Energia elektryczna

311

Energia elektryczna – energia układu ładunków elektrycznych stacjonarnych (energia elektrostatyczna) lub ruchomych (energia elektrodynamiczna). Energia elektryczna może być przekształcona w energię promieniowania elektromagnetycznego (żarówki, diody świecące, urządzenia grzewcze) lub mechanicznego (silniki elektryczne, głośniki). W praktyce, energia elektryczna jest zazwyczaj rozumiana jako energia prądu elektrycznego.

Z tego artykułu dowiesz się:

  1. Prąd elektryczny
  2. Źródła prądu elektrycznego
  3. Natężenie prądu elektrycznego (prąd elektryczny)
  4. Napięcie elektryczne
  5. Energia prądu elektrycznego
  6. Praca i moc prądu elektrycznego
  7. Prawa związane z prądem elektrycznym
  8. Prąd stały i zmienny

Energia elektryczna

Prąd elektryczny to ukierunkowany przepływ ładunków elektrycznych w środowisku przewodzącym pod wpływem pola elektrycznego (napięcie przyłożone) – jest to tzw. prąd przewodzący (przewodnictwo elektryczne).

Wielkość charakteryzująca przewodność elektryczną jest to przewodność elektryczna (konduktywność). Przewodność elektryczna zależy m.in. od temperatury, natężenia pola magnetycznego, ciśnienia zewnętrznego i warunków oświetleniowych.

Ze względu na wartość przewodności elektrycznej (σ) wszystkie ciała można podzielić na:

  • przewodniki – ciała o dobrej przewodności elektrycznej;
  • półprzewodniki – korpusy, których przewodność elektryczna ma wartość pośrednią pomiędzy przewodnikami a izolatorami;
  • izolatory (dielektryki) – korpusy o małej przewodności elektrycznej.

Wyróżnia się następujące rodzaje przewodności elektrycznej:

  • elektrony – nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony (w przewodnikach);
  • dziurowe – nośnikami ładunków elektrycznych są elektrony poruszające się w paśmie walencyjnym (w półprzewodnikach);
  • jonowe – nośnikami ładunków elektrycznych są jony (w cieczach);
  • mieszane – nośnikami ładunków elektrycznych są elektrony i jony (w gazach).

Źródła prądu elektrycznego

Prąd w przewodach płynie od wyższego do niższego potencjału. Za kierunek przepływu prądu elektrycznego przyjmuje się umownie kierunek przepływu ładunków dodatnich. Aby przepływ prądu był możliwy, musi istnieć źródło prądu w obwodzie zamkniętym, które zasila nośniki ładunków w kierunku przeciwnym do roboczego pola elektrycznego energią. Źródłem prądu elektrycznego są ogniwa (galwaniczne, fotoelektryczne, termoelektryczne) oraz generatory elektryczne.

Natężenie prądu elektrycznego (prąd elektryczny)

Natężenie prądu elektrycznego (I) jest to stosunek ładunku elektrycznego (dq) przenoszonego przez naładowane cząstki (nośniki) przez dany przekrój poprzeczny przewodnika do czasu przepływu ładunku (dt):

I=dq/dt [A]

Natężenie prądu stałego jest wyrażane za pomocą wzoru:

I=q/t [A]

Jednostką prądu elektrycznego jest wzmacniacz (A). Do pomiaru prądu używa się urządzenia zwanego amperomierzem.

Napięcie elektryczne

Napięcie elektryczne jest definiowane jako stosunek pracy (W) wykonanej przez siły pola elektrycznego podczas przenoszenia ładunku elektrycznego pomiędzy dwoma wybranymi punktami w polu (A, B), do wartości tego ładunku (q):

UAB=W/q [V]

Jednostką prądu elektrycznego jest Volt (V). Do pomiaru napięcia elektrycznego stosuje się urządzenie zwane woltomierzem.

Energia prądu elektrycznego

Energia prądu elektrycznego jest to energia, którą prąd elektryczny przekazuje do odbiornika wykonującego pracę lub zamienia ją na inny rodzaj energii. Energia elektryczna (E) jest definiowana jako iloczyn napięcia na odbiorniku (U), prądu przepływającego przez odbiornik (I) oraz czasu przepływu prądu przez odbiornik (t):

E=U∙I∙t

Zużycie energii elektrycznej jest mierzone w kilowatogodzinach (kWh). Do pomiaru zużycia energii elektrycznej stosuje się urządzenie zwane licznikiem energii elektrycznej.

Praca i moc prądu elektrycznego

Przenoszenie ładunku elektrycznego w obwodzie wymaga pracy. Prąd elektryczny (W) jest definiowany jako iloczyn wartości ładunku (q) i napięcia elektrycznego (U):

W=q∙U [J]

Jednostką pracy prądu elektrycznego jest Joule (J).

Moc prądu elektrycznego (P) jest to praca (W), którą prąd elektryczny wykonuje w jednostce czasu (t):

P=W/t [W]

Jednostką mocy prądu elektrycznego jest wat (W).

Prawa związane z prądem elektrycznym

Pierwsze prawo Kirchhoffa dotyczy przepływu prądu elektrycznego w gałęziach obwodu elektrycznego. Prawo to zakłada, że suma natężenia prądu płynącego do węzła jest równa sumie natężenia prądu wypływającego z węzła.

Drugie prawo Kirchhoffa (prawo napięciowe) odnosi się do zamkniętych obwodów elektrycznych prądu stałego. Zgodnie z tym prawem suma spadków napięcia przy rezystancji jest równa sumie sił elektromotorycznych występujących w obwodzie elektrycznym.

Prawo Oma zakłada, że prąd przepływający przez przewodnik jest wprost proporcjonalny do napięcia przyłożonego do końcówek przewodu.

Dla prądu stałego proporcjonalność napięcia (U) i prądu (I) może być wyrażona za pomocą wzoru:

U=I∙R

Gdzie:
R – współczynnik proporcjonalności (opór elektryczny)

Prąd stały i zmienny

Prąd stały charakteryzuje się stałą wartością prądu i kierunkiem przepływu ładunków elektrycznych. Prąd stały jest dostarczany do większości układów elektronicznych (z baterii lub akumulatora) lub poprzez zasilacze sieciowe (dla urządzeń zasilanych z sieci).

Prąd zmienny charakteryzuje się zmiennością wartości prądu w czasie, może to być prąd okresowo zmienny (pulsujący, przemienny) zmieniający się zgodnie z określoną funkcją matematyczną lub zjawiskiem fizycznym, lub prąd nieperiodyczny z dowolnymi zmianami prądu.