Kinetische energie (bewegingsenergie) kan worden omgezet in elektrische energie, bijvoorbeeld in een generator. De wet van behoud van energie stelt dat energie niet verloren gaat, maar van de ene vorm in de andere wordt omgezet.
Omzetting van kinetische energie naar elektrische energie
In een generator wordt kinetische energie omgezet in elektrische energie. Dit gebeurt meestal door beweging (kinetische energie) te gebruiken om een spoel in een magnetisch veld te laten draaien. Deze beweging wekt een elektrische stroom op.
Er is echter niet één simpele formule die kinetische energie direct omzet in elektrische energie, omdat het een proces is met meerdere stappen en altijd sprake is van energieverlies.
De formule voor kinetische energie is:
Ek=21mv2
Hierin is:
- Ek de kinetische energie in Joule (J).
- m de massa in kilogram (kg).
- v de snelheid in meter per seconde (m/s).
De formule voor elektrische energie is:
E=P×t
Hierin is:
- E de elektrische energie in Joule (J) of kilowattuur (kWh).
- P het elektrisch vermogen in Watt (W) of kilowatt (kW).
- t de tijd in seconden (s) of uren (h).
De wet van behoud van energie
De wet van behoud van energie stelt dat de totale hoeveelheid energie in een gesloten systeem constant blijft. Energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen worden omgezet van de ene vorm naar de andere.
Bij de omzetting van kinetische energie naar elektrische energie in de praktijk gaat een deel van de energie verloren, meestal in de vorm van warmte. Dit komt door:
- Wrijving: Bewegende delen in een generator ondervinden wrijving, wat kinetische energie omzet in warmte.
- Elektrische weerstand: De draden in de generator hebben weerstand, waardoor een deel van de elektrische energie wordt omgezet in warmte (Joule-effect).
In een ideaal systeem, zonder energieverlies, zou de afname van kinetische energie gelijk zijn aan de toename van elektrische energie. Echter, in de praktijk is de nuttige elektrische energie die wordt opgewekt altijd kleiner dan de kinetische energie die erin wordt gestopt, vanwege deze verliezen.
Voorbeeld van energiebehoud bij geladen deeltjes
De wet van behoud van energie is ook cruciaal bij het versnellen van geladen deeltjes, bijvoorbeeld in een lineaire versneller. Wanneer een geladen deeltje met lading Q een spanningsverschil U doorloopt, wordt elektrische potentiële energie omgezet in kinetische energie.
De verandering in elektrische potentiële energie is:
ΔEelektrisch=Q×U
De verandering in kinetische energie is:
\Delta E_k = \frac{1}{2}mv_{eind}^2 - \frac{1}{2}mv_{\begin}^2
Volgens de wet van behoud van energie geldt (als verliezen worden verwaarloosd):
ΔEelektrisch=ΔEk
Dus:
Q \times U = \frac{1}{2}mv_{eind}^2 - \frac{1}{2}mv_{\begin}^2
Als het deeltje vanuit rust versneld wordt (v_{\begin} = 0), vereenvoudigt dit tot:
Q×U=21mveind2
Met deze formule kun je bijvoorbeeld de eindsnelheid van een deeltje berekenen.
Natuurkunde