אנרגיה חשמלית היא מושג חשוב שעוזר לנהל את העולם כפי שאנו מכירים אותו. בארה'ב לבדה, המשפחה הממוצעת משתמשת 10,649 קילוואט-שעה (קוט'ש) בשנה , שהיא מספיק אנרגיה חשמלית כדי לחלוט מעל 120,000 סירי קפה!
אבל להבין מהי אנרגיה חשמלית וכיצד היא פועלת יכול להיות מסובך. לכן ריכזנו את המאמר הזה כדי לעזור לך להאיר אותך! (סליחה על הבדיחה של אבא שלנו.)
המשיכו לקרוא כדי ללמוד הכל על אנרגיה חשמלית, לְרַבּוֹת:
- ההגדרה של אנרגיה חשמלית
- כיצד פועלת אנרגיה חשמלית
- אם האנרגיה החשמלית היא פוטנציאלית או קינטית
- דוגמאות לאנרגיה חשמלית
עד שתסיים עם המאמר הזה, אתה תדע את עיקרי האנרגיה החשמלית ותוכל לראות את השפעתה מסביבך.
יש לנו הרבה מה לכסות, אז בואו נצלול פנימה!
הגדרת אנרגיה חשמלית
אז מהי אנרגיה חשמלית? בקצרה, אנרגיה חשמלית היא האנרגיה (גם קינטית וגם פוטנציאלית) בחלקיקים הטעונים של אטום שניתן להשתמש בה כדי להפעיל כוח ו/או לעשות עבודה. זה אומר ש לאנרגיה חשמלית יש את היכולת להזיז חפץ או לגרום לפעולה .
אנרגיה חשמלית נמצאת סביבנו בצורות רבות ושונות. כמה מהדוגמאות הטובות ביותר לאנרגיה חשמלית הן סוללות לרכב המשתמשות באנרגיה חשמלית כדי להפעיל מערכות, שקעי קיר המעבירים אנרגיה חשמלית לטעינת הטלפונים שלנו, והשרירים שלנו המשתמשים באנרגיה חשמלית כדי להתכווץ ולהירגע!
אנרגיה חשמלית בהחלט חשובה לחיי היום-יום שלנו, אבל יש הרבה סוגים אחרים של אנרגיה בחוץ . אנרגיה תרמית, אנרגיה כימית, אנרגיה גרעינית, אנרגיית אור ואנרגיית קול הם רק חלק מסוגי האנרגיה העיקריים האחרים. למרות שעשויה להיות חפיפה מסוימת של סוגי האנרגיה (כמו שקע בקיר המספק אור למנורה המפיקה כמות קטנה של חום), חשוב לציין כי סוגי אנרגיה פועלים באופן נבדל אחד מהשני , למרות שהם עשוי להיות מומר לסוגים אחרים של אנרגיה .
סרטון ההסבר המהיר הזה על חשמל הוא הסבר מצוין על מהי אנרגיה חשמלית וכיצד היא פועלת.
כיצד פועלת אנרגיה חשמלית?
עכשיו כשאתה יודע מהי אנרגיה חשמלית, נסקור מהיכן מגיעה אנרגיה חשמלית.
אם למדת פיזיקה לפני כן, אולי תדע שאנרגיה לא יכולה להיווצר ולא להרוס. למרות שזה עשוי להיראות כאילו התוצאות של אנרגיה חשמלית מגיעות משום מקום, האנרגיה ב-a ברק או סשן ריצה באים סדרה של שינויים ברמה המולקולרית. הכל מתחיל באטומים.
אטומים מכילים שלושה חלקים עיקריים : נויטרונים, פרוטונים ואלקטרונים. הגרעין, או מרכז האטום, מורכב מניוטרונים ופרוטונים. אלקטרונים מקיפים את הגרעין בקליפות. קליפות האלקטרונים נראות כמו טבעות או נתיבים מסלוליים שמקיפים את הגרעין.
(א.ג. קיסר/ ויקימדיה )
מספר הקליפות שיש לאטום תלוי בהרבה דברים, כולל סוג האטום והאם הוא טעון חיובי, שלילי או ניטרלי. אבל הנה החלק החשוב בכל הנוגע לאנרגיה חשמלית: לאלקטרונים בקליפה הקרובה ביותר לגרעין יש משיכה חזקה לגרעין, אבל הקשר הזה נחלש ככל שאתה יוצא אל המעטפת החיצונית ביותר. הקליפה החיצונית ביותר של אטום ידועה כמעטפת הערכיות...והאלקטרונים בקליפה זו ידועים כאלקטרוני ערכיות!
מכיוון שאלקטרוני הערכיות מחוברים רק בצורה חלשה לאטום, ניתן למעשה לכפות עליהם הַחוּצָה של המסלולים שלהם כאשר הם באים במגע עם אטום אחר. אלקטרונים אלה יכולים לקפוץ מהקליפה החיצונית של האטום הביתי שלהם לקליפה החיצונית של האטום החדש. כשזה קורה, הוא מייצר אנרגיה חשמלית.
אז איך יודעים מתי אטום מתכוון לצבור או לאבד אלקטרונים כדי ליצור אנרגיה חשמלית? רק תסתכל על האלקטרונים הערכיים. לאטום יכולים להיות רק שמונה אלקטרונים ערכיים בקליפה החיצונית שלו, המכונה גם אוקטט. אם לאטום יש שלושה או פחות אלקטרונים ערכיים, סביר יותר שיאבד אלקטרונים לאטום אחר. כאשר אטום מאבד אלקטרונים עד כדי כך שהפרוטונים שלו עולים על מספר האלקטרונים שלו, זה הופך למטען חיובי קטיון .
כמו כן, אטומים בעלי מעטפת ערכיות כמעט מלאה (עם שישה או שבעה אלקטרונים ערכיים) נוטים יותר לְהַשִׂיג אלקטרונים כדי לקבל אוקטטה מלאה. כאשר אטום צובר אלקטרונים עד לנקודה שבה מספר האלקטרונים עולה על הפרוטונים של האטום, זה הופך למטען שלילי אניון .
לא משנה אם אטום מרוויח או מאבד אלקטרונים, ה פעולה של תנועת אלקטרונים מאטום אחד לאחר גורמת לאנרגיה חשמלית . אנרגיה חשמלית זו יכולה לשמש בצורה של חשמל כדי לעשות דברים כמו להפעיל את המכשירים בבית שלך או להפעיל קוצב לב. אבל זה גם יכול להיות מומר לסוגים אחרים של אנרגיה , כמו האנרגיה התרמית מטוסטר שמחובר לקיר.
חושבים שאנרגיה חשמלית וחשמל זה אותו הדבר? לא בדיוק! חשמל הוא רק תוצאה אחת של אנרגיה חשמלית.
אנרגיה חשמלית מול חשמל
בעוד שהמונחים הללו נשמעים דומים, אנרגיה חשמלית וחשמל הם לא אותו דבר . בעוד שכל החשמל הוא תוצאה של אנרגיה חשמלית, לא כל האנרגיה החשמלית היא חשמל.
לפי אקדמיית חאן , אנרגיה מוגדרת כמדידה של יכולתו של אובייקט לבצע עבודה. בפיזיקה, עבודה היא האנרגיה לאובייקט על מנת להזיז עצם כפי שדיברנו עליו בסעיף האחרון, אנרגיה חשמלית מגיעה מתנועת אלקטרונים בין אטומים, מה שיוצר העברת אנרגיה...המכונה גם עבודה. עבודה זו מייצרת אנרגיה חשמלית, הנמדדת בג'אול.
זכור כי אנרגיה חשמלית יכולה להיות מומרים לכל מיני סוגים אחרים של אנרגיה , כמו האנרגיה התרמית מטוסטר שמחובר לקיר. האנרגיה התרמית הזו יוצרת חום וזה מה שהופך את הלחם שלך לטוסט! אז בעוד אנרגיה חשמלית פחית הופך לחשמל, זה לא יש ל!
כאשר זרימת האלקטרונים של אנרגיה חשמלית מתועלת דרך מוליך, כמו חוט, היא הופכת לחשמל. תנועה זו של מטען חשמלי היא נקרא זרם חשמלי (ונמדד בוואט). זרמים אלה, השלימו דרך מעגלים חשמליים , יכול להפעיל את הטלוויזיות שלנו, הכיריים ועוד הרבה יותר, הכל בגלל שהאנרגיה החשמלית הופנתה לייצור פעולה רצויה מסוימת, כמו להאיר את המסך או להרתיח את המים שלך.
האם אנרגיה חשמלית היא פוטנציאלית או קינטית?
אם למדת אנרגיה בעבר, אתה יודע שאנרגיה יכולה להתחלק לשתי קטגוריות עיקריות שונות: פוטנציאל וקינטי. אנרגיה פוטנציאלית היא בעצם אנרגיה מאוחסנת. כאשר אלקטרונים הערכיים של האטומים נמנעים מלקפוץ מסביב, האטום הזה מסוגל להחזיק - ולאגור - אנרגיה פוטנציאלית.
הפקודה העליונה של unix
מצד שני, אנרגיה קינטית היא בעצם אנרגיה שמניעה או מניעה משהו אחר. אנרגיה קינטית מעבירה את האנרגיה שלה לאובייקטים אחרים על מנת ליצור כוח על אותו עצם. באנרגיה קינטית, האלקטרונים חופשיים לנוע בין קליפות ערכיות על מנת ליצור אנרגיה חשמלית. לפיכך, האנרגיה הפוטנציאלית המאוחסנת באותו אטום מומרת לאנרגיה קינטית...ובסופו של דבר, לאנרגיה חשמלית.
אז, האם אנרגיה חשמלית היא פוטנציאלית או קינטית? התשובה היא גם וגם! עם זאת, אנרגיה חשמלית לא יכולה להיות גם פוטנציאלית וגם קינטית בו זמנית. כשאתה רואה אנרגיה חשמלית מפעילה עבודה על אובייקט אחר, זה קינטי, אבל ממש לפני שהיא הצליחה לעשות את העבודה הזו, זו הייתה אנרגיה פוטנציאלית.
הנה דוגמה. כשאתה מטעין את הטלפון שלך, החשמל שנע מהשקע בקיר לתוך סוללת הטלפון שלך הוא אנרגיה קינטית. אבל סוללה נועדה להחזיק חשמל לשימוש מאוחר יותר. האנרגיה המוחזקת הזו היא אנרגיה פוטנציאלית, שיכולה להפוך לאנרגיה קינטית כשאתה מוכן להפעיל את הטלפון שלך ולהשתמש בו.
אלקטרומגנטים - כמו זה שלמעלה - פועלים מכיוון שחשמל ומגנטיות קשורים קשר הדוק.
(מדע מדהים/ גיפי )
מה הקשר בין אנרגיה חשמלית למגנטיות?
בטח שיחקת עם מגנט בשלב מסוים בחייך, אז אתה יודע את זה מגנטים הם עצמים שיכולים למשוך או להדוף עצמים אחרים עם שדה מגנטי.
אבל מה שאתה אולי לא יודע זה שדות מגנטיים נגרמים ממטען חשמלי נע. למגנטים יש קטבים, קוטב צפוני וקוטב דרומי (אלה נקראים דיפולים). הקטבים האלה טעונים הפוך - כך שהקוטב הצפוני טעון חיובי, והקוטב הדרומי טעון שלילי.
אנחנו כבר יודעים שגם אטומים יכולים להיות בעלי מטען חיובי ושלילי. מסתבר ש שדות מגנטיים נוצרים על ידי אלקטרונים טעונים המיושרים אחד עם השני! במקרה זה, האטומים הטעונים שלילי והאטומים הטעונים חיובית נמצאים בקטבים שונים של מגנט, מה שיוצר גם חשמל ו שדה מגנטי.
מכיוון שמטענים חיוביים ושליליים הם תוצאה של אנרגיה חשמלית, זה אומר שמגנטיות קשורה קשר הדוק למערכות של אנרגיה חשמלית. למעשה, כך גם רוב האינטראקציות בין אטומים, וזו הסיבה שיש לנו אלקטרומגנטיות. אלקטרומגנטיות היא היחסים הקשורים זה בזה בין שדות מגנטיים וחשמליים.
בדוק להלן כמה דוגמאות מסמרות שיער של אנרגיה חשמלית. #עוד בדיחה של אבא
.gif'https://giphy.com.gif' rel='noopener'>Giphy )
דוגמאות לאנרגיה חשמלית
אולי אתה עדיין תוהה, מהי אנרגיה חשמלית בעולם האמיתי? אל תפחד לעולם! יש לנו ארבע דוגמאות נהדרות לאנרגיה חשמלית מהחיים האמיתיים כך שתוכל ללמוד עוד על אנרגיה חשמלית בפועל.
דוגמה 1: בלון דבוק לשיער שלך
אם אי פעם היית במסיבת יום הולדת, סביר להניח שניסית את הטריק שבו אתה משפשף בלון על הראש שלך ומדביק אותו לשיער שלך. כשאתה מרחיק את הבלון, השיער שלך ירחף אחרי הבלון, אפילו כשאתה מרחיק אותו בסנטימטרים מהראש שלך! סטודנטים לפיזיקה יודעים שזה לא רק קסם... זה חשמל סטטי.
חשמל סטטי הוא אחד מסוגי האנרגיה הקינטית המופקת מאנרגיה חשמלית. חשמל סטטי מתרחש כאשר שני חומרים נמצאים מוחזק יחד על ידי כוחות מנוגדים . זה נקרא סטטי כי האטרקציה מחזיקה את שני העצמים יחד עד שמאפשרים לאלקטרונים לחזור למקומם המקוריים. בעזרת מה שלמדנו עד כה, בואו נסתכל מקרוב על איך הטריק הזה עובד.
אנו יודעים שכדי ששני אטומים ימשכו, עליהם להיות בעלי מטענים הפוכים. אבל אם גם הבלון וגם השיער שלך מתחילים במטען ניטרלי, איך מגיעים למטענים הפוכים? במילים פשוטות, כשאתה משפשף את הבלון בשיער שלך, חלק מהאלקטרונים החופשיים קופצים מחפץ לעצם , מה שהופך את השיער שלך למטען חיובי ולבלון מטען שלילי.
כשאתה מרפה, הבלון כל כך נמשך לשיער שלך שהוא מנסה להחזיק את עצמו במקום. אם תנסה להפריד בין המטענים הנמשכים, השיער הטעון חיובי שלך עדיין ינסה להישאר מחובר לבלון השלילי על ידי ריחוף כלפי מעלה תוך שימוש באנרגיה חשמלית קינטית זו!
למרות זאת, האטרקציה הזו לא תימשך לנצח. מכיוון שהמשיכה בין הבלון לשיער שלך חלשה יחסית, המולקולות של השיער שלך והבלון ינסו כל אחת לחפש שיווי משקל על ידי החזרת מספר האלקטרונים המקורי שלהן, ובסופו של דבר גורמות להן לאבד את המטענים שלהן כשהן צוברות או מאבדות את האלקטרונים.
דוגמה 2: דפיברילטורים לבביים
אם אתם מחפשים דוגמאות חשמליות טובות הן של אנרגיה פוטנציאלית והן של אנרגיה קינטית, אל תחפשו רחוק יותר מהדפיברילטור. דפיברילטורים הצילו אלפי חיים על ידי תיקון פעימות לב לא סדירות במצבי חירום כמו דום לב. אבל איך הם עושים את זה?
באופן לא מפתיע, דפיברילטורים לקבל את יכולות הצלת החיים שלהם מאנרגיה חשמלית. דפיברילטורים מכילים הרבה אנרגיה פוטנציאלית חשמלית המאוחסנת ב שתי לוחות של הקבל של הדפיברילטור . (לפעמים אלה ידועים כמשוטים.) אחד הלוחות טעון שלילי, בעוד השני טעון חיובי.
כאשר צלחות אלו מונחות במקומות שונים בגוף, זה יוצר בורג חשמלי שקופץ בין שתי הלוחות. האנרגיה הפוטנציאלית הופכת לאנרגיה קינטית כ האלקטרונים מהלוח החיובי ממהרים ללוח השלילי. הבריח הזה עובר דרך הלב האנושי ועוצר את האותות החשמליים שלו בתוך השריר בתקווה שהדפוס החשמלי הלא סדיר שלו יתחיל מחדש לקדמותו.
דפיברילטורים מכילים אנרגיה חשמלית חזקה במיוחד, אז היזהר אם אתה אי פעם בסביבה אחד!
דוגמה 3: טורבינות רוח
לעתים קרובות ממוקמים במקומות לא מהדרך, טורבינות רוח להפוך רוח טבעית לאנרגיה שניתן להשתמש בה כדי להפעיל את הבתים שלנו, לטכנולוגיה ועוד. אבל איך טורבינה משנה משהו שלכאורה לא חשמלי כמו הרוח לאנרגיה שמישה ובת קיימא?
מפות java
במקרה הבסיסי ביותר, טורבינות רוח הופכות אנרגיית תנועה לאנרגיה חשמלית. בעוד שהסבר כיצד פועלת הרוח ראוי לפוסט בלוג משלו, מה שאתה צריך לדעת הוא שכאשר הרוח פוגעת בלהבי הטורבינה, זה הופך את רכזת הרוטור כמו טחנת רוח. אנרגיה קינטית זו הופכת רכיב פנימי, הנקרא תא, המכיל גנרטור חשמלי. בתורו, הגנרטור הזה ממיר אנרגיה זו לאנרגיה חשמלית על ידי כפיית מטענים חשמליים כבר קיים בגנרטור לנוע, יוצר זרם חשמלי...שהוא גם חשמל.
מכיוון שתנועה זו מועברת דרך מוליכים חשמל, במיוחד חוטים, זרם החיובים הזה יכול להימשך לרשתות חשמל גדולות יותר, כמו בתים, שכונות ואפילו ערים.
דוגמה 4: סוללות בצעצוע לילדים
באותו אופן שבו טורבינת רוח ממירה סוג אחד של אנרגיה לאחר, סוללה בצעצוע לילדים ממירה אנרגיה כדי לגרום לצעצוע לעבוד. לסוללות יש שני קצוות, חיובי ושלילי. חשוב לשים את הקצוות הנכונים במקומות הנכונים בצעצוע, אחרת זה לא יעבוד.
לקצה החיובי יש - ניחשתם נכון! - מטען חיובי, בעוד שלקצה השלילי יש מטען שלילי. זה אומר שבקצה השלילי יש הרבה יותר אלקטרונים מהקצה החיובי, ו הסוללה כולה מנסה להגיע לשיווי משקל. הדרך שהם עושים את זה היא דרך תגובות כימיות שמתחילות כאשר הסוללות מונחות בתוך צעצוע שהופעל.
הקצה החיובי לא יכול פשוט להגיע לקצה השלילי בגלל החומצה שמפרידה ביניהם בחלק הפנימי של הסוללה. במקום זאת, האלקטרונים צריכים לעבור דרך כל המעגל של הצעצוע להגיע לקצה השלילי, לאפשר לבובת תינוק לבכות או למסוק צעצוע לטוס.
כאשר כל האלקטרונים בקצה החיובי הגיעו לשיווי משקל, אין יותר אלקטרונים לעבור את החיווט, כלומר הגיע הזמן לסוללות חדשות!
יחידות נפוצות של אנרגיה חשמלית
בעוד שלימוד ההגדרה והעקרונות הבסיסיים של האנרגיה החשמלית חשובים, תצטרך גם לדעת כמה נוסחאות ומשוואות כשאתה ממשיך לחקור את האנרגיה החשמלית. רבות מהנוסחאות הללו משתמשות באותם סמלים כדי לסמן יחידות מסוימות.
צירפנו טבלה של כמה מהיחידות הנפוצות ביותר של אנרגיה חשמלית לעיונך, כמו גם מה המשמעות של כל יחידה.
| יחידת מידה | סֵמֶל | הַגדָרָה |
| ג'אוּל | י | כמות העבודה הנעשית |
| וולט אלקטרוני | eV | האנרגיה המופעלת על אלקטרון אחד דרך וולט אחד. |
| מתח | IN | הפרש הפוטנציאל בין שתי נקודות |
| קולומב | C, או Q, או q כאשר משתמשים באותה נוסחה כמו קיבול. | כמות המטען החשמלי |
| קיבול | ג (היזהר, כי זה בדרך כלל מבלבל!) | היכולת של מוליך לאגור אנרגיה פוטנציאלית חשמלית |
| אַמְפֵּר | א | המכונה בדרך כלל אמפר, האמפר הוא יחידת המדידה המודדת את עוצמת הזרם כשהוא נמצא במוליך. |
| שְׁנִיָה | ס | שניות הן מדידת זמן הנפוצה לקביעת חוזקן של יחידות אנרגיה אחרות. |
| שָׁעָה | ח | שעות הן מדידת זמן הנפוצה לקביעת חוזקן של יחידות אנרגיה אחרות. |
| מגה וואט | MW | 1,000,000 וואט |
| קִילוֹוָט | קילוואט | 1,000 וואט |
| וואט | IN | הקצב שבו אנרגיה מייצרת עבודה |
מָקוֹר: https://www.electronics-tutorials.ws/dccircuits/electrical-energy.html
אמנם יש הרבה יותר יחידות שאתה עשוי להזדקק להן במשוואות שלך עבור אנרגיה חשמלית, רשימה זו אמורה להתחיל!
מסקנה: הנה מה לזכור לגבי אנרגיה חשמלית
עברת את הקורס המהיר שלך בנושא אנרגיה חשמלית, ועכשיו אתה מוכן להתמודד עם כל בחינה או קורס שיבדוק את הידע שלך בפיזיקה חשמלית. עם זאת, אם אינך זוכר דבר אחר, זכור זאת בשיעור האנרגיה החשמלית הבא שלך:
- הגדרת האנרגיה החשמלית: היכולת לבצע עבודה.
- אנרגיה חשמלית מגיעה מה משיכה או דחייה של מולקולות עם מטען שלילי וחיובי.
- אנרגיה חשמלית היא גם אנרגיה פוטנציאלית וגם אנרגיה קינטית.
- כמה דוגמאות לאנרגיה חשמלית הן דפיברילטור, סוללה וטורבינות רוח .
אנו מקווים שנטענתם בצורה חיובית עם כל המידע בבלוג הזה! המשיכו ללמוד, ובתוך זמן קצר תהיו מקצוענים באנרגיה חשמלית.
מה הלאה?
צריך קצת עזרה נוספת עם נוסחאות הפיזיקה שלך? אז גיליון הונאה של משוואות הוא בדיוק מה שאתה מחפש.
האם אתה חושב לקחת יותר שיעורי פיזיקה בתיכון?נטילת AP Physics יכולה לעזור לך להעמיק את הכישורים המדעיים שלך ו להרוויח לך אשראי מכללה. למד עוד על AP Physics - וההבדלים בין AP Physics 1, 2 ו-C - במאמר זה.
אם אתה ב-IB Physics, אנחנו דאגנו גם לך.להלן פירוט של סילבוס הקורס, והנה הסיכום שלנו של מדריכי הלימוד הטובים ביותר של IB Physics בחוץ.