Energia electrică este capacitatea unui circuit electric de a produce lucru prin crearea unei acțiuni. Această acțiune poate lua multe forme, cum ar fi termice, electromagnetice, mecanice, electrice, etc. Energia electrică poate fi atât creată de la baterii, generatoare, dinamuri, și fotovoltaice, etc. cât și stocată pentru o utilizare viitoare, folosind pile de combustie, baterii, condensatoare sau câmpuri magnetice etc. Astfel, energia electrică poate fi creată sau stocată.

Ne amintim din clasele noastre științifice școlare că „Legea conservării energiei” afirmă că energia nu poate fi creată sau distrusă, ci doar convertită. Dar pentru ca energia să facă orice lucru util, ea trebuie convertită dintr-o formă în altceva. De exemplu, un motor convertește energia electrică în energie mecanică sau cinetică (de rotație), în timp ce un generator convertește energia cinetică înapoi în energie electrică pentru a alimenta un circuit.

Adică mașinile electrice convertesc sau schimbă energia de la o formă la alta făcând lucru. Un alt exemplu este o lampă, bec sau LED (diodă emițătoare de lumină) care convertește energia electrică în energie luminoasă și energie termică. Atunci energia electrică este foarte versatilă, deoarece poate fi ușor convertită în multe alte forme diferite de energie.

Pentru ca energia electrică să miște electroni și să producă un flux de curent într-un circuit, trebuie să fie făcut lucru, adică electronii trebuie să se deplaseze cu o anumită distanță printr-un fir sau conductor. Lucrul efectuat este stocat în fluxul de electroni ca energie. Astfel, „Lucrul” este numele pe care îl dăm procesului de energie.

Prin urmare, putem spune că Lucrul și Energia sunt efectiv aceleași, deoarece energia poate fi definită ca „abilitatea de a face un lucru”. Rețineți că lucrul făcut sau energia transferată se aplică în mod egal unui sistem mecanic sau unui sistem termic, ca și unui sistem electric. Acest lucru se datorează faptului că energiile mecanică, termică și electrică sunt interschimbabile.

Energie electrică: Voltul

După cum știm acum că energia este capacitatea de a face lucru, unitatea standard utilizată pentru energie (și lucru) este Joule. Un joule de energie este definit ca energia consumată de un amper la un volt, care se mișcă într-o secundă. Curentul electric rezultă din mișcarea sarcinii electrice (electroni) într-un circuit, dar pentru a muta sarcina de la un nod la altul, trebuie să existe o forță care să creeze lucrul pentru a muta sarcina și există: tensiunea.

Tindem să gândim la tensiunea (V) ca fiind existentă între două terminale, puncte sau noduri diferite dintr-un circuit sau baterie. Dar tensiunea este importantă, deoarece oferă lucrul necesar pentru a muta sarcina de la un punct la altul, fie într-o direcție înainte, fie în direcție inversă. Tensiunea sau diferența de potențial între două terminale sau puncte este definită ca având o valoare de un volt, atunci când un joule de energie este utilizat în deplasarea unui coulomb de sarcină electrică între aceste două terminale.

Cu alte cuvinte, diferența de tensiune între două puncte sau terminale este lucrul necesar în Jouli pentru a muta un Coulomb de sarcină de la A la B. Prin urmare, tensiunea poate fi exprimată ca fiind:

Unitatea de tensiune

unde: tensiunea este în Volți, J este lucrul sau energia în Jouli și C este sarcina în Coulombi. Astfel, dacă J = 1 joule, C = 1 coulomb, atunci V va fi egal cu 1 volt.

Exemplu nr. 1 de energie electrică

Care este tensiunea terminală a unei baterii care cheltuie 135 de jouli de energie pentru a deplasa 15 coulombi de sarcină într-un circuit electric.

Putem vedea în acest exemplu că fiecare coulomb de sarcină posedă o energie de 9 jouli.

Energie electrică: amperul

Am văzut că unitatea de sarcină electrică este Coulomb și că fluxul de sarcină electrică într-un circuit este utilizat pentru a reprezenta un flux de curent. Dar, deoarece simbolul pentru un coulomb este litera „C“, acesta poate fi confundat cu simbolul pentru capacitate, care este și el litera „C“.

Pentru a evita această confuzie, simbolul obișnuit utilizat pentru sarcina electrică este litera mare „Q” sau litera mică „q“, care reprezintă practic cantitatea. Astfel Q = 1 coulomb de sarcină sau Q = 1C. Rețineți că sarcina Q poate fi pozitivă, +Q, sau negativă, -Q, adică un exces de goluri sau de electroni.

Fluxul de sarcină într-un circuit închis sub formă de electroni se numește curent electric. Dar, utilizarea expresiei „flux de sarcină” implică mișcare, deci pentru a produce un curent electric, sarcina trebuie să se miște. Acest lucru duce apoi la întrebarea: ce face ca sarcina să se miște?, și acest lucru este făcut de vechea noastră prietenă Tensiunea de mai sus.

Deci, tensiunea sau diferența de potențial între două puncte asigură energia electrică necesară pentru a deplasa sarcina în jurul unui circuit sub forma unui curent electric. Prin urmare, lucrul făcut pentru a muta sarcina este asigurat de o diferență de potențial și, dacă nu există diferență de potențial între două puncte, nu există mișcare de sarcină și, prin urmare, nu există flux de curent. De fapt, sarcina fără nici un flux sau mișcare se numește electricitate statică.

Dacă mișcarea sarcinii se numește curent electric, atunci putem spune corect că curentul este rata de mișcare (sau viteza de curgere) a sarcinii, dar câtă sarcină reprezintă un curent. Dacă selectăm un punct dintr-un circuit, orice punct, și măsurăm cantitatea de sarcină care curge prin acest punct în exact o secundă, acest lucru ne va da intensitatea curentului electric în amperi, (A).

Astfel, un amper de curent este egal cu un coulomb de sarcină care trece printr-un punct dat într-o unitate de secundă și cu cât este mai multă sarcina pe secundă care trece prin acest punct, cu atât curentul va fi mai mare. Atunci putem defini un amper (A) de curent electric ca fiind egal cu un coulomb de sarcină pe secundă. Deci 1A = 1C/s

Unitatea Amper

unde: Q este sarcina (în coulombi) și t este intervalul de timp (în secunde) pe care se mișcă sarcina. Cu alte cuvinte, curentul electric are atât o magnitudine (cantitatea de sarcină), cât și o direcție specificată asociată cu el.

Rețineți că simbolul utilizat în mod obișnuit pentru curentul electric este litera mare „I“ sau „i” mic, ambele reprezentând intensitatea. Aceasta este intensitatea sau concentrația de sarcină care produce fluxul de electroni. Pentru un curent DC constant, se folosește în general litera mare „I”, în timp ce pentru un curent AC variabil în timp se utilizează în mod obișnuit litera mincă „i ”. Simbolul i(t) înseamnă o valoare de curent instantanee la acel moment exact în timp.

Uneori este mai ușor să vă amintiți această relație folosind o imagine. Aici cele trei cantități Q, I și t au fost suprapuse într-un triunghi ce reprezintă poziția reală a fiecărei mărimi în formula curentului.

Amperul

Transpunerea formulei standard de mai sus ne oferă următoarele combinații ale aceleiași ecuații:

Exemplu nr. 2 de energie electrică

1. Cât de mult curent circulă printr-un circuit dacă 900 de coulombi de sarcină trec printr-un punct dat în 3 minute.

2. Printr-un rezistor curge un curent electric de 3 Amperi. Câți coulombi de sarcină vor curge prin rezistor în 90 de secunde.

Energie electrică: Wattul

Puterea electrică este produsul celor două cantități, tensiune și curent și, prin urmare, poate fi definită ca rata la care lucrul este realizat în energia consumată. Am spus anterior că tensiunea asigură lucrul necesar în Jouli pentru a muta un Coulomb de sarcină de la A la B și că curentul este rata de mișcare (sau rata de curgere) a sarcinii. Deci, cum sunt aceste două definiții legate între ele.

Dacă tensiunea (V) este egală cu Jouli per Coulombi (V = J/C) și curentul (I) este egal cu sarcina (Coulombi) pe secundă (I = Q/t), atunci putem defini puterea electrică (P) ca fiind totalitatea acestor două cantități. Acest lucru se datorează faptului că puterea electrică poate, de asemenea, fi egală cu tensiune x curent, adică: P = V*I.

Wattul

Deci, putem vedea că puterea electrică este, de asemenea, rata la care lucrul este realizat în decurs de o secundă. Adică un joule de energie disipat într-o secundă. Deoarece puterea electrică este măsurată în wați (W), de aceea trebuie măsurată și în jouli pe secundă. Deci putem spune corect că: 1 watt = 1 joule pe secundă (J/s).

Putere electrică

1 watt (W) = 1 joule/secundă (J/s)

Deci, dacă 1 watt = 1 joule pe secundă, rezultă că: 1 joule de energie = 1 watt pe o unitate de timp, adică: Lucrul este egal cu puterea înmulțită cu timpul, (V*I*t joule). Deci, energia electrică (lucrul realizat) se obține înmulțind puterea cu timpul în secunde în care curge sarcina (sub forma unui curent). Astfel, unitățile de energie electrică depind de unitățile utilizate pentru putere electrică și timp. Deci, dacă măsurăm puterea electrică în kilowați (kW) și timpul în ore (h), atunci energia electrică consumată este egală cu kilowați*ore (kWh) sau pur și simplu: kilowatt-oră (kWh).

Exemplul nr. 3 de energie electrică

Un bec de 100 W este aprins doar o oră. Câți jouli de energie electrică au fost folosiți de lampă.

Energia electrică = Puterea x Timpul

Energia electrică = 100 x (60 x 60) = 360.000 jouli

Rețineți că, atunci când vă ocupați de joule ca unitate de energie electrică, este mai convenabil să-l prezentați în kilo-joule. Astfel, răspunsul poate fi dat ca: 360kJ. Deoarece un joule singur este o cantitate mică, kilojoule (kJ), mii de joule, megajoule (MJ), milioane de joule și chiar gigajoule (GJ), mii de milioane de joule, sunt toate unități practice ale energie electrica. Astfel, o unitate de electricitate care este de un kilowatt-oră (kWh) este echivalentă cu 3,6 megajoule (MJ).

De asemenea, deoarece un Watt este o cantitate atât de mică de energie electrică, kilowați (1 kW = 1.000 wați) și megawați (1 MW = 1 milion de wați) sunt utilizați în mod obișnuit pentru a identifica puterea de ieșire a echipamentelor și aparatelor electrice. Astfel putem vedea că kilowatul (sau megawattul) este o unitate de putere electrică, în timp ce kilowatul-oră este o unitate de energie electrică.