวกับการไหลเวียนของประจุไฟฟ้า
(เปลี่ยนทางจาก พลังงานไฟฟ้า)
สำหรับความหมายอื่น ดูที่ ไฟฟ้า (แก้ความกำกวม)

ไฟฟ้า (กรีก: ήλεκτρον; อังกฤษ: electricity) เป็นอิเล็กตรอนขนาดใหญที่สามารถทำอะไรหลายอย่างได้

ฟ้าผ่าในเมืองตอนกลางคืนที่เกิดซ้ำ ๆ หลายครั้ง ฟ้าผ่าเป็นหนึ่งในผลกระทบที่รุนแรงที่สุดของไฟฟ้า

หากกล่าวถึงไฟฟ้า ประจุจะผลิตสนามแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งจะกระทำกับประจุอื่น ๆ ไฟฟ้าเกิดขึ้นได้เนื่องจากหลายชนิดของฟิสิกซ์ดังต่อไปนี้

ประจุไฟฟ้า (อังกฤษ: electric charge) เป็นพลังงานที่ไม่ค่อยได้เห็นเท่าไร เพราะมันสามารถพบได้แค่ในเครื่องปั่นไฟฟ้าขั้นสูงเป็นหลัก

  • สนามไฟฟ้า (อังกฤษ: electric field) เป็นพลังงานแบบวงกวัางที่พบได้ยากมาก
  • ศักย์ไฟฟ้า (อังกฤษ: electric potential) เป็นพลังงานที่พบได้ยากที่สุด มีไว้สำหรับตรวจระดับไฟฟ้า
  • กระแสไฟฟ้า (อังกฤษ: electric current) เป็นพลังงานที่พบได้ทั่วไป มีไว้สำหรับถ่ายโอนกระแสไฟฟ้าจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง
  • พลังงานไฟฟ้า (อังกฤษ: electric energy) เป็นพลังงานที่ได้จากพลังงานศักย์หรือพลังงานจลน์ ไฟฟ้าเมื่อถูกใช้อย่างหลวม ๆ จะใช้เพื่ออธิบายพลังงานที่ถูกดูดซับหรือถูกนำส่งโดยวงจรไฟฟ้าหนึ่ง (ยกตัวอย่างเช่นพลังงานที่จัดหามาให้จากโรงไฟฟ้า)
  • แม่เหล็กไฟฟ้า : กลุ่มประจุที่กำลังเคลื่อนที่จะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมาขนาดหนึ่ง กระแสไฟฟ้าก็สร้างสนามแม่เหล็ก และสนามแม่เหล็กที่กำลังเปลี่ยนแปลงก็สร้างกระแสไฟฟ้า

ใน วิศวกรรมไฟฟ้า คำว่าไฟฟ้าหมายถึง:

ปรากฏการณ์เกี่ยวกับไฟฟ้าได้มีการศึกษากันมานานนับตั้งแต่โบราณกาลแต่ความก้าวหน้าในความเข้าใจทางทฤษฎีก็ยังคงช้าอยู่จนกระทั่งคริสต์ศตวรรษที่ 17 และ 18 แม้ว่าในขณะนั้นการประยุกต์ใช้ไฟฟ้าในทางปฏิบัติจะยังมีน้อยและมันยังไม่ถึงเวลาจนกระทั่งปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ที่วิศวกรไฟฟ้าจะสามารถนำมันไปใช้ในงานอุตสาหกรรมและตามบ้านเรือน การขยายตัวอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีไฟฟ้าในช่วงเวลานี้ได้เปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมและสังคม ความหลากหลายที่เกินธรรมดาของไฟฟ้าทำให้มันสามารถถูกนำไปใช้ในงานที่เกือบจะไร้ข้อจำกัดซึ่งรวมถึงการขนส่ง การให้ความร้อน แสงสว่าง การสื่อสาร และคอมพิวเตอร์[1]เป็นต้น

ประวัติ

แก้
 
เธลีสแห่งมิเลทัส ชายที่มีหนวดและผมยุ่ง เขาเป็นนักค้นคว้าทางด้านไฟฟ้าที่รู้กันว่าเป็นคนเก่าแก่ที่สุด
บทความหลัก: ประวัติของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า และ ประวัติของวิศวกรรมไฟฟ้า

นานก่อนที่จะมีความรู้ใด ๆ ด้านไฟฟ้า ผู้คนได้ตระหนักถึงการกระตุกของปลาไฟฟ้า ในสมัยอียิปต์โบราณพบข้อความที่จารึกในช่วงประมาณ 2750 ปีก่อนคริสต์ศักราช ได้พูดถึงปลาเหล่านี้ว่าเป็น "สายฟ้าแห่งแม่น้ำไนล์" และพรรณนาว่าพวกมันเป็น "ผู้พิทักษ์" ของปลาอื่น ๆ ทั้งมวล ปลาไฟฟ้ายังถูกบันทึกอีกครั้งในช่วงพันปีต่อมาโดยกรีกโบราณ, ชาวโรมันและนักธรรมชาติวิทยาชาวอาหรับและแพทย์มุสลิม[2] นักเขียนโบราณหลายคน เช่น Pliny the Elder และ Scribonius Largus ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงอาการชาจากไฟฟ้าช็อคที่เกิดจากปลาดุกไฟฟ้าและปลากระเบนไฟฟ้า และยังรู้อีกว่าการช็อคเช่นนั้น สามารถเดินทางไปตามวัตถุที่นำไฟฟ้า[3] ผู้ป่วยที่ต้องทนทุกข์ทรมาณจากการเจ็บป่วยเช่นเป็นโรคเกาต์หรือปวดหัว จะถูกส่งไปสัมผัสกับปลาไฟฟ้าซึ่งหวังว่าการกระตุกอย่างมีพลังอาจรักษาพวกเขาได้[4] เป็นไปได้ว่าวิธีการที่เก่าแก่ที่สุดและใกล้ที่สุดในการค้นพบตัวตนของฟ้าผ่าและไฟฟ้าจากแหล่งที่มาอื่น ๆ ควรที่จะอุทิศให้กับชาวอาหรับ ผู้ที่ก่อนศตวรรษที่ 15 พวกเขามีคำภาษาอารบิกสำหรับฟ้าผ่าว่า raad ที่หมายถึงปลากระเบนไฟฟ้า[5]

วัฒนธรรมโบราณรอบ ๆ ทะเลเมดิเตอร์เรเนียนจะรู้จักวัตถุบางอย่าง เช่นแท่งอำพัน เมื่อนำมาขัดถูกับขนแมว มันสามารถดึงดูดวัตถุที่เบาเช่นขนนก เธลีสแห่งมิเลทัสได้ทำข้อสังเกตหลายอย่างเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตราว 600 ปีก่อนคริสตกาล จากข้อสังเกตเหล่านั้นเขาเชื่อว่าการเสียดสีทำให้เกิดแม่เหล็กบนอัมพัน ซึ่งต่างกับสินแร่อื่นเช่นแมกนีไทต์ที่ไม่ต้องขัดถู [6][7] เธลีสผิดที่เชื่อว่าการดึงดูดเกิดจากแม่เหล็ก แต่วิทยาศาสตร์ต่อมาจะพิสูจน์ความเชื่อมโยงระหว่างแม่เหล็กและไฟฟ้า ตามทฤษฎีที่ขัดแย้งกัน ชาวพาเทียนอาจมีความรู้เกี่ยวกับการชุบด้วยไฟฟ้ามาก่อน เมื่ออ้างถึงการค้นพบแบตเตอรี่แบกแดดที่คล้ายคลึงกับเซลล์กัลวานีในปี ค.ศ. 1936 แม้จะยังไม่แน่นอนว่าสิ่งประดิษฐ์ที่ได้จะเป็นไฟฟ้าในธรรมชาติหรือไม่[8]

 
เบนจามิน แฟรงคลินได้ทำการทดลองอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับไฟฟ้าในคริสต์ศตวรรษที่ 18 ตามบันทึกของ โจเซฟ พรีสท์ลี่ (1767) ประวัติและสถานะปัจจุบันของไฟฟ้า ที่แฟรงคลินมีหนังสือโต้ตอบอย่างกว้างขวางกับเขาด้วย

ไฟฟ้ายังเป็นเพียงความอยากรู้อยากเห็นทางปัญญาเป็นเวลานับพันปี กระทั่งทศวรรษที่ 1600 เมื่อวิลเลียม กิลเบิร์ตนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ทำการศึกษาเรื่องแม่เหล็กและไฟฟ้าอย่างจริงจัง เขาได้แยกความแตกต่างของผลกระทบจากแร่แแม่เหล็กออกจากไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการขัดสีแท่งอำพัน[6] เขาบัญญัติศัพท์คำภาษาละตินใหม่ว่า "electricus" ("ของอำพัน" หรือ "เหมือนอัมพัน" จาก ἤλεκτρον หรือ elektron คำกรีกโบราณสำหรับ "อัมพัน") เพื่อหมายถึงคุณสมบัติในการดึงดูดวัตถุเล็กๆหลังการขัดสี[9] การผสมกันนี้ทำให้เกิดคำในภาษาอังกฤษว่า "electric" และ "electricity" ซึ่งปรากฏขึ้นครั้งแรกในสิ่งพิมพ์ Pseudodoxia Epidemica ของโธมัส บราวน์ เมื่อปี ค.ศ. 1646[10]

 
ไมเคิล ฟาราเดย์ การค้นพบของเขาก่อตัวเป็นรากฐานของเทคโนโลยีมอเตอร์ไฟฟ้า

ผลงานชิ้นต่อมาดำเนินการโดยอ็อตโต ฟอน เกียริก, โรเบิร์ต บอยล์, สตีเฟน เกรย์ และชาร์ล เอฟ. ดู เฟย์ ในคริสต์ศตวรรษที่ 18 เบนจามิน แฟรงคลิน ทำการวิจัยเรื่องไฟฟ้าอย่างกว้างขวาง เขาขายทรัพย์สมบัติที่มีเพื่อเป็นทุนวิจัย ในเดือนมิถุนายน ค.ศ. 1752 เขามีชื่อเสียงจากการติดลูกกุญแจโลหะไว้ที่หางของเชือกว่าวที่เปียกชื้น แล้วปล่อยลอยขึ้นฟ้าในวันที่มีลมพายุรุนแรง[11] ประกายไฟที่กระโดดอย่างต่อเนื่องจากลูกกุญแจไปยังหลังมือของเขาได้แสดงให้เห็นว่าฟ้าผ่าคือไฟฟ้าในธรรมชาติอย่างแท้จริง[12] เขายังได้อธิบายถึงพฤฒิกรรมที่ผิดปกติและขัดแย้งกันเองที่ปรากฏอีกด้วย[13] เกี่ยวกับโถเลย์เดนที่ใช้เป็นอุปกรณ์สำหรับเก็บประจุไฟฟ้าปริมาณมากในรูปของไฟฟ้าที่ประกอบด้วยทั้งประจุบวกและประจุลบ

ในปีค.ศ. 1791 ลุยจิ กัลวานีได้ตีพิมพ์การค้นพบแม่เหล็กไฟฟ้าชีวภาพของเขาที่แสดงให้เห็นว่าไฟฟ้าเป็นตัวกลางที่ผ่านสัญญาณจากเซลล์ประสาทไปสู่กล้ามเนื้อ[14] แบตเตอรี่ของอาเลสซานโดร โวลตา หรือเซลล์ซ้อนของโวลตาในคริสต์ทศวรรษ 1800 ที่ทำจากชั้นที่สลับซ้อนกันของสังกะสีและทองแดง เป็นแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ให้กับเหล่านักวิทยาศาสตร์มากกว่าเครื่องจักรไฟฟ้าสถิต (อังกฤษ: Electrostatic machine) ที่เคยใช้กันอยู่ก่อนหน้านี้ [14] การยอมรับในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ถึงความเป็นหนึ่งเดียวของปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นผลงานของ ฮันส์ คริสเทียน เออสเตดและอังเดร มารี แอมแปร์ในปี 1819-1820, ไมเคิล ฟาราเดย์ได้ประดิษฐ์มอเตอร์ไฟฟ้าในปีค.ศ. 1821 และจอร์จ ไซมอน โอห์มได้ใช้คณิตศาสตร์วิเคราะห์วงจรไฟฟ้าในปีค.ศ. 1827[14] ไฟฟ้าและแม่เหล็ก (และแสงสว่าง) ถูกเชื่อมกันในทางนิยามโดยเจมส์ เคริก แมกซเวลล์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากผลงาน "บนเส้นกายภาพของแรง" ของเขาในปี 1861 และปี 1862[15]

ในตอนต้นศตววรษที่ 19 มีความเจริญรุดหน้าด้านวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว ขณะที่ตอนปลายศตววรษที่ 19 จะเห็นความก้าวหน้าด้านวิศวกรรมไฟฟ้าอย่างมหาศาล จากผลงานของบุคคล เช่นอเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบลล์, อ็อตโต บลาธี, โทมัส อัลวา เอดิสัน, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, วิลเลียม ทอมสัน บารอนเคลวินที่ 1, ชาลส์ แอลเกอร์นอน พาร์ซันส์, เวอร์เนอร์ ฟอน ซีเมนส์, โจเซฟ สวอน, นิโคลา เทสลา และ จอร์จ เวสติงเฮาส์ ไฟฟ้าได้เปลี่ยนจากความอยากรู้อยากเห็นทางวิทยาศาสตร์ มาเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับชีวิตสมัยใหม่ และกลายเป็นแรงขับเคลื่อนของการปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่สอง[16]

ในปี 1887 ไฮน์ริช เฮิร์ตซ์[17]: 843–844 [18] ค้นพบว่าขั้วไฟฟ้าที่เรืองแสงด้วยรังสีอุลตร้าไวโอเลตจะสร้างประกายไฟฟ้าได้ง่ายมาก ในปี 1905 อัลเบิรต ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์เอกสารที่อธิบายข้อมูลการทดลองจากผลกระทบโฟโตอิเล็กตริกเมื่อการเป็นผลลัพธ์ของพลังงานแสงที่กำลังถูกนำส่งในแพกเกตที่แปลงเป็นปริมาณที่ไม่ต่อเนื่อง เป็นการใส่พลังงานให้กับอิเล็กตรอน การค้นพบนี้นำไปสู่การปฏิวัติควอนตัม ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1921 สำหรับ "การค้นพบกฎของผลกระทบโฟโตอิเล็กตริก"[19] ผลกระทบโฟโตอิเล็กตริกยังถูกใช้ในโฟโตเซลล์อย่างที่สามารถพบได้ในเซลล์แสงอาทิตย์อีกด้วยและเซลล์นี้มักจะถูกใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าเพื่อการพานิชย์

อุปกรณ์โซลิดสเตตตัวแรกเป็น "ตัวตรวจจับแบบหนวดแมว" มันถูกใช้เป็นครั้งแรกในทศวรรษที่ 1900 ในเครื่องรับวิทยุ ลวดคล้ายหนวดแมวจะถูกวางเบา ๆ ในการสัมผัสกับผลึกของแข็ง (เช่นผลึกเจอร์เมเนียม) เพื่อที่จะตรวจจับสัญญาณวิทยุจากผลกระทบจุดสัมผัสที่รอยต่อ (อังกฤษ: contact junction effect)[20] ในชิ้นส่วนโซลิดสเตต กระแสจะถูกกักขังอยู่ในชิ้นส่วนที่เป็นของแข็งและสารประกอบที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อสวิตช์และขยายมัน การไหลของกระแสสามารถเข้าใจได้ในสองรูปแบบ: แบบแรกเป็นอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ และแบบที่สองเป็นพร่องอิเล็กตรอนที่มีประจุบวกที่เรียกว่าโฮล ประจุและโฮลเหล่านี้สามารถเข้าใจได้ในแง่ของควอนตัมฟิสิกส์ วัสดุที่ใช้สร้างส่วนใหญ่มักจะเป็นสารกึ่งตัวนำที่เป็นผลึก[21][22]

การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ในปี 1947 ทำให้อุปกรณ์โซลิดสเตตเริ่มมีการใช้แพร่หลาย ในทศวรรษที่ 1950 และ 1960 ในช่วงการเปลี่ยนผ่านจากหลอดสูญญากาศไปเป็นไดโอดสารกึ่งตัวนำ, ทรานซิสเตอร์, วงจรรวม (IC) และไดโอดเปล่งแสง (LED) ปัจจุบันอุปกรณ์โซลิดสเตตที่พบบ่อยได้แก่ทรานซิสเตอร์, ชิปไมโครโปรเซสเซอร์ และหน่วยความจำแรม (RAM) ชนิดพิเศษที่เรียกว่า แฟลชแรม ซึ่งถูกใช้ใน USB แฟลชไดรฟ์ และเมื่อเร็วๆนี้โซลิดสเตตไดรฟ์ได้เข้ามาแทนที่จานแม่เหล็กฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์แบบหมุนด้วยกลไก

แนวคิด

แก้

ประจุไฟฟ้า

แก้
บทความหลัก: ประจุไฟฟ้า

ดูเพิ่มเติม: อิเล็กตรอน, โปรตอน, ไอออน

 
เครื่องตรวจวัดไฟฟ้าสถิตแบบแผ่นทองมีลักษณะเป็นโดมแก้วใสมีหนึ่งขั้วไฟฟ้าภายนอกที่ต่อผ่านแก้วไปยังแผ่นทองคำเปลวหนึ่งคู่ แท่งที่มีประจุเมื่อแตะกับขั้วไฟฟ้าภายนอกจะทำให้แผ่นทองผลักกันและกัน

การปรากฏตัวของประจุก่อให้เกิดแรงไฟฟ้​​าสถิต นั่นคือประจุจะออกแรงอย่างหนึ่งต่อกัน ผลกระทบเป็นที่รู้จัก แต่ไม่เข้าใจ ในสมัย​​โบราณ[17]: 457  ลูกกลมน้ำหนักเบาที่ห้อยลงมาด้วยเชือก สามารถสร้างประจุขึ้นบนตัวมันได้โดยการสัมผัสกับแท่งแก้ว ซึ่งตัวแท่งแก้วถูกสร้างประจุมาก่อนโดยการถูกับผ้า ถ้าลูกกลมที่คล้ายกันอีกลูกหนึ่งถูกสร้างประจุโดยแท่งแก้วอันเดียวกัน ลูกกลมทั้งสองจะผลักกัน นั่นคือประจุจะออกแรงที่บังคับให้ลูกกลมทั้งสองแยกออกจากกัน ลูกกลมสองลูกที่ถูกสร้างประจุด้วยแท่งอำพันที่ผ่านการขัดถูก็ผลักกันเช่นกัน แต่ถ้าลูกหนึ่งถูกสร้างประจุด้วยแท่งแก้ว และอีกลูกถูกสร้างประจุด้วยแท่งอำพัน ลูกกลมทั้งสองจะดึงดูดกัน ปรากฏการณ์เหล่านี้ถูกตรวจสอบในช่วงปลายศตวรรษที่สิบแปดโดยคูลอมบ์ ซึ่งเป็นผู้สรุปว่าประจุจะแสดงตัวในสองรูปที่หักล้างกัน การค้นพบนี้นำไปสู่วลีที่รู้จักกันดีว่า ประจุเหมือนกันผลักกันและประจุต่างกันดึงดูดกัน[17]

แรงจะกระทำบนตัวอนุภาคที่มีประจุเอง ดังนั้นประจุมีแนวโน้มที่จะแพร่กระจายตัวเองอย่างสม่ำเสมอเท่าที่เป็นไปได้ทั่วพื้นผิวนำกระแส ขนาดของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ว่าจะเป็นแบบดึงดูดหรือแบบผลักจะถูกกำหนดโดยกฎของคูลอมบ์, ซึ่งเชื่อมโยงแรงกับผลิตภัณฑ์ของประจุและมีความสัมพันธ์แบบผกผันกำลังสอง (อังกฤษ: inverse-square) กับระยะทางระหว่างจุดศูนย์กลางของทั้งสองลูกกลม[23][24]:35 แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีความแรงมาก ความแรงเป็นรองก็แต่กับอันตรกิริยาอย่างเข้ม[25] แต่ไม่เหมือนแรงนั้นที่มันดำเนินการไปทั่วทุกระยะทาง[26] ในการเปรียบเทียบกับแรงโน้มถ่วงที่อ่อนกว่ามาก แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผลักอิเล็กตรอนสองตัวให้แยกจากกันจะเป็น 1042 เท่าของแรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วงที่ดึงพวกมันเข้ามารวมกัน[27]


การศึกษาได้แสดงให้เห็นว่าต้นกำเนิดของประจุไฟฟ้ามาจากบางชนิดของอนุภาคย่อยของอะตอม ที่มีคุณสมบัติของประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและพวกมันก็มีปฏิสัมพันธ์กับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสี่อันตรกิริยาพื้นฐาน ของธรรมชาติ พาหะที่คุ้นเคยมากที่สุดของประจุไฟฟ้าคืออิเล็กตรอนและโปรตอน การทดลองได้แสดงให้เห็นว่าประจุจะเป็นปริมาณอนุรักษ์ (หรือปริมาณคงที่) ค่าหนึ่ง นั่นคือ ประจุสุทธิ (หลังจากถ่ายเทไปมาแล้ว) ภายในระบบโดดเดี่ยวหนึ่งจะมีค่าคงที่เสมอโดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่เกิดขึ้นภายในระบบนั้น[28] ภายในระบบ ประจุอาจถูกโอนย้ายระหว่างระบบย่อยด้วยกัน อาจจะโดยการสัมผัสโดยตรงหรือโดยการวิ่งผ่านไปตามวัตถุตัวนำเช่นสายลวด[24]: 2–5  คำศัพท์อย่างไม่เป็นทางการของไฟฟ้าสถิตจะหมายความถึงการปรากฏตัวของประจุเป็นสุทธิ (หรือ 'ไม่สมดุล') บนร่างกายหนึ่งปกติจะเกิดขึ้นเมื่อวัตถุที่ไม่เหมือนกันขัดถูกัน ประจุจะถูกถ่ายเทจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง

ประจุบนอิเล็กตรอนและโปรตอนจะมีเครื่องหมายตรงกันข้ามกัน ดังนั้นจำนวนของประจุอาจจะแสดงเครื่องหมายเป็นได้ทั้งบวกหรือลบ โดยธรรมเนียมปฏิบัติ ประจุที่ถูกนำพาโดยอิเล็กตรอนจะถือว่าเป็นลบ และนำพาโดยโปรตอนจะเป็นบวก เป็นธรรมเนียมที่มีต้นกำเนิดมาจากงานของเบนจามิน แฟรงคลิน[29] จำนวนของประจุมักจะได้รับสัญลักษณ์เป็น Q และมีค่าเป็นคูลอมบ์[30] อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะนำพาประจุจำนวนเดียวกันคือประมาณ −1.6022×10−19 คูลอมบ์ โปรตอนจะมีประจุที่มีค่าเท่ากันแต่เครื่องหมายตรงกันข้าม ดังนั้นจึงเท่ากับ +1.6022×10−19 คูลอมบ์ ประจุไม่ได้อยู่แค่ในสสารเท่านั้น แต่ยังอยู่ในปฏิสสารอีกด้วย แต่ละปฏิอนุภาคจะแบกประจุที่เท่ากันและตรงข้ามกันกับอนุภาคที่สอดคล้องกัน[31]

ประจุสามารถวัดได้หลายวิธี เครื่องมือวัดยุคต้นก็คือเครื่องตรวจวัดไฟฟ้าสถิตแบบแผ่นทอง ซึ่งแม้ว่ายังคงใช้อยู่ในห้องเรียนเพื่อการสาธิต มันได้ถูกแทนที่โดยอิเล็กโทรมิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์[24]: 2–5 

กระแสไฟฟ้า

แก้
บทความหลัก: กระแสไฟฟ้า

การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าเราเรียกว่ากระแสไฟฟ้า ความเข้มของมันเราวัดได้ในหน่วยแอมแปร์ กระแสไฟฟ้าสามารถประกอบด้วยการเคลื่อนที่ของอนุภาคใด ๆ ที่มีประจุ โดยทั่วไปส่วนใหญ่อนุภาคเหล่านี้จะเป็นอิเล็กตรอน แต่ประจุใด ๆ ที่กำลังเคลื่อนที่ทำให้เกิดกระแส

จากธรรมเนียมปฏิบัติในอดีต กระแสบวกถูกกำหนดให้มีทิศทางเดียวกันกับการไหลเนื่องจากประจุบวกที่มันมีอยู่ หรือมีการไหลส่วนของวงจรที่เป็นบวกมากที่สุดไปยังส่วนที่เป็นลบมากที่สุด การกำหนดกระแสในลักษณะนี้เรียกว่ากระแสตามธรรมเนียมปฏิบัติ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบไปรอบวงจรไฟฟ้า หนึ่งในรูปแบบของกระแสที่คุ้นเคยที่สุดจึงถือว่าเป็นบวกในทิศทาง ตรงกันข้าม กับทิศทางของอิเล็กตรอน[32] อย่างไรก็ตาม ขึ้นอยู่กับหลายเงื่อนไข กระแสไฟฟ้าสามารถประกอบด้วยการไหลของอนุภาคในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง หรือแม้แต่ทั้งสองทิศทางในเวลาเดียวกัน การไหลตามธรรมเนียมปฏิบัติจากบวกไปลบมีการใช้อย่างกว้างขวางเพื่อทำให้สถานะการณ์นี้ง่ายขึ้น

 
สายไฟโลหะสองเส้นทำเป็นรูปตัว V กลับหัว ประกายไฟฟ้าส้มขาวสว่างแถบทำให้ตาบอดจะไหลระหว่างปลายทั้งสอง เป็นการสาธิตให้เห็นถึงพลังงานของการไหลของกระแส

กระบวนการที่ยอมกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุเรียกว่าการนำไฟฟ้า และธรรมชาติของมันสามารถแปรไปตามธรรมชาติของอนุภาคที่มีประจุและวัสดุที่อนุภาคเหล่านั้นจะไหลผ่าน ตัวอย่างของกระแสไฟฟ้าจะรวมถึงการนำกระแสของโลหะเมื่ออิเล็กตรอนไหลไปในตัวนำเช่นโลหะ อีกตัวอย่างหนึ่งคือการแยกสลายด้วยไฟฟ้าเมื่อไอออน (อะตอมที่มีประจุ) ไหลผ่านของเหลวหรือผ่านพลาสมาเช่นสปากของไฟฟ้า ในขณะที่อนุภาคเองสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างเชื่องช้า บางครั้งด้วยความเร็วลอยเฉลี่ยเพียงเศษของมิลิเมตรต่อวินาทีเท่านั้น[24]: 17  สนามไฟฟ้าที่ขับพวกมันนั้นตัวมันเองแผ่กระจายที่ความเร็วใกล้กับความเร็วแสง เปิดโอกาสให้สัญญาณไฟฟ้าสามารถผ่านไปได้อย่างรวดเร็วไปตามเส้นลวด[33]

กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดผลกระทบที่สังเกตเห็นได้หลายอย่าง ซึ่งตามประวัติศาสตร์ผลกระทบเหล่านั้นเป็นวิธีการเพื่อการรับรู้การปรากฏตัวของมัน ที่ว่าน้ำสามารถถูกแยกสลายได้โดยกระแสจากเซลล์กัลวานี ผลกระทบนี้ถูกค้นพบโดยวิลเลี่ยม นิโคลสันกับเซอร์ แอนโธนี คาร์ลิเซิล สองนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษในปีคริสต์ศักราช 1800 กระบวนการนี้ปัจจุบันเรียกว่า[[การแยกสลายด้วยไฟฟ้า]หรืออิเล็กโตรไลซิส งานของพวกเขาถูกขยายออกไปอย่างมหาศาลโดยไมเคิล ฟาราเดย์ในปี 1833 กระแสไฟฟ้าเมื่อไหลผ่านความต้านทาน มันทำให้เกิดความร้อนอยู่ภายใน ผลกระทบนี้เจมส์ เพรสคอต จูลได้ทำการศึกษามันทางคณิตศาสตร์ในปี 1840[24]: 23–24  หนึ่งในการคันพบที่เกี่ยวข้องกับกระแสที่สำคัญที่สุดถูกค้นพบโดยบังเอิญโดยฮันส์ คริสเทียน เออร์สเตดในปี 1820 เมื่อครั้งที่เขากำลังเตรียมการสอน เขาพบเห็นกระแสในเส้นลวดไปรบกวนเข็มของเข็มทิศแม่เหล็ก[34] เขาได้ค้นพบทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นปฏิสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างแม่เหล็กกับไฟฟ้า ระดับของการปลดปล่อยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยการอาร์กด้วยไฟฟ้าจะสูงพอที่จะสร้างการรบกวนจากแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสามารถก่อให้เกิดอันตรายกับการทำงานของอุปกรณ์ใกล้เคียง[35]

ในทางวิศวกรรมหรือการใช้งานตามอาคารบ้านเรือน กระแสมักจะถูกอธิบายว่าเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) หรือไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) คำศัพท์เหล่านี้บอกว่ากระแสจะแปรเปลี่ยนตามเวลาได้อย่างไร กระแสตรงอย่างที่ถูกผลิตขึ้นโดยแบตเตอรีและเป็นที่ต้องการของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ จะไหลไปในทิศทางเดียวคือจากขั้วบวกผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วลบ[36]: 11  ถ้า อย่างที่เกิดขึ้นเป็นส่วนใหญ่ การไหลนี้ถูกนำพาโดยอิเล็กตรอน พวกมันจะต้องเดินทางไปในทิศทางตรงกันข้าม กระแสสลับเป็นกระแสที่ไหลในทิศทางกลับไปกลับมาซ้ำ ๆ กัน; เกือบตลอดเวลาการไหลนี้ใช้รูปแบบของคลื่นไซน์[36]: 206–207  ดังนั้นกระแสสลับจะไหลไปและกลับมาภายในตัวนำโดยปราศจากประจุที่เคลื่อนที่เป็นระยะทางสุทธิใดในช่วงเวลา ค่าของกระแสสลับเฉลี่ยตามเวลาเป็นศูนย์ แต่มันส่งมอบพลังงานในทิศทางแรกก่อน จากนั้นก็ทิศทางย้อนกลับ กระแสสลับได้รับผลกระทบจากคุณสมบัติทางไฟฟ้​​าที่ไม่ถูกรับรู้ภายใต้สภาวะมั่นคงของกระแสตรง เช่นอินดักแตนซ์และคาปาซิแตนซ์[36]: 223–225  อย่างไรก็ตามคุณสมบัติเหล่านี้อาจมีความสำคัญเมื่อวงจรอยู่ภายใต้สัญญาณไฟกระโชก (อังกฤษ: transient) เช่นเมื่อถูกป้อนพลังงานไฟฟ้าครั้งแรก

สนามไฟฟ้า

แก้
บทความหลัก: สนามไฟฟ้า

ดูเพิ่มเติม: ไฟฟ้าสถิต

แนวคิดของสนามไฟฟ้าได้รับการแนะนำโดยไมเคิล ฟาราเดย์ สนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยวัตถุที่มีประจุในที่ว่างล้อมรอบมัน และให้ผลลัพธ์เป็นแรงที่กระทำบนประจุอื่นใด ๆ ที่ถูกวางภายในสนาม สนามไฟฟ้าจะกระทำระหว่างสองประจุในลักษณะที่คล้ายคลึงกับวิธีการที่สนามแรงโน้มถ่วงจะกระทำระหว่างสองมวล และเหมือนมัน จะขยายไปสู่​​อินฟินิตี้และแสดงความสัมพันธ์แบบกำลังสองผกผันกับระยะทาง[26] อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างที่สำคัญอย่างหนึ่ง แรงโน้มถ่วงจะทำหน้าที่ดึงดูด ดึงมวลทั้งสองเข้าหากัน ในขณะที่สนามไฟฟ้าสามารถให้ผลลัพธ์ทั้งการดึงดูดหรือการผลักกัน เนื่องจากวัตถุที่ใหญ่เช่นดาวเคราะห์โดยทั่วไปจะขนส่งประจุแบบไม่มีจำนวนเป็นสุทธิ สนามไฟฟ้าในระยะห่างมักจะเป็นศูนย์ ดังนั้นแรงโน้มถ่วงคือพลังหลักที่ระยะห่างในจักรวาล แม้ว่าจะอ่อนกว่ามาก[27]

 
เส้นสนามกระจายออกมาจากประจุบวกเหนือแผ่นตัวนำแบนราบ

โดยทั่วไปสนามไฟฟ้าแปรเปลี่ยนในที่ว่าง (เกือบทั้งหมดของสนามไฟฟ้าจะแปรเปลี่ยนในที่ว่าง ยกเว้นสนามไฟฟ้ารอบ ๆ แผ่นตัวนำที่ขยายไปไกลถึงอินฟินิตี้ สนามของมันจะสม่ำเสมอ) และความแข็งแรงที่คนใดคนหนึ่งรายการที่ถูกกำหนดให้เป็นแรง (ต่อภาระต่อหน่วย) และความแรงของมันที่จุดหนึ่งจุดใดจะถูกกำหนดเป็นแรง (ต่อหน่วยประจุ) ที่จะรู้สึกได้โดยประจุที่อยู่นิ่งแต่ขนาดเล็กน้อยถ้าประจุนั้นถูกวางที่จุดนั้น[17]: 469–470  ประจุตามแนวคิด ที่เรียกว่า 'ประจุทดสอบ' จะต้องมีขนาดเล็กและสูญหายได้เพื่อป้องกันไม่ให้สนามไฟฟ้าไปรบกวนสนามหลักและมันยังจะต้องอยู่นิ่งอีกด้วยเพื่อป้องกันผลกระทบจากสนามแม่เหล็กอื่น ๆ เมื่อสนามไฟฟ้าถูกกำหนดในแง่ของแรง และแรงเป็นเวกเตอร์ ดังนั้นสนามไฟฟ้าจึงเป็นเวกเตอร์ด้วย คือมีทั้งขนาดและทิศทาง โดยเฉพาะมันเป็นสนามเวกเตอร์[17]: 469–470 

การศึกษาเกี่ยวกับสนามไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นโดยประจุนิ่งถูกเรียกว่าไฟฟ้าสถิต สนามอาจจะมองเห็นได้โดยชุดของเส้นสมมุติที่ทิศทางของมันที่จุดใด ๆ จะขนานไปกับทิศทางของสนาม แนวคิดนี้ถูกนำเสนอโดยฟาราเดย์[37] ที่ตั้งชื่อมันว่า 'เส้นแรง 'บางครั้งยังคงเห็นว่าคำนี้ถูกใช้งานอยู่ เส้นสนามเป็นเส้นทางที่จุดประจุบวกหนึ่งจะกระจายออกไปเมื่อมันถูกบังคับให้เคลื่อนที่ภายในสนาม อย่างไรก็ตามเส้นสนามเหล่านี้เป็นแนวคิดในจินตนาการโดยไม่มีการดำรงอยู่จริงทางกายภาพ และสนามจะแทรกซึมไปทุกพื้นที่ที่แทรกแซงระหว่างเส้นสนาม[37] เส้นสนามจะกระจายออกมาจากประจุนิ่งและมีคุณสมบัติที่สำคัญหลายอย่าง: อย่างแรก พวกมันมีจุดกำเนิดจากประจุบวกและสิ้นสุดที่ประจุลบ; อย่างที่สอง พวกมันจะต้องเข้าในตัวนำที่ดีใด ๆ ที่มุมฉาก และอย่างที่สาม พวกมันอาจไม่เคยข้ามกันเองหรือไม่เคยสิ้นสุดตัวมันเอง[17]: 479 

วัตถุตัวนำที่กลวงจะนำพาประจุทั้งหมดบนพื้นผิวด้านนอกของมัน ดังนั้นสนามจะเป็นศูนย์ในทุกสถานที่ภายในวัตถุ[24]: 88  นี้เป็นหลักของการทำงานของกรงฟาราเดย์ ซึ่งเป็นเปลือกโลหะตัวนำที่แยกส่วนภายในของมันออกจากผลกระทบไฟฟ้าภายนอก

หลักการของไฟฟ้​​าสถิตมีความสำคัญเมื่อทำการออกแบบรายการของอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง มีข้อจำกัดที่แน่นอนต่อความแรงของสนามไฟฟ้าที่ตัวกลางใด ๆ อาจจะต้องมีความอดทน ถ้าเลยจากจุดนี้ไป ความล้มเหลวด้านไฟฟ้า (อังกฤษ: electrical breakdown) อาจจะเกิดขึ้นและอาร์คไฟฟ้าจะทำให้เกิดประกายไฟวาบระหว่างส่วนที่มีประจุด้วยกัน ตัวกลางเช่นอากาศเป็นตัวอย่าง มีแนวโน้มที่จะอาร์คข้ามช่องว่างเล็ก ๆ ถ้าความแรงของสนามไฟฟ้าเกินกว่า 1 กิโลโวลต์ต่อเซนติเมตร แต่เมื่อต้องข้ามช่องว่างขนาดใหญ่ขึ้น ค่าความแรงจนเบรกดาวน์ของสนามไฟฟ้าจะสูงขึ้น บางทีอาจสูงถึง 30 กิโลโวลต์ต่อเซนติเมตร[38]

ตัวอย่างที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและมองเห็นได้มากที่สุดของไฟฟ้าสถิตคือฟ้าผ่า ที่เกิดขึ้นเมื่อประจุแยกออกจากกันในเมฆโดยการยกขึ้นสูงของโดมอากาศ และเพิ่มสนามไฟฟ้าในอากาศจนมากเกินกว่าอากาศจะสามารถทนต่อ เมฆฟ้าผ่าขนาดใหญ่อาจมีแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 100 MV และมีพลังงานปลดปล่อยออกมาอาจใหญ่มากถึง 250 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง[39]

ความแรงของสนามได้รับผลกระทบอย่างมากจากวัตถุตัวนำที่อยู่บริเวณใกล้เคียง โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันจะรุนแรงเมื่อมันถูกบังคับให้โค้งรอบวัตถุปลายแหลมคม หลักการนี้​​้เป็นประโยชน์ในสายล่อฟ้า ที่ปลายแหลมของมันจะทำหน้าที่ส่งเสริมให้เกิดฟ้าผ่าลงที่จุดนั้น แทนที่จะลงมาที่อาคารที่มันปกป้อง[40]: 155 

ศักย์ไฟฟ้า

แก้
บทความหลัก: ศักย์ไฟฟ้า

ดูเพิ่มเติม: แรงดันไฟฟ้าและแบตเตอรี่

 
แบตเตอรี่ AA สองตัว แต่ละตัวมีเครื่องหมาย + ที่ปลายด้านหนึ่งเพื่อแสดงขั้วของความต่างศักย์ระหว่างสองขั้วไฟฟ้า

แนวคิดของศักย์ไฟฟ้าจะเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดของสนามไฟฟ้า ประจุขนาดเล็กที่วางอยู่ภายในสนามไฟฟ้าจะประสบกับแรงหนึ่ง และก่อนหน้านั้น ในการที่จะนำประจุนั้นไปที่จุดนั้นโดยต้านกับแรงดังกล่าวได้ มันจำเป็นต้องมีงานเชิงกล ศักย์ไฟฟ้าที่จุดใด ๆ จะถูกกำหนดเป็นพลังงานที่ใช้เพื่อนำประจุทดสอบหนึ่งหน่วยจากระยะอนันต์อย่างช้า ๆ ไปยังจุดนั้น มันมักจะถูกวัดเป็นค่าโวลต์ และหนึ่งโวลต์เป็นศักย์ภาพสำหรับหนึ่งจูลของการทำงานจะต้องจ่ายไปเพื่อนำประจุหนึ่งคูลอมบ์จากอนันต์มาที่จุดนั้น[17]: 494–498  นิยามของศักย์นี้ ในขณะที่เป็นทางการ มีการใช้ในทางปฏิบัติเล็กน้อย และแนวคิดที่มีประโยชน์มากกว่าคือความต่างศักย์ไฟฟ้า และมันเป็นพลังงานที่จำเป็นในการย้ายหนึ่งหน่วยประจุระหว่างจุดสองจุดที่กำหนด สนามไฟฟ้าจะมีคุณสมบัติพิเศษที่มันเป็นอนุรักษ์, ซึ่งหมายถึงว่าเส้นทางที่ใช้โดยประจุทดสอบจะไม่เกี่ยวข้อง นั่นคือทุกเส้นทางระหว่างสองจุดที่กำหนดจะใช้พลังงานเท่ากัน และดังนั้นค่าหนึ่งเดียวสำหรับความต่างศักย์อาจถูกระบุ[17]: 494–498  คำว่าโวลต์ได้ถูกระบุอย่างแข็งแรงอย่างมากว่าเป็นหน่วยของทางเลือกสำหรับการวัดและคำอธิบายของความต่างศักย์ไฟฟ้า คำว่าโวลเตจจะเห็นมากขึ้นในการใช้ประจำวัน

สำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติ มันจะเป็นประโยชน์ในการกำหนดจุดอ้างอิงทั่วไปที่จุดนี้ศักย์ทั้งหลายอาจจะถูกพูดถีงและเปรียบเทียบกับ ในขณะที่จุดนี้อาจจะอยู่ที่อินฟินิตี้ จุดอ้างอิงที่มีประโยชน์มากกว่าคือตัวโลกเอง ซึ่งถูกถือว่ามีศักย์เดียวกันทุกที่ จุดอ้างอิงนี้โดยธรรมชาติจะใช้ชื่อว่ากราวด์หรือดิน โลกหรือดินถุกถือว่าเป็นแหล่งที่ไม่ชัดเจนของปริมาณที่เท่ากันของประจุบวกและลบ เพราะฉะนั้นมันจึงไม่มีการปลดปล่อยและเติมประจุไฟฟ้าเข้าไปใหม่ได้[41]

ศักย์ไฟฟ้าเป็นปริมาณสเกลาร์ นั่นคือ มันมีแต่ปริมาณเท่านั้นไม่มีทิศทาง มันอาจถูกมองว่าเหมือนกับความสูง: อุปมาเหมือนวัตถุที่ถูกปล่อยออกมาจะ 'ตก' ผ่านความแตกต่างในความสูงที่เกิดจากสนามแรงโน้มถ่วง ดังนั้นวัตถุก็คือประจุจะ 'ตก' ผ่านแรงดันที่เกิดโดยสนามไฟฟ้า[42] อย่างที่ relief map จะแสดงจุดเครื่องหมายของเส้นระดับชั้นดิน (อังกฤษ: contour line) ที่มีความสูงเท่ากัน หลาย ๆ จุดที่เป็นเครื่องหมายของเส้นที่มีศักย์เท่ากัน (ที่เรียกว่า equipotentials) อาจถูกวาดรอบ ๆ วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าสถิตย์ เส้น equipotentials เหล่านี้จะข้ามทุกเส้นแรงเป็นมุมฉาก และยังต้องวางตัวขนานกับพื้นผิวของตัวนำอีกด้วย มิฉะนั้นนี่จะผลิตแรงที่จะย้ายพาหะของประจุเพื่อที่จะทำให้ศักย์ของพื้นผิวสม่ำเสมอกัน

สนามไฟฟ้าถูกกำหนดอย่างเป็นทางการเป็นแรงที่กระทำต่อหน่วยประจุ แต่แนวคิดของศักย์ไฟฟ้าจะช่วยให้คำนิยามมีประโยชน์มากขึ้นและเทียบเท่า: สนามไฟฟ้าคือการไล่ระดับของศักย์ไฟฟ้า มักจะมีค่าเป็นโวลต์ต่อเมตร ทิศทางเวกเตอร์ของสนามจะเป็นเส้นของความลาดชันที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของศักย์ไฟฟ้า และเป็นจุดที่ equipotentials วางตัวอยู่ด้วยกันและใกล้กันที่สุด[24]: 60 

แม่เหล็กไฟฟ้า

แก้
บทความหลัก: แม่เหล็กไฟฟ้า
 
เส้นลวดที่นำกระแสไปในทิศทางด้านล่าง ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบเส้นลวดโดยมีเส้นแรงทวนเข็มนาฬิกาตามกฎมือขวา (เมื่อกำมือขวาแล้วชี้ห้วแม่มือขึ้น ถ้ากระแสไหลในทิศทางของหัวแม่มือ เส้นแรงแม่เหล็กจะมีทิศทางตามนิ้วที่เหลือทั้งสี่)

การค้นพบของนายเออสเตดในปี 1821 ที่สนามแม่เหล็กจะปรากฏรอบเส้นลวดที่มีกระแสไหลได้ชี้ให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก นอกจากนี้การมีปฏิสัมพันธ์ดูเหมือนแตกต่างจากแรงโน้มถ่วงและแรงไฟฟ้าสถิต-สองแรงของธรรมชาติที่รู้จักกันตอนนั้น แรงบนเข็มของเข็มทิศไม่ได้ชี้นำเข็มไปทางลวดหรือผลักมันไปไกลจากลวดนำกระแส แต่กระทำเป็นมุมฉากกับเข็ม[34] เออสเตดได้พูดอย่างคลุมเครือเล็กน้อยว่า "ไฟฟ้​​ากระทำแบบขัดแย้งในลักษณะการหมุน" แรงยังขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสอีกด้วย เพราะถ้ากระแสไหลกลับทาง แรงก็จะกลับทางด้วย[43]

เออสเตดไม่เข้าใจการค้นพบของเขาอย่างสมบูรณ์ แต่เขาสังเกตว่าผลลัพธ์จะแลกเปลี่ยนกันและกัน นั่นคือกระแสสร้างแรงบนแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กสร้างแรงบนกระแส ปรากฏการณ์ไดัถูกตรวจสอบต่อไปโดยแอมแปร์ ที่ค้นพบว่าเส้นลวดคู่ขนานนำกระแสสองเส้นสร้างแรงบนกันและกัน นั่นคือถ้าเส้นลวดสองเส้นนั้นนำกระแสในทิศทางเดียวกันแรงที่เกิดจะดึงดูดกัน ในขณะที่เส้นลวดทั้งสองถ้ามีกระแสในทิศทางตรงข้ามกันแรงที่เกิดจะผลักกัน[44] ปฏิสัมพันธ์จะถูกควบคุมโดยโดยสนามแม่เหล็กที่กระแสแต่ละเส้นลวดผลิตขึ้น และเกิดเป็นพื้นฐานสำหรับนิยามของแอมแปร์ระหว่างประเทศ[44]

 
ภาพตัดขวางของมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็ก มอเตอรืไฟฟ้าจะใช้ประโยชน์จากผลกระทบที่สำคัญของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสที่ใหลอยู่ในสนามไฟฟ้าจะประสบกับแรงหนึ่งที่ตั้งฉากกับทั้งสนามและกระแส

ความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กกับกระแสจะมีความสำคัญอย่างมาก เพราะมันได้นำไปสู่​​การประดิษฐ์มอเตอร์ไฟฟ้าของไมเคิล ฟาราเดย์ในปี 1821 มอเตอร์ขั้วเหมือน (อังกฤษ: homopolar motor) ของฟาราเดย์ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวรวางอยู่ในสระปรอท กระแสจะถูกปล่อยให้ไหลผ่านสายไฟที่ห้อยลงมาจากเดือยหมุนเหนือแม่เหล็กและถุกจุ่มลงไปในปรอท แม่เหล็กจะส่งแรงที่ขนานที่สัมผัสกับเส้นลวด ทำให้มันหมุนเป็นวงกลมรอบแม่เหล็กได้นานเท่าที่กระแสยังคงอยู่[45]

การทดลองของฟาราเดย์ในปี 1831 เปิดเผยว่าเส้นลวดที่เคลื่อนที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจะพัฒนาความต่างศักย์ขึ้นระหว่างปลายทั้งสอง เมื่อทำการวิเคราะห์กระบวนการนี้ต่อไปจึงพบในสิ่งที่เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเปิดโอกาสให้เขาสามารถระบุหลักการที่ปัจจุบันนี้เรียกว่ากฎของการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ ที่ความต่างศักย์ที่ถูกเหนี่ยวนำในวงปิดหนึ่งจะเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านลูป การใช้ประโยชน์จากการค้นพบนี้เปิดโอกาสให้เขาในการประดิษฐ์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวแรกในปี 1831 ในเครื่องนี้เขาเปลี่ยนพลังงานกลของจานทองแดงที่กำลังหมุนให้เป็นพลังงานไฟฟ้า[45] จานของฟาราเดย์ไม่มีประสิทธิภาพและนำไปใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในทางปฏิบัติไม่ได้ แต่มันแสดงให้เห็นความเป็นไปได้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าโดยพวกที่ติดตามการทำงานของเขา

ไฟฟ้าเคมี

แก้
 
นักฟิสิกซ์ชาวอิตาลี อาเลสซานโดร โวลตากำลังแสดง "แบตเตอรี" ของเขาต่อพระพักตร์ของจักรพรรดิ์ฝรั่งศส นโปเลียน โบนาปาร์ต ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19
บทความหลัก: ไฟฟ้าเคมี

ความสามารถของปฏิกิริยาทางเคมีในการผลิตไฟฟ้า และความสามารถในทางตรงกันข้ามของไฟฟ้าในการผลักดันให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีมีการใช้งานที่หลากหลาย

ไฟฟ้าเคมีได้เป็นส่วนสำคัญในการผลิตไฟฟ้าเสมอ จากสิ่งประดิษฐ์ช่วงเริ่มต้นของเซลล์ซ้อนของโวลตา เซลล์ไฟฟ้าเคมีได้วิวัฒนาการไปเป็นแบตเตอรีชนิดต่าง ๆ มากมาย รวมทั้งเซลล์การชุบด้วยไฟฟ้าและเซลล์อิเล็กโทรไลต์ อะลูมิเนียมสามารถผลิตขึ้นมาได้ในปริมาณมหาศาลก็ด้วยวิธีนี้ และอุปกรณ์เคลื่อนที่จำนวนมากได้รับพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์แบบที่ชาร์จไฟใหม่ได้

วงจรไฟฟ้า

แก้
บทความหลัก: วงจรไฟฟ้า
 
วงจรไฟฟ้าพื้นฐาน แหล่งจ่ายไฟ V ด้านซ้ายขับเคลื่อนกระแส I ไปรอบวงจร นำส่งพลังงานไฟฟ้าให้กับตัวต้านทาน R จากตัวต้านทาน กระแสจะไหลกลับไปที่แหล่งจ่าย เป็นการครบวงจร

วงจรไฟฟ้าเป็นการเชื่อมต่อถึงกันของชิ้นส่วนอุปกรณ์ไฟฟ้าอย่างน้อยหนึ่งตัวแบบที่ว่าประจุไฟฟ้าจะสามารถเดินทางไปตามเส้นทางจนกลับมาที่เดิม (หรือครบวงจร) มักจะปฏิบัติงานที่มีประโยชน์บางอย่าง

ชิ้นส่วนในวงจรไฟฟ้าสามารถเป็นได้หลายรูปแบบ ซึ่งอาจเป็นตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ, สวิตช์, หม้อแปลงและอิเล็กทรอนิกส์ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่แอคทีฟ มักจะเป็นสารกึ่งตัวนำ และมักจะแสดงพฤติกรรมที่ไม่เป็นเส้นตรง ที่ต้องใช้การวิเคราะห์ที่ซับซ้อน ชิ้นส่วนไฟฟ้าที่ธรรมดาที่สุดจะเป็นพวกที่เรียกว่าพาสซีฟและเชิงเส้น คือในขณะที่พวกมันอาจจัดเก็บพลังงานไว้เป็นการชั่วคราว พวกมันไม่มีแหล่งที่มาของพลังงานในตัวมันเอง และจะแสดงการตอบสนองต่อสิ่งเร้าแบบเชิงเส้น[46]: 15–16 

ตัวต้านทานบางทีอาจเป็นชิ้นส่วนพาสซีฟที่ง่ายที่สุดของวงจร ตามชื่อของมัน มันต้านกระแสที่ไหลผ่านตัวมัน สลายพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานความร้อน ความต้านทานเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหวของประจุผ่านตัวนำ ตัวอย่างเช่นในโลหะ ความต้านทานเกิดเนื่องจากการชนระหว่างอิเล็กตรอนและไอออนเป็นหลัก กฎของโอห์มเป็นกฎพื้นฐานของทฤษฎีวงจร ที่ระบุว่ากระแสที่ไหลผ่านความต้านทานจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความต่างศักย์ที่ตกคร่อมความต้านทานนั้น ความต้านทานของวัสดุส่วนใหญ่ค่อนข้างคงที่ตามช่วงอุณหภูมิและกระแส วัสดุภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้จะถูกเรียกว่าเป็น 'ohmic' หน่วยของความต้านทานเป็นโอห์ม ตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่จอร์จ โอห์ม และมีสัญลักษณ์เป็นอักษรกรีก Ω ความต้านทาน 1 Ω จะผลิตความต่างศักย์ขนาดหนึ่งโวลต์ในการตอบสนองกับกระแสขนาดหนึ่งแอมป์[46]: 30–35 

ตัวเก็บประจุได้พัฒนามาจากโถเลย์เดน มันเป็นอุปกรณ์ที่สามารถเก็บประจุได้ เรจัดเก็บประจุจึงเป็นการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปสนามไฟฟ้าที่เกิดขี้น มันประกอบด้วยแผ่นตัวนำสองแผ่นแยกจากกันโดยชั้นสารไดอิเล็กตริกที่เป็นฉนวนบาง ๆ; ในทางปฏิบัติ แผ่นฟอยล์โลหะบางจะขดม้วนเข้าด้วยกันเพิ่มพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรและดังนั้นจึงเรียกมันว่าคาปาซิแตนซ์ หน่วยของคาปาซิแตนซ์จะเป็นฟารัด ตั้งชื่อตามไมเคิล ฟาราเดย์และมีสัญลักษณ์ F: หนึ่งฟารัดเป็นค่าความสามารถในการเก็บประจุที่จะสร้างความต่างศักย์ขนาดหนึ่งโวลต์เมื่อมันเก็บประจุขนาดหนึ่งคูลอมบ์ ตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันขั้นแรกมันจะทำให้เกิดกระแสเป็นมันสะสมประจุ อย่างไรก็ตามกระแสนี้จะสลายตัวไปตามเวลาเมื่อตัวเก็บประจุเริ่มเติมประจุ ในที่สุดก็ตกลงไปที่ศูนย์ ดังนั้นตัวเก็บประจุจะไม่ยอมให้มีกระแสในสถานะที่มั่นคง แต่จะบล็อกมันแทน[46]: 216–220 

ตัวเหนี่ยวนำก็เป็นตัวนำเช่นกัน มักจะเป็นขดลวด ที่เก็บพลังงานในรูปสนามแม่เหล็กในการตอบสนองกับกระแสทีไหลผ่านตัวมัน เมื่อกระแสเปลี่ยน สนามแม่เหล็กก็เปลี่ยนไปด้วย ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าขึ้นระหว่างปลายของตัวเหนี่ยวนำ แรงดันไฟฟ้าที่ถูกเหนี่ยวนำขึ้นจะเป็นสัดส่วนกับอัตราของการเปลี่ยนแปลงของกระแส หน่วยของการเหนี่ยวนำเป็นเฮนรี ที่ตั้งชื่อตามโจเซฟ เฮนรี เพื่อนร่วมรุ่นของฟาราเดย์ หนึ่งเฮนรีเป็นค่าการเหนี่ยวนำที่จะเหนี่ยวนำให้เกิดความต่างศักย์ขนาดหนึ่งโวลต์ถ้ากระแสผ่านมันเปลี่ยนแปลงในอัตราหนึ่งแอมแปร์ต่อวินาที ลักษณะการทำงานของตัวเหนี่ยวนำจะค่อนข้างตรงข้ามกับตัวเก็บประจุ เพราะมันจะยอมให้กระแสที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงไหลได้อย่างอิสระ แต่ขัดขวางกระแสที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว[46]: 226–229 

กำลังไฟฟ้​​า

แก้
บทความหลัก: พลังงานไฟฟ้า

กำลังไฟฟ้าเป็นอัตราการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าไปให้วงจรไฟฟ้า มีหน่วย SI เป็นวัตต์ หรือหนึ่งจูลต่อวินาที

กำลังไฟฟ้า เหมือนกำลังเชิงกล เป็นอัตราของการทำงานที่วัดในหน่วยวัตต์และมีสัญลักษณ์เป็นตัวอักษร P กำลังไฟฟ้ามีค่าเป็นวัตต์ที่ผลิตขึ้นจากกระแสไฟฟ้า I ที่ประกอบด้วยประจุ Q คูลอมบ์ทุก ๆ t วินาทีไหลผ่านความต่างศักย์ไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้า) ความแตกต่างของ V จะเป็น

 

การผลิตไฟฟ้ามักจะทำโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่ก็สามารถผลิตขึ้นจากแหล่งเคมีอีกด้วยเช่นจากแบตเตอรีหรือจากหลากหลายแหล่งที่มาของพลังงาน พลังงานไฟฟ้าโดยทั่วไปจะถูกส่งไปยังบ้านและธุรกิจโดยอุตสาหกรรมการผลิตพลังงานไฟฟ้า กระแสไฟฟ้ามักจะขายเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง (3.6 MJ) ซึ่งเป็นผลคูณของกำลังเป็นกิโลวัตต์คูณด้วยเวลาของการทำงานเป็นชั่วโมง บริษัทไฟฟ้าจะวัดกำลังไฟโดยใช้มิเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งจะเก็บการใช้งานโดยของพลังงานไฟฟ้าส่งมอบให้กับลูกค้า แตกต่างจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ไฟฟ้าเป็นรูปแบบเอนโทรปีที่ต่ำของพลังงานและสามารถถูกแปลงให้เป็นการเคลื่อนไหวหรือรูปแบบอื่นของพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง[47]

อิเล็กทรอนิกส์

แก้
บทความหลัก: อิเล็กทรอนิกส์
 
ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบวางบนผิว

อิเล็กทรอนิกส์จะเกี่ยวข้องกับวงจรไฟฟ้าที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนไฟฟ้าแบบแอคทีฟเช่นหลอดสูญญากาศ, ทรานซิสเตอร์, ไดโอด, วงจรรวม, และเทคโนโลยีเชื่อมต่อระหว่างกันแบบพาสซีฟที่เกี่ยวข้อง พฤฒิกรรมที่ไม่เป็นเชิงเส้นของชิ้นส่วนแอคทีฟและความสามารถของมันในการควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนทำให้ต้องมีการขยายสัญญาณที่อ่อนแอและอิเล็กทรอนิกส์ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการประมวลผลข้อมูล, การสื่อสารโทรคมนาคม, และการประมวลผลสัญญาณ ความสามารถของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่จะทำหน้าที่ เป็นสวิตช์ทำให้การประมวลผลข้อมูลดิจิทัลมีความเป็นไปได้ เทคโนโลยีเชื่อมต่อระหว่างกันเช่นแผงวงจร, เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบอิเล็กทรอนิคส์, และรูปแบบหลากหลายอื่นของโครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารเติมเต็มหน้าที่การทำงานของวงจรและเปลี่ยนส่วนประกอบผสมให้เป็นระบบการทำงานปกติ

วันนี้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่จะใช้ชิ้นส่วนสารกึ่งตัวนำเพื่อการควบคุมอิเล็กตรอน การศึกษาอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องได้รับการพิจารณาว่าเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์สถานะของแข็ง ในขณะที่การออกแบบและสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในการแก้ปัญหาที่เกิดตอนปฏิบัติจะมาภายใต้วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แก้
บทความหลัก: คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

งานของฟาราเดย์และแอมแปร์แสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กที่แปรตามเวลาจะทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาของสนามไฟฟ้า และสนามไฟฟ้าที่แปรตามเวลาก็เป็นแหล่งที่มาของสนามแม่เหล็ก ดังนั้นเมื่อทั้งสองใดสนามหนึ่งมีการเปลี่ยนแปลง อีกสนามหนึ่งก็จำเป็นที่จะถูกเหนี่ยวนำขึ้น[17]: 696–700  ปรากฏการณ์เช่นนี้จะมีคุณสมบัติของคลื่น และจะถูกเรียกโดยธรรมชาติว่าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกนำมาวิเคราะห์ในทางทฤษฎีโดยเจมส์ เคิร์ก แมกส์เวลล์ ในปี 1864 แมกซ์เวลล์ได้พัฒนาชุดของสมการที่อาจอธิบายอย่างกำกวมถึงความสัมพันธ์ระหว่างกันของสนามไฟฟ้า, สนามแม่เหล็ก, ประจุไฟฟ้า, และกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้เขาสามารถพิสูจน์ได้ว่าคลื่นเช่นนั้นจำเป็นที่จะเดินทางด้วยความเร็วของแสง ดังนั้นตัวแสงเองเป็นรูปแบบหนึ่งของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า กฎของแมกซ์เวล ซึ่ง รวมแสง, สนาม, และประจุโหลดเป็นหนึ่งเดียวเป็นหนึ่งของเหตุการณ์สำคัญที่สุดของฟิสิกส์ในทางทฤษฎี[17]: 696–700 

ดังนั้นงานของนักวิจัยหลายคนได้เปิดโอกาสให้มีการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการแปลงสัญญาณให้มีกระแสสั่นความถี่สูง และโดยใช้ตัวนำรูปทรงที่เหมาะสม ไฟฟ้าจะยอมให้มีการส่งและการรับสัญญาณเหล่านี้ผ่านทางคลื่นวิทยุในระยะทางที่ไกลมาก

การผลิตและการใช้ประโยชน์

แก้

การผลิตและการส่งกำลัง

แก้
บทความหลัก: การผลิตไฟฟ้า

ดูเพิ่มเติม: การส่งกำลังไฟฟ้าและไฟฟ้าสายเมน

 
ตัวสลับกระแส (อังกฤษ: alternator) ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ทำในเมืองบูดาเปสต์ ประเทศฮังการี ในห้องโถงผลิตไฟฟ้าของสถ​​านีไฟฟ้าพลังน้ำ (ภาพโดย Prokudin Gorsky ระหว่างปี 1905-1915)

ในศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสตกาล นักปรัชญาชาวกรีก ธาลีสแห่งไมลิตัส ได้ทำการทดลองหลายครั้งกับแท่งอำพัน และการทดลองเหล่านี้เป็นการศึกษาครั้งแรกในการผลิตพลังงานไฟฟ้า ในขณะที่ใช้วิธีการนี​​้ ในปัจจุบันเรียกว่าผลกระทบไทรโบอิเล็กตริก สามารถยกวัตถุเบาและสร้างประกายไฟ แต่ก็ไม่มีประสิทธิภาพอย่างมาก[48] มันต้องรอต่อไปอีกจนกระทั่งมีการประดิษฐ์เซลล์ซ้อนของโวลตาในศตวรรษที่สิบแปดได้กลายเป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าที่มีศักยภาพที่พร้อมให้ใช้งานได้ เซลล์ซ้อนของโวลตา ​​และลูกหลานของมันที่ทันสมัย-แบตเตอรี่ สามารถเก็บพลังงานด้วยวิธีการทางเคมีและทำให้มันพร้อมสนองความต้องการใช้งานในรูปแบบของพลังงานไฟฟ้า[48] แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานที่หลากหลายและพบบ่อยมากซึ่งเหมาะที่จะใช้งานได้หลายอย่าง แต่การจัดเก็บพลังงานของมันมี จำกัด และเมื่อมันถูกใช้งานหมดแล้ว มันจะต้องถูกกำจัดหรือชาร์จใหม่ สำหรับความต้องการใช้ไฟฟ้าขนาดใหญ่ พลังงานไฟฟ้าจะต้องถูกผลิตและส่งกำลังอย่างต่อเนื่องไปตามสายส่งตัวนำกระแสไฟฟ้า

พลังงานไฟฟ้ามักจะถูกผลิตขึ้นโดยเครื่องกำเนิดแบบที่ใช้ไฟฟ้า-เครื่องกลที่ขับโดยไอน้ำที่ผลิตจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล หรือโดยความร้อนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ หรือจากแหล่งอื่น ๆ เช่นพลังงานจลน์สกัดจากลมหรือการไหลของน้ำ กังหันไอน้ำทันสมัยที่​​คิดค้นโดยท่านเซอร์ชาร์ลส์ พาร์ซันส์ในปี 1884 ในวันนี้มีการผลิตประมาณร้อยละ 80 ของพลังงานไฟฟ้าในโลกโดยการใช้ความหลากหลายของแหล่งความร้อน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดังกล่าวไม่มีความคล้ายคลึงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบจานขั้วเหมือนของฟาราเดย์ที่สร้างในปี 1831 แต่พวกมันยังคงพึ่งพาหลักการแม่เหล็กไฟฟ้าของเขาที่ว่าตัวนำที่เชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดความต่างศักย์ตกคร่อมปลายทั้งสองของมัน[49] การประดิษฐ์หม้อแปลงในช่วงปลายศตวรรษที่สิบเก้ามีความหมายว่าพลังงานไฟฟ้าจะสามารถถูกส่งออกไปอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นแต่กระแสลดลง การส่งกำลังไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพจึงหมายความว่าไฟฟ้าอาจจะผลิตขึ้นที่โรงไฟฟ้าที่ส่วนกลาง ในสถานที่ที่จะได้รับประโยชน์จากการประหยัดจากขนาดและจากนั้นพลังงานไฟฟ้าจะถูกจัดส่งไปในระยะทางค่อนข้างไกลไปยังตำแหน่งที่ต้องการใช้มัน[50][51]

 
ฟาร์มลมประมาณหนึ่งโหลของกังหันลมสามใบพัดสีขาว พลังงานลมมีความสำคัญเพิ่มขึ้นในหลายประเทศ

เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าไม่สามารถจะเก็บไว้ได้ง่ายในปริมาณที่มากพอที่จะตอบสนองความต้องการในระดับชาติได้ตลอดเวลา ซึ่งจะต้องมีการผลิตให้ได้มากเท่าตามความต้องการใช้จริงอย่างแม่นยำ[50] เพื่อผลิตให้พอดีใช้บริษัทสาธารณูปโภคไฟฟ้าจะต้องทำการคาดการณ์อย่างระมัดระวังของโหลดไฟฟ้าของพวกเขาและรักษาการประสานงานให้คงที่กับโรงไฟฟ้าทั้งหลายของพวกเขา จำนวนที่แน่นอนของการผลิตจะต้องจัดทำปริมาณสำรองเพื่อรองรับกริดไฟฟ้​​าในขณะที่มีการแปรปรวนและการสูญเสียที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

ความต้องการใช้ไฟฟ้าเติบโตด้วยความรวดเร็วอย่างมากเมื่อประเทศเริ่มจะทันสมัยและเศรษฐกิจของประเทศกำลังพัฒนา ประเทศสหรัฐอเมริกาพบว่ามีความต้องการเพิ่มขึ้น 12% ในแต่ละปีในสามทศวรรษแรกของศตวรรษที่ยี่สิบ[52] อัตราการเจริญเติบโตที่ขณะนี้กำลังประสบกับเศรษฐกิจที่เกิดใหม่เช่นสิ่งที่เกิดกับอินเดียหรือจีน[53][54] ในอดีต อัตราการเจริญเติบโตในความต้องการใช้ไฟฟ้าได้แซงรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงาน[55]: 16 

ความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมที่มีต่อการผลิตไฟฟ้าได้นำไปสู่​​การจับตาที่เพิ่มขึ้นกับการผลิตจากแหล่งพลังงานทดแทน โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากลมและน้ำ ในขณะที่การอภิปรายสามารถคาดว่าจะยังคงดำเนินต่อไปในส่วนของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของวิธีการที่แตกต่างกันของการผลิตไฟฟ้า รูปแบบสุดท้ายของมันคือมันค่อนข้างสะอาด[55]: 89 

การประยุกต์ใช้งาน

แก้
 
หลอดไฟ การประยุกต์ใช้ในช่วงต้นของไฟฟ้า ทำงานโดยการให้ความร้อนของจูล: การผ่านกระแสเข้าไปในความต้านทานเพื่อสร้างความร้อน

ไฟฟ้าเป็นวิธีที่สะดวกมากในการถ่ายโอนพลังงาน และมันได้ถูกปรับให้เข้ากับการใช้งานขนาดใหญ่และกำลังจริญเติบโตจำนวนมาก[56] การประดิษฐ์หลอดไฟแบบใช้ไส้ที่ใช้งานได้ในทางปฏิบัติในทศวรรษที่ 1870 ทำให้​​แสงสว่างกลายเป็นหนึ่งในการประยุกต์ใช้งานพลังงานไฟฟ้าแรกที่เปิดเผยต่อสาธารณชน แม้ว่าการใช้พลังงานไฟฟ้าจะตามมาด้วยอันตรายจากตัวมันเอง การเปลี่ยนเปลวไฟเปลือยของการให้แสงสว่างจากก๊าซได้ลดอันตรายจากไฟไหม้ภายในบ้านและโรงงานลงไปอย่างมาก[57] สาธารณูปโภคถูกตั้งขึ้นในหลายเมืองที่กำหนดเป้​​าหมายในตลาดที่กำลังขยายตัวสำหรับไฟฟ้าแสงสว่าง

ผลกระทบจากความต้านทานการให้ความร้อนของจูลที่นำไปใช้ในหลอดไฟแบบจุดไส้ยังแสดงให้เห็นถึงการใช้งานโดยตรงมากขึ้นในการให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า ขณะนี้เป็นที่หลากหลายและสามารถควบคุมมันได้ มันอาจมองเห็นเป็นที่สิ้นเปลืองเนื่องจากการผลิตไฟฟ้าส่วนใหญ่จำเป็นต้องมีการผลิตความร้อนอยู่แล้วที่โรงไฟฟ้า[58] หลายประเทศเช่นเดนมาร์กได้มีการออกกฎหมายเพื่อจำกัดหรือห้ามการให้ความร้อนจากตัวต้านทานด้วยไฟฟ้าในอาคารสร้างใหม่[59] อย่างไรก็ตาม ไฟฟ้ายังคงเป็นแหล่งพลังงานในทางปฏิบัติอย่างสูงสำหรับการให้ความร้อนและเครื่องทำความเย็น[60] ที่มีเครื่องปรับอากาศ/ปั๊มความร้อนที่เป็นตัวแทนของภาคอุตสาหกรรมที่เจริญเติบโตสำหรับความต้องการใช้ไฟฟ้าเพื่อให้ความร้อนและความเย็น ทำให้สาธารณูปโภคด้านไฟฟ้ามีหน้าที่เพิ่มมากขึ้นเพื่อรองรับผลของความต้องการดังกล่าว[61]

ไฟฟ้ายังถูกนำมาใช้ในการสื่อสารโทรคมนาคม และแน่นอนการโทรเลขได้สาธิตในเชิงพาณิชย์ในปี 1837 โดยวิลเลียม โฟเธอร์กิล คุก และชาลส์ วีทสโตน มันเป็นหนึ่งในการประยุกต์ใช้งานในยุคแรกที่สุดของไฟฟ้า กับการก่อสร้างโทรเลขข้ามทวีปเป็นครั้งแรกและจากนั้นก็สายเคเบิลข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก, ระบบโทรเลขในยุค 1860, ไฟฟ้าได้เปิดโอกาศให้การสื่อสารสามารถติดต่อทั่วโลกภายในเวลาเป็นนาที ใยแก้วนำแสงและการสื่อสารดาวเทียมได้แชร์ส่วนแบ่งการตลาดสำหรับระบบการสื่อสาร แต่ไฟฟ้ายังสามารถคาดเดาได้ว่ามันจะยังคงเป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญของกระบวนการ

ผลกระทบของแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้อย่างเห็นได้ชัดส่วนใหญ่ในมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งให้กำลังขับเคลื่อนที่สะอาดและมีประสิทธิภาพ มอเตอร์นิ่งเช่นเครื่องกว้านจะให้บริการได้อย่างง่ายดายด้วยการจ่ายพลังงานให้ แต่ยานยนต์ที่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับการประยุกต์ใช้เช่นยานยนต์ไฟฟ้าสามารถทำงานได้โดยบรรทุกแหล่งจ่ายไฟไปด้วยเช่นแบตเตอรี่ หรือการเก็บรวบรวมกระแสไฟฟ้าจากจุดสัมผัสที่เลื่อนได้เช่นโครงรับไฟฟ้าเหนือหัวรถราง (อังกฤษ: pantograph)

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้ประโยชน์จากทรานซิสเตอร์ อาจจะเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดของศตวรรษที่ยี่สิบ[62] และเป็นโครงสร้างพื้นฐานของวงจรที่ทันสมัยทั้งหมด วงจรรวมที่ทันสมัย​​อาจประกอบด้วยหลายพันล้านทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กในพื้นที่เพียงไม่กี่ตารางเซนติเมตร[63]

ไฟฟ้ายังถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงในการขนส่งสาธารณะ รวมทั้งรถเมล์และรถไฟไฟฟ้​​า[64]


อ้างอิง

แก้
  1. ↑ Jones, D.A. (1991), "Electrical engineering: the backbone of society", Proceedings of the IEE: Science, Measurement and Technology, 138 (1): 1–10, doi:10.1049/ip-a-3.1991.0001, ISSN 0960-7641
  2. ↑ Moller, Peter; Kramer, Bernd (December 1991), "Review: Electric Fish", BioScience, American Institute of Biological Sciences, 41 (11): 794–6 [794], doi:10.2307/1311732, JSTOR 1311732
  3. ↑ Bullock, Theodore H. (2005), Electroreception, Springer, pp. 5–7, ISBN 0-387-23192-7
  4. ↑ Morris, Simon C. (2003), Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe, Cambridge University Press, pp. 182–185, ISBN 0-521-82704-3
  5. ↑ The Encyclopedia Americana; a library of universal knowledge (1918), New York: Encyclopedia Americana Corp
  6. ↑ 6.0 6.1 Stewart, Joseph (2001), Intermediate Electromagnetic Theory, World Scientific, p. 50, ISBN 981-02-4471-1
  7. ↑ Simpson, Brian (2003), Electrical Stimulation and the Relief of Pain, Elsevier Health Sciences, pp. 6–7, ISBN 0-444-51258-6
  8. ↑ Frood, Arran (27 February 2003), Riddle of 'Baghdad's batteries', BBC, สืบค้นเมื่อ 2008-02-16
  9. ↑ Baigrie, Brian (2006), Electricity and Magnetism: A Historical Perspective, Greenwood Press, pp. 7–8, ISBN 0-3133-3358-0
  10. ↑ Chalmers, Gordon (1937), "The Lodestone and the Understanding of Matter in Seventeenth Century England", Philosophy of Science, 4 (1): 75–95, doi:10.1086/286445
  11. ↑ Srodes, James (2002), Franklin: The Essential Founding Father, Regnery Publishing, pp. 92–94, ISBN 0-89526-163-4 มันไม่แน่ว่าแฟรงคลินดำเนินการทดลองนี้ด้วยตัวเอง แต่นิยมที่จะอุทิศให้กับเขา
  12. ↑ Uman, Martin (1987), All About Lightning (PDF), Dover Publications, ISBN 0-486-25237-X
  13. ↑ Riskin, Jessica (1998), Poor Richard’s Leyden Jar: Electricity and economy in Franklinist France (PDF), p. 327, คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2014-05-12, สืบค้นเมื่อ 2016-06-01
  14. ↑ 14.0 14.1 14.2 Kirby, Richard S. (1990), Engineering in History, Courier Dover Publications, pp. 331–333, ISBN 0486264122
  15. ↑ Berkson, William (1974) Fields of force: the development of a world view from Faraday to Einstein p.148. Routledge, 1974
  16. ↑ Marković, Dragana, The Second Industrial Revolution, คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2007-11-19, สืบค้นเมื่อ 2007-12-09
  17. ↑ 17.00 17.01 17.02 17.03 17.04 17.05 17.06 17.07 17.08 17.09 Sears, Francis; และคณะ (1982), University Physics, Sixth Edition, Addison Wesley, ISBN 0-201-07199-1
  18. ↑ Hertz, Heinrich (1887). "Ueber den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung". Annalen der Physik. 267 (8): S. 983–1000. Bibcode:1887AnP...267..983H. doi:10.1002/andp.18872670827.
  19. ↑ "The Nobel Prize in Physics 1921". Nobel Foundation. สืบค้นเมื่อ 2013-03-16.
  20. ↑ "Solid state", The Free Dictionary
  21. ↑ John Sydney Blakemore, Solid state physics, pp.1-3, Cambridge University Press, 1985 ISBN 0-521-31391-0.
  22. ↑ Richard C. Jaeger, Travis N. Blalock, Microelectronic circuit design, pp.46-47, McGraw-Hill Professional, 2003 ISBN 0-07-250503-6.
  23. ↑ "The repulsive force between two small spheres charged with the same type of electricity is inversely proportional to the square of the distance between the centres of the two spheres." Charles-Augustin de Coulomb, Histoire de l'Academie Royal des Sciences, Paris 1785.
  24. ↑ 24.0 24.1 24.2 24.3 24.4 24.5 24.6 Duffin, W.J. (1980), Electricity and Magnetism, 3rd edition, McGraw-Hill, ISBN 0-07-084111-X
  25. ↑ National Research Council (1998), Physics Through the 1990s, National Academies Press, pp. 215–216, ISBN 0-309-03576-7
  26. ↑ 26.0 26.1 Umashankar, Korada (1989), Introduction to Engineering Electromagnetic Fields, World Scientific, pp. 77–79, ISBN 9971-5-0921-0
  27. ↑ 27.0 27.1 Hawking, Stephen (1988), A Brief History of Time, Bantam Press, p. 77, ISBN 0-553-17521-1
  28. ↑ Trefil, James (2003), The Nature of Science: An A–Z Guide to the Laws and Principles Governing Our Universe, Houghton Mifflin Books, p. 74, ISBN 0-618-31938-7
  29. ↑ Shectman, Jonathan (2003), Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 18th Century, Greenwood Press, pp. 87–91, ISBN 0-313-32015-2
  30. ↑ Sewell, Tyson (1902), The Elements of Electrical Engineering, Lockwood, p. 18. ค่า Q แต่เดิมหมายถึง 'ปริมาณไฟฟ้า', คำว่า 'ไฟฟ้า' ตอนนี้จะถูกแสดงออกให้เป็นทั่วไปมากขึ้นเป็น 'ประจุ'.
  31. ↑ Close, Frank (2007), The New Cosmic Onion: Quarks and the Nature of the Universe, CRC Press, p. 51, ISBN 1-58488-798-2
  32. ↑ Ward, Robert (1960), Introduction to Electrical Engineering, Prentice-Hall, p. 18
  33. ↑ Solymar, L. (1984), Lectures on electromagnetic theory, Oxford University Press, p. 140, ISBN 0-19-856169-5
  34. ↑ 34.0 34.1 Berkson, William (1974), Fields of Force: The Development of a World View from Faraday to Einstein, Routledge, p. 370, ISBN 0-7100-7626-6 Accounts differ as to whether this was before, during, or after a lecture.
  35. ↑ "Lab Note #105 EMI Reduction - Unsuppressed vs. Suppressed". Arc Suppression Technologies. April 2011. สืบค้นเมื่อ March 7, 2012.
  36. ↑ 36.0 36.1 36.2 Bird, John (2007), Electrical and Electronic Principles and Technology, 3rd edition, Newnes, ISBN 9781417505432
  37. ↑ 37.0 37.1 Morely & Hughes, Principles of Electricity, Fifth edition, p. 73, ISBN 0-582-42629-4
  38. ↑ Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill, p. 2, ISBN 0-07-451786-4
  39. ↑ Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill, pp. 201–202, ISBN 0-07-451786-4
  40. ↑ Paul J. Nahin (9 October 2002). Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age. JHU Press. ISBN 978-0-8018-6909-9.
  41. ↑ Serway, Raymond A. (2006), Serway's College Physics, Thomson Brooks, p. 500, ISBN 0-534-99724-4
  42. ↑ Saeli, Sue; MacIsaac, Dan (2007), "Using Gravitational Analogies To Introduce Elementary Electrical Field Theory Concepts", The Physics Teacher, 45 (2): 104, Bibcode:2007PhTea..45..104S, doi:10.1119/1.2432088, คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-02-16, สืบค้นเมื่อ 2007-12-09
  43. ↑ Thompson, Silvanus P. (2004), Michael Faraday: His Life and Work, Elibron Classics, p. 79, ISBN 1-4212-7387-X
  44. ↑ 44.0 44.1 Morely & Hughes, Principles of Electricity, Fifth edition, pp. 92–93
  45. ↑ 45.0 45.1 Institution of Engineering and Technology, Michael Faraday: Biography, คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2007-07-03, สืบค้นเมื่อ 2007-12-09
  46. ↑ 46.0 46.1 46.2 46.3 Alexander, Charles; Sadiku, Matthew (2006), Fundamentals of Electric Circuits (3, revised ed.), McGraw-Hill, ISBN 9780073301150
  47. ↑ Environmental Physics By Clare Smith 2001
  48. ↑ 48.0 48.1 Dell, Ronald; Rand, David (2001), "Understanding Batteries", Unknown, Royal Society of Chemistry, 86: 2–4, Bibcode:1985STIN...8619754M, ISBN 0-85404-605-4
  49. ↑ McLaren, Peter G. (1984), Elementary Electric Power and Machines, Ellis Horwood, pp. 182–183, ISBN 0-85312-269-5
  50. ↑ 50.0 50.1 Patterson, Walter C. (1999), Transforming Electricity: The Coming Generation of Change, Earthscan, pp. 44–48, ISBN 1-85383-341-X
  51. ↑ Edison Electric Institute, History of the Electric Power Industry, เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2007-11-13, สืบค้นเมื่อ 2007-12-08
  52. ↑ Edison Electric Institute, History of the U.S. Electric Power Industry, 1882-1991, สืบค้นเมื่อ 2007-12-08
  53. ↑ Carbon Sequestration Leadership Forum, An Energy Summary of India, คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2007-12-05, สืบค้นเมื่อ 2007-12-08
  54. ↑ IndexMundi, China Electricity - consumption, สืบค้นเมื่อ 2007-12-08
  55. ↑ 55.0 55.1 National Research Council (1986), Electricity in Economic Growth, National Academies Press, ISBN 0-309-03677-1
  56. ↑ Wald, Matthew (21 March 1990), "Growing Use of Electricity Raises Questions on Supply", New York Times, สืบค้นเมื่อ 2007-12-09
  57. ↑ d'Alroy Jones, Peter, The Consumer Society: A History of American Capitalism, Penguin Books, p. 211
  58. ↑ ReVelle, Charles and Penelope (1992), The Global Environment: Securing a Sustainable Future, Jones & Bartlett, p. 298, ISBN 0-86720-321-8
  59. ↑ Danish Ministry of Environment and Energy, "F.2 The Heat Supply Act", Denmark's Second National Communication on Climate Change, คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-01-08, สืบค้นเมื่อ 2007-12-09
  60. ↑ Brown, Charles E. (2002), Power resources, Springer, ISBN 3-540-42634-5
  61. ↑ Hojjati, B.; Battles, S., The Growth in Electricity Demand in U.S. Households, 1981-2001: Implications for Carbon Emissions (PDF), สืบค้นเมื่อ 2007-12-09
  62. ↑ Herrick, Dennis F. (2003), Media Management in the Age of Giants: Business Dynamics of Journalism, Blackwell Publishing, ISBN 0-8138-1699-8
  63. ↑ Das, Saswato R. (2007-12-15), "The tiny, mighty transistor", Los Angeles Times
  64. ↑ "Public Transportation", Alternative Energy News, 2010-03-10

158.108.71 p.6/3

 

บทความฟิสิกส์นี้ยังเป็นโครง คุณสามารถช่วยวิกิพีเดียได้โดยการเพิ่มเติมข้อมูล

เข้าถึงจาก "https://th.wiki.x.io/w/index.php?title=ไฟฟ้า&oldid=11892480"