بحث عن الطاقة الكهربائية وأهميتها

جدول المحتويات

بحث عن الطاقة الكهربائية

هي إحدى مصادر الطاقة الرئيسية التي يعتمد عليها الإنسان في معظم أنشطته الحياتية، إذ لا يمكن الاستغناء عنها في أي وقت أو مكان، خاصة في هذا العصر الذي يشهد تقدمًا تكنولوجيًا سريعًا.
تعتمد الصناعات والمجالات العلمية والاتصالات وغيرها بشكل كبير على الطاقة الكهربائية، فلا يمكن القيام بها بدونها.

مقدمة عن الطاقة الكهربائية

تُقسِّم الطاقة إلى نوعين، الطاقة الحركية والطاقة الكامنة، ويُشار إلى حركة التيار الكهربائي بالتيار الكهربائي.
بشكل عام، يخضع جميع أنواع الطاقة وأشكالها لقانون حفظ الطاقة الذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث، بل تتحول فقط من شكل إلى آخر.
يدل ذلك على إمكانية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية بواسطة المحركات، وتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية بواسطة المولدات، وغيرها من الأمثلة.

عناصر بحث عن الطاقة الكهربائية

يتضمن بحثنا عن الطاقة الكهربائية بعض العناصر التي سنستعرض كل منها بشكل تفصيلي، وتشمل هذه العناصر:

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

يصف مصطلح الطاقة القدرة على تنفيذ عمل معين، وتأتي بأشكال عديدة يستخدمها الإنسان في حياته، ومن بينها الطاقة الكهربائية التي تتميز بسهولة استخدامها ومرونة تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة، ولكن يعتبر تخزينها بكميات كبيرة صعبًا.
تتنوع استخدامات الكهرباء ومجالاتها، إذ تستخدم في تشغيل الأجهزة الكهربائية والصناعات وعمليات النقل وتدفئة المنازل والاستخدامات المنزلية الأخرى، بالإضافة إلى التطبيقات المعقدة الأخرى، وتشكل الطاقة الكهربائية حوالي 18% من مجموع الطاقة المستخدمة في العالم كله.
يتم وصف الطاقة الكهربائية على أنها الطاقة المخزنة في الجسيمات المشحونة بالذرة، حيث تنشأ مجالًا كهربائيًا يحيط بها، وتنتج قوى كهربائية بين تلك الجسيمات وغيرها من الجسيمات المشحونة بالمجال الكهربائي، وبالتالي، تتكون القوة الكهربائية من قوة تنشأ عن المجال الكهربائي وتترتب عليها حركة الجسيمات المشحونة وبذلها للشغل.
تعتبر الطاقة الكهربائية مصدرًا ثانويًا للطاقة، وهذا يعني أنها لا تستخرج أو تعدن من باطن الأرض مثل الفحم الحجري، ولكنها تستمد من مصادر طاقة أولية مثل الطاقة الشمسية والتفاعلات النووية والفحم والغاز الطبيعي وطاقة الرياح وغيرها.

تاريخ الكهرباء

يعود اكتشاف الكهرباء الساكنة (البرق) إلى العالم فرانكلين عن طريق طائرته الورقية التي ربطها بحبل معدني، ولاحقًا تمكن العالم الإيطالي فولتا من إنتاج الكهرباء بالطرق الكيميائية باستخدام وعائه المشهور (وعاء فولطا) المكون من وعاء زجاجي يحتوي على قضيبين معدنيين، واحد منهما من الحديد والآخر من النحاس، ومحلول ملحي.
ثم جاء اكتشاف العالم الفرنسي أمبير Ampere الذي تمكّن من تمييز التيار الكهربائي عن الجهد الكهربائي (العمل)، وفي عام 1827م اكتشف العالم أوم Ohm العلاقة الشهيرة والأساسية بين الجهد الكهربائي والتيار المعروفة باسم قانون أوم.

طرق توليد الطاقة الكهربائية

تتم توليد الطاقة الكهربائية عن طريق تحويل أنواع مختلفة من الطاقة، مثل الطاقة الكيميائية والميكانيكية وغيرها، إلى طاقة كهربائية، ومن بين الأساليب الرئيسية لتوليد الطاقة الكهربائية ما يلي:

التأثير الكهروضوئي (Photovoltaic effect)

يعني: يتمثل الانبعاث الضوئي في خروج الإلكترونات من الأجسام عندما يحصل عليها ما يكفي من طاقة ضوئية، حيث يتناسب مقدار الطاقة التي يحملها الفوتون (جسيم الضوء) بشكل مباشر مع تردد الضوء، بينما تحتوي الإلكترونات على طاقة تسمى طاقة ربط الإلكترون. ويحدث الانبعاث الضوئي عندما يحصل الإلكترون على طاقة إضافية تزيد عن طاقة ربط الإلكترون، وعندها يتدفق تيار من الإلكترونات ويعرف باسم التيار الكهربائي.

التحليل الكهربائي (Electrochemistry)

يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية مباشرة في هذه الحالة، مثلما يحدث في البطاريات، حيث يتكون البطارية من إلكترودين، حيث يتصل أحدهما بالقطب الموجب ويسمى المهبط، والآخر يتصل بالقطب السالب ويسمى المصعد. ويتم غمر كلاً منهما بمادة كيميائية تسمى الكهرل، والتي تتألف من أيونات تتفاعل مع المادة الإلكترودية لتوليد تيار كهربائي. وتتمثل أهمية هذه التقنية في التطبيقات المحمولة والمتنقلة.

الحث الكهرومغناطيسي (Electromagnetic induction)

يشير مصطلح (الجهد الكهربائي) إلى إنتاج طاقة كهربائية من خلال تحريك موصل كهربائي في مجال مغناطيسي متغير، أو عن طريق تحريك موصل في مجال مغناطيسي ثابت.
تعود هذه الظاهرة إلى العالم مايكل فارادي، وتطبيقاتها الهامة تشمل المولد الكهربائي الذي يعتمد على حركة موصل داخل مجال مغناطيسي لتوليد شحنات كهربائية وتوجيهها لتوليد تيار كهربائي.
يتم توليد الكهرباء باستخدام المولدات التي تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، وتستخدم هذه المولدات في العديد من محطات التوليد مثل محطات الرياح ومحطات الوقود الأحفوري.

تخزين الطاقة الكهربائية

ينتج التيار الكهربائي عن تدفق الإلكترونات التي تتأثر بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية المترابطة، ويتم استخدام الطاقة الكهربائية التي يتحرك بها الشحنات في تخزينها بالبطاريات أو المكثفات للاستفادة منها في العديد من التطبيقات، ويتم نقل الكهرباء بسهولة عن طريق أسلاك صنعت من مواد جيدة التوصيل للكهرباء مثل المعادن، ويعرف ذلك بنظام نقل الطاقة (الشبكة الكهربائية).

مصادر الطاقة الكهربائية

المصادر الحرارية

هناك مصادر رئيسية لتوليد الطاقة الكهربائية، وهي المصادر الحرارية والمصادر المتجددة. تعتمد محطات توليد الكهرباء التي تستخدم المصادر الحرارية على الوقود لتسخين الماء وتوليد البخار، ويتم استخدام دورة رانكن لتحويل البخار إلى كهرباء. ويحكم ثاني قوانين الديناميكا الحرارية كافة محطات توليد الكهرباء، مما يعني عدم قدرتها على تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء بكفاءة مائة بالمائة. وتشمل المصادر الحرارية الأهم:

الوقود الأحفوري

تحترق محطات توليد الطاقة الأحفورية بأنواعها المختلفة، مثل النفط والغاز والفحم، لتوليد البخار اللازم لتشغيل المحطة، وفي محطات توليد الكهرباء الغازية، يتم تشغيل التوربين بواسطة الغازات، مما يحرك شفراته بشكل مباشر.
في محطات الكهرباء ذات الدورة المركبة، يتم استخدام مولد بخاري لزيادة إنتاج الكهرباء، ويجب الإشارة إلى أنه في عام 2017، تم إنتاج حوالي 64.5% من حاجة العالم للكهرباء من خلال استخدام الوقود الأحفوري.

الوقود النووي

تقترب عملية توليد الكهرباء بمحطات الطاقة النووية من عملية توليد الكهرباء باستخدام الوقود الأحفوري، ولكنها تستند إلى انشطار النواة الذرية بدلا من احتراق أنواع الوقود الأحفوري لإنتاج بخار الماء، وتتميز هذه المحطات بانبعاثاتها المحدودة والمضرة بالبيئة، حيث لا تتطلب كميات كبيرة من الوقود كما هو الحال في المحطات التقليدية الأخرى لتوليد الكهرباء.

مصادر توليد الطاقة المتجددة

المحطات المتجددة لإنتاج الطاقة الكهربائية تتميز بأنها تحصل على طاقتها مباشرة من مصادر الطاقة المتجددة، والتي لا يمكن الاستفادة منها في كل مكان وزمان، وبالتالي فإن إنتاج تلك المحطات يكون متقطعا ولا يمكن الاعتماد عليه بشكل كامل، ومن بين مصادر الطاقة الكهربائية المتجددة هي:

طاقة الحرارة الأرضية

يزداد معدل الحرارة مع زيادة العمق في الأرض والابتعاد عن القشرة الأرضية، ويحدث ذلك نتيجة للعديد من العوامل، بما في ذلك التحللات الإشعاعية والضغط والصخور المنصهرة، ومن الأدلة على ذلك تفجر العيون المائية الساخنة والتي تدفع البخار والماء الساخن إلى سطح الأرض.
لفتت تلك الأمور السابقة انتباه مهندسي الطاقة بشكل كبير إلى تلك المصادر الهامة للطاقة، واتجهت الأفكار والآراء نحو استغلال تلك الطاقة وبناء محطات مختلفة، ولكن تلك المصادر تتسم ببعض العيوب، وأحد أبرز هذه العيوب هو صعوبة العثور على موقع مناسب، بالإضافة إلى التأثير الذي يمكن أن يحدثه استغلال بعض المواقع على سخونة الماء في باطن الأرض.

طاقة الرياح والطاقة الشمسية

تعتبر الطاقة الشمسية والطاقة الرياحية من المصادر الأساسية للطاقة المتجددة المستخدمة في توليد الكهرباء، وما يميز هاتين الطريقتين هو انبعاث كميات قليلة جدًا من الغازات التي تسبب الاحتباس الحراري.
في عام 2017، بلغ مجموع إنتاج الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة المتكونة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية حوالي 1.3% و 4.4% من حاجة الكهرباء الإجمالية. ولكن من أهم العيوب لتلك الطريقتين هو اعتمادهما بشكل رئيسي على حالة الطقس، مما يمنعهم من إنتاج الكهرباء بشكل مستمر وثابت.
تعتمد توربينات الرياح على سرعة الرياح لتوليد الكهرباء، حيث لا يمكن توليد الكهرباء في ظل سرعات الرياح القوية أو المنخفضة. كما أن ألواح الخلايا الشمسية تعتمد على عوامل مثل اليوم والتوقيت والفصل وحالة السماء، وتأثر أيضًا بمستوى نظافة الألواح ذاتها.

طاقة المياه

يتم إنتاج الطاقة الكهرومائية عن طريق تخزين كميات كبيرة من الماء في السدود، ومن ثم يتم السماح لهذا الماء بالتدفق عبر بوابات خاصة ليمر عبر توربينات مائية ويتم توليد كميات كبيرة من الكهرباء الصديقة للبيئة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الأنهار الجارية لإنتاج الطاقة الكهرومائية، ولكن هذه الطريقة تتطلب العثور على موقع مناسب لبناء السد ومحطة توليد الكهرباء الناتجة عن السد.

فوائد الطاقة الكهربائية

أحدث اكتشاف الكهرباء واستخدامها والعمل على تطويرها العديد من الفوائد والمنافع في مختلف مجالات الحياة، ومن بين هذه الفوائد:

في المنازل: تستخدم الكهرباء في الأنشطة اليومية لتوفير الراحة والحياة السهلة داخل المنزل، حيث يتم تشغيل العديد من الأجهزة مثل المايكروويف والثلاجة وغسالات الأطباق والملابس وغيرها بواسطتها.
خارج المنازل: يتم استخدام الكهرباء في إنارة الطرق وتدفئة مياه المسابح وفي مجال الزراعة من خلال تشغيل مرشات العشب وآلات الجز الخاصة بها.
وسائل المواصلات والتنقل: تُساهِم الكهرباء في الوصول إلى مختلف أرجاء العالم، وقبل اكتشافها كان التنقل أمرًا شاقًا، فعلى سبيل المثال لا يُمكن السفر بالطائرات دون وجود الكهرباء.
مجال الصحة: كلاً من المعدات الطبية ومعدات الجراحة الحديثة يعملان بواسطة الكهرباء.
التجارة والصناعة: تعتمد عمليات تصنيع وإنتاج مختلف المواد على الكهرباء من خلال تشغيل الآلات الثقيلة.
بالمكاتب: تحتوي المكاتب على أنواع مختلفة من الأجهزة التي تعمل بواسطة الكهرباء، مثل المصاعد والماسحات الضوئية وأجهزة التكييف وغيرها.
العمليات الهندسية: تستخدم الكهرباء في عمليات البناء لتشغيل الآلات، مثل استخدام أدوات اللحام في تركيب النوافذ والأبواب.
مجال الترفيه: تعتمد الإنسان في الوقت الحالي بشكل كامل على الكهرباء في عمليات الترفيه، مثل الاستماع إلى الموسيقى ومشاهدة التلفاز، واستخدام محركات الأقراص لمشاهدة الأفلام وغيرها من وسائل الترفيه المختلفة.
الفضاء: تعتمد المعدات المستخدمة في عمليات استكشاف الفضاء على الكهرباء، سواء 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.

المراجع

الوسوم