Co je elektrická energie?

Elektrická energie je výsledkem pohybu elektrického náboje a je běžně označována jako jednoduše „elektřina“. Nakonec má svůj původ v elektromagnetické síle: jedna ze čtyř základních sil přírody a ta, která je odpovědná za chování elektricky nabitých předmětů. Elektrická energie je výsledkem interakce subatomických částic s touto silou. Elektřina se projevuje v přírodních jevech, jako je blesk, a je nezbytná pro život na základní úrovni. Schopnost lidí vyrábět, přenášet a ukládat elektřinu je zásadní pro moderní průmysl, technologii a ve většině zemí domácí život.

Původ elektrické energie

Existují dva typy elektrického náboje, nazývané kladný a záporný. Pokud se dva elektricky nabité předměty přiblíží k sobě, zažijí sílu. Pokud jsou náboje stejné - kladné nebo obě záporné - síla bude působit tak, že odstrčí objekty od sebe. Pokud mají různé poplatky, přitahují se navzájem. Tento odpor nebo přitažlivost je známý jako elektromagnetická síla a může být využit k vytvoření toku elektrické energie.

Atomy sestávají z jádra obsahujícího pozitivně nabité protony, přičemž kolem něj obíhají negativně nabité elektrony. Protony normálně zůstávají vloženy do jádra, ale elektrony se mohou pohybovat z atomu na atom, což jim umožňuje protékat materiály, jako jsou kovy, které vedou elektřinu. Místo s přebytkem elektronů nad protony bude mít záporný náboj; místo s deficitem bude mít kladný náboj. Protože protilehlé náboje se navzájem přitahují, elektrony budou proudit z negativně nabité oblasti do pozitivně nabité oblasti, pokud to umožní, čímž vytvoří elektrický proud.

Používání elektrické energie

Elektřina je užitečná jak sama o sobě, tak jako prostředek přenosu energie na velké vzdálenosti. Je nezbytný pro různé průmyslové procesy, telekomunikace a internet, počítače, televizory a mnoho dalších běžně používaných zařízení. Může být také převeden na jiné formy energie pro použití v různých jiných aplikacích.

Když elektrický proud protéká vodičem, vytváří určité množství tepla. Generované množství závisí na tom, jak dobře materiál vede elektřinu. Dobrý dirigent, například měď, produkuje velmi málo. Z tohoto důvodu se měděné dráty a kabely běžně používají k přenosu elektřiny: když se produkuje teplo, ztrácí se energie, takže dobrý vodič minimalizuje energetické ztráty. Materiály, které vedou elektřinu méně dobře, produkují více tepla, takže se obvykle používají například v elektrických ohřívačích, sporácích a troubách.

Elektrická energie může být také přeměněna na světlo. Časná oblouková světla závisela na elektrickém výboji přes malou mezeru, aby ohřála vzduch do bodu, kde svítí - stejný princip jako blesk. Později byla představena žárovka s vlákny: to závisí na proudu, který způsobuje, že tenký, stočený drát žhne bílou žáru. Moderní, energeticky úsporné žárovky procházejí vysokonapěťovým proudem tenkým plynem, což způsobuje, že vyzařuje ultrafialové světlo, které zasahuje fluorescenční vrstvu a vytváří viditelné světlo.

Když se vodivý materiál, jako je měděný drát, pohybuje v magnetickém poli, generuje se proud. Naopak proud protékající drátem, pokud zažije magnetické pole, vytvoří pohyb. To je princip elektrického motoru. Tato zařízení sestávají z uspořádání magnetů a cívek měděného drátu tak, že když proud protéká proudem, vytvoří se otáčivý pohyb. Elektromotory jsou široce používány v průmyslu i doma, například v pračkách a DVD přehrávačích.

Měření elektrické energie

Energie se měří v joulech, což je termín pojmenovaný podle fyzika Jamese Prescotta Joula. Jedna joule je zhruba množství energie potřebné k zvednutí hmotnosti jedné libry (0,45 kilogramu) ve svislé vzdálenosti 22,9 cm. Obvykle je však vhodnější uvažovat o elektřině, pokud jde o energii, což je energie dělená časem, nebo rychlost, kterou proudí. Toto dá možná známější jednotku wattu, pojmenoval podle vědce James Watt. Jeden watt odpovídá jednomu joulu za sekundu.

Existuje celá řada dalších jednotek, které se týkají elektřiny. Coulomb je jednotka elektrického náboje. Lze to považovat za množství elektronů - 1,6 x 10 ¹⁹ - protože všechny elektrony mají stejný, velmi malý náboj. Ampér, obvykle zkrácený na „amp“, je jednotka elektrického proudu nebo počet elektronů, které proudí v daném množství času. Jeden zesilovač odpovídá jednomu coulombovi za sekundu.

Volt je jednotka elektromotorické síly nebo množství energie, která je přenesena na jednotku náboje nebo coulomb. Jeden volt je ekvivalentní jedné joule energie přenášené za každou coulomb náboje. Příkon ve wattech odpovídá voltům vynásobeným ampérem, takže proud pět ampérů při 100 voltech by odpovídal 500 wattům.

Výroba elektrické energie

Většina elektřiny je generována zařízeními, která přeměňují rotační pohyb na elektrickou energii, používají stejný princip jako elektrický motor, ale naopak. Pohyb cívek drátu v magnetickém poli vytváří elektrický proud. Obvykle se teplo, často vytvářené spalováním fosilních paliv, používá k výrobě páry, která pohání turbínu a zajišťuje rotační pohyb. V jaderné elektrárně poskytuje jaderná energie teplo. Hydroelektrická energie používá k pohonu turbíny pohyb vody pod gravitací.

Elektřina vyráběná v elektrárnách je obecně ve formě střídavého proudu (AC). To znamená, že proud neustále mění svůj směr, mnohokrát za sekundu. Pro většinu účelů funguje AC dobře, a tak se elektřina dostane do domácnosti. Některé průmyslové procesy však vyžadují stejnosměrný proud (DC), který proudí pouze jedním směrem. Například výroba určitých chemikálií používá elektrolýzu: rozdělení sloučenin na prvky nebo jednodušší sloučeniny využívající elektřinu. To vyžaduje stejnosměrný proud, takže tato průmyslová odvětví budou vyžadovat buď převod ze střídavého proudu na stejnosměrný proud, nebo budou mít vlastní zdroj stejnosměrného proudu.

Je účinnější přenášet elektřinu přes elektrické vedení při vyšším napětí. Z tohoto důvodu používají elektrárny zařízení zvaná transformátory ke zvýšení napětí pro přenos. Tím se nezvýší energie ani energie: při zvýšení napětí se proud sníží a naopak. Dálkový přenos elektřiny probíhá při mnoha tisících voltů; nelze jej však použít v domácnostech s tímto napětím. Lokální transformátory snižují napětí pro domácí zdroje na přibližně 110 voltů v USA a 220 až 240 voltů v Evropě.

Elektrická energie pro malá zařízení s nízkým výkonem je často napájena z baterií. Tyto využívají chemickou energii k vytváření relativně malého elektrického proudu. Vždy generují stejnosměrný proud, a proto mají záporný a kladný terminál. Po dokončení obvodu proudí elektrony ze záporného na kladný terminál.