Η ηλεκτρική ενέργεια προκύπτει από την κίνηση ενός ηλεκτρικού φορτίου και συνήθως αναφέρεται ως απλά «ηλεκτρισμός». Τελικά, έχει την προέλευσή του στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη: μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης και αυτή που είναι υπεύθυνη για τη συμπεριφορά των ηλεκτρικά φορτισμένων αντικειμένων. Η ηλεκτρική ενέργεια είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των υποατομικών σωματιδίων με αυτή τη δύναμη. Ο ηλεκτρισμός εκδηλώνεται σε φυσικά φαινόμενα όπως οι κεραυνοί και είναι απαραίτητος για τη ζωή σε θεμελιώδες επίπεδο. Η ικανότητα των ανθρώπων να παράγουν, να μεταδίδουν και να αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια είναι ζωτικής σημασίας για τη σύγχρονη βιομηχανία, την τεχνολογία και, στις περισσότερες χώρες, την εγχώρια ζωή.
Η προέλευση της ηλεκτρικής ενέργειας
Υπάρχουν δύο τύποι ηλεκτρικού φορτίου, που ονομάζονται θετικό και αρνητικό. Εάν δύο ηλεκτρικά φορτισμένα αντικείμενα έρθουν κοντά το ένα στο άλλο, θα δεχτούν μια δύναμη. Εάν τα φορτία είναι τα ίδια — και τα δύο θετικά ή και τα δύο αρνητικά — η δύναμη θα δράσει για να ωθήσει τα αντικείμενα το ένα από το άλλο. Εάν έχουν διαφορετικές χρεώσεις, θα προσελκύουν το ένα το άλλο. Αυτή η απώθηση ή έλξη είναι γνωστή ως ηλεκτρομαγνητική δύναμη και μπορεί να αξιοποιηθεί για να δημιουργηθεί μια ροή ηλεκτρικής ενέργειας.
Τα άτομα αποτελούνται από έναν πυρήνα που περιέχει θετικά φορτισμένα πρωτόνια, με αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω του. Τα πρωτόνια κανονικά παραμένουν στον πυρήνα, αλλά τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν από άτομο σε άτομο, επιτρέποντάς τους να ρέουν μέσα από υλικά, όπως τα μέταλλα, που άγουν τον ηλεκτρισμό. Ένα μέρος με περίσσεια ηλεκτρονίων πάνω από πρωτόνια θα έχει αρνητικό φορτίο. ένα μέρος με έλλειμμα θα έχει θετική φόρτιση. Δεδομένου ότι τα αντίθετα φορτία έλκονται το ένα το άλλο, τα ηλεκτρόνια θα ρέουν από μια αρνητικά φορτισμένη περιοχή σε μια θετικά φορτισμένη, εάν επιτραπεί να το κάνουν, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Χρήση Ηλεκτρικής Ενέργειας
Η ηλεκτρική ενέργεια είναι χρήσιμη τόσο από μόνη της όσο και ως μέσο μεταφοράς ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Είναι απαραίτητο για διάφορες βιομηχανικές διαδικασίες, τηλεπικοινωνίες και Διαδίκτυο, υπολογιστές, τηλεοράσεις και πολλές άλλες συσκευές κοινής χρήσης. Μπορεί επίσης να μετατραπεί σε άλλες μορφές ενέργειας για χρήση σε διάφορες άλλες εφαρμογές.
Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από έναν αγωγό, παράγει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας. Η ποσότητα που παράγεται εξαρτάται από το πόσο καλά το υλικό άγει τον ηλεκτρισμό. Ένας καλός αγωγός, όπως ο χαλκός, παράγει πολύ λίγο. Για το λόγο αυτό, τα χάλκινα καλώδια και καλώδια χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας: όταν παράγεται θερμότητα, χάνεται ενέργεια, επομένως ένας καλός αγωγός ελαχιστοποιεί την απώλεια ενέργειας. Υλικά που μεταφέρουν λιγότερο καλά τον ηλεκτρισμό παράγουν περισσότερη θερμότητα, επομένως τείνουν να χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικές θερμάστρες, κουζίνες και φούρνους, για παράδειγμα.
Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί επίσης να μετατραπεί σε φως. Τα πρώτα φώτα τόξου εξαρτιόνταν από μια ηλεκτρική εκκένωση σε ένα μικρό διάκενο για να θερμάνουν τον αέρα στο σημείο όπου λάμπει – την ίδια αρχή με τον κεραυνό. Αργότερα, εισήχθη ο λαμπτήρας με νήμα: βασίζεται στο ρεύμα που προκαλεί ένα λεπτό, τυλιγμένο σύρμα να λάμπει λευκό-καυτό. Οι σύγχρονοι λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας περνούν ρεύμα υψηλής τάσης μέσα από ένα λεπτό αέριο, με αποτέλεσμα να εκπέμπει υπεριώδες φως, το οποίο προσκρούει σε μια φθορίζουσα επίστρωση για να παράγει ορατό φως.
Όταν ένα αγώγιμο υλικό, όπως ένα χάλκινο σύρμα, μετακινείται σε μαγνητικό πεδίο, δημιουργείται ρεύμα. Αντίστροφα, ένα ρεύμα που ρέει μέσα από ένα σύρμα, εάν βιώσει ένα μαγνητικό πεδίο, θα παράγει κίνηση. Αυτή είναι η αρχή πίσω από έναν ηλεκτροκινητήρα. Αυτές οι συσκευές αποτελούνται από μια διάταξη μαγνητών και πηνίων από χάλκινο σύρμα έτσι ώστε όταν ένα ρεύμα ρέει μέσα από το σύρμα, να παράγεται μια κίνηση στροφής. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία και στο σπίτι, για παράδειγμα σε πλυντήρια ρούχων και συσκευές αναπαραγωγής DVD.
Μέτρηση Ηλεκτρικής Ενέργειας
Η ενέργεια μετριέται σε τζάουλ, ένας όρος που πήρε το όνομά του από τον φυσικό Τζέιμς Πρέσκοτ Τζουλ. Ένα τζάουλ είναι περίπου η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να σηκώσει ένα βάρος μιας λίβρας (0.45 κιλά) σε μια κατακόρυφη απόσταση εννέα ιντσών (22.9 cm). Ωστόσο, είναι συνήθως πιο βολικό να σκεφτόμαστε την ηλεκτρική ενέργεια με όρους ισχύος, η οποία είναι η ενέργεια διαιρούμενη με το χρόνο ή τον ρυθμό με τον οποίο ρέει. Αυτό δίνει την πιθανώς πιο γνωστή μονάδα των watt, που πήρε το όνομά του από τον επιστήμονα James Watt. Ένα βατ ισοδυναμεί με ένα τζάουλ ανά δευτερόλεπτο.
Υπάρχει μια σειρά από άλλες μονάδες που σχετίζονται με την ηλεκτρική ενέργεια. Το κουλόμπ είναι η μονάδα ηλεκτρικού φορτίου. Μπορεί να θεωρηθεί ως μια ποσότητα ηλεκτρονίων — 1.6 x 1019 — αφού όλα τα ηλεκτρόνια έχουν το ίδιο, πολύ μικρό, φορτίο. Το αμπέρ, που συνήθως συντομεύεται σε “amp”, είναι η μονάδα ηλεκτρικού ρεύματος ή ο αριθμός των ηλεκτρονίων που ρέουν σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα. Ένας ενισχυτής ισοδυναμεί με ένα coulomb ανά δευτερόλεπτο.
Το βολτ είναι η μονάδα της ηλεκτροκινητικής δύναμης ή η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται ανά μονάδα φορτίου ή κουλόμπ. Ένα βολτ ισοδυναμεί με ένα τζάουλ ενέργειας που μεταφέρεται για κάθε κουλόμπ φορτίου. Η ισχύς, σε βατ, είναι ισοδύναμη με βολτ πολλαπλασιαζόμενη επί αμπέρ, επομένως ένα ρεύμα πέντε αμπέρ στα 100 βολτ θα ισοδυναμούσε με 500 βατ.
Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας
Το μεγαλύτερο μέρος του ηλεκτρισμού παράγεται από συσκευές που μετατρέπουν την περιστροφική κίνηση σε ηλεκτρική ενέργεια, χρησιμοποιώντας την ίδια αρχή με έναν ηλεκτρικό κινητήρα, αλλά αντίστροφα. Η κίνηση των πηνίων του σύρματος μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Συνήθως, η θερμότητα, που συχνά παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων, χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού που τροφοδοτεί έναν στρόβιλο για να παρέχει την περιστροφική κίνηση. Σε ένα πυρηνικό εργοστάσιο, η πυρηνική ενέργεια παρέχει τη θερμότητα. Η υδροηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιεί την κίνηση του νερού υπό τη βαρύτητα για να κινήσει τον στρόβιλο.
Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής είναι γενικά με τη μορφή εναλλασσόμενου ρεύματος (AC). Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα αντιστρέφει συνεχώς την κατεύθυνση του, πολλές φορές το δευτερόλεπτο. Για τους περισσότερους σκοπούς, το AC λειτουργεί καλά και έτσι φτάνει η ηλεκτρική ενέργεια στο σπίτι. Ορισμένες βιομηχανικές διεργασίες, ωστόσο, απαιτούν συνεχές ρεύμα (DC), το οποίο ρέει προς μία μόνο κατεύθυνση. Για παράδειγμα, η παρασκευή ορισμένων χημικών ουσιών χρησιμοποιεί ηλεκτρόλυση: τη διάσπαση ενώσεων σε στοιχεία ή απλούστερες ενώσεις με χρήση ηλεκτρισμού. Αυτό απαιτεί συνεχές ρεύμα, επομένως αυτές οι βιομηχανίες είτε θα απαιτούν μετατροπή AC σε DC είτε θα έχουν τη δική τους παροχή DC.
Είναι πιο αποτελεσματική η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μέσω γραμμών ισχύος σε υψηλότερες τάσεις. Για το λόγο αυτό, οι εγκαταστάσεις παραγωγής χρησιμοποιούν συσκευές που ονομάζονται μετασχηματιστές για να αυξήσουν την τάση μετάδοσης. Αυτό δεν αυξάνει την ενέργεια ή την ισχύ: όταν αυξάνεται η τάση, το ρεύμα μειώνεται και αντίστροφα. Η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις πραγματοποιείται σε πολλές χιλιάδες βολτ. Ωστόσο, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σπίτια σε αυτές τις τάσεις. Οι τοπικοί μετασχηματιστές μειώνουν την τάση σε περίπου 110 βολτ στις ΗΠΑ και 220-240 βολτ στην Ευρώπη, για οικιακές προμήθειες.
Η ηλεκτρική ενέργεια για μικρές συσκευές χαμηλής ισχύος συχνά παρέχεται από μπαταρίες. Αυτά χρησιμοποιούν χημική ενέργεια για να δημιουργήσουν ένα σχετικά μικρό ηλεκτρικό ρεύμα. Παράγουν πάντα συνεχές ρεύμα και επομένως έχουν αρνητικό και θετικό τερματικό. Τα ηλεκτρόνια ρέουν από το αρνητικό στο θετικό τερματικό όταν ολοκληρωθεί ένα κύκλωμα.