انرژی الکتریکی، توان لازم برای کار یا یک عمل را در مدار الکتریکی، تولید می‌کند و برحسب ژول بر ثانیه است.
انرژی الکتریکی، توانایی مدار الکتریکی برای تولید کار با ایجاد یک عمل است. این عمل می‌تواند اشکال مختلفی مانند حرارتی، الکترومغناطیسی، مکانیکی، الکتریکی و غیره را داشته‌باشد. انرژی الکتریکی را می‌توان از طریق باتری، ژنراتور، دینام و فوتوولتائیک و غیره، ایجادکرد یا با استفاده از سلول‌های سوختی، باتری‌ها، خازن‌ها یا میدان‌های مغناطیسی و غیره، برای آینده، ذخیره‌سازی نمود. بنابراین، انرژی الکتریکی را می‌توان ایجاد یا ذخیره کرد.
از کلاس‌های علوم مدرسه، می‌توانیم به‌یاد آوریم؛ که” قانون بقای انرژی“، بیان می‌کند؛ که انرژی ایجاد یا نابود نمی‌شود؛ بلکه تنها تبدیل می‌شود. اما برای انجام هرگونه کار مفید، انرژی باید از یک شکل به شکل دیگر، تبدیل شود. به‌عنوان مثال، یک موتور، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی یا جنبشی (دورانی) تبدیل می‌کند؛ درحالی‌که، یک ژنراتور، انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی، برای تغذیه‌ی مدار تبدیل می‌کند.
این بدان معناست؛ که ماشین‌های الکتریکی با انجام کار، انرژی را از شکلی به شکل دیگر، تبدیل کرده یا تغییر می‌دهند. مثال دیگر، لامپ، حباب نور یا LED (دیود ساطع‌کننده‌ی نور) است؛ که انرژی الکتریکی را به انرژی نور و انرژی گرمایی (حرارتی) تبدیل می‌کند. پس انرژی الکتریکی، بسیار متنوع است؛ زیرا می‌تواند به‌راحتی به انواع مختلف انرژی تبدیل شود.
برای انرژی الکتریکی، که بتواند الکترون‌ها را حرکت دهد و شارش جریان در مدار ایجاد نماید؛ باید کار انجام شود. یعنی الکترون‌ها باید از یک فاصله در سیم یا هادی حرکت کنند .کار انجام‌شده، به‌عنوان انرژی در شارش الکترون‌ها، ذخیره می‌شود. بنابراین، “کار” نامی است؛ که ما به فرآیند انرژی می‌دهیم.
پس، می‌توانیم بگوییم که کار و انرژی به‌صورت موثری یکی هستند؛ زیرا انرژی را می‌توان “توانایی انجام کار” تعریف نمود. توجه داشته‌باشید؛ که کار انجام‌شده یا انرژی منتقل‌شده، به یک‌اندازه به سیستم مکانیکی یا سیستم حرارتی یا سیستم الکتریکی، اعمال می‌شود. زیرا، انرژی مکانیکی، حرارتی و الکتریکی، قابل تبدیل به‌یکدیگر می‌باشند.
انرژی الکتریکی: ولت
همانطور که می‌دانیم؛ انرژی، ظرفیت انجام کار است و یکای استانداردی که برای انرژی (یا کار) استفاده می‌شود؛ ژول است. یک ژول، به انرژی گفته می‌شود؛ که یک آمپر در یک ولت مصرف می‌کند و در یک ثانیه حرکت می‌کند. جریان الکتریکی، از حرکت شارژ الکتریکی (الکترون‌ها) در مدار ناشی می‌شود اما برای حرکت شارژ از یک گره به گره‌ی دیگر، باید نیرویی برای ایجاد کاری برای حرکت بار ایجاد گردد و این نیرو، ولتاژ نام دارد.
ما تمایل داریم تصور کنیم؛ که ولتاژ (V) بین دو پایانه‌ی مختلف، دو نقطه یا گره در مدار یا منبع باتری وجود دارد. اما ولتاژ، از این‌رو حائز اهمیت است؛ که کار موردنیاز برای انتقال بار را از یک نقطه به نقطه‌ی دیگر، درجهت جلو یا معکوس فراهم می‌کند. ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو پایانه یا نقطه، زمانی به‌عنوان یک ولت تعریف می‌شود؛ که یک ژول انرژی، برای جابه‌جایی یک کولمب بار الکتریکی بین دو پایانه، استفاده می‌شود.
به‌بیان دیگر، اختلاف ولتاژ بین دو نقطه یا پایانه، کار موردنیاز برحسب ژول بوده که شارژ یک کولمب را از A به B، جابه‌جا می‌کند. ازاین‌رو، ولتاژ می‌تواند به‌صورت زیر بیان‌شود:
یکای ولتاژ
درجایی‌که: ولتاژ برحسب ولت، J کار یا انرژی برحسب ژول و C شارژ برحسب کولمب است. بنابراین، اگر J =۱ ژول، C=۱ کولمب باشد، پس V، برابر با ۱ ولت خواهدبود.
مثال شماره‌ی 1 انرژی الکتریکی
ولتاژ پایانه‌ی یک باتری، که ۱۳۵ ژول انرژی را برای جابجایی ۱۵ کولمب بار، در مدار الکتریکی مصرف می‌کند؛ چقدراست؟
پس می‌توانیم در این مثال ببینیم، که هر کولمب شارژ، انرژی ۹ ژول را دراختیار دارد.
انرژی الکتریکی: آمپر
دیدیم که یکای شارژ الکتریکی، کولمب است و شارش بارالکتریکی در یک مدار، برای نشان‌دادن جریان، استفاده می‌شود. با این‌حال، از آن‌جایی‌که، نماد کولمب حرف “C” است؛ می‌توان آن را با نماد خازن که آن نیز “C” است؛ اشتباه گرفت.
برای جلوگیری از این اشتباه، نماد معمول استفاده‌شده برای شارژ الکتریکی حرف بزرگ “Q” یا حرف کوچک “q” است؛ که اساسا به‌معنی کمیت می‌باشد. بنابراین، Q = ۱ کولمب شارژ یا Q = ۱C است. توجه داشته‌باشید؛ که بار Q می‌تواند مثبت، Q+ یا منفی، Q- باشد؛ با توجه به اینکه با حفره یا الکترون، سروکار داشته‌باشیم.
شارش شارژ در مدار بسته در قالب الکترون‌ها، جریان الکتریکی خوانده می‌شود. درهرحال، استفاده از عبارت “شارش شارژ”، تلقی‌کننده‌ی حرکت است؛ بنابراین، برای تولید جریان الکتریکی، شارژ باید حرکت کند. این امر، منجر به پرسیدن این سوال می‌شود که چه‌چیزی باعث حرکت شارژ می‌شود و باید گفت؛ که این‌کار، توسط ولتاژ انجام می‌گیرد.
پس، ولتاژ یا اختلاف پتانسیل بین دو نقطه، انرژی الکتریکی لازم برای حرکت شارژ در مدار را، به‌شکل جریان الکتریکی، فراهم می‌کند. بنابراین،کار انجام‌شده برای حرکت شارژ، توسط اختلاف پتانسیل، تامین می‌شود و اگر اختلاف پتانسیلی بین دو نقطه، وجود نداشته‌باشد؛ شارش جریان نیز، وجود نخواهدداشت. درواقع، شارژ بدون شارش یا حرکت، الکتریسیته‌ی ساکن نام دارد.
اگر حرکت شارژ، جریان الکتریکی نامیده می‌شود؛ پس می‌توانیم به‌درستی بگوییم که جریان، نرخ حرکت ( یا نرخ شارش) شارژ است اما چه‌مقدار شارژ، نشان‌دهنده‌ی جریان خواهدبود؟ اگر ما یک نقطه درون مدار، هر نقطه‌ای، را درنظربگیریم و میزان شارژ گذرنده از این نقطه را، دقیقا در یک ثانیه، اندازه‌گیری کنیم؛ این مقدار، به ما میزان جریان الکتریکی را برحسب آمپر (A) خواهدداد.
پس یک آمپر جریان، برابر با یک کولمب شارژ، که از یک نقطه مشخص در یک ثانیه می‌گذرد؛ است و هرچه شارژ گذرنده در ثانیه از یک نقطه، بیشتر باشد؛ جریان، بزرگتر خواهدبود. پس می‌توانیم یک آمپر جریان الکتریکی (A) را برابر با یک کولمب شارژ بر ثانیه، یعنی ۱A = ۱C/s، تعریف کنیم.
یکای آمپر
درجایی‌که: Q بار (برحسب کولمب) و t فاصله‌ی زمانی (برحسب ثانیه) است؛ که شارژ حرکت می‌کند. به‌عبارت دیگر، جریان الکتریکی، هم دارای اندازه (میزان شارژ) و هم جهت مشخصی است؛ که با آن ارتباط دارد.
توجه داشته‌باشید؛ که نماد متداول استفاده‌شده برای جریان الکتریکی، حرف بزرگ “I” یا کوچک “i” بوده که به‌معنای شدت است. یعنی شدت یا تمرکز شارژ که توسط شارش الکترون، ایجاد می‌شود. برای جریان DC ثابت، درحالت کلی، حرف بزرگ “I” استفاده می‌شود؛ درحالی‌که، برای جریان متغیر با زمان AC، معمولا از حرف کوچک “I” استفاده می‌شود. نماد i(t) به‌معنای جریان لحظه‌ای در یک لحظه‌ی دقیق در زمان است.
گاهی با استفاده از تصویر، می‌توان روابط را آسان‌تر به‌خاطر سپرد. دراینجا، سه مقدار I ،Q و t روی یک مثلث قرار گرفته‌اند؛ که موقعیت واقعی هر کمیت را در فرمول جریان، نشان می‌دهد.
آمپر
با جابه‌جایی فرمول استاندارد بالا، ترکیب‌های زیر را، می‌توان از این معادله به‌دست آورد:
مثال شماره‌ی 2 انرژی الکتریکی
- چه‌مقدار جریان از یک مدار می‌گذرد؛ درصورتی‌که، شارژ ۹۰۰ کولمب از یک نقطه‌ی مشخص در ۳ دقیقه بگذرد؟
2. یک جریان الکتریکی ۳ آمپر، در یک مقاومت شارش می‌یابد. چه‌تعداد کولمب شارژ از یک مقاومت، در ۹۰ ثانیه، خواهد گذشت؟
انرژی الکتریکی: وات
توان الکتریکی، حاصل دو کمیت ولتاژ و جریان است و بنابراین، می‌تواند به‌عنوان نرخ انجام کار در مصرف انرژی، تعریف شود. پیش از این گفته‌شد؛ که ولتاژ، کار موردنیاز برحسب ژول را برای حرکت یک کولمب شارژ از نقطه‌ی A به B فراهم می‌کند و جریان، نرخ حرکت (یا نرخ شارش) شارژ است. پس چگونه این دو تعریف به‌یک‌دیگرمرتبط خواهند شد؟!
اگر ولتاژ (V) برحسب ژول بر کولمب (V=J/C) و آمپر (A) برابر با شارژ (کولمب) بر ثانیه (A=Q/t) باشد؛ پس می‌توانیم توان الکتریکی (P) را ترکیب این دو کمیت تعریف کرد. پس توان الکتریکی برابر با ولتاژ در آمپر یعنی P=V*I است.
وات
پس می‌توانیم ببینیم؛ که توان الکتریکی، نرخی که کار در آن در یک ثانیه، انجام می‌شود نیز است. پس یک ژول، برابر با انرژی تلف‌شده در یک ثانیه نیز خواهدبود. از آن‌جایی‌که، توان الکتریکی برحسب وات (W) اندازه‌گیری می‌شود؛ باید بتوان آن را برحسب ژول بر ثانیه نیز اندازه‌گیری کرد. پس درست است که بگوییم؛ یک وات (W) برابر با یک ژول بر ثانیه (J/s) است.
توان الکتریکی
بنابراین، اگر باشد؛ نتیجه می‌شود که یک ژول انرژی، برابر با یک وات در واحد زمان است. یعنی، کار برابر با ضرب توان در زمان (V*I*t برحسب ژول) است.
بنابراین، انرژی الکتریکی ( کار انجام شده) با ضرب توان در زمان برحسب ثانیه که شارش شارژ (به‌شکل جریان) است؛ به‌دست می‌آید. بنابراین، واحدهای انرژی الکتریکی به واحدهای مورد استفاده برای توان الکتریکی و زمان، وابسته است. ازاین‌رو، اگر توان الکتریکی را برحسب کیلووات (kW) و زمان را برحسب ساعت (h) اندازه‌گیری کنیم؛ انرژی الکتریکی مصرفی برحسب کیلووات ساعت (kWh) خواهدبود.
watt (W) = 1 joule/second (J/s)
مثال شماره‌ی 3 انرژی الکتریکی
یک لامپ ۱۰۰ واتی، تنها برای یک ساعت روشن می‌شود. چند ژول انرژی الکتریکی توسط لامپ، مصرف شده‌است؟
توجه داشته‌باشید؛ که هنگامی‌که با ژول به‌عنوان یکای انرژی الکتریکی سروکار داریم؛ راحت‌تر است که آن را به‌صورت کیلوژول، نمایش دهیم. ازاین‌رو، جواب ما دربالا برابر با ۳۶۰ کیلوژول خواهدبود.
ازآن‌جایی‌که ژول، خود کمیتی کوچک است؛ کیلوژول(kJ)، هزار ژول، مگاژول(MJ) یک میلیون ژول و گیگاژول (GJ) هزار میلیون ژول، یکاهای کاربردی انرژی الکتریکی می‌باشند. پس یکای الکتریسته، معادل یک کیلووات ساعت (kWh) را می‌توان برابر با ۳/۶ مگاژول (MJ) تعریف‌نمود.
به‌همین ترتیب، ازآن‌جایی‌که، وات مقدار کمی برای توان الکتریکی است؛ معمولا از کیلووات (۱kW=۱۰۰۰ watt) و مگاوات (۱MW=۱۰۶ watt) برای شناسایی توان خروجی تجهیزات و لوازم برقی، استفاده می‌شود. پس ما می‌توانیم ببینیم؛ که کیلووات (یا مگاوات) یکای توان الکتریکی است؛ درحالی‌که یکای انرژی الکتریکی، کیلووات ساعت است.
