Wat is elektrische energie?

Elektrische energie is het gevolg van de beweging van een elektrische lading en wordt gewoonlijk eenvoudigweg "elektriciteit" genoemd. Uiteindelijk heeft het zijn oorsprong in de elektromagnetische kracht: een van de vier fundamentele krachten van de natuur en degene die verantwoordelijk is voor het gedrag van elektrisch geladen objecten. Elektrische energie is het resultaat van de interactie van subatomaire deeltjes met deze kracht. Elektriciteit manifesteert zich in natuurlijke fenomenen zoals bliksem en is essentieel voor het leven op een fundamenteel niveau. Het vermogen van mensen om elektriciteit op te wekken, te verzenden en op te slaan is cruciaal voor de moderne industrie, technologie en, in de meeste landen, het huiselijk leven.

De oorsprong van elektrische energie

Er zijn twee soorten elektrische lading, positief en negatief genoemd. Als twee elektrisch geladen objecten dicht bij elkaar worden gebracht, zullen ze een kracht ervaren. Als de ladingen hetzelfde zijn - beide positief of beide negatief - zal de kracht de voorwerpen van elkaar weg duwen. Als ze verschillende ladingen hebben, zullen ze elkaar aantrekken. Deze afstoting of aantrekking staat bekend als de elektromagnetische kracht en kan worden benut om een ​​stroom elektrische energie te creëren.

Atomen bestaan ​​uit een kern met positief geladen protonen, met negatief geladen elektronen die er omheen draaien. Protonen blijven normaal gesproken in de kern zitten, maar elektronen kunnen van atoom naar atoom bewegen, waardoor ze door materialen, zoals metalen, kunnen stromen die elektriciteit geleiden. Een plaats met een teveel aan elektronen boven protonen zal een negatieve lading hebben; een plaats met een tekort zal een positieve lading hebben. Omdat tegengestelde ladingen elkaar aantrekken, zullen elektronen van een negatief geladen gebied naar een positief geladen gebied stromen, als ze dit mogen doen, waardoor een elektrische stroom ontstaat.

Elektrische energie gebruiken

Elektriciteit is op zichzelf nuttig en als een manier om energie over lange afstanden over te dragen. Het is essentieel voor verschillende industriële processen, telecommunicatie en internet, computers, televisies en vele andere veelgebruikte apparaten. Het kan ook worden omgezet in andere vormen van energie voor gebruik in verschillende andere toepassingen.

Wanneer een elektrische stroom door een geleider stroomt, genereert deze een bepaalde hoeveelheid warmte. De gegenereerde hoeveelheid hangt af van hoe goed het materiaal elektriciteit geleidt. Een goede geleider, zoals koper, produceert heel weinig. Om deze reden worden koperen draden en kabels vaak gebruikt om elektriciteit over te dragen: wanneer warmte wordt geproduceerd, gaat energie verloren, dus een goede geleider minimaliseert energieverlies. Materialen die elektriciteit minder goed geleiden, produceren meer warmte, dus ze worden meestal gebruikt in elektrische kachels, fornuizen en ovens.

Elektrische energie kan ook worden omgezet in licht. Vroege booglampen hingen af ​​van een elektrische ontlading over een kleine opening om de lucht te verwarmen tot het punt waar het gloeit - hetzelfde principe als bliksem. Later werd de gloeilamp geïntroduceerd: deze is afhankelijk van de stroom waardoor een dunne, opgerolde draad witgloeiend gloeit. Moderne, energiebesparende gloeilampen passeren een hoogspanningsstroom door een dun gas, waardoor deze ultraviolet licht uitzendt, dat op een fluorescerende coating valt om zichtbaar licht te produceren.

Wanneer een geleidend materiaal, zoals een koperdraad, in een magnetisch veld wordt verplaatst, wordt een stroom gegenereerd. Omgekeerd zal een stroom die door een draad vloeit, als deze een magnetisch veld ondervindt, beweging veroorzaken. Dit is het principe achter een elektromotor. Deze apparaten bestaan ​​uit een opstelling van magneten en spoelen van koperdraad, zodat wanneer een stroom door de draad vloeit, een draaiende beweging wordt geproduceerd. Elektromotoren worden veel gebruikt in de industrie en thuis, bijvoorbeeld in wasmachines en dvd-spelers.

Elektrische energie meten

Energie wordt gemeten in joules, een term genoemd naar de fysicus James Prescott Joule. Eén joule is ongeveer de hoeveelheid energie die nodig is om een ​​gewicht van één pond (0,45 kilogram) op een verticale afstand van 22,9 cm te heffen. Het is echter meestal handiger om te denken aan elektriciteit in termen van vermogen, wat energie is gedeeld door tijd, of de snelheid waarmee het stroomt. Dit geeft de mogelijk meer bekende eenheid van de watt, genoemd naar de wetenschapper James Watt. Eén watt komt overeen met één joule per seconde.

Er zijn een aantal andere eenheden die betrekking hebben op elektriciteit. De coulomb is de eenheid van elektrische lading. Het kan worden beschouwd als een hoeveelheid elektronen - 1,6 x 10 ¹⁹ - omdat alle elektronen dezelfde, zeer kleine lading hebben. De ampère, meestal afgekort tot "amp", is de eenheid van elektrische stroom of het aantal elektronen dat binnen een bepaalde tijd stroomt. Eén versterker komt overeen met één coulomb per seconde.

De volt is de eenheid van elektromotorische kracht, of de hoeveelheid energie die wordt overgedragen per ladingseenheid, of coulomb. Eén volt komt overeen met één joule energie die wordt overgedragen voor elke ladingcoulomb. Vermogen, in watt, is gelijk aan volt vermenigvuldigd met ampères, dus een stroom van vijf ampère bij 100 volt zou gelijk zijn aan 500 watt.

Elektrische energie opwekken

De meeste elektriciteit wordt opgewekt door apparaten die rotatiebewegingen omzetten in elektrische energie, met hetzelfde principe als een elektromotor, maar omgekeerd. De beweging van draadspoelen binnen een magnetisch veld produceert een elektrische stroom. Gewoonlijk wordt warmte, vaak gegenereerd door het verbranden van fossiele brandstoffen, gebruikt om stoom te produceren die een turbine aandrijft voor de rotatiebeweging. In een kerncentrale zorgt kernenergie voor de warmte. Waterkracht gebruikt de beweging van water onder zwaartekracht om de turbine aan te drijven.

De elektriciteit die wordt opgewekt in elektriciteitscentrales heeft meestal de vorm van wisselstroom (AC). Dit betekent dat de stroom zijn richting voortdurend omkeert, vele malen per seconde. Voor de meeste doeleinden werkt AC goed, en zo bereikt elektriciteit het huis. Sommige industriële processen vereisen echter gelijkstroom (DC), die slechts in één richting stroomt. De vervaardiging van bepaalde chemicaliën maakt bijvoorbeeld gebruik van elektrolyse: het splitsen van verbindingen in elementen of eenvoudiger verbindingen met behulp van elektriciteit. Dit vereist gelijkstroom, dus deze industrieën hebben ofwel AC naar DC conversie nodig of hebben hun eigen DC-voeding.

Het is efficiënter om elektriciteit via hoogspanningsleidingen met hogere spanningen te verzenden. Om deze reden gebruiken productie-installaties apparaten die transformatoren worden genoemd om de transmissiespanning te verhogen. Dit verhoogt de energie of het vermogen niet: wanneer de spanning wordt verhoogd, wordt de stroom verminderd en vice versa. Langeafstandstransmissie van elektriciteit vindt plaats op vele duizenden volt; het kan echter niet worden gebruikt in huizen op deze spanningen. Lokale transformatoren verlagen de spanning tot ongeveer 110 volt in de VS en 220-240 volt in Europa, voor binnenlandse leveringen.

Elektriciteit voor kleine apparaten met laag vermogen wordt vaak geleverd door batterijen. Deze gebruiken chemische energie om een ​​relatief kleine elektrische stroom te genereren. Ze genereren altijd een gelijkstroom en hebben daarom een ​​negatieve en een positieve aansluiting. Elektronen stromen van de negatieve naar de positieve aansluiting wanneer een circuit is voltooid.