Skąd bierze się elektryczność
Generator i bateria
Wiemy już, że prąd elektryczny to ruch ładunków elektrycznych wewnątrz przewodnika.
Gdy elektrony zaczynają poruszać się w przewodach, energia elektryczna może być przekazywana ze źródła do różnych urządzeń.
Pojawia się jednak ważne pytanie.
Skąd właściwie bierze się elektryczność?
Dlaczego bateria potrafi zmusić elektrony do ruchu w przewodach?
W jaki sposób elektrownie produkują energię elektryczną dla całych miast?
Aby odpowiedzieć na te pytania, trzeba zrozumieć, jak działają źródła energii elektrycznej.
Elektryczność nie powstaje sama z siebie. Jest wytwarzana przez urządzenia, które przekształcają różne rodzaje energii w energię elektryczną.
Do najważniejszych źródeł energii elektrycznej należą:
- baterie
- akumulatory
- generatory elektryczne
- panele słoneczne
W tym artykule przyjrzymy się dwóm najczęściej spotykanym źródłom elektryczności — baterii i generatorowi.
Elektryczność z baterii
Bateria wytwarza energię elektryczną dzięki reakcji chemicznej, która zachodzi w jej wnętrzu.
Każda bateria składa się z kilku podstawowych elementów:
- anoda — elektroda ujemna
- katoda — elektroda dodatnia
- elektrolit — substancja przewodząca cząstki naładowane
Kiedy bateria zostaje podłączona do obwodu elektrycznego, wewnątrz niej rozpoczyna się reakcja chemiczna pomiędzy substancjami znajdującymi się na elektrodach.
Reakcja ta powoduje powstanie różnicy potencjałów elektrycznych pomiędzy biegunami baterii.
Jeżeli połączymy bieguny baterii przewodnikiem — na przykład przewodem lub żarówką — elektrony zaczynają poruszać się przez przewodnik.
W ten sposób powstaje prąd elektryczny.
Warto pamiętać o jednej ważnej rzeczy.
Bateria nie wytwarza nowych elektronów.
Elektrony już znajdują się w przewodniku.
Bateria jedynie tworzy warunki, w których elektrony zaczynają poruszać się w określonym kierunku.
Prosty przykład
Aby łatwiej zrozumieć działanie baterii, można posłużyć się prostą analogią.
Wyobraźmy sobie dwa zbiorniki z wodą połączone rurą.
Jeżeli poziom wody w jednym zbiorniku jest wyższy niż w drugim, woda zacznie płynąć przez rurę.
Powodem ruchu jest różnica poziomów wody.
Z elektrycznością jest podobnie.
Bateria wytwarza różnicę potencjałów elektrycznych, która powoduje ruch elektronów w przewodniku.
Gdzie używane są baterie
Baterie są wykorzystywane w wielu urządzeniach, szczególnie tam, gdzie nie ma możliwości podłączenia do sieci elektrycznej.
Na przykład w:
- latarkach
- pilotach zdalnego sterowania
- zegarach ściennych
- zabawkach
- przenośnych radioodbiornikach
Największą zaletą baterii jest to, że są przenośne i autonomiczne.
Dlaczego baterie się rozładowują
Działanie baterii opiera się na reakcji chemicznej.
Jednak ilość substancji chemicznych wewnątrz baterii jest ograniczona.
W miarę pracy baterii substancje te stopniowo się zużywają, a reakcja chemiczna staje się coraz słabsza.
Gdy reakcja chemiczna nie jest już w stanie wytworzyć różnicy potencjałów, bateria przestaje wytwarzać energię elektryczną.
Wtedy mówi się, że bateria jest rozładowana.
Akumulatory
Akumulatory działają na podobnej zasadzie jak baterie, ale mają jedną ważną różnicę.
Reakcja chemiczna wewnątrz akumulatora może zachodzić w obu kierunkach.
Kiedy akumulator zostaje podłączony do ładowarki, przepływa przez niego prąd elektryczny.
Prąd ten przywraca pierwotny stan substancji chemicznych wewnątrz akumulatora.
Dlatego akumulatory można ładować i używać wielokrotnie.
Akumulatory stosuje się między innymi w:
- smartfonach
- laptopach
- samochodach elektrycznych
- bezprzewodowych słuchawkach
- narzędziach elektrycznych
Elektryczność z generatora
Drugim ważnym źródłem energii elektrycznej jest generator elektryczny.
Generatory działają na zupełnie innej zasadzie niż baterie.
Podczas gdy bateria wytwarza energię elektryczną dzięki reakcji chemicznej, generator produkuje ją dzięki ruchowi przewodnika w polu magnetycznym.
Zjawisko to nazywa się indukcją elektromagnetyczną.
Zostało ono odkryte przez angielskiego naukowca Michaela Faradaya w XIX wieku.
Faraday zauważył, że jeśli przewodnik porusza się w polu magnetycznym, w przewodniku pojawia się prąd elektryczny.
Jak działa generator
Działanie generatora można opisać w kilku krokach:
- źródło energii mechanicznej obraca wał generatora
- razem z wałem obraca się cewka przewodu
- cewka znajduje się w polu magnetycznym
- ruch przewodnika powoduje powstanie prądu elektrycznego
W ten sposób generator zamienia energię mechaniczną na energię elektryczną.
Przykład generatora
Prosty przykład generatora można zobaczyć w rowerze.
Niektóre rowery wyposażone są w dynamo, które zasila lampkę.
Gdy rowerzysta pedałuje, koło obraca mały generator.
W jego wnętrzu obraca się cewka przewodnika w polu magnetycznym.
Powstający prąd elektryczny zasila lampkę rowerową.
Im szybciej obraca się koło, tym więcej energii elektrycznej powstaje.
Elektryczność w elektrowniach
Większość energii elektrycznej na świecie produkowana jest w elektrowniach.
W zależności od typu elektrowni wykorzystywane są różne źródła energii.
Na przykład:
Elektrownie wodne
Woda napędza turbinę połączoną z generatorem.
Elektrownie cieplne
Para wodna obraca turbinę generatora.
Elektrownie jądrowe
Energia jądrowa służy do podgrzewania wody i wytwarzania pary.
Elektrownie wiatrowe
Wiatr obraca łopaty turbiny.
We wszystkich tych przypadkach turbina napędza generator produkujący energię elektryczną.
Dlaczego baterie nie mogą zasilać miast
Czasami pojawia się pytanie: skoro baterie potrafią wytwarzać prąd elektryczny, dlaczego nie używać ich do zasilania całych miast?
Powód jest prosty — ilość energii.
Baterie wytwarzają stosunkowo niewielką ilość energii elektrycznej.
Świetnie sprawdzają się w małych urządzeniach:
- latarkach
- pilotach
- zegarach
Jednak zasilanie miasta wymaga ogromnych ilości energii.
Elektrownie mogą produkować setki megawatów mocy, czyli wielokrotnie więcej niż pojedyncza bateria.
Inne źródła energii elektrycznej
Oprócz baterii i generatorów istnieją również inne sposoby wytwarzania energii elektrycznej.
Jednym z nich są panele słoneczne.
Panele słoneczne przekształcają energię światła słonecznego w energię elektryczną.
Kiedy światło pada na powierzchnię panelu, energia fotonów przekazywana jest elektronom w materiale półprzewodnikowym.
Elektrony zaczynają się poruszać i powstaje prąd elektryczny.
Zjawisko to nazywa się efektem fotowoltaicznym.
Podsumowanie
Elektryczność może powstawać na różne sposoby, ale zawsze polega na przekształcaniu energii.
Baterie i akumulatory wytwarzają prąd dzięki reakcjom chemicznym.
Generatory produkują energię elektryczną dzięki ruchowi przewodników w polu magnetycznym.
Panele słoneczne przekształcają energię światła w energię elektryczną.
Niezależnie od metody wszystkie źródła energii elektrycznej spełniają tę samą funkcję —
tworzą warunki, w których ładunki elektryczne zaczynają się poruszać.
Kontynuacja
Pojawia się jednak kolejne ważne pytanie.
Jeśli źródła energii elektrycznej powodują ruch ładunków,
jaka wielkość fizyczna opisuje tę siłę?
W następnym artykule omówimy pojęcie napięcia elektrycznego i jego rolę w obwodach elektrycznych.
Możesz także:
🔧 przejść do działu „Urządzenia”, aby zobaczyć praktyczne zastosowania;
📘 kontynuować naukę w dziale „Edukacja”;
💬 zadać pytanie lub podyskutować na forum.