Elektrik Enerjisi ve Güç
Elektrik Enerjisi, bir elektrik devresi içinde iş veya eylem üretmek için gereken gücü sağlar ve jul/saniye olarak verilir.
Elektrik Enerjisi, bir elektrik devresinin bir eylem yaratarak iş üretme yeteneğidir. Bu eylem, termal, elektromanyetik, mekanik, elektrik vb. gibi birçok biçimde olabilir. Elektrik enerjisi hem pillerden, jeneratörlerden, dinamolardan, hem de fotovoltaiklerden vb. oluşturulabilir veya gelecekte kullanılmak üzere yakıt hücreleri, piller, kondansatörler veya manyetik alanlar vb. Böylece elektrik enerjisi ya yaratılabilir ya da depolayabilir.
“Enerjinin Korunumu Yasası”nın enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini, sadece dönüştürülebileceğini belirttiğini okul fen derslerimizden hatırlıyoruz. Ancak enerjinin herhangi bir yararlı iş yapması için bir biçimden başka bir şeye dönüştürülmesi gerekir. Örneğin, bir motor elektrik enerjisini mekanik veya kinetik (dönme) enerjiye dönüştürürken, bir jeneratör bir devreye güç sağlamak için kinetik enerjiyi tekrar elektrik enerjisine dönüştürür.
Yani elektrik makineleri iş yaparak enerjiyi bir biçimden diğerine dönüştürür veya değiştirir. Diğer bir örnek, elektrik enerjisini ışık enerjisine ve ısı (termal) enerjisine dönüştüren bir lamba, ampul veya LED’dir (ışık yayan diyot). O zaman elektrik enerjisi çok yönlüdür, çünkü diğer birçok farklı enerji formuna kolayca dönüştürülebilir.
Elektrik enerjisinin elektronları hareket ettirmesi ve bir devre etrafında bir akım akışı oluşturması için, iş yapılmalıdır, yani elektronlar bir tel veya iletken boyunca belirli bir mesafe hareket etmelidir. Yapılan iş elektron akışında enerji olarak depolanır. Dolayısıyla “İş”, enerji sürecine verdiğimiz isimdir.
Bu nedenle, İş ve Enerjinin, “iş yapabilme yeteneği” olarak tanımlanabileceği gibi, etkili bir şekilde aynı olduğunu söyleyebiliriz. Yapılan işin veya aktarılan enerjinin, bir elektrik sistemine olduğu gibi mekanik bir sisteme veya termal sisteme de eşit şekilde uygulandığını unutmayın. Bunun nedeni, mekanik, termal ve elektrik enerjilerinin birbirinin yerine geçebilmesidir.
Elektrik Enerjisi: Volt
Artık bildiğimiz gibi, enerji (ve iş) için kullanılan standart birim Joule olmakla birlikte, enerji iş yapma kapasitesidir. Joule enerji, bir voltta bir amper tarafından harcanan ve bir saniyede hareket eden enerji olarak tanımlanır. Elektrik akımı, elektrik yükünün (elektronların) bir devre etrafındaki hareketinden kaynaklanır, ancak yükü bir düğümden diğerine taşımak için yükü hareket ettirecek işi yaratacak bir kuvvet olması gerekir.
Gerilimin (V) bir devre veya pil kaynağı içindeki iki farklı terminal, nokta veya düğüm arasında var olduğunu düşünme eğilimindeyiz. Ancak voltaj, yükü bir noktadan diğerine ileri veya geri yönde hareket ettirmek için gereken işi sağladığı için önemlidir. İki terminal veya nokta arasındaki voltaj veya potansiyel farkı, bu iki terminal arasında bir coulomb elektrik yükünü hareket ettirmek için bir joule enerji kullanıldığında, bir volt değerine sahip olarak tanımlanır.
Başka bir deyişle, iki nokta veya terminal arasındaki voltaj farkı, bir Coulomb’luk yükü A’dan B’ye taşımak için Joule cinsinden gerekli iştir . Bu nedenle voltaj şu şekilde ifade edilebilir:
Burada: voltaj Volt cinsindendir, J Joule cinsinden iş veya enerjidir ve C Coulomb cinsinden yüktür. Böylece J = 1 joule, C = 1 coulomb ise, V 1 volta eşit olacaktır.
Elektrik Enerjisi Soru Örneği 1
Bir elektrik devresi etrafında 15 coulomb’luk yükü hareket ettirmek için 135 jul enerji harcayan bir pilin terminal voltajı nedir?
O halde bu örnekte her bir yükün coulomb’unun 9 jul enerjiye sahip olduğunu görebiliriz.
Elektrik Enerjisi: Amper
Elektrik yükünün biriminin Coulomb olduğunu ve bir devre etrafındaki elektrik yükünün akışının bir akım akışını temsil etmek için kullanıldığını gördük. Ancak, bir coulomb sembolü “ C ” harfi olduğu için, bu aynı zamanda “ C ” harfi olan Kapasitans sembolü ile karıştırılabilir .
Bu karışıklığı önlemek için, elektrik yükü için kullanılan ortak sembol, temel olarak miktar anlamına gelen büyük harf “ Q ” veya küçük “ q ” harfidir . Böylece Q = 1 coulomb yük veya Q = 1C. Q yükünün pozitif, +Q veya negatif, -Q olabileceğini, yani elektronların veya deliklerin fazlalığı olabileceğini unutmayın.
Kapalı bir devre etrafındaki elektronlar şeklindeki yük akışına elektrik akımı denir . Bununla birlikte, “yük akışı” ifadesinin kullanımı hareketi ifade eder, bu nedenle bir elektrik akımı üretmek için yükün hareket etmesi gerekir. Bu daha sonra yükü hareket ettiren şeyin ne olduğu sorusuna yol açar ve bu, eski dostumuz Voltaj tarafından yukarıdan yapılır.
Böylece iki nokta arasındaki voltaj veya potansiyel farkı, elektrik akımı şeklinde bir devre etrafında yükü hareket ettirmek için gerekli elektrik enerjisini sağlar. Bu nedenle yükü taşımak için yapılan iş bir potansiyel farkı ile sağlanır ve iki nokta arasında potansiyel farkı yoksa yük hareketi olmaz ve dolayısıyla akım akışı olmaz. Herhangi bir akış veya hareket olmaksızın gerçek yüke statik elektrik denir.
Yükün hareketine elektrik akımı deniyorsa, akımın yükün hareket hızı (veya akış hızı) olduğunu, ancak ne kadar yükün bir akımı temsil ettiğini doğru bir şekilde söyleyebiliriz. Bir devre içinde herhangi bir noktayı seçersek ve bu noktadan geçen yük miktarını tam olarak bir saniyede ölçersek, bu bize elektrik akımının Amper (A) cinsinden gücünü verecektir.
Böylece, bir amperlik akım, belirli bir noktadan bir birim saniyede geçen bir coulomb yüke eşittir ve bu noktadan geçen saniye başına yük ne kadar fazlaysa, akım da o kadar büyük olacaktır. O zaman bir amper (A) elektrik akımını saniyede bir coulomb yüke eşit olarak tanımlayabiliriz. Yani 1A = 1C/s
Burada: Q yüktür (coulomb cinsinden ) ve t , yükün hareket ettiği zaman aralığıdır (saniye cinsinden). Başka bir deyişle, elektrik akımının hem bir büyüklüğü (yük miktarı) hem de onunla ilişkili belirli bir yönü vardır.
Elektrik akımı için yaygın olarak kullanılan sembolün , her ikisinin de yoğunluğu temsil eden büyük “ I ” harfi veya küçük “ i ” olduğuna dikkat edin . Bu, elektron akışını üreten yükün yoğunluğu veya konsantrasyonudur. Sabit bir DC akımı için genellikle büyük harf “ I ” kullanılırken, zamanla değişen bir AC akımı için genellikle küçük harf “ i ” kullanılır. i (t) sembolü , zamanın tam o andaki anlık akım değeri anlamına gelir.
Bu ilişkiyi bir görüntü kullanarak hatırlamak bazen daha kolaydır. Burada Q , I ve t’nin bir üçgene bindirilmiş üç miktarı, mevcut formül içindeki her bir miktarın gerçek konumunu temsil eder.
Amper
Yukarıdaki standart formülün yer değiştirmesi bize aynı denklemin aşağıdaki kombinasyonlarını verir:
Elektrik Enerjisi Soru Örneği 2
1. Belirli bir noktadan 3 dakikada 900 kulomb yük geçerse, bu devreden ne kadar akım geçer?
2. Bir dirençten 3 Amperlik bir elektrik akımı geçer. Dirençten 90 saniyede kaç coulomb yük geçecektir.
Elektrik Enerjisi: Watt
Elektrik Gücü , Gerilim ve Akım olmak üzere iki niceliğin ürünüdür ve bu nedenle, enerji harcanırken yapılan işin oranı olarak tanımlanabilir. Daha önce voltajın bir Coulomb yükü A’dan B’ye taşımak için Joule cinsinden gerekli işi sağladığını ve akımın yükün hareket hızı (veya akış hızı) olduğunu söylemiştik. Peki bu iki tanım nasıl birbirine bağlanır?
Voltaj, (V) Coulomb başına Joule’ye ( V = J/C ) ve Amper (I) saniye başına yüke ( coulomb ) ( A = Q/t ) eşitse , elektrik gücünü (P) toplam olarak tanımlayabiliriz. bu iki miktardan bunun nedeni, elektrik gücünün ayrıca voltaj çarpı amperlere eşit olabilmesidir, yani: P = V*I .
Watt
Böylece elektrik gücünün aynı zamanda bir saniyede yapılan işin oranı olduğunu görebiliriz. Yani, bir saniyede bir joule enerji harcanır. Elektrik gücü Watt (W) olarak ölçüldüğü için, bu nedenle Joule/ Saniye olarak da ölçülmelidir. Yani şunu doğru bir şekilde söyleyebiliriz: 1 watt = saniyede 1 joule (J/s).
Elektrik gücü
1 watt (W) = 1 joule/saniye (J/s)
Dolayısıyla, saniyede 1 watt = 1 joule ise, bundan şu sonuç çıkar: 1 Joule enerji = bir birim zamanda 1 watt, yani: İş eşittir Güç çarpı Zaman, (V*I*t joule). Böylece elektrik enerjisi (yapılan iş), gücün (akım şeklinde) aktığı saniye cinsinden süre ile çarpılarak elde edilir. Böylece elektrik enerjisi birimleri, elektrik gücü ve zaman için kullanılan birimlere bağlıdır. Yani elektrik gücünü kilovat (kW) ve zamanı saat (h) cinsinden ölçersek, tüketilen elektrik enerjisi kilovat*saat (Wh) veya basitçe kilovat-saat (kWh)’ye eşittir.
Elektrik Enerjisi Soru Örneği 3
100 Watt’lık bir ampul sadece bir saat yanarsa lamba tarafından kaç joule elektrik enerjisi kullanılmıştır?
Joule’u bir elektrik enerjisi birimi olarak ele alırken, kilo-joule olarak sunmanın daha uygun olduğunu unutmayın. Bu nedenle cevap şu şekilde verilebilir: 360kJ.
Bir joule kendi başına küçük bir miktar olduğundan, kilojoule (kJ), binlerce joule, megajoule (MJ), milyonlarca joule ve hatta gigajoule (GJ), binlerce milyon joule, tümü pratik birimlerdir. elektrik enerjisi. Böylece bir kilovat saate (kWh) eşdeğer olan bir birim elektrik 3,6 megajoule (MJ) olarak tanımlanabilir.
Benzer şekilde, Watt çok küçük bir elektrik gücü miktarı olduğundan, elektrikli ekipman ve cihazların güç çıkışını belirlemek için kilovat (1 kW = 1.000 watt) ve megawatt (1 MW = 1 milyon watt) yaygın olarak kullanılır. Böylece kilovatın (veya megavatın) bir elektrik gücü birimi olduğunu, kilovat saatin ise bir elektrik enerjisi birimi olduğunu görebiliriz.