พลังงานไฟฟ้าเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าและโดยทั่วไปเรียกว่า "ไฟฟ้า" ในที่สุดมันก็มีต้นกำเนิดมาจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้า: หนึ่งในสี่พลังพื้นฐานของธรรมชาติและพลังงานที่รับผิดชอบพฤติกรรม ของวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้าเป็นผลมาจากการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคย่อยด้วยแรงนี้ ไฟฟ้าปรากฏตัวในปรากฏการณ์ธรรมชาติเช่นสายฟ้าและเป็นสิ่งจำเป็นต่อชีวิตในระดับพื้นฐาน ความสามารถของมนุษย์ในการผลิตส่งและเก็บพลังงานไฟฟ้ามีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมสมัยใหม่เทคโนโลยีและในประเทศส่วนใหญ่ชีวิตในบ้าน
ต้นกำเนิดของพลังงานไฟฟ้า
ประจุไฟฟ้ามีสองประเภทเรียกว่าเป็นบวกและลบ หากนำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าสองชิ้นเข้ามาใกล้กันวัตถุเหล่านั้นจะได้รับแรง หากประจุเหมือนกัน - ทั้งบวกหรือลบ - แรงจะทำหน้าที่ผลักวัตถุออกจากกัน หากพวกเขามีค่าใช้จ่ายที่แตกต่างกันพวกเขาจะดึงดูดซึ่งกันและกัน แรงขับหรือแรงดึงดูดนี้เรียกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและสามารถถูกควบคุมเพื่อสร้างการไหลของพลังงานไฟฟ้า
อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุเป็นบวกโดยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบกำลังโคจรอยู่รอบ ๆ โดยปกติโปรตอนจะอยู่ในนิวเคลียส แต่อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปสู่อะตอมทำให้พวกมันไหลผ่านวัสดุเช่นโลหะที่นำไฟฟ้า สถานที่ที่มีอิเล็กตรอนเกินกว่าโปรตอนจะมีประจุเป็นลบ สถานที่ที่มีการขาดดุลจะมีประจุเป็นบวก เนื่องจากประจุตรงข้ามดึงดูดกันและกันอิเล็กตรอนจะไหลจากพื้นที่ที่มีประจุลบไปยังประจุที่มีประจุบวกหากได้รับอนุญาตให้สร้างกระแสไฟฟ้า
การใช้พลังงานไฟฟ้า
ไฟฟ้ามีประโยชน์ทั้งในตัวเองและเป็นวิธีการถ่ายโอนพลังงานในระยะทางไกล มันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับกระบวนการอุตสาหกรรมต่างๆการสื่อสารโทรคมนาคมและอินเทอร์เน็ตคอมพิวเตอร์โทรทัศน์และอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ใช้กันทั่วไป นอกจากนี้ยังสามารถแปลงเป็นพลังงานรูปแบบอื่น ๆ เพื่อใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย
เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำมันจะสร้างความร้อนจำนวนหนึ่ง ปริมาณที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับวัสดุที่นำไฟฟ้า ตัวนำที่ดีเช่นทองแดงจะให้กำเนิดน้อยมาก ด้วยเหตุนี้ลวดทองแดงและสายเคเบิลมักถูกใช้เพื่อส่งกระแสไฟฟ้า: เมื่อมีการผลิตความร้อนพลังงานจะสูญเสียดังนั้นตัวนำที่ดีจะช่วยลดการสูญเสียพลังงาน วัสดุที่นำกระแสไฟฟ้าได้ดีน้อยกว่าผลิตความร้อนมากขึ้นดังนั้นพวกเขาจึงมีแนวโน้มที่จะใช้ในเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าหม้อหุงและเตาอบเป็นต้น
พลังงานไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนเป็นแสงได้ แสงอาร์คก่อนขึ้นอยู่กับการปล่อยไฟฟ้าข้ามช่องว่างเล็ก ๆ เพื่อให้อากาศร้อนจนถึงจุดที่มันเรืองแสง - หลักการเดียวกับฟ้าผ่า ต่อมาได้มีการนำหลอดไฟไส้หลอด: สิ่งนี้อาศัยกระแสไฟฟ้าทำให้ลวดขดบาง ๆ เปล่งแสงสีขาว - ร้อน หลอดประหยัดไฟที่ทันสมัยประหยัดพลังงานส่งผ่านกระแสไฟฟ้าแรงสูงผ่านแก๊สบางทำให้ปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตซึ่งกระทบกับการเคลือบฟลูออเรสเซนต์เพื่อผลิตแสงที่มองเห็นได้
เมื่อมีการเคลื่อนย้ายวัสดุตัวนำเช่นลวดทองแดงในสนามแม่เหล็กกระแสจะถูกสร้างขึ้น ในทางกลับกันกระแสที่ไหลผ่านสายไฟจะเกิดการเคลื่อนไหว นี่คือหลักการที่อยู่เบื้องหลังมอเตอร์ไฟฟ้า อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยการจัดเรียงของแม่เหล็กและขดลวดทองแดงเช่นเมื่อกระแสไหลผ่านเส้นลวดจะเกิดการหมุน มอเตอร์ไฟฟ้าถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและในบ้านเช่นในเครื่องซักผ้าและเครื่องเล่นดีวีดี
การวัดพลังงานไฟฟ้า
พลังงานวัดเป็นจูลเป็นคำที่ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์เจมส์เพรสคอตต์จูล หนึ่งจูลคือปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการยกน้ำหนักหนึ่งปอนด์ (0.45 กิโลกรัม) เป็นระยะทางแนวตั้งที่เก้านิ้ว (22.9 ซม.) อย่างไรก็ตามมันมักจะสะดวกกว่าที่จะคิดถึงกระแสไฟฟ้าในรูปของพลังงานซึ่งก็คือพลังงานหารด้วยเวลาหรืออัตราที่มันไหล สิ่งนี้ทำให้หน่วยวัตต์ที่คุ้นเคยอาจตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ James Watt หนึ่งวัตต์เทียบเท่าหนึ่งจูลต่อวินาที
มีอีกหลายหน่วยที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้า คูลอมบ์เป็นหน่วยของประจุไฟฟ้า มันถือได้ว่าเป็นปริมาณของอิเล็กตรอน - 1.6 x 10 19 - เนื่องจากอิเล็กตรอนทุกตัวมีประจุเท่ากันเล็กมาก แอมแปร์มักเรียกว่า "แอมป์" ย่อคือหน่วยของกระแสไฟฟ้าหรือจำนวนอิเล็กตรอนที่ไหลในระยะเวลาที่กำหนด หนึ่งแอมป์เท่ากับหนึ่งคูลอมบ์ต่อวินาที
โวลต์เป็นหน่วยของแรงเคลื่อนไฟฟ้าหรือปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนต่อหน่วยประจุหรือคูลอมบ์ หนึ่งโวลต์เทียบเท่ากับหนึ่งจูลของพลังงานที่ถูกถ่ายโอนสำหรับประจุแต่ละคูลอมบ์ กำลังเป็นวัตต์เท่ากับโวลต์คูณด้วยแอมป์ดังนั้นกระแสห้าแอมป์ที่ 100 โวลต์จะเท่ากับ 500 วัตต์
ผลิตพลังงานไฟฟ้า
ไฟฟ้าส่วนใหญ่เกิดจากอุปกรณ์ที่แปลงการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยใช้หลักการเดียวกับมอเตอร์ไฟฟ้า แต่กลับกัน การเคลื่อนที่ของขดลวดภายในสนามแม่เหล็กสร้างกระแสไฟฟ้า โดยทั่วไปความร้อนมักเกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลถูกนำมาใช้ในการผลิตไอน้ำที่ให้พลังงานแก่กังหันเพื่อให้เกิดการหมุน ในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์พลังงานนิวเคลียร์ให้ความร้อน พลังงานไฟฟ้าพลังน้ำใช้การเคลื่อนที่ของน้ำภายใต้แรงโน้มถ่วงเพื่อขับเคลื่อนกังหัน
ไฟฟ้าที่สร้างขึ้นที่โรงไฟฟ้าโดยทั่วไปจะอยู่ในรูปของกระแสสลับ (AC) ซึ่งหมายความว่ากระแสกลับทิศทางอย่างต่อเนื่องหลายครั้งต่อวินาที สำหรับจุดประสงค์ส่วนใหญ่เครื่องปรับอากาศทำงานได้ดีและนี่คือวิธีการใช้ไฟฟ้าถึงบ้าน อย่างไรก็ตามกระบวนการทางอุตสาหกรรมบางอย่างต้องการกระแสตรง (DC) ซึ่งไหลในทิศทางเดียวเท่านั้น ตัวอย่างเช่นการผลิตสารเคมีบางชนิดใช้อิเล็กโทรไลซิส: การแยกสารประกอบออกเป็นองค์ประกอบหรือสารประกอบที่ง่ายกว่าโดยใช้ไฟฟ้า สิ่งนี้ต้องการกระแสตรงดังนั้นอุตสาหกรรมเหล่านี้อาจต้องการการแปลง AC เป็น DC หรือจะมีแหล่งจ่ายไฟ DC ของตนเอง
การส่งไฟฟ้าผ่านสายไฟฟ้าที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่ามีประสิทธิภาพมากกว่า ด้วยเหตุนี้การสร้างโรงงานจึงใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าหม้อแปลงเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าสำหรับการส่งสัญญาณ สิ่งนี้ไม่เพิ่มพลังงานหรือพลังงาน: เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าจะลดลงและในทางกลับกัน การส่งไฟฟ้าทางไกลเกิดขึ้นที่โวลต์หลายพันแห่ง อย่างไรก็ตามมันไม่สามารถใช้ในบ้านที่แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ หม้อแปลงไฟฟ้าในท้องถิ่นลดแรงดันไฟฟ้าลงเหลือประมาณ 110 โวลต์ในสหรัฐอเมริกาและ 220-240 โวลต์ในยุโรปสำหรับวัสดุภายในประเทศ
กระแสไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กและพลังงานต่ำมักใช้แบตเตอรี่ ใช้พลังงานเคมีเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าที่ค่อนข้างเล็ก พวกเขามักจะสร้างกระแสตรงและดังนั้นจึงมีขั้วบวกและขั้วบวก อิเล็กตรอนจะไหลจากขั้วลบไปยังขั้วบวกเมื่อเสร็จสิ้นวงจร
