Power of The Black Sun

" Let the future tell the truth, and evaluate each one according to his work and accomplishments. The present is theirs; the future, for which I have really worked, is mine. "

"ให้อนาคตเป็นเครื่องบอกความจริงของคนๆหนึ่ง โดยพิจารณาจากสิ่งที่คนๆนั้นทำเเละความสำเร็จที่คนๆนั้นได้รับ ปล่อยให้ปัจจุบันเป็นเรื่องของพวกเขา ส่วนอนาคต ซึ่งผมตั้งใจทำมันอย่างจริงจัง คืองานของผม "
............................................................................................

วันศุกร์ที่ 27 พฤษภาคม พ.ศ. 2554

นิโคล่า เทสล่า ชายผู้สร้างอนาคต : ตอนที่ 2 ทฤษฎีเล็กๆบนเส้นทางที่ยาวไกล

"กระเเสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรหนึ่งจะเเปรผันโดยตรงกับเเรงดัน e.m.f. เเต่เเปรผกผันกับความต้านทาน"

จอร์ช ซิมอน โอห์ม 1827

"The current through a circuit is propotional to the applied e.m.f. and inversely proportional to the resistance"

Georg Simon Ohm, 1827


ทัศนะทางคณิตศาสตร์ของเทสล่านั้นล้ำลึกนั้นไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 เทียบเท่า ความคิดของเขาไปไกลมากจนไม่มีใครในช่วงชีวิตเขาเข้าใจได้ เเม้กระทั่งในปัจจุบันที่มีการเรียนการสอนในภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า ที่มีรูปเเบบการเรียนการสอนเเละห้องทดลองที่ทันสมัยยังยอมรับว่าทฤษฎีของเทสล่าล้ำลึกมากจนปัจจุบันยังไม่สามารถเขาใจได้ทั้งหมด เเต่ผลเเล็ปชี้ชัดว่าเป็นไปดังที่เขาทำนายไว้

สองสิ่งสำคัญที่วิศวกรไฟฟ้าหนุ่มรุ่นใหม่ทุกคนจะต้องรู้คือ สมการพื้นฐาน V=IR หรือกฎของโอห์ม เเละทำอย่างไรจึงจะรอดจากการถูกไฟฟ้าช็อตจนถึงเเก่ความตายในขณะที่ปฏิบัติการให้ห้องเเล็ปวิศวกรรมไฟฟ้า

ต้องมีอย่างน้อยหนึ่งครั้งที่นักศึกษาวิศวไฟฟ้าต้องถูกสอนคือให้เก็บมือข้างหนึ่งไว้ในกระเป๋าขณะที่อยู่ใกล้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีความเสี่ยงต่อการถูกช็อต เหตุผลง่ายๆก็คือ ถ้าไม่เก็บมือข้างใดข้างหนึ่งไว้ในกระเป๋า ถ้าเผลอไปสัมผัสเข้ากับเทอมินัลทางไฟฟ้า ไฟฟ้าจะไหลจากมือข้างหนึ่งสู่มืออีกข้างหนึ่งโดยผ่านหัวใจ ทำให้หัวใจหยุดเต้นเเละถึงเเก่ความตายได้ เเต่ถ้ามีการป้องกันดังที่เเนะนำไฟฟ้าจะไหลจากบนลงล่าง ซึ่งจะทำให้มีอาการกระตุกเเรงๆเท่านั้น


กฎของโอห์มไม่ได้มีคุณค่าอะไรในช่วงที่โฮห์มยังมีชีวิตอยู่ เขาใช้เวลาหลายปีทำการทดลองจนกระทั่งค้นพบว่าไฟฟ้าทำงานอย่างไร เขาทำการทดลองวัดค่าครั้งเเล้วครั้งเล่าจนพบกฎที่สำคัญที่เป็นพื้นฐานทางไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์ในสมัยของเขาไม่ได้คาดคิดมาก่อนว่ากฎดังกล่าวจะเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์อะไร เเละโอห์มก็ไม่ไดรับการยกย่องใดๆจากการค้นพบนี้ เขามีชีวิตอยู่อย่างยากจนตลอดชีวิต เเละเพียงสองปีก่อนที่เขาจะเสียชีวิตเขาเพิ่งจะได้รับเเต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยมิวนิค เเต่นิโคล่า เทสล่าเป็นวิศวกรไฟฟ้าคนเเรกที่นำกฎของโอห์มมาใช้เพื่อก่อให้เกิดประโยชน์ทางด้านไฟฟ้าต่อมนุษยชาติ


กฎของโอห์มเเล้วมันคือเครื่องมือสำคัญในการออกเเบบวงจรไฟฟ้าที่จะบอกให้เราทราบสิ่งต่างๆก่อนล่วงหน้า สำหรับวิศวกรไฟฟ้าเเล้วถือว่าเป็นสิ่งที่มีคุณค่ามหัศจรรย์ ซึ่งช่วยให้สามารถทำนายการทำงานของวงจรไฟฟ้าได้อย่างเเม่นยำก่อนสร้างจริง กระเเสไฟฟ้าไหลผ่านไปตามความยาวของเส้นลวดตัวนำเเละเเรงดันไฟฟ้าก็เป็นตัวผลักดันให้เกิดการไหล ขณะที่เกิดการไหลนั้นก็มีการเปลี่ยนเเปลงความดันเเละกระเเสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ถ้าจะให้วงจรทำงานตามที่ต้องการผู้ออกเเบบจำเป็นต้องเข้าใจว่าการเปลี่ยนเเปลงความดันเกิดขึ้นได้อย่างไร เเละทำไมจึงต้องเกิดขึ้น ในช่วงต้นยุคไฟฟ้า วิศวกรทุกคนไม่เข้าใจว่าทำไมความดันเเละกระเเสไฟฟ้าจึงเปลี่ยนเเปลง กฎของโอห์มอธิบายเพียงเเค่ไฟฟ้ามีพฤติกรรมอย่างไรขณะที่มันมีการไหลเป็นกระเเส เเต่นักวิทยาศาสตร์ในยุคเก่าๆทั้งหมดให้ความสนใจศึกษาไฟฟ้าสถิตย์ ดังนั้นพวกเขาจึงเห็นประโยชน์น้อยมากจากกฎของโอห์ม


ไฟฟ้าสถิตย์เกิดขึ้นในลักษณะที่เป็นมายากลที่พวกเด็กๆชอบเล่นกัน เช่น ตอนที่เขาถูลูกโป่งกับผ้าขนสัตว์เพื่อที่จะทำให้ลูกโป่งติดกับกำเเพง มายากลเหล่านี้เป็นผลมาจากไฟฟ้าสถิตย์ซึ่งเป็นที่รู้จักในช่วงเวลาของควีนอาลิธซาเบทที่ 1 เเห่งราชวงศ์อังกฤษ ผู้ที่ตั้งข้อสังเกตุเเละศึกษาปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิตย์คนเเรกคือ ดร. วิลเลียม กิลเบิร์ต (William Gilbert) นักฟิสิกส์ในสังกัดของพระราชินี เขาได้ใช้เวลาว่างในการศึกษาความลับที่ซ่อนอยู่ในธรรมชาติ วิทยาศาสตร์ เเละศึกษาการเคลื่อนไหวของวัตถุที่มีน้ำหนักเบาเช่น เศษกระดาษ ขนนก หรือฝุ่นละอองต่างๆ


กิลเบิร์ต พบว่าถ้าถูเเท่งอำพัน (amber) ด้วยขนสัตว์ เเท่งอำพันจะสามารถดูดวัตถุขนาดเล็กได้ เด็กๆที่โรงเรียนทุกคนได้ทำการทดลองนี้ซ้ำเเล้วซ้ำอีก ซึ่งการทดลองเเละการเล่นสนุกของเด็กๆเป็นการสาธิตให้เห็นถึงการมีตัวตนของไฟฟ้าสถิตย์ พวกเขาฉีกกระดาษออกเป็นชิ้นเล็กๆวางไว้บนโต๊ะ จากนั้นนำปากกาลูกลื่นที่ทำจากพลาสติกมาถูกับเเขนเสื้อ เเล้วนำปากกาไปวางไว้เหนือกระดาษชิ้นเล็กๆที่ถูกฉีกไว้ ปากกาจะดูดกระดาษติดขึ้นมา


ดร. กิลเบิร์ต ไม่มีปากกาลูกลื่น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเขาจึงใช้เเท่งอำพัน ในตอนเเรกที่เขาทำการทดลอง เเรงประหลาดที่ดึงวัตถุเบาๆนี้ยังไม่มีชื่อเรียก ดังนั้น ดร.กิลเบิร์ต จึงตั้งชื่อมันว่า อิเล็กตริก (Electric) ซึ่งเป็นภาษากรีกที่ใช้เรียกเเท่งอำพัน ดร.กิลเบิร์ตเรียนที่วิทยาลัย เซนต์ จอห์น เเคมบริด (St. John College Cambridge) ก่อนที่จะมาเป็นนักฟิสิกส์ในสังกัดของสมเด็จพระราชินีอาลิธซาเบท เเละเขาเป็นที่รู้จักใยฐานะที่เป็นวิศวกรไฟฟ้าคนเเรกของโลก เพราะเขาเป็นคนตั้งชื่อให้กับมัน


กิลเบิร์ต ศึกษาทั้งไฟฟ้าเเละเเม่เหล็ก เป็นผู้ค้นพบว่าโลกของเราเปรียบเสมือนเเท่งเเม่เหล็กขนาดใหญ่ เเละเป็นคนเเรกที่อธิบายได้ว่าทำไมเข็มทิศจึงชี้ไปทางทิศเหนือเสมอ เขาเขียนเผยเเพร่การค้นพบของเขาในนิตยสารทางวิทยาศาสตร์ฉบับเเรกของอังกฤษที่มีชื่อว่า entile Of Magnet, Magnnetic Bodies เเละ the Great Magnet of the Earth เเละเพื่อเป็นเกียรติต่อการค้นพบของเขา หน่วยวัดทางวิศวกรรมที่ในการวัดความเข้มของสนามเเม่เหล็ก (strength of magnet) ปัจจุบันมีชื่อเรียกว่า กิลเบิร์ต (Gilbert)


เเม้ว่ากิลเบิร์ตจะเขียนหนังสือเกี่ยวกับไฟฟ้าไว้เป็นเวลาหลายปี เเต่ไม่มีใครรู้ว่าจะใช้พลังงานลึกลับนี้อย่างไร สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ในเวลานั้นไม่รู้ก็คือ ไฟฟ้าสถิตย์เกิดจากอนุภาคมีประจุขนาดเล็กที่มีชื่อว่า อิเล็กตรอน เราสามารถเพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไปหรือดึงออกมาจากวัสดุที่เรียกว่า ฉนวน ได้ (ฉนวนคือ วัตถุบางชนิดที่สามารถหยุดไม่ให้ไฟฟ้าไหลผ่านมันได้ เช่น เเก้ว พลาสติก ยาง หรือผ้า) อิเล็กตรอนที่เปลี่ยนตำเเหน่งเราเรียกว่า ประจุ (charge) การเคลื่อนที่ของอิเล็คตรอนในตัวนำทำให้เกิดการไหลของกระเเสไฟฟ้า (ตัวนำคือ วัตถุบางชนิดที่ยอมให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านมันไปได้ เช่น ทองเเดง ทองคำ เงิน) การเคลื่อนที่ของประจุทำให้เกิดกระเเสไฟฟ้า


เมื่อพลาสติกที่ใช้ทำปากกาถูกับเเขนเสื้อหรือผ้าขนสัตว์ อิเล็กตรอนจะถูกดึงออกจากพลาสติกสู่ผ้า นั่นหมายความว่าปากกาสูญเสียอิเล็กตรอน ขณะที่วัตถุใดที่ได้รับอิเล็คตรอนไปจะมีอิเล็คตรอนเกิน เมื่อนำปากกาที่เสียอิเล็กตรอนไปวางไว้เหนือเศษกระดาษที่ถูกฉีกไว้เป็นชิ้นเล็ก เศษกระดาษที่มีอิเล็กตรอนเกินจะถูกดูดขึ้นติดกับปากกกา เนื่องจากอิเล็กตรอนเกินในกระดาษจะพยายามวิ่งเข้าปากกาที่ขาดอิเล็กตรอน เเล้วมันจะพาเศษกระดาษนั้นมาด้วย


มีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายคนศึกษาเเรงดึงดูดมหัศจรรย์นี้ ชายชาวฝรั่งเศสชื่อ ชาร์เลส ดูเฟย์ (Chales Dufay) ค้นพบไฟฟ้าสถิตย์อีกชนิดหนึ่งที่เเตกต่างกันออกไป เขาพบว่าถ้านำเเท่งอำพันสองเเท่งมาถูกัน จากนั้นนำมาวางใกล้ๆกัน พบว่าเเท่งอำพันทั้งสองเเท่งจะผลักกัน ดังนั้นเขาจึงสรุปว่าถ้าเเท่งอำพันทั้งสองเเท่งที่ขาดอิเล็กตรอนทั้งคู่ นำมาวางไว้ใกล้ๆกันมันจะผลักกัน ในลักษณะเดียวกัน ถ้านำเเท่งอำพันสองเเท่งที่มีอิเล็กตรอนเกินทั้งคู่มาวางไว้ใกล้ๆกันมันก็จะผลักกันอีกเช่นกัน กรณีวัตถุที่มีอิเล็กตรอนเกินมาวางไว้ใกล้กับวัตถุที่มีอิเล็กตรอนขาดเท่านั้นจึงจะเกิดการดูดกัน


เบนจามิน เเฟรงคลิน (Benjamin Franklin) นักวิทยาศาสตร์เเละนักการเมืองชาวอเมริกัน ได้เเบ่งไฟฟ้าออกเป็นสองชนิดคือไฟฟ้าบวกกับลบ เเละได้เขียนออกมาเป็นกฎว่าไฟฟ้าที่เหมือนกันจะผลักกัน ส่วนไฟฟ้าที่ต่างกันจะดูดกัน ปัจจุบันเราทราบว่าวัตถุใดที่มีอิเล็กตรอนเกิน วัตถุนั้นจะมีประจุลบ ส่วนวัตถุใดที่มีอิเล็กตรอนขาด วัตถุนั้นจะมีประจุบวก การเอาผ้ามาถูฉนวนอย่างเเรงเพื่อให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาเรียกว่า การชาร์จ เเละเมื่อวัตถุถูกชาร์จ (โดยการเพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไปหรือดึงออก) มันจะสามารถรักาาสภาพการถูกชาร์จนั้นไว้ได้ เนื่องจากว่าอิเล็กตรอนบนวัตถุนั้นไม่ได้เคลื่อนที่ไปไหน ทำให้มันไม่มีกระเเสไฟฟ้าเกิดขึ้น จึงถูกเรียกว่าไฟฟ้าสถิตย์


อิเล็กตรอนที่ถูกทำให้จับรวมกันเป็นกลุ่ม พวกมันพยายามที่จะเคลื่อนที่ ไม่ว่าที่ใดก็ตามอาจมีวัตถุที่สะสมอิเล็กตรอนอยู่ ดังนั้นถ้ามีตัวนำเพื่อให้ประจุที่ถูกสะสมไว้เคลื่อนที่ มันก็จะไหลไปตามตัวนำ เเละกฎของโอห์มก็จะถูกใช้อธิบายพฤติกรรมการไหลของกระเเสไฟฟ้า

เกือบทุกคนบนโลกใบนี้ต้องเคยผ่านประสบการณ์การถูกไฟฟ้าสถิตย์ช็อต (การถูกอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านอย่างทันทีทันใด) ใครก็ตามที่ใส่เสื้อผ้าไนลอน หากไปเสียดสีหรือสัมผัสกับพรมหรือที่นั้งโซฟา เเล้วไปสัมผัสกับโลหะอาจทำให้เกิดการสปาร์คขึ้น การเสียดสีของเสื้อผ้าไนลอนจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไป หลังจากนั้นเมื่อสัมผัสกับตัวนำ อิเล็กตรอนจากตัวนำจะไหลผ่านเข้าสู่เสื้อผ้านั้นทันทีทำให้มีการสปาร์คเกิดขึ้น


ก่อนหน้านั้นจนกระทั่งปี 1746 ไม่มีใครรู้วิธีที่จะเก็บประจุไฟฟ้าสถิตย์ จนกระทั่งนักวิทยาศาสตร์สองคนชื่อ เอวาร์ด จอร์ช ฟอน ไคลซ์ (Ewald George von Kliest) เเละปิเอเตอร์ เเวน มุสเซนโบรค (Pieter van Mussenbroke) ได้ประดิษฐ์เหยือกสำหรับเอาไว้เก็บประจุ เนื่องจากพวกเขาทำงานให้กับมหาวิทยาลัยเเห่งเลย์เดน (University of Leyden) สิ่งประดิษฐ์ของพวกเขาจึงถูกเรียกว่า เหยือกเลย์เดน เหยือกเลย์เดนมีลักษณะคล้ายเหยือกที่เอาไว้สำหรับหมักของดอง เช่นที่เอาไว้ดองกระเทียม เเต่เหยือกเลย์เดนจะเก็บอิเล็กตรอนไว้ในโลหะ เเทนที่จะเก็บกระเทียมไว้ในน้ำส้มสายชู นักวิทยาศาสตร์สองคนนี้ทำให้การเก็บอิเล็กตรอนเพื่อเอาไว้ใช้ในภายหลังเป็นเรื่องที่เป็นไปได้ ซึ่งมันเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มีประโยชน์ก่อนที่จะมีการประดิษฐ์เเบตเตอรี่ ปัจจุบันวิศวกรไฟฟ้าเรียกเหยือกเลย์ดอนนี้ว่า 'ตัวเก็บประจุ' (capaciture) เเละยังคงใช้มันเป็นตัวสะสมประจุ ซึ่งเป็นชิ้นส่วนสำคัญของวงจรไฟฟ้า


เหยือกเลย์เดนเเละตัวเก็บประจุ ทำงานได้โดยมีเเผ่นเหล็กสองเเผ่นเเยกกันอยู่ ซึ่งสามารถทั้งเพิ่มอิเล็คตรอนพร้อมกับรักษาอิเล็คตรอนส่วนที่เหลือ ลองจินตนาการถึงขวดของดองที่ถูกห่อด้านในเเละด้านนอกด้วยเเผ่นฟอยโลหะ โดยที่เเก้วเป็นตัวเเยกเเผ่นเหล็กออกจากกันก็จะสามารถทราบได้ว่าเหยือกของเลย์เดนมีหน้าตาเป็นอย่างไร ในกรณีที่เกิดการไม่สมดุลของจำนวนอิเล็กตรอนระหว่างเเผ่นโลหะสองเเผ่น เหยือกจะทำการประจุไฟฟ้า เเละถ้มีการต่อลวดตัวนำที่เเผ่นโลหะทั้งสอง จะเกิดการไหลของอิเล็คตรอน เเละเมื่อความหนาเเน่นของอิเล็กตรอนหรือประจุระหว่างเเผ่นโลหะทั้งสองเเผ่นเท่ากัน กระเเสไฟฟ้าจะหยุดไหล ยิ่งจำนวนอิเล็กตรอนระหว่างเเผ่นสองเเผ่นต่างกันเท่าไร ไฟฟ้าก็จะถูกเก็บสะสมไว้มากเท่านั้น เเละยิ่งไฟฟ้าถูกเก็บไว้มากเท่าไร การสปาร์คที่เกิดขึ้นในตอนที่มีการไหลของกระเเส จะยิ่งยาวนานเเละรุนเเรง


เราจะเข้าใจการทำงานของตัวเก็บประจุได้มากขึ้นเมื่อลองจินตนาการถึงเขื่อน การเติมอิเล็กตรอนก็เหมือนกับการเติมน้ำในเขื่อน ถ้าประตูเขื่อนถูกเปิด น้ำก็จะพุ่งออกมา ความลึกของระดับน้ำในเขื่อนยิ่งมาก ความเร็วของน้ำที่ไหลออกมายิ่งมาก ในเเบบเดียวกันกับไฟฟ้า การสปาร์คจะเกิดขึ้นยาวนานขึ้นเเละรุนเเรงขึ้นเมื่อจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกเเยกกันมีปริมาณมากขึ้น


เมื่อเราพูดถึงความเเรงในการไหลของน้ำ เเสดงว่าเรากำลังพูดถึงค่าหัว (head) ของน้ำ ยิ่งน้ำมีค่าหัวมากเท่าใด ก็จะยิ่งมีพลังงานในการสนับสนุนการไหลได้มากขึ้นเท่านั้น โดยความคิดนี้สามารถนำมาประยุกต์ใช้กับไฟฟ้าได้ นักวิทยาศาสตร์เริ่มพูดถึงความดันของประจุไฟฟ้า พวกเขาเรียกความดันนี้ว่า electromotive force (e.m.f.)


นักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าเกี่ยวกับเรื่องใด มักจะได้รับเกียรติให้ใช้ชื่อของเขาเป็นหน่วยวัดปริมาณที่เขาได้ทำการค้นพบนั้น ตัวอย่างเช่น อังเดต มาเรีย เอมเเปร์ (Andre Marie Ampere) เเละ เคาท์ อเล็สซานโดร โซลต้า (Count Alessendro Volta) เเอมเเปร์เป็นนักคณิตศาสตร์เเละนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ผู้ซึ่งได้คิดค้นอุปกรณ์สำหรับวัดการไหลของประจุอิเล็กตรอน เเละชื่อของเขาถูกใช้เป็นหน่วยวัดกระเเสไฟฟ้า ซึ่งคือ เเอมเเปร์ (Ampere, A) ส่วนโวลต้า เป็นนักฟิสิกส์ชาวอิตาเลี่ยน ผู้ซึ่งสร้างเเบตเตอรี่สำเร็จเป็นคนเเรกของโลก ซื่อของเขาถูกใช้เป็นหน่วยของเเรงดันไฟฟ้า (electromotive force) ซึ่งคือโวลต์ (volt, V) เทสล่าผู้สร้างสนามเเม่เหล็กหมุนเพื่อใช้ในการขับมอเตอร์ ชื่อของเขาถูกใช้เป็นหน่วยวัดเเรงเเม่เหล็ก ซึ่งคือเทสล่า (Tesla, B)


ไฟฟ้าสถิตย์เป็นรูปเเบบเฉพาะของไฟฟ้า ซึ่งเป็นต้นเหตุของการเกิดการสปาร์ค โดยทฤษฎีเเล้วไฟฟ้าสถิตย์เป็นสาเหตุของการเกิดพายุฟ้าผ่า (Thunder Storm) เเต่ไม่เคยถูกเอามาใช้ในทางปฏิบัติ สิ่งประดิษฐ์ที่มีการใช้งานไฟฟ้าสถิตย์ครั้งเเรกก็คือเเบตเตอรี่ของโวลต้า


ในวันที่ 20 มีนาคม 1800 โวลต้าได้เขียนถึงผู้อำนวยการของ Rayal Society ในลอนดอน โดยเขียนว่า 'ผมยินดีส่งผลลัพธ์บางอย่างที่น่าตื่นเต้นให้คุณ ซึ่งผมได้จากการทำการทดลองทางไฟฟ้า อุปกรณ์ทำจากเเผ่นโลหะที่มีขนาดเท่ากันเเต่คนละชนิด ผลลัพธ์ที่ได้คือประจุจะถูกเก็บไว้เมื่อมีการชาร์จไฟฟ้าเข้าไปในเเต่ละครั้ง '


สิ่งที่โวลต้าได้บรรยายไปคือเเบตเตอรี่ไฟฟ้าชนิดเเรกของโ,ก เเต่เเบตเตอรี่นี้สามารถใช้งานได้ไปนาน เเรงดันไฟฟ้าจะค่อยๆหมดลงอย่างรวดเร็ว ดังนั้นอนาคตทางไฟฟ้าจะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อมีการประดิษฐ์เเหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่ไว้ใจได้ หรือมั่นคงกว่านี้ สมัยก่อนมอเตอร์ไฟฟ้าเเละหลอดไฟฟ้ามีราคาเเพงมาก เนื่องจากใช้เเหล่งพลังงานจากเเบตเตอรี่ ซึ่งสามารถใช้ได้ในระยะเวลาสั้นๆ ไฟฟ้าก็หมด


ไมเคิล ฟาราเดย์ ได้สร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องเเรกขึ้นในปี ค.ศ. 1831 เเละไฟฟ้าที่เอดิสันผลิตได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไอน้ำของเขา เป็นไฟฟ้าต่อเนื่องเช่นเดียวกับที่ได้จากเเบตเตอรี่ของโวลต้า เอดิสันรู้อยู่เเก่ใจว่าเขาจะต้องประดิษฐ์หลอดไฟที่ใช้กระเเสไฟฟ้าน้อยกว่านี้ ดังนั้นเขาจึงใช้ไส้หลอดไฟที่ทำจากทองเเดงที่บางกว่าเดิม ในระบบไฟฟ้าของเขา เขาทราบดีว่าเเรงดันไฟฟ้าที่ตกลงจะเป็นตัวกำหนดว่าเขาจะส่งไฟฟ้าไปได้ไกลเท่าใด ในทางปฏิบัติเเล้วเเสดงว่าเขาได้ใช้กฏของโอห์มเเม้ว่าเขาจะไม่รู้ตัวเเละไม่เคยเข้าใจมันมาก่อน


เอดิสันเริ่มต้นจากการเป็นพนักงานโทรเลข เเละที่นี่ทำให้เขาเกิดคำถามว่ากระเเสไฟฟ้าจะเดินทางในเส้นลวดได้ไกลเเค่ไหน บริษัทของเอดิสันได้รับทุนสนับสนุนจากชายผู้ร่ำรวยจากกิจการ โทรเลข เขาได้ตั้งสมมติฐานว่ากระเเสไฟฟ้าจะเดินทางได้ในระยะทางที่ไกลพอๆกับข้อความโทรเลข เเต่ก็ไม่สามารถทำได้ ไม่มีใครที่ทำงานในกิจการโทรเลขมีความเข้าใจกฎของโอห์ม ดังนั้นพวกเขาจึงไม่สามารถทำนายปัญหาในทางปฏิบัติเกี่ยวกับการใช้ไฟฟ้ากระเเสตรงอย่างเเท้จริง


เเละในปี ค.ศ. 1831 ซึ่งเป็นปีที่ฟาราเดย์ประดิษฐ์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่คนอเมริกันเรียกว่า ซามูเอง ไฟด์เลย์ (Samuel Findley) บริส มอร์ส (Breese Morse) ได้เดินทางไปเยือนอังกฤษ มอร์สไม่ได้เป็นวิศวกรโดยตรง เเต่เขาเป็นศิลปกรผู้เชียวชาญด้านการวาดรูปสีน้ำเเละงานปฏิมากรรม เขาเคยได้รับรางวัล Gold Medal จากสมาคมศิลปะเเห่งลอนดอนในปี ค.ศ. 1812 ขณะที่เขานั่งเรือ SS Sully ข้ามมหาสมุทรกลับอเมริกาเขาได้ยินข่าวจากผู้โดยสารที่นั่งอยู่ใกล้ๆเกี่ยวกับสิ่งประดิษฐ์ใหม่ของฟาราเดย์ เเละเขาก้ได้ยินว่าบริษัทรถไฟในอังกฤษต้องการรูปเเบบข้อความโทรเลขที่ดีกว่าเดิม ทำให้เขาเกิดความคิดที่จะส่งข้อความโดยใช้ไฟฟ้า

มอร์สเป็นศาสตราจารย์ด้าน Fine Art ที่มหาวิทยาลัยนิยอร์ก หลังจากที่เขากลับมาอเมริกา เขาได้ใช้เวลาว่าทั้งหมดทำงานเกี่ยกับระบบส่งข้อความผ่านสายโลหะ เขาทำโดยการสลับไปมาระหว่างพัลซ์ (Pulse) ไฟฟ้าสั้นเเละยาวที่ปลายข้างหนึ่งของลวดไฟฟ้าสามารถทำให้เกิดการกระตุกของเข็มอย่างเร็วเเละมีเสียงออด มอร์สได้พัฒนารหัสอย่างง่าย โดยพัลซ์สั้นเรียกว่าจุด (dot) พัลซ์ยาวเรียกว่าขีด (dash) เพื่อใช้ในการส่งข้อความ เเละนี่เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่ชาญฉลาดเเละน่าทึ่งเนื่องจากข้อความจะไปถึงยังปลายของเส้นลวดอีกด้านหนึ่งทันที่ที่มีการส่ง เเต่ก็มีข้อเสียเปรียบหลักอย่างหนึ่งที่ต้องพิจารณาคือถ้าลวดที่เชื่อมต่อระหว่างสถานีส่งเเละสถานีรับห่างกันมากกว่า 20 ไมล์ (32 กิโลเมตร) จะทำให้สัญญานเบาจนเกินกว่าจะรับได้ยิน เพื่อที่จะเอาชนะปัญหาดังกล่าว จึงจำเป็นต้องสร้างสถานีรับส่งข้อความทุกๆ 20 ไมล์ เมื่อมีข้อความเข้ามาก พนักงงานจะคัดลอกข้อความเเล้วค่อยส่งต่อไปยังอีกสถานีหนึ่งต่อเนื่องกันไป สภาคองเกรสสหรัฐอเมริกาให้เงินเเก่มอร์ส 30,000 เหรียญสหรัฐ เพื่อให้เขาสร้างระบบส่งข้อความโทรเลขสาธารณะ เเละในวันที่ 20 พฤษภาคม 1844 มอร์สได้ส่งข้อความโทรเลขเป็นครั้งเเรกจากวอชิงตันดีซี ไปยังบัลติมอร์ในรัฐเเมรี่เเลนด์ ข้อความที่ส่งคือ 'want hath God wrough'


เอดิสันคิดว่าถ้าเขาสามารถส่งไฟฟ้าได้ในระยะทางที่ไกลกว่า ระบบของเขาจะใช้สถานีรับส่งข้อความน้อยกว่ามาก เเละจะต้องประสบความสำเร็จมากกว่า เเต่เขาคาดไม่ถึงว่ากระเเสไฟฟ้าที่เขาต้องใช้จะต้องสูงมาก จนเกินกว่าที่เคลื่อนที่ไปได้ในระยะทางไกลๆ สิ่งหนึ่งที่จำเป็นต้องทราบคือเส้นลวดไม่ค่อยชอบให้ไฟฟ้าไหลผ่าน เเละมันจะพยายามหยุดไม่ให้อิเล็กตรอนวิ่งผ่านมัน สิ่งที่มันจะเเสดงให้เห็นอย่างเเรกเมื่อเราเพิ่มกระเเสไฟฟ้าให้มันคือมันจะเริ่มร้อน จากนั้นถ้าเพิ่มกระเเสไฟฟ้าต่อไปมันจะเริ่มหลอมละลาย เราไม่สามารถบังคับให้มันส่งผ่านไฟฟ้าตามที่ใจเราต้องการได้ ลวดตัวนำยิ่งมีเส้นใหญ่ความต้านทางของมันจะยิ่งสูงเเต่ก็สามารถส่งไฟฟ้าได้มาก เเต่เส้นลวดที่หนาจะต้องใช้เนื้อทองเเดงในปริมาณที่มากกว่าเเละราคาเเพงกว่า ลวดทุกเส้นจะมีข้อจำกัดบน (upper limit) ในการรับภาระทางไฟฟ้า


โอห์มกล่าวว่า กระเเสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรจะเป็นสัดส่วนผกผันกับความต้านทาน เเต่เเปรผันโดยตรงกับเเรงดันไฟฟ้า นั่นหมายความว่ายิ่งเราส่งหระเเสไฟฟ้าผ่านเส้นลวดตัวนำมากเท่าใด ความดันไฟฟ้าจะตกลงมากเท่านั้น ถ้าเราต้องการเพิ่มกระเเสไฟฟ้า สามารถทำได้โดยการเพิ่มความดันไฟฟ้าที่ปลายของเส้นลวดตัวนำ เเต่ผลที่ตามมาคือเส้นลวดอาจละลาย เเละวงจรก็หยยุดทำงาน ปริมาณของเเสงสว่างที่ได้จากหลอดไฟ หรือกำลังที่ได้จากมอเตอร์ไฟฟ้าขึ้นอยู่กับปริมาณของกระเเสไฟฟ้าที่อุปกรณ์เหล่านั้นได้รับ


การที่จะทำให้หลอดไฟสว่าง เราจำเป็นจะต้องให้กำลังกับมัน กำลังคือความสามารถที่เเท้จริงในการทำงาน (work) กำลังไฟฟ้าขึ้นอยู่กับสองสิ่งคือความดันเเละกระเเสไฟฟ้า ในการทำให้เกิดกำลังไฟฟฟ้าจำเป็นต้องใช้ทั้งความดันเเละกระเเสไฟฟ้าในเวลาเดียวกัน หลอดไฟจะสว่างได้เมื่อความดันเเละกระเเสไฟฟ้าทำงานร่วมกัน


ยิ่งเรามีกำลังไฟฟ้ามากเท่าใด หลอดไฟก็จะยิ่งสว่างมากขึ้นเท่านั้น เเต่ก็มีเเนวทางที่เเตกต่างในการที่จะได้รับกำลังสูงสุดจากหลอดไฟ เราสามารถให้ความดันสูงเเละกระเเสต่ำ หรือกระเเสสูงเเละความดันต่ำ กำลังไฟฟ้าหรือความสามารถในการทำงาน สามารถหาได้จากผลคูณของกระเเสไฟฟ้ากับความดัน ความดันคือสิ่งที่บ่งบอกความสามารถของไฟฟ้าว่าจะสามารถเดินทางไปได้ไกลเเค่ไหนในเส้นลดตัวนำ ดังนั้นยิ่งความดันสูงไฟฟ้าก็ยิ่งจะสามารถเดินทางได้ไกล กระเเสไฟฟ้าคือผลผลิตที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคพื้นฐานที่เล็กที่สุดที่มีประจุลบที่เราเรียกว่า อิเล็กตรอน


จากการที่กำลังไฟฟ้าต้องการทั้งความดันเเละกระเเส นั่นหมายความว่าจะต้องมีทั้งความสามารถในการเคลื่อนที่ผ่านเส้นลวดตัวนำ เเละมีปริมาณอิเล็กตรอนที่เพียงพอที่จะทำงานเมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านไส้หลอดไฟ ยิ่งเส้นลวดยาวเท่าไร เเรงดันไฟฟ้าที่เหลืออยู่ที่ปลายอีกด้านหนึ่งของเส้นลวดจะยิ่งน้อยลงเท่านั้น เมื่อเป็นเช่นนี้เราเพียงใช้เเรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น ก็จะทำให้ปัญหาในเรื่องความยาวของเส้นลวดหมดไป ยิ่งเเรงดันสูงเท่าไรกระเเสไฟฟ้าก็จะยิ่งไหลผ่านเส้นลวดตัวนำได้ง่ายขึ้นเท่านั้น เเต่มันก็สามารถทำให้ไฟฟ้าไหลผ่านตัวคนได้มากอีกเช่นกัน ถ้าไฟฟ้าเเรงดันสูงบังเอิญไหลผ่านคนโดยไม่ได้ตั้งใจ จะทำให้ไฟฟ้ากำลังสูงไหลผ่านคนทำให้ถึงเเก่ความตายได้ ดังนั้นจึงมีการกำหนดขอบเขตจำกัดสูงสุดของเเรงดันไฟฟ้าที่จะถูกนำมาใช้ในบ้านเรือน เพื่อเป็นการลดความเสี่ยงจากอันตรายที่เกิดจากการใช้ไฟฟ้า ยิ่งไฟฟ้าเเรงดันสูงก็ยิ่งยากต่อการป้องกันอันตราย เช่น ยากต่อการหุ้มฉนวน


ขณะที่อิเล็กตรอนวิ่งผ่านเส้นลวดตัวนำ มันจะวิ่งชนกับอะตอมของธาตุที่เป็นวัสดุที่ใช้ทำเส้นลวดทำให้ลวดเกิดความร้อน ซึ่งเป็นสาเหตุให้ความเร็วของอิเล็กตรอนลดลงเเละเเรงดันตกลง ดังนั้นยิ่งสายไฟที่เชื่อมต่อระหว่างบ้านเรือนของเราอยู่ห่างจากโรงจักรต้นกำลังมากเท่าไร เเรงดันไฟฟ้าที่เราจะได้รับก็จะลดลงเท่านั้น เเละความสว่างของหลอดไฟที่เราจะได้รับก็ลดลงด้วย


จากข้อดีของกฎของโอห์ม ไฟฟ้าสามารถผลิตขึ้นที่เเรงดันต่ำ เเต่ปริมาณกระเเสสูง เพื่อป้องกันการเกิดสปาร์ค เเละการละลายของฉนวนในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เเล้วทำการส่งที่เเรงดันสูงเเละปริมาณกระเเสต่ำ เพื่อให้เกิดการสูญเสียความร้อนขึ้นในเส้นลวดตัวนำเพียงเล็กน้อย เเละไม่จำเป็นต้องใช้เนื้อทองเเดงมาก เเละจากนั้นเมื่อถึงบ้านเรือนก็สามารถเเปลงเเรงดันไฟฟ้าให้ต่ำลงเพื่อป้องกันความเสี่ยงที่จะถึงเเก่ชีวิตของผู้ใช้ไฟฟ้า ในตอนเเรกที่มีการค้นพบไฟฟ้า สิ่งที่กล่าวมาทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำให้สำเร็จได้ เพราะขาดความเข้าใจในกฎของโอห์ม


เมื่อพูดถึงไฟฟ้าเราสามารถจำเเนกออกได้เป็นสองชนิดคือไฟฟ้ากระเเสตรง (Direct Current, DC) เเละไฟฟ้ากระเเสสลับ (Alternating Currnet, AC) ไฟฟ้ากระเเสตรงคือไฟฟ้าที่มีความต่อเนื่อง เเละไม่มีการเปลี่ยนเเปลงทิศทาง ในทางตรงกันข้าม ไฟฟ้ากระเเสสลับเป็นไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนเเปลงทิศทางการไหลของไฟฟ้ากลับไปกลับมาไฟฟ้ากระเเสสลับที่ออกจากเต้าเสียบของบ้านเรือนเรานั้นมีการเปลี่ยนทิศทางกลับไปกลับมาอย่างน้อย 100 ครั้งต่อวินาที ไฟฟ้ากระเเสสลับสามารถปรับเปลี่ยนเเรงดันไฟฟ้า ขึ้น-ลงได้โดยผ่านกระเเสไฟฟ้าไปยังขดลวดคู่ในอุปกรณ์ที่เรียกว่า หม้อเเปลง (transformer) เเต่ไฟฟ้ากระเเสตรงนั้น เเรงดันของมันจะมีเเต่ลดลงอย่างเดียวเเละไม่สามารถปรับขึ้นได้อีก


มอเตอร์ไฟฟ้ารุ่นเเรกที่มีการประดิษฐ์ขึ้นนั้นใช้ไฟฟ้ากระเเสตรงเพียงอย่างเดียวเท่านั้น เพราะในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 วิศวกรทุกคนมีความคิดเช่นเดียงกันอาจารย์ของเทสล่าที่ว่าไม่มีทางเป็นไปได้ที่จะใช้ประโยชน์จากไฟฟ้ากระเเสสลับ ไม่ว่าจะด้วยวัตถุประสงค์ใด ดังนั้นไฟฟ้ากระเเสสลับจึงไม่เป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวาง


ที่เเรงดันไฟฟ้าที่เอดิสันคิดว่าปลอดภัยสำหรับการใช้งานในตอนที่เขาเริ่มต้นการสร้างระบบไฟฟ้าของเค้านั้น พบว่าถ้าเราอยู่ห่างจากโรงไฟฟ้าต้นกำลังมากกว่าครึ่งไมล์ หลอดไฟของเราจะไม่สว่างอย่างเพียงพอ เเละนี่คือจุดอ่อนพื้นฐานสำคัญของระบบไฟฟ้ากระเเสตรงที่จะใช้เป็นระบบไฟฟ้าสาธารณะสำหรับประชาชน

เพื่อให้เกิดความเข้าใจได้ง่ายขึ้น ลองคิดอีกครั้งถึงเขื่อนที่บรรจุน้ำไว้เต็ม จากนั้นลองจินตนาการไปที่ประตูน้ำ ถ้ามีน้ำอยู่เต็มเขื่อน เราเพียงเเค่เปิดประตูน้้ำบางส่วนก็จะได้การไหลของน้ำที่รุนเเรง

ถ้าต้องการน้ำเพื่อป้อนให้กับบ้านเรือนเพื่อใช้สอย หรือเพื่อล้างรถสักคัน เราจะต้องมีน้ำที่มีค่าหัวที่สูงพอที่จะทำให้เกิดเจ็ทน้ำสำหรับฉีดพ่นทำความสะอาดได้ ถ้าค่าหัวของน้ำต่ำเกินไปเราจะไม่มีน้ำที่มีกำลังมากพอที่จะทำความสะอาดสิ่งสกปรก เเละถ้าสายยางเกิดบิดงอหรือหัก การไหลของน้ำก็จะช้าลงหรือไม่สามารถไหลได้ เเละถ้าค่าหัวของน้ำตกลงเนื่องจากการรั่วไหลของระบบท่อ กำลังของน้ำย่อมจะตกลงอีกเช่นกัน พลังงานที่เเท้จริงของน้ำมาจากทั้งอัตราการไหลเเละค่าหัวของน้ำ ไฟฟ้าก็ทำงานในลักษณะเช่นเดียวกัน ถ้าเกิดการสูญเสียกำลังไฟฟ้าในระบบสายส่งมากๆ ก็จะทำให้ไม่มีเเรงดันมากพอที่จะทำให้กระเเสไฟฟ้าวิ่งไปยังปลายเส้นลวดตัวนำอีกข้างหนึ่งได้ เเละไฟฟ้าก็จะไม่สามารถวิ่งได้ครบวงจร ระบบไฟฟ้าก็จะไม่ทำงาน ด้วยการเพิ่มเเรงดันไฟฟ้าทำให้เราสามารถเอาชนะการสูญเสียต่างๆที่เกิดขึ้นบนระบบสายส่งได้ เเละจะต้องคงเหลือเเรงดันไฟฟ้ามากพอเพื่อให้มันวิ่งถึงปลายของเส้นสวดตัวนำอีกด้านหนึ่งได้ (ครบวงจร)

ถ้าเราสามารถส่งไฟฟ้าที่เเรงดันสูงๆ เราสามารถลดปริมาณกระเเสไฟฟ้าให้เหลือเพียงเล็กน้อยได้ โดยที่เราจะได้กำลังไฟฟ้าเท่าเดิมโดยสามารถคำนวณด้วยสมการ P=IV (กำลังไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณระหว่างกระเเสเเละเเรงดันไฟฟ้า) เเต่ปัญหาที่เกิดจากการสูญเสียเเรงดันจะน้อยกว่า เเต่เราต้องไม่ลืมลดเเรงดันให้เหลือน้อยลงก่อนที่จะจ่ายไฟฟ้าเข้าสู่บ้านเรือนเพื่อให้ผู้ใช้ไฟฟ้าสามารถใช้ไฟฟ้าได้อย่างปลอดภัยลดความเสี่ยงอันตรายถึงเเก่ชีวิตที่เกิดจากการสัมผัสเข้ากับไฟฟ้าเเรงดันสูง


ปัจจุบันสายส่งเเรงดันสูงที่ใช้ส่งไฟฟ้าในระดับประเทศจะทำงานที่เเรงดันสูงถึงหนึ่งล้านโวลท์ ขณะที่ส่วยส่งในระดับท้องถิ่นใช้เเรงดันไฟฟ้า 11,000 โวลท์ เเละลดลงเหลือ 240 โวลท์ก่อนที่จะส่งเข้าสู่บ้านเรือน

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น