Электрическая энергия: что это такое, формулы, единица измерения

Электроэнергия — это физический термин, отражающий способность электрического тока совершать механическую работу, выделять тепло или излучать свет.

В этой статье мы рассмотрим в целом это понятие. Вы узнаете, что такое электрическая энергия и важные формулы, которые её описывают.

Электроэнергия простыми словами

Заряжаете ли вы свой смартфон или просматриваете веб-страницы, электрическая энергия является неотъемлемой частью вашей повседневной жизни. Этот термин состоит из двух компонентов — «электрический» и «энергия». Термин «энергия» может иметь различные значения. В этой статье вы можете думать о ней как о потенциальной энергии. С помощью слова «электрический» вам дают понять, что здесь имеется в виду потенциальная энергия электрически заряженной частицы.

Подобно тому, как ваша потенциальная энергия увеличивается, когда вы поднимаетесь в гору, электрическая энергия положительной частицы увеличивается, когда она «карабкается» в электрическом поле. Электрическое поле оставляет электрический потенциал в каждой точке пространства (аналогично горному ландшафту, который имеет разную высоту в каждой точке). Под «подъемом вверх по электрическому полю» подразумевается, что положительная частица перемещается из точки с низким электрическим потенциалом в точку с более высоким электрическим потенциалом.

Формулы

Подобно потенциальной энергии в гравитационном поле, существует формула для электрической энергии заряда с величиной заряда q, который находится в месте с электрическим потенциалом U : E_{пот, эл} = q * U . Приведенная формула отражает электрическую потенциальную энергию заряда q.

Но что происходит, когда течет электрический ток? Затем вы заменяете электрический заряд q в формуле для E_pot на I * t, т.е. силу тока I, умноженную на время t. То есть вы получите формулу: E_{пот, эл} = I * t * U .

Конденсатор также может накапливать электрическую энергию. Формула для расчета накопленной энергии следующая: E_c = 0.5 * C * U² , где C — емкость конденсатора.

Единица измерения электрической энергии

Поскольку электрическая энергия является одной из форм энергии, она имеет единицу измерения — джоуль, сокращенно [ Дж ]. Обозначается как E_{пот, эл} . Также электрическую энергию измеряют и в ватт-секундах [ Вт * сек ]. То есть 1 Дж = 1 Вт * сек.

Чтобы дать вам представление о том, сколько составляет 1 Дж электрической энергии, вот небольшой пример: для того чтобы светодиодная лампа мощностью 1 Вт горела в течение одной секунды, вам нужна электрическая энергия в 1 Дж.

Давайте кратко рассмотрим единицы измерения для этого примера. Ватт — это единица измерения мощности. Мощность P определяется как работа за единицу времени, т.е. P = W / t .

Таким образом, мощность также имеет единицу измерения джоуль в секунду: [ P ] = Дж / с .

Таким образом, умножение мощности на время дает единицу энергии: [ P ] * [ t ] =с * Дж / с = Дж .

Кратная единица 1 Вт — это 1 киловатт-час: 1 кВт * ч = 3,6 * 10⁶ Вт * с = 3,6 * 10⁶ Дж .

Единица измерения «Ватт» названа в честь шотландского изобретателя ДЖЕЙМСА УАТТА (1776-1819), единица «Джоуль» — в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818-1889).

Что такое электрическая энергия?

В этом разделе мы подробнее рассмотрим электрическую энергию.

Распределения заряда

Представьте себе пустую комнату, поднося к ней один за другим электрические заряды. В результате у вас есть набор носителей заряда. Работа, которую вам пришлось проделать, теперь в какой-то мере содержится в этом наборе. То, какого рода эта энергия, здесь не имеет значения. Гораздо важнее тот факт, что это накопление оставляет электрический потенциал U (r) в каждой точке пространства.

Что делает этот электрический потенциал? Если теперь вы хотите перенести другой заряд с количеством заряда q в точку r, вы должны совершить работу W_эл : Wэл = q * U (r) .

Если мы также предположим, что электрический потенциал в месте расположения контейнера равен нулю, то этот электрический заряд q содержит работу W_эл, которую вы совершили в форме потенциальной энергии. И именно эта потенциальная энергия называется электрической.

Аналогия с гравитацией

Давайте немного углубимся в аналогию с гравитацией. Чтобы рассчитать потенциальную энергию, когда вы находитесь на высоте h над землей, вы используете формулу: E_{пот, г} = m * g * h. В этой формуле m означает массу, а g — ускорения свободного падения. Чтобы сделать аналогию с электрической энергией более очевидной, объединим произведение g * h с обозначением U_g, т.е. U_g = g * h .

Таким образом, потенциальная энергия равна: E_{пот, г} = m * U_g .

Давайте вкратце рассмотрим единицу измерения U_g. Единицей потенциальной энергии является джоуль, а единицей массы — килограмм. Таким образом, применяется [ U_g ] = Дж / кг .

Вы получите формулу для электрической энергии, если теперь замените m на электрический заряд q, а U_g на электрический потенциал U: E_{пот, эл} = q * U .

Давайте рассмотрим здесь также единицу измерения U. Электрическая энергия имеет единицу измерения джоуль, а q — единицу измерения кулон. Таким образом, [ U ] = Дж / Кл .

Теперь вы понимаете аналогию между «электрическим падением» и гравитацией? Если нет, то, возможно, вам поможет следующая таблица:

Тип	Потенциальная энергия	Единица измерения «Потенциала»
Гравитация	Eпот, г = m * Ug	[ Ug ] = Дж / кг
Электричество	Eпот, эл = q * U	[ U ] = Дж / Кл

Однако у электричества есть особенность, которая не имеет аналогии с гравитацией: «масса» может быть только положительной, а электрический заряд может быть положительным или отрицательным. Смартфон всегда ускоряется по направлению к земле, потому что гравитационный потенциал там ниже, чем на высоте h. Положительные электрические заряды ведут себя аналогично: они ускоряются от места с высоким электрическим потенциалом к месту с более низким электрическим потенциалом.

Итак, в отличие от «массы» и положительных электрических зарядов, отрицательные заряды движутся в направлении более высокого электрического потенциала.

Аккумуляторы

Представьте себе простую электрическую цепь: аккумулятор, подключен к лампочке. Как только электрическая цепь замыкается, электрическая энергия, содержащаяся в отрицательных зарядах на отрицательной клемме, преобразуется в кинетическую энергию — отрицательные заряды ускоряются. Проходя через лампочку, они сталкиваются с атомами нити накаливания. При этом отрицательные заряды отдают часть своей кинетической энергии атомам нити. Затем они приводятся в вибрацию, в результате чего нить накала нагревается. Это нагревание приводит к испусканию света. И именно этот свет ваш глаз воспринимает как свечение лампочки.

Примечание: преобразование энергии аккумулятор-лампа-цепь:

Электрическая энергия отрицательных зарядов -> кинетическая энергия отрицательных зарядов -> кинетическая энергия атомов в нити накаливания -> излучение света.