Elektriskā enerģija rodas no elektriskā lādiņa kustības, un to parasti sauc par “elektrību”. Galu galā tā izcelsme ir elektromagnētiskajā spēkā: viens no četriem dabas pamatspēkiem un tas, kas ir atbildīgs par elektriski lādētu objektu uzvedību. Elektriskā enerģija ir subatomisko daļiņu mijiedarbības rezultāts ar šo spēku. Elektrība izpaužas tādās dabas parādībās kā zibens, un tā ir būtiska dzīvībai fundamentālā līmenī. Cilvēku spēja ražot, pārvadīt un uzglabāt elektroenerģiju ir ļoti svarīga mūsdienu rūpniecībā, tehnoloģijās un lielākajā daļā valstu sadzīves dzīvē.
Elektriskās enerģijas izcelsme
Ir divu veidu elektriskā lādiņa, ko sauc par pozitīvu un negatīvu. Ja divi elektriski uzlādēti objekti tiek pietuvināti viens otram, tie piedzīvos spēku. Ja lādiņi ir vienādi — gan pozitīvi, gan abi negatīvi —, spēks darbosies, lai objektus attālinātu vienu no otra. Ja viņiem ir dažādas maksas, tie piesaistīs viens otru. Šo atgrūšanu vai pievilcību sauc par elektromagnētisko spēku, un to var izmantot, lai radītu elektriskās enerģijas plūsmu.
Atomi sastāv no kodola, kurā ir pozitīvi lādēti protoni, un ap to riņķo negatīvi lādēti elektroni. Protoni parasti paliek kodolā, bet elektroni var pārvietoties no atoma uz atomu, ļaujot tiem plūst caur materiāliem, piemēram, metāliem, kas vada elektrību. Vietai ar elektronu pārpalikumu pār protoniem būs negatīvs lādiņš; vietai ar deficītu būs pozitīvs lādiņš. Tā kā pretējie lādiņi piesaista viens otru, elektroni plūdīs no negatīvi lādēta apgabala uz pozitīvi lādētu, ja tas tiks atļauts, radot elektrisko strāvu.
Elektroenerģijas izmantošana
Elektrība ir noderīga gan pati par sevi, gan kā līdzeklis enerģijas pārnešanai lielos attālumos. Tā ir būtiska dažādiem rūpnieciskiem procesiem, telekomunikācijām un internetam, datoriem, televizoriem un daudzām citām koplietošanas ierīcēm. To var arī pārvērst citos enerģijas veidos, lai izmantotu dažādos citos lietojumos.
Kad elektriskā strāva plūst caur vadītāju, tā rada noteiktu siltuma daudzumu. Radītais daudzums ir atkarīgs no tā, cik labi materiāls vada elektrību. Labs vadītājs, piemēram, varš, ražo ļoti maz. Šī iemesla dēļ elektroenerģijas pārvadīšanai parasti izmanto vara vadus un kabeļus: kad tiek ražots siltums, tiek zaudēta enerģija, tāpēc labs vadītājs samazina enerģijas zudumus. Materiāli, kas vājāk vada elektrību, ražo vairāk siltuma, tāpēc tos mēdz izmantot, piemēram, elektriskajos sildītājos, plītīs un krāsnīs.
Elektroenerģiju var arī pārvērst gaismā. Agrīnās loka gaismas bija atkarīgas no elektriskās izlādes nelielā spraugā, lai sildītu gaisu līdz vietai, kur tas spīd — tas pats princips kā zibens. Vēlāk tika ieviesta kvēldiega spuldze: tā ir atkarīga no strāvas, kas liek plānai, uztītai stieplei mirdzēt karsti. Mūsdienu, energotaupības spuldzes izlaiž augstsprieguma strāvu cauri plānai gāzei, liekot tai izstarot ultravioleto gaismu, kas iedarbojas uz fluorescējošu pārklājumu, radot redzamu gaismu.
Kad magnētiskajā laukā tiek pārvietots vadošs materiāls, piemēram, vara stieple, tiek ģenerēta strāva. Un otrādi, strāva, kas plūst caur vadu, ja tā saskaras ar magnētisko lauku, radīs kustību. Šis ir elektromotora princips. Šīs ierīces sastāv no magnētu un vara stieples spoļu izvietojuma tā, ka, strāvai plūstot caur vadu, tiek radīta pagrieziena kustība. Elektromotorus plaši izmanto rūpniecībā un mājās, piemēram, veļas mašīnās un DVD atskaņotājos.
Elektriskās enerģijas mērīšana
Enerģiju mēra džoulos, kas nosaukts fiziķa Džeimsa Preskota Džoula vārdā. Viens džouls ir aptuveni enerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai paceltu vienas mārciņas (0.45 kilogramus) svaru deviņu collu (22.9 cm) vertikālā attālumā. Tomēr parasti ir ērtāk domāt par elektrību kā jaudu, kas ir enerģija dalīta ar laiku vai tās plūsmas ātrumu. Tas dod, iespējams, pazīstamāko vata vienību, kas nosaukta zinātnieka Džeimsa Vata vārdā. Viens vats ir vienāds ar vienu džoulu sekundē.
Ir vairākas citas vienības, kas saistītas ar elektrību. Kulons ir elektriskā lādiņa mērvienība. To var uzskatīt par elektronu daudzumu — 1.6 x 1019 —, jo visiem elektroniem ir vienāds, ļoti mazs lādiņš. Ampērs, parasti saīsināts kā “ampērs”, ir elektriskās strāvas mērvienība vai elektronu skaits, kas plūst noteiktā laika periodā. Viens ampērs ir vienāds ar vienu kulonu sekundē.
Volts ir elektromotora spēka vienība jeb enerģijas daudzums, kas tiek pārnests uz lādiņa vienību jeb kulonu. Viens volts ir vienāds ar vienu džoulu enerģijas, kas tiek pārnesta uz katru lādiņa kulonu. Jauda vatos ir līdzvērtīga voltiem, kas reizināti ar ampēriem, tāpēc piecu ampēru strāva pie 100 voltiem būtu līdzvērtīga 500 vatiem.
Elektriskās enerģijas ražošana
Lielāko daļu elektroenerģijas ģenerē ierīces, kas rotācijas kustību pārvērš elektroenerģijā, izmantojot to pašu principu kā elektromotoram, bet apgrieztā veidā. Vadu spoļu kustība magnētiskajā laukā rada elektrisko strāvu. Parasti siltumu, kas bieži rodas, sadedzinot fosilo kurināmo, izmanto, lai ražotu tvaiku, kas darbina turbīnu, lai nodrošinātu rotācijas kustību. Atomelektrostacijā kodolenerģija nodrošina siltumu. Hidroelektrostacija izmanto ūdens kustību gravitācijas ietekmē, lai darbinātu turbīnu.
Elektrostacijās saražotā elektroenerģija parasti ir maiņstrāvas (AC) veidā. Tas nozīmē, ka strāva nepārtraukti maina savu virzienu, daudzas reizes sekundē. Lielākajai daļai mērķu maiņstrāva darbojas labi, un šādā veidā elektrība nonāk mājās. Tomēr dažiem rūpnieciskiem procesiem ir nepieciešama līdzstrāva (DC), kas plūst tikai vienā virzienā. Piemēram, noteiktu ķīmisko vielu ražošanā izmanto elektrolīzi: savienojumu sadalīšanu elementos vai vienkāršākos savienojumos, izmantojot elektrību. Tam nepieciešama līdzstrāva, tāpēc šīm nozarēm būs nepieciešama maiņstrāvas pārveidošana līdzstrāvai, vai arī tām būs savs līdzstrāvas padeve.
Efektīvāk ir pārvadīt elektroenerģiju pa elektropārvades līnijām ar augstāku spriegumu. Šī iemesla dēļ ražošanas iekārtas izmanto ierīces, ko sauc par transformatoriem, lai palielinātu pārraides spriegumu. Tas nepalielina enerģiju vai jaudu: paaugstinot spriegumu, strāva tiek samazināta un otrādi. Elektroenerģijas pārraide lielos attālumos notiek pie daudziem tūkstošiem voltu; tomēr to nevar izmantot mājās ar šiem spriegumiem. Vietējie transformatori samazina spriegumu līdz aptuveni 110 voltiem ASV un līdz 220–240 voltiem Eiropā, lai nodrošinātu mājas apgādi.
Elektrību mazām, mazjaudas ierīcēm bieži piegādā akumulatori. Tie izmanto ķīmisko enerģiju, lai radītu salīdzinoši mazu elektrisko strāvu. Tie vienmēr rada līdzstrāvu, un tāpēc tiem ir negatīvs un pozitīvais spailes. Kad ķēde ir pabeigta, elektroni plūst no negatīvā uz pozitīvo spaili.