เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและการส่งพลังงานไฟฟ้า

กังหันหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แล้วเพิ่มแรงดันก่อนส่งพลังงานไปตามสายส่งยาว การหมุนทำหน้าที่อะไร และเหตุใดการเพิ่มแรงดันจึงช่วยให้สายไฟร้อนน้อยลง?

วงลวดหมุนในสนามแม่เหล็ก ทำให้แนววางเปลี่ยนตลอดเวลา แม้ B คงตัว ฟลักซ์ผ่านวงลวดยังเปลี่ยนและเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเป็นคาบ นี่คือแบบจำลองเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอย่างง่าย ซึ่งเปลี่ยนงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยการเหนี่ยวนำ อาจหมุนแม่เหล็กเทียบกับขดลวดก็ได้ สิ่งสำคัญคือฟลักซ์ที่เชื่อมโยงขดลวดต้องเปลี่ยน แม่เหล็กแรงสูงที่อยู่นิ่งเพียงอย่างเดียวจ่ายพลังงานต่อเนื่องไม่ได้

เมื่อหมุนไปครึ่งรอบ ลักษณะการเปลี่ยนฟลักซ์กลับด้าน แรงดันเหนี่ยวนำจึงกลับขั้ว วงจรปิดอย่างง่ายที่มีโหลดจึงมีกระแสสลับ เมื่อเครื่องกำเนิดจ่ายพลังงาน การเหนี่ยวนำจะต้านการหมุน จึงต้องใช้กังหันหรือเครื่องยนต์อื่นขับเพลาอย่างต่อเนื่อง เมื่อหยุดป้อนพลังงานกล การหมุนที่มีอยู่เดิมไม่อาจจ่ายพลังงานให้โหลดได้ตลอดไป

หม้อแปลงใช้เปลี่ยนแรงดัน กระแสสลับในขดลวดปฐมภูมิสร้างฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนในแกนร่วม ฟลักซ์นี้ผ่านขดลวดทุติยภูมิด้วย จึงเหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่นั่น ขดลวดทั้งสองไม่จำเป็นต้องสัมผัสกันทางไฟฟ้า เพราะเชื่อมโยงกันทางแม่เหล็ก อิเล็กตรอนจึงไม่ต้องย้ายจากขดหนึ่งไปอีกขดเพื่อส่งพลังงานถึงโหลดที่ต่อกับขดทุติยภูมิ

ลองเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสตรงคงตัว ขณะเปิดสวิตช์สนามเปลี่ยน จึงอาจเกิดผลชั่วครู่ จากนั้นฟลักซ์คงตัว หม้อแปลงทั่วไปจึงไม่รักษาแรงดันทุติยภูมิด้วยกลไกนี้อีก นอกจากนี้ การใช้แหล่งแรงดันตรงที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้กระแสสูงเกินและขดปฐมภูมิร้อนเกินไป การมีแกนกับขดลวดสองขดจึงทดแทนเงื่อนไขที่ฟลักซ์ต้องเปลี่ยนไม่ได้

แต่ละรอบที่มีฟลักซ์เปลี่ยนร่วมกันมีส่วนสร้างแรงดันของขดลวด ในแบบจำลองอุดมคติส่วนเหล่านี้รวมกัน: U₁/U₂ = N₁/N₂ แรงดัน U₁ และ U₂ วัดเป็น V ส่วนจำนวนรอบ N₁ และ N₂ ไม่มีมิติ เมื่อ U₁ คงเดิม การเพิ่ม N₂/N₁ เป็นสองเท่าทำให้ U₂ เพิ่มสองเท่า จำนวนรอบเท่ากันให้แรงดันเท่ากัน แบบจำลองละเลยการสูญเสียและแรงดันตกในขดลวด ไม่ได้หมายความว่าสร้างพลังงานได้

ใช้ตัวเลขเดียวบอกแรงดันที่เปลี่ยนตลอดเวลาได้อย่างไร? โจทย์ไฟฟ้าจากระบบจ่ายมักใช้ค่ารากกำลังสองเฉลี่ยหรือค่า RMS แรงดันตรงขนาดเท่านี้จะให้กำลังความร้อนเฉลี่ยเท่ากันในตัวต้านทานเดียวกัน ค่านี้ไม่ใช่ค่าสูงสุดชั่วขณะ อัตราส่วนแรงดันหม้อแปลงต้องเปรียบเทียบค่าชนิดเดียวกัน เช่น ค่า RMS ทั้งคู่ ไม่เช่นนั้นจะนำค่าจากวิธีวัดต่างกันมาปะปนโดยไม่รู้ตัว

สายส่งก็มีความต้านทาน Rлинии ที่กระแสค่าหนึ่ง สายส่งเปลี่ยนกำลัง I²Rлинии เป็นความร้อนซึ่งไม่ถึงผู้ใช้ ในแบบจำลองโหลดความต้านทานอย่างง่าย กำลังที่ส่งเท่ากับ UI เมื่อคงกำลังแล้วเพิ่ม U จะลด I และลดความร้อนในสายไฟ แต่ถ้าเพิ่มแรงดันคร่อมตัวต้านทานเดิมโดยไม่เปลี่ยนสิ่งอื่น กระแสกลับเพิ่มขึ้น ประโยชน์นี้จึงหมายถึงการส่งกำลังเท่าเดิมโดยเฉพาะ

ลดกระแสในสายส่งลง 10 เท่าโดยคงความต้านทาน: (I/10)²R = I²R/100 การสูญเสียจะลดลง 100 เท่า หม้อแปลงทำให้ใช้แรงดันสูงขึ้นกับกระแสต่ำลงเพื่อส่งกำลังเท่าเดิม ไม่ได้เพิ่มพลังงาน หม้อแปลงอุดมคติมีกำลังขาเข้าเท่ากับขาออก ส่วนของจริงสูญเสียพลังงานบางส่วน เพิ่มแรงดันอย่างไร้ขีดจำกัดไม่ได้ เพราะโครงสร้างและฉนวนของสายส่งออกแบบมาสำหรับเงื่อนไขที่กำหนด

ผู้ใช้ต้องการแรงดันตามที่อุปกรณ์กำหนด จึงใช้หม้อแปลงลดแรงดันใกล้จุดใช้งาน ลำดับการเปลี่ยนคือ งานกล → เครื่องกำเนิดไฟฟ้า → เปลี่ยนแรงดัน → สายส่ง → ลดแรงดัน → เครื่องใช้ แรงดันไฟฟ้าในบ้านยังเป็นอันตรายเมื่อสัมผัส การลดแรงดันทำเพื่อให้อุปกรณ์ใช้ได้ ไม่ได้ทำเพื่อให้คนแตะตัวนำได้

หม้อแปลงอุดมคติมี N₁ = 100, N₂ = 500 และค่า RMS U₁ = 12 В จงหาค่า RMS ของ U₂

ขดทุติยภูมิมี 500 รอบเทียบกับ 100 รอบ: N₂/N₁ = 5 เมื่อมีฟลักซ์ร่วมกัน แรงดันขดนี้จึงสูงเป็นห้าเท่า

จาก U₁/U₂ = N₁/N₂ ได้ U₂ = U₁·N₂/N₁ = 12·5 = 60 В ทั้งแรงดันที่กำหนดและที่ต้องหาเป็นค่า RMS

แรงดันห้าเท่าไม่ได้หมายถึงกำลังห้าเท่า ในหม้อแปลงอุดมคติ พลังงานขาออกมาจากพลังงานขาเข้า เมื่อกำลังเท่าเดิม กระแสที่จ่ายได้จะลดลงตามสัดส่วน

U₂ = 60 В คือแรงดันทุติยภูมิ RMS ของหม้อแปลงอุดมคติที่มีอัตราส่วนจำนวนรอบห้าเท่า

เครื่องกำเนิดส่งพลังงานที่ได้จากงานกลให้โหลดผ่านการเปลี่ยนฟลักซ์แม่เหล็ก

หม้อแปลงเชื่อมโยงขดลวดด้วยสนามที่เปลี่ยน อัตราส่วนแรงดันกำหนดด้วยอัตราส่วนจำนวนรอบ

เมื่อส่งกำลังเท่าเดิม การเพิ่มแรงดันลดกระแสและลดการสูญเสียในสายส่งตามกำลังสองของกระแส

แสงก็ส่งพลังงานได้ ต่อไปจะเริ่มทัศนศาสตร์จากแหล่งกำเนิดแสงและการมองเห็นวัตถุ