Was ist elektrische Energie?
Elektrische Energie entsteht durch die Bewegung einer elektrischen Ladung und wird im Allgemeinen einfach als „Elektrizität“ bezeichnet. Letztendlich hat sie ihren Ursprung in der elektromagnetischen Kraft: eine der vier fundamentalen Naturkräfte und diejenige, die für das Verhalten verantwortlich ist von elektrisch geladenen Objekten. Elektrische Energie ist das Ergebnis der Wechselwirkung subatomarer Teilchen mit dieser Kraft. Elektrizität manifestiert sich in natürlichen Phänomenen wie Blitzen und ist für das Leben auf einer fundamentalen Ebene von wesentlicher Bedeutung. Die Fähigkeit des Menschen, Strom zu erzeugen, zu übertragen und zu speichern, ist für die moderne Industrie, Technologie und in den meisten Ländern für das häusliche Leben von entscheidender Bedeutung.
Der Ursprung der elektrischen Energie
Es gibt zwei Arten elektrischer Ladung, positive und negative. Wenn zwei elektrisch geladene Objekte nahe beieinander gebracht werden, erfahren sie eine Kraft. Wenn die Ladungen gleich sind - beide positiv oder beide negativ -, drückt die Kraft die Objekte voneinander weg. Wenn sie unterschiedliche Ladungen haben, ziehen sie sich gegenseitig an. Diese Abstoßung oder Anziehung ist als elektromagnetische Kraft bekannt und kann genutzt werden, um einen Strom von elektrischer Energie zu erzeugen.
Atome bestehen aus einem Kern, der positiv geladene Protonen enthält und von negativ geladenen Elektronen umkreist wird. Protonen bleiben normalerweise im Kern, aber Elektronen können sich von Atom zu Atom bewegen und durch Materialien wie Metalle fließen, die Elektrizität leiten. Ein Ort mit einem Überschuss an Elektronen über Protonen hat eine negative Ladung; Ein Ort mit einem Defizit hat eine positive Ladung. Da sich gegensätzliche Ladungen anziehen, fließen Elektronen von einem negativ geladenen Bereich in einen positiv geladenen Bereich, wenn dies zulässig ist, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird.
Elektrische Energie nutzen
Elektrizität ist sowohl für sich selbst als auch zur Übertragung von Energie über große Entfernungen nützlich. Es ist wesentlich für verschiedene industrielle Prozesse, Telekommunikation und Internet, Computer, Fernseher und viele andere Geräte, die gemeinsam genutzt werden. Es kann auch in andere Energieformen zur Verwendung in einer Vielzahl anderer Anwendungen umgewandelt werden.
Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, erzeugt er eine bestimmte Wärmemenge. Die erzeugte Menge hängt davon ab, wie gut das Material Strom leitet. Ein guter Leiter wie Kupfer produziert sehr wenig. Aus diesem Grund werden häufig Kupferdrähte und -kabel zur Übertragung von Elektrizität verwendet: Wenn Wärme erzeugt wird, geht Energie verloren, sodass ein guter Leiter den Energieverlust minimiert. Materialien, die weniger gut Strom leiten, erzeugen mehr Wärme. Daher werden sie zum Beispiel in Elektroheizungen, Herden und Öfen eingesetzt.
Elektrische Energie kann auch in Licht umgewandelt werden. Frühe Bogenlichter waren auf eine elektrische Entladung über einen kleinen Spalt angewiesen, um die Luft bis zu dem Punkt zu erhitzen, an dem sie glüht - dasselbe Prinzip wie Blitze. Später wurde die Glühbirne eingeführt: Dies beruht auf dem Strom, der einen dünnen, gewickelten Draht weißglühend macht. Moderne, energiesparende Glühbirnen leiten einen Hochspannungsstrom durch ein dünnes Gas, wodurch ultraviolettes Licht emittiert wird, das auf eine fluoreszierende Beschichtung trifft, um sichtbares Licht zu erzeugen.
Wenn ein leitendes Material wie ein Kupferdraht in einem Magnetfeld bewegt wird, wird ein Strom erzeugt. Umgekehrt erzeugt ein Strom, der durch einen Draht fließt, eine Bewegung, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Dies ist das Prinzip eines Elektromotors. Diese Vorrichtungen bestehen aus einer Anordnung von Magneten und Spulen aus Kupferdraht, so dass, wenn ein Strom durch den Draht fließt, eine Drehbewegung erzeugt wird. Elektromotoren sind in der Industrie und im Haushalt weit verbreitet, beispielsweise in Waschmaschinen und DVD-Playern.
Elektrische Energie messen
Energie wird in Joule gemessen, ein Ausdruck, der nach dem Physiker James Prescott Joule benannt ist. Ein Joule entspricht in etwa der Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Gewicht von einem Pfund (0,45 Kilogramm) über eine vertikale Distanz von neun Zoll (22,9 cm) zu heben. In der Regel ist es jedoch praktischer, sich Elektrizität als Energie, geteilt durch die Zeit, oder die Geschwindigkeit, mit der sie fließt, vorzustellen. Dies ergibt die möglicherweise bekanntere Einheit des Watt, benannt nach dem Wissenschaftler James Watt. Ein Watt entspricht einem Joule pro Sekunde.
Es gibt eine Reihe anderer Einheiten, die sich auf Elektrizität beziehen. Das Coulomb ist die Einheit der elektrischen Ladung. Es kann als eine Elektronenmenge angesehen werden - 1,6 · 10¹ & sup9; -, da alle Elektronen die gleiche, sehr kleine Ladung haben. Das Ampere, normalerweise mit „Ampere“ abgekürzt, ist die Einheit des elektrischen Stroms oder die Anzahl der Elektronen, die in einer bestimmten Zeitspanne fließen. Ein Amp entspricht einem Coulomb pro Sekunde.
Das Volt ist die Einheit der elektromotorischen Kraft oder die pro Ladungseinheit übertragene Energiemenge oder Coulomb. Ein Volt entspricht einem Joule Energie, die pro Coulomb Ladung übertragen wird. Die Leistung in Watt entspricht Volt multipliziert mit Ampere, sodass ein Strom von fünf Ampere bei 100 Volt 500 Watt entspricht.
Elektrische Energie erzeugen
Die meiste Elektrizität wird von Geräten erzeugt, die Drehbewegungen in elektrische Energie umwandeln, wobei dasselbe Prinzip wie bei einem Elektromotor angewendet wird, jedoch in umgekehrter Richtung. Die Bewegung von Drahtspulen in einem Magnetfeld erzeugt elektrischen Strom. Im Allgemeinen wird Wärme, die häufig durch Verbrennen fossiler Brennstoffe erzeugt wird, zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Turbine antreibt, um die Drehbewegung bereitzustellen. In einem Kernkraftwerk liefert die Kernenergie die Wärme. Wasserkraft nutzt die Bewegung von Wasser unter der Schwerkraft, um die Turbine anzutreiben.
Der in Kraftwerken erzeugte Strom liegt in der Regel in Form von Wechselstrom (AC) vor. Dies bedeutet, dass der Strom ständig seine Richtung ändert, viele Male pro Sekunde. Wechselstrom funktioniert in den meisten Fällen gut, und auf diese Weise gelangt Strom in die Wohnung. Einige industrielle Prozesse erfordern jedoch Gleichstrom (DC), der nur in eine Richtung fließt. Beispielsweise wird bei der Herstellung bestimmter Chemikalien die Elektrolyse eingesetzt: die Aufspaltung von Verbindungen in Elemente oder einfachere Verbindungen unter Verwendung von Elektrizität. Dies erfordert Gleichstrom, sodass diese Branchen entweder eine Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung benötigen oder über eine eigene Gleichstromversorgung verfügen.
Es ist effizienter, Elektrizität über Stromleitungen mit höheren Spannungen zu übertragen. Aus diesem Grund verwenden Erzeugungsanlagen Geräte, die als Transformatoren bezeichnet werden, um die zu übertragende Spannung zu erhöhen. Dies erhöht weder die Energie noch die Leistung: Wenn die Spannung erhöht wird, wird der Strom reduziert und umgekehrt. Die Fernübertragung von Elektrizität erfolgt mit vielen tausend Volt; Bei diesen Spannungen kann es jedoch nicht in Privathaushalten verwendet werden. Lokale Transformatoren reduzieren die Spannung in den USA auf ca. 110 Volt und in Europa auf 220-240 Volt für den Hausgebrauch.
Strom für kleine Geräte mit geringem Stromverbrauch wird häufig von Batterien geliefert. Diese verwenden chemische Energie, um einen relativ kleinen elektrischen Strom zu erzeugen. Sie erzeugen immer einen Gleichstrom und haben daher einen negativen und einen positiven Anschluss. Wenn ein Stromkreis fertiggestellt ist, fließen Elektronen vom negativen zum positiven Anschluss.