Energia elektryczna to ważna koncepcja, która pomaga w funkcjonowaniu świata, jaki znamy. W samych Stanach Zjednoczonych korzysta z nich przeciętna rodzina 10 649 kilowatogodzin (kWh) rocznie , czyli ilość energii elektrycznej wystarczająca do zaparzenia ponad 120 000 dzbanków kawy!

Jednak zrozumienie, czym jest energia elektryczna i jak działa, może być trudne. Dlatego przygotowaliśmy ten artykuł, aby Cię oświecić! (Przepraszam za żart naszego taty.)

Czytaj dalej, aby dowiedzieć się wszystkiego o energii elektrycznej, w tym:

• Definicja energii elektrycznej
• Jak działa energia elektryczna
• Czy energia elektryczna jest potencjalna czy kinetyczna
• Przykłady energii elektrycznej

Zanim skończysz czytać ten artykuł, będziesz znać podstawy energii elektrycznej i będziesz w stanie zobaczyć jej wpływ wokół siebie.

Mamy wiele do omówienia, więc zanurzmy się!

Definicja energii elektrycznej

Czym zatem jest energia elektryczna? Krótko mówiąc, energia elektryczna to energia (zarówno kinetyczna, jak i potencjalna) zawarta w naładowanych cząstkach atomu, którą można wykorzystać do przyłożenia siły i/lub wykonania pracy. Oznacza to, że energia elektryczna ma zdolność poruszania obiektu lub spowodować akcję .

Energia elektryczna jest wszędzie wokół nas w wielu różnych postaciach. Do najlepszych przykładów energii elektrycznej należą akumulatory samochodowe wykorzystujące energię elektryczną do zasilania systemów, gniazdka ścienne przesyłające energię elektryczną do ładowania naszych telefonów oraz nasze mięśnie wykorzystujące energię elektryczną do kurczenia się i relaksowania!

Energia elektryczna jest zdecydowanie ważna w naszym codziennym życiu, ale istnieje również wiele innych rodzajów energii . Energia cieplna, energia chemiczna, energia jądrowa, energia świetlna i energia dźwiękowa to tylko niektóre z innych głównych rodzajów energii. Chociaż rodzaje energii mogą w pewnym stopniu na siebie nakładać się (np. gniazdko ścienne dostarczające światło do lampy wytwarzającej niewielką ilość ciepła), należy pamiętać, że rodzaje energii działają odrębnie od siebie , chociaż oni można przekształcić w inne rodzaje energii .

Ten krótki film wyjaśniający na temat elektryczności jest doskonałym wprowadzeniem do tego, czym jest energia elektryczna i jak działa.

Jak działa energia elektryczna?

Teraz, gdy już wiesz, czym jest energia elektryczna, omówimy, skąd pochodzi energia elektryczna.

Jeśli się uczyłeś fizyka mogłeś już wcześniej wiedzieć, że energii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć. Chociaż mogłoby się wydawać, że skutki działania energii elektrycznej nie biorą się znikąd, energia w a piorun lub sesja joggingowa szereg zmian na poziomie molekularnym. Wszystko zaczyna się od atomów.

Atomy składają się z trzech głównych części : neutrony, protony i elektrony. Jądro, czyli środek atomu, składa się z neutronów i protonów. Elektrony krążą wokół jądra w powłokach. Powłoki elektronowe wyglądają jak pierścienie lub ścieżki orbitalne wokół jądra.

(AG Cezar/ Wikimedia )

Liczba powłok atomu zależy od wielu rzeczy, w tym od rodzaju atomu i tego, czy jest on naładowany dodatnio, ujemnie czy neutralnie. Ale tutaj jest ważny szczegół, jeśli chodzi o energię elektryczną: elektrony w powłoce najbliżej jądra silnie przyciągają jądro, ale to połączenie słabnie, gdy wychodzisz do zewnętrznej powłoki. Najbardziej zewnętrzna powłoka atomu nazywana jest powłoką walencyjną... a elektrony w tej powłoce nazywane są elektronami walencyjnymi!

Ponieważ elektrony walencyjne są słabo połączone z atomem, faktycznie można je zmusić na zewnątrz ich orbit kiedy wejdą w kontakt z innym atomem. Elektrony te mogą przeskakiwać z zewnętrznej powłoki swojego atomu macierzystego na zewnętrzną powłokę nowego atomu. Kiedy to się stanie, produkuje energię elektryczną.

Skąd więc wiesz, kiedy atom jest przygotowany na pozyskiwanie lub utratę elektronów w celu wytworzenia energii elektrycznej? Wystarczy spojrzeć na elektrony walencyjne. Atom może mieć tylko osiem elektronów walencyjnych na swojej zewnętrznej powłoce, zwanej również oktetem. Jeśli atom ma trzy lub mniej elektronów walencyjnych, jest bardziej prawdopodobne, że straci je na rzecz innego atomu. Kiedy atom traci elektrony do tego stopnia, że ​​liczba protonów przewyższa liczbę elektronów, staje się naładowany dodatnio kation .

Podobnie atomy, które mają prawie pełną powłokę walencyjną (z sześcioma lub siedmioma elektronami walencyjnymi), są bardziej podatne na osiągać elektronów, aby uzyskać pełny oktet. Kiedy atom zyskuje elektrony do punktu, w którym liczba elektronów przewyższa liczbę protonów w atomie, staje się naładowany ujemnie anion .

Niezależnie od tego, czy atom zyskuje, czy traci elektrony, the działać ruch elektronów z jednego atomu na drugi skutkuje powstaniem energii elektrycznej . Tę energię elektryczną można wykorzystać w postaci prądu elektrycznego do takich celów, jak zasilanie urządzeń w domu lub uruchomienie rozrusznika serca. Ale może też tak być zamienione na inne rodzaje energii jak energia cieplna tostera podłączonego do ściany.

Myślisz, że energia elektryczna i elektryczność to to samo? Nie do końca! Energia elektryczna jest tylko jednym z rezultatów energii elektrycznej.

Energia elektryczna kontra elektryczność

Choć terminy te brzmią podobnie, energia elektryczna i elektryczność to nie to samo . Chociaż cała energia elektryczna jest wynikiem energii elektrycznej, nie każda energia elektryczna jest energią elektryczną.

Według Khan academy energię definiuje się jako miarę zdolności obiektu do wykonania pracy. W fizyce praca to energia przekazana obiektowi w celu poruszenia obiektu. Jak mówiliśmy w poprzedniej sekcji, energia elektryczna pochodzi z ruchu elektronów między atomami, co powoduje transfer energii... znany również jako praca. Praca ta generuje energię elektryczną, którą mierzy się w dżulach.

Należy pamiętać, że energia elektryczna może być przetwarzane na wszelkiego rodzaju inne rodzaje energii jak energia cieplna tostera podłączonego do ściany. Ta energia cieplna wytwarza ciepło, które zamienia Twój chleb w tost! A więc energia elektryczna Móc stać się energią elektryczną, tak nie jest Posiadać Do!

Kiedy przepływ elektronów energii elektrycznej jest kierowany przez przewodnik, taki jak drut, staje się ona energią elektryczną. Jest to ruch ładunku elektrycznego zwany prądem elektrycznym (i jest mierzony w watach). Prądy te, zakończone obwody elektryczne , może zasilać nasze telewizory, płyty kuchenne i wiele innych urządzeń, a wszystko dlatego, że energia elektryczna została skierowana na wykonanie określonego pożądanego działania, takiego jak zapalenie ekranu lub zagotowanie wody.

Czy energia elektryczna jest potencjalna czy kinetyczna?

Jeśli wcześniej zajmowałeś się energią, wiesz, że energię można podzielić na dwie główne kategorie: potencjał i kinetyka. Energia potencjalna to zasadniczo energia zmagazynowana. Kiedy elektrony walencyjne atomów nie mogą skakać, atom ten jest w stanie utrzymać – i magazynować – energię potencjalną.

ciąg Java do jsona

Z drugiej strony, energia kinetyczna to zasadniczo energia, która się porusza lub porusza coś innego. Energia kinetyczna przenosi swoją energię na inne obiekty, aby wytworzyć siłę działającą na ten obiekt. W przypadku energii kinetycznej elektrony mogą swobodnie przemieszczać się pomiędzy powłokami walencyjnymi w celu wytworzenia energii elektrycznej. W ten sposób energia potencjalna zmagazynowana w atomie jest przekształcana w energię kinetyczną... i ostatecznie w energię elektryczną.

Czy zatem energia elektryczna jest potencjalna czy kinetyczna? Odpowiedź brzmi: jedno i drugie! Energia elektryczna nie może być jednak jednocześnie potencjalna i kinetyczna. Kiedy widzisz energię elektryczną wykonującą pracę nad innym obiektem, jest to energia kinetyczna, ale tuż przed wykonaniem tej pracy była to energia potencjalna.

Oto przykład. Kiedy ładujesz telefon, prąd przepływający z gniazdka ściennego do baterii telefonu to energia kinetyczna. Ale bateria jest zaprojektowana tak, aby przechowywać energię elektryczną do późniejszego wykorzystania. Ta utrzymywana energia to energia potencjalna, która może stać się energią kinetyczną, gdy będziesz gotowy, aby włączyć telefon i z niego skorzystać.

za pośrednictwem GIPHY

Elektromagnesy – takie jak ten powyżej – działają, ponieważ elektryczność i magnetyzm są ze sobą ściśle powiązane.
(Niesamowita nauka/ Giphy )

Co energia elektryczna ma wspólnego z magnetyzmem?

Prawdopodobnie bawiłeś się magnesem w pewnym momencie swojego życia, więc o tym wiesz magnesy to obiekty, które mogą przyciągać lub odpychać inne obiekty za pomocą pola magnetycznego.

Ale to, czego możesz nie wiedzieć, to to pola magnetyczne powstają w wyniku poruszania się ładunku elektrycznego. Magnesy mają bieguny, biegun północny i biegun południowy (nazywa się je dipolami). Bieguny te są naładowane przeciwnie, więc biegun północny jest naładowany dodatnio, a biegun południowy ujemnie.

Wiemy już, że atomy mogą być naładowane zarówno dodatnio, jak i ujemnie. Okazało się, że pola magnetyczne są generowane przez naładowane elektrony, które są ustawione w jednej linii! W tym przypadku atomy naładowane ujemnie i dodatnio naładowane są na różnych biegunach magnesu, co tworzy zarówno pole elektryczne, jak i I pole magnetyczne.

Ponieważ ładunki dodatnie i ujemne powstają w wyniku działania energii elektrycznej, oznacza to, że magnetyzm jest ściśle powiązany z układami energii elektrycznej. W rzeczywistości podobnie jest z większością interakcji między atomami i dlatego mamy elektromagnetyzm. Elektromagnetyzm to powiązane zależności między polami magnetycznymi i elektrycznymi.

za pośrednictwem GIPHY

Poniżej znajdziesz kilka mrożących krew w żyłach przykładów energii elektrycznej. #KolejnyŻart z Tatą
.gif'https://giphy.com.gif' rel='noopener'>Giphy )

Przykłady energii elektrycznej

Być może wciąż zastanawiasz się, jaka jest energia elektryczna w prawdziwym świecie? Nigdy strach! Mamy cztery świetne przykłady energii elektrycznej z życia wzięte dzięki czemu możesz dowiedzieć się więcej o energii elektrycznej w praktyce.

Przykład 1: Balon przyklejony do włosów

Jeśli kiedykolwiek byłeś na przyjęciu urodzinowym, prawdopodobnie próbowałeś sztuczki polegającej na pocieraniu balonu o głowę i przyklejaniu go do włosów. Kiedy zabierzesz balon, Twoje włosy będą unosić się za balonem, nawet jeśli będziesz trzymać go kilka centymetrów od głowy! Studenci fizyki wiedzą, że to nie tylko magia… to elektryczność statyczna.

Elektryczność statyczna jest jednym z rodzajów energii kinetycznej wytwarzanej przez energię elektryczną. Elektryczność statyczna ma miejsce, gdy dwie substancje są trzymane razem przez przeciwne siły . Nazywa się to statycznym, ponieważ przyciąganie utrzymuje oba obiekty razem, dopóki elektrony nie będą mogły wrócić na swoje pierwotne miejsca. Korzystając z tego, czego nauczyliśmy się do tej pory, przyjrzyjmy się bliżej, jak działa ta sztuczka.

Wiemy, że aby dwa atomy się przyciągnęły, muszą mieć przeciwne ładunki. Ale jeśli zarówno balon, jak i twoje włosy na początku są naładowane neutralnie, jak to się dzieje, że mają przeciwne ładunki? Mówiąc najprościej, pocierając balonem włosy, część wolnych elektronów przeskakuje z obiektu na obiekt , dzięki czemu twoje włosy będą miały ładunek dodatni, a balon ładunek ujemny.

Kiedy puścisz, balon jest tak przyciągany do twoich włosów, że próbuje utrzymać się na miejscu. Jeśli spróbujesz oddzielić przyciągnięte ładunki, twoje dodatnio naładowane włosy nadal będą próbowały pozostać przyczepione do ujemnego balonu, unosząc się w górę za pomocą kinetycznej energii elektrycznej!

Jednakże, ta atrakcja nie będzie trwać wiecznie. Ponieważ przyciąganie między balonem a włosami jest stosunkowo słabe, cząsteczki włosów i balonu będą próbowały znaleźć równowagę, przywracając pierwotną liczbę elektronów, co ostatecznie spowoduje utratę ładunku w miarę zdobywania lub utraty elektronów.

Przykład 2: Defibrylatory serca

Jeśli szukasz dobrych przykładów elektrycznych zarówno energii potencjalnej, jak i kinetycznej, nie szukaj dalej niż defibrylator. Defibrylatory uratowały tysiące istnień ludzkich, korygując nieregularne bicie serca w sytuacjach awaryjnych jak zatrzymanie akcji serca. Ale jak oni to robią?

Nic dziwnego, że defibrylatory czerpią swoje zdolności ratujące życie z energii elektrycznej. Defibrylatory zawierają dużo potencjalnej energii elektrycznej, która jest magazynowana w dwie płytki kondensatora defibrylatora . (Czasami nazywa się je łopatkami). Jedna z płytek jest naładowana ujemnie, a druga dodatnio.

Kiedy te płytki zostaną umieszczone w różnych miejscach na ciele, powstaje piorun elektryczny, który przeskakuje pomiędzy dwiema płytkami. Energia potencjalna staje się energią kinetyczną jako elektrony z płyty dodatniej pędzą do płyty ujemnej. Ten piorun przechodzi przez ludzkie serce i zatrzymuje sygnały elektryczne w mięśniu z nadzieją, że jego nieregularny wzór elektryczny powróci do normy.

Defibrylatory zawierają niezwykle potężną energię elektryczną, więc zachowaj ostrożność, jeśli kiedykolwiek znajdziesz się w ich pobliżu!

Przykład 3: Turbiny wiatrowe

Często umieszczane w odległych miejscach turbiny wiatrowe zamień naturalny wiatr w energię, którą można wykorzystać do zasilania naszych domów, technologii i nie tylko. Ale w jaki sposób turbina zmienia coś tak pozornie nieelektrycznego jak wiatr w użyteczną, zrównoważoną energię?

Java prywatna vs publiczna

W najbardziej podstawowym wydaniu turbiny wiatrowe zamieniają energię ruchu w energię elektryczną. Choć wyjaśnienie działania wiatru zasługuje na osobny wpis na blogu, warto wiedzieć, że gdy wiatr uderza w łopatki turbiny, obraca piastę wirnika jak wiatrak. Ta energia kinetyczna obraca element wewnętrzny, zwany gondolą, który zawiera generator elektryczny. Z kolei generator ten zamienia tę energię na energię elektryczną poprzez wymuszanie ładunków elektrycznych już obecny w generatorze, aby się poruszać, wytwarzając prąd elektryczny... który jest również energią elektryczną.

Ponieważ ten ruch jest kierowany przez przewodniki prądu elektrycznego, w szczególności przewody, ten przepływ opłat może być kontynuowany do większych sieci elektrycznych, takich jak domy, dzielnice, a nawet miasta.

Przykład 4: Baterie w zabawce dla dzieci

W ten sam sposób, w jaki turbina wiatrowa przekształca jeden rodzaj energii w inny, bateria w zabawce dla dzieci przetwarza energię, aby zabawka mogła działać. Baterie mają dwa końce, dodatni i ujemny. Ważne jest, aby odpowiednie końcówki umieścić w odpowiednich miejscach zabawki, w przeciwnym razie zabawka nie będzie działać.

Dodatni koniec ma – zgadliście! – ładunek dodatni, podczas gdy ujemny koniec ma ładunek ujemny. Oznacza to, że koniec ujemny ma znacznie więcej elektronów niż koniec dodatni akumulator jako całość próbuje osiągnąć równowagę. Sposób, w jaki to robią, jest ostateczny rozpoczynające się reakcje chemiczne gdy baterie zostaną umieszczone wewnątrz włączonej zabawki.

Koniec dodatni nie może po prostu dotrzeć do końca ujemnego ze względu na kwas oddzielający je we wnętrzu akumulatora. Zamiast, elektrony muszą przejść przez cały obwód zabawki aby dotrzeć do ujemnego końca, pozwalając lalce płakać lub latać zabawkowemu helikopterowi.

Kiedy wszystkie elektrony na dodatnim końcu osiągną równowagę, nie będzie już więcej elektronów, które mogłyby przejść przez okablowanie, co oznacza, że ​​nadszedł czas na nowe baterie!

Typowe jednostki energii elektrycznej

Chociaż studiowanie podstawowych definicji i zasad energii elektrycznej jest ważne, w miarę dalszego odkrywania energii elektrycznej będziesz musiał także znać pewne wzory i równania. Wiele z tych formuł używa tych samych symboli do oznaczenia poszczególnych jednostek.

W celach informacyjnych zamieściliśmy tabelę zawierającą niektóre z najpopularniejszych jednostek energii elektrycznej, a także znaczenie poszczególnych jednostek.

Źródło: https://www.electronics-tutorials.ws/dccircuits/electrical-energy.html

Chociaż w równaniach energii elektrycznej możesz potrzebować znacznie więcej jednostek, ta lista powinna Ci pomóc!

Wniosek: Oto, o czym należy pamiętać na temat energii elektrycznej

Udało Ci się przejść przyspieszony kurs energii elektrycznej i teraz możesz przystąpić do dowolnego egzaminu lub kursu, który sprawdzi Twoją wiedzę z fizyki elektrycznej. Jeśli jednak nie pamiętasz nic więcej, pamiętaj o tym podczas następnej lekcji energii elektrycznej:

• Definicja energii elektrycznej: zdolność do wykonywania pracy.
• Energia elektryczna pochodzi z przyciąganie lub odpychanie cząsteczek naładowanych ujemnie i dodatnio.
• Energia elektryczna jest zarówno energię potencjalną, jak i kinetyczną.
• Oto kilka przykładów energii elektrycznej defibrylator, akumulator i turbiny wiatrowe .

Mamy nadzieję, że wszystkie informacje zawarte na tym blogu pozytywnie Cię naładowały! Ucz się dalej, a w mgnieniu oka zostaniesz profesjonalistą w dziedzinie energii elektrycznej.

Co dalej?

Potrzebujesz dodatkowej pomocy z formułami z fizyki? W takim razie ta ściągawka z równaniami jest dokładnie tym, czego szukasz.

Czy myślisz o uczęszczaniu na więcej zajęć z fizyki w szkole średniej?Ukończenie studiów AP Physs może pomóc Ci w pogłębieniu umiejętności naukowych I zdobyć punkty w college'u. Dowiedz się więcej o AP Physics i różnicach pomiędzy AP Physics 1, 2 i C, w tym artykule.

Jeśli jesteś w IB Physics, zajmiemy się także Tobą.Oto rozkład programu kursu i nasze zestawienie najlepszych dostępnych podręczników do nauki IB Physics.