Elektros energija atsiranda dėl elektros krūvio judėjimo ir paprastai vadinama tiesiog „elektra“. Galiausiai jos kilmė yra elektromagnetinėje jėgoje: vienoje iš keturių pagrindinių gamtos jėgų ir tos, kuri yra atsakinga už elektra įkrautų objektų elgesį. Elektros energija yra subatominių dalelių sąveikos su šia jėga rezultatas. Elektra pasireiškia tokiais gamtos reiškiniais kaip žaibas ir yra būtina gyvybei esminiu lygmeniu. Žmonių gebėjimas gaminti, perduoti ir kaupti elektros energiją yra labai svarbus šiuolaikinei pramonei, technologijoms ir daugumoje šalių buitiniam gyvenimui.
Elektros energijos kilmė
Yra dviejų tipų elektros krūviai, vadinami teigiamu ir neigiamu. Jei du elektra įkrauti objektai priartinami vienas prie kito, jie patirs jėgą. Jei krūviai yra vienodi – abu teigiami arba abu neigiami – jėga veiks, kad atstumtų objektus vienas nuo kito. Jei jie turi skirtingus mokesčius, jie pritrauks vienas kitą. Šis atstūmimas arba trauka yra žinoma kaip elektromagnetinė jėga ir gali būti panaudota elektros energijos srautui sukurti.
Atomai susideda iš branduolio, kuriame yra teigiamai įkrautų protonų, o aplink jį skrieja neigiamo krūvio elektronai. Protonai paprastai lieka branduolyje, tačiau elektronai gali judėti iš atomo į atomą, leisdami jiems tekėti per medžiagas, tokias kaip metalai, kurios laidi elektrą. Vieta, kurioje elektronų perteklius virš protonų, turės neigiamą krūvį; vieta su deficitu turės teigiamą krūvį. Kadangi priešingi krūviai traukia vienas kitą, elektronai tekės iš neigiamai įkrautos srities į teigiamai įkrautą, jei tai leis, sukurdami elektros srovę.
Naudojant elektros energiją
Elektra naudinga ir pati savaime, ir kaip energijos perdavimo dideliais atstumais priemonė. Tai būtina įvairiems pramonės procesams, telekomunikacijoms ir internetui, kompiuteriams, televizoriams ir daugeliui kitų įprastų įrenginių. Jis taip pat gali būti paverstas kitomis energijos rūšimis, kad būtų galima naudoti įvairioms kitoms reikmėms.
Kai laidininku teka elektros srovė, ji sukuria tam tikrą šilumos kiekį. Susidaręs kiekis priklauso nuo to, kaip medžiaga praleidžia elektrą. Geras laidininkas, pavyzdžiui, varis, gamina labai mažai. Dėl šios priežasties elektrai perduoti dažniausiai naudojami variniai laidai ir kabeliai: gaminant šilumą prarandama energija, todėl geras laidininkas sumažina energijos nuostolius. Medžiagos, kurios prasčiau praleidžia elektrą, gamina daugiau šilumos, todėl jos dažniausiai naudojamos, pavyzdžiui, elektriniuose šildytuvuose, viryklėse ir orkaitėse.
Elektros energiją taip pat galima paversti šviesa. Ankstyvieji lankiniai žibintai priklausė nuo elektros iškrovos per nedidelį tarpą, kad oras sušildytų iki taško, kur jis švyti – tokiu pačiu principu kaip ir žaibas. Vėliau buvo pristatyta kaitrinė lemputė: ji priklauso nuo srovės, dėl kurios plonas, suvyniotas laidas švyti baltai. Šiuolaikinės energiją taupančios lemputės praleidžia aukštos įtampos srovę per plonas dujas, todėl jos skleidžia ultravioletinę šviesą, kuri atsitrenkia į fluorescencinę dangą ir sukuria matomą šviesą.
Kai magnetiniame lauke judama laidžioji medžiaga, pavyzdžiui, varinė viela, susidaro srovė. Ir atvirkščiai, srovė, tekanti per laidą, jei ji patirs magnetinį lauką, sukels judėjimą. Tai yra elektros variklio principas. Šiuos įtaisus sudaro magnetai ir varinės vielos ritės taip, kad srovei tekant per laidą atsiranda sukimosi judesiai. Elektriniai varikliai plačiai naudojami pramonėje ir buityje, pavyzdžiui, skalbimo mašinose ir DVD grotuvuose.
Elektros energijos matavimas
Energija matuojama džauliais – terminas pavadintas fiziko Jameso Prescott Joule vardu. Vienas džaulis yra maždaug tiek energijos, kiek reikia norint pakelti vieno svaro (0.45 kilogramo) svorį vertikaliu devynių colių (22.9 cm) atstumu. Tačiau paprastai yra patogiau galvoti apie elektros energiją kaip galią, kuri yra energija, padalyta iš laiko arba jos tekėjimo greičio. Tai suteikia galbūt labiau pažįstamą vato vienetą, pavadintą mokslininko Jameso Watto vardu. Vienas vatas atitinka vieną džaulį per sekundę.
Yra keletas kitų įrenginių, susijusių su elektra. Kulonas yra elektros krūvio vienetas. Jis gali būti laikomas elektronų kiekiu – 1.6 x 1019 – nes visi elektronai turi tą patį, labai mažą, krūvį. Amperas, paprastai sutrumpintai vadinamas „amp“, yra elektros srovės vienetas arba elektronų, tekančių per tam tikrą laiką, skaičius. Vienas stiprintuvas prilygsta vienam kulonui per sekundę.
Voltas yra elektrovaros jėgos vienetas arba energijos kiekis, perduodamas vienam krūvio vienetui arba kulonui. Vienas voltas atitinka vieną džaulį energijos, perduodamos kiekvienam krūvio kulonui. Galia vatais prilygsta voltams, padaugintam iš amperų, todėl penkių amperų srovė esant 100 voltų būtų lygi 500 vatų.
Elektros energijos gamyba
Didžiąją dalį elektros energijos gamina įrenginiai, kurie sukimosi judesį paverčia elektros energija, naudojant tą patį principą kaip ir elektros variklis, bet atvirkščiai. Vielos ritėms judant magnetiniame lauke susidaro elektros srovė. Paprastai šiluma, kuri dažnai susidaro deginant iškastinį kurą, yra naudojama garui gaminti, kuris varo turbiną, kad užtikrintų sukimosi judesį. Atominėje elektrinėje šilumą teikia branduolinė energija. Hidroelektrinė naudoja vandens judėjimą gravitacijos būdu, kad galėtų varyti turbiną.
Elektrinėse gaminama elektros energija paprastai yra kintamoji srovė (AC). Tai reiškia, kad srovė nuolat keičia savo kryptį, daug kartų per sekundę. Daugeliu atvejų kintamoji srovė gerai veikia, todėl elektra pasiekia namus. Tačiau kai kuriems pramoniniams procesams reikalinga nuolatinė srovė (DC), kuri teka tik viena kryptimi. Pavyzdžiui, tam tikrų cheminių medžiagų gamyboje naudojama elektrolizė: junginių skaidymas į elementus arba paprastesnius junginius naudojant elektros energiją. Tam reikia nuolatinės srovės, todėl šioms pramonės šakoms reikės konvertuoti kintamą į nuolatinę srovę arba turės savo nuolatinės srovės tiekimą.
Veiksmingiau elektrą perduoti elektros laidais esant aukštesnei įtampai. Dėl šios priežasties generuojančios įmonės naudoja įrenginius, vadinamus transformatoriais, kad padidintų perdavimo įtampą. Tai nepadidina energijos ar galios: pakėlus įtampą, srovė sumažėja ir atvirkščiai. Elektros perdavimas dideliais atstumais vyksta esant daugeliui tūkstančių voltų; tačiau jis negali būti naudojamas namuose esant tokiai įtampai. Vietiniai transformatoriai sumažina įtampą iki maždaug 110 voltų JAV ir iki 220–240 voltų Europoje.
Elektra mažiems, mažos galios įrenginiams dažnai tiekiama iš baterijų. Jie naudoja cheminę energiją, kad sukurtų palyginti mažą elektros srovę. Jie visada generuoja nuolatinę srovę, todėl turi neigiamą ir teigiamą gnybtą. Kai grandinė baigta, elektronai teka iš neigiamo į teigiamą gnybtą.