Električna energija je posledica gibanja električnega naboja in jo običajno imenujemo preprosto “elektrika”. Navsezadnje izvira iz elektromagnetne sile: ene od štirih temeljnih sil narave in tiste, ki je odgovorna za obnašanje električno nabitih predmetov. Električna energija je rezultat interakcije subatomskih delcev s to silo. Električna energija se kaže v naravnih pojavih, kot je strela, in je bistvena za življenje na temeljni ravni. Sposobnost ljudi za proizvodnjo, prenos in shranjevanje električne energije je ključnega pomena za sodobno industrijo, tehnologijo in v večini držav domače življenje.
Izvor električne energije
Obstajata dve vrsti električnega naboja, imenovani pozitivni in negativni. Če dva električno nabita predmeta približamo drug drugemu, bosta doživela silo. Če sta naboja enaka – oba pozitivna ali oba negativna – bo sila delovala tako, da bo predmete odrinila drug od drugega. Če imata različne naboje, se bosta pritegnila drug drugega. Ta odboj ali privlačnost je znana kot elektromagnetna sila in jo je mogoče izkoristiti za ustvarjanje pretoka električne energije.
Atomi so sestavljeni iz jedra, ki vsebuje pozitivno nabite protone, okoli njega pa krožijo negativno nabiti elektroni. Protoni običajno ostanejo v jedru, vendar se elektroni lahko premikajo od atoma do atoma, kar jim omogoča, da tečejo skozi materiale, kot so kovine, ki prevajajo elektriko. Mesto s presežkom elektronov nad protoni bo imelo negativen naboj; mesto s primanjkljajem bo imelo pozitiven naboj. Ker se nasprotni naboji privlačijo drug drugega, bodo elektroni tekli iz negativno nabitega območja v pozitivno nabito, če je to dovoljeno, kar bo ustvarilo električni tok.
Uporaba električne energije
Električna energija je uporabna tako sama po sebi kot kot sredstvo za prenos energije na velike razdalje. Pomemben je za različne industrijske procese, telekomunikacije in internet, računalnike, televizorje in številne druge naprave v skupni uporabi. Prav tako se lahko pretvori v druge oblike energije za uporabo v različnih drugih aplikacijah.
Ko električni tok teče skozi prevodnik, proizvede določeno količino toplote. Ustvarjena količina je odvisna od tega, kako dobro material prevaja električno energijo. Dober prevodnik, kot je baker, proizvaja zelo malo. Iz tega razloga se bakrene žice in kabli običajno uporabljajo za prenos električne energije: ko se proizvaja toplota, se energija izgubi, zato dober prevodnik zmanjša izgubo energije. Materiali, ki slabše prevajajo elektriko, proizvajajo več toplote, zato se na primer uporabljajo v električnih grelnikih, štedilnikih in pečicah.
Električno energijo lahko pretvorimo tudi v svetlobo. Zgodnje obločne luči so bile odvisne od električnega razelektritve v majhni reži za segrevanje zraka do točke, kjer sveti – enako načelo kot strela. Kasneje je bila uvedena žarnica z žarilno nitko: ta se zanaša na tok, ki povzroči, da tanka, zvita žica sveti do bele barve. Sodobne energijsko varčne žarnice prehajajo visokonapetostni tok skozi tanek plin, zaradi česar oddaja ultravijolično svetlobo, ki udari v fluorescenčno prevleko, da ustvari vidno svetlobo.
Ko se prevodni material, kot je bakrena žica, premika v magnetnem polju, nastane tok. Nasprotno, tok, ki teče skozi žico, bo, če doživi magnetno polje, povzročil gibanje. To je princip električnega motorja. Te naprave so sestavljene iz razporeditve magnetov in tuljav iz bakrene žice, tako da ko tok teče skozi žico, nastane obračanje. Elektromotorji se pogosto uporabljajo v industriji in doma, na primer v pralnih strojih in DVD predvajalnikih.
Merjenje električne energije
Energija se meri v joulih, izraz je poimenovan po fiziku Jamesu Prescottu Joulu. En džul je približno količina energije, potrebna za dvig uteži enega funta (0.45 kilograma) na navpično razdaljo devetih palcev (22.9 cm). Vendar pa je običajno bolj priročno razmišljati o elektriki v smislu moči, ki je energija, deljena s časom, ali hitrostjo, s katero teče. To daje morda bolj znano enoto vat, poimenovano po znanstveniku Jamesu Wattu. En vat je enak enemu joulu na sekundo.
Obstajajo številne druge enote, ki se nanašajo na elektriko. Kulon je enota električnega naboja. Lahko ga obravnavamo kot količino elektronov – 1.6 x 1019 -, saj imajo vsi elektroni enak, zelo majhen naboj. Amper, običajno skrajšano na “amp”, je enota električnega toka ali število elektronov, ki tečejo v določenem času. En amper je enak enemu kulonu na sekundo.
Volt je enota elektromotorne sile ali količine energije, ki se prenese na enoto naboja ali kulonov. En volt je enak enemu joulu energije, ki se prenese za vsak kulon naboja. Moč v vatih je enaka voltom, pomnoženim z amperi, tako da bi bil tok pet amperov pri 100 voltih enakovreden 500 vatom.
Proizvodnja električne energije
Večino električne energije proizvedejo naprave, ki pretvarjajo rotacijsko gibanje v električno energijo po enakem principu kot električni motor, vendar obratno. Gibanje tuljav žice znotraj magnetnega polja proizvaja električni tok. Običajno se toplota, ki jo pogosto generira zgorevanje fosilnih goriv, uporablja za proizvodnjo pare, ki poganja turbino za zagotavljanje rotacijskega gibanja. V jedrski elektrarni jedrska energija zagotavlja toploto. Hidroelektrična energija uporablja gibanje vode pod gravitacijo za pogon turbine.
Električna energija, proizvedena v elektrarnah, je običajno v obliki izmeničnega toka (AC). To pomeni, da tok nenehno obrača svojo smer, večkrat na sekundo. Za večino namenov AC deluje dobro in tako elektrika doseže dom. Nekateri industrijski procesi pa zahtevajo enosmerni tok (DC), ki teče samo v eni smeri. Na primer, proizvodnja nekaterih kemikalij uporablja elektrolizo: delitev spojin na elemente ali enostavnejše spojine z uporabo električne energije. To zahteva enosmerni tok, zato bodo te industrije bodisi zahtevale pretvorbo izmeničnega toka v enosmerni ali bodo imele lastno napajanje z enosmernim tokom.
Učinkovitejši je prenos električne energije po daljnovodih pri višjih napetostih. Iz tega razloga proizvodne naprave uporabljajo naprave, imenovane transformatorji, za povečanje napetosti za prenos. To ne poveča energije ali moči: ko se napetost dvigne, se tok zmanjša in obratno. Prenos električne energije na velike razdalje poteka pri več tisoč voltih; vendar se pri teh napetostih ne more uporabljati v domovih. Lokalni transformatorji zmanjšajo napetost na približno 110 voltov v ZDA in 220-240 voltov v Evropi za domače oskrbe.
Električno energijo za majhne naprave z nizko porabo energije pogosto napajajo baterije. Ti uporabljajo kemično energijo za ustvarjanje relativno majhnega električnega toka. Vedno ustvarjajo enosmerni tok, zato imajo negativni in pozitivni terminal. Ko je vezje končano, elektroni tečejo od negativnega do pozitivnega terminala.