Sản xuất và truyền tải

Bài chính: Sản xuất điện. Xem thêm: Truyền tải điện năng và Lưới điện quốc gia.Bên trong một tổ máy thủy điện, Budapest, Hungary, đầu thế kỉ 20

Thí nghiệm của Thales với thanh hổ phách là nghiên cứu đầu tiên liên quan đến việc sản xuất ra điện. Trong khi với phương pháp này, còn gọi là hiệu ứng điện ma sát, thanh hổ phách có thể hút được vật nhẹ và tạo ra tia điện, nó lại là phương pháp rất ít hiệu quả.[59] Các nguồn điện đáng kể chỉ xuất hiện cho đến tận khi phát minh ra pin Volta vào thế kỷ 18. Pin Volta, và các thế hệ hiện đại của nó, như pin điện, có thể tích trữ được năng lượng hóa học và đáp ứng được những nhu cầu tiêu thụ điện năng của các thiết bị.[59] Pin là một nguồn điện phổ biến và quan trọng phù hợp cho nhiều ứng dụng, nhưng khả năng lưu trữ năng lượng của nó lại hạn chế do vậy đến khi cạn kiệt nó phải được sạc lại hay bị thay thế. Đối với những nhu cầu sử dụng điện năng lớn hơn thì nguồn điện phải được sản xuất từ các nhà máy điện và truyền tải liên tục bằng những đường dây cao thế trải dài hàng nghìn km.

Điện năng thường được sản xuất từ các máy phát cơ - điện quay bởi các tuabin hơi được đun nóng từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, hoặc từ nhiệt giải phóng ra từ các lò phản ứng hạt nhân; hoặc từ những nguồn khác như thu cơ năng từ gió hoặc dòng chảy của nước. Tuabin hơi hiện đại đầu tiên được Sir Charles Parsons phát minh ra vào năm 1884. Ngày nay khoảng 80% lượng điện năng sản xuất ra trên toàn thế giới sử dụng từ các nguồn nhiệt. Các máy phát điện ngày nay không giống như máy phát của Faraday chế tạo năm 1831, nhưng cơ sở hoạt động của chúng vẫn dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ đó là khi có một từ trường biến đổi cắt qua giữa hai đầu của một vẫn dẫn thì giữa hai điểm đó sẽ xuất hiện một hiệu điện thế cảm ứng.[60] Máy biến áp phát minh ra vào cuối thế kỷ 19 cho phép năng lượng điện được truyền tải đi xa một cách hiệu quả hơn ở mức dòng điện cao thế nhưng với cường độ dòng điện nhỏ. Hiệu suất truyền tải điện năng cao cũng có nghĩa là cho phép điện năng được sản xuất một cách tập trung tại các nhà máy phát điện, mang lại hiệu quả kinh tế, cũng như có thể truyền tại điện đi xa nếu cần thiết.[61][62]

Năng lượng gió đã tăng đáng kể ở nhiều quốc gia.

Vì năng lượng điện không thể dễ dàng tích trữ với lượng lớn để đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ cấp quốc gia, do vậy điện năng phải được sản xuất đủ lớn để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ của một quốc gia tại mọi thời điểm.[61] Điều này đòi hỏi các công ty sản xuất điện phải tính toán một cách cẩn thận mức sản xuất điện năng của họ, đồng thời duy trì và phối hợp sự hoạt động của các nhà máy sản xuất điện một cách chính xác. Phải luôn luôn sản xuất một lượng điện năng để duy trì trong lưới điện quốc gia để tránh tổn thất và những tình huống bất ngờ không tránh khỏi.

Nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng một cách nhanh chóng tại các quốc gia hiện đại có nền kinh tế phát triển. Tại Hoa Kỳ, nhu cầu này tăng 12% trong mỗi năm của ba thập kỷ đầu trong thế kỷ 20,[63] tốc độ tăng trưởng này cũng bằng với mức mà ngày nay các nền kinh tế mới nổi cần phải đáp ứng như Ấn Độ hay Trung Quốc.[64][65] Về mặt lịch sử, tốc độ tăng trưởng trong nhu cầu tiêu thụ điện năng đã vượt qua mọi nhu cầu tiêu thụ các dạng năng lượng khác.[66]

Vấn đề môi trường liên quan đến sản xuất điện năng đã dẫn đến sự tập trung nghiên cứu và phát triển việc sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái sinh, đặc biệt là năng lượng gió và năng lượng Mặt Trời. Trong khi nhiều quốc gia và tổ chức vẫn còn tranh luận về những tác động môi trường từ việc sản xuất điện năng từ các nguồn năng lượng hóa thạch cũng như năng lượng tái sinh, nhưng rõ ràng việc sử dụng năng lượng tái sinh là khá sạch.[67]

Ứng dụng

Bóng đèn sợi đốt, một trong những ứng dụng sớm của điện, hoạt động theo hiệu ứng giải phóng nhiệt Joule: khi có một dòng điện truyền qua điện trở hoặc vật dẫn thì vật đó sẽ bị nung nóng.

Điện là một dạng năng lượng rất thuận tiện cho truyền tải đi xa, và đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.[68] Việc phát minh ra bóng đèn sợi đốt trong thập niên 1870 dẫn tới kỹ thuật chiếu sáng trở thành một trong những ứng dụng đầu tiên của năng lượng điện. Mặc dù dòng điện cũng mang lại những nguy hiểm, nhưng các thiết bị điện thay thế cho các lò sưởi hay thiết bị thắp sáng bằng khí gas cũng đã giảm thiểu rất nhiều những nguy hiểm của các thiết bị cũ trong nhà ở và nhà máy.[69] Các công ty cung cấp điện đã được thành lập ở các thành phố lớn dẫn đến sự tạo ra thị trường cung cấp điện chiếu sáng trong đầu thế kỷ 20.

Hiệu ứng giải phóng nhiệt Joule ứng dụng trong bóng đèn sợi đốt cũng được ứng dụng trực tiếp trong việc sưởi bằng điện. Trong khi việc giải phóng nhiệt là không thể tránh khỏi và có thể kiểm soát, dưới góc độ khác có thể coi hiệu ứng này lại gây ra sự lãng phí điện năng, do đa số các nhà máy phát điện đều đòi hỏi nhiệt năng để sản xuất ra điện.[70] Tại một số nước, như Đan Mạch, đã có các đạo luật nhằm giới hạn hoặc ngăn cấm việc sử dụng điện để sưởi ấm trong các tòa nhà xây mới.[71] Điện cũng là một nguồn năng lượng được sử dụng nhiều cho các thiết bị làm lạnh,[72] điều hòa không khí thể hiện sự tăng nhu cầu tiêu thụ điện trong các thiết bị này, ảnh hưởng đến các công ty cung cấp điện năng buộc phải tăng sự điều tiết trong phân phối.[73]

Một trong những ứng dụng sớm nhất của điện đó là viễn thông, như điện tín, khi ngành này đi vào hoạt động thương mại vào năm 1837 bởi Cooke và Wheatstone. Với việc xây dựng hệ thống điện tín xuyên lục địa đầu tiên, và sau đó là hệ thống điện tín xuyên đại dương trong thập niên 1860, điện đã cho phép con người liên lạc được với nhau chỉ trong vòng vài phút trên phạm vi toàn cầu. Công nghệ sợi quang học và vệ tinh viễn thông đã dẫn thay thế hệ thống điện tín cũ, nhưng điện vẫn giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực thông tin ngày nay.

Các hiệu ứng điện từ học có thể dễ dàng nhận thấy được ứng dụng trong động cơ điện, với hiệu suất hoạt động và thân thiện với môi trường hơn các động cơ truyền thống. Một cái tời có thể dễ dàng sử dụng để nâng kéo vật nặng, nhưng một động cơ điện có phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn, như các xe điện, và các thiết bị này buộc phải mang theo một nguồn điện cung cấp đủ lâu như pin, hoặc chúng phải thu dòng điện từ các dây cáp như hệ thống xe điện.Một trong những sáng chế quan trọng nhất của thế kỷ 20 đó là transistor, nó được ứng dụng nhiều trong các thiết bị điện tử,[74] và cũng là một thành phần cơ bản trong các mạch điện tử hiện đại. Ngày nay, một mạch tích hợp chứa tới vài tỷ transitor trong phạm vi vài xentimét vuông.[75]

Nhiều phương tiện giao thông công cộng cũng sử dụng điện, bao gồm xe điện và tàu điện ngầm.[76]