Sähköenergia syntyy sähkövarauksen liikkeestä, ja sitä kutsutaan yleisesti “sähköksi”. Viime kädessä sen alkuperä on sähkömagneettinen voima: yksi neljästä luonnonvoimasta ja se, joka on vastuussa sähköisesti varautuneiden esineiden käyttäytymisestä. Sähköenergia on seurausta subatomisten hiukkasten vuorovaikutuksesta tämän voiman kanssa. Sähkö ilmenee luonnonilmiöissä, kuten salamoissa, ja on välttämätöntä perustason elämälle. Ihmisten kyky tuottaa, siirtää ja varastoida sähköä on ratkaisevan tärkeää nykyaikaiselle teollisuudelle, tekniikalle ja useimmissa maissa kotitalouksille.
Sähköenergian alkuperä
Sähkövarauksia on kahta tyyppiä, nimeltään positiivinen ja negatiivinen. Jos kaksi sähköisesti ladattua esinettä tuodaan lähelle toisiaan, ne kokevat voiman. Jos varaukset ovat samat – molemmat positiivisia tai molemmat negatiivisia – voima työntää esineet pois toisistaan. Jos heillä on erilaisia maksuja, he houkuttelevat toisiaan. Tämä vastenmielisyys tai vetovoima tunnetaan sähkömagneettisena voimana, ja se voidaan hyödyntää sähköenergian virtauksen luomiseksi.
Atomit koostuvat ytimestä, joka sisältää positiivisesti varautuneita protoneja ja joiden ympärillä kiertää negatiivisesti varautuneita elektroneja. Protonit pysyvät normaalisti paikallaan ytimessä, mutta elektronit voivat siirtyä atomista atomiin, jolloin ne voivat virrata sähköä johtavien materiaalien, kuten metallien, läpi. Paikassa, jossa protonien päällä on liikaa elektroneja, on negatiivinen varaus; alijäämäinen paikka saa positiivisen varauksen. Koska vastakkaiset varaukset houkuttelevat toisiaan, elektronit virtaavat negatiivisesti varautuneelta alueelta positiivisesti varautuneelle alueelle, jos sallitaan niin tehdä, jolloin syntyy sähkövirta.
Sähköenergian käyttö
Sähkö on hyödyllistä sekä itsessään että keinona siirtää energiaa pitkiä matkoja. Se on välttämätöntä erilaisille teollisille prosesseille, tietoliikenteelle ja Internetille, tietokoneille, televisioille ja monille muille yleisesti käytettäville laitteille. Se voidaan myös muuntaa muuksi energiamuodoksi käytettäväksi monissa muissa sovelluksissa.
Kun sähkövirta virtaa johtimen läpi, se tuottaa tietyn määrän lämpöä. Tuotettu määrä riippuu siitä, kuinka hyvin materiaali johtaa sähköä. Hyvä kapellimestari, kuten kupari, tuottaa hyvin vähän. Tästä syystä kuparijohtimia ja -kaapeleita käytetään yleisesti sähkön siirtämiseen: kun lämpöä tuotetaan, energia häviää, joten hyvä johdin minimoi energiahäviöt. Materiaalit, jotka johtavat sähköä huonosti, tuottavat enemmän lämpöä, joten niitä käytetään yleensä esimerkiksi sähkölämmittimissä, liesissä ja uuneissa.
Sähköenergia voidaan myös muuntaa valoksi. Varhaiset kaarivalot riippuivat pienen raon poikki kulkevasta sähköpurkauksesta ilman lämmittämiseksi siihen paikkaan, jossa se hehkuu – sama periaate kuin salama. Myöhemmin hehkulamppu otettiin käyttöön: tämä perustuu virtaan, joka saa aikaan ohuen, kelatun langan hehkumisen valkoisena. Nykyaikaiset, energiansäästölamput kuljettavat suurjännitevirran ohuen kaasun läpi, jolloin se säteilee ultraviolettivaloa, joka iskee fluoresoivaan pinnoitteeseen tuottaakseen näkyvää valoa.
Kun johtavaa materiaalia, kuten kuparilankaa, siirretään magneettikentässä, syntyy virta. Sitä vastoin langan läpi kulkeva virta aiheuttaa magneettikentän liikettä. Tämä on sähkömoottorin periaate. Nämä laitteet koostuvat magneettien ja kuparilankakelan järjestelystä siten, että kun virta virtaa langan läpi, syntyy kääntyvä liike. Sähkömoottoreita käytetään laajalti teollisuudessa ja kotona, esimerkiksi pesukoneissa ja DVD -soittimissa.
Sähköenergian mittaaminen
Energia mitataan jouleina, termi on nimetty fyysikon James Prescott Joulen mukaan. Yksi joule on suunnilleen energiamäärä, joka tarvitaan nostamaan 0.45 kilogramman painoinen paino 22.9 cm: n pystysuoralle etäisyydelle. Yleensä on kuitenkin helpompaa ajatella sähköä teholla, joka on energia jaettuna ajalla tai sen virtausnopeudella. Tämä antaa mahdollisesti tutumman watin yksikön, joka on nimetty tiedemies James Wattin mukaan. Yksi watti vastaa yhtä joulea sekunnissa.
On olemassa useita muita yksiköitä, jotka liittyvät sähköön. Coulomb on sähkövarauksen yksikkö. Sitä voidaan pitää elektronimääränä – 1.6 x 1019 – koska kaikilla elektroneilla on sama, hyvin pieni varaus. Ampeeri, yleensä lyhennettynä “amp”, on sähkövirran yksikkö tai tietyn ajan kuluessa virtaavien elektronien määrä. Yksi vahvistin vastaa yhtä kultaa sekunnissa.
Voltti on sähkömoottorivoiman yksikkö tai energiamäärä, joka siirretään latausyksikköä kohti, tai kulta. Yksi voltti vastaa yhtä joulea energiaa siirrettäessä kullekin varauskululle. Teho watteina vastaa volttia kerrottuna ampeereilla, joten viiden ampeerin virta 100 voltilla vastaa 500 wattia.
Sähköenergian tuottaminen
Suurin osa sähköstä tuotetaan laitteilla, jotka muuttavat pyörimisliikkeen sähköenergiaksi samalla periaatteella kuin sähkömoottori, mutta päinvastoin. Lankakelan liike magneettikentässä tuottaa sähkövirran. Yleensä lämpöä, joka usein syntyy fossiilisten polttoaineiden polttamisesta, käytetään höyryn tuottamiseen, joka antaa turbiinille pyörivän liikkeen. Ydinvoimalassa ydinvoima tuottaa lämpöä. Vesivoima käyttää veden liikettä painovoiman vaikutuksesta turbiinin ajamiseen.
Voimalaitoksilla tuotettu sähkö on yleensä vaihtovirtaa (AC). Tämä tarkoittaa sitä, että virta kääntää suuntaa jatkuvasti monta kertaa sekunnissa. Useimmissa tapauksissa AC toimii hyvin, ja näin sähkö saapuu kotiin. Jotkin teolliset prosessit vaativat kuitenkin tasavirtaa (DC), joka virtaa vain yhteen suuntaan. Esimerkiksi tiettyjen kemikaalien valmistuksessa käytetään elektrolyysiä: yhdisteiden jakamista alkuaineiksi tai yksinkertaisempia yhdisteitä käyttäen sähköä. Tämä vaatii tasavirtaa, joten nämä teollisuudenalat tarvitsevat joko vaihtovirta -tasavirta -muunnoksen tai niillä on oma tasavirtalähde.
On tehokkaampaa siirtää sähköä voimalinjojen kautta korkeammilla jännitteillä. Tästä syystä tuotantolaitokset käyttävät muuntajiksi kutsuttuja laitteita siirtojännitteen lisäämiseksi. Tämä ei lisää energiaa tai tehoa: kun jännitettä nostetaan, virta pienenee ja päinvastoin. Sähkönsiirto pitkillä etäisyyksillä tapahtuu tuhansilla voltteilla; sitä ei kuitenkaan voida käyttää kodeissa näillä jännitteillä. Paikalliset muuntajat vähentävät jännitteen noin 110 volttiin Yhdysvalloissa ja 220-240 volttiin Euroopassa kotitalouksien tarvikkeisiin.
Pienten, pienitehoisten laitteiden sähkö saadaan usein paristoista. Nämä käyttävät kemiallista energiaa suhteellisen pienen sähkövirran tuottamiseen. Ne tuottavat aina tasavirtaa, ja siksi niillä on negatiivinen ja positiivinen pääte. Elektronit virtaavat negatiivisesta positiiviseen napaan, kun piiri on valmis.