— Published on 14/09/2025 / Bug.hr.
Do gustoće električne energije, ključnog pojma za razumijevanje današnjih električnih automobila, dolazimo preko električne potencijalne energije, električnog potencijala, napona i kapaciteta
Rad smo bili definirali kao silu na putu. Iznos neke sile, u ovom slučaju električne, pomnožen s iznosom puta daje iznos rada (ako sila nije stalna onda nam treba viša matematika, no konceptualno je sve isto). Rad je, s druge strane, razlika energija. Ako električna sila ubrzava električni naboj onda rad odgovara razlici kinetičkih energija. Ako se djelovanjem električne sile električni naboj premjesti s jednog položaja, unutar električnog polja, na drugi položaj onda rad odgovara razlici električnih potencijalnih energija.
Električna potencijalna energija i električni potencijal
U konstantnom električnom polju – gdje polje u svim točkama prostora ima isti iznos, smjer i orijentaciju – električna potencijalna energija analogna je gravitacijskoj potencijalnoj energiji. Kad ispustimo loptu, ona ubrzano pada zbog djelovanja težine (što je gravitacijska sila na Zemljinoj površini) pa je rad umnožak težine (što je masa puta iznos gravitacijskog polja) i puta (što je razlika visina). Zato je gravitacijska potencijalna energija jednaka umnošku mase, iznosa gravitacijskog polja i visine. Isto tako, kad nabijenu česticu stavimo u konstantno električno polje, recimo između dviju ravnih električki suprotno nabijenih ploča, ona ubrzava zbog djelovanja električne sile pa je rad umnožak te sile (što je umnožak naboja i iznosa električnog polja) i puta. Zato je električna potencijalna energija, u takvom primjeru, jednaka umnošku iznosa električnog naboja, iznosa električnog polja i opet „visine” odnosno udaljenosti od referentnog položaja.
I u slučaju kad električno polje nije konstantno, kao kod točkastog naboja, možemo definirati električnu potencijalnu energiju. Tu nam opet treba viša matematika, no konceptualno sve ostaje isto. U svakom slučaju s električnom potencijalnom energijom možemo dalje napraviti onu apstraktnu vratolomiju koju smo bili izveli s električnom silom.
Sjećate li se? U blizini električnog naboja na drugi električni naboj djeluje električna (ili Coulombova) sila. Kad taj drugi naboj, koji smo nazvali probni naboj, maknemo onda ostane mjesto na kojem bi mogao biti naboj. Kad bi tamo bio, na njega bi djelovala sila. Kad ga tamo nema, ipak ostaje ono svojstvo u prostoru, stvoreno od strane prvog naboja, koje smo nazvali električnim poljem. Matematički smo ga dobili tako da smo Coulombovu silu podijelili s iznosom probnog naboja.
Na isti način električnu potencijalnu energiju podijelimo s iznosom probnog naboja i dobijemo... električni potencijal. Za razliku od električnog polja, koje je vektorska veličina, električni potencijal je skalarna veličina. To konkretno znači da je s potencijalima lakše računati nego s poljima. A opet, među njima postoji veza: iz polja se može izračunati potencijal i obrnuto, iz potencijala polje. A ima još nešto zgodno s potencijalima: razlika potencijala odgovara nečemu što je gotovo svakome poznato... naponu.
Električni kapacitet i pohrana električne energije
E sad kad smo se jednom dokopali napona, konačno možemo objasniti električni kapacitet. Vratimo se na onaj primjer dviju ravnih električki suprotno nabijenih ploča. U prostoru između takvih ploča – barem u središnjem dijelu tog prostora, ne na samim rubovima – električno polje je konstantno. To je zgodno ne samo za uvođenje pojma električne potencijalne energije, po analogiji s gravitacijskom potencijalnom energijom, nego je zgodno i za razne primjene. Naime, takvu napravu ravnim razmaknutim, suprotno nabijenim pločama nazivamo pločasti kondenzator. To je uvriježeni, ali ne baš i najsretniji naziv. U fizici je kondenzacija ili ukapljivanje naziv za prijelaz iz plinovitog u tekuće stanje. Bolji bi naziv bio kapacitor.
Zašto kapacitor? Zato što je glavno svojstvo te naprave da (neposredno) prima električni naboj i tako (posredno) pohranjuje električnu energiju. A za „mogućnost primanja čega u sebe” postoji odgovarajuća riječ: kapacitet. Konkretno, električni kapacitet definiramo kao omjer naboja i napona. Kapacitet je to veći što kapacitor primi više naboja uz niži napon između ploča.
Evo kako to funkcionira. Dvije ravne metalne ploče, između kojih postoji neki razmak, spojimo na neki izvor istosmjernog napona, recimo bateriju, jedan pol na jednu ploču, a drugi pol na drugu ploču. Nakon toga dio elektrona s jedne ploče, preko baterije, prijeđe na drugu ploču. To prebacivanje elektrona analogno je podizanju vode iz podnožja brane gore u akumulacijsko jezero. Za tako nešto naravno treba uložiti energiju, ali onda ta energija ostane pohranjena kao potencijalna energija. Razdvojeni naboji nakon odvajanja baterije ostaju razdvojeni pa čuvaju električnu energiju. Jednom kad kapacitor povežete u krug s trošilom, recimo žaruljicom, onda naboj poteče kroz žaruljicu i ona nakratko zasvijetli. Usmjereno gibanje električnog naboja je, naravno, električna struja. Ona zaslužuje posebnu priču i bit će tema idućeg nastavka Abecede fizike.
Ovdje ćemo se još vratiti činjenici da kapacitor dakle čuva energiju i da ju u nekom trenutku može osloboditi. Konkretno, može dati električnu struju, a ta struja opet može obaviti rad. E sad, problem je da je ta struja kratkotrajna. Možemo, naravno, imati mnoštvo kondenzatora no oni nisu baš sićušni pa je njihova ukupna energija podijeljena s volumenom koji zauzimaju (a što pak nazivamo gustoćom energije) mala. I zbog te male gustoće energije primjena im je ograničena.
Da biste s pohranjenom električnom energijom mogli pokretati neko vozilo dulje vrijeme, odnosno da to vozilo ima domet od barem nekoliko stotina kilometara, treba vam izvor električne energije s velikom gustoćom energije. Jedan takav izvor su litij-ionske baterije koje pokreću današnje električne automobile. Puno je vremena trebalo da se njihova tehnologija razvije.
Ne treba zaboraviti činjenicu da su električni automobili zapravo predhodili automobilima koji koriste motore s unutrašnjim izgaranjem. Ne da su bili izumljeni u 19. stoljeću nego su krajem 19. stoljeća bili i komercijalni. Naravno, smiješno skromnih mogućnosti u usporedbi s današnjima. No, proizvodili su se i koristili sve do 1920-ih kad su ih istisnuli automobili koji koriste motore s unutrašnjim izgaranjem. Nakon stoljetne dominacije benzinskih i dizelskih automobila, električni se automobili sada vraćaju u prvi plan prvenstveno zahvaljujući tome što smo uspjeli dovoljno povećati gustoću energije prijenosnih električnih izvora.