Pogosta vprašanja: Kaj je elektrika?

Vadnica o tem, kako nastaja električna energija in od kod prihaja.

KazaloRazširi

• Kaj je elektrika?
• Kako se uporablja transformator?
• Kako se proizvaja elektrika?
• Kako se turbine uporabljajo za proizvodnjo električne energije?
• Drugi viri generiranja
• Kako se meri električna energija?

skozi žarilno nitko teče elektrika, posledično žarilna nitka začne svetiti in oddajati svetlobo. Oliver Cleve/Getty Images

Kaj je elektrika?

Elektrika je oblika energije. Elektrika je tok elektronov. Vsa snov je sestavljena iz atomov in atom ima središče, imenovano jedro. Jedro vsebuje pozitivno nabite delce, imenovane protoni, in nenabite delce, imenovane nevtroni. Jedro atoma je obdano z negativno nabitimi delci, imenovanimi elektroni. Negativni naboj elektrona je enak pozitivnemu naboju protona, število elektronov v atomu pa je običajno enako številu protonov. Ko zunanja sila poruši ravnotežno silo med protoni in elektroni, lahko atom pridobi ali izgubi elektron. Ko se elektroni 'izgubijo' iz atoma, prosto gibanje teh elektronov tvori električni tok.

Elektrika je osnovni del narave in je ena naših najpogosteje uporabljanih oblik energije. Električno energijo, ki je sekundarni vir energije, pridobivamo s pretvorbo drugih virov energije, kot so premog, zemeljski plin, nafta, jedrska energija in drugi naravni viri, ki jih imenujemo primarni viri. Mnoga mesta so bila zgrajena ob slapovih (primarni vir mehanske energije), ki so vrteli vodna kolesa za opravljanje dela. Preden se je začela proizvodnja električne energije pred nekaj več kot 100 leti, so bile hiše osvetljene s petrolejskimi svetilkami, hrana se je hladila v zamrzovalnikih, prostori pa so se greli s pečmi na drva ali premog. Začenši z Benjamina Franklina eksperimentirali z zmajem neke nevihtne noči v Philadelphii, so se načela elektrike postopoma razumela. Sredi 19. stoletja se je življenje vseh spremenilo z izumom elektrike žarnica . Pred letom 1879 je bila električna energija uporabljena v obločnih lučeh za zunanjo razsvetljavo. Izum žarnice je uporabil elektriko za osvetlitev notranjih prostorov v naših domovih.

Kako se uporablja transformator?

Da bi rešili problem pošiljanja električne energije na velike razdalje, George Westinghouse razvil napravo, imenovano transformator. Transformator je omogočal učinkovit prenos električne energije na velike razdalje. To je omogočilo oskrbo z električno energijo domov in podjetij, ki so oddaljena od elektrarne.

Kljub njenemu velikemu pomenu v vsakdanjem življenju večina od nas le redko pomisli, kakšno bi bilo življenje brez elektrike. Vendar kot zrak in vodo tudi elektriko jemljemo za samoumevno. Vsak dan uporabljamo elektriko za opravljanje številnih funkcij - od razsvetljave in ogrevanja/hlajenja naših domov do vira energije za televizorje in računalnike. Elektrika je nadzorovana in priročna oblika energije, ki se uporablja pri uporabi toplote, svetlobe in moči.

Danes je elektroenergetska industrija Združenih držav (ZDA) vzpostavljena tako, da zagotavlja zadostno oskrbo z električno energijo za izpolnjevanje vseh zahtev povpraševanja v danem trenutku.

Kako se proizvaja elektrika?

Električni generator je naprava za pretvarjanje mehanske energije v električna energija . Postopek temelji na odnos med magnetizmom in elektriko . Ko se žica ali kateri koli drug električno prevoden material premika čez magnetno polje, se v žici pojavi električni tok. Veliki generatorji, ki jih uporablja elektroindustrija, imajo stacionarni vodnik. Magnet, pritrjen na konec vrteče se gredi, je nameščen znotraj mirujočega prevodnega obroča, ki je ovit z dolgim ​​neprekinjenim kosom žice. Ko se magnet vrti, inducira majhen električni tok v vsakem odseku žice, ko prehaja. Vsak del žice predstavlja majhen ločen električni prevodnik. Vsi majhni tokovi posameznih odsekov se seštejejo v en tok precejšnje velikosti. Ta tok se uporablja za električno energijo.

Kako se turbine uporabljajo za proizvodnjo električne energije?

Električna elektrarna uporablja turbino, motor, vodno kolo ali drug podoben stroj za pogon električnega generatorja ali naprave, ki pretvarja mehansko ali kemično energijo v elektriko. Parne turbine, motorji z notranjim zgorevanjem, plinske turbine, vodne turbine in vetrne turbine so najpogostejši načini pridobivanja električne energije.

Večino električne energije v ZDA proizvedejo v parne turbine . Turbina pretvarja kinetično energijo premikajoče se tekočine (tekočine ali plina) v mehansko energijo. Parne turbine imajo niz lopatic, nameščenih na gredi, proti kateri se potiska para, s čimer se vrti gred, povezana z generatorjem. V parni turbini na fosilna goriva se gorivo sežge v peči za segrevanje vode v kotlu za proizvodnjo pare.

Premog, nafta (nafta) in zemeljski plin se sežigajo v velikih pečeh, da segrejejo vodo in tvorijo paro, ki nato potiska lopatice turbine. Ali ste vedeli, da je premog največji primarni vir energije, ki se uporablja za proizvodnjo električne energije v Združenih državah? Leta 1998 je več kot polovica (52 %) od 3,62 bilijona kilovatnih ur električne energije v okrožju uporabljala premog kot vir energije.

Poleg tega, da se zemeljski plin sežge za ogrevanje vode za paro, se lahko sežge tudi za proizvodnjo vročih zgorevalnih plinov, ki gredo neposredno skozi turbino in vrtijo lopatice turbine za proizvodnjo električne energije. Plinske turbine se običajno uporabljajo, ko je povpraševanje po električni energiji veliko. Leta 1998 je zemeljski plin pridobival 15 % električne energije v državi.

Nafta se lahko uporablja tudi za proizvodnjo pare za vrtenje turbine. Ostanek kurilnega olja, produkt, rafiniran iz surove nafte, je pogosto naftni produkt, ki se uporablja v električnih obratih, ki uporabljajo nafto za proizvodnjo pare. Nafta je bila uporabljena za proizvodnjo manj kot treh odstotkov (3 %) vse električne energije, proizvedene v električnih elektrarnah v ZDA leta 1998.

Jedrska energija je metoda, pri kateri se para proizvaja s segrevanjem vode s postopkom, imenovanim jedrska cepitev. V jedrski elektrarni reaktor vsebuje sredico jedrskega goriva, predvsem obogatenega urana. Ko atome uranovega goriva zadenejo nevtroni, se cepijo (razcepijo), pri čemer se sprosti toplota in več nevtronov. Pod nadzorovanimi pogoji lahko ti drugi nevtroni zadenejo več atomov urana, razcepijo več atomov itd. Pri tem lahko pride do neprekinjene cepitve, ki tvori verižno reakcijo, pri kateri se sprošča toplota. Toplota se uporablja za pretvorbo vode v paro, ta pa vrti turbino, ki proizvaja elektriko. Leta 2015 je jedrska energija uporabljena za proizvodnjo 19,47 odstotka vse električne energije v državi.

Od leta 2013 hidroenergija predstavlja 6,8 odstotka proizvodnje električne energije v ZDA. To je proces, pri katerem se tekoča voda uporablja za vrtenje turbine, povezane z generatorjem. Obstajata predvsem dve osnovni vrsti hidroelektričnih sistemov, ki proizvajajo električno energijo. V prvem sistemu se tekoča voda kopiči v zbiralnikih, ki nastanejo z uporabo jezov. Voda teče skozi cev, imenovano cevovod, in pritiska na lopatice turbine, da poganja generator za proizvodnjo električne energije. V drugem sistemu, imenovanem pretočni sistem, sila rečnega toka (namesto padajoče vode) izvaja pritisk na lopatice turbine za proizvodnjo električne energije.

Drugi viri generiranja

Geotermalna energija izvira iz toplotne energije, ki je zakopana pod površjem zemlje. Na nekaterih območjih države teče magma (staljena snov pod zemeljsko skorjo) dovolj blizu površja zemlje, da segreje podzemno vodo v paro, ki jo je mogoče črpati za uporabo v obratih s parnimi turbinami. Od leta 2013 ta vir energije proizvede manj kot 1 % električne energije v državi, čeprav ocena U. S. Energy Information Administration kaže, da lahko devet zahodnih zveznih držav potencialno proizvede dovolj električne energije za oskrbo z 20 odstotki državnih potreb po energiji.

Sončna energija izhaja iz energije sonca. Vendar pa sončna energija ni ves čas na voljo in je močno razpršena. Postopki, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije z uporabo sončne energije, so bili v preteklosti dražji od uporabe običajnih fosilnih goriv. Fotovoltaična pretvorba proizvaja električno energijo neposredno iz sončne svetlobe v fotovoltaični (sončni) celici. Sončno-termalni električni generatorji uporabljajo sevalno energijo sonca za proizvodnjo pare za pogon turbin. Leta 2015 je bil manj kot 1 % električne energije v državi dobavljen s sončno energijo.

Vetrna energija izhaja iz pretvorbe energije, ki jo vsebuje veter, v električno energijo. Vetrna energija je tako kot sonce običajno drag vir proizvodnje električne energije. Leta 2014 je bil uporabljen za približno 4,44 odstotka električne energije v državi. Vetrna turbina je podobna tipičnemu mlinu na veter.

Biomasa (les, komunalni odpadki (smeti) in kmetijski odpadki, kot so koruzni storži in pšenična slama, so nekateri drugi viri energije za proizvodnjo električne energije. Ti viri nadomeščajo fosilna goriva v kotlu. Pri zgorevanju lesa in odpadkov nastaja para, ki se običajno uporablja v običajnih parno-električnih obratih Leta 2015 je biomasa predstavljala 1,57 odstotka električne energije, proizvedene v Združenih državah.

Električna energija, ki jo proizvede generator, potuje po kablih do transformatorja, ki spremeni električno energijo iz nizke v visoko napetost. Električno energijo je mogoče učinkoviteje prenašati na velike razdalje z uporabo visoke napetosti. Prenosni vodi se uporabljajo za prenos električne energije do transformatorske postaje. Podpostaje imajo transformatorje, ki spreminjajo visokonapetostno elektriko v nižjo napetost. Od transformatorske postaje distribucijski vodi prenašajo elektriko v domove, pisarne in tovarne, ki potrebujejo nizkonapetostno električno energijo.

Kako se meri električna energija?

Električna energija se meri v enotah moči, imenovanih vati. Imenovan je bil v čast James Watt , izumitelj parni motor . En vat je zelo majhna količina moči. Za eno konjsko moč bi potrebovali skoraj 750 vatov. Kilovat predstavlja 1000 vatov. Kilovatna ura (kWh) je enaka energiji 1000 vatov, ki delujejo eno uro. Količina električne energije, ki jo proizvede elektrarna ali porabi odjemalec v določenem časovnem obdobju, se meri v kilovatnih urah (kWh). Kilovatne ure se določijo tako, da se število potrebnih kW pomnoži s številom ur uporabe. Na primer, če uporabljate 40-vatno žarnico 5 ur na dan, ste porabili 200 vatov moči ali 0,2 kilovatne ure električne energije.

Več na Elektrika: Zgodovina, elektronika in znani izumitelji