الطاقة الكهربائية مفهوم مهم يساعد في إدارة العالم كما نعرفه. لكن قد يكون فهم ماهية الطاقة الكهربائية وكيف تعمل أمرًا صعبًا.
لهذا السبب قمنا بتجميع هذه المقالة للمساعدة في فهمها. بحلول الوقت الذي تنتهي فيه من هذه المقالة، ستعرف أساسياتها وستكون قادرًا على رؤية تأثيرها في كل مكان من حولك.
ما هي الطاقة الكهربائية؟
إذن، ما هي الطاقة الكهربائية؟ باختصار، هي الطاقة (الحركية والكامنة) في الجسيمات المشحونة للذرة والتي يمكن استخدامها لتطبيق القوة و / أو القيام بشغل.
هذا يعني أن الطاقة الكهربائية لديها القدرة على تحريك شيء ما أو التسبب في فعل. وهي في كل مكان حولنا بأشكال مختلفة.
بعض أفضل أمثلة الطاقة الكهربائية هي بطاريات السيارات التي تستخدم الطاقة الكهربائية لأنظمة الطاقة، ومنافذ الحائط التي تنقل الطاقة الكهربائية لشحن هواتفنا، وعضلاتنا التي تستخدمها للتقلص والاسترخاء.
تعد الطاقة الكهربائية مهمة بالتأكيد لحياتنا اليومية، ولكن هناك الكثير من أنواع الطاقة الأخرى الموجودة هناك أيضًا. الطاقة الحرارية، والطاقة الكيميائية، والطاقة النووية، والطاقة الضوئية، والطاقة الصوتية ليست سوى بعض الأنواع الرئيسية الأخرى من الطاقة.
على الرغم من أنه قد يكون هناك بعض التداخل في أنواع الطاقة (مثل مقبس الحائط الذي يوفر الضوء للمصباح الذي ينتج كمية صغيرة من الحرارة)، فمن المهم ملاحظة أن أنواع الطاقة تعمل بشكل متميز عن بعضها البعض، على الرغم من أنه يمكن تحويلها في أنواع أخرى من الطاقة.
كيف تعمل الطاقة الكهربائية؟
الآن بعد أن عرفت ما هي الطاقة الكهربائية، سنغطي من أين تأتي هذه الطاقة. إذا كنت قد درست الفيزياء من قبل، فقد تعلم أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة.
على الرغم من أنه قد يبدو أن نتائجها تأتي من العدم، فإن الطاقة في صاعقة البرق أو جلسة الركض تأتي من سلسلة من التغييرات على المستوى الجزيئي.
كل شيء يبدأ بالذرات. تحتوي الذرات على ثلاثة أجزاء رئيسية: النيوترونات والبروتونات والإلكترونات. تتكون النواة، أو مركز الذرة، من النيوترونات والبروتونات.
تدور الإلكترونات حول النواة في أصداف. تشبه أصداف الإلكترون نوعًا ما حلقات أو مسارات مدارية تدور حول النواة. يعتمد عدد القذائف التي تمتلكها الذرة على الكثير من الأشياء، بما في ذلك نوع الذرة وما إذا كانت مشحونة إيجابًا أو سالبًا أو محايدة.
ولكن هنا هو الجزء المهم عندما يتعلق الأمر بالطاقة الكهربائية: الإلكترونات الموجودة في الغلاف الأقرب للنواة لها انجذاب قوي للنواة، لكن هذا الاتصال يضعف كلما انتقلت إلى الغلاف الخارجي.
يُعرف الغلاف الخارجي للذرة باسم غلاف التكافؤ. والإلكترونات الموجودة في تلك الغلاف تُعرف باسم إلكترونات التكافؤ. نظرًا لأن إلكترونات التكافؤ مرتبطة ارتباطًا ضعيفًا بالذرة، فيمكن في الواقع إجبارها على الخروج من مداراتها عندما تتلامس مع ذرة أخرى.
يمكن لهذه الإلكترونات “القفز” من الغلاف الخارجي لذرة منزلها إلى الغلاف الخارجي للذرة الجديدة. عندما يحدث هذا، فإنه ينتج طاقة كهربائية.
إذن كيف تعرف متى تكون الذرة مهيأة لاكتساب أو فقدان إلكترونات لتوليد طاقة كهربائية؟
ألقِ نظرة على إلكترونات التكافؤ. يمكن أن تحتوي الذرة على ثمانية إلكترونات تكافؤ فقط في غلافها الخارجي، والمعروف أيضًا باسم الثماني. إذا كانت الذرة تحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ أو أقل، فمن المرجح أن تفقد إلكترونات لذرة أخرى.
عندما تفقد الذرة إلكتروناتها لدرجة أن عدد بروتوناتها يفوق عدد إلكتروناتها، فإنها تصبح كاتيون موجب الشحنة. وبالمثل، فإن الذرات التي تحتوي على غلاف تكافؤ كامل تقريبًا (مع ستة أو سبعة إلكترونات تكافؤ) من المرجح أن تكتسب إلكترونات من أجل الحصول على ثماني الكترونات كاملة.
عندما تكتسب الذرة إلكترونات إلى النقطة التي يفوق فيها عدد الإلكترونات عدد بروتونات الذرة، فإنها تصبح أنيون سالب الشحنة. بغض النظر عما إذا كانت الذرة تكتسب إلكترونات أو تفقدها، فإن حركة الإلكترون من ذرة إلى أخرى ينتج عنها طاقة كهربائية.
يمكن استخدام هذه الطاقة في شكل كهرباء للقيام بأشياء مثل تشغيل الأجهزة في منزلك أو تشغيل جهاز تنظيم ضربات القلب.
ولكن يمكن أيضًا تحويلها إلى أنواع أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الحرارية من سخان ماء كهربائي. هل تعتقد أن الطاقة الكهربائية والكهرباء هما نفس الشيء؟ ليس تماما! الكهرباء هي مجرد نتيجة واحدة منها.
إقرأ أيضاً… ما هي الطاقة الشمسية؟
الطاقة الكهربائية والكهرباء.
بينما تبدو هذه المصطلحات متشابهة، فإن الطاقة الكهربائية والكهرباء ليسا نفس الشيء. في حين أن كل الكهرباء ناتجة عن الطاقة الكهربائية، إلا أنها ليست كلها كهرباء.
يتم تعريف الطاقة على أنها قياس قدرة الجسم على القيام بالعمل. في الفيزياء، “الشغل” هو طاقة الجسم من أجل تحريك جسم كما تحدثنا في القسم الأخير، فهي تأتي من حركة الإلكترونات بين الذرات، مما يؤدي إلى انتقال الطاقة، المعروف أيضًا باسم الشغل.
يولد هذا العمل طاقة كهربائية تُقاس بالجول. ضع في اعتبارك أنه يمكن تحويلها إلى جميع أنواع الطاقة الأخرى، مثل الطاقة الحرارية من سخان ماء كهربائي.
هذه الطاقة الحرارية تولد الحرارة وهو ما يجعل الماء ساخناً في السخان. لذا بينما يمكن أن تصبح الطاقة الكهربائية كهرباء، فلا داعي لذلك! عندما يتم توجيه تدفق الإلكترون منها عبر موصل، مثل السلك، فإنه يصبح كهرباء.
تسمى حركة الشحنة الكهربائية هذه بالتيار الكهربائي (وتُقاس بالواط). يمكن لهذه التيارات، المكتملة من خلال الدوائر الكهربائية، أن تشغل أجهزة التلفزيون والموقد وغير ذلك الكثير، كل ذلك لأنها كانت موجهة نحو إنتاج عمل مرغوب فيه، مثل إضاءة الشاشة أو غلي الماء.
هل الطاقة الكهربائية كامنة أم حركية؟
إذا كنت قد درست الطاقة من قبل، فأنت تعلم أن الطاقة يمكن أن تنقسم إلى فئتين رئيسيتين مختلفتين: الكامنة والحركية. الطاقة الكامنة هي في الأساس طاقة مخزنة.
عندما يتم منع إلكترونات تكافؤ الذرات من القفز، فإن هذه الذرة قادرة على الاحتفاظ – وتخزين – الطاقة الكامنة.
من ناحية أخرى، فإن الطاقة الحركية هي في الأساس طاقة تحرك أو تغير مكان شيئ آخر. تنقل الطاقة الحركية طاقتها إلى أشياء أخرى لتوليد القوة على هذا الجسم.
في الطاقة الحركية، تتمتع الإلكترونات بحرية التنقل بين أغلفة التكافؤ من أجل توليدها. وهكذا، يتم تحويل الطاقة الكامنة المخزنة في تلك الذرة إلى طاقة حركية، وفي النهاية إلى طاقة كهربائية.
إذن، هل هي كامنة أم حركية؟ الجواب كلاهما! ومع ذلك، لا يمكن أن تكون كامنة وحركية في نفس الوقت.
عندما ترى الطاقة الكهربائية تعمل على جسم آخر، فهي حركية، ولكن قبل أن تتمكن من القيام بهذا العمل، كانت طاقة كامنة.
هذا مثال. عندما تقوم بشحن هاتفك، فإن الكهرباء التي تنتقل من مقبس الحائط إلى بطارية هاتفك هي طاقة حركية. لكن البطارية مصممة للاحتفاظ بالكهرباء لاستخدامها لاحقًا. هذه الطاقة المحفوظة هي طاقة كامنة، والتي يمكن أن تصبح طاقة حركية عندما تكون مستعدًا لتشغيل هاتفك واستخدامه.
إقرأ أيضاً… 8 طرق تساعد على تسريع شحن بطارية الهاتف الذكي.
ما علاقة الطاقة الكهربائية بالمغناطيسية؟
ربما تكون قد استخدمت المغناطيس في مرحلة ما من حياتك، لذا فأنت تعلم أن المغناطيس عبارة عن قطعة يمكنها جذب أو صد كائنات أخرى باستخدام مجال مغناطيسي.
لكن ما قد لا تعرفه هو أن الحقول المغناطيسية ناتجة عن شحنة كهربائية متحركة. للمغناطيس أقطاب وقطب شمالي وقطب جنوبي (تسمى هذه ثنائيات الأقطاب).
هذه الأقطاب مشحونة بشكل معاكس – لذا فإن القطب الشمالي مشحون بشكل إيجابي، والقطب الجنوبي مشحون سالبًا. نحن نعلم بالفعل أن الذرات يمكن أن تكون موجبة وسالبة الشحنة أيضًا.
اتضح أن الحقول المغناطيسية تتولد عن إلكترونات مشحونة تتماشى مع بعضها البعض! في هذه الحالة، تكون الذرات سالبة الشحنة والذرات الموجبة الشحنة في أقطاب مختلفة من المغناطيس، مما يخلق مجالًا كهربائيًا ومغناطيسيًا.
نظرًا لأن الشحنات الموجبة والسالبة هي نتيجة للطاقة الكهربائية، فهذا يعني أن المغناطيسية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بأنظمتها.
في الواقع، كذلك معظم التفاعلات بين الذرات، وهذا هو سبب وجود الكهرومغناطيسية. الكهرومغناطيسية هي العلاقات المترابطة بين المجالات المغناطيسية والكهربائية.
أمثلة على الطاقة الكهربائية.
ربما لا تزال تتساءل، “ما هي تطبيقاتها في العالم الحقيقي؟” لا تخف ابدا! لدينا أربعة أمثلة رائعة للطاقة الكهربائية في الحياة الواقعية حتى تتمكن من معرفة المزيد عنها في الممارسة العملية.
مثال 1: بالون عالق في شعرك.
إذا كنت قد ذهبت إلى حفلة عيد ميلاد من قبل، فمن المحتمل أنك جربت الحيلة حيث تقوم بفرك بالون على رأسك وإلصاقه بشعرك. عندما تأخذ البالون بعيدًا، سوف يطفو شعرك بعد البالون، حتى أثناء حمله على بعد سنتمترات من رأسك.
يعلم طلاب الفيزياء أن هذا ليس مجرد سحر، إنه كهرباء ساكنة. الكهرباء الساكنة هي أحد أنواع الطاقة الحركية التي تنتجها الطاقة الكهربائية. تحدث الكهرباء الساكنة عندما يتم ربط مادتين معًا بواسطة قوى متعارضة.
مثال 2: أجهزة تنظيم ضربات القلب.
إذا كنت تبحث عن أمثلة كهربائية جيدة لكل من الطاقة الكامنة والحركية، فابحث عن منظم ضربات القلب. أنقذت أجهزة تنظيم ضربات القلب آلاف الأرواح من خلال تصحيح ضربات القلب غير المنتظمة في حالات الطوارئ مثل السكتة القلبية.
ولكن كيف يفعلون ذلك؟ ليس من المستغرب أن تحصل أجهزة تنظيم ضربات القلب على قدراتها المنقذة للحياة من الطاقة الكهربائية.
تحتوي أجهزة تنظيم ضربات القلب على الكثير من الطاقة الكهربائية الكامنة المخزنة في لوحين من مكثف كهربائي. (تُعرف هذه أحيانًا باسم المجاذيف).
إحدى اللوحات سالبة الشحنة، في حين أن الأخرى موجبة الشحنة. عندما يتم وضع هذه اللوحات في مواقع مختلفة من الجسم، فإنها تخلق مسمارًا كهربائيًا يقفز بين الصفيحتين.
تصبح الطاقة الكامنة طاقة حركية حيث تندفع الإلكترونات من اللوحة الموجبة إلى اللوحة السلبية. يمر هذا الترباس عبر قلب الإنسان ويوقف إشاراته الكهربائية داخل العضلة على أمل أن يعود نمطها الكهربائي غير المنتظم إلى طبيعته.
تحتوي أجهزة تنظيم ضربات القلب على طاقة كهربائية قوية للغاية، لذا كن حذرًا إذا كنت قريبًا منه في أي وقت مضى!
مثال 3: توربينات الرياح.
غالبًا ما توضع توربينات الرياح في أماكن بعيدة عن الطريق، وتحول الرياح الطبيعية إلى طاقة يمكن استخدامها لتشغيل منازلنا وتقنياتنا والمزيد. ولكن كيف يمكن للتوربين أن يغير شيئًا يبدو غير كهربائي مثل الريح إلى طاقة مستدامة قابلة للاستخدام؟
في أبسط صورها، تحول توربينات الرياح طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية. عندما تضرب الرياح ريش التوربين، فإنها تحول محور الدوار مثل طاحونة الهواء.
تحول هذه الطاقة الحركية مكونًا داخليًا، والذي يحتوي على مولد كهربائي. بدوره، يحول هذا المولد هذه الطاقة إلى طاقة كهربائية عن طريق إجبار الشحنات الكهربائية الموجودة بالفعل في المولد على التحرك، مما ينتج عنه تيار كهربائي. وهو أيضًا كهرباء.
نظرًا لأن هذه الحركة يتم توجيهها عبر الموصلات الكهربائية، وتحديدًا الأسلاك، يمكن أن يستمر تدفق الشحنات هذا إلى الشبكات الكهربائية الأكبر، مثل المنازل والأحياء وحتى المدن.
مثال 4: بطاريات في لعبة أطفال.
وبنفس الطريقة التي تحول بها توربينات الرياح نوعًا من الطاقة إلى نوع آخر، تقوم البطارية الموجودة في لعبة الأطفال بتحويل الطاقة من أجل جعل اللعبة تعمل. البطاريات لها طرفان، موجب وسالب.
من المهم وضع الأطراف الصحيحة في الأماكن الصحيحة في اللعبة، وإلا فلن تعمل. يحتوي الطرف الموجب على شحنة موجبة، بينما يحتوي الطرف السالب على شحنة سالبة.
هذا يعني أن الطرف السالب يحتوي على إلكترونات أكثر بكثير من الطرف الموجب، والبطارية ككل تحاول الوصول إلى التوازن. الطريقة التي يفعلون بها ذلك هي من خلال التفاعلات الكيميائية التي تبدأ عندما يتم وضع البطاريات داخل لعبة قيد التشغيل.
لا يمكن للنهاية الموجبة الوصول إلى النهاية السلبية ببساطة بسبب الحمض الذي يفصل بينهما في داخل البطارية.
بدلاً من ذلك، يتعين على الإلكترونات المرور عبر دائرة اللعبة بالكامل للوصول إلى النهاية السلبية، مما يسمح لدمية صغيرة بالبكاء أو طائرة هليكوبتر لعبة للطيران.
عندما تصل جميع الإلكترونات الموجودة في الطرف الموجب إلى التوازن، لا يوجد المزيد من الإلكترونات التي تمر عبر الأسلاك، مما يعني أن الوقت قد حان لبطاريات جديدة.
