Vad är elektrisk energi?

Elektrisk energi kommer från rörelsen av en elektrisk laddning och kallas vanligtvis helt enkelt "elektricitet." Till slut har den sitt ursprung i den elektromagnetiska kraften: en av de fyra grundläggande krafterna i naturen och den som är ansvarig för beteendet av elektriskt laddade föremål. Elektrisk energi är resultatet av interaktion mellan subatomära partiklar och denna kraft. Elektricitet manifesterar sig i naturfenomen som blixtar och är avgörande för livet på en grundläggande nivå. Människans förmåga att generera, överföra och lagra elektricitet är avgörande för modern industri, teknik och, i de flesta länder, hushållslivet.

Ursprunget för elektrisk energi

Det finns två typer av elektrisk laddning, kallad positiv och negativ. Om två elektriskt laddade föremål föras nära varandra kommer de att uppleva en kraft. Om laddningarna är desamma - både positiva eller båda negativa - kommer kraften att verka för att skjuta objekten bort från varandra. Om de har olika avgifter, kommer de att locka varandra. Denna avstötning eller attraktion är känd som den elektromagnetiska kraften, och den kan utnyttjas för att skapa ett flöde av elektrisk energi.

Atomer består av en kärna som innehåller positivt laddade protoner, med negativt laddade elektroner som kretsar runt den. Protoner förblir normalt placerade i kärnan, men elektroner kan flytta från atom till atom, vilket gör att de kan strömma genom material, såsom metaller, som leder elektricitet. En plats med ett överskott av elektroner över protoner kommer att ha en negativ laddning; en plats med underskott kommer att ha en positiv kostnad. Eftersom motsatta laddningar lockar varandra kommer elektroner att flyta från ett negativt laddat område till ett positivt laddat om de får göra det, vilket skapar en elektrisk ström.

Använda elektrisk energi

Elektricitet är användbart både i sig och som ett sätt att överföra energi över långa avstånd. Det är väsentligt för olika industriella processer, telekommunikation och Internet, datorer, TV-apparater och många andra enheter som är vanligt förekommande. Det kan också omvandlas till andra former av energi för användning i en mängd andra applikationer.

När en elektrisk ström flyter genom en ledare genererar den en viss mängd värme. Den genererade mängden beror på hur bra materialet leder elektricitet. En bra ledare, som koppar, producerar väldigt lite. Av denna anledning används koppartrådar och kablar vanligtvis för att överföra elektricitet: när värme produceras förloras energi, så en god ledare minimerar energiförlust. Material som leder elektricitet mindre bra producerar mer värme, så de brukar till exempel användas i elektriska värmare, spisar och ugnar.

Elektrisk energi kan också omvandlas till ljus. Tidiga bågljus berodde på en elektrisk urladdning över ett litet gap för att värma luften till den punkt där den glöder - samma princip som blixt. Senare introducerades glödlampan i glödtråden: detta förlitar sig på strömmen som orsakar att en tunn, upprullad tråd lyser vitvarmt. Moderna, energibesparande glödlampor passerar en högspänningsström genom en tunn gas, vilket får den att avge ultraviolett ljus, som slår en lysrör för att producera synligt ljus.

När ett ledande material, såsom en koppartråd, förflyttas i ett magnetfält, alstras en ström. Omvänt kommer en ström som flyter genom en tråd att producera rörelse om den upplever ett magnetfält. Detta är principen bakom en elmotor. Dessa anordningar består av ett arrangemang av magneter och spolar av koppartråd så att när en ström flyter genom tråden, produceras en vridrörelse. Elektriska motorer används ofta inom industrin och i hemmet, till exempel i tvättmaskiner och DVD-spelare.

Mätning av elektrisk energi

Energi mäts i joule, en term uppkallad efter fysikern James Prescott Joule. En joule är ungefär den mängd energi som krävs för att lyfta ett kilos vikt (0,45 kg) med ett vertikalt avstånd på 22,9 cm. Det är emellertid vanligtvis mer bekvämt att tänka på elektricitet i form av energi, som är energi dividerat med tid eller den hastighet som den flyter. Detta ger den eventuellt mer bekanta enheten av watt, uppkallad efter forskaren James Watt. En watt motsvarar en joule per sekund.

Det finns ett antal andra enheter som hänför sig till el. Coulomb är enheten för elektrisk laddning. Det kan betraktas som en mängd elektroner - 1,6 x 10 ¹⁹ - eftersom alla elektroner har samma, mycket små laddning. Amperen, vanligtvis förkortad till "amp", är enheten för elektrisk ström, eller antalet elektroner som flyter under en viss tid. En förstärkare motsvarar en coulomb per sekund.

Spänningen är enheten för elektromotorisk kraft, eller den mängd energi som överförs per laddningsenhet eller coulomb. En volt motsvarar en joule energi som överförs för varje laddningscoulomb. Effekt, i watt, motsvarar volt multiplicerad med ampere, så en fem ampersström vid 100 volt skulle motsvara 500 watt.

Generera elektrisk energi

Mest energi genereras av enheter som omvandlar rotationsrörelse till elektrisk energi med samma princip som en elektrisk motor, men i omvänd riktning. Rörelsen av trådspolar inom ett magnetfält ger en elektrisk ström. Vanligtvis används värme, ofta som genereras genom förbränning av fossila bränslen, för att producera ånga som driver en turbin för att ge rotationsrörelsen. I ett kärnkraftverk ger kärnenergin värmen. Vattenkraften använder rörelsen av vatten under tyngdkraften för att driva turbinen.

El som produceras vid kraftverk är i allmänhet i form av växelström (AC). Detta innebär att strömmen ständigt vänder sin riktning, många gånger per sekund. För de flesta ändamål fungerar AC bra, och det är så att el når hemmet. Vissa industriella processer kräver dock likström (DC), som endast flyter i en riktning. Till exempel använder tillverkningen av vissa kemikalier elektrolys: uppdelning av föreningar i element eller enklare föreningar med elektricitet. Detta kräver likström, så dessa branscher kommer antingen att kräva växelström till likströmskonvertering eller ha sin egen likströmstillförsel.

Det är mer effektivt att överföra el genom kraftledningar vid högre spänningar. Av denna anledning använder genereringsanläggningar enheter som kallas transformatorer för att öka överföringsspänningen. Detta ökar inte energin eller effekten: när spänningen höjs reduceras strömmen och vice versa. Långtrafiköverföring av el sker på många tusentals volt; det kan emellertid inte användas i hem vid dessa spänningar. Lokala transformatorer minskar spänningen till cirka 110 volt i USA och 220-240 volt i Europa för inhemska leveranser.

Elektricitet för små enheter med låg effekt levereras ofta av batterier. Dessa använder kemisk energi för att generera en relativt liten elektrisk ström. De genererar alltid likström och har därför en negativ och positiv terminal. Elektroner flyter från den negativa till den positiva terminalen när en krets är klar.