Elektryczność — definicja, zasada działania, źródła i zastosowania

Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych, które naciskają i ciągną na siebie: ładunki dodatnie i ujemne. Ładunki elektryczne naciskają lub ciągną na siebie, jeśli nie dotykają się. Jest to możliwe, ponieważ każdy ładunek tworzy wokół siebie pole elektryczne. Pole elektryczne to obszar, który otacza ładunek. W każdym punkcie w pobliżu ładunku, pole elektryczne wskazuje w określonym kierunku. Jeśli w tym miejscu pojawi się ładunek dodatni, zostanie on przesunięty w tym kierunku. Jeśli w tym miejscu pojawi się ładunek ujemny, zostanie on przesunięty w dokładnie przeciwnym kierunku.

Działa on jak magnesy, a w rzeczywistości elektryczność wytwarza pole magnetyczne, w którym podobne ładunki odpychają się od siebie i przyciągają przeciwstawne ładunki. Oznacza to, że gdybyście umieścili dwa negatywy blisko siebie i puścili je w ruch, rozeszłyby się one. To samo odnosi się do dwóch ładunków dodatnich. Ale jeśli umieścisz ładunek dodatni i ujemny blisko siebie, będą one przyciągać się do siebie. Krótka droga do zapamiętania to jest wyrażenie przeciwieństwa przyciągają jak odpychają.

Cała materia we wszechświecie składa się z maleńkich cząstek o dodatnim, ujemnym lub neutralnym ładunku. Ładunki dodatnie nazywane są protonami, a ujemne - elektronami. Protony są znacznie cięższe od elektronów, ale oba mają taką samą ilość ładunku elektrycznego, z tą różnicą, że protony są dodatnie, a elektrony ujemne. Ponieważ "przeciwieństwa przyciągają", protony i elektrony trzymają się razem. Kilka protonów i elektronów może tworzyć większe cząstki zwane atomami i molekułami. Atomy i molekuły są wciąż bardzo małe. Są zbyt małe, by je zobaczyć. Każdy duży obiekt, taki jak twój palec, ma w sobie więcej atomów i cząsteczek niż ktokolwiek może zliczyć. Możemy tylko oszacować, ile ich jest.

Ponieważ elektrony ujemne i protony dodatnie trzymają się razem, tworząc duże obiekty, wszystkie duże obiekty, które widzimy i czujemy, są elektrycznie neutralne. Elektrycznie jest to słowo oznaczające "elektryczność", a neutralny to słowo oznaczające "zrównoważony". Dlatego też nie czujemy obiektów pchających i ciągnących nas na odległość, jak to by było gdyby wszystko było naładowane elektrycznie. Wszystkie duże obiekty są elektrycznie neutralne, ponieważ na świecie jest taka sama ilość dodatniego i ujemnego ładunku. Można powiedzieć, że świat jest dokładnie zrównoważony, albo neutralny. Naukowcy wciąż nie wiedzą, dlaczego tak jest.

Elektrony mogą poruszać się po całym materiale. Protony nigdy nie poruszają się wokół stałych obiektów, ponieważ są tak ciężkie, przynajmniej w porównaniu z elektronami. Materiał, który pozwala elektronom poruszać się wokół niego, nazywany jest przewodnikiem. Materiał, który utrzymuje każdy elektron szczelnie na swoim miejscu nazywany jest izolatorem. Przykładami przewodników są miedź, aluminium, srebro i złoto. Przykładami izolatorów są: guma, plastik i drewno. Miedź jest bardzo często używana jako przewodnik, ponieważ jest to bardzo dobry przewodnik i jest go tak wiele na świecie. Miedź znajduje się w przewodach elektrycznych. Ale czasami używa się też innych materiałów.

Wewnątrz przewodnika elektrony odbijają się dookoła, ale długo nie idą w jednym kierunku. Jeśli pole elektryczne zostanie ustawione wewnątrz przewodnika, elektrony zaczną poruszać się w kierunku przeciwnym do kierunku, w którym pole jest skierowane (ponieważ elektrony są naładowane ujemnie). Akumulator może wytworzyć pole elektryczne wewnątrz przewodnika. Jeśli oba końce kawałka przewodu są podłączone do dwóch końcówek akumulatora (zwanych elektrodami), wykonana pętla nazywana jest obwodem elektrycznym. Elektrony będą płynąć wokół i wokół obwodu tak długo, jak długo bateria będzie wytwarzać pole elektryczne wewnątrz przewodu. Ten przepływ elektronów wokół obwodu nazywany jest prądem elektrycznym.

Przewód służący do przenoszenia prądu elektrycznego jest często owinięty w izolator, np. gumę. Jest to spowodowane tym, że przewody przewodzące prąd są bardzo niebezpieczne. Jeśli człowiek lub zwierzę dotknie gołego przewodu przewodzącego prąd, może zostać zraniony lub nawet umrzeć, w zależności od tego, jak silny był prąd i ile energii elektrycznej jest przekazywany przez ten prąd. Należy zachować ostrożność wokół gniazdek elektrycznych i nieosłoniętych przewodów, które mogą przewodzić prąd.

Istnieje możliwość podłączenia urządzenia elektrycznego do obwodu tak, aby przez urządzenie przepływał prąd elektryczny. Prąd ten będzie przekazywał energię elektryczną, aby urządzenie zrobiło coś, co chcemy, aby zrobiło. Urządzenia elektryczne mogą być bardzo proste. Dla przykładu, w żarówce, prąd przenosi energię przez specjalny przewód zwany żarnikiem, który sprawia, że świeci. Urządzenia elektryczne mogą być również bardzo skomplikowane. Energia elektryczna może być wykorzystana do napędzania silnika elektrycznego wewnątrz narzędzia, np. wiertarki lub ostrzałki do ołówków. Energia elektryczna jest również wykorzystywana do zasilania nowoczesnych urządzeń elektronicznych, takich jak telefony, komputery i telewizory.

Niektóre terminy związane z energią elektryczną

Oto kilka określeń, z którymi można się zetknąć badając sposób działania energii elektrycznej. Studiowanie elektryczności i tego, w jaki sposób umożliwia ona tworzenie obwodów elektrycznych nazywane jest elektroniką. Istnieje dziedzina inżynierii zwana elektrotechniką, w której ludzie wymyślają nowe rzeczy używając elektryczności. Wszystkie te pojęcia są dla nich ważne, aby je poznać.

• Prąd jest to ilość ładunku elektrycznego, który płynie. Kiedy 1 kłębek prądu elektrycznego przechodzi gdzieś w ciągu 1 sekundy, natężenie prądu wynosi 1 amper. Aby zmierzyć prąd w jednym punkcie, używamy amperomierza.

• Napięcie, zwane również "różnicą potencjałów", to "pchnięcie" za prąd. Jest to ilość pracy na jeden ładunek elektryczny, jaką może wykonać źródło energii elektrycznej. Kiedy 1 kula energii elektrycznej ma 1 dżul energii, to będzie miała 1 volt potencjału elektrycznego. Aby zmierzyć napięcie pomiędzy dwoma punktami, używamy woltomierza.

• Oporność to zdolność substancji do "spowolnienia" przepływu prądu, czyli do zmniejszenia prędkości przepływu ładunku przez substancję. Jeśli napięcie elektryczne o wartości 1 Volt utrzymuje prąd o natężeniu 1 ampera przez przewód, to oporność przewodu wynosi 1 ohm - to się nazywa prawem Ohma. Gdy przepływ prądu jest przeciwny, energia "zużywa się", co oznacza, że jest zamieniana na inne formy (takie jak światło, ciepło, dźwięk lub ruch).

• Energia elektryczna to zdolność do wykonywania pracy za pomocą urządzeń elektrycznych. Energia elektryczna jest właściwością "zachowawczą", co oznacza, że zachowuje się jak substancja i może być przenoszona z miejsca na miejsce (na przykład po medium transmisyjnym lub w baterii). Energia elektryczna jest mierzona w dżulach lub kilowatogodzinach (kWh).

• Moc elektryczna to tempo, w jakim energia elektryczna jest zużywana, magazynowana lub przesyłana. Przepływ energii elektrycznej wzdłuż linii energetycznych mierzony jest w watach. Jeżeli energia elektryczna jest przetwarzana na inną formę energii, jest ona mierzona w watach. Jeżeli część z nich jest przekształcana, a część magazynowana, mierzy się ją w woltoamperach, a jeżeli jest magazynowana (jak w polach elektrycznych lub magnetycznych), mierzy się ją w woltoamperach reaktywnych.

Energia elektryczna jest wytwarzana głównie w miejscach zwanych elektrowniami. Większość elektrowni wykorzystuje ciepło do zagotowania wody w parę, która zamienia silnik parowy. Turbina silnika parowego zamienia maszynę nazywaną "generatorem". Wewnątrz generatora znajdują się zwijane druty, które obracają się w polu magnetycznym. Powoduje to przepływ energii elektrycznej przez druty, przenosząc energię elektryczną. Proces ten nazywany jest indukcją elektromagnetyczną. Michael Faraday odkrył, jak to zrobić.

Istnieje wiele źródeł ciepła, które mogą być wykorzystane do wytwarzania energii elektrycznej. Źródła ciepła można podzielić na dwa rodzaje: odnawialne źródła energii, w których zaopatrzenie w energię cieplną nigdy się nie kończy oraz nieodnawialne źródła energii, w których zaopatrzenie zostanie ostatecznie zużyte.

Czasami naturalny przepływ, taki jak energia wiatru lub wody, może być użyty bezpośrednio do obrócenia generatora, więc nie jest potrzebne ciepło.