محتويات
- ماهية الطاقة الكهربائية
- حفظ الطاقة الكهربائية
- استخدامات الطاقة الكهربائية
- كيفية إنتاج الطاقة الكهربائية
- مصادر توليد الطاقة الكهربائية
- قوانين الطاقة الكهربائية
- إيجابيات الطاقة الكهربائية
- سلبيات الطاقة الكهربائية
ماهية الطاقة الكهربائية
تُعرف الطاقة بوصفها القدرة على إنجاز عمل ما،[1] وتُعدّ الطاقة الكهربائية أحد أهمّ أشكالها، لما تتميز به من سهولة الاستخدام ومرونة التحويل لأشكال أخرى. مع ذلك، يُلاحظ صعوبة تخزينها بكميات كبيرة.[2,3] تدخل الكهرباء في شتى مناحي الحياة، من تشغيل الأجهزة المنزلية والصناعية، إلى وسائل النقل والتدفئة، مُشكّلةً ما يقارب 18% من إجمالي الطاقة المُستهلكة عالمياً.[2,3] فهي طاقة مُخزّنة في الجسيمات المشحونة داخل الذرة، مُولّدة مجالاً كهربائياً يُؤثر على الجسيمات المشحونة الأخرى، مما ينتج عنه قوى كهربائية تُحرّك هذه الجسيمات وتُنجز عملاً.[1] ومن الجدير بالذكر أن الطاقة الكهربائية تُعتبر مصدراً ثانوياً، أي أنها تُستمد من مصادر أولية كالفَحم والغاز الطبيعي والطاقة النووية والرياح والشمس.[3]
حفظ الطاقة الكهربائية
يتولد التيار الكهربائي نتيجة تدفق الإلكترونات تحت تأثير المجالات الكهربائية والمغناطيسية.[2] ويمكن تخزين هذه الطاقة باستخدام المكثفات أو البطاريات، كما يُمكن نقلها بيسر عبر أسلاك مصنوعة من مواد موصلة مثل المعادن، من خلال ما يُعرف بالشبكة الكهربائية.[2]
استخدامات الطاقة الكهربائية
تُستخدم الطاقة الكهربائية في تشغيل الأجهزة الكهربائية بتحويلها إلى طاقة حرارية أو ضوئية أو ميكانيكية أو غيرها. وتُعتبر البطاريات مصدراً للطاقة الكهربائية، إلا أن التيار فيها ينتج عن تدفق أيونات معادن البطارية، وليس الإلكترونات.[4] كما تلعب دوراً حيوياً في الكائنات الحية، حيث تُشكل أساس الاستجابات العصبية وحركة العضلات، عبر تركيز الأيونات على أغشية الأعصاب، مما يُسبب تجاذباً أو تنافراً، وبالتالي انقباضات وانبساطات تُشكل الاستجابات العصبية.[4]
كيفية إنتاج الطاقة الكهربائية
اكتشف العالم فاراداي طريقة توليد الطاقة الكهربائية في القرن التاسع عشر، من خلال تحريك موصل معدني داخل مجال مغناطيسي، مما يُحرر الإلكترونات والأيونات السالبة، فتنجذب إلى الأيونات الموجبة وتتنافر مع الأيونات السالبة الأخرى.[4] أما في محطات توليد الطاقة، فتُستخدم مصادر وقود كالفَحم أو النفط أو الغاز أو الطاقة النووية لإنتاج الحرارة اللازمة لتسخين الماء وتحويله إلى بخار يُشغّل توربينات بخارية متصلة بمولد كهربائي يعمل بالطاقة الكهرومغناطيسية، لينتج الكهرباء و تُنقل عبر الأسلاك.[5] وتتضمن محطات توليد الكهرباء عادةً: وحدة الغليان لتسخين الماء، ومولد كهربائي وتوربينات، ونظام تبريد للبخار.[5]
مصادر توليد الطاقة الكهربائية
مصادر حرارية
تعتمد أغلب محطات توليد الكهرباء على الوقود لتسخين الماء، طبقاً لقانون الديناميكا الحرارية الثاني الذي يحد من كفاءة تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء.[6] ومن هذه المصادر:
- الوقود الأحفوري: يُستخدم في محطات توليد الكهرباء، حيث تُشغّل الغازات التوربينات مباشرةً، أو يُستخدم مولّد بخاري لزيادة الإنتاج. وقد ساهم الوقود الأحفوري في إنتاج 64.5% من كهرباء العالم في عام 2017.[7]
- الوقود النووي: تُستخدم حرارة الانشطار النووي لتوليد البخار، مع انبعاثات ضارة أقل من الوقود الأحفوري.[8]
مصادر متجددة
تتميز مصادر الطاقة المتجددة باستدامتها، لكن توفرها ليس ثابتاً في كل مكان وزمان.[6] ومنها:
- طاقة المياه: يتم توليد الكهرباء من خلال تدفق المياه المخزنة في السدود عبر توربينات مائية.[7]
- الطاقة الشمسية وطاقة الرياح: تُعدّ من أشهر مصادر الطاقة المتجددة، لكن إنتاجها يتأثر بحالة الطقس. وقد ساهمتا في إنتاج 4.4% و 1.3% من كهرباء العالم في عام 2017 على التوالي.[8]
- طاقة الحرارة الأرضية: تُستغل الحرارة المرتفعة في باطن الأرض لتوليد الطاقة، لكن العثور على مواقع مناسبة يُشكل تحدياً.[8]
قوانين الطاقة الكهربائية
يمكن التعبير عن الطاقة الكهربائية بالمعادلات التالية:[9]
- ط = ج × ش
- ط = ج × ت × ز
- ط = م × ت² × ز
حيث:
- ط: الطاقة الكهربائية (بالجول)
- ج: الجهد الكهربائي (بالفولت)
- ش: الشحنة الكهربائية (بالكولوم)
- ت: التيار الكهربائي (بالأمبير)
- ز: فرق الزمن (بالثانية)
- م: المقاومة الكهربائية (بالأوم)
مثال: بطارية هاتف تعمل بجهد 12 فولت وتيار 0.9 أمبير، فإنّ الطاقة المستهلكة خلال ساعة هي: ط = 12 × 0.9 × (60 × 60) = 38880 جول.
إيجابيات الطاقة الكهربائية
تتميز الطاقة الكهربائية بالعديد من المزايا، منها:[10] تشغيل الأجهزة الكهربائية، زيادة إنتاج المصانع، توفير إمداد موثوق، سهولة الصيانة، وإتاحة الأنشطة الترفيهية على مدار الساعة.
سلبيات الطاقة الكهربائية
رغم مزاياها، تُعاني الطاقة الكهربائية من بعض العيوب:[11] نضوب بعض مصادرها (كالأحفورية)، احتياج بعض المصادر لمساحات واسعة، التكلفة العالية، التلوث البيئي، وخطورتها على الإنسان.
في الختام، تُعتبر الطاقة الكهربائية ركيزة أساسية للحياة الحديثة، لكن يتطلب استخدامها المستدام الحفاظ على مصادرها والحد من آثارها السلبية.
[1] … [2] … [3] … [4] … [5] … [6] … [7] … [8] … [9] … [10] … [11] …