มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

                มอเตอร์

เมื่อพิจารณามอเตอร์ไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าเข้ามอเตอร์ กระแสไฟฟ้านี้จะทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบซึ่งจะทำให้ขดลวดหมุน แต่ขณะที่มอเตอร์หมุน ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดจะมีค่าเปลี่ยนแปลง เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีทิศตรงข้ามกับแรเคลื่อนไฟฟ้าเดิมทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดในทิศตรงข้ามกับกระแสไฟฟ้าที่ทำให้ขดลวดหมุน จึงเป็นผลให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านมอเตอร์ขณะหมุนด้วยอัตราเร็วคงตัว มีค่าน้อยกว่ากระแสไฟฟ้าที่ผ่านมอเตอร์ขณะเริ่มหมุน แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในกรณีนี้เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านกลับ(back emf)

รูป 17.11 กระแสไฟฟ้าที่ผ่านมอเตอร์

 

                ในกรณีมอเตอร์ติดขัดจากความเสียดทานตามจุดหมุน ความเสียดทานจากแรงภายนอกหรือแรงเคลื่อนไฟฟ้าตก เป็นสาเหตุให้มอเตอร์ไม่หมุนหรือหมุนช้ากว่าปกติแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านกลับจะมีค่าน้อย ทำให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดในขณะนั้นมีค่ามาก และกระแสไฟฟ้าที่มีค่ามาก เมื่อผ่านขดลวดเป็นเวลานานๆ จะทำให้ขดลวดร้อน จนขดลวดไหม้ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องตัดสวิตช์เพื่อหยุดการทำงานของมอเตอร์เป็นการชั่วคราวทุกครั้งที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าตก หรือมอเตอร์ไม่หมุน โดยปกติแล้วจะติดตั้งสวิตช์วงจรแบบอัตโนมัติกับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์ซึ่งเป็นส่วนทำงานหลัก เช่น ตู้เย็น เครื่องดูดฝุ่น เครื่องปรับอากาศ และลิฟต์ เป็นต้น

               

 เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
                การเคลื่อนขดลวดตัวนำทำให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดมีการเปลี่ยนแปลง จึงมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้น เราจะมีวิธีการนำกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในขดลวดออกมาประยุกต์ใช้ได้อย่างไร ให้ศึกษาจากกิจกรรม 17.2

จากกิจกรรมจะสังเกตเห็นว่า กระแสไฟฟ้าขณะต่อสายไฟจากขั้ว D.C มีทิศเดียวเรียกกระแสไฟฟ้านี้ว่า กระแสตรง แต่สำหรับกระแสไฟฟ้าที่ต่อจากไฟจากขั้ว A.C จะมีทิศสลับไปมา เรียกกระแสไฟฟ้านี้ว่า กระแสสลับ

พิจารณาเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ขณะระนาบของขดลวดอยู่ที่ตำแหน่งต่างๆ ในช่วงเวลา 0  ถึง       T  เมื่อ T  เป็นคาบที่ใช้ในการหมุนขดลวดตัวนำครบหนึ่งรอบกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาดังกล่าว จะเป็นดังรู 17.12

รูป 17.12 กระแสตรงจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

 

ขณะที่ระนาบขดลวด PQRS ตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก ทิศความเร็วของขดลวดอยู่ในแนวเดียวกับทิศของสนามแม่เหล็กจึงไม่มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวด ต่อมาทิศของความเร็วเริ่มทำมุมกับทิศของสนามแม่เหล็ก กระแสฟ้าเริ่มมีและมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนมีค่ามากที่สุด เมื่อทิศของความเร็วตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก ซึ่งตำแหน่งนี้เป็นตำแหน่งที่ระนาบขดลวด PQRS อยู่ในแนวเดียวกับทิศสนามแม่เหล็กและเมื่อขดลวดหมุนต่อไปอีก กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำก็จะมีค่าลดลงและเป็นศูนย์อีกครั้ง เนื่องจากระบบมีคอมมิวเทเตอร์และแปรงจึงทำให้ทิศของกระแสไฟฟ้าที่ออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีเพียงทิศเดียว ดังนั้นกราฟของกระแสไฟฟ้าในช่วง  \displaystyle \frac{T}{2}    ถึง  T  จึงเหมือนกับช่วง  0  ถึง

               -    คอมมิวเทเตอร์และแปรงทำให้กระแสไฟฟ้าในวงจรมีเพียงทิศเดียวได้อย่างไร

ส่วนเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในช่วงเวลาจาก 0  ถึง  T  จะเป็นดังรูป 17.13

 

รูป 17.13 กระแสสลับจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

 

ในช่วงเวลา 0  ถึง   \displaystyle \frac{T}{2}    กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้ากับเวลาของกระแสสลับจะเหมือนกับกระแสตรง แต่ในช่วงเวลา\displaystyle \frac{T}{2}     ถึง   T  กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจะกลับทิศ

ถ้าต่อตัวต้านทานกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทานกับเวลา และความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของตัวต้านทานกับเวลา จะเป็นดังนี้

รูป 17.4 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้ากับเวลาและความต่างศักย์กับเวลา

 

                กราฟระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้ากระแสสลับกับเวลาในช่วงเวลา 0 ถึง T จะเหมือนกราฟในช่วง T ถึง 2T  ดังนั้นช่วงเวลา 0 ถึง T จึงเป็นเวลาหนึ่งคาบของการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับหมุนด้วยความถี่ 1 รอบต่อวินาที ไฟฟ้ากระแสสลับจะมีความถี่ 1 เฮิรตซ์ ในประเทศไทย ความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับมีค่า 50 เฮิรตซ์ และความต่างศักย์เป็น 220 โวลต์ ดังนั้นถ้าต้องการทราบว่าเครื่องใช้ไฟฟ้าชิ้นใดสามีรถใช้งานในประเทศไทยได้ต้องพิจารณาจากตัวเลขกำกับเครื่องนั้นๆ ซึ่งจะบอกความต่างศักย์และความถี่ว่ามีค่า 220 โวลต์ 50 เฮิรตซ์ หรือไม่ เพราะงานไฟฟ้าบางประเภทต้องการความถี่ที่แน่นอน เช่นการใช้มอเตอร์ไฟฟ้าของนาฬิการไฟฟ้าบางชนิด เพราะถ้าความถี่แตกต่างจากที่กำหนดให้จะทำให้เครื่องใช้นั้นชำรุด หรือทำงานได้ไม่ดี

                เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ศึกษามาแล้วให้กระแสไฟฟ้าโดยการใช้ขดลวดหมุนตัดฟลักซ์แม่เหล็ก เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับบางประเภทใช้วิธีหมุนแท่งแม่เหล็ก ให้ฟลักซ์แม่เหล็กตัดขดลวดตัวนำ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นภายในลวดตัวนำสามารถผ่านสายไฟออกไปได้ทันทีไม่ต้องมีวงแหวนลื่นและแปรงมาประกอบ ตัวอย่างได้แก่เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับของรถจักรยาน ดังรูป 17.15

รูป 17.5 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับของรถจักรยาน 

                ในขณะที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดหมุนมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดตัวนำเนื่องจากลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้านั้นอยู่ในสนามแม่เหล็ก ดังนั้นจะเกิดแรงกระทำขึ้น ซึ่งแรงนี้จะต้านการหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จึงเป็นผลให้ต้องทำงานในการหมุนเครื่องกำเนินดไฟฟ้า และนั่นก็หมายความว่า ยิ่งต้องการใช้พลังงานไฟฟ้ามากขึ้นเท่าใดก็ต้องทำงานมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งอาจกล่าวตามกฎการอนุรักษ์พลังงานได้ว่า พลังงานกลถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า

                เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้งานตามโรงไฟฟ้ามักจะมีขดลวดตัวนำอยู่ 3 ชุด จึงเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส เพราะระนาบของขดลวดแต่ละชุดทำมุม 120 องศา ซึ่งกันและกัน ดังรูป 17.16

 

รูป 17.16 เครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส

รูป 17.17 วงจรของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส

 

ถ้าหมุนแท่งแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส ไปครบ 1 รอบ สนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดไฟฟ้ากระแสสลับออกมาจากขดลวดทั้งสามชุด แต่เนื่องจากขดลวดทั้งสามมีระนาบขดลวดทำมุมกัน 120 องศา ดังนั้น ค่าสูงสุดของความต่างศักย์ของขดลวดแต่ละชุดจะเกิดขึ้นไมพร้อมกัน เราสามารถเขียนกราฟระหว่างความต่างศักย์กับเวลาของขดลวดแต่ละชุดได้ ดังรูป 17.18

รูป 17.18 กราฟระหว่างความต่างศักย์กับเวลาของขดลวดทั้งสามชุด   

               -     เฟสของความต่างศักย์ของกระแสสลับกับเวลาของขดลวดตัวนำทั้งสามชุดต่างกันเท่าใด

               -     ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับมีขดลวดตัวนำอยู่ 6 ชุดเฟสของความต่างศักย์กระแสสลับกับเวลาของขดลวดตัวนำทั้งหกชุดจะต่างกันเท่าใด

กระแสสลับจากขดลวดทั้งสามชุดจะมีเฟสต่างกัน 120 องศา เราเรียกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดังกล่าวนี้ว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส และเครื่องจะมีสายต่อออกจากขดลวดทั้งสามชุดทั้งหมด 6 เส้น เพื่อความสะดวกในการใช้งานจึงมักนำสายหนึ่งของขดลวดแต่ละชุดต่อเข้าด้วยกัน เรียกว่า สายกลาง ซึ่งสายนี้มักจะต่อลงดิน จึงมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ตลอดเวลาเมื่อเทียบกับดิน ส่วนสายที่เหลือของขดลวดแต่ละชุดอีก 3 เส้น เป็นสายที่ศักย์ไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามการหมุนของขดลวด เมื่อเทียบกับสายกลาง

รูป 17.19 การส่งพลังงานไฟฟ้า

 

                ไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านเรือนเป็นไฟฟ้าเฟสเดียว ที่มีความต่างศักย์ของแต่ละเฟสเพียง 220 โวลต์ การส่งพลังงานไฟฟ้านิยมส่งแบบไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟส 4 สาย ซึ่งสายที่เพิ่มมาคือสายกลาง เมื่อต้องการนำไฟฟ้าไปใช้ก็ทำได้โดยการต่อไฟสายใดสายหนึ่งของไฟฟ้า 3 เฟส กับสายกลาง ไฟฟ้าเฟสเดียวนี้ใช้ได้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังไม่มาก เช่น พัดลม ตู้เย็น ที่ใช้กันตามบ้านเรือน สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับขนาดใหญ่ที่ใช้ตามโรงงานมักใช้ไฟฟ้า 3 เฟส ซึ่งในกรณีนี้จะต่อสายไฟทั้ง 3 สายของไฟฟ้า 3 เฟส ที่มีความต่างศักย์เหมาะสมกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับโดยตรง

                ข้อดีของการผลิตและการส่งไฟฟ้า 3 เฟส ก็คือ การส่งกำลังไฟฟ้าจะถูกแบ่งออกเป็น 3 ส่วน ทำให้ไม่ต้องใช้สายไฟขนาดใหญ่มากเป็นการประหยัดและลดการสูญเสียได้มาก นอกจากนี้ชุมชนต่างๆที่ใช้ไฟฟ้ากันคนละเฟส เมื่อเกิดเหตุการณ์ไฟฟ้าดับเฟสใดเฟสหนึ่งชุมชนที่ใช้ไฟฟ้าเฟสอื่นก็ยังมีไฟฟ้าใช้ตามปกติ ซึ่งถ้าเป็นการส่งกำลังไฟฟ้าเพียงเฟสเดียวเมื่อไฟฟ้าในชุมชนดับ ไฟฟ้าในชุมชนอื่นก็จะดับพร้อมกันหมด

รูป 17.20 การส่งพลังงานไฟฟ้าแบบ 3 เฟส

 

การทำให้แท่งแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟสหมุนเพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กตัดขดลวดตัวนำจะต้องใช้พลังงานกล และพลังงานกลนี้ก็จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า นั่นคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นเครื่องมือที่เปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานกลที่ใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในประเทศไทยนั้นได้มาจากการเปลี่ยนพลังงานความร้อนและพลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำโดยพลังงานความร้อนอาจได้จากการเผาไหม้ของน้ำมันเตา ถ่านหิน แก๊สธรรมชาติ ซึ่งถูกใช้ในการต้มน้ำให้กลายเป็นไอน้ำที่มีความดันสูง ไปหมุนกังหันที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อเครื่องทำงาน ก็จะได้พลังงานไฟฟ้าออกมา นอกจากจะใช้พลังงานความร้อนในการต้มน้ำให้กลายเป็นไอแล้ว ก็ยังมีการใช้พลังงานความร้อนของแก๊สธรรมชาติด้วย คือ น้ำมันเชื้อเพลิงจะทำให้แก๊สภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ขยายตัว เป็นผลให้ลูกสูบเคลื่อนที่และหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งก็จะให้พลังงานไฟฟ้าออกมาเช่นกัน

                สำหรับการใช้พลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำที่ถูกกักตามเขื่อนให้เป็นประโยชน์ ก็สามารถทำได้โดยปล่อยน้ำให้ไหลผ่านกังหันที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า พลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ทำให้กังหันหมุน ทำให้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ จะศึกษาการทำงานนี้ได้จากชุดสาธิต ดังรูป 17.21

รูป 17.21 ชุดสาธิตการผลิตไฟฟ้าจากพลังน้ำ

 

                ไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโรงไฟฟ้าจะถูกส่งมาในรูปของไฟฟ้า 3 เฟส เพื่อความสะดวกและประหยัดไฟฟ้า นอกจากนี้การส่งไฟฟ้ายังต้องคำนึงถึงความต่างศักย์ด้วย เพราะว่าสายไฟมีความต้านทาน โดยเฉพาะการส่งไฟฟ้าไปตามสายไฟเป็นระยะทางไกลๆ เพราะสายไฟที่ยาวขึ้นจะมีความต้านทานเพิ่มขึ้น ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่ผ่านสายไฟซึ่งมีความต้านทานก็จะมีความร้อนเกิดขึ้นในสายไฟนั้น ซึ่งพลังงานความร้อนนี้มาจากพลังงานไฟฟ้า นี่คือการสูญเสียพลังงานไฟฟ้า ดังนั้นเพื่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในรูปของความร้อนน้อยที่สุดจะเป็นไปได้ การส่งกำลังไฟฟ้าจึงต้องการความต่างศักย์ที่เหมาะสม ดังจะได้พิจารณาจากตัวอย่าง 17.1

 

ตัวอย่าง 17.1  เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถส่งกำลังไฟฟ้าได้ 88 กิโลวัตต์ จงหาพลังงานความร้อนที่สูญเสียไปภายในสายไฟ กำหนดให้ส่งกำลังไฟฟ้าผ่านสายไฟที่ยาว 500 เมตร ความต้านทาน 0.25 โอห์ม นาน 10 วินาที ด้วยความต่างศักย์

ก.  220 โวลต์         ข.  22  000 โวลต์

วิธีทำ  หากระแสไฟฟ้าจากความสัมพันธ์\displaystyle I = \frac{P}{V}
        เมื่อใช้ความต่างศักย์  220 โวลต์ \displaystyle I_1  = \frac{{88x10^3 W}}{{220V}} = 400A
        เมื่อใช้ความต่างศักย์ 22  000 โวลต์ \displaystyle I_2  = \frac{{88x10^3 W}}{{22000V}} = 4A
หาความร้อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากกระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทาน R จาก \displaystyle Q = I^2 Rt
                 \displaystyle Q_{220V}  = (400A)^2 x0.25\Omega x10s = 400000J
                 \displaystyle Q_{22000V}  = (4A)^2 x0.25\Omega x10s = 40J
คำตอบ   พลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียไปในรูปความร้อนเมื่อใช้

                                ก. ความต่างศักย์    220 โวลต์  เท่ากับ  400  000 จูล

                                ข. ความต่างศักย์     22 000 โวลต์  เท่ากับ  40  จูล

                จากตัวอย่างแสดงว่าการส่งกำลังไฟฟ้าที่มีค่ามากไประยะทางไกลๆ ควรใช้ความต่างศักย์สูงมาก เพื่อให้มีการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานความร้อนมีค่าน้อย แต่มิใช่ว่าความต่างศักย์จะมีค่าสูงเท่าไรก็ได้โดยไม่มีขีดจำกัด เพราะตามความเป็นจริง ถ้าความต่างศักย์สูงมากเกินไป อากาศในบริเวณรอบสายไฟจะถูกสนามไฟฟ้าทำให้เป็นตัวนำจึงทำให้ มีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรระหว่างสายไฟของไฟฟ้า 3 เฟส ที่เป็นสายส่งที่มีความต่างศักย์สูงได้ และนี่เป็นเหตุของการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าอีกเหตุหนึ่ง นอกจากนี้เมื่อฝนตกก็อาจมีอันตรายเนื่องจากไฟฟ้ารั่วลงมาตามเสาฟ้าที่เป็นโลหะได้ ดังนั้น ความต่างศักย์ที่จะใช้จึงต้องมีค่าที่เหมาะสม ในทางปฏิบัติโรงไฟฟ้าจะส่งฟ้าที่ความต่างศักย์ 230 000 โวลต์ จากสายส่งจนถึงสถานีย่อยซึ่งจะลดความต่างศักย์ลดลงอีกเหลือ 220 โวลต์ สำหรับใช้ตามบ้านเรือน  สายส่ง  220 โวลต์นี้ ตามปกติมีความยาวไม่มากนัก เพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าดังกล่าวมาแล้ว สำหรับอุปกรณ์ฟ้าที่ใช้เปลี่ยนความต่างศักย์ คือ หม้อแปลง  จะศึกษาการทำงานของหม้อแปลงในหัวข้อต่อไป

 

                 หม้อแปลง

                เราทราบแล้วว่า อาจทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำได้โดยให้ขดลวดตัวนำเคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก หรือโดยให้มีฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงผ่านขดลวดนั้น ถ้าเราให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดชุดแรกผ่านไปยังขดลวดชุดที่สองจะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดชุดที่สองหรือไม่ ให้ศึกษาจากกิจกรรม 17.3

                จากกิจกรรม 17.3 ขดลวดขดที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า ขดลวดปฐมภูมิ  ส่วนขดลวดอีกขดหนึ่งซึ่งต่อกับเครื่องใช้ไฟฟ้า เรียกว่า ขดลวดทุติยภูมิ  เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับผ่านขดลวดปฐมภูมิ จะมีฟลักซ์แม่เหล็กที่มีค่าเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น และเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กนี้ถูกผ่านไปยังขดลวดทุติยภูมิก็ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิ ทำให้หลอดไฟสว่าง แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นด้วย เนื่องจากความสว่างของหลอดไฟขึ้นกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าและอัตราส่วนระหว่างจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ แสดงว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวดมีความสัมพันธ์กับอัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวดทั้งสอง   

                ความสัมพันธ์ของแรงเคลื่อนไฟฟ้ากับจำนวนรอบของขดลวดเป็นดังนี้ คือ

                \displaystyle \frac{{E_1 }}{{E_2 }} = \frac{{N_1 }}{{N_2 }}  (17.1)
                \displaystyle E_1   = แรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ
                \displaystyle E_2   = แรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิ
                \displaystyle N_1   = จำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิ
                \displaystyle N_2   
= จำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ

 

             หลักการดังกล่าวข้างต้น ได้ถูกนำมาสร้างเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เรียกว่า หม้อแปลง  ถ้าขดลวดทุติยภภูมิมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงกว่าขดลวดปฐมภูมิจะได้ หม้อแปลงขึ้น  แต่ถ้าขดลวดทุติยภูมิมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าต่ำกว่าขดลวดปฐมภูมิจะได้ หม้อแปลงลง 

รูป 17.22 หม้อแปลงขนาดเล็กที่ใช้กันทั่วไป

 

                เนื่องจากหม้อแปลงทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากขดลวดปฐมภูมิมายังขดลวดทุติยภูมิ ดังนั้น ถ้าไม่มีการสูญเสียพลังงานระหว่างการถ่ายโอนและใช้กฎการอนุรักษ์พลังงานจะเห็นได้ว่า หม้อแปลงทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น และจะเปลี่ยนเฉพาะความต่างศักย์ แต่มิได้เปลี่ยนกำลังไฟฟ้า เพราะฉะนั้นในการเลือกใช้หม้อแปลง นอกจากจะต้องพิจารณาความต่างศักย์แล้วยังต้องพิจารณากำลังไฟฟ้าด้วย เช่น ต้องการใช้เตารีด 110 โวลต์ 600 วัตต์กับไฟฟ้า 220 โวลต์ ก็ต้องใช้หม้อแปลงลง 220 โวลต์เป็น 110 โวลต์ที่ให้กำลังไฟฟ้าไม่ต่ำกว่า 600 วัตต์ ด้วย มิใช่ว่าจะใช้หม้อแปลง 220 โวลต์เป็น 110 โวลต์หรือเครื่องใดๆ ก็ได้  เพราะถ้ากำลังไฟฟ้าของหม้อแปลงน้อยกว่าของเครื่องใช้ หม้อแปลงนั้นอาจเสียหายได้

                ถ้าไม่มีการสูญเสียพลังงานในหม้อแปลง จากกฎการอนุรักษ์พลังงานจะได้ว่า

                พลังงานไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ \displaystyle W_1   = พลังงานไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิ  \displaystyle W_2 
ในเวลา t หากำลังไฟฟ้าของขดลวดทั้งสองได้ดังนี้
                            \displaystyle \frac{{W_1 }}{ t }} = \frac{{W_2 }}{ t }
                                                      \displaystyle P_1  =  P_2  
                                               \displaystyle I_1 V_1  =  I_2 V_2     (17.2)
\displaystyle P_1    และ  \displaystyle P_2   เป็นกำลังไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ
\displaystyle I_1    และ  \displaystyle I_2   เป็นกระแสไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ
\displaystyle V_1   เป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดปฐมภูมิ
\displaystyle V_2   
เป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดทุติยภูมิ

เนื่องจากหม้อแปลงทั่วไปต้องมีแกนเหล็ก เพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กผ่านจากขดลวดปฐมภูมิไปยังขดลวดทุติยภูมิ จึงมีความร้อนเกิดขึ้นภายในแกนเหล็ก เพราะขณะที่ฟลักซ์แม่เหล็กจากขดลวดปฐมภูมิผ่านตามแกนเหล็กมายังขดลวดทุติยภูมิ จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในแกนเหล็ก ซึ่งเรียกว่า กระแสวน เป็นผลให้แกนเหล็กร้อน จึงทำให้กำลังไฟฟ้าที่ได้จากขดลวดทุตยภูมิน้อยกว่ากำลังไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิเสมอ เพื่อลดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนในแกนเหล็กอันเนื่องจากกระแสวน จึงต้องออกแบบแกนเหล็กให้มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดน้อยที่สุด ซึ่งทำได้โดยการใช้แผ่นเหล็กอ่อนหลายๆ แผ่นซ้อนกันและมีฉนวนบางๆ กั้นระหว่างแผ่นเหล็กแต่ละคู่แทนการใช้แกนเหล็กทั้งแท่ง หม้อแปลงที่มีคุณภาพดีจะมีความร้อนดังกล่าวเกิดขึ้นน้อย

รูป 17.23 กระแสวนในแกนเหล็ก

 

                การส่งกำลังไฟฟ้าของโรงไฟฟ้ามักใช้หม้อแปลงขึ้น เพื่อทำให้ความต่างศักย์จากโรงไฟฟ้าสูงขึ้นแล้วส่งไฟฟ้าไปตามสายจนกระทั่งก่อนถึงผู้ใช้จึงใช้หม้อแปลงลงให้เหลือความต่างศักย์ 220 โวลต์ สำหรับใช้ตามบ้าน เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้า 220 โวลต์ โดยตรง ได้แก่ หลอดไฟฟ้า เตาไฟฟ้า และเตารีด เป็นต้น แต่ก็มีเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิดที่ใช้ความต่างศักย์น้อยกว่า 220 โวลต์ เช่น เครื่องเล่นแผ่นดิสก์ และเครื่องโทรศัพท์เคลื่อนที่ เป็นต้น ดังนั้นจึงต้องมีหม้อแปลงลง เพื่อลดความต่างศักย์จาก 220 โวลต์ เป็น 6, 9 หรือ 12 โวลต์ ขึ้นอยู่กับการทำงานของเครื่องนั้นๆ ในบทเรียนที่ผ่านมาได้เคยใช้หม้อแปลงโวลต์ต่ำโดยลดความต่างศักย์จาก 220 โวลต์ เหลือ 2 - 12 โวลต์ ทั้งนี้ก็ขึ้นกับความเหมาะสมของกิจกรรมแต่ละครั้ง

                เครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิดต้องการกระแสไฟฟ้ามาก เช่น หัวแร้งไฟฟ้าแบบปืน หรือเครื่องเชื่อมไฟฟ้า เป็นต้น จึงต้องมีหม้อแปลงลงเพื่อลดความต่างศักย์ โดยให้ขดลวดทุติยภูมิมีจำนวนรอบน้อยกว่าขดลวดปฐมภูมิมากๆ ก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ขดลวดทุติยภูมิมีค่ามาก ดังนั้นขดลวดทุติยภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านี้จึงต้องใช้สายไฟขนาดใหญ่

                เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงพุ่งผ่านขดลวดตัวนำ ในทางกลับกัน ถ้าเราให้ไฟฟ้ากระแสตรงที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดปฐมภูมิโดยการปิดและเปิดสวิตช์สลับกันเป็นจังหวะ ก็จะทำให้ได้ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงผ่านไปยังขดลวดทุติยภูมิและสามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำได้เช่นเดียวกัน

                เครื่องใช้ไฟฟ้าที่อาศัยหลักการเช่นนี้ได้แก่ เครื่องจ่ายไฟศักย์สูงสำหรับการจุดระเบิดในเครื่องยนต์เบนซิน วงจรนี้ทำงานโดยให้ไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่ผ่านเข้าขดลวดปฐมภูมิเป็นจังหวะๆ ด้วยการปิดและเปิดวงจรไฟฟ้าอย่างรวดเร็วตามจังหวะการหมุนของเพลาเครื่องยนต์ ก็จะทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีค่าสูงในขดลวดทุติยภูมิได้ หลักการนี้แสดงดังรูป 17.24

รูป 17.24 วงจรไฟฟ้าของเครื่องจ่ายไฟศักย์สูง