Elektrisk energi är ett resultat av rörelsen av en elektrisk laddning och kallas vanligtvis för ”elektricitet”. I slutändan har det sitt ursprung i den elektromagnetiska kraften: en av de fyra grundläggande naturkrafterna och den som är ansvarig för beteendet hos elektriskt laddade föremål. Elektrisk energi är resultatet av samverkan mellan subatomära partiklar med denna kraft. Elektricitet manifesterar sig i naturfenomen som blixtar och är väsentlig för livet på en grundläggande nivå. Människans förmåga att generera, överföra och lagra elektricitet är avgörande för modern industri, teknik och, i de flesta länder, hemlivet.
Ursprunget till elektrisk energi
Det finns två typer av elektrisk laddning, som kallas positiv och negativ. Om två elektriskt laddade föremål förs nära varandra kommer de att uppleva en kraft. Om laddningarna är desamma – båda positiva eller båda negativa – kommer kraften att verka för att trycka objekten bort från varandra. Om de har olika laddningar kommer de att attrahera varandra. Denna repulsion eller attraktion är känd som den elektromagnetiska kraften, och den kan utnyttjas för att skapa ett flöde av elektrisk energi.
Atomer består av en kärna som innehåller positivt laddade protoner, med negativt laddade elektroner som kretsar runt den. Protoner stannar normalt i kärnan, men elektroner kan röra sig från atom till atom, vilket gör att de kan flöda genom material, såsom metaller, som leder elektricitet. En plats med ett överskott av elektroner över protoner kommer att ha en negativ laddning; en plats med underskott kommer att ha en positiv laddning. Eftersom motsatta laddningar attraherar varandra kommer elektroner att flöda från ett negativt laddat område till ett positivt laddat om de får göra det, vilket skapar en elektrisk ström.
Använder elektrisk energi
Elektricitet är användbar både i sig själv och som ett sätt att överföra energi över långa avstånd. Det är väsentligt för olika industriella processer, telekommunikation och Internet, datorer, tv-apparater och många andra enheter som används ofta. Den kan också omvandlas till andra energiformer för användning i en mängd andra tillämpningar.
När en elektrisk ström flyter genom en ledare genererar den en viss mängd värme. Mängden som genereras beror på hur väl materialet leder elektricitet. En bra ledare, som koppar, producerar väldigt lite. Av denna anledning används koppartrådar och -kablar vanligtvis för att överföra elektricitet: när värme produceras går energi förlorad, så en bra ledare minimerar energiförlusten. Material som leder elektricitet sämre producerar mer värme, så de tenderar att användas i till exempel elvärmare, spisar och ugnar.
Elektrisk energi kan också omvandlas till ljus. Tidiga bågljus var beroende av en elektrisk urladdning över ett litet gap för att värma luften till den punkt där den lyser – samma princip som blixtnedslag. Senare introducerades glödtrådslampan: den förlitar sig på att strömmen får en tunn, lindad tråd att lysa vitvarm. Moderna, energibesparande glödlampor passerar en högspänningsström genom en tunn gas, vilket får den att avge ultraviolett ljus, som träffar en fluorescerande beläggning för att producera synligt ljus.
När ett ledande material, såsom en koppartråd, förflyttas i ett magnetfält genereras en ström. Omvänt kommer en ström som flyter genom en tråd, om den upplever ett magnetfält, att producera rörelse. Detta är principen bakom en elmotor. Dessa anordningar består av ett arrangemang av magneter och spolar av koppartråd så att när en ström flyter genom tråden produceras en vridningsrörelse. Elmotorer används flitigt inom industrin och i hemmet, till exempel i tvättmaskiner och DVD-spelare.
Mätning av elektrisk energi
Energi mäts i joule, en term uppkallad efter fysikern James Prescott Joule. En joule är ungefär den mängd energi som krävs för att lyfta en vikt på ett pund (0.45 kg) ett vertikalt avstånd på nio tum (22.9 cm). Det är dock vanligtvis bekvämare att tänka på elektricitet i termer av effekt, vilket är energi dividerat med tid, eller hastigheten med vilken den strömmar. Detta ger den kanske mer välbekanta enheten av watten, uppkallad efter vetenskapsmannen James Watt. En watt motsvarar en joule per sekund.
Det finns ett antal andra enheter som relaterar till el. Coulomb är enheten för elektrisk laddning. Det kan betraktas som en mängd elektroner – 1.6 x 1019 – eftersom alla elektroner har samma, mycket lilla, laddning. Amperen, vanligtvis förkortad till ”amp”, är enheten för elektrisk ström, eller antalet elektroner som flödar under en viss tid. En förstärkare motsvarar en coulomb per sekund.
Volten är enheten för elektromotorisk kraft, eller mängden energi som överförs per laddningsenhet, eller coulomb. En volt motsvarar en joule energi som överförs för varje coulomb laddning. Effekt, i watt, motsvarar volt multiplicerat med ampere, så en ström på fem ampere vid 100 volt skulle motsvara 500 watt.
Generera elektrisk energi
Det mesta av elektriciteten genereras av enheter som omvandlar rotationsrörelse till elektrisk energi, med samma princip som en elmotor, men i omvänd riktning. Rörelsen av trådspolar inom ett magnetfält producerar en elektrisk ström. Vanligtvis används värme, ofta genererad av förbränning av fossila bränslen, för att producera ånga som driver en turbin för att ge rotationsrörelsen. I ett kärnkraftverk ger kärnkraften värmen. Vattenkraft använder rörelsen av vatten under gravitationen för att driva turbinen.
Den elektricitet som genereras vid kraftverk är i allmänhet i form av växelström (AC). Det betyder att strömmen hela tiden vänder sin riktning, många gånger per sekund. För de flesta ändamål fungerar AC bra, och det är så elen når hemmet. Vissa industriella processer kräver dock likström (DC), som flyter endast i en riktning. Till exempel, vid tillverkning av vissa kemikalier används elektrolys: uppdelning av föreningar i grundämnen eller enklare föreningar med elektricitet. Detta kräver likström, så dessa industrier kommer antingen att kräva AC till DC-konvertering eller kommer att ha sin egen DC-försörjning.
Det är effektivare att överföra el genom kraftledningar med högre spänning. Av denna anledning använder genererande anläggningar enheter som kallas transformatorer för att öka spänningen för överföring. Detta ökar inte energin eller effekten: när spänningen höjs minskas strömmen och vice versa. Långdistansöverföring av el sker med många tusen volt; den kan dock inte användas i hem vid dessa spänningar. Lokala transformatorer minskar spänningen till cirka 110 volt i USA, och 220-240 volt i Europa, för hushållsförsörjning.
Elektricitet för små enheter med låg effekt levereras ofta av batterier. Dessa använder kemisk energi för att generera en relativt liten elektrisk ström. De genererar alltid en likström och har därför en negativ och en positiv pol. Elektroner flödar från den negativa till den positiva terminalen när en krets är klar.