ماهي الطاقة الكهربائية؟

عناصر الموضوع

1- ماهي الطاقة الكهربائية؟

2- الكهرباء الساكنة – Electrostatics

3- كتل بناء الذرات

4- تدفق الشحنات – Flowing Charges

5- قانون كولوم – Coulomb’s law

6- إستخدامات الكهرباء

الطاقة الكهربائية هي المحرك الرئيسي للكثير من التقنيات والأجهزة التي نستخدمها ونعتمد عليها في منازلنا والمصانع و المكاتب أيضًا. وهي شكل من أشكال الطاقة التي نستخدمها كثيرًا في حياتنا اليومية. وتعتبر نتيجة لتحول الكثير من الطاقة مثل الطاقة الكيميائية إلى كهربائية أو الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية من خلال عمليات النقل و التوزيع و التوليد.

الطاقة الكهربائية تعمل على إمدادنا بالإضاءة وتشغيل أنظمة الاتصالات والمعلومات. وأيضا الطاقة الكهربائية هي التي تشغل الأجهزة المنزلية والصناعية. والطاقة الكهربائية تعتمد توليدها على مصادر متعددة مثل الرياح و الشمس ومصادر غير متجددة مثل الغاز الطبيعي و الوقود الأحفوري.

من أهمية الطاقة الكهربائية أنها نظيفة و سهلة النقل و الاستخدام. وهذا يجعلها مصدر مهم جدا للاقتصاد في العالم الحديث.

1- ماهي الطاقة الكهربائية؟

الطاقة الكهربائية منتشرة حولنا بكثرة فهي التي تعمل التكنولوجيا الحديثة مثل أجهزة الكمبيوتر والهاتف المحمول والمكاوي الخاصة باللحام و الأضواء ومكيفات الهواء. حتى الطاقة الكهربائية موجودة أيضا ف جميع الطبيعة مثل البرق في العاصفة إلى نقطة الاشتباك العصبي داخل أجسامنا ويمكن تعريف الطاقة الكهربائية على أنها تتدفق الشحنات الكهربائية.

تعتبر الطاقة الكهربائية ظاهرة ترتبط بالشحنات الكهربائية سواء كانت ثابتة أو متغيرة أما بالنسبة للشحنة الكهربائية. فهي تعتبر خاصية أساسية للمادة وتحملها الجسيمات الأولية في الطاقة الكهربائية. المقصود بالجسيم هو الإلكترون الذي يحمل شحنة محددة وتكون سالبة. فبذلك تعتبر مظاهر الطاقة الكهربائية المختلفة نتيجة لتراكم عدد من الإلكترونات أو حركتها. [1]

2- الكهرباء الساكنة   Electrostatics

تحدث الكهرباء الساكنة من ظواهر الكهرومغناطيسية التي تحدث بسبب عدم وجود شحنات متحركة. تصل الشحنات إلى مواقع توازنها بسرعة أي بعد إنشاء توازن ثابت وذلك لأن القوة الكهربائية تكون قوية للغاية. وبذلك يمكن حساب توزيعات الجهد الكهربائي و توزيعات المجال الكهربائي من تكوين معروف للمواصلات و الشحنات و العوازل الكهربائية الساكنة.

من الممكن حساب المجالات الكهربائية في المناطق الواقعة بين الواصلات و تحديد توزيع الشحنة على سطحها. وذلك نظرًا لمجموعة من الموصلات ذات الإمكانات المعروفة، كما يمكن رؤية الطاقة الكهربائية في حالة الراحة للشحنات من وجهة نظر العمل المطلوب لتجميع الشحنات. وأيضا الطاقة الكهربائية يمكن أن تعتبر موجودة في المجال الكهربائي الناتج عن تجميع الشحنات هذا. يمكن تخزين الطاقة الكهربائية في مكثف ويتم فيها تخزين الطاقة المطلوبة للشحن مثل جهاز فيه طاقة كهروستاتيكية للمجال الكهربائي.

الذرات: أساس الحياة والطاقة الكهربائية

سوف نبدأ بالتركيز على الذرات لكي نفهم أساس الطاقة الكهربائية. لأن الذرة تعتبر أهم اللبنات الأساسية للحياة وللمادة أيضًا الذرات توجد في الكثير من الأشكال بشكل مختلف. كعناصر كيميائية مثل النحاس و الأكسجين و الهيدروجين و الكربون والكثير مثل هذا. ويوجد أنواع عديدة من الذرات يمكن أن تتحد لتكوين جزيئات وهي التي تبني مادة يمكن رؤيتها ولمسها جسديًا.

تكون الذرات صغيرة جدا ومن الممكن أن تمدد إلى حد أقصى يصل إلى 300 بيكومتر (أي 3×10-10 أو 0.0000000003 متر). فمثلًا البنس النحاسي (copper penny)، (إذا كان مصنوعًا فعلًا من نحاس 100٪) سيكون به (3.2 × 1022 ذرّة) أي (32.000.000.000.000.000.000.000 ذرّة) من النحاس بداخله. وتكون الذرة ليست صغيرة جدا لدرجة تكفي لتفسير طريقة عمل الطاقة الكهربائية.

3- كتل بناء الذرات

الذرة تتكون من 3 جسيمات متميزة وهي النيوترونات و البروتونات و الإلكترونات. يتم تجميع البروتونات و النيتورنات معا بكثافة لأن كل ذرة تحتوي على نواة مركبة، و النواة تحيط بها مجموعة من الإلكترونات التي تدور في مدارها. ولابد أن تحتوي كل ذرة على بروتون واحد فقط على الأقل لأن عدد البروتونات في الذرة أمر مهم جدًا لأنه يحدد العنصر الكيميائي الذي تمثله الذرة.

مثال على ذلك عندما تحتوي الذرة على بوتون واحد فقط تكزن الهيدروجين أما عندما تحتوي الذرة على 29 بروتونًا يكون النحاس. وعندما أيضًا تحتوي على 94 بروتونًا يكون العنصر بلوتونيوم. هذا يسمى باسم العدد الذري للذرة. وتسمو الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي للذرة إلكترونات التكافؤ وأيضًا الذرة لا ترتبط بإلكتروناتها إلى الأبد ويمكن الهروب لإلكترون التكافؤ من مدار الذرة. لكي يصبح حرًا وتسمح الإلكترونات الحرة لنا بتحريك الشحنة، وهذا ما يدور حوله الكهرباء أو الطاقة الكهربائية.

4- تدفق الشحنات  Flowing Charges

خاصية المادة هو الشحن و تعرف الطاقة الكهربائية علة أنها تتدفق الشحنة الكهربائية مثلما يحدث في الكتلة أو الكثافة أو الحجم معنى ذلك أنه قابل للقياس ويمكن قياس مقدار الشحنة التي يحتوي عليها مل ما يمكن تحديد مقدار الكتلة التي يمتلكها شيئ ما. الشحنة تعريفها الأصلي هي أنها تأتي في نوعين موجب و سالب لكي تحرك الشحنة نحتاج إلى حاملات الشحنة. الإلكترونات دائمًا تكون شحنتها سالبة أما البروتونات دائمًا تكون شحنتها موجبة وهذا يعرفنا بالجسميات الذرية وكيف هي تكون مفيدة.

أما بالنسبة للنيترونات فهي محايدة أي أنها ليس لديها شحنة، والإلكترونات والبروتونات يحملان نفس الشحنة كليهما ولكن نوعا مختلفاً فقط، من المهم معرفة أن شحنة البروتونات و الإلكترونات مهمة لأنها توفر لنا الوسائل لممارسة القوة عليها وهي القوة الكهروستاتيكية.

5- قانون كولوم  Coulomb’s law

تعرف الكهرباء الساكنة على أنها طاقة كهربائية مألوفة الجسميات المشحونة فيها تنتقل من جسم إلى آخر مثال على ذلك إذاك كانت الأجسام عازلة والهواء المحيط كان جافًا وتم فرك الجسمين معًا. فنلاحظ أن الأجسام تكتسب شحنة معاكسة ومساوية ويوجد بينهما قوة تجاذب و الإلكترون المفقود يصبح مشحون بالإيجاب و الآخر يصبح سالبًا.

مثال على قانون كولوم:

يوجد مثال عددي على ذلك لكي نوضح هذه القوة سوف نختار من Q1 و Q2. وتكون الشحنتين موجبتين وحجم كل منهما (10−6) كولوم و الشحنة (Q1) تقع عند الإحداثيات x y z بقيم (0.03، 0، 0) على التوالي. بينما (Q2) إحداثيها تكون (0، 0.04، 0) جميه هذه الإحداثيات تكون بالمتر وعلى ذلك فإن المسافة بين Q1 و Q2 0.05 متر.

تكون مقدار القوة (F) على الشحنة (Q1) خو 3.6 نيوتن كما تم حسابه باستخدام المعادلة (1) القوة المؤثرة على (Q2) بسبب (Q1) هي (-F). وبرغم ذلك يكون اتجاهاه معاكس ويمكن التعبير عن F بدلالة مكوناتها على طول محوري (x and y axes). وذلك لأن متجه القوة يقع في المستوى (xy) وذلك يتم باستخدام علم المثلثات الأولي من الهندسة وبالتالي تكون هذه المعادلة:

F = 2.16x̂ – 2.88ŷ

تكون وحدة قياس القوة هي النيوتن وقانون كولوم يصف خصائص القوة الكهربائية رياضيًا بين الشحنات عند السكون عندما تكون الشحنات لها إشارة معاكسة عند ذلك تكون القوة هي قوة تجاذب و الجاذبية يشير إليها ب (1) في المعادلة بالمعامل السلبي لمتجه الوحدة (r̂). وبذلك تكون القوة الكهربائية المؤثرة (Q1) لها اتجاه معاكس لمتجه الوحدة (r̂) وستشير من (Q1) إلى (Q2). في الإحداثيات الديكارتية وذلك ينتج عنه التغيير في إشارات كل مكوني (x and y) للقوة في المعادلة.

القوة الكهربائية: تأثير المجال والشحنات المتفاعلة

القوة ترجع إلى وجود مجال كهربائي في موضع Q1 وبذلك نفهم القوة الكهربائية المؤثرة على Q1. يكون سبب المجال هذا هو الشحنة الثانية Q2 و حجمه يتناسب مع حجم Q2 عند التفاعل مع هذا المجال. فتنجذب الشحنة الأولى على بعد مسافة إلى الشحنة الثانية أو تنفر منها وهذا يعتمد على إشارة الشحنة الأولى.

تكون وحدة قياس القوة هي النيوتن وقانون كولوم يصف خصائص القوة الكهربائية رياضيًا بين الشحنات عند السكون عندما تكون الشحنات لها إشارة معاكسة. عند ذلك تكون القوة هي قوة تجاذب و الجاذبية يشير إاليها ب (1) في المعادلة بالمعامل السلبي لمتجه الوحدة  (r̂). وبذلك تكون القوة الكهربائية المؤثرة (Q1) لها اتجاه معاكس لمتجه الوحدة (r̂) وستشير من (Q1) إلى (Q2). في الإحداثيات الديكارتية وذلك ينتج عنه التغيير في إشارات كل مكوني (x and y) للقوة في المعادلة.

القوة ترجع إلى وجود مجال كهربائي في موضع Q1 وبذلك نفهم القوة الكهربائية المؤثرة على Q1. يكون سبب المجال هذا هو الشحنة الثانية Q2 و حجمه يتناسب مع حجم Q2 عند التفاعل مع هذا المجال. فتنجذب الشحنة الأولى على بعد مسافة إلى الشحنة الثانية أو تنفر منها وهذا يعتمد علىإشارة الشحنة الأولى. [2]

6- إستخدامات الكهرباء

 في المنازل:

الكهرباء تمدنا بالطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيل وإمداد الأجهزة المنزلية بالكهرباء وأيضا تستخدم لتامين الطاقة للمنازل في جميع أنحاء العالم، وأيضا تمد الأسلاك بالطاقة اللازمة للإضاءة الداخلية و الخارجية.

ومن استخدامها أيضا تبريد أو تدفئة المنازل طول العام من خلال أجهزة التكييف التي تبرد و تدفئ المنازل في الصيف و الشتاء.

إستخدامات الكهرباء كوقود:

من استخدامات الكهرباء أيضا هو استخدامها كوقود لتشغيل المركبات التي تعمل بالطاقة الكهربائية مثل السيارات التي تعمل بالكهرباء وبرغم من أن هذه السيارات ليست حديثة وموجودة منذ العشرينات إلا أن السيارات الحديثة منها مزودة بمخارج يمكن من خلالها أن نشحن البطارية بواسطة الكهرباء.

حيث عندما تنخفض الطاقة في السيارة فان السائق يقوم بتوصيل السيارة بجهاز فيه منفذ خاص لإعادة شحنها فبذلك يمكن القول أن الكهرباء تستخدم في السيارات بدلًا من الوقود.

إستخدامات الكهرباء في الرعاية الصحية:

من أهم استخدامات الكهرباء أيضا هو استخدامها في علاج المرضى حيث أنها تعالج العديد من الأمراض من خلال استخدام أجهزة العلاج الكهربائي وتزويد الآلات و المُعَدَّات بالطاقة الكهربائية التي تستخدم في غرف العمليات ألجراحية و أيضا لها دور مهم في تزويد أجهزة الأشعة السينية و التصوير المقطعي بالطاقة و أيضا أجهزة التصوير المغناطيسي.

وباستخدام الكهرباء في هذا المجال تم اكتشاف العديد من الأمراض و علاجها وبذلك تم تقليل عدد الوَفَيَات.

إستخدامات الكهرباء في النقل والإتصالات:

الكهرباء لها دور كبير و فعال في النقل و المواصلات ف مثلا عند انقطاع التيار الكهرباء في الطيارة أثناء الرحلة فإنه أمر بالغ الخطورة وتستخدم أيضا في وسائل النقل للسفر الداخلي و الخارجي وأيضا تستخدم في جميع أجهزة الاتصالات فبدون هذه الكهرباء لا يمكن ربط العالم مع بعضه من خلال شبكة الاتصالات العالمية التي تعمل بواسطة الطاقة الكهربائية.

إستخدامات الكهرباء في مجال الصناعة:

تستخدم الكهرباء أيضا في الإنتاج والتصنيع وقد ارتفع استهلاك الصناعة للكهرباء بنسبة عالية جدا خلال السنوات الماضية بسبب ارتفاع الأنشطة الصناعية لأن الكهرباء تستخدم في رفع درجة حرارة مكونات المنتج وهذا للحصول على النتيجة المطلوبة.

يوجد محطة توليد طاقة كهربائية في بعض المنشآت لإنتاج الطاقة ألازمه المطلوبة لنشاطها الصناعي.والبعض الآخر يعتمد على شبكة الطاقة الكهربائية العامة.

نختم بأن الطاقة الكهربائية من الأساسيات ومن أعمدة الحياة لأنها تدعم التكنولوجيا والاقتصاد وتسهل حياتنا اليومية فهي تستخدم في المنازل و المصانع والشركات والمؤسسات الكبرى فهي تلعب دور مهم في المستقبل للتنمية و الابتكار.

• فايز فوق العادة. أساسيات الكهرباء والإلكترونيات. دار الفكر، 2007. ما هى الطاقة الكهربائية؟ - بتصرف
• جورج شفيرا. التكنولوجيا الكهربائية وأنظمتها. دار المعارف، 2018قانون كولوم  Coulomb’s law - بتصرف

مشاركة المقال

وسوم