Električna energija proizlazi iz kretanja električnog naboja i obično se naziva jednostavno “električnost”. U konačnici, ona ima svoje porijeklo u elektromagnetskoj sili: jednoj od četiri temeljne sile prirode i onoj koja je odgovorna za ponašanje električno nabijenih objekata. Električna energija je rezultat interakcije subatomskih čestica s tom silom. Električna energija se očituje u prirodnim pojavama kao što su munje i neophodna je za život na temeljnoj razini. Sposobnost ljudi da stvaraju, prenose i skladište električnu energiju ključna je za modernu industriju, tehnologiju i, u većini zemalja, život u domaćinstvu.
Podrijetlo električne energije
Postoje dvije vrste električnog naboja, koje se nazivaju pozitivni i negativni. Ako se dva električno nabijena objekta približe jedan drugome, doživjet će djelovanje sile. Ako su naboji isti – oba pozitivni ili oba negativna – sila će djelovati tako da odgurne predmete jedan od drugog. Ako imaju različite naboje, privući će jedno drugo. Ovo odbijanje ili privlačenje poznato je kao elektromagnetska sila i može se iskoristiti za stvaranje protoka električne energije.
Atomi se sastoje od jezgre koja sadrži pozitivno nabijene protone, a oko nje kruže negativno nabijeni elektroni. Protoni obično ostaju u jezgri, ali elektroni se mogu kretati od atoma do atoma, dopuštajući im da prolaze kroz materijale, poput metala, koji provode električnu energiju. Mjesto s viškom elektrona nad protonima imat će negativan naboj; mjesto s deficitom imat će pozitivan naboj. Budući da se suprotni naboji međusobno privlače, elektroni će teći iz negativno nabijenog područja u pozitivno nabijeno, ako im se to dopusti, stvarajući električnu struju.
Korištenje električne energije
Električna energija je korisna i sama po sebi i kao sredstvo za prijenos energije na velike udaljenosti. Neophodan je za razne industrijske procese, telekomunikacije i internet, računala, televizore i mnoge druge uređaje u zajedničkoj uporabi. Također se može pretvoriti u druge oblike energije za korištenje u raznim drugim primjenama.
Kada električna struja teče kroz vodič, ona stvara određenu količinu topline. Nastala količina ovisi o tome koliko dobro materijal provodi električnu energiju. Dobar dirigent, kao što je bakar, proizvodi vrlo malo. Zbog toga se bakrene žice i kabeli obično koriste za prijenos električne energije: kada se proizvodi toplina, energija se gubi, pa dobar vodič smanjuje gubitak energije. Materijali koji slabije provode električnu energiju proizvode više topline, pa se obično koriste u električnim grijačima, štednjacima i pećnicama, na primjer.
Električna energija se također može pretvoriti u svjetlo. Rana lučna svjetla ovisila su o električnom pražnjenju preko malog razmaka kako bi se zrak zagrijao do točke gdje svijetli – isti princip kao i munja. Kasnije je uvedena žarulja sa žarnom niti: ona se oslanja na struju koja uzrokuje da tanka, namotana žica svijetli užareno. Moderne, štedljive žarulje propuštaju struju visokog napona kroz tanak plin, uzrokujući da on emitira ultraljubičasto svjetlo, koje udara u fluorescentni premaz i proizvodi vidljivo svjetlo.
Kada se vodljivi materijal, poput bakrene žice, pomiče u magnetskom polju, stvara se struja. Suprotno tome, struja koja teče kroz žicu će, ako iskusi magnetsko polje, proizvesti kretanje. Ovo je princip koji stoji iza elektromotora. Ovi se uređaji sastoje od rasporeda magneta i zavojnica od bakrene žice tako da kada struja teče kroz žicu, nastaje okretno gibanje. Električni motori se široko koriste u industriji iu kućanstvu, na primjer u perilicama rublja i DVD playerima.
Mjerenje električne energije
Energija se mjeri u džulima, izraz je nazvan po fizičaru Jamesu Prescottu Jouleu. Jedan džul je otprilike količina energije potrebna da se uteg od jedne funte (0.45 kilograma) podigne na okomitu udaljenost od devet inča (22.9 cm). Međutim, obično je prikladnije razmišljati o električnoj energiji u smislu snage, koja je energija podijeljena vremenom, ili brzinom kojom teče. To daje možda poznatiju jedinicu vata, nazvanu po znanstveniku Jamesu Wattu. Jedan vat je ekvivalentan jednom džulu u sekundi.
Postoji niz drugih jedinica koje se odnose na električnu energiju. Kulon je jedinica za električni naboj. Može se smatrati količinom elektrona – 1.6 x 1019 – budući da svi elektroni imaju isti, vrlo mali, naboj. Amper, obično skraćeno “amp”, jedinica je električne struje ili broj elektrona koji teče u određenom vremenu. Jedno pojačalo je ekvivalentno jednom kulonu u sekundi.
Volt je jedinica elektromotorne sile, odnosno količina energije koja se prenosi po jedinici naboja, odnosno kulonima. Jedan volt je ekvivalentan jednom džulu energije koja se prenosi za svaki kulon naboja. Snaga, u vatima, ekvivalentna je voltima pomnoženim s amperima, tako da bi struja od pet ampera na 100 volti bila ekvivalentna 500 vata.
Proizvodnja električne energije
Većinu električne energije generiraju uređaji koji pretvaraju rotacijsko gibanje u električnu energiju, koristeći isti princip kao i električni motor, ali obrnuto. Kretanje zavojnica žice unutar magnetskog polja proizvodi električnu struju. Obično se toplina, često generirana izgaranjem fosilnih goriva, koristi za proizvodnju pare koja pokreće turbinu kako bi osigurala rotacijsko gibanje. U nuklearnoj elektrani nuklearna energija daje toplinu. Hidroelektrična energija koristi kretanje vode pod gravitacijom za pogon turbine.
Električna energija proizvedena u elektranama općenito je u obliku izmjenične struje (AC). To znači da struja neprestano mijenja smjer, mnogo puta u sekundi. U većini slučajeva, AC radi dobro, a tako struja stiže do kuće. Neki industrijski procesi, međutim, zahtijevaju istosmjernu struju (DC), koja teče samo u jednom smjeru. Na primjer, proizvodnja određenih kemikalija koristi se elektrolizom: cijepanje spojeva na elemente ili jednostavnije spojeve pomoću električne energije. To zahtijeva istosmjernu struju, tako da će ove industrije ili zahtijevati pretvorbu izmjenične u istosmjernu ili će imati vlastitu DC napajanje.
Učinkovitije je prenositi električnu energiju kroz dalekovode na višim naponima. Iz tog razloga, proizvodna postrojenja koriste uređaje zvane transformatori za povećanje napona za prijenos. To ne povećava energiju ili snagu: kada se napon podigne, struja se smanjuje i obrnuto. Prijenos električne energije na velike udaljenosti odvija se na više tisuća volti; međutim, ne može se koristiti u kućama na tim naponima. Lokalni transformatori smanjuju napon na oko 110 volti u SAD-u i 220-240 volti u Europi, za domaće napajanje.
Električna energija za male uređaje male snage često se napajaju baterijama. Oni koriste kemijsku energiju za stvaranje relativno male električne struje. Oni uvijek stvaraju istosmjernu struju, pa stoga imaju negativan i pozitivan terminal. Elektroni teku od negativnog do pozitivnog terminala kada je krug završen.