Elektrische Energie entsteht aus der Bewegung einer elektrischen Ladung und wird im Allgemeinen einfach als „Elektrizität“ bezeichnet. Letztlich hat sie ihren Ursprung in der elektromagnetischen Kraft: einer der vier Grundkräfte der Natur und diejenige, die für das Verhalten elektrisch geladener Objekte verantwortlich ist. Elektrische Energie ist das Ergebnis der Wechselwirkung subatomarer Teilchen mit dieser Kraft. Elektrizität manifestiert sich in Naturphänomenen wie Blitzen und ist grundlegend für das Leben. Die Fähigkeit des Menschen, Strom zu erzeugen, zu übertragen und zu speichern, ist für die moderne Industrie, Technologie und in den meisten Ländern für das häusliche Leben von entscheidender Bedeutung.
Der Ursprung der elektrischen Energie
Es gibt zwei Arten von elektrischer Ladung, die man positiv und negativ nennt. Bringt man zwei elektrisch geladene Objekte aneinander, erfahren sie eine Kraft. Wenn die Ladungen gleich sind – beide positiv oder beide negativ – wird die Kraft wirken, um die Objekte voneinander wegzudrücken. Wenn sie unterschiedliche Ladungen haben, ziehen sie sich gegenseitig an. Diese Abstoßung oder Anziehung ist als elektromagnetische Kraft bekannt und kann genutzt werden, um einen Strom elektrischer Energie zu erzeugen.
Atome bestehen aus einem Kern, der positiv geladene Protonen enthält und von negativ geladenen Elektronen umkreist wird. Protonen bleiben normalerweise im Kern, aber Elektronen können sich von Atom zu Atom bewegen, wodurch sie durch Materialien wie Metalle fließen können, die Elektrizität leiten. Ein Ort mit einem Überschuss an Elektronen über Protonen hat eine negative Ladung; ein Platz mit einem Defizit wird positiv geladen. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, fließen Elektronen von einem negativ geladenen Bereich zu einem positiv geladenen, wenn dies erlaubt ist, wodurch ein elektrischer Strom entsteht.
Nutzung elektrischer Energie
Elektrizität ist sowohl an sich als auch als Mittel zur Übertragung von Energie über große Entfernungen nützlich. Es ist unverzichtbar für verschiedene industrielle Prozesse, Telekommunikation und Internet, Computer, Fernseher und viele andere Geräte, die gemeinsam genutzt werden. Es kann auch in andere Energieformen für eine Vielzahl anderer Anwendungen umgewandelt werden.
Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, entsteht eine gewisse Wärme. Die erzeugte Menge hängt davon ab, wie gut das Material Strom leitet. Ein guter Leiter wie Kupfer produziert sehr wenig. Aus diesem Grund werden häufig Kupferdrähte und -kabel zur Übertragung von Elektrizität verwendet: Wenn Wärme erzeugt wird, geht Energie verloren, daher minimiert ein guter Leiter den Energieverlust. Weniger gut leitende Materialien erzeugen mehr Wärme, weshalb sie beispielsweise in Elektroheizungen, Herden und Backöfen verwendet werden.
Auch elektrische Energie kann in Licht umgewandelt werden. Frühe Bogenlichter waren auf eine elektrische Entladung über einen kleinen Spalt angewiesen, um die Luft bis zum Glühen zu erhitzen – das gleiche Prinzip wie bei Blitzen. Später wurde die Glühbirne eingeführt: Diese beruht darauf, dass der Strom einen dünnen, gewendelten Draht weißglühend glühen lässt. Moderne, energiesparende Glühbirnen leiten einen Hochspannungsstrom durch ein dünnes Gas, wodurch ultraviolettes Licht abgestrahlt wird, das auf eine fluoreszierende Beschichtung trifft und sichtbares Licht erzeugt.
Wenn ein leitfähiges Material, wie beispielsweise ein Kupferdraht, in einem Magnetfeld bewegt wird, wird ein Strom erzeugt. Umgekehrt erzeugt ein durch einen Draht fließender Strom, wenn er ein Magnetfeld erfährt, eine Bewegung. Dies ist das Prinzip eines Elektromotors. Diese Geräte bestehen aus einer Anordnung von Magneten und Spulen aus Kupferdraht, so dass bei Stromfluss durch den Draht eine Drehbewegung erzeugt wird. Elektromotoren sind in der Industrie und im Haushalt weit verbreitet, beispielsweise in Waschmaschinen und DVD-Playern.
Messung elektrischer Energie
Energie wird in Joule gemessen, ein Begriff, der nach dem Physiker James Prescott Joule benannt ist. Ein Joule ist ungefähr die Energiemenge, die benötigt wird, um ein Gewicht von einem Pfund (0.45 Kilogramm) über eine vertikale Strecke von 22.9 cm zu heben. Es ist jedoch in der Regel bequemer, sich Elektrizität als Leistung vorzustellen, das heißt Energie dividiert durch Zeit oder die Geschwindigkeit, mit der sie fließt. Dies ergibt die möglicherweise bekanntere Einheit des Watts, benannt nach dem Wissenschaftler James Watt. Ein Watt entspricht einem Joule pro Sekunde.
Es gibt eine Reihe anderer Einheiten, die sich auf Strom beziehen. Das Coulomb ist die Einheit der elektrischen Ladung. Es kann als Elektronenmenge angesehen werden — 1.6 x 1019 —, da alle Elektronen die gleiche, sehr kleine Ladung haben. Das Ampere, normalerweise abgekürzt mit „Ampere“, ist die Einheit des elektrischen Stroms oder der Anzahl der Elektronen, die in einer bestimmten Zeit fließen. Ein Ampere entspricht einem Coulomb pro Sekunde.
Das Volt ist die Einheit der elektromotorischen Kraft oder die Energiemenge, die pro Ladungseinheit oder Coulomb übertragen wird. Ein Volt entspricht einem Joule Energie, das für jedes Coulomb Ladung übertragen wird. Die Leistung in Watt entspricht Volt multipliziert mit Ampere, sodass ein Strom von fünf Ampere bei 100 Volt 500 Watt entsprechen würde.
Erzeugung elektrischer Energie
Der meiste Strom wird von Geräten erzeugt, die Drehbewegungen in elektrische Energie umwandeln, nach dem gleichen Prinzip wie ein Elektromotor, jedoch umgekehrt. Die Bewegung von Drahtspulen in einem Magnetfeld erzeugt einen elektrischen Strom. Üblicherweise wird Wärme, die oft durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird, verwendet, um Dampf zu erzeugen, der eine Turbine antreibt, um die Rotationsbewegung bereitzustellen. In einem Kernkraftwerk liefert Kernenergie die Wärme. Wasserkraft nutzt die Bewegung des Wassers unter Schwerkraft, um die Turbine anzutreiben.
Der in Kraftwerken erzeugte Strom wird in der Regel in Form von Wechselstrom (AC) erzeugt. Dies bedeutet, dass der Strom ständig seine Richtung umkehrt, viele Male pro Sekunde. Für die meisten Zwecke funktioniert AC gut, und so gelangt der Strom ins Haus. Einige industrielle Prozesse benötigen jedoch Gleichstrom (DC), der nur in eine Richtung fließt. Bei der Herstellung bestimmter Chemikalien wird beispielsweise Elektrolyse verwendet: die Aufspaltung von Verbindungen in Elemente oder einfachere Verbindungen unter Verwendung von Strom. Dies erfordert Gleichstrom, sodass diese Branchen entweder eine Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlung benötigen oder über eine eigene Gleichstromversorgung verfügen.
Es ist effizienter, Strom mit höheren Spannungen über Stromleitungen zu übertragen. Aus diesem Grund verwenden Erzeugungsanlagen sogenannte Transformatoren, um die Spannung für die Übertragung zu erhöhen. Dies erhöht weder die Energie noch die Leistung: Wenn die Spannung erhöht wird, wird der Strom reduziert und umgekehrt. Die Übertragung von Elektrizität über große Entfernungen erfolgt bei vielen Tausend Volt; Es kann jedoch nicht in Haushalten mit diesen Spannungen verwendet werden. Lokale Transformatoren reduzieren die Spannung auf etwa 110 Volt in den USA und 220-240 Volt in Europa für die Hausversorgung.
Strom für kleine Geräte mit geringer Leistung wird oft durch Batterien geliefert. Diese verwenden chemische Energie, um einen relativ kleinen elektrischen Strom zu erzeugen. Sie erzeugen immer einen Gleichstrom und haben daher einen Minus- und einen Pluspol. Elektronen fließen vom Minuspol zum Pluspol, wenn ein Stromkreis geschlossen ist.