ไฟฟ้า เกิดขึ้นได้อย่างไร อาศัยหลักการอะไร และจำแนกได้กี่ประเภท

สิ่งประดิษฐ์หลายชิ้นของมนุษย์ได้เปลี่ยนแปลงโฉมหน้าของโลกเราไปอย่างถาวร การกำเนิด ไฟฟ้า และระบบส่องสว่าง ทำให้โลกมนุษย์ไม่เคยมืดมิดนับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

ไฟฟ้า (Electricity) คือ พลังงานที่เกิดจากการคงอยู่ของอนุภาคมูลฐานที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เรียกว่า โปรตอน (Proton) ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุบวก และอิเล็กตรอน (Electron) ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุลบ และโครงสร้างพื้นฐานหรือ “อะตอม” ของธาตุต่าง ๆ รวมไปถึงสสารทั้งหลายในจักรวาล ล้วนประกอบขึ้นจากอนุภาคมูลฐานขนาดเล็กทั้งสองชนิดนี้

ไฟฟ้า, การกำเนิดไฟฟ้า, หลักการของไฟฟ้า, สูตรคำนวนไฟฟ้า, กระแสไฟฟ้า, มีอะไรบ้าง, คืออะไร — ภาพจำลองโครงสร้างอะตอม / ภาพประกอบ Clker-Free-Vector-Images

ดังนั้น วัตถุทุกชนิดจึงมีคุณสมบัติทางไฟฟ้า เนื่องจากอะตอมของสสารล้วนประกอบขึ้นจากโปรตอน และอิเล็กตรอน ที่โคจรอยู่รอบนอกจากแรงดึงดูดระหว่างกัน รวมถึงการคงอยู่ของนิวตรอน ที่มีคุณสมบัติเป็นกลางทางไฟฟ้าร่วมกับโปรตอนในนิวเคลียส ในวัตถุทั่วไป ภายในอะตอมมักประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนในจำนวนที่เท่ากัน ส่งผลให้แรงกระทำจากประจุไฟฟ้าบวกและประจุไฟฟ้าลบหักล้างกันได้อย่างพอดี และทำให้วัตถุดังกล่าวไม่แสดงอำนาจทางไฟฟ้า

แต่เมื่อมีอิทธิพลจากภายนอกเข้ามารบกวนหรือถูกแรงกระทำจากภายนอก วัตถุดังกล่าวสามารถเกิดปรากฏการณ์ต่าง ๆ ทางไฟฟ้าได้ เนื่องจากอะตอมของสสารสูญเสียอิเล็กตรอนไปจากวงโคจร ซึ่งการเคลื่อนไหวอย่างอิสระของอิเล็กตรอนได้ก่อให้เกิดพลังงานที่เรารู้จักกันดีในรูปของ “ไฟฟ้า” หรือ “กระแสไฟฟ้า”

การกำเนิดไฟฟ้า, หลักการของไฟฟ้า, สูตรคำนวนไฟฟ้า, กระแสไฟฟ้า, มีอะไรบ้าง, คืออะไร — ไฟฟ้าที่มนุษย์ผลิตขึ้นมาได้จะถูกส่งไปตามสายไฟฟ้าแรงสูงเพื่อจ่ายกระแสไฟไปยังพื้นที่ชุมชน / ภาพถ่าย American Public Power Association

ชนิดของไฟฟ้า

ไฟฟ้าสถิต (Static Electricity) คือ ความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้าที่เกิดจากการมีจำนวนประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบภายในหรือบนพื้นผิวของวัตถุ “ไม่เท่ากัน” ทำให้ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นหยุดนิ่งอยู่กับที่ ซึ่งแสดงผลลัพธ์ของการคงอยู่ออกมาในรูปของการดึงดูด การผลักและการเกิดประกายไฟ และหากมีการนำไฟฟ้าเกิดขึ้น จะก่อให้เกิดการถ่ายเทประจุไปยังจุดอื่น ๆ ได้ง่าย

ไฟฟ้ากระแส (Current Electricity) คือ การไหลของประจุไฟฟ้าผ่านวงจร หรือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในตัวนำไฟฟ้าจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ซึ่งก่อให้เกิดพลังงานในรูปแบบต่าง ๆ ทั้งการเคลื่อนที่ของเข็มในนาฬิกาข้อมือหรือแสงสว่างจากโคมไฟในบ้านเรือน นอกจากนี้ ไฟฟ้ากระแสยังสามารถจำแนกออกเป็น 2 ชนิด ได้แก่

ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current: DC) คือ ไฟฟ้าที่มีทิศทางของกระแสไหลไปทางเดียว มีการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าคงที่ เป็นไฟฟ้ากระแสต่ำที่ไม่เป็นอันตราย มักพบได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่ใช้คู่กับแบตเตอรี
ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current: AC) คือ ไฟฟ้าที่มีทิศทางการไหลของกระแสกลับไปกลับมาตลอดเวลา มีขนาดและแรงดันไฟฟ้าไม่คงที่ ซึ่งไฟฟ้ากระแสสลับนั้น คือ ไฟฟ้าที่ใช้ในอาคารบ้านเรือน ซึ่งถูกส่งตรงมาจากโรงไฟฟ้า เป็นไฟฟ้ากระแสสูงที่เป็นอันตรายต่อชีวิต

สัญลักษณ์และการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้ามีสัญลักษณ์ คือ ตัวอักษรไอ (I) ซึ่งมาจากวลี “intensité de courant” ในภาษาฝรั่งเศส หรือ intensity of current ที่หมายถึงความเข้มของกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (A) ซึ่งสามารถคำนวณได้จากผลรวมของประจุไฟฟ้า (Q) ที่เคลื่อนที่ผ่านหน้าตัดจุดหนึ่งของตัวนำในหนึ่งหน่วยเวลา (t) ซึ่งผลรวมของประจุไฟฟ้ามีหน่วยเป็นคูลอมป์ (C) ขณะที่เวลามีหน่วยเป็นวินาที (s)

ดังนั้น สูตรการคำนวณปริมาณกระแสไฟฟ้า คือ I (A) = Q (C) / t (s)

วงจรไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นได้จากการไหลของทั้งประจุบวก ประจุลบ หรือทั้งสองประจุพร้อมกัน ดังนั้น ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าจึงขึ้นอยู่กับประจุชนิดใดเป็นตัวกำเนิดกระแสไฟฟ้า ในการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าภายในตัวนำต่าง ๆ ซึ่งมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าแตกต่างกัน จึงส่งผลให้ทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าแตกต่างกันออกไป

สำหรับในตัวนำที่เป็นของแข็ง กระแสไฟฟ้ามักเกิดจากการไหลของอิเล็กตรอนหรือประจุลบ โดยอิเล็กตรอนจะไหลจากขั้วลบ (ศักย์ไฟฟ้าต่ำ) ไปหาขั้วบวก (ศักย์ไฟฟ้าสูง) เสมอ ขณะที่ในตัวนำที่เป็นของเหลวและก๊าซ กระแสไฟฟ้ามักเกิดจากการเคลื่อนที่ของทั้งอิเล็กตรอนและโปรตอน โดยเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าที่มีประจุตรงกันข้าม ดังนั้น ทิศทางการไหลของอิเล็กตรอนจึงตรงข้ามกับการทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่ไหลจากจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำ

นอกจากนี้ ในการผลักดันให้อิเล็กตรอนเกิดการเคลื่อนที่ ต้องอาศัยแรงภายนอกเข้ามากระทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมและเกิดการไหล ซึ่งแรงดังกล่าวถูกเรียกว่า “แรงดันไฟฟ้า” (Voltage) มีหน่วยเป็นโวลต์ (Volt) ซึ่งหมายถึงแรงดันที่ทำให้กระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์ เคลื่อนที่ผ่านความต้านทาน (Resistance) 1 โอห์ม (Ohm: Ω)

ความต้านทานทางไฟฟ้า คือ คุณสมบัติเฉพาะของวัตถุแต่ละชนิดที่ต้านทานการไหลของไฟฟ้าไม่ให้ผ่านไปได้โดยง่าย เช่น วัตถุที่มีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมาก มักมีคุณสมบัติเป็น ตัวนำไฟฟ้า (Conductor) ซึ่งยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่าย อย่างโลหะ ในทางกลับกัน วัตถุที่มีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนน้อย มักมีคุณสมบัติเป็น ฉนวนไฟฟ้า (Insulator) ที่ขัดขวางการไหลของประจุไฟฟ้า เช่น กระดาษแก้ว ไม้ และยาง เป็นต้น

หลอดไฟคืออุปกรณ์พื้นฐานประจำบ้านทุกหลัง / ภาพถ่าย Pexels

วิวัฒนาการของหลอดไฟ

ไฟฟ้าเป็นพลังงานพื้นฐานในธรรมชาติและเป็นหนึ่งพลังงานที่ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน มนุษย์ค้นพบไฟฟ้าเมื่อกว่า 2,000 ปีมาแล้ว ตั้งแต่ในยุคของชาวกรีกโบราณ แต่ไฟฟ้าถูกนำมาใช้ประโยชน์ได้จริงเมื่อประมาณ 150 ปีที่ผ่านมา ในอดีตอดีต มนุษย์ยังคงพึ่งพาแสงสว่างจากตะเกียงน้ำมันหรือพึ่งพาความอบอุ่นจากการเผาเศษไม้และถ่านหิน ไฟฟ้าเป็นพลังงานที่ลึกลับซับซ้อนและยากต่อการนำมาใช้ จนกระทั่งถึงช่วงกลางศตวรรษที่ 19 หรือราวปี 1879 ที่การประดิษฐ์หลอดไฟของทอมัส แอลวา เอดิสัน (Thomas Alva Edison) ประสบความสำเร็จ ซึ่งนำแสงสว่างและพลังงานไฟฟ้าเข้ามาเปลี่ยนแปลงยุคสมัยและวิถีชีวิตของเราทุกคน

สืบค้นและเรียบเรียง คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ และณภัทรดนัย

ข้อมูลอ้างอิง

http://www.edu.nu.ac.th/wbi/355203/stacur.htm

http://www.rmutphysics.com/science-news/index.php?option=com_content&task=view&id=2232&Itemid=0

https://www.trueplookpanya.com/knowledge/content/64766/-sciphy-sci-

https://www.thoughtco.com/what-is-electricity-4019643

https://www.originenergy.com.au/blog/what-is-electricity/