Електрична енергія

Електрична ене́ргія або електроенергія — вид енергії, що існує у вигляді потенціальної енергії електричного й магнітного полів та енергії електричного струму. Завдяки зручній технології виробництва, розподілу й споживання, електрична енергія займає чільне місце серед інших видів енергії, що їх споживає людство.

Електричну енергію отримують шляхом перетворення інших видів енергії. Її джерелами може бути хімічна енергія, механічна енергія, наприклад, води чи вітру, ядерна енергія, теплова енергія, світлова енергія. При виробництві електричної енергії хімічна або ядерна енергія зазвичай спочатку перетворюються в теплову, а тільки потім у енергію електричного струму.

До споживача електрична енергія поставляється через електромережу. Споживач використовує електричну енергію для виконання механічної роботи, опалення, освітлення, комунікації тощо.

Робота електричного поля при переміщенні заряду

Поняття роботи $A$ електричного поля $E$ при переміщенні заряду $Q$ вводиться в повній відповідності з визначенням механічної роботи:

$A = \int F(x)\, dx = \int Q \cdot E(x)\, dx = Q \cdot U$

де $U = \int E\, dx$ — різниця потенціалів (також уживається термін напруга)

У багатьох завданнях розглядається безперервне перенесення заряду протягом деякого часу між точками із заданою різницею потенціалів $U(t)$, у такому разі формулу для роботи слід переписати таким чином:

$A = \int U(t)\, dQ = \int U(t) I(t)\, dt$

де $I(t) = {dQ \over dt}$ — сила струму

Потужність електричного струму в колі

Потужність $W$ електричного струму для ділянки кола визначається звичайним способом, як похідна від роботи $A$ за часом, тобто виразом:

$W(t) = \frac{{dA}}{dt} = U(t) \cdot I(t)$

— це найзагальніший вираз для потужності в електричному колі.

З врахуванням закону Ома : $U = I \cdot R$

Електричну потужність, що виділяється на опорі $R$ можна виразити як через струм: $W = I(t)^2 \cdot R$,

так і через напругу: $W = {{U(t)^2 } \over R}$

Відповідно, робота (виділена теплота) є інтегралом потужності за часом:

$A = \int W(t)\, dt = \int I(t)^2 \cdot R\, dt = \int {{U(t)^2 } \over R}\, dt$

Енергія електричного і магнітного полів

Для електричного і магнітного полів їх енергія пропорційна квадрату напруженості поля. Слід зазначити, що, строго кажучи, термін енергія електромагнітного поля є не цілком коректним. Обчислення повної енергії електричного поля навіть одного електрона приводить до значення рівного нескінченності, оскільки відповідний інтеграл (див. нижче) розходиться. Нескінченна енергія поля цілком скінченного електрона складає одну з теоретичних проблем класичної електродинаміки. Замість нього у фізиці зазвичай використовують поняття густини енергії електромагнітного поля (у певній точці простору). Загальна енергія поля дорівнює інтегралу густини енергії по всьому простору.

Густина енергії електромагнітного поля є сумою густин енергій електричного і магнітного полів.

У системі СІ для вакууму:

$u = {\varepsilon _0 E^2 \over 2} + {\mu _0 H^2 \over {2}}$

де E — напруженість електричного поля, H — напруженість магнітного поля, $\varepsilon _0$ — електрична стала, і $\! \mu_0$ — магнітна стала.

Потоки енергії електромагнітного поля

Для електромагнітної хвилі густина потоку енергії визначається вектором Пойнтінга (вектором Умова) S.

В системі СІ вектор Пойнтінга дорівнює:

$\mathbf S = \mathbf E \times \mathbf H$,

— векторному добутку напруженостей електричного і магнітного полів, і направлений перпендикулярно до векторів E і H. Це природним чином узгоджується з властивістю поперечності електромагнітних хвиль.

Разом з тим, формула для густини потоку енергії може бути узагальнена для випадку стаціонарних електричних і магнітних полів, і має абсолютно той же вигляд:

$\mathbf S = \mathbf E \times \mathbf H$.

Сам факт існування потоків енергії в постійних електричних і магнітних полях, на перший погляд, виглядає дуже дивним, але це не приводить до будь-яких парадоксів; більш того, такі потоки можуть бути виявлені експериментально.

Дивіться також

• Електрика
• Електроенергетика
• Коефіцієнт потужності
• Лічильник електричної енергії

Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.