Hva er elektrisk energi?

Elektrisk energi følger av bevegelsen av en elektrisk ladning, og blir ofte referert til som "elektrisitet." Til slutt har den sitt opphav i den elektromagnetiske kraften: en av de fire grunnleggende naturkreftene og den som er ansvarlig for oppførselen av elektrisk ladede gjenstander. Elektrisk energi er resultatet av interaksjonen mellom subatomære partikler og denne kraften. Elektrisitet manifesterer seg i naturfenomener som lyn og er essensiell for livet på et grunnleggende nivå. Menneskenes evne til å generere, overføre og lagre elektrisitet er avgjørende for moderne industri, teknologi og, i de fleste land, husholdningenes liv.

Opprinnelsen til elektrisk energi

Det er to typer elektrisk ladning, kalt positive og negative. Hvis to elektrisk ladede gjenstander bringes nær hverandre, vil de oppleve en kraft. Hvis ladningene er de samme - både positive eller begge negative - vil kraften handle for å skyve gjenstandene vekk fra hverandre. Hvis de har forskjellige kostnader, vil de tiltrekke hverandre. Denne frastøtningen eller attraksjonen er kjent som den elektromagnetiske kraften, og den kan utnyttes for å skape en strøm av elektrisk energi.

Atomer består av en kjerne som inneholder positivt ladede protoner, med negativt ladede elektroner som kretser rundt den. Protoner blir normalt satt i kjernen, men elektroner kan bevege seg fra atom til atom, slik at de kan strømme gjennom materialer, som metaller, som leder strøm. Et sted med et overskudd av elektroner over protoner vil ha en negativ ladning; et sted med underskudd vil ha en positiv kostnad. Siden motsatte ladninger tiltrekker hverandre, vil elektroner strømme fra et negativt ladet område til et positivt ladet hvis det er lov å gjøre det, og skaper en elektrisk strøm.

Bruke elektrisk energi

Elektrisitet er nyttig både i seg selv og som et middel til å overføre energi over lange avstander. Det er avgjørende for forskjellige industrielle prosesser, telekommunikasjon og Internett, datamaskiner, TV-apparater og mange andre enheter som er i vanlig bruk. Det kan også konverteres til andre former for energi for bruk i en rekke andre applikasjoner.

Når en elektrisk strøm strømmer gjennom en leder, genererer den en viss mengde varme. Mengden som genereres avhenger av hvor godt materialet leder strøm. En god leder, som kobber, produserer veldig lite. Av denne grunn blir kobberledninger og kabler ofte brukt til å overføre strøm: når varme produseres, går energien tapt, så en god leder minimerer energitapet. Materialer som leder strøm mindre produserer mer varme, så de pleier å bli brukt i elektriske ovner, komfyrer og ovner, for eksempel.

Elektrisk energi kan også konverteres til lys. Tidlige lysbuer var avhengige av en elektrisk utladning over et lite gap for å varme opp luften til det punktet der den gløder - samme prinsipp som lynet. Senere ble glødelampen introdusert: dette er avhengig av strømmen som forårsaker en tynn, kveilet ledning til å gløde hvithett. Moderne, energisparende lyspærer fører en høyspenningsstrøm gjennom en tynn gass, noe som får den til å avgi ultrafiolett lys, som treffer et lysstoffrør for å produsere synlig lys.

Når et ledende materiale, for eksempel en kobbertråd, beveges i et magnetfelt, genereres det en strøm. Motsatt vil en strøm som strømmer gjennom en ledning produsere bevegelse, hvis den opplever et magnetfelt. Dette er prinsippet bak en elektrisk motor. Disse enhetene består av et arrangement av magneter og spoler av kobbertråd slik at når en strøm strømmer gjennom ledningen, blir det produsert en svingbevegelse. Elektriske motorer er mye brukt i industrien og i hjemmet, for eksempel i vaskemaskiner og DVD-spillere.

Måling av elektrisk energi

Energi måles i joules, et begrep oppkalt etter fysikeren James Prescott Joule. Én joule er omtrent den energimengden som kreves for å løfte et pund (0,45 kilo) vekt på en vertikal avstand på 22,9 cm. Det er imidlertid vanligvis mer praktisk å tenke på strøm når det gjelder strøm, som er energi delt på tid, eller hastigheten som den flyter. Dette gir den muligens mer kjente enheten av watt, oppkalt etter forskeren James Watt. En watt tilsvarer en joule per sekund.

Det er en rekke andre enheter som angår strøm. Coulomb er enheten for elektrisk ladning. Det kan betraktes som en mengde elektroner - 1,6 x 10 ¹⁹ - siden alle elektronene har den samme, veldig små ladningen. Amperen, vanligvis forkortet til "amp", er enheten av elektrisk strøm, eller antall elektroner som strømmer i en gitt tidsperiode. Én amp tilsvarer en coulomb per sekund.

Spenningen er enheten for elektromotorisk kraft, eller energimengden som overføres per ladeenhet, eller coulomb. En volt tilsvarer en joule energi som overføres for hver ladningskule. Effekt, i watt, tilsvarer volt multiplisert med ampere, slik at en strømforsterker på 5 volt på 100 volt vil være ekvivalent med 500 watt.

Genererer elektrisk energi

Mest elektrisitet genereres av enheter som konverterer rotasjonsbevegelse til elektrisk energi ved å bruke samme prinsipp som en elektrisk motor, men i motsatt retning. Bevegelsen av trådspoler i et magnetfelt gir en elektrisk strøm. Vanligvis brukes varme, ofte generert ved forbrenning av fossile brensler, til å produsere damp som driver en turbin til å gi rotasjonsbevegelsen. I et kjernekraftverk gir kjernekraft varmen. Vannkraft bruker bevegelse av vann under tyngdekraft for å drive turbinen.

Elektrisiteten som genereres ved kraftverk er vanligvis i form av vekselstrøm (AC). Dette betyr at strømmen stadig vender retningen, mange ganger i sekundet. For de fleste formål fungerer AC bra, og det er slik elektrisitet når hjemmet. Noen industrielle prosesser krever imidlertid likestrøm (DC), som bare strømmer i en retning. For eksempel bruker produksjonen av visse kjemikalier elektrolyse: deling av forbindelser i elementer eller enklere forbindelser ved bruk av elektrisitet. Dette krever likestrøm, så disse bransjene vil enten kreve vekselstrøm til likestrømkonvertering eller ha sin egen likestrømforsyning.

Det er mer effektivt å overføre strøm gjennom kraftledninger ved høyere spenning. Av denne grunn bruker generasjonsanlegg enheter som kalles transformatorer for å øke spenningen for overføring. Dette øker ikke energien eller kraften: når spenningen heves reduseres strømmen og omvendt. Overføring av elektrisitet på lang avstand skjer på mange tusen volt; den kan imidlertid ikke brukes i hjem med disse spenningene. Lokale transformatorer reduserer spenningen til rundt 110 volt i USA, og 220-240 volt i Europa, for innenlandske forsyninger.

Elektrisitet til små enheter med lite strøm leveres ofte av batterier. Disse bruker kjemisk energi for å generere en relativt liten elektrisk strøm. De genererer alltid likestrøm, og har derfor en negativ og positiv terminal. Elektroner strømmer fra negativ til positiv terminal når en krets er fullført.