Co to jest energia elektryczna?

Energia elektryczna powstaje w wyniku ruchu ładunku elektrycznego i jest powszechnie nazywana po prostu „elektrycznością”. Ostatecznie, jej źródłem jest siła elektromagnetyczna: jedna z czterech podstawowych sił natury i ta, która jest odpowiedzialna za zachowanie obiektów naładowanych elektrycznie. Energia elektryczna jest wynikiem oddziaływania cząstek subatomowych z tą siłą. Elektryczność przejawia się w zjawiskach naturalnych, takich jak błyskawica, i jest niezbędna do życia na podstawowym poziomie. Zdolność ludzi do wytwarzania, przesyłania i magazynowania energii elektrycznej ma kluczowe znaczenie dla nowoczesnego przemysłu, technologii oraz, w większości krajów, życia domowego.

Pochodzenie energii elektrycznej

Istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego, zwane dodatnim i ujemnym. Jeśli dwa naładowane elektrycznie obiekty zostaną przybliżone do siebie, napotkają one siłę. Jeśli ładunki są takie same - zarówno dodatnie, jak i oba ujemne - siła odeprze obiekty od siebie. Jeśli mają różne ładunki, będą się przyciągać. To odpychanie lub przyciąganie jest znane jako siła elektromagnetyczna i można je wykorzystać do wytworzenia przepływu energii elektrycznej.

Atomy składają się z jądra zawierającego dodatnio naładowane protony, wokół których krążą ujemnie naładowane elektrony. Protony zwykle pozostają w jądrze, ale elektrony mogą przemieszczać się od atomu do atomu, umożliwiając im przepływ przez materiały, takie jak metale, które przewodzą elektryczność. Miejsce z nadmiarem elektronów nad protonami będzie miało ładunek ujemny; miejsce z deficytem będzie obciążone dodatnio. Ponieważ przeciwne ładunki przyciągają się wzajemnie, elektrony będą przepływać z ujemnie naładowanego obszaru do dodatnio naładowanego, jeśli pozwoli się na to, tworząc prąd elektryczny.

Korzystanie z energii elektrycznej

Energia elektryczna jest przydatna zarówno sama w sobie, jak i jako środek do przesyłania energii na duże odległości. Jest niezbędny w różnych procesach przemysłowych, telekomunikacji i Internecie, komputerach, telewizorach i wielu innych powszechnie używanych urządzeniach. Można go również przekształcić w inne formy energii do wykorzystania w różnych innych zastosowaniach.

Gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik, wytwarza on pewną ilość ciepła. Wytworzona ilość zależy od tego, jak dobrze materiał przewodzi prąd. Dobry przewodnik, taki jak miedź, wytwarza bardzo mało. Z tego powodu druty i kable miedziane są powszechnie stosowane do przesyłania energii elektrycznej: gdy wytwarzane jest ciepło, energia jest tracona, więc dobry przewodnik minimalizuje straty energii. Materiały, które słabiej przewodzą prąd, wytwarzają więcej ciepła, dlatego zwykle stosuje się je np. W grzejnikach elektrycznych, kuchenkach i piekarnikach.

Energię elektryczną można również przekształcić w światło. Wczesne światła łukowe zależały od wyładowania elektrycznego na małej szczelinie, aby ogrzać powietrze do punktu, w którym się świeci - ta sama zasada co błyskawica. Później wprowadzono żarówkę z żarnikiem: zależy to od prądu powodującego, że cienki, zwinięty drut świeci na biało. Nowoczesne, energooszczędne żarówki przepuszczają prąd o wysokim napięciu przez cienki gaz, powodując, że emituje światło ultrafioletowe, które uderza w fluorescencyjną powłokę, wytwarzając światło widzialne.

Gdy materiał przewodzący, taki jak drut miedziany, porusza się w polu magnetycznym, generowany jest prąd. I odwrotnie, prąd przepływający przez drut spowoduje, jeśli napotka pole magnetyczne, ruch. Jest to zasada działania silnika elektrycznego. Urządzenia te składają się z układu magnesów i cewek z drutu miedzianego tak, że gdy prąd przepływa przez drut, wytwarzany jest ruch obrotowy. Silniki elektryczne są szeroko stosowane w przemyśle i w domu, na przykład w pralkach i odtwarzaczach DVD.

Pomiar energii elektrycznej

Energia mierzona jest w dżulach, co nazwano imieniem fizyka Jamesa Prescotta Joule'a. Jeden dżul to w przybliżeniu ilość energii potrzebnej do podniesienia ciężaru jednego funta (0,45 kilograma) na odległość w pionie 9 cali (22,9 cm). Zazwyczaj jednak wygodniej jest myśleć o elektryczności w kategoriach mocy, która jest energią podzieloną przez czas lub szybkość, z jaką płynie. To daje prawdopodobnie bardziej znaną jednostkę wata, nazwaną na cześć naukowca Jamesa Watta. Jeden wat odpowiada jednemu dżulowi na sekundę.

Istnieje wiele innych jednostek związanych z elektrycznością. Kulomb to jednostka ładunku elektrycznego. Można to uznać za ilość elektronów - 1,6 x 10 ¹⁹ - ponieważ wszystkie elektrony mają ten sam, bardzo mały ładunek. Amper, zwykle w skrócie „amp”, jest jednostką prądu elektrycznego lub liczbą elektronów, które przepływają w danym czasie. Jeden wzmacniacz odpowiada jednemu kulombowi na sekundę.

Wolt to jednostka siły elektromotorycznej lub ilość energii, która jest przekazywana na jednostkę ładunku lub kulomb. Jeden wolt odpowiada jednemu dżulowi energii przenoszonej na każdy kulomb ładunku. Moc wyrażona w watach jest równa woltom pomnożonym przez ampery, więc prąd o natężeniu pięciu amperów przy 100 woltach byłby równoważny 500 watom.

Generowanie energii elektrycznej

Większość energii elektrycznej jest wytwarzana przez urządzenia, które przekształcają ruch obrotowy w energię elektryczną, stosując tę ​​samą zasadę co silnik elektryczny, ale odwrotnie. Ruch cewek drutu w polu magnetycznym wytwarza prąd elektryczny. Zwykle ciepło, często wytwarzane przez spalanie paliw kopalnych, jest wykorzystywane do wytwarzania pary, która napędza turbinę w celu zapewnienia ruchu obrotowego. W elektrowni jądrowej energia jądrowa zapewnia ciepło. Energia hydroelektryczna wykorzystuje ruch wody pod wpływem grawitacji do napędzania turbiny.

Energia elektryczna wytwarzana w elektrowniach ma zwykle postać prądu przemiennego (AC). Oznacza to, że prąd stale zmienia kierunek, wiele razy na sekundę. W większości przypadków prąd przemienny działa dobrze i w ten sposób energia elektryczna dociera do domu. Niektóre procesy przemysłowe wymagają jednak prądu stałego (DC), który płynie tylko w jednym kierunku. Na przykład do produkcji niektórych chemikaliów wykorzystuje się elektrolizę: dzielenie związków na pierwiastki lub prostsze związki przy użyciu elektryczności. Wymaga to prądu stałego, więc branże te będą wymagały konwersji prądu przemiennego na prąd stały lub będą miały własne zasilanie prądem stałym.

Bardziej efektywne jest przesyłanie energii elektrycznej przez linie energetyczne przy wyższych napięciach. Z tego powodu elektrownie wykorzystują urządzenia zwane transformatorami, aby zwiększyć napięcie do transmisji. Nie zwiększa to energii ani mocy: gdy napięcie jest podwyższane, prąd ulega zmniejszeniu i odwrotnie. Przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości odbywa się przy wielu tysiącach woltów; nie można go jednak stosować w domach o takich napięciach. Lokalne transformatory obniżają napięcie do około 110 woltów w USA i 220-240 woltów w Europie, na dostawy krajowe.

Energia elektryczna dla małych urządzeń o niskiej mocy jest często zasilana z baterii. Wykorzystują one energię chemiczną do wytworzenia stosunkowo małego prądu elektrycznego. Zawsze generują prąd stały, a zatem mają zacisk ujemny i dodatni. Po zakończeniu obwodu elektrony przepływają z bieguna ujemnego do dodatniego.