L'energia elèctrica és un concepte important que ajuda a fer funcionar el món tal com el coneixem. Només als Estats Units, la família mitjana utilitza 10.649 quilowatts hora (kWh) per any , que és prou energia elèctrica per preparar més de 120.000 pots de cafè!
Però entendre què és l'energia elèctrica i com funciona pot ser complicat. És per això que hem elaborat aquest article per ajudar-vos a il·luminar-vos! (Perdoneu la broma del nostre pare.)
Segueix llegint per aprendre tot sobre l'energia elèctrica, incloent:
- Definició d'energia elèctrica
- Com funciona l'energia elèctrica
- Si l'energia elèctrica és potencial o cinètica
- Exemples d'energia elèctrica
Quan acabis amb aquest article, coneixeràs l'essencial de l'energia elèctrica i podràs veure la seva influència al teu voltant.
Tenim molt per cobrir, així que anem a submergir-nos!
Definició d'energia elèctrica
Aleshores, què és l'energia elèctrica? En poques paraules, l'energia elèctrica és l'energia (tant cinètica com potencial) de les partícules carregades d'un àtom que es pot utilitzar per aplicar força i/o fer treball. Això vol dir que l'energia elèctrica té la capacitat de moure un objecte o provocar una acció .
L'energia elèctrica ens envolta de moltes formes diferents. Alguns dels millors exemples d'energia elèctrica són les bateries de cotxes que utilitzen energia elèctrica per alimentar els sistemes, els endolls de paret que transfereixen energia elèctrica per carregar els nostres telèfons i els nostres músculs utilitzen energia elèctrica per contraure's i relaxar-se!
L'energia elèctrica és definitivament important per al nostre dia a dia, però també hi ha molts altres tipus d'energia . L'energia tèrmica, l'energia química, l'energia nuclear, l'energia lluminosa i l'energia sonora són només alguns dels altres tipus d'energia principals. Tot i que hi pot haver una certa superposició dels tipus d'energia (com una presa de corrent que proporciona llum a una làmpada que produeix una petita quantitat de calor), és important tenir en compte que els tipus d'energia actuen de manera diferent els uns dels altres , encara que ells es pot convertir en altres tipus d'energia .
Aquest vídeo explicatiu ràpid sobre l'electricitat és una gran introducció sobre què és l'energia elèctrica i com funciona.
Com funciona l'energia elèctrica?
Ara que ja sabeu què és l'energia elèctrica, parlarem d'on prové l'energia elèctrica.
Si has estudiat física abans, potser sabeu que l'energia no es pot crear ni destruir. Encara que pugui semblar que els resultats de l'energia elèctrica provenen del no-res, l'energia en a llamp o d'una sessió de footing una sèrie de canvis a nivell molecular. Tot comença amb els àtoms.
Els àtoms contenen tres parts principals : neutrons, protons i electrons. El nucli, o el centre de l'àtom, està format per neutrons i protons. Els electrons envolten el nucli en capses. Les capes d'electrons semblen anells o camins orbitals que envolten el nucli.
(AG César/ Viquimèdia )
El nombre de closques que té un àtom depèn de moltes coses, inclòs el tipus d'àtom i si està carregat positivament, negativament o neutrement. Però aquí hi ha la part important pel que fa a l'energia elèctrica: els electrons de la capa més propera al nucli tenen una forta atracció cap al nucli, però aquesta connexió es debilita a mesura que es mou cap a la closca més externa. La capa més externa d'un àtom es coneix com a capa de valència... i els electrons d'aquesta capa es coneixen com a electrons de valència!
Com que els electrons de valència només estan feblement connectats a l'àtom, realment es poden forçar fora de les seves òrbites quan entren en contacte amb un altre àtom. Aquests electrons poden saltar de la capa exterior del seu àtom d'origen a la capa exterior del nou àtom. Quan això passa, produeix energia elèctrica.
Llavors, com saps quan un àtom està preparat per guanyar o perdre electrons per crear energia elèctrica? Només cal fer una ullada als electrons de valència. Un àtom només pot tenir vuit electrons de valència a la seva capa exterior, també coneguda com a octet. Si un àtom té tres o menys electrons de valència, és més probable que perdi electrons a un altre àtom. Quan un àtom perd electrons fins al punt que els seus protons superen els seus electrons, es converteix en un carregat positivament catió .
De la mateixa manera, els àtoms que tenen una capa de valència gairebé completa (amb sis o set electrons de valència) tenen més probabilitats de guany electrons per tenir un octet complet. Quan un àtom guanya electrons fins al punt que els electrons superen en nombre els protons de l'àtom, es converteix en un carregat negativament anió .
Independentment de si un àtom guanya o perd electrons, el actuar del moviment d'electrons d'un àtom a un altre produeix energia elèctrica . Aquesta energia elèctrica es pot utilitzar en forma d'electricitat per fer coses com alimentar els aparells de casa teva o fer funcionar un marcapassos. Però també pot ser convertit en altres tipus d'energia , com l'energia tèrmica d'una torradora que està connectada a una paret.
Creus que l'energia elèctrica i l'electricitat són el mateix? No exactament! L'electricitat és només un resultat de l'energia elèctrica.
Energia elèctrica vs electricitat
Tot i que aquests termes sonen semblants, energia elèctrica i electricitat no són el mateix . Tot i que tota l'electricitat és el resultat de l'energia elèctrica, no tota l'energia elèctrica és electricitat.
D'acord amb Acadèmia Khan , l'energia es defineix com la mesura de la capacitat d'un objecte per fer treball. En física, el treball és l'energia a un objecte per moure un objecte Com hem parlat a l'últim apartat, L'energia elèctrica prové del moviment d'electrons entre àtoms, que crea una transferència d'energia... també coneguda com a treball. Aquest treball genera energia elèctrica, que es mesura en Joules.
Tingueu en compte que l'energia elèctrica pot ser convertit a tota mena d'altres tipus d'energia , com l'energia tèrmica d'una torradora que està connectada a una paret. Aquesta energia tèrmica crea calor que és el que converteix el vostre pa en torrat! Així, mentre que l'energia elèctrica llauna es converteix en electricitat, no ho fa tenir a!
Quan el flux d'electrons d'energia elèctrica es canalitza a través d'un conductor, com un cable, es converteix en electricitat. Aquest moviment d'una càrrega elèctrica és anomenat corrent elèctric (i es mesura en watts). Aquests corrents, completats a través circuits elèctrics , pot alimentar els nostres televisors, fogons i molt més, tot perquè l'energia elèctrica es va dirigir a produir una acció desitjada en particular, com il·luminar la pantalla o bullir l'aigua.
L'energia elèctrica és potencial o cinètica?
Si heu estudiat l'energia abans, sabeu que l'energia es pot dividir en dues categories principals diferents: potencial i cinètic. L'energia potencial és essencialment energia emmagatzemada. Quan els electrons de valència dels àtoms no salten, aquest àtom és capaç de contenir i emmagatzemar energia potencial.
desavantatges de la banca en línia
Per altra banda, L'energia cinètica és essencialment energia que es mou o mou una altra cosa. L'energia cinètica transfereix la seva energia a altres objectes per generar força sobre aquest objecte. En l'energia cinètica, els electrons són lliures de moure's entre capes de valència per tal de crear energia elèctrica. Així, l'energia potencial emmagatzemada en aquest àtom es converteix en energia cinètica... i, finalment, en energia elèctrica.
Llavors, l'energia elèctrica és potencial o cinètica? La resposta és totes dues! Tanmateix, l'energia elèctrica no pot ser alhora potencial i cinètica. Quan veieu que l'energia elèctrica actua en un altre objecte, és cinètica, però just abans de poder fer aquest treball, era energia potencial.
Aquí teniu un exemple. Quan esteu carregant el telèfon, l'electricitat que passa de la presa de corrent a la bateria del telèfon és energia cinètica. Però una bateria està dissenyada per contenir l'electricitat per utilitzar-la més tard. Aquesta energia retinguda és energia potencial, que es pot convertir en energia cinètica quan esteu preparat per encendre el telèfon i utilitzar-lo.
Els electroimants, com el de dalt, funcionen perquè l'electricitat i el magnetisme estan estretament relacionats.
(Ciència sorprenent/ Giphy )
Què té a veure l'energia elèctrica amb el magnetisme?
Probablement has jugat amb un imant en algun moment de la teva vida, així que ho saps Els imants són objectes que poden atreure o repel·lir altres objectes amb un camp magnètic.
Però el que potser no saps és això Els camps magnètics són causats per una càrrega elèctrica en moviment. Els imants tenen pols, un pol nord i un pol sud (s'anomenen dipols). Aquests pols tenen càrrega oposada, de manera que el pol nord està carregat positivament i el pol sud està carregat negativament.
Ja sabem que els àtoms també poden tenir càrrega positiva i negativa. Resulta que Els camps magnètics són generats per electrons carregats que estan alineats entre si! En aquest cas, els àtoms carregats negativament i els àtoms carregats positivament es troben a diferents pols d'un imant, la qual cosa crea tant un i un camp magnètic.
Com que les càrregues positives i negatives són el resultat de l'energia elèctrica, això vol dir que el magnetisme està estretament relacionat amb els sistemes d'energia elèctrica. De fet, també ho són la majoria de les interaccions entre àtoms, per això tenim electromagnetisme. L'electromagnetisme són les relacions interrelacionades entre els camps magnètics i elèctrics.
Fes una ullada a alguns exemples d'energia elèctrica que creixen els cabells a continuació. #AnotherDadJoke
.gif'https://giphy.com.gif' rel='noopener'>Giphy )
Exemples d'energia elèctrica
Encara us podeu preguntar com és l'energia elèctrica al món real? No tinguis por! Tenim quatre grans exemples d'energia elèctrica de la vida real perquè pugueu aprendre més sobre l'energia elèctrica a la pràctica.
Exemple 1: un globus enganxat al teu cabell
Si alguna vegada has anat a una festa d'aniversari, és probable que hagis provat el truc en què et fregues un globus al cap i enganxar-lo als cabells. Quan treus el globus, els teus cabells flotaran després del globus, fins i tot mentre el mantens a pocs centímetres del teu cap! Els estudiants de física saben que això no és només màgia... és electricitat estàtica.
L'electricitat estàtica és un dels tipus d'energia cinètica produïda per l'energia elèctrica. L'electricitat estàtica es produeix quan hi ha dues substàncies unides per forces oposades . S'anomena estàtic perquè l'atracció manté els dos objectes junts fins que es permet que els electrons tornin als seus llocs originals. Utilitzant el que hem après fins ara, mirem més de prop com funciona aquest truc.
Sabem que, perquè dos àtoms s'atraguin, han de tenir càrregues oposades. Però si tant el globus com el teu cabell comencen amb una càrrega neutra, com arriben a tenir càrregues oposades? En poques paraules, quan fregueu el globus contra el vostre cabell, alguns dels electrons lliures salten d'objecte a objecte , fent que el teu cabell tingui una càrrega positiva i el globus una càrrega negativa.
Quan el deixes anar, el globus se sent tan atret pel teu cabell que intenta mantenir-se al seu lloc. Si intenteu separar les càrregues atretes, el vostre cabell carregat positivament intentarà mantenir-se unit al globus negatiu flotant cap amunt utilitzant aquesta energia elèctrica cinètica.
Malgrat això, aquesta atracció no durarà per sempre. Com que l'atracció entre el globus i el teu cabell és relativament feble, les molècules del teu cabell i el globus intentaran buscar l'equilibri tot recuperant el seu nombre original d'electrons, fent-los finalment perdre les seves càrregues a mesura que guanyen o perden els electrons.
Exemple 2: Desfibril·ladors cardíacs
Si busqueu bons exemples elèctrics d'energia potencial i cinètica, no busqueu més que el desfibril·lador. Els desfibril·ladors han salvat milers de vides corregint els batecs irregulars del cor en situacions d'emergència com una aturada cardíaca. Però com ho fan?
No és sorprenent, desfibril·ladors obtenen les seves capacitats de salvament de l'energia elèctrica. Els desfibril·ladors contenen molta energia potencial elèctrica que s'emmagatzema al dues plaques del condensador del desfibril·lador . (De vegades es coneixen com a pales.) Una de les plaques està carregada negativament, mentre que l'altra està carregada positivament.
Quan aquestes plaques es col·loquen en diferents llocs del cos, es crea un cargol elèctric que salta entre les dues plaques. L'energia potencial es converteix en energia cinètica com els electrons de la placa positiva es dirigeixen cap a la placa negativa. Aquest forrellat travessa el cor humà i atura els seus senyals elèctrics dins del múscul amb l'esperança que el seu patró elèctric irregular es reiniciï a la normalitat.
Els desfibril·ladors contenen energia elèctrica extremadament potent, així que aneu amb compte si mai us trobeu!
Exemple 3: Aerogeneradors
Sovint es col·loquen en llocs allunyats, turbines eòliques convertir el vent natural en energia que es pot utilitzar per alimentar les nostres llars, tecnologia i molt més. Però, com transforma una turbina una cosa que aparentment no és elèctrica com el vent en energia utilitzable i sostenible?
En el seu aspecte més bàsic, Els aerogeneradors converteixen l'energia del moviment en energia elèctrica. Tot i que explicar com funciona el vent mereix una publicació pròpia al blog, el que cal saber és que quan el vent colpeja les pales de la turbina, fa girar el cub del rotor com un molí de vent. Aquesta energia cinètica fa girar un component intern, anomenat góndola, que conté un generador elèctric. Al seu torn, aquest generador converteix aquesta energia en energia elèctrica mitjançant forçant càrregues elèctriques ja present al generador per moure's, creant un corrent elèctric... que també és electricitat.
Com que aquest moviment es canalitza a través de conductors elèctrics, concretament cables, aquest flux de càrregues pot continuar a xarxes elèctriques més grans, com ara cases, barris i fins i tot ciutats.
Exemple 4: piles en una joguina infantil
De la mateixa manera que un aerogenerador converteix un tipus d'energia en un altre, una bateria d'una joguina infantil converteix l'energia per tal que la joguina funcioni. Les bateries tenen dos extrems, un positiu i un negatiu. És important posar els extrems correctes als llocs adequats de la joguina, en cas contrari no funcionarà.
L'extrem positiu té —ja ho endevineu!— una càrrega positiva, mentre que l'extrem negatiu té una càrrega negativa. Això vol dir que l'extrem negatiu té molts més electrons que l'extrem positiu, i la bateria en conjunt està intentant arribar a l'equilibri. La manera com ho fan és a través reaccions químiques que s'inicien quan les piles es col·loquen dins d'una joguina que estigui encesa.
L'extrem positiu no pot arribar simplement a l'extrem negatiu a causa de l'àcid que els separa a l'interior de la bateria. En canvi, els electrons han de passar per tot el circuit de la joguina per arribar a l'extrem negatiu, permetent que un ninot plori o un helicòpter de joguina volar.
Quan tots els electrons de l'extrem positiu han arribat a l'equilibri, no hi ha més electrons per passar pel cablejat, la qual cosa significa que és hora de noves bateries!
rom
Unitats comuns d'energia elèctrica
Tot i que és important estudiar la definició i els principis bàsics de l'energia elèctrica, també haureu de conèixer algunes fórmules i equacions mentre continueu explorant l'energia elèctrica. Moltes d'aquestes fórmules utilitzen els mateixos símbols per significar unitats particulars.
Hem inclòs una taula d'algunes de les unitats d'energia elèctrica més habituals per a la vostra referència, així com el que significa cada unitat.
| Unitat de mesura | Símbol | Definició |
| Joule | J | La quantitat de treball que s'està fent |
| Volt electrònic | eV | L'energia exercida sobre un electró a través d'un volt. |
| Voltatge | EN | Diferència de potencial entre dos punts |
| Coulomb | C, o Q, o q quan s'utilitza en la mateixa fórmula que la capacitat. | La quantitat de càrrega elèctrica |
| Capacitat | C (Aneu amb compte, ja que això sol ser confús!) | Capacitat d'un conductor per emmagatzemar energia potencial elèctrica |
| Ampere | A | Comunament anomenat amperatge, l'amper és la unitat de mesura que mesura la força d'un corrent en un conductor. |
| Segon | s | Els segons són una mesura de temps que s'utilitza habitualment per determinar la força d'altres unitats d'energia. |
| Hores | h | Les hores són una mesura de temps que s'utilitza habitualment per determinar la força d'altres unitats d'energia. |
| Megawatt | MW | 1.000.000 watts |
| Quilowatt | kW | 1.000 watts |
| Watt | EN | La velocitat a la qual l'energia produeix treball |
Font: https://www.electronics-tutorials.ws/dccircuits/electrical-energy.html
Tot i que hi ha moltes més unitats que necessiteu a les vostres equacions d'energia elèctrica, aquesta llista us hauria de començar!
Conclusió: aquí teniu el que cal recordar sobre l'energia elèctrica
Heu superat el vostre curs intensiu sobre energia elèctrica i ara ja esteu preparat per fer front a qualsevol examen o curs que posarà a prova els vostres coneixements de física elèctrica. Tanmateix, si no recordeu res més, tingueu-ho en compte a la vostra propera lliçó d'energia elèctrica:
- Definició de l'energia elèctrica: la capacitat de realitzar el treball.
- L'energia elèctrica prové del atracció o repulsió de molècules carregades positivament i negativament.
- L'energia elèctrica és energia potencial i cinètica.
- Alguns exemples d'energia elèctrica són un desfibril·lador, una bateria i aerogeneradors .
Esperem que hagis estat carregat positivament amb tota la informació d'aquest bloc! Segueix estudiant i, en molt poc temps, seràs un professional de l'energia elèctrica.
Que segueix?
Necessites una mica d'ajuda addicional amb les teves fórmules de Física? Aleshores, aquest full de trampes d'equacions és exactament el que esteu buscant.
Estàs pensant a fer més classes de física a l'institut?Fer AP Physics us pot ajudar a aprofundir en les vostres habilitats científiques i guanyar crèdit universitari. Obteniu més informació sobre AP Physics i les diferències entre AP Physics 1, 2 i C en aquest article.
Si ets a Física de l'IB, també t'oferim.Aquí teniu un desglossament del temari del curs , i aquí teniu el nostre resum de les millors guies d'estudi de Física de l'IB que hi ha.