กระแสไฟ AC สามารถทำอะไรได้บ้าง?

ฉันเข้าใจความแตกต่างระหว่าง AC และ DC สิ่งที่ฉันไม่เข้าใจคืออะไรไฟ AC จะทำอย่างไรเมื่อมันนำอิเล็กตรอนเดียวกันกลับมาใช้ซ้ำไปเรื่อย ๆ เมื่อพวกมันเคลื่อนที่ไปมา

ภาพที่มองเห็นคือการเชื่อมโยงนี้ที่ 00:35

มันจะไม่ต้องการอิเล็กตรอนใหม่หรือไม่? ในที่สุด?

@ คำตอบของโฟตอนนั้นค่อนข้างกว้างขวางสิ่งเดียวที่ขาดหายไปคือพลังงานไฟฟ้าได้ถูกถ่ายโอนไปอย่างไร ในกรณีง่าย ๆ ที่คุณมีโหลด ohmic บางชนิดมันก็เหมือนกับ DC เลยเพียงแค่สลับขั้วเท่านั้น

หากคุณต้องการรูปภาพลองนึกภาพเลื่อย: มันถูกดึงผ่านบล็อกไม้แผ่นเดียวกันไปมา sawteeth เดียวกันเปิดใช้งานเพื่อลบเลเยอร์ทีละเลเยอร์เนื่องจากมีแรง (และพลังงาน) ที่ใช้ในขณะที่ย้ายไปทั้งสองทิศทาง

สำหรับอิเล็กตรอนมันค่อนข้างคล้ายกัน แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับช่วยให้พวกเขาผ่านภาระบางอย่าง เมื่อพวกเขาผ่านโหลดพวกเขาจะย้ายจากโหนดแรงดันสูงก่อนที่จะโหลดไปยังโหนดแรงดันต่ำหลังจากโหลดให้ความแตกต่างพลังงานระหว่างสถานะที่หนึ่งและที่สอง

จากนั้นขั้วไฟฟ้ากระแสสลับจะกลับด้านและอีกครั้งพวกมันอยู่บนโหนดแรงดันสูงผ่านโหลดไปยังโหนดแรงดันต่ำ อีกครั้งสถานะก่อนหน้าของพวกเขามีพลังงานมากขึ้นดังนั้นพลังงานจะถูกโอนเข้าสู่โหลด

พลังงานที่ใช้ในวงจรไฟฟ้าไม่ได้มี "อยู่" ในอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนจะไม่หมดไปเมื่อใช้พลังงานในวงจร

พลังงานในวงจรสามารถมาได้หลายรูปแบบ:

สนามไฟฟ้า : ผลิตเมื่อผู้ให้บริการประจุบวกและลบแยกออกจากกัน

สนามแม่เหล็ก : ผลิตเมื่อผู้ให้บริการชาร์จกำลังเคลื่อนที่

พลังงานจลน์ : ปกติไม่ถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของพลังงานวงจรไฟฟ้า แต่มันเข้ามาเป็นขั้นตอนกลางเนื่องจากพลังงานในวงจรถูกเปลี่ยนจากรูปแบบไฟฟ้าเป็นแม่เหล็ก หรือตัวอย่างเช่นเมื่อสนามไฟฟ้าเร่งตัวพาประจุซึ่งจะให้พลังงานจลน์ของมันเพื่อสร้างการสั่นสะเทือนจากความร้อนในวัสดุตัวต้านทานเพื่อสร้างความร้อน

การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า : เกิดขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กที่สั่นสร้างการสั่นด้วยตนเองอย่างยั่งยืนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

ลองพิจารณาลูกตุ้มแกว่ง พลังงานถูกถ่ายโอนอย่างต่อเนื่องระหว่างพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ในมวลที่แกว่ง แต่มวลของลูกตุ้มไม่ได้ถูกใช้จนหมดและไม่ต้องถูกแทนที่ (อย่างน้อยก็ไม่ใช่ผลจากการทำงานของลูกตุ้ม)

แก้ไข:เรายังสามารถพูดคุยเกี่ยวกับ photodiodes และ piezoelectric transducers และมอเตอร์และ scintillators gamma ray และอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ช่วยให้วงจรเปลี่ยนพลังงานเป็นรูปแบบอื่น ๆ ฉันไม่สนใจกรณีพิเศษเหล่านี้ที่นี่และเพียงแค่พูดถึงพลังงานที่เกี่ยวข้องเมื่อทำการวิเคราะห์วงจร

ฉันรู้สึกว่าคุณมีความเข้าใจผิดเกี่ยวกับวิธีการถ่ายโอนพลังงาน DC จากแหล่งจ่ายไปยังโหลดซึ่งขัดขวางความสามารถของคุณในการทำความเข้าใจวิธีการถ่ายโอนพลังงาน AC

ภาพที่หลายคนมีอยู่ในหัวของพวกเขาคือแหล่งพลังงานให้พลังงานกับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะไหลลงมาที่ลวดที่มีพลังงานนี้แล้วปล่อยพลังงานเมื่ออิเล็กตรอนไหลผ่านโหลด ฉันพนันได้เลยว่าภาพจิตของการไฟฟ้าของคุณเป็นแบบนี้ และถ้ามันใกล้เคียงกับที่คุณดูไฟฟ้าคำถามของแหล่งพลังงาน AC ที่ถ่ายโอนพลังงานนั้นน่างงงวย อีเล็คตรอนจะไม่ไหลกลับไปกลับมา 50 หรือ 60 วินาทีต่อวินาทีจากหลอดไฟในครัวของคุณไปจนถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้า เรารู้ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่มากช้ากว่านั้นมาก (พวกมันเคลื่อนที่ตามลำดับของเมตรต่อชั่วโมงขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างเช่นกระแสขนาดของตัวนำ ฯลฯ ) และเนื่องจากมีหม้อแปลงอยู่ระหว่างแสงในห้องครัวของคุณกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามันจึงดูสมเหตุสมผลน้อยลงเนื่องจากมันมีวงจรไฟฟ้า 2 แบบที่มีอิเล็กตรอนต่างกัน สายไม่ได้เชื่อมต่อ

แต่นี่ไม่ใช่วิธีการทำงาน พลังงานไม่ได้ถูกส่งจากแหล่งกำเนิดเพื่อโหลดผ่านอิเล็กตรอน พลังงานไม่ได้ไหลลงสาย แต่พลังงานไฟฟ้าเดินทางจากแหล่งไฟฟ้าไปยังโหลดไฟฟ้าผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ในพื้นที่โดยรอบแหล่งที่มาสายไฟและโหลด

ดูรูปด้านล่างของวงจร DC ที่ประกอบด้วยแบตเตอรี่สายไฟและตัวต้านทานบางตัว ลูกศรสีเขียวแสดงถึงสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเนื่องจากการไหลของกระแสไฟฟ้า ลูกศรสีแดงแสดงถึงสนามไฟฟ้าเนื่องจากแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้า ลูกศรสีน้ำเงินแสดงถึงความหนาแน่นของพลังงานหรือเวกเตอร์ Poyntingซึ่งเป็นผลคูณของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก เวกเตอร์ Poynting ถือเป็นอัตราการถ่ายโอนพลังงานต่อพื้นที่

สังเกตการไหลของพลังงานจากแบตเตอรี่ไปยังตัวต้านทาน สังเกตว่าพลังงานไหลเข้าตัวต้านทานไม่ได้มาจากสายไฟ แต่ผ่านช่องว่างรอบ ๆ สายไฟ

หากคุณเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟ DC เป็นแหล่งจ่ายไฟ AC คุณควรจะสามารถโน้มน้าวใจตัวเองได้โดยดูที่สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เวกเตอร์ Poynting ยังคงชี้จากแหล่งที่โหลดไปถึงแม้ว่ากระแสจะเปลี่ยนทิศทาง เนื่องจากเวกเตอร์ Poynting เป็นผลคูณของสองฟิลด์ทิศทางของมันจึงยังคงเหมือนเดิมแม้ในขณะที่ฟิลด์กำลังเปลี่ยนแปลง

มีคำถามในความคิดเห็นเกี่ยวกับความถูกต้องทางวิทยาศาสตร์ของสิ่งที่ฉันได้กล่าวไว้ข้างต้น พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางผ่านวงจรเป็นที่รู้จักกันมานานแล้ว ... อย่างน้อยก็ตั้งแต่ช่วงปลายปี 1800 เวกเตอร์ Poynting ตั้งชื่อตามจอห์นเฮนรี่ Poynting ที่อธิบายทฤษฎีนี้ในกระดาษในปี 1884 ได้รับสิทธิในการโอนพลังงานในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า กระดาษอ่านได้ค่อนข้างสวยและอธิบายทฤษฎีได้ค่อนข้างดี เขาอธิบายว่า:

ก่อนหน้านี้กระแสไฟฟ้าถูกมองว่าเป็นสิ่งที่เดินทางไปตามตัวนำความสนใจจะถูกนำไปยังตัวนำและพลังงานที่ปรากฏที่ส่วนใดส่วนหนึ่งของวงจรถ้าพิจารณาเลยควรจะถูกลำเลียงผ่านตัวนำโดยกระแสไฟฟ้า แต่การดำรงอยู่ของกระแสเหนี่ยวนำและการกระทำทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ห่างจากวงจรปฐมภูมิซึ่งพวกมันดึงพลังงานได้ทำให้เราภายใต้การแนะนำของฟาราเดย์และแม็กซ์เวลล์เพื่อดูสื่อที่ล้อมรอบตัวนำ การพัฒนาของปรากฏการณ์ หากเราเชื่อในความต่อเนื่องของการเคลื่อนที่ของพลังงานนั่นคือถ้าเราเชื่อว่าเมื่อมันหายไปเมื่อถึงจุดหนึ่งและปรากฏขึ้นอีกครั้งมันจะต้องผ่านพื้นที่ที่ถูกแทรกแซง

เขาพูดต่อไปว่า:

เริ่มจากทฤษฎีของแมกซ์เวลล์เรามักถูกนำไปพิจารณาปัญหา: พลังงานเกี่ยวกับกระแสไฟฟ้าจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง - นั่นคือโดยเส้นทางใดและตามกฎใดที่มันเดินทางจากส่วนของวงจรที่มันมีอยู่ เป็นที่รู้จักในฐานะไฟฟ้าและแม่เหล็กในชิ้นส่วนที่เปลี่ยนเป็นความร้อนหรือรูปแบบอื่น ๆ

$4\pi$

จากนั้นเขาก็แสดงให้เห็นว่าพลังงานเข้ามาและทำให้ลวดร้อนขึ้นได้อย่างไร:

ดูเหมือนว่าจะไม่มีพลังงานของกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวด แต่มันมาจากตัวกลางที่ไม่นำไฟฟ้าซึ่งล้อมรอบลวดนั้นทันทีที่มันเข้าสู่จุดเริ่มต้นจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนจำนวนข้ามชั้นที่ต่อเนื่องกัน ของเส้นลวดจะลดลงจนกระทั่งถึงจุดศูนย์กลางซึ่งไม่มีแรงแม่เหล็กและดังนั้นจึงไม่มีพลังงานผ่านมันถูกแปรสภาพเป็นความร้อน การนำกระแส - กระแสนั้นอาจกล่าวได้ว่าประกอบด้วยการไหลของพลังงานภายในด้วยแรงแม่เหล็กและแรงเคลื่อนไฟฟ้าประกอบและการแปลงพลังงานเป็นความร้อนภายในตัวนำ

Richard Feynman ยังพูดถึงเรื่องนี้ในการบรรยายเรื่องฟิสิกส์ของเขา หลังจากคำอธิบายของปรากฏการณ์นี้เฟย์แมนมาจากวิธีการที่ตัวเก็บประจุที่ได้รับพลังงานแล้วพูดว่า:

แต่มันบอกเราถึงสิ่งประหลาด: เมื่อเราชาร์จตัวเก็บประจุพลังงานจะไม่ลงมาตามสาย มันเข้ามาทางขอบของช่องว่าง

จากนั้นไฟน์แมนก็เหมือนกับ Poynting อธิบายว่าพลังงานเข้าสู่สายได้อย่างไร:

เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่เราถามว่าเกิดอะไรขึ้นในชิ้นส่วนของลวดต้านทานเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เนื่องจากลวดมีความต้านทานจึงมีสนามไฟฟ้าตามแนวนั้นขับกระแสไฟฟ้า เนื่องจากมีความเป็นไปได้ที่จะลดลงตามเส้นลวดจึงมีสนามไฟฟ้าอยู่นอกเส้นลวดขนานกับพื้นผิว นอกจากนี้ยังมีสนามแม่เหล็กที่ไปรอบ ๆ เส้นลวดเนื่องจากกระแส E และ B อยู่ที่มุมฉาก ดังนั้นจึงมีเวกเตอร์ Poynting กำกับภายในเรดิอดังแสดงในรูป มีการไหลของพลังงานเข้าไปในสายรอบ ๆ แน่นอนว่าเท่ากับพลังงานที่สูญเสียไปในสายไฟในรูปของความร้อน ทฤษฏี“ บ้าคลั่ง” ของเราบอกว่าอิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพื่อสร้างความร้อนเนื่องจากพลังงานไหลเข้าสู่สายไฟจากสนามด้านนอก สัญชาตญาณดูเหมือนจะบอกเราว่าอิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากการถูกผลักไปตามสายดังนั้นพลังงานควรจะไหลลง (หรือขึ้น) ตามแนวลวด แต่ทฤษฎีบอกว่าอิเล็กตรอนถูกผลักดันโดยสนามไฟฟ้าซึ่งมาจากประจุบางชนิดที่อยู่ห่างไกลมากและอิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพื่อสร้างความร้อนจากสนามเหล่านี้ พลังงานจะไหลจากประจุที่อยู่ไกลออกไปสู่พื้นที่กว้างแล้วเข้าไปด้านในของลวด และอิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานเพื่อสร้างความร้อนจากสนามเหล่านี้ พลังงานจะไหลจากประจุที่อยู่ไกลออกไปสู่พื้นที่กว้างแล้วเข้าไปด้านในของลวด และอิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานเพื่อสร้างความร้อนจากสนามเหล่านี้ พลังงานจะไหลจากประจุที่อยู่ไกลออกไปสู่พื้นที่กว้างแล้วเข้าไปด้านในของลวด

สิ่งที่คุณต้องรู้คือ P = IV ฉันเป็นอิเล็กตรอนไปมา ในช่วงเวลาที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่กลับ V จะเป็นค่าลบเสมอดังนั้นเครื่องหมายของ P = (-) * (-) จะเป็นค่าบวก ดังนั้นการทำงานในเชิงบวก (เช่นการให้ความร้อนไส้หลอดทังสเตนของหลอดไฟ) จึงเกิดขึ้นระหว่างการไหลของกระแสไปข้างหน้าและข้างหลัง

ไม่สนใจอิเล็กตรอน การเรียนรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าผ่านอิเล็กตรอนจะทำให้คุณเข้าใจผิดเป็นส่วนใหญ่ สำหรับสิ่งหนึ่งพวกเขากำลังไปในทิศทางที่ผิด ประการที่สองพวกเขากำลังเดินทางด้วยความเร็วที่ไม่ถูกต้อง ความเร็วของ Drift นั้นช้ากว่าความเร็วของสัญญาณไฟฟ้ามาก

การส่งกระแสไฟฟ้าในโลหะมีลักษณะคล้ายกับ"นิวตันแครเดิล"มากขึ้น: อิเล็กตรอนไปที่ปลายด้านหนึ่งแรงถูกส่งผ่านแรงผลักของสนามไฟฟ้าและอิเล็กตรอนออกไปจากปลายอีกด้านหนึ่ง

(สถานการณ์ที่คุณต้องดูแลเกี่ยวกับอิเล็กตรอน: ทางแยกเซมิคอนดักเตอร์, หลอดแคโทดเรย์, อุปกรณ์จ่ายแก๊ส, วาล์วเทอร์โมนิค)

ฉันแค่ต้องการระบุอย่างชัดเจนว่าไฟฟ้าเป็นเพียงพลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะไม่ถูกสร้างขึ้นหรือสูญหายหรือถูกชาร์จหรือถูกบริโภค งานทั้งหมดที่ทำด้วยไฟฟ้าเสร็จแล้วด้วยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

หากต้องการใช้การเปรียบเทียบที่คล้ายคลึงกันของกลไกน้ำลองจินตนาการถึงช่องทางของน้ำที่มีกังหันอยู่ หากน้ำไม่ไหลกังหันจะไม่หมุนและไม่ทำงาน หากน้ำไหลอย่างต่อเนื่อง (เช่นในกระแสตรง) กังหันจะหมุนอย่างต่อเนื่องและทำงานเสร็จ ในทำนองเดียวกันถ้าน้ำไหลไปมา (กระแสสลับ) กังหันก็จะหมุนไปมาและงานก็จะเสร็จ ไม่มีประเด็นคือสถานะคุณภาพหรือปริมาณน้ำที่เคยเปลี่ยนแปลงนอกเหนือไปจากการไหล

กังหันสลับนั้นมีประโยชน์เช่นเดียวกับกังหันหมุนอย่างต่อเนื่อง แต่จะต้องนำไปใช้ต่างกัน นอกจากนี้เช่นเดียวกับไฟฟ้าหากใช้กลไกที่ถูกต้องการหมุนจากเพลาที่ติดอยู่กับกังหันหมุนอย่างต่อเนื่องสามารถเปลี่ยนเป็นเพลาสั่นและในทางกลับกัน

คุณไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับอิเล็กตรอนสำหรับวงจรทั่วไป ในอุปกรณ์ขนาดเล็กพิเศษเช่นใน IC อาจเป็นไปได้

ขึ้นอยู่กับว่าคุณอยากจะไปทางทฤษฎีลึกแค่ไหน แต่โดยทั่วไปคุณคิดว่าอิเล็กตรอนที่ไหลเหมือนน้ำในสายยางเมื่อน้ำไหลเข้าสู่การเคลื่อนไหวนั่นคือสิ่งที่ทำงานอะไรคือแรงที่ทำให้น้ำเคลื่อนที่?

หม้อแปลงเป็นเพียงลวด 2 ขดที่อยู่ใกล้กันมันใช้งานได้เพราะ AC เท่านั้นสายทองแดงทำปฏิกิริยากับ CHANGE ในปัจจุบันหากเป็น DC มันจะนั่งตรงนั้นและไม่มีพลังงานผ่านเลย เมื่อกระแสมีการเปลี่ยนแปลง? นั่นคือเมื่อพลังงานถูกถ่ายโอนภายในหม้อแปลงจากขดลวดหนึ่งไปยังอีก

ดังนั้นถ้าคุณใส่ DC ลงในขดลวดมันจะกลายเป็นแม่เหล็ก ถ้าคุณเลื่อนแม่เหล็กนั้นไปรอบ ๆ และขดลวดอื่นอยู่ใกล้ ๆ มันจะรับกระแส มันไม่ได้เป็นพลังงานฟรีแน่นอน กระแสสลับของรถทำงานเช่นนี้ส่วนที่อยู่ตรงกลางจะกลายเป็นแม่เหล็ก (ส่วนที่หมุน) และคอยส์จะพันกันและอยู่ใกล้กับกระดองที่หมุนและรับกระแสซึ่งปกติจะเป็น 3 ขดลวด วิธีหนึ่ง (อันตราย) ในการทดสอบว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับทำงานหรือไม่เปิดสวิตช์กุญแจของเครื่องยนต์เพื่อเรียกใช้ไม่ต้องสตาร์ทและใส่ไขควงแม่เหล็กที่กึ่งกลางของรอกไฟฟ้ากระแสสลับ ไขควงจะถูกดึงเข้าไปในลูกรอกนั้นอย่างยิ่ง ถ้าไม่? มันมักจะเป็นเพราะแปรงที่สึกหรอหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับไม่ดี

ฉันคิดว่าคำอธิบายสำหรับการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจะช่วยให้มองเห็น AC ได้

แรงที่ใช้ (แรงดันไฟฟ้า) ในวงจรทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่ทำให้อิเล็กตรอน (อนุภาคอะตอมที่มีประจุ) เคลื่อนที่ในทิศทางที่เฉพาะเจาะจง (เร็วมาก แต่ระยะทางสั้นมาก) อิเล็กตรอนเหล่านั้นมีผลต่ออิเล็กตรอนใกล้เคียงอื่น ๆ โดยกระแทกพวกเขา (อิเล็กตรอนผลักกันสนามแม่เหล็กดังนั้นแรงที่ใช้จะถูกถ่ายโอนผ่านอะตอมของตัวนำอย่างรวดเร็วมาก) อิเลคตรอนอื่น ๆ นั้นมีความต้านทานต่อการชนเล็กน้อยและความร้อนเล็กน้อย แต่พลังงานส่วนใหญ่ถูกลดหลั่นเป็นวงจรเป็นคลื่นพลังงานซึ่งในที่สุดก็จะไปยังอุปกรณ์เพื่อทำงานบางอย่าง (เช่นหลอดไฟทำให้วัสดุต้านทานมากที่จะ ความร้อนขึ้นหรือขดลวดในมอเตอร์เพื่อให้เกิดแรงแม่เหล็กในการหมุนมอเตอร์ใบพัด ฯลฯ ) อิเล็กตรอนที่ล้อมรอบอะตอมในตัวนำจะทำหน้าที่เป็นสื่อกลางสำหรับพลังงานในการไหลผ่านเท่านั้น - เหมือนน้ำในบ่อที่ตอบสนองต่อกรวดที่ตกลงมา คุณไม่ต้องการน้ำมากขึ้นสำหรับคลื่นพลังงานที่ไหลผ่านบ่อน้ำ - แต่เมื่อพลังงานถูกกระจายไป (หรือหยุดกระแสไฟฟ้า) การแสดงจะจบลง - นั่นคือธรรมชาติของการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้า

มันคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ถ่ายโอนพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่ง อิเล็กตรอนไม่ได้ถูกทำให้หมดไปพวกมันแค่เคลื่อนที่และในกระบวนการถ่ายโอนพลังงานจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง