البحث عن الطاقة الكهربائية
- من أشكال الطاقة التي يتم الاعتماد عليها في الغالبية العظمى من أنشطة الحياة البشرية ، إن لم يكن كلها ، ولا يمكن الاستغناء عنها في أي وقت أو مكان ، خاصة في ظل عصر التقدم التكنولوجي والسرعة التي نحن عليها نشهد اليوم.
- لا توجد صناعات ولا مجالات علمية واتصالات وغيرها بدون الاعتماد على الطاقة الكهربائية.
مقدمة في الطاقة الكهربائية
- تنقسم الطاقة إلى نوعين (الطاقة الحركية والطاقة الساكنة) وتسمى حركة الكهرباء التيار الكهربائي.
- بشكل عام ، تخضع جميع أنواع وأشكال الطاقة لقانون الحفاظ على الطاقة ونصه (هذه الطاقة لا يتم تدميرها أو إنشاؤها ، بل تتحول من شكل إلى آخر).
- مما يدل على إمكانية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية في المحركات ، وتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية من خلال المولدات وغيرها.
عناصر البحث في الطاقة الكهربائية
يتضمن بحثنا حول الطاقة الكهربائية بعض العناصر ، والتي سنراجع كل منها بالتفصيل ، وهذه العناصر هي:
- تعريف الطاقة الكهربائية.
- تاريخ الكهرباء.
- طرق توليد الطاقة الكهربائية.
- تخزين الطاقة الكهربائية.
- مصادر الطاقة الكهربائية.
- فوائد الكهرباء.
- ختام البحث عن الطاقة الكهربائية.
تعريف الطاقة الكهربائية
- تعرف الطاقة بأنها القدرة على القيام بعمل ما ، ولها أشكال عديدة يتم الاعتماد عليها في الحياة ، وأهمها الطاقة الكهربائية التي تتميز بسهولة استخدامها ومرونة تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة ، لكن يصعب تخزينها بكميات كبيرة.
- تتنوع مجالات واستخدامات الكهرباء ، حيث يتم استخدامها لتشغيل الأجهزة الكهربائية ، والمجالات الصناعية ، وعمليات النقل ، والتدفئة المنزلية ، والعديد من الاستخدامات المنزلية ، وغيرها من التطبيقات المعقدة.
- وُصفت الطاقة الكهربائية بأنها ما يتم تخزينه في جسيمات مشحونة بذرات من الطاقة ، مما يولد مجالًا كهربائيًا يحيط بها. يجب عليها تحريك الجسيمات المشحونة والقيام بعمل.
- وتجدر الإشارة إلى أن الطاقة الكهربائية تعتبر مصدرًا ثانويًا للطاقة بمعنى أنها لا تُستخرج وتُستخرج من الأرض كما يحدث مع الفحم على سبيل المثال ، ولكنها مشتقة من مصادر الطاقة الأولية ؛ ومن أمثلة هذه المصادر الطاقة الشمسية والتفاعلات النووية والفحم والغاز الطبيعي وطاقة الرياح وغيرها.
تاريخ الكهرباء
- يعود اكتشاف الكهرباء الساكنة (البرق) إلى فرانكلين من خلال طائرته المربوطة بحبل معدني ، متبوعًا بما استطاع العالم الإيطالي فولتا إنتاجه من الكهرباء في 9 م بالطرق الكيميائية باستخدام سلطته الشهيرة (وعاء فولتا) المكون من وعاء زجاجي يحتوي على قضيبين يوضع معدنان ، أحدهما من الحديد والآخر من النحاس ، في محلول ملحي.
- ثم جاءت اكتشافات العالم الفرنسي أمبير ، الذي استطاع التمييز بين التيار والتوتر (العمل) ، وفي العام (بعد الميلاد) اكتشف العالم أوم العلاقة الشهيرة والأساسية بين التوتر والتيار المعروفة باسم قانون أوم.
طرق توليد الطاقة الكهربائية
يتم توليد الطاقة الكهربائية من خلال تحويل أنواع مختلفة من الطاقة ، مثل الطاقة الكيميائية والميكانيكية وغيرها ، إلى طاقة كهربائية. الطرق الأساسية لتوليد الطاقة الكهربائية هي كما يلي:
التأثير الكهروضوئي
- هو انبعاث الإلكترونات من الأشياء عندما تكتسب طاقة ضوئية كافية ، حيث أن الطاقة التي تمتلكها فوتونات الضوء تتناسب طرديًا مع تردد الضوء ، بينما تمتلك الإلكترونات طاقة تسمى طاقة ربط الإلكترون ، وتحدث عملية الانبعاث البصري عندما تكتسب الإلكترونات طاقة أكثر من طاقة الربط الإلكترون وبالتالي تدفق تيار من الإلكترونات ، وهو ما يعرف بـ (التيار الكهربائي).
الكيمياء الكهربائية
- يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية في هذه الحالة بطريقة مباشرة ، كما هو الحال مع البطاريات ؛ تتكون البطارية من قطبين ، أحدهما متصل بالقطب الموجب ويعرف بالكاثود ، والثاني متصل بالقطب السالب ويعرف بالقطب الموجب ، كل منهما مغمور في سائل كيميائي يسمى المنحل بالكهرباء ، والذي يتكون من أيونات تتفاعل مع مادة القطب لتوليد تيار كهربائي ، وتكمن أهميته في التطبيقات المحمولة والمتنقلة.
الحث الكهرومغناطيسي
- يعني إنتاج قوة كهربائية دافعة أو ما يسمى (الجهد الكهربائي) عن طريق وضع موصل كهربائي مع مجال مغناطيسي متغير أو عن طريق تحريك موصل بمجال مغناطيسي ثابت.
- تنسب هذه الظاهرة إلى العالم مايكل فاراداي ، ومن أهم التطبيقات التي يمكن ذكرها هو (المولد الكهربائي) ، الذي يعتمد عمله على حركة موصل بمجال مغناطيسي ، من أجل تكوين شحنات كهربائية و توجيههم لخلق تدفق التيار.
- يستخدم المولد من خلال تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ، حيث تستخدم هذه المولدات في العديد من محطات التوليد ، بما في ذلك محطات الرياح ومحطات الوقود الأحفوري.
تخزين الطاقة الكهربائية
ينتج عن تدفق الإلكترونات ما يعرف علميًا بالتيار الكهربائي ، حيث تتدفق الإلكترونات بسبب تأثيرها على بعض المجالات ، بما في ذلك المجالات الكهربائية والمغناطيسية المترابطة ، مما يؤدي إلى إيجاد الطاقة الكهربائية التي تتحرك من خلالها الشحنات ، وذلك يمكن تخزين الطاقة بواسطة البطاريات أو المكثفات بحيث يصبح ذلك ممكنًا. الاستفادة من ذلك مع العديد من التطبيقات ، من الممكن أيضًا توصيل الكهرباء بسهولة من خلال الأسلاك المصنوعة من مواد موصلة بشكل خطير للكهرباء مثل المعادن ، والتي تعرف باسم نظام نقل الطاقة (الشبكة الكهربائية).
مصادر الطاقة الكهربائية مصادر الحرارة
هناك نوعان من المصادر الرئيسية التي يمكن من خلالها توليد الطاقة الكهربائية ، وهما المصادر الحرارية والمصادر المتجددة. أما بالنسبة للمصادر الحرارية ، فإن محطات التوليد الخاصة بها تعتمد في الغالب على الوقود لتسخين المياه من أجل إنتاج البخار لبدء دورة تعرف باسم دورة رانكين ، حيث تحكم القوانين الثانية للديناميكا الحرارية جميع محطات توليد الكهرباء ، مما يشير إلى عدم تمكنها من تحويل الطاقة الحرارية. إلى كهرباء بكفاءة مائة بالمائة. أهم المصادر الحرارية هي:
الوقود الحفري
- تعمل محطات التوليد على حرق الوقود الأحفوري بمختلف أنواعه بما في ذلك النفط والغاز والفحم لتوليد بخار الماء اللازم لتشغيل المحطة. في محطات توليد الطاقة بالغاز ، يتم تشغيل التوربين بالغازات ، وبالتالي تتحرك ريشها بشكل مباشر.
- بينما في محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة ، يتم استخدام مولد بخاري لزيادة كمية إنتاج الكهرباء. وتجدر الإشارة إلى أنه في عام 0 بعد الميلاد ، تم إنتاج حوالي٪ من احتياجات العالم من الكهرباء من خلال الوقود الأحفوري.
وقود نووي
- تشبه عملية توليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية ما يتم في محطات توليد الطاقة باستخدام الوقود الأحفوري ، لكنها تعتمد على حرارة الانشطار النووي بدلاً من حرق الوقود الأحفوري لإنتاج بخار الماء. كميات كبيرة من الوقود على عكس محطات الطاقة التقليدية الأخرى.
مصادر الطاقة المتجددة
تتميز المحطات المتجددة لإنتاج الطاقة الكهربائية بقدرتها على الحصول على طاقتها مباشرة من مصادر الطاقة المتجددة التي لا تقبل الوصول إليها ، ولكن هذه المصادر غير متوفرة في كل مكان وزمان ، وبالتالي فإن هذه المحطات ذات إنتاج متقطع وهي لا يجوز الاعتماد عليها بشكل كامل. من بين مصادر الطاقة الكهربائية المتجددة ما يلي:
الطاقة الحرارية الأرضية
- يزداد معدل درجة الحرارة كلما ابتعدنا عن القشرة الأرضية وكلما زاد عمق الأرض ؛ وهذا ما يحدث نتيجة عوامل كثيرة منها التحلل الإشعاعي والضغط والصخور المنصهرة ، ومن الأمور التي تدل على ذلك انفجار ينابيع المياه الساخنة والبخار والماء الساخن الذي تدفعه إلى سطح الأرض. .
- هذه الأمور سالفة الذكر جذبت اهتمام مهندسي الطاقة بشكل كبير لهذه المصادر الهامة للطاقة ، حيث اتجهت الأفكار والآراء إلى استغلال تلك الطاقة وبناء أنواع مختلفة من المحطات ، التي تعاني هذه المصادر من بعض العيوب ، وأبرز تلك العيوب هو: صعوبة العثور على موقع مناسب مع ما قد يؤثر استغلال بعض المواقع على درجة حرارة الماء في باطن الأرض.
طاقة الرياح والطاقة الشمسية
- تعد كل من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح من المصادر الرئيسية للطاقة المتجددة المستخدمة في عملية توليد الكهرباء ، وما يميز هاتين الطريقتين هو انبعاث كميات قليلة جدًا من الغازات التي تسبب الاحتباس الحراري.
- في عام 0 م ، قدرت النسبة الإجمالية لإنتاجه من الكهرباء من طاقة الرياح والطاقة الشمسية بـ.٪ و.٪ ، لكن أحد أهم عيوب هاتين الطريقتين هو اعتمادهما بشكل أساسي على مما يمنعهم من إنتاج الكهرباء بكمية مستمرة وثابتة.
- تعتمد توربينات الرياح أيضًا على سرعة الرياح ، حيث لا يتم توليد طاقة كهربائية تحت سرعات الرياح سواء كانت قوية جدًا أو منخفضة ، بالإضافة إلى حقيقة أن الألواح الشمسية تعتمد على بعض العوامل لتوليد الكهرباء منها: اليوم ، التوقيت ، الموسم وحالة السماء سواء كانت غائمة أو صافية ومستوى نظافة الألواح نفسها.
طاقة الماء
- تنتج الطاقة الكهرومائية عن طريق تخزين كميات كبيرة من المياه في السدود ، ومن ثم يُسمح لها بالتدفق عبر بوابات خاصة بالمرور عبر التوربينات المائية لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء الصديقة للبيئة ، بالإضافة إلى إمكانية استغلال الأنهار الجارية لإنتاج الطاقة الكهرومائية. ومن محددات هذه الطريقة أنها خاضعة للرقابة. إيجاد موقع مناسب لبناء السد وإنشاء محطة طاقة كهرومائية عليه.
فوائد الكهرباء
نتج عن اكتشاف الكهرباء واستخدامها وتطويرها العديد من الفوائد والمظاهر المفيدة في مختلف مجالات وأنشطة الحياة ، ومن أبرزها:
- في المنازل: تستخدم الكهرباء في الأنشطة اليومية حيث توفر الراحة وسهولة العيش داخل المنزل من خلال تشغيل الماكينات المختلفة مثل المايكرويف والثلاجات وغسالات الصحون والملابس والعديد من الأجهزة الأخرى.
- في الهواء الطلق: تستخدم الكهرباء في عملية إنارة الطرق ، وتدفئة حمامات السباحة ، وفي مجال الزراعة عن طريق تشغيل رشاشات وجزازات العشب.
- وسائل النقل والمواصلات: تساعد الكهرباء في الوصول إلى أماكن مختلفة حول العالم ، وقبل اكتشافها كان النقل مسألة صعبة للغاية ، فمثلاً لا يمكن السفر بالطائرات بدون كهرباء.
- المجال الصحي: يتم تشغيل كل من المعدات الطبية والجراحية الحديثة بالكهرباء.
- التجارة والصناعة: تعتمد الكهرباء على تصنيع وإنتاج المواد المختلفة من خلال تشغيل الآلات الثقيلة.
- في المكاتب: تشمل المكاتب العديد من أنواع الأجهزة المختلفة التي تعمل بالكهرباء منها المصاعد والماسحات الضوئية والتكييف وغيرها.
- العمليات الهندسية: تستخدم الكهرباء في عمليات البناء عن طريق تشغيل الآلات ، مثل استخدام أدوات اللحام لتركيب النوافذ والأبواب.
- مجال الترفيه: تعتمد الكهرباء بشكل كامل على الكهرباء في الوقت الحاضر فيما يتعلق بعملية الترفيه البشري ، على سبيل المثال ، الاستماع إلى الموسيقى ، ومشاهدة التلفزيون ، واستخدامه لتشغيل برامج القيادة لمشاهدة الأفلام والكثير من وسائل الترفيه المتنوعة .
- الفضاء: تعتمد المعدات التي يتم إرسالها أثناء عملية استكشاف الفضاء على الكهرباء ، من خلال المولدات أو البطاريات الخاصة بها.
ختام البحث عن الطاقة الكهربائية
في ختام مقال اليوم بعنوان البحث في الطاقة الكهربائية ، وكما ذكرنا الكثير من المعلومات المهمة والأساسية حول الطاقة الكهربائية من حيث تعريفها ، وطرق توليدها ، ومصادرها وفوائدها ، نذكر بعض الأضرار التي قد ينجم عن استخدامه ، من أبرزها أن الطاقة العالية وتعرض الجسم لها الإصابة بالحرائق ، وقد تتأثر المباني والمنشآت بالسعر الكهربائي ، وأضرار أخرى قد تصل أحيانًا إلى الموت مما يجعلها من المهم توخي الحذر والحذر في استخدامها ، وعدم التعامل معها بشكل مباشر دون استخدام عازل.