Energia electrică rezultă din mișcarea unei sarcini electrice și este denumită în mod obișnuit „electricitate”. În cele din urmă, își are originea în forța electromagnetică: una dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii și cea care este responsabilă de comportamentul obiectelor încărcate electric. Energia electrică este rezultatul interacțiunii particulelor subatomice cu această forță. Electricitatea se manifestă în fenomene naturale precum fulgerul și este esențială pentru viață la un nivel fundamental. Capacitatea oamenilor de a genera, transmite și stoca energie electrică este crucială pentru industria, tehnologia și, în majoritatea țărilor, viața modernă.
Originea energiei electrice
Există două tipuri de sarcină electrică, numite pozitive și negative. Dacă două obiecte încărcate electric sunt apropiate una de alta, vor experimenta o forță. Dacă sarcinile sunt aceleași – ambele pozitive sau ambele negative – forța va acționa pentru a împinge obiectele unul de celălalt. Dacă au taxe diferite, se vor atrage unul pe altul. Această repulsie sau atracție este cunoscută sub numele de forță electromagnetică și poate fi valorificată pentru a crea un flux de energie electrică.
Atomii constau dintr-un nucleu care contine protoni incarcati pozitiv, cu electroni incarcati negativ orbitand in jurul lui. În mod normal, protonii rămân în nucleu, dar electronii se pot deplasa de la atom la atom, permițându-le să circule prin materiale, cum ar fi metalele, care conduc electricitatea. Un loc cu un exces de electroni peste protoni va avea o sarcină negativă; un loc cu deficit va avea o sarcină pozitivă. Deoarece sarcinile opuse se atrag unele pe altele, electronii vor curge dintr-o zonă încărcată negativ într-una încărcată pozitiv dacă li se permite să facă acest lucru, creând un curent electric.
Utilizarea energiei electrice
Electricitatea este utilă atât în sine, cât și ca mijloc de transfer de energie pe distanțe lungi. Este esențial pentru diferite procese industriale, telecomunicații și internet, computere, televizoare și multe alte dispozitive de uz comun. De asemenea, poate fi convertit în alte forme de energie pentru a fi utilizat într-o varietate de alte aplicații.
Când un curent electric trece printr-un conductor, acesta generează o anumită cantitate de căldură. Cantitatea generată depinde de cât de bine materialul conduce electricitatea. Un conductor bun, cum ar fi cuprul, produce foarte puțin. Din acest motiv, firele și cablurile de cupru sunt utilizate în mod obișnuit pentru a transmite energie electrică: atunci când se produce căldură, se pierde energie, astfel încât un bun conductor minimizează pierderile de energie. Materialele care conduc mai puțin bine electricitatea produc mai multă căldură, așa că tind să fie folosite în încălzitoare electrice, aragaz și cuptoare, de exemplu.
Energia electrică poate fi, de asemenea, transformată în lumină. Primele lumini cu arc depindeau de o descărcare electrică printr-un mic spațiu pentru a încălzi aerul până la punctul în care acesta strălucește – același principiu ca și fulgerul. Mai târziu, a fost introdus becul cu filament: acesta se bazează pe curent care determină un fir subțire, încolăcit, să strălucească în alb. Becurile moderne, cu economie de energie, trec un curent de înaltă tensiune printr-un gaz subțire, determinându-l să emită lumină ultravioletă, care lovește un strat fluorescent pentru a produce lumină vizibilă.
Când un material conducător, cum ar fi un fir de cupru, este mutat într-un câmp magnetic, se generează un curent. Dimpotrivă, un curent care curge printr-un fir, dacă experimentează un câmp magnetic, va produce mișcare. Acesta este principiul din spatele unui motor electric. Aceste dispozitive constau dintr-un aranjament de magneți și bobine de sârmă de cupru, astfel încât atunci când un curent trece prin fir, se produce o mișcare de rotire. Motoarele electrice sunt utilizate pe scară largă în industrie și în casă, de exemplu în mașinile de spălat și playerele DVD.
Măsurarea energiei electrice
Energia se măsoară în jouli, termen numit după fizicianul James Prescott Joule. Un joule este aproximativ cantitatea de energie necesară pentru a ridica o greutate de o liră (0.45 kilograme) pe o distanță verticală de nouă inchi (22.9 cm). Este, totuși, de obicei mai convenabil să ne gândim la electricitate în termeni de putere, care este energia împărțită la timp sau rata la care curge. Acest lucru dă unitatea posibil mai familiară a watului, numită după omul de știință James Watt. Un watt este echivalent cu un joule pe secundă.
Există o serie de alte unități care se referă la electricitate. Coulombul este unitatea de sarcină electrică. Poate fi privită ca o cantitate de electroni – 1.6 x 1019 – deoarece toți electronii au aceeași sarcină, foarte mică. Amperul, de obicei prescurtat la „amp”, este unitatea de curent electric sau numărul de electroni care curg într-o anumită perioadă de timp. Un amper este echivalent cu un coulomb pe secundă.
Voltul este unitatea de forță electromotoare sau cantitatea de energie care este transferată pe unitatea de sarcină sau coulomb. Un volt este echivalent cu un joule de energie transferat pentru fiecare coulomb de sarcină. Puterea, în wați, este echivalentă cu volți înmulțiți cu amperi, deci un curent de cinci amperi la 100 de volți ar fi echivalent cu 500 de wați.
Generarea de energie electrică
Cea mai mare parte a energiei electrice este generată de dispozitive care convertesc mișcarea de rotație în energie electrică, folosind același principiu ca și un motor electric, dar invers. Mișcarea bobinelor de sârmă într-un câmp magnetic produce un curent electric. În mod obișnuit, căldura, adesea generată de arderea combustibililor fosili, este folosită pentru a produce abur care alimentează o turbină pentru a asigura mișcarea de rotație. Într-o centrală nucleară, energia nucleară furnizează căldură. Energia hidroelectrică folosește mișcarea apei sub gravitație pentru a antrena turbina.
Electricitatea generată la centralele electrice este în general sub formă de curent alternativ (AC). Aceasta înseamnă că curentul își inversează în mod constant direcția, de multe ori pe secundă. Pentru cele mai multe scopuri, AC funcționează bine și așa ajunge electricitatea în casă. Cu toate acestea, unele procese industriale necesită curent continuu (DC), care curge într-o singură direcție. De exemplu, fabricarea anumitor substanțe chimice folosește electroliza: scindarea compușilor în elemente sau compuși mai simpli folosind electricitate. Acest lucru necesită curent continuu, astfel încât aceste industrii fie vor necesita conversie AC la DC, fie vor avea propria lor sursă de curent continuu.
Este mai eficient să se transmită energie electrică prin liniile electrice la tensiuni mai mari. Din acest motiv, centralele de generare folosesc dispozitive numite transformatoare pentru a crește tensiunea de transmisie. Acest lucru nu crește energia sau puterea: atunci când tensiunea este crescută, curentul este redus și invers. Transmisia pe distanțe lungi a energiei electrice are loc la multe mii de volți; cu toate acestea, nu poate fi folosit în case la aceste tensiuni. Transformatoarele locale reduc tensiunea la aproximativ 110 volți în SUA și 220-240 volți în Europa, pentru alimentările casnice.
Electricitatea pentru dispozitivele mici, de putere redusă este adesea furnizată de baterii. Acestea folosesc energia chimică pentru a genera un curent electric relativ mic. Ele generează întotdeauna un curent continuu și, prin urmare, au un terminal negativ și unul pozitiv. Electronii curg de la borna negativă la borna pozitivă atunci când un circuit este finalizat.