กำลังไฟฟ้า

พลังงานไฟฟ้า (อังกฤษ: electrical energy) เป็นพลังงานที่ได้จากพลังงานศักย์หรือพลังงานจลน์ไฟฟ้า เมื่อถูกใช้อย่างหลวมๆเพื่ออธิบายพลังงานที่ถูกดูดซับหรือถูกนำส่งโดยวงจรไฟฟ้าหนึ่ง (ยกตัวอย่างเช่น พลังงานที่จัดหามาให้จากโรงไฟฟ้า) "พลังงานไฟฟ้า" จะพูดถึงพลังงานที่ถูกแปลงมาจากพลังงานศักย์ไฟฟ้า พลังงานนี้ถูกจ่ายออกมาโดยผสมกันของกระแสไฟฟ้ากับศักย์ไฟฟ้าโดยส่งออกมาในกริด (ไฟฟ้า) ณ จุดที่พลังงานศักย์ไฟฟ้านี้ถูกเปลี่ยนให้เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของพลังงาน มันจะไม่ได้เป็นพลังงานศักย์ไฟฟ้าอีกต่อไป ดังนั้น พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดเป็นพลังงานศักย์ก่อนที่มันจะถูกจัดส่งไปให้ผู้ใช้ปลายทาง หลังจากถูกเปลี่ยนจากพลังงานศักย์ พลังงานไฟฟ้าสามารถถูกเรียกเป็นพลังงานชนิดอื่นได้เสมอเช่นพลังงานความร้อน พลังงานแสงสว่าง พลังงานการเคลื่อนไหว ฯลฯ

หลักการพื้นฐานของการผลิตไฟฟ้าถูกค้นพบระหว่างทศวรรษที่ 1820 ถึง 1830 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อไมเคิล ฟาราเดย์ วิธีการพื้นฐานของเขายังคงถูกใช้ในปัจจุบัน นั่นคือไฟฟ้าจะถูกผลิตขึ้นจากการเคลื่อนไหวของขดลวดหรือจานทองแดงไปมาระหว่างขั้วทั้งสองของแม่เหล็ก

สำหรับโรงไฟฟ้า (เช่นการไฟฟ้าฝ่ายผลิต) นี่เป็นขั้นตอนแรกในการจัดส่งไฟฟ้าไปยังผู้ใช้ กระบวนการอื่นเช่นการจัดส่ง การกระจาย และการจัดเก็บกำลังไฟฟ้าและการกู้คืนโดยใช้วิธีสูบขึ้นไปเก็บ เหล่านี้ปกติจะถูกดำเนินการโดยอุตสาหกรรมจำหน่ายกระแสไฟฟ้า (เช่นการไฟฟ้านครหลวง การไฟฟ้าภูมิภาค)

ไฟฟ้าจะถูกผลิตโดยโรงไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่โดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไฟฟ้าเครื่องกล ซึ่งจะถูกขับเบื้องต้นโดยเครื่องยนต์พลังงานความร้อนที่ใช้เชื้อเพลิงแบบสันดาปเคมีหรือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แต่ก็ยังใช้วิธีการอื่นด้วยเช่นพลังงานศักย์จากการไหลของน้ำและลม ยังมีเทคโนโลยีอื่นอีกมากที่สามารถใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าเช่นเซลล์แสงอาทิตย์และพลังงานความร้อนใต้พิภพ

กำลังไฟฟ้า (อังกฤษ: electric power) เป็นอัตราที่พลังงานไฟฟ้าจะถูกถ่ายโอนไปยังวงจรไฟฟ้า มีหน่วย SI เป็นวัตต์ซึ่งเท่ากับหนึ่งจูลต่อวินาที

กำลังไฟฟ้ามักจะมีการผลิตโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แต่ก็ยังสามารถจัดหาได้จากหลายแหล่ง เช่นแบตเตอรี่ไฟฟ้า กำลังไฟฟ้ามักจะมีการซิ้อขายเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง(เท่ากับ 1 หน่วย) (3.6 MJ) ซึ่งเป็นผลคูณของ "กำลังไฟฟ้า" เป็นกิโลวัตต์คูณด้วยเวลาการใช้งานเป็นชั่วโมง บริษัทสาธารณูปโภคไฟฟ้าจะวัดกำลังไฟโดยใช้มิเตอร์ไฟฟ้าซึ่งจะเป็น "พลังงานไฟฟ้า" รวมที่ส่งมอบให้กับลูกค้า

เราสามารถหาความแตกต่างระหว่าง "พลังงานไฟฟ้า" และ "กำลังไฟฟ้า" ได้ตามตัวอย่างนี้ สมมติว่าโทรทัศน์เครื่องหนึ่งใช้กำลังไฟฟ้า 200 วัตต์ เปิดใช้งานต่อเนื่อง 10 ชั่วโมง ดังนั้น โทรทัศน์เครื่องนี้ใช้พลังงานไฟฟ้าไปทั้งหมดเท่ากับ 0.200X10 = 2 kW หรือ 2 หน่วยซึ่งปัจจุบันค่าพลังงานไฟฟ้ามีค่าหน่วยละประมาณ 5 บาท

กำลังไฟฟ้าให้รูปแบบเอนโทรปีที่ต่ำของพลังงานและสามารถเปลี่ยนให้เป็นการเคลื่อนไหวหรือรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง

กำลังไฟฟ้า เหมือนเช่นพลังงานกล มันเป็นอัตราของการทำงาน มีค่าเป็นวัตต์และแทนด้วยตัวอักษร P กำลังไฟฟ้าเป็นวัตต์ที่ผลิตโดยกระแสไฟฟ้า I ซึ่งประกอบด้วยประจุไฟฟ้า Q คูลอมบ์ทุกๆ t วินาทีเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์ (แรงดัน) V จะเป็น

กำลังไฟฟ้าจะถูกเปลี่ยนเป็นรูปแบบอื่น ๆ ของพลังงานเมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนผ่านความต่างศักย์ (แรงดัน) ที่เกิดขึ้นในชิ้นส่วนไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า จากมุมมองของกำลังไฟฟ้า ส่วนประกอบต่างๆในวงจรไฟฟ้าหนึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท:

อุปกรณ์บางอย่างอาจเป็นแหล่งกำลังหรือเป็นโหลดอย่างใดอย่างหนึ่งขึ้นอยู่กับแรงดันและกระแสผ่านพวกมัน ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่ที่ประจุใหม่ได้จะทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาเมื่อมันจ่ายกำลังไฟให้กับวงจร แต่มันจะเป็นโหลดเมื่อมันเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ชาร์จแบตเตอรี่ใหม่และกำลังเติมประจุ

เนื่องจากกำลังไฟฟ้าสามารถไหลเข้าหรือออกจากอุปกรณ์ ข้อตกลงจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแสดงทิศทางการไหลของกำลังไฟฟ้าบวก กำลังไฟฟ้าที่ไหลออกจากวงจรหนึ่งเข้าไปในอุปกรณ์หนึ่งจะถูกกำหนดโดยพลการให้มีเครื่องหมายบวก ในขณะที่กำลังไฟฟ้าที่ไหลเข้าในวงจรจากอุปกรณ์จะถูกกำหนดให้มีเครื่องหมายลบ ดังนั้นอุปกรณ์แบบพาสซีฟจะมีการใช้พลังงานในเชิงบวก ในขณะที่แหล่งกำลังงานจะมีการใช้พลังงานเชิงลบ

ในกรณีที่โหลดเป็นพวกความต้านทาน (แบบโอห์มหรือเชิงเส้น) กฎของจูลสามารถนำมารวมกับกฎของโอห์ม (V = I?R) เพื่อผลิตการแสดงออกที่เป็นทางเลือกสำหรับปริมาณของพลังงานที่จะกระจายออกไปดังนี้:

ในวงจรกระแสสลับ อุปกรณ์ที่เก็บพลังงานได้ เช่นตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ อาจมีผลทำให้ทิศทางการไหลของพลังงานไปในทางตรงกันข้ามตามช่วงเวลา ส่วนของการไหลของพลังงาน, ที่เฉลี่ยแล้วตลอดเต็มวงจรของรูปคลื่น AC, จะมีผลในการถ่ายโอนเป็นสุทธิของพลังงานในทิศทางเดียว พลังงานส่วนนั้นจะถูกเรียกว่ากำลังงานจริงหรือกำลังงานที่แอคทีฟ (อังกฤษ: real power หรือ active power) ส่วนของกำลังงานที่ไหลเนื่องจากกำลังงานที่ถูกเก็บไว้จะถูกส่งกลับไปยังแหล่งที่มาในแต่ละรอบ ส่วนของกำลังงานนี้เรียกว่ากำลังงานปฏิกิริยา (อังกฤษ: reactive power) กำลังงานจริง P ในหน่วยวัตต์ที่ถูกบริโภคโดยอุปกรณ์หนึ่งจะได้จาก

ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังงานจริง, กำลังงานปฏิกิริยาและพลังงานที่ปรากฏ (อังกฤษ: apparent power) สามารถแสดงด้วยปริมาณเวกเตอร์ กำลังงานจริงจะแสดงเป็นเวกเตอร์แนวนอนและกำลังงานรีแอคทีฟจะแสดงเป็นเวกเตอร์แนวตั้ง เวกเตอร์พลังงานที่ปรากฏคือด้านตรงข้ามมุมฉากของสามเหลี่ยมที่เกิดขึ้นโดยเชื่อมต่อเวกเตอร์กำลังงานจริงและเวกเตอร์กำลังงานปฏิกิริยา การแสดงนี้มักจะถูกเรียกว่าสามเหลี่ยมกำลังงาน โดยใช้ทฤษฎีของพีทาโกรัส, ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังงานจริง, กำลังงานปฏิกิริยาและกำลังงานที่ปรากฏจะเป็นตามสมการ:

กำลังงานจริงและกำลังงานปฏิกิริยายังสามารถคำนวณได้โดยตรงจากกำลังงานที่ปรากฏ, เมื่อกระแสและแรงดันเป็นคลื่นไซน์ทั้งคู่ที่มีมุมเฟสเป็น ? ระหว่างกระแสและแรงดัน:

อัตราส่วนของกำลังงานจริงต่อกำลังงานที่ปรากฏเรียกว่าปัจจัยกำลังงาน (อังกฤษ: power factor) และมีค่าระหว่าง 0 และ 1 เสมอ ในกรณีที่กระแสและแรงดันไฟฟ้ามีรูปคลื่นที่ไม่ใช่ไซน์ ปัจจัยอำนาจทั่วไปจะรวมถึงผลกระทบของการบิดเบือน

พลังงานไฟฟ้าจะไหลไปทุกแห่งที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กพร้อมกันและมีลักษณะเป็นคลื่นในสถานที่เดียวกัน ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือในวงจรไฟฟ้าอย่างที่ได้อธิบายไว้ในหัวข้อก่อนหน้านี้ อย่างไรก็ตามในกรณีทั่วไป สมการง่าย ๆ ที่ P = IV จะต้องถูกเปลี่ยนให้เป็นสมการที่ซับซ้อนกว่านี้ ค่าจำนวนเต็ม (อังกฤษ: integral) ของผลคูณเวกเตอร์สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตลอดพื้นที่ที่กำหนด จะได้สมการดังนี้:

ผลลัพท์จะเป็นค่าแสดงบนแผงหน้าปัทม์หรือที่เรียกว่า scalar quantity เนื่องจากมันเป็นการอินทีเกรทผิวหน้า (อังกฤษ: surface integral) ของ Poynting vector.