Παίρνουμε ένα ανεμιστήρα και τον συνδέουμε στο δίκτυο ηλεκτρικού ρεύματος. Μόλις κλείσουμε το διακόπτη του ανεμιστήρα τα πτερύγια του αρχίζουν να περιστρέφονται. Αυτό συμβαίνει διότι κλείνοντας τον διακόπτη, κλείνει ηλεκτρικό κύκλωμα που βρίσκεται στο εσωτερικό της συσκευής. Συνεπώς η συσκευή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί την κίνηση των πτερυγίων του ανεμιστήρα. Μπορούμε να πούμε ότι η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια των πτερυγίων του ανεμιστήρα.
Οι συσκευές που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε κινητική ονομάζονται ηλεκτρικοί κινητήρες.
Ο ηλεκτρικός κινητήρας
Η αρχή λειτουργίας ενός ηλεκτρικού κινητήρα, βασίζεται στο γεγονός ότι όταν ένας αγωγός που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα και βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο, τότε το μαγνητικό πεδίο ασκεί δύναμη στον αγωγό, με αποτέλεσμα να τον θέτει σε κίνηση.
Η πιο απλή μορφή ηλεκτρικού κινητήρα φαίνεται στο σχήμα. Ένα συρμάτινο πλαίσιο βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί ένας πεταλοειδής μαγνήτης. Μόλις περάσει ηλεκτρικό ρεύμα από το συρμάτινο πλαίσιο, αυτό αρχίζει να περιστρέφεται.
Ο πρώτος ηλεκτρικός κινητήρας κατασκευάστηκε το 1821 από τον Άγγλο φυσικό Μ. Φαραντέυ. Ο Φαραντέυ έβαλε μέσα σε ένα ποτήρι υδράργυρο και στο κέντρο του στερέωσε ένα ραβδόμορφο μαγνήτη. Κρέμασε ένα αγωγό που διαμέσου του υδραργύρου έκλεινε ηλεκτρικό κύκλωμα με μια ηλεκτρική πηγή. Καθώς ο αγωγός διαρρεόταν από ηλεκτρικό ρεύμα, αυτός περιστρεφόταν γύρω από τον μαγνήτη.
Στους ηλεκτρικούς κινητήρες βασίζεται η λειτουργία πολλών ηλεκτρικών μηχανών και μεταφορικών μέσων, όπως για παράδειγμα οι ηλεκτρικοί κινητήρες που βρίσκονται μέσα στα πλυντήρια ρούχων, στα μίξερ, τα τρόλεϋ, τα ηλεκτρικά τρένα κ.α.
Ηλεκτρική γεννήτρια
Ο ηλεκτρικός κινητήρας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε κινητική. Η αντίστροφη μετατροπή δηλαδή η μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε ηλεκτρική απασχόλησε τους φυσικούς από τις αρχές του 19ου αιώνα.
Ο Φαραντέυ πραγματοποίησε πλήθος πειραμάτων και τελικά το 1831 ανακάλυψε ότι όταν περιέστρεφε ένα μεταλλικό δίσκο ανάμεσα στους πόλους, ενός πεταλοειδούς μαγνήτη, τότε από το κύκλωμα στο οποίο συνδεόταν ο δίσκος διερχόταν ηλεκτρικό ρεύμα. ΄Ετσι η κινητική ενέργεια του δίσκου μετατρέπεται σε ηλεκτρική.
Στην ανακάλυψη του Φαραντέυ βασίστηκε η εφεύρεση της ηλεκτρογεννήτριας η οποία είναι μία συσκευή που μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική. Στις ηλεκτρογεννήτριες ένα πηνίο που καθώς περιστρέφεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο που παράγουν οι πόλοι ενός μαγνήτη, έχει σαν αποτέλεσμα ηλεκτρικό ρεύμα να διέρχεται από το πηνίο.
Ενέργεια και ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος
Όπως γνωρίζουμε όταν μία ηλεκτρική συσκευή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται στη συσκευή η οποία την μετατρέπει σε ενέργεια άλλης μορφής. Για παράδειγμα στη διάταξη του σχήματος όπου ένας κινητήρας περιστρέφεται και ανυψώνει το βαρίδι, ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται στον κινητήρα από το ηλεκτρικό ρεύμα και τη μετατρέπει ένα μέρος σε μηχανική και το υπόλοιπο σε θερμική, λόγω του φαινομένου Tζάουλ και την τριβή. Επειδή ο κινητήρας ανυψώνει το βαρίδι το οποίο αποκτά δυναμική ενέργεια, η μηχανική ενέργεια του κινητήρα μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια στο βαρίδι.
Ενέργεια που μετατρέπει μια ηλεκτρική συσκευή
Παρακάτω θα δώσουμε μια έκφραση της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνει μία ηλεκτρική συσκευή και τη μετατρέπει σε άλλη μορφή.
Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει μία συσκευή στην οποία αναπτύσσεται τάση V στα άκρα της και διέρχεται φορτίο q από αυτή δίνεται από τη σχέση:
Eηλεκτρική = q‧V
Η σχέση που δίνει την ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος, ορίζεται από το γεγονός ότι όταν περάσει φορτίο q από τη ηλεκτρική συσκευή σε χρόνο t, είναι:
Ι = q/t => q = I ‧ t
Έτσι έχουμε
Εηλεκτρική = q ‧ V = (I‧ t) ‧ V ή Eηλεκτρική = V ‧ I ‧ t
Επομένως η συνολική ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα σε μια συσκευή είναι ανάλογη
Α] Της διαφοράς δυναμικού V που εφαρμόζεται στα άκρα της συσκευής
Β] Της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που την διαρρέει
Γ] Του χρόνου κατά τον οποίο η συσκευή λειτουργεί
Η μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας στο Διεθνές Σύστημα μονάδων είναι το ένα Τζάουλ. Το 1 J είναι η ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρει σε μία ηλεκτρική συσκευή, ηλεκτρικό ρεύμα έντασης 1Α όταν διέρχεται από τη συσκευή σε χρόνο 1s ενώ τα άκρα της αναπτύσσεται τάση 1V
1J = 1A ‧ 1V ‧ 1S
H ισχύς που καταναλώνει μία ηλεκτρική συσκευή
Η ισχύς μιας ηλεκτρικής συσκευής ονομάζεται το πηλίκο της ενέργειας Ε που μετατρέπει προς τον απαιτούμενο χρόνο t. Aν το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια Eηλ στη συσκευή μέσα σε χρόνο t τότε η ισχύς Pηλ που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα ορίζεται με το πηλίκο:
Pηλ = Eηλ / t
Όμως όπως γνωρίζουμε η ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα στη συσκευή είναι:
Eηλ = V ‧ I ‧ t
Με αντικατάσταση παίρνουμε για την ισχύ που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα
Pηλ = Εηλ / t = (V ‧ I ‧ t) / t = V ‧ I ή Ρηλ = V ‧ I
Έτσι η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνει (μετασχηματίζει) μια ηλεκτρική συσκευή, είναι ίση με το γινόμενο της τάσης που αναπτύσσεται στα άκρα της συσκευής επί την ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος. Η σχέση Ρηλ = V ‧ I είναι καθολική και δίνει την ισχύ οποιασδήποτε ηλεκτρικής συσκευής.
Μονάδα μέτρησης της ισχύος στο Διεθνές Σύστημα μονάδων είναι το 1W (1 Watt). 1W είναι η ηλεκτρική ισχύς που μεταφέρει σε μία ηλεκτρική συσκευή το ηλεκτρικό ρεύμα με ένταση 1 Α, ενώ στα άκρα της συσκευής εφαρμόζεται τάση 1V.
Κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας
Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνουν οι ηλεκτρικές συσκευές προέρχεται από το ηλεκτρικό δίκτυο της εταιρείας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας όπως είναι η ΔΕΗ. Επειδή η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας κοστίζει, η ΔΕΗ χρεώνει τη συνολική ενέργεια που καταναλώνουν οι συσκευές του σπιτιού μας. Αυτό πετυχαίνεται με τον ηλεκτρικό μετρητή που είναι τοποθετημένος έξω από τα σπίτια μας και μετρά την συνολική ενέργεια που καταναλώνουν οι ηλεκτρικές συσκευές του σπιτιού μας. Σημείωση: αυτοί οι μετρητές δεν μετρούν την ισχύ του ηλεκτρικού ρεύματος.
Όπως έχουμε αναφέρει μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας είναι το ένα Τζάουλ. Επειδή το ένα Τζάουλ είναι μία μικρή ποσότητα ενέργειας, οι εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας μετρούν την ενέργεια που παρέχουν με μία άλλη μονάδα την κιλοβατώρα KWh. Μία κιλοβατώρα είναι ίση με την ενέργεια που καταναλώνεται από μία ηλεκτρική συσκευή ισχύος 1KW =1000W όταν λειτουργεί για χρονικό διάστημα μιας ώρας. Για παράδειγμα ένας λαμπτήρας ισχύος 100W, όταν λειτουργεί για 10 ώρες θα καταναλώσει ηλεκτρική ενέργεια 1KWh.