Sähköenergia on tärkeä käsite, joka auttaa hallitsemaan maailmaa sellaisena kuin me sen tunnemme. Pelkästään Yhdysvalloissa keskimääräinen perhe käyttää 10 649 kilowattituntia (kWh) vuodessa , joka riittää sähköenergian keittämiseen yli 120 000 kattilaa kahvia!

Mutta sähköenergian ja sen toiminnan ymmärtäminen voi olla hankalaa. Siksi olemme koonneet tämän artikkelin auttaaksemme sinua valaisemaan sinua! (Anteeksi isämme vitsi.)

Jatka lukemista saadaksesi lisätietoja sähköenergiasta, mukaan lukien:

• Sähköenergian määritelmä
• Kuinka sähköenergia toimii
• Jos sähköenergia on potentiaalista tai kineettistä
• Esimerkkejä sähköenergiasta

Kun olet lukenut tämän artikkelin, tiedät sähköenergian olennaiset osat ja pystyt näkemään sen vaikutuksen ympärilläsi.

Meillä on paljon katettavaa, joten sukeltakaamme sisään!

Sähköenergian määritelmä

Joten mitä on sähköenergia? Lyhyesti sanottuna sähköenergia on atomin varautuneiden hiukkasten energiaa (sekä kineettistä että potentiaalista), jota voidaan käyttää voiman kohdistamiseen ja/tai työn tekemiseen. Se tarkoittaa sitä sähköenergialla on kyky siirtää esinettä tai aiheuttaa toiminnan .

Sähköenergiaa on ympärillämme monissa eri muodoissa. Joitakin parhaita sähköenergian esimerkkejä ovat auton akut, jotka käyttävät sähköenergiaa järjestelmien tehostamiseen, seinäpistorasiat, jotka siirtävät sähköenergiaa puhelimiemme lataamiseen, ja lihaksemme sähköenergiaa supistumiseen ja rentoutumiseen!

Sähköenergia on ehdottomasti tärkeä jokapäiväisessä elämässämme, mutta siellä on myös paljon muuta energiaa . Lämpöenergia, kemiallinen energia, ydinenergia, valoenergia ja äänienergia ovat vain joitain muista tärkeimmistä energiatyypeistä. Vaikka energiatyypit saattavat olla päällekkäisiä (kuten seinäpistorasia, joka antaa valoa lampulle, joka tuottaa pienen määrän lämpöä), on tärkeää huomata, että energiatyypit toimivat erillään toisistaan , vaikka he voidaan muuntaa muun tyyppiseksi energiaksi .

Tämä sähköä käsittelevä nopea selitysvideo on loistava pohjustus siitä, mitä sähköenergia on ja miten se toimii.

Miten sähköenergia toimii?

Nyt kun tiedät mitä sähköenergia on, käsittelemme sähköenergian alkuperää.

Jos olet opiskellut fysiikka aiemmin saatat tietää, että energiaa ei voida luoda eikä tuhota. Vaikka saattaa vaikuttaa siltä, ​​että sähköenergian tulokset tulevat tyhjästä, energia a salama tai lenkkeilysessio tulevat sarja muutoksia molekyylitasolla. Kaikki alkaa atomeista.

Atomit sisältävät kolme pääosaa : neutronit, protonit ja elektronit. Ydin tai atomin keskus koostuu neutroneista ja protoneista. Elektronit kiertävät ydintä kuorissa. Elektronikuoret näyttävät tavallaan renkailta tai kiertoradalta, jotka kiertävät ytimen.

(AG Caesar/ Wikimedia )

Atomilla olevien kuorien määrä riippuu monista asioista, mukaan lukien atomin tyypistä ja siitä, onko se positiivisesti, negatiivisesti vai neutraalisti varautunut. Mutta tässä on tärkeä osa sähköenergiasta: ydintä lähimpänä olevan kuoren elektroneilla on voimakas vetovoima ytimeen, mutta tämä yhteys heikkenee, kun siirryt ulos uloimpaan kuoreen. Atomin uloin kuori tunnetaan valenssikuorena... ja sen kuoren elektronit tunnetaan valenssielektroneina!

Koska valenssielektronit ovat vain heikosti yhteydessä atomiin, ne voidaan itse asiassa pakottaa ulos niiden kiertoradoista kun ne joutuvat kosketuksiin toisen atomin kanssa. Nämä elektronit voivat hypätä kotiatominsa ulkokuoresta uuden atomin ulkokuoreen. Kun tämä tapahtuu, se tuottaa sähköenergiaa.

Joten mistä tiedät, milloin atomi on valmis saamaan tai menemään elektroneja sähköenergian luomiseksi? Katsokaa vain valenssielektroneja. Atomilla voi koskaan olla vain kahdeksan valenssielektronia ulkokuoressa, joka tunnetaan myös oktettina. Jos atomissa on kolme tai vähemmän valenssielektronia, se todennäköisemmin menettää elektroneja toiselle atomille. Kun atomi menettää elektroneja niin paljon, että sen protonit ovat enemmän kuin sen elektroneja, siitä tulee positiivisesti varautunut kationi .

Samoin atomit, joilla on lähes täysi valenssikuori (jossa on kuusi tai seitsemän valenssielektronia), ovat todennäköisemmin saada elektroneja, jotta saadaan täysi oktetti. Kun atomi saa elektroneja siihen pisteeseen, jossa elektroneja on enemmän kuin atomin protonit, siitä tulee negatiivisesti varautunut anioni .

Riippumatta siitä, saako atomi vai häviääkö elektroneja, the toimia elektronien liikkuminen atomista toiseen johtaa sähköenergiaan . Tätä sähköenergiaa voidaan käyttää sähkön muodossa esimerkiksi kodin laitteiden virtalähteenä tai sydämentahdistimen käyttämiseen. Mutta se voi myös olla muunnetaan muunlaiseksi energiaksi , kuten seinään kytketyn leivänpaahtimen lämpöenergia.

Luuletko, että sähkö ja sähkö ovat sama asia? Ei aivan! Sähkö on vain yksi tulos sähköenergiasta.

Sähkö vs sähkö

Vaikka nämä termit kuulostavat samanlaisilta, sähkö ja sähkö eivät ole sama asia . Vaikka kaikki sähkö on tulosta sähköenergiasta, kaikki sähköenergia ei ole sähköä.

Mukaan Khan Akatemia , energia määritellään mittaamaan esineen kykyä tehdä työtä. Fysiikassa työ on energiaa esineeseen sen siirtämiseksi. Kuten viime osiossa puhuimme, sähköenergia tulee elektronien liikkeestä atomien välillä, mikä saa aikaan energiansiirron...tunnetaan myös nimellä työ. Tämä työ tuottaa sähköenergiaa, joka mitataan jouleina.

Muista, että sähköenergia voi olla muunnetaan kaikenlaiseksi muuksi energiaksi , kuten seinään kytketyn leivänpaahtimen lämpöenergia. Tämä lämpöenergia luo lämpöä, mikä tekee leivästäsi paahtoleipää! Joten kun sähköenergiaa voi muuttuu sähköksi, siitä ei tule omistaa !

Kun sähköenergian elektronivirta kanavoidaan johtimen, kuten langan, läpi, siitä tulee sähköä. Tämä sähkövarauksen liike on kutsutaan sähkövirraksi (ja mitataan watteina). Nämä virrat, läpi sähköpiirit , voi antaa virtaa televisioihimme, liesituuleihimme ja paljon muuta, koska sähköenergia ohjattiin tietyn halutun toiminnon tuottamiseen, kuten näytön valaisemiseen tai veden keittämiseen.

Onko sähköinen energiapotentiaalinen vai kineettinen?

Jos olet tutkinut energiaa aiemmin, tiedät, että energia voi jakaa kahteen eri pääluokkaan: potentiaalinen ja kineettinen. Potentiaalinen energia on pohjimmiltaan varastoitunutta energiaa. Kun atomien valenssielektroneja estetään hyppäämästä ympäriinsä, tämä atomi pystyy pitämään - ja varastoimaan - potentiaalienergiaa.

istunto on vanhentunut

Toisaalta, liike-energia on pohjimmiltaan energiaa, joka liikuttaa tai siirtää jotain muuta. Kineettinen energia siirtää energiansa muihin esineisiin tuottaakseen voimaa kyseiseen esineeseen. Kineettisessä energiassa elektronit voivat liikkua vapaasti valenssikuorten välillä sähköenergian luomiseksi. Siten tuohon atomiin varastoitunut potentiaalinen energia muunnetaan kineettiseksi energiaksi...ja lopulta sähköenergiaksi.

Onko sähköenergia potentiaalinen vai kineettinen? Vastaus on molemmat! Sähköenergia ei kuitenkaan voi olla samanaikaisesti sekä potentiaalista että kineettistä. Kun näet sähköenergian tekevän työtä toisessa esineessä, se on kineettistä, mutta juuri ennen kuin se kykeni tekemään tuon työn, se oli potentiaalienergiaa.

Tässä on esimerkki. Kun lataat puhelinta, pistorasiasta puhelimen akkuun siirtyvä sähkö on liike-energiaa. Mutta akku on suunniteltu pitämään sähköä myöhempää käyttöä varten. Tämä pidätetty energia on potentiaalista energiaa, josta voi tulla kineettistä energiaa, kun olet valmis käynnistämään puhelimesi ja käyttämään sitä.

GIPHY:n kautta

Sähkömagneetit - kuten yllä oleva - toimivat, koska sähkö ja magnetismi liittyvät läheisesti toisiinsa.
(Amazing Science/ Giphy )

Mitä tekemistä sähköenergialla on magnetismin kanssa?

Olet luultavasti pelannut magneetilla jossain vaiheessa elämääsi, joten tiedät sen magneetit ovat esineitä, jotka voivat vetää puoleensa tai torjua muita esineitä magneettikentällä.

Mutta mitä et ehkä tiedä, on se magneettikentät johtuvat liikkuvasta sähkövarauksesta. Magneeteilla on navat, pohjoisnapa ja etelänapa (näitä kutsutaan dipoleiksi). Nämä navat ovat päinvastaisesti varautuneita - joten pohjoisnapa on positiivisesti varautunut ja etelänapa negatiivisesti varautunut.

Tiedämme jo, että atomit voivat olla myös positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita. Siitä käy ilmi magneettikenttiä synnyttävät varautuneet elektronit, jotka ovat linjassa toistensa kanssa! Tässä tapauksessa negatiivisesti varautuneet atomit ja positiivisesti varautuneet atomit ovat magneetin eri napoissa, mikä luo sekä sähköisen ja magneettikenttä.

Koska positiiviset ja negatiiviset varaukset ovat seurausta sähköenergiasta, tämä tarkoittaa, että magnetismi liittyy läheisesti sähköenergiajärjestelmiin. Itse asiassa niin ovat useimmat atomien väliset vuorovaikutukset, minkä vuoksi meillä on sähkömagnetismia. Sähkömagnetismi on magneetti- ja sähkökenttien välisiä suhteita.

GIPHY:n kautta

Katso alta joitain hiuksia nostattavia esimerkkejä sähköenergiasta. #ToinenIsävitsi
.gif'https://giphy.com.gif' rel='noopener'>Giphy )

Esimerkkejä sähköenergiasta

Saatat edelleen ihmetellä, millaista sähköenergia on todellisessa maailmassa? Älä koskaan pelkää! Meillä on neljä hienoa tosielämän sähköenergiaesimerkkiä niin voit oppia lisää sähköenergiasta käytännössä.

Esimerkki 1: Hiuksiisi tarttunut ilmapallo

Jos olet joskus ollut syntymäpäiväjuhlissa, olet todennäköisesti kokeillut temppua, jossa hierotaan ilmapalloa päähänsä ja kiinnitetään se hiuksiin. Kun otat ilmapallon pois, hiuksesi kelluvat ilmapallon jälkeen, vaikka pidät sitä tuuman päässä päästäsi! Fysiikan opiskelijat tietävät, että tämä ei ole vain taikuutta… se on staattista sähköä.

Staattinen sähkö on yksi sähköenergian tuottaman liike-energian tyypeistä. Staattista sähköä tapahtuu, kun kaksi ainetta on vastakkaisten voimien pitämänä yhdessä . Sitä kutsutaan staattiseksi, koska vetovoima pitää kaksi kohdetta yhdessä, kunnes elektronien annetaan siirtyä takaisin alkuperäisille paikoilleen. Tarkastellaanpa tarkemmin, miten tämä temppu toimii tähän mennessä oppimiemme tietojen perusteella.

Tiedämme, että jotta kaksi atomia vetäytyisi puoleensa, niillä on oltava vastakkaiset varaukset. Mutta jos sekä ilmapallo että hiuksesi alkavat olla neutraalisti varautuneita, miten niillä on vastakkaiset varaukset? Yksinkertaisesti sanottuna, kun hierot ilmapalloa hiuksiasi vasten, osa vapaista elektroneista hyppää esineestä toiseen , saat hiuksillesi positiivisen varauksen ja ilmapallon negatiivisen varauksen.

Kun päästät irti, ilmapallo houkuttelee hiuksiasi niin paljon, että se yrittää pitää itsensä paikoillaan. Jos yrität erottaa vedetyt varaukset, positiivisesti varautuneet hiuksesi yrittävät silti pysyä kiinni negatiivisessa ilmapallossa kellumalla ylöspäin käyttämällä tätä kineettistä sähköenergiaa!

Kuitenkin, tämä vetovoima ei kestä ikuisesti. Koska ilmapallon ja hiustesi välinen vetovoima on suhteellisen heikko, hiustesi ja ilmapallosi molekyylit yrittävät kumpikin etsiä tasapainoa palauttamalla alkuperäisen elektronimääränsä, jolloin ne lopulta menettävät varauksensa, kun ne saavat tai menettävät elektroneja.

Esimerkki 2: Sydändefibrillaattorit

Jos etsit hyviä sähköisiä esimerkkejä sekä potentiaalisesta että liike-energiasta, etsi vain defibrillaattori. Defibrillaattorit ovat pelastaneet tuhansia ihmishenkiä korjaamalla epäsäännöllisiä sydämenlyöntejä hätätilanteissa kuten sydänpysähdys. Mutta miten he tekevät sen?

Ei ole yllättävää, defibrillaattorit saavat hengenpelastuskykynsä sähköenergiasta. Defibrillaattorit sisältävät paljon sähköpotentiaalista energiaa, joka varastoituu defibrillaattoriin kaksi defibrillaattorin kondensaattorilevyä . (Näitä kutsutaan joskus meloiksi.) Toinen levyistä on varautunut negatiivisesti, kun taas toinen on positiivisesti varautunut.

Kun nämä levyt asetetaan eri paikkoihin rungossa, syntyy sähköpultti, joka hyppää kahden levyn väliin. Potentiaalienergiasta tulee kineettistä energiaa positiivisen levyn elektronit ryntäävät negatiiviselle levylle. Tämä pultti kulkee ihmisen sydämen läpi ja pysäyttää sen sähköiset signaalit lihakseen siinä toivossa, että sen epäsäännöllinen sähkökuvio palautuu normaaliksi.

Defibrillaattorit sisältävät erittäin voimakasta sähköenergiaa, joten ole varovainen, jos olet sellaisen lähellä!

vlc lataa youtube

Esimerkki 3: Tuulivoimalat

Sijoitetaan usein syrjäisiin paikkoihin, tuuliturbiiniin muuttaa luonnontuulen energiaksi, jota voidaan käyttää kodeissamme, teknologiassa ja monessa muussa. Mutta kuinka turbiini muuttaa jotain niin ei-sähköiseltä kuin tuuli käyttökelpoiseksi, kestäväksi energiaksi?

Alkeimmillään tuuliturbiinit muuttavat liikeenergian sähköenergiaksi. Vaikka tuulitoiminnan selittäminen ansaitsee oman blogikirjoituksensa, sinun on tiedettävä, että kun tuuli osuu turbiinin siipiin, se kääntää roottorin napaa kuin tuulimylly. Tämä kineettinen energia kääntää sisäisen komponentin, jota kutsutaan koneelliseksi ja joka sisältää sähkögeneraattorin. Tämä generaattori puolestaan ​​muuntaa tämän energian sähköenergiaksi pakottaa sähkövaraukset jo generaattorissa liikkuakseen, jolloin syntyy sähkövirtaa...joka on myös sähköä.

Koska tämä liike kanavoidaan sähköjohtimien, erityisesti johtojen, kautta, tämä maksuvirta voi jatkua suurempiin sähköverkkoihin, kuten koteihin, lähiöihin ja jopa kaupunkeihin.

Esimerkki 4: Lasten lelujen paristot

Samalla tavalla kuin tuuliturbiini muuntaa yhden energiatyypin toiseksi, lasten lelun akku muuntaa energiaa saadakseen lelun toimimaan. Akuilla on kaksi päätä, positiivinen ja negatiivinen. On tärkeää laittaa oikeat päät oikeisiin paikkoihin lelussa, muuten se ei toimi.

Positiivisella päässä on - arvasit sen! - positiivinen varaus, kun taas negatiivisella päässä on negatiivinen varaus. Tämä tarkoittaa, että negatiivisessa päässä on paljon enemmän elektroneja kuin positiivisessa päässä, ja koko akku yrittää päästä tasapainoon. Tapa, jolla he tekevät tämän, on läpi alkavat kemialliset reaktiot kun paristot asetetaan päälle kytketyn lelun sisään.

Positiivinen pää ei pääse yksinkertaisesti negatiiviseen päähän, koska happo erottaa ne akun sisällä. Sen sijaan, elektronien on käytävä läpi koko lelun piiri päästä negatiiviseen päähän, jolloin vauvanukke voi itkeä tai leluhelikopteri lentää.

Kun kaikki positiivisen pään elektronit ovat saavuttaneet tasapainon, johdotuksen läpi ei ole enää elektroneja, mikä tarkoittaa, että on aika hankkia uusia akkuja!

Sähköenergian yhteiset yksiköt

Vaikka sähköenergian perusmääritelmän ja -periaatteiden opiskelu on tärkeää, sinun on myös tiedettävä joitain kaavoja ja yhtälöitä, kun jatkat sähköenergian tutkimista. Monet näistä kaavoista käyttävät samoja symboleja merkitsemään tiettyjä yksiköitä.

Olemme lisänneet taulukon joistakin yleisimmistä sähköenergian yksiköistä ja niiden merkityksestä.

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

Vaikka saatat tarvita sähköenergian yhtälöissäsi monia muita yksiköitä, tämän luettelon pitäisi saada sinut alkuun!

Johtopäätös: Tässä on mitä muistaa sähköenergiasta

Olet käynyt läpi sähköenergian pikakurssin, ja nyt olet valmis suorittamaan minkä tahansa kokeen tai kurssin, joka testaa sähköfysiikkatietosi. Jos et kuitenkaan muista mitään muuta, pidä nämä mielessä seuraavassa sähköenergian oppitunnissa:

• Sähköenergian määritelmä: kykyä tehdä työtä.
• Sähköenergia tulee mm vetovoima tai vastenmielisyys negatiivisesti ja positiivisesti varautuneita molekyylejä.
• Sähköenergia on sekä potentiaalista että kineettistä energiaa.
• Muutama esimerkki sähköenergiasta defibrillaattori, akku ja tuuliturbiinit .

Toivomme, että olet positiivisesti latautunut kaikesta tämän blogin tiedosta! Jatka opiskelua, ja sinusta tulee hetkessä sähköenergian ammattilainen.

Mitä seuraavaksi?

Tarvitsetko hieman lisäapua fysiikan kaavoihisi? Sitten tämä yhtälöt-huijauslehti on juuri sitä mitä etsit.

Harkitsetko enemmän fysiikan tunteja lukiossa?AP Physicsin käyttäminen voi auttaa sinua syventämään tieteellisiä taitojasi ja ansaita korkeakoululuottoa. Lisätietoja AP Physicsistä ja AP Physics 1:n, 2:n ja C:n eroista on tässä artikkelissa.

Jos olet IB-fysiikassa, meillä on myös sinut.Tässä on erittely kurssin opetusohjelmasta, ja tässä on yhteenveto parhaista IB-fysiikan oppaista.