Kuidas elektrienergia töötab?

Elektrienergia on teaduses oluline mõiste, kuid sageli mõistetakse seda valesti. Mis täpselt on elektrienergia ja milliseid reegleid selle kasutamisel arvutustes rakendatakse?

Elektrienergia on vorm energia mis tuleneb elektrilaengu voolust. Energia on võime teha tööd või rakendada jõudu objekti liigutamiseks. Elektrienergia puhul on jõuks laetud osakeste vahel elektriline külgetõmme või tõrje. Elektrienergia võib olla kumbki potentsiaalne energia või kineetiline energia, kuid tavaliselt kohtab seda potentsiaalse energiana, mis on laetud osakeste või elektriväljad. Laetud osakeste liikumist läbi traadi või muu keskkonna nimetatakse vooluks või elektriks. On olemas ka staatiline elekter, mis tuleneb objekti positiivsete ja negatiivsete laengute tasakaalustamatusest või lahutamisest. Staatiline elekter on elektrilise potentsiaalse energia vorm. Kui koguneb piisav laeng, võib elektrienergia tühjaks saada, et tekitada säde (või isegi välk), millel on elektriline kineetiline energia.

Tavapäraselt näidatakse elektrivälja suunda alati suunaga selles suunas, kus positiivne osake liiguks, kui see väljale paigutataks. Elektrienergiaga töötamisel on see oluline meeles pidada, kuna tavalisim voolu kandja on elektron, mis liigub prootoniga võrreldes vastupidises suunas.

Briti teadlane Michael Faraday avastas elektrienergia tootmise võimaluse juba 1820. aastatel. Ta liigutas magneti pooluste vahel juhtivast metallist silmuse või ketta. Põhiprintsiip on see, et vasktraadis olevad elektronid saavad vabalt liikuda. Iga elektron kannab negatiivset elektrilaengut. Selle liikumist juhivad elektroni ja positiivsete laengute (nt prootonid ja positiivselt laetud ioonid) ja tagasilöögijõud elektroni ja sarnaste laengute (nagu teised elektronid ja negatiivselt laetud ioonid) vahel. Teisisõnu, laetud osakest (antud juhul elektronit) ümbritsev elektriväli avaldab jõudu teistele laetud osakestele, põhjustades selle liikumist ja seega tööd. Kahe meelitatud laetud osakese üksteisest eemaldamiseks tuleb rakendada jõudu.

Elektrienergia tootmises võivad osaleda kõik laetud osakesed, sealhulgas elektronid, prootonid, aatomituumad, katioonid (positiivselt laetud ioonid), anioonid (negatiivselt laetud ioonid), positronid (antimaterjal samaväärne elektronidega) ja nii edasi.

Elektrienergia jaoks kasutatud elektrienergia, näiteks lambipirni või arvuti toiteks kasutatav seinavool, on energia, mis muundatakse elektripotentsiaalist. See potentsiaalne energia muundatakse teist tüüpi energiaks (soojus, valgus, mehaaniline energia jne). Elektrivõrgu jaoks tekitab elektronide liikumine juhtmes voolu ja elektripotentsiaali.

Aku on veel üks elektrienergia allikas, välja arvatud see, et elektrilaengud võivad olla lahuses ioonid, mitte metalli elektronid.

Bioloogilised süsteemid kasutavad ka elektrienergiat. Näiteks võivad vesinikuioonid, elektronid või metalliioonid kontsentreeruda rohkem membraani ühele küljele kui muu - elektripotentsiaali seadistamine, mida saab kasutada närviimpulsside edastamiseks, lihaste liigutamiseks ja transportimiseks materjalid.

Konkreetsed näited elektrienergia kohta on järgmised:

• Vahelduvvool (AC)
• Alalisvool (DC)
• Välk
• Patareid
• Kondensaatorid
• Energia, mida genereerib elektriangerjad

Potentsiaalse erinevuse või pinge SI ühik on volt (V). See on potentsiaalse erinevus kahe punkti vahel juhil, mis kannab voolu 1 amprit vooluga 1 amprit. Elektrist leitakse aga mitu ühikut, sealhulgas:

Pidage alati meeles, et liikuv laetud osake, olgu see prooton, elektron või ioon, tekitab magnetvälja. Samamoodi kutsub magnetvälja muutmine esile elektrivoolu a-s dirigent (nt traat). Seega viitavad elektrit uurivad teadlased sellele tavaliselt elektromagnetism kuna elekter ja magnetism on omavahel seotud.

• Elektrienergiaks loetakse liikuva elektrilaenguga toodetavat energia tüüpi.
• Elektrit seostatakse alati magnetilisusega.
• Voolu suund on suund, mida positiivne laeng liigutaks, kui see paigutatakse elektriväljale. See on vastupidine elektronide voolule, mis on kõige tavalisem voolu kandja.