بحث عن الطاقة الكهربائية
- أحد صور الطاقة المعتمد عليها في الغالبية العظمى من أنشطة الإنسان الحياتية إن لم يكن جميعها، ولا يمكن الاستغناء عنها في أي زمان أو مكان خاصة في ظل عصر التقدم التكنولوجي والسرعة التي نشهدها اليوم.
- فلا قيام للصناعات والمجالات العلمية والاتصالات وغيرها بدون الاعتماد على الطاقة الكهربائية.
مقدمة عن الطاقة الكهربائية
- تنقسم الطاقة إلى اثنين من الأنواع وهما (الطاقة الحركية والطاقة الساكنة) ويطلق على حركة الكهرباء بالتيار الكهربي.
- وبشكل عام فإن كافة أنواع الطاقة وصورها يخضع لقانون حفظ الطاقة ونصه (أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث وإنما تتحول من شكل إلى آخر).
- مما يدل على إمكانية تحول الطاقة الكهربائية إلى ميكانيكية بالمحركات، وتحول الطاقة الحركية لكهربائية بالمولدات، وما إلى نحو ذلك.
عناصر بحث عن الطاقة الكهربائية
يتضمن بحثنا عن الطاقة الكهربائية بعضاً من العناصر والتي سوف نستعرض كلاً منها بشكل تفصيلي، تلك العناصر هي:
- تعريف الطاقة الكهربائية.
- تاريخ الكهرباء.
- طرق توليد الطاقة الكهربائية.
- تخزين الطاقة الكهربائية.
- مصادر الطاقة الكهربائية.
- فوائد الطاقة الكهربائية.
- خاتمة بحث عن الطاقة الكهربائية.
تعريف الطاقة الكهربائية
- تعرّف الطاقة بأنّها المقدرة على إنجاز شُغل ما، ولها العديد من الأشكال التي يتم الاعتماد عليها بالحياة، والتي يعد من أهمّها الطاقة الكهربائية المتميزة بالاستخدام السهل ومرونة تحويلها لأشكال أخرى من الطاقة، ولكن يعد من الصعب تخزينها بكميّات كبيرة.
- وتتنوّع مجالات واستخدامات الكهرباء، حيث تُستخدم بتشغيل الأجهزة الكهربائية، المجالات الصناعية، عمليات النقل، وتدفئة المنازل، والكثير من الاستخدامات المنزلية، وغيرها من التطبيقات المعقّدة، إذ بلغت نسبة الطاقة الكهربائية حوالي 18% من مجموع مختلف أنواع الطاقة المستخدمة بالعالم أجمع.
- وقد تم وصف الطاقة الكهربائية أنّها ما يتم تخزينه في الجسميات المشحونة بالذرة من طاقة، والتي تقوم بتولّيد مجالاً كهربائياً يُحيط بها، إذ تنشأ بين تلك الجسيمات وغيرها من الجسيمات المشحونة بالمجال الكهربائيّ قوى كهربائية، وبالتالي فإنّ القوة الكهربائية عبارة عن قوة ناشئة عن المجال الكهربائي يترتب عليها تحرك الجسيمات المشحونة وبذلها شغلاً.
- الجدير بالذكر أنّ الطاقة الكهربائية تعتبر مصدراً ثانوياً للطاقة بمعنى أنّه لا يتمّ استخراجها وتعدينها من باطن الأرض مثلما يحدث بالفحم الحجري على سبيل المثال، ولكنها مشتقّة من مصادر طاقة أولية؛ ومن أمثلة تلك المصادر الطاقة الشمسية، التفاعلات النووية، الفحم، والغاز الطبيعي، وطاقة الرياح، وغيرها.
تاريخ الكهرباء
- يعود اكتشاف الكهرباء الساكنة (البرق) للعالم فرانكلين (Franklin) عن طريق طائرته الورقية المربوطة بحبل معدني، يليهما ما تمكن العالم الإيطالي فولتا (Volta) من إنتاجه من الكهرباء عام 1798م بالطرق الكيميائية باستخدام وعائه الشهير(وعاء فولطا) المكون من وعاء زجاجي يتضمن قضيبين معدنيين واحد منهما الحديد والثاني من النحاس وموضوع به محلول ملحي.
- ثم أتت اكتشافات العالم الفرنسي أمبير Ampere الذي تمكن أن يميز بين التيار والتوتر (العمل)، وفي عام (1827م) اكتشف العالم أوم Ohm العلاقة الشهيرة والأساسية بين التوتر والتيار المعروفة بقانون أوم.
طرق توليد الطاقة الكهربائية
تتولد الطاقة الكهربائية عبر تحويل أنواع مختلفة من الطاقة مثل الطاقة الكيميائية والميكانيكية وغيرها، إلى طاقة كهربائية، ومن الطرق الأساسية لتوليد الطاقة الكهربائية ما يلي:
التأثير الكهروضوئي (Photovoltaic effect)
- يتمثل في انبعاث الإلكترونات من الأجسام حين اكتسابها ما يكفي من طاقة ضوئية، إذ أن ما تمتلكه الطاقة من فوتونات الضوء يتناسب طرديًا مع تردد الضوء، بينما الإلكترونات فإنها تمتلك طاقة تسمى طاقة ربط الإلكترون، وتتم عملية الانبعاث الضوئي حينما تكتسب الإلكترونات طاقة زائدة عن طاقة ربط الإلكترون وبالتالي يحدث سريان تيار من الإلكترونات وهو المعروف بـ(التيار الكهربائي).
التحليل الكهربائي (Electrochemistry)
- تتحول الطاقة الكيميائية لطاقة كهربائية في تلك الحالة بطريقة مباشرة، مثلما يحدث بالبطاريات؛ حيث تتكون البطارية من إلكترودين واحد منهما يتصل بالقطب الموجب ويُعرف بالمهبط، والثاني يتصل بالقطب السالب ويُعرف بالمصعد، يتم غمر كلاً منهما بسائل كيميائي اسمه العلمي الكهرل، والذي يتألف من أيونات تتفاعل مع مادة الإلكترود لتوليد تيار كهربائي، وتتمثل أهميتها بالتطبيقات المحمولة والمتنقلة.
الحث الكهرومغناطيسي (Electromagnetic induction)
- يقصد به إنتاج قوة كهربائية محركة أو ما يطلق عليه اسم (الجهد الكهربائي) من خلال وضع موصل كهربائي بمجال مغناطيسي مُتغير أو بواسطة حركة موصل بمجال مغناطيسي ثابت.
- تلك الظاهرة تنسب للعالم مايكل فارادي، ومن أهم ما يمكن ذكره لها من تطبيقات (المولد الكهربائي) والذي يقوم عمله على حركة موصل بمجال مغناطيسي، من أجل تكوين شحنات كهربائية وتوجيهها لإنشاء تدفق للتيار.
- ويتم استخدام المولد بتحويل طاقة ميكانيكية إلى طاقة كهربائية، حيث تستخدم تلك المولدات بالكثير من محطات التوليد ومنها محطات الرياح ومحطات الوقود الأحفوري.
تخزين الطاقة الكهربائية
يترتب على تدفّق الإلكترونات ما يعرف علمياً بالتيّار الكهربائيّ، حيث تتدفّق الإلكترونات بسبب تأثّرها ببعض المجالات منها الكهربائية وأخرى مغناطيسية مترابطة، مما ينتج عنه العثور على طاقة كهربائية من خلالها تتحرّك الشحنات، ومن الممكن أن يتم تخزين تلك الطاقة بواسطة البطاريات أو المكثّفات لكي يصبح من الممكن الاستفادة منها بالعديد من التطبيقات، كذلك من الممكن أن يتم توصيل الكهرباء بسهولة عن طريق أسلاك تتم صناعتها من مواد جدية التوصيل للكهرباء مثل المعادن، وهو ما يعرف بنظام نقل الطاقة (الشبكة الكهربائية).
مصادر الطاقة الكهربائية
المصادر الحرارية
هناك مصدرين رئيسيين يمكن من خلالهما توليد الطاقة الكهربائية وهما المصادر الحرارية والمصادر المتجددة، أما عن المصادر الحرارية فإنها تعتمد محطات توليدها تعتمد غالباً على الوقود لتسخين الماء من أجل إنتاج البخار لتبدأ دورة تعرف بدورة رانكن (Rankine cycle) حيث يحكم ثاني قوانين الديناميكا الحرارية كافة محطات توليد الكهرباء بما يشير إلى أنها لا تتمكن من تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء بكفاءة تبلغ مائة بالمائة، ومن أهم المصادر الحرارية:
الوقود الأحفوري
- تقوم محطات التوليد بحرق الوقود الأحفوري بمختلف أنواعه والتي من بينها النفط والغاز والفحم لكي يتولد ما يلزم من بخار الماء لتشغيل المحطة، كما أنه بمحطات الكهرباء الغازية يتم تشغيل التوربين بواسطة الغازات وبالتالي تتحرّك شفراته بطريقة مباشرة.
- بينما في محطات الكهرباء ذات الدورة المُركّبة يتم استعمال مولّد بخاري (steam generator) من أجل رفع مقدار إنتاج الكهرباء، وتجدر الإشارة أنّه في سنة 2017ميلادية تم إنتاج ما تبلغ نسبته حوالي 64.5% من حاجة العالم للكهرباء عن طريق الوقود الأحفوري.
الوقود النووي
- تقترب عملية توليد الكهرباء بمحطات الطاقة النووية مع ما يتم في محطات التوليد باستعمال الوقود الأحفوري، ولكنها تقوم على حرارة الانشطار النووي عوضاً عن حرق أنواع الوقود الأحفوري لكي يتم إنتاج بخار الماء، وتتميّز تلك المحطات بأن انبعاثاتها الملوثة للهواء والضارة بالبيئة قليلة، إذ أنها لا تتطلب كميات كبيرة من الوقود بخلاف محطات توليد الكهرباء التقليدية الأخرى.
مصادر توليد الطاقة المتجددة
إن المحطات المتجددة لإنتاج الطاقة الكهربائية تتميّز بأنها تتمكن من اكتساب طاقتها بشكل مباشر من مصادر الطاقة المتجددة التي لا تقبل النفاذ، إلا أن تلك المصادر ليست متوفرة في كل مكان وزمان، وبالتالي فإن تلك المحطات تكون ذات إنتاج متقطّع ولا يعد من المقبول الاعتماد عليها بشكل كامل، ومن بين مصادر الطاقة الكهربائية المتجددة ما يأتي:
طاقة الحرارة الأرضية
- يزداد معدل الحرارة كلّما زاد الابتعاد عن القشرة الأرضية وزاد العمق بالأرض؛ وهو ما يحدث نتيجة العديد من العوامل منها التحللات الإشعاعية، الضغط، الصخور المنصهرة، ومن الأمور الدالة على ذلك تفجّر عيون المياه الساخنة وما تدفعه من بخار وماء ساخن إلى سطح الأرض.
- تلك الأمور السابق ذكرها جذبت انتباه مهندسي الطاقة بشكل كبير لتلك المصادر الهامة للطاقة، إذ اتجهت الأفكار والآراء نحو استغلال تلك الطاقة وبناء أنواع مختلفة من المحطات، إلى أن تلك المصادر يلحقها بعض العيوب ومن أبرز العيوب تلك صعوبة العثور على موقع مناسب، إلى جانب ما قد يترتب على استغلال بعض المواقع من تأثير على سخونة الماء بجوف الأرض.
طاقة الرياح والطاقة الشمسية
- يعتبر كلاً من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح من المصادر الأساسية بالمستخدم من الطاقة المتجددة في عملية توليد الكهرباء، وما يميّز تلك الطريقتان انبعاث كميات قليلة جداً من الغازات التي تتسبب في حدوث الاحتباس الحراري.
- وبعام 2017م بلغت إجمالي نسبة إنتاج حاجته للكهرباء من طاقة الرياح والطاقة الشمسية ما تم تقديره بـ 1.3%، و4.4%، إلا أنه من أهم عيوب تلك الطريقتين اعتمادهما بطريقة أساسية على حالة الطقس وهو ما يحول أمامهما من إنتاج الكهرباء بمقدار مستمر وثابت.
- كما تعتمد توربينات الرياح على سرعة الرياح حيث لا يتم تولّد الطاقة الكهربائية في ظل سرعات الرياح سواء القوية جداً أو المنخفضة، إلى جانب أن ألواح الخلايا الشمسية تعتمد على بعض العوامل في سبيل توليد الكهرباء، ومنها: اليوم، التوقيت، والفصل، وحالة السماء فيما إذا كانت غائمة أو صافية، فضلاً عن تأثّير بمستوى نظافة الألواح نفسها.
طاقة المياه
- يتمّ إنتاج الطاقة الكهرومائية عبر تخزين كميات كبيرة من الماء بالسدود، وبعد ذلك يتم السماح لها بالتدفّق خلال بوابات خاصة لكي تمرّ بتوربينات مائية حتى تتولد كميّات كبيرة من الكهرباء الصديقة للبيئة، إلى جانب إمكانية استغلال الأنهار الجارية بإنتاج الطاقة الكهرومائية، ومن محددات تلك الطريقة أنّها محكومة بالعثور على موقع يناسب بناء السد وبناء محطة طاقة كهرومائية عليه.
فوائد الطاقة الكهربائية
ترتب على اكتشاف الكهرباء واستخدامها والعمل على تطويرها الكثير من الفوائد ومظاهر النفع في مختلف مجلات وأنشطة الحياة، ومن أبرز تلك الفوائد نذكر:
- في المنازل: تُستعمل الكهرباء بالأنشطة اليومية حيث توفّر الراحة، و العيش السهل داخل المنزل عن طريق تشغيل مختلف الآلات بواسطتها، مثل المايكروويف والثلاجة، غسالة الصحون والملابس، وغيرها الكثير من الأجهزة.
- خارج المنازل: تُستَخدم الكهرباء بعملية إنارة الطرقات، تَدفئة مياه المسابح، وفي مجال الزراعة من خلال تشغيل مَرشّات العشب وآلات جزه.
- وسائل المواصلات والتنقل: تُساعد الكهرباء في الوصول لمختلف الأماكن حول العالم، وقبل اكتشافها كان التنقل مسألة غاية في الصعوبة، فمثلاً لا يُمكن التنقل بواسطة الطائرات بغير وجود كهرباء.
- مجال الصحة: كلاً من المعدات الطبية ومعدات الجراحة الحديثة تعمل بواسطة الكهرباء.
- التجارة والصناعة: يتم الاعتماد على الكهرباء بعمليات تصنيع وإنتاج مختلف المواد عبر تشغيل الآلات الثقيلة.
- بالمكاتب: تتضمن المكاتب العديد من مختلف أنواع الأجهزة التي تعمل بواسطة الكهرباء ومنها المصاعد، الماسح الضوئي، أجهزة التكييف، وغيرها.
- العمليات الهندسية: تستعمل الكهرباء في عمليات البناء بتشغيل الآلات، مثل استخدام أدوات اللحام بتركيب النوافذ والأبواب.
- مجال الترفيه: يتم الاعتماد على الكهرباء بشكل كلي في الوقت الحالي فيما يتعلق بعملية الترفيه للإنسان، ومن أمثلة ذلك الاستماع إلى الموسيقى، مُشاهدة التلفاز، واستخدامها في تشغيل برامج مُحركات الأقراص لمشاهدة الأفلام والكثير من مختلف وسائل الترفيه.
- الفضاء: تَعتمد المَعدّات المرسلة بعملية استكشاف الفضاء أثناء عملها على الكهرباء، من خلال المولدات أو البطاريات الخاصة بها.
خاتمة بحث عن الطاقة الكهربائية
وفي ختام مقال اليوم بعنوان بحث عن الطاقة الكهربائية وكما ذكرنا الكثير من المعلومات الهامة والأساسية حول الطاقة الكهربائية من حيث تعريفها، طرق توليدها ومصادرها وما لها من فوائد نذكر بعضاً من الأضرار التي قد تترتب على استخدامها والتي من أبرزها أن ارتفاع طاقتها وتعرض الجسم له يترتب عليه الإصابة بالحرائق، كما قد تصيب المباني والمنشآت بالماس الكهربائي، وغيرها من الأضرار التي قد تصل أحياناً للوفاة مما يجعل من الهام أخذ الحيطة والحذر في استخدامها، وعدم التعامل المباشر معها دون استخدام عازل.
