ما هي الطاقة الكهربائية؟

- Dec 17, 2018-

تنتج الطاقة الكهربائية من حركة الشحنة الكهربائية ، وعادة ما يشار إليها ببساطة باسم "الكهرباء". في النهاية ، لها أصلها في القوة الكهرومغناطيسية: واحدة من القوى الأساسية الأربعة للطبيعة والجهة المسؤولة عن السلوك من الأشياء المشحونة كهربائيًا. الطاقة الكهربائية هي نتيجة تفاعل الجسيمات دون الذرية مع هذه القوة. تتجلى الكهرباء في الظواهر الطبيعية مثل البرق وهي ضرورية للحياة على مستوى أساسي. إن قدرة البشر على توليد الكهرباء ونقلها وتخزينها أمر حاسم للصناعة الحديثة والتكنولوجيا ، وفي معظم البلدان ، الحياة المنزلية.

أصل الطاقة الكهربائية

هناك نوعان من الشحنات الكهربائية ، تسمى موجبة وسالبة. إذا تم إحضار جثتين مشحونة بالكهرباء بالقرب من بعضهما البعض ، فستواجهان قوة. إذا كانت التهم هي نفسها - سواء الإيجابية أو السلبية على حد سواء - فإن القوة ستعمل على دفع الأشياء بعيدا عن بعضها البعض. إذا كان لديهم رسوم مختلفة ، فسوف يجذبون بعضهم البعض. ويعرف هذا التنافر أو الجاذبية بالقوة الكهرومغناطيسية ، ويمكن تسخيرها لإنشاء تدفق للطاقة الكهربائية.

تتكون الذرات من نواة تحتوي على بروتونات مشحونة إيجابيا ، مع إلكترونات سالبة الشحنة تدور حولها. عادة ما تبقى البروتونات في النواة ، لكن بالإمكان نقل الإلكترونات من الذرة إلى الذرة ، مما يسمح لها بالتدفق عبر المواد ، مثل المعادن ، التي تقوم بتوصيل الكهرباء. إن المكان الذي يحتوي على فائض من الإلكترونات على البروتونات سيكون له شحنة سالبة ؛ مكان لديه عجز سيكون له شحنة موجبة. وبما أن الرسوم المعاكسة تجذب بعضها البعض ، فإن الإلكترونات تتدفق من منطقة مشحونة سالبًا إلى منطقة مشحونة إيجابًا إذا ما سمح لها بذلك ، مما يخلق تيارًا كهربائيًا.

استخدام الطاقة الكهربائية

تعد الكهرباء مفيدة في حد ذاتها وكوسيلة لنقل الطاقة لمسافات طويلة. فمن الضروري لمختلف العمليات الصناعية والاتصالات السلكية واللاسلكية والإنترنت وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون والعديد من الأجهزة الأخرى في الاستعمال الشائع. ويمكن أيضًا تحويلها إلى أشكال أخرى للطاقة لاستخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات الأخرى.

عندما يتدفق تيار كهربائي خلال موصل ، فإنه يولد كمية معينة من الحرارة. تعتمد الكمية الناتجة على مدى جودة أداء المواد الكهربائية. موصل جيد ، مثل النحاس ، ينتج القليل جدا. لهذا السبب ، تستخدم الأسلاك والكابلات النحاسية عادة لنقل الكهرباء: عندما يتم إنتاج الحرارة ، يتم فقدان الطاقة ، لذلك يقلل الموصل الجيد من فقدان الطاقة. فالمواد التي تعمل بالكهرباء أقل كفاءة تنتج المزيد من الحرارة ، لذا فإنها تميل إلى أن تستخدم في السخانات الكهربائية ، المواقد والأفران ، على سبيل المثال.

يمكن أيضًا تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء. تعتمد الأضواء القوسية المبكرة على تفريغ كهربائي عبر فجوة صغيرة لتسخين الهواء إلى النقطة التي يضيء فيها - نفس المبدأ مثل البرق. في وقت لاحق ، تم إدخال المصباح الكهربائي الخيطي: يعتمد هذا على التيار الكهربائي مما يؤدي إلى توهج السلك النحيف الملفوف. تمر مصابيح الإضاءة الحديثة الموفرة للطاقة بتيار كهربائي عالي الجهد من خلال غاز رقيق ، مما يؤدي إلى إطلاق الضوء فوق البنفسجي ، مما يؤدي إلى طلاء الفلورسنت لإنتاج ضوء مرئي.

عندما يتم نقل مادة موصلة ، مثل سلك نحاسي ، في حقل مغناطيسي ، يتم توليد تيار. على العكس من ذلك ، فإن التيار المتدفق عبر سلك ، إذا حدث له مجال مغناطيسي ، ينتج حركة. هذا هو المبدأ وراء محرك كهربائي. تتكون هذه الأجهزة من ترتيب مغناطيسات وملفات من الأسلاك النحاسية بحيث عندما يتدفق التيار عبر السلك ، يتم إنتاج حركة دوران. تستخدم المحركات الكهربائية على نطاق واسع في الصناعة وفي المنزل ، على سبيل المثال في الغسالات ومشغلات DVD.

قياس الطاقة الكهربائية

يتم قياس الطاقة بالجول ، وهو مصطلح سمي على اسم الفيزيائي جيمس بريسكوت جول . الجول الواحد هو تقريبا كمية الطاقة المطلوبة لرفع رطل واحد (0.45 كيلوغرام) من مسافة عمودية تسع بوصات (22.9 سم). ومع ذلك ، عادة ما يكون أكثر ملاءمة للتفكير في الكهرباء من حيث الطاقة ، وهي الطاقة مقسومة حسب الوقت ، أو معدل تدفقها. وهذا يعطي الوحدة الأكثر شهرةً للوات ، والتي سميت على اسم العالم جيمس وات. واحد واط يعادل جول واحد في الثانية.

هناك عدد من الوحدات الأخرى المتعلقة بالكهرباء. الكولون هو وحدة الشحنة الكهربائية. يمكن اعتباره كمية من الإلكترونات - 1.6 × 10 19 - بما أن جميع الإلكترونات لها نفس الشحنة الصغيرة جدا. إن الأمبير ، الذي يختصر عادة إلى "amp" ، هو وحدة التيار الكهربائي ، أو عدد الإلكترونات التي تتدفق في فترة زمنية معينة. أمبير واحد يساوي كولوم واحد في الثانية.

فولت هو وحدة القوة الكهربائية ، أو كمية الطاقة التي يتم نقلها لكل وحدة شحن ، أو كولوم. يعادل واحد فولت واحد جول من الطاقة التي يتم نقلها لكل كولوم الشحنة. القوة ، بالواط ، تعادل الفولتية مضروبة في أمبير ، لذا فإن تيار خمسة أمبير عند 100 فولت سيعادل 500 واط.

توليد الطاقة الكهربائية

يتم توليد معظم الكهرباء بواسطة الأجهزة التي تحول الحركة الدورانية إلى طاقة كهربائية ، باستخدام نفس المبدأ كمحرك كهربائي ، ولكن في الاتجاه المعاكس. تنتج حركة ملفات الأسلاك داخل المجال المغناطيسي تيارًا كهربائيًا. عادة ، يتم استخدام الحرارة ، التي يتم توليدها في الغالب عن طريق حرق الوقود الأحفوري ، لإنتاج البخار الذي يعمل على تشغيل التوربين من أجل توفير الحركة الدورانية. في محطة الطاقة النووية ، توفر الطاقة النووية الحرارة. تستخدم الطاقة الكهرومائية حركة الماء تحت الجاذبية لدفع التوربين.

عادة ما تكون الكهرباء المولدة في محطات توليد الطاقة في شكل تيار متناوب ( AC ). هذا يعني أن التيار ينعكس باستمرار اتجاهه ، عدة مرات في الثانية. لمعظم الأغراض ، يعمل التيار المتردد بشكل جيد ، وهذه هي الطريقة التي تصل بها الكهرباء إلى المنزل. ومع ذلك ، تتطلب بعض العمليات الصناعية تيارًا مباشرًا (DC) يتدفق في اتجاه واحد فقط. على سبيل المثال ، يستخدم تصنيع بعض المواد الكيميائية التحليل الكهربي: تقسيم المركبات إلى عناصر أو مركبات أبسط باستخدام الكهرباء. وهذا يتطلب تيارًا مباشرًا ، لذا ستحتاج هذه الصناعات إما إلى تحويل التيار المتردد إلى التيار المباشر أو أن يكون لديها إمدادات DC الخاصة بها.

إنه أكثر كفاءة لنقل الكهرباء من خلال خطوط الكهرباء في الفولتية الأعلى. لهذا السبب ، تستخدم محطات توليد الأجهزة التي تسمى المحولات لزيادة الجهد لنقلها . هذا لا يزيد الطاقة أو الطاقة: عندما يتم رفع الجهد ، يتم تقليل التيار والعكس بالعكس. يحدث نقل الكهرباء لمسافات طويلة في عدة آلاف من الفولتات ؛ ومع ذلك ، لا يمكن استخدامه في المنازل في هذه الفولتية. تقلل المحولات المحلية الجهد إلى حوالي 110 فولت في الولايات المتحدة الأمريكية ، و 220-240 فولت في أوروبا ، للإمدادات المحلية.

وكثيرا ما يتم توفير الكهرباء للأجهزة الصغيرة منخفضة الطاقة عن طريق البطاريات. تستخدم هذه الطاقة الكيميائية لتوليد تيار كهربائي صغير نسبيا. هم دائما توليد تيار مباشر ، وبالتالي لديهم محطة سلبية وإيجابية. تتدفق الإلكترونات من الطرف السلبي إلى الطرف الموجب عند اكتمال الدارة.