بحث عن الطاقة الكهربائية وأهميتها

جدول المحتويات

بحث عن الطاقة الكهربائية

إحدى صور الطاقة المعتمدة بشكل رئيسي في أنشطة الحياة البشرية، إن لم تكن جميعها، ولا يمكن الاستغناء عنها في أي وقت أو مكان، خاصة في ظل عصر التقدم التكنولوجي والسرعة التي نعيشها اليوم.
لا يمكن وجود صناعات ومجالات علمية واتصالات وغيرها من دون الاعتماد على الطاقة الكهربائية.

مقدمة عن الطاقة الكهربائية

الطاقة تنقسم إلى نوعين، الطاقة الحركية والطاقة الساكنة، ويشار إلى حركة الكهرباء بالتيار الكهربائي.
بشكل عام، جميع أشكال الطاقة تخضع لقانون حفظ الطاقة الذي يقول (إن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث، بل تتحول من شكل إلى آخر).
هذا يشير إلى إمكانية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية باستخدام المحركات، وتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية باستخدام المولدات، وما إلى ذلك.

عناصر بحث عن الطاقة الكهربائية

يشمل بحثنا عن الطاقة الكهربائية بعض العناصر التي سنستعرض كل منها بشكل مفصل، وتلك 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

الطاقة تعرف بأنها القدرة على إنجاز عمل ما، ولها العديد من الأشكال التي يتم الاعتماد عليها في الحياة، وأهمها الطاقة الكهربائية المميزة بسهولة استخدامها وقدرتها على التحول إلى أشكال أخرى من الطاقة، ولكن تخزينها بكميات كبيرة يعتبر أمرا صعبا.
تتنوع مجالات واستخدامات الكهرباء، حيث تستخدم في تشغيل الأجهزة الكهربائية، المجالات الصناعية، عمليات النقل، تدفئة المنازل، والعديد من الاستخدامات المنزلية الأخرى، بالإضافة إلى التطبيقات المعقدة. وتشكل الكهرباء حوالي 18% من إجمالي مصادر الطاقة المستخدمة في العالم.
تم وصف الطاقة الكهربائية على أنها ما يتم تخزينه في جسيمات الذرة المشحونة بالطاقة، والتي تولد مجالا كهربائيا يحيط بها. تنشأ قوى كهربائية بين تلك الجسيمات وبين جسيمات أخرى مشحونة بالمجال الكهربائي، وبالتالي، تكون القوة الكهربائية نتيجة للمجال الكهربائي وتؤدي إلى تحريك الجسيمات المشحونة وبذل الطاقة.
تذكر أن الكهرباء ليست مصدرا أساسيا للطاقة، بل هي مشتقة من مصادر طاقة أولية مثل الشمس والنووية والفحم والغاز الطبيعي والرياح وغيرها، ولا يتم استخراجها من باطن الأرض مثل الفحم الحجري.

تاريخ الكهرباء

يعود اكتشاف الكهرباء الساكنة (البرق) إلى العالم فرانكلين من خلال طائرته الورقية المربوطة بحبل معدني، وبعدها تمكن العالم الإيطالي فولتا من إنتاج الكهرباء عام 1798م باستخدام الطرق الكيميائية ووعائه الشهير (وعاء فولطا) المكون من وعاء زجاجي يحتوي على قضيبين معدنيين، أحدهما من الحديد والآخر من النحاس ويحتوي على محلول ملحي.
ثم جاءت اكتشافات العالم الفرنسي أمبير الذي استطاع تمييز التيار والجهد، وفي عام 1827م اكتشف العالم أوم العلاقة المعروفة والأساسية بين الجهد والتيار، والتي تعرف بقانون أوم.

طرق توليد الطاقة الكهربائية

طاقة كهربائية تتم إنتاجها من أنواع مختلفة من الطاقة مثل الطاقة الكيميائية والميكانيكية وغيرها، وتحول إلى طاقة كهربائية، ومن الطرق الرئيسية لإنتاج الطاقة الكهربائية ما يلي:

التأثير الكهروضوئي (Photovoltaic effect)

يتمثل في إطلاق الإلكترونات من الأجسام عند اكتسابها كمية كافية من الطاقة الضوئية، حيث يتناسب عدد الفوتونات الضوئية التي يحملها الضوء بشكل متناسب مع التردد الضوئي، أما الإلكترونات فهي تحمل طاقة تسمى طاقة ربط الإلكترون، ويحدث الانبعاث الضوئي عندما تكتسب الإلكترونات طاقة إضافية تفوق طاقة ربط الإلكترون، مما يتسبب في تدفق تيار من الإلكترونات المعروف بـ “التيار الكهربائي.

التحليل الكهربائي (Electrochemistry)

في هذه الحالة، يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية مباشرة، على غرار ما يحدث في البطاريات. تتألف البطارية من إلكترودين، حيث يتصل أحدهما بالقطب الموجب ويسمى المهبط، والآخر يتصل بالقطب السالب ويسمى المصعد. يتم غمر الإلكترودين بسائل كيميائي يسمى الكهرل، والذي يتفاعل مع مادة الإلكترود لتوليد تيار كهربائي. تكمن أهميتها في التطبيقات المحمولة والمتنقلة.

الحث الكهرومغناطيسي (Electromagnetic induction)

يقصد به إنتاج قوة كهربائية محركة أو ما يعرف بالجهد الكهربائي، عن طريق وضع موصل كهربائي في مجال مغناطيسي متغير، أو عن طريق حركة موصل في مجال مغناطيسي ثابت.
تعزى هذه الظاهرة إلى العالم مايكل فارادي، ومن أهم التطبيقات المذكورة لها (المولد الكهربائي) الذي يعمل عن طريق حركة موصل في مجال مغناطيسي، لتوليد شحنات كهربائية وتوجيهها لإنشاء تدفق للتيار الكهربائي.
يتم استخدام المولد لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، حيث يتم استخدام تلك المولدات في العديد من محطات التوليد، بما في ذلك محطات الرياح ومحطات الوقود الأحفوري.

تخزين الطاقة الكهربائية

يتولد التيار الكهربائي نتيجة تدفق الإلكترونات، حيث تتحرك الإلكترونات بتأثير بعض المجالات، بما في ذلك المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي المترابط. ونتيجة لذلك، يتم اكتشاف طاقة كهربائية يمكن استخدامها لتحريك الشحنات. يمكن تخزين هذه الطاقة باستخدام البطاريات أو المكثفات للاستفادة منها في العديد من التطبيقات. يمكن أيضا توصيل التيار الكهربائي بسهولة عن طريق الأسلاك المصنوعة من مواد جيدة التوصيل للكهرباء مثل المعادن. وهذا ما يعرف بنظام نقل الطاقة (الشبكة الكهربائية).

مصادر الطاقة الكهربائية

المصادر الحرارية

هناك مصدران رئيسيان يمكن من خلالهما توليد الطاقة الكهربائية وهما المصادر الحرارية والمصادر المتجددة، أما المصادر الحرارية فتعتمد محطات توليدها غالبا على الوقود لتسخين الماء لإنتاج البخار وبدء دورة رانكن (Rankine cycle)، حيث تحكم ثاني قوانين الديناميكا الحرارية جميع محطات توليد الكهرباء، مما يشير إلى عدم قدرتها على تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء بكفاءة تبلغ 100٪، ومن أهم المصادر الحرارية:

الوقود الأحفوري

تعمل محطات التوليد على حرق أنواع مختلفة من الوقود الأحفوري، بما في ذلك النفط والغاز والفحم، لتوليد البخار اللازم لتشغيل المحطة. وفي حالة المحطات الكهربائية الغازية، يتم تشغيل التوربين باستخدام الغازات، مما يؤدي إلى حركة شفراته بشكل مباشر.
في محطات الكهرباء ذات الدورة المركبة، يتم استخدام مولد بخاري لزيادة إنتاج الكهرباء، ويجب أن نذكر أنه في عام 2017م، تم توليد حوالي 64.5% من احتياجات العالم للكهرباء من خلال الوقود الأحفوري.

الوقود النووي

تشبه عملية توليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية ما يحدث في محطات التوليد التي تستخدم الوقود الأحفوري، إلا أنها تعتمد على حرارة الانشطار النووي بدلا من حرق الوقود الأحفوري لإنتاج بخار الماء. تتميز هذه المحطات بانبعاثاتها الملوثة للهواء والتي تلحق الضرر بالبيئة بكونها قليلة. فهي لا تحتاج إلى كميات كبيرة من الوقود على عكس المحطات التقليدية الأخرى لتوليد الكهرباء.

مصادر توليد الطاقة المتجددة

تتميز المحطات المتجددة لإنتاج الطاقة الكهربائية بالقدرة على الحصول على طاقتها مباشرة من مصادر الطاقة المتجددة التي لا تنفد، ومع ذلك، ليست تلك المصادر متاحة في كل الأماكن والأوقات، وبالتالي فإن توليد الطاقة في تلك المحطات يكون بشكل متقطع ولا يمكن الاعتماد عليها بشكل كامل، ومن بين مصادر الطاقة الكهربائية المتجددة التي تأتي:

طاقة الحرارة الأرضية

كلما زاد العمق في الأرض وتباعدنا عن القشرة الأرضية، زاد معدل الحرارة. ويحدث ذلك بسبب التحللات الإشعاعية والضغط والصخور المنصهرة. ومن الدلائل على ذلك تفجر عيون المياه الساخنة وانبعاث البخار والماء الساخن إلى سطح الأرض.
هذه الأمور السابقة المذكورة لفتت انتباه مهندسي الطاقة بشكل كبير إلى تلك المصادر المهمة للطاقة، حيث توجهت الأفكار والآراء نحو استخدام تلك الطاقة وبناء أنواع مختلفة من المحطات، ولكن تلك المصادر تعاني من بعض العيوب، ومن أبرز تلك العيوب صعوبة العثور على موقع مناسب، بالإضافة إلى الآثار الناتجة عن استغلال بعض المواقع على درجة حرارة الماء في باطن الأرض.

طاقة الرياح والطاقة الشمسية

تعتبر كل من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح من المصادر الأساسية لاستخدام الطاقة المتجددة في توليد الكهرباء، وما يميز هاتين الطريقتين هو إنبعاث كميات قليلة جدا من الغازات التي تسبب الاحتباس الحراري.
في عام 2017، تم تقدير أن إجمالي نسبة إنتاج الكهرباء من طاقة الرياح والطاقة الشمسية بلغت 1.3% و 4.4% على التوالي. ولكن، من أهم العيوب لهاتين الطريقتين هو اعتمادهما على حالة الطقس، مما يحول دون إنتاج مستمر وثابت للكهرباء.
كما تعتمد توربينات الرياح على سرعة الرياح حيث لا يتم تولد الطاقة الكهربائية في ظل سرعات الرياح سواء كانت قوية جدا أو منخفضة، بالإضافة إلى أن ألواح الخلايا الشمسية تعتمد على عوامل معينة لتوليد الكهرباء، وتشمل ذلك اليوم والوقت والفصل وحالة السماء سواء كانت غائمة أو صافية، وكذلك يؤثر مستوى نظافة الألواح نفسها.

طاقة المياه

تتم إنتاج الطاقة الكهرومائية من خلال تخزين كميات كبيرة من الماء في السدود، ثم يسمح لها بالتدفق من خلال بوابات خاصة لتمر عبر توربينات مائية وبالتالي توليد كميات كبيرة من الكهرباء الصديقة للبيئة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استغلال الأنهار الجارية لإنتاج الطاقة الكهرومائية. وتعتمد هذه الطريقة على العثور على موقع مناسب لبناء السد ومحطة الطاقة الكهرومائية.

فوائد الطاقة الكهربائية

اكتشاف الكهرباء واستخدامها والعمل على تطويرها يحقق العديد من الفوائد والمزايا في مختلف جوانب وأنشطة الحياة، ومن أبرز تلك الفوائد نذكر:

في المنازل: يستخدم الكهرباء في الأنشطة اليومية لتوفير الراحة والعيش السهل داخل المنزل من خلال تشغيل مختلف الأجهزة مثل الميكروويف والثلاجة وغسالة الصحون والملابس وغيرها الكثير.
خارج المنازل: تستخدم الكهرباء في إنارة الطرقات، وتدفئة مياه المسابح، وفي مجال الزراعة من خلال تشغيل مرشات العشب وآلات الجز العشب.
وسائل المواصلات والتنقل: تساعد الكهرباء في الوصول إلى مختلف الأماكن حول العالم، وقبل اكتشافها كان التنقل أمرا صعبا جدا، فمثلا لا يمكن السفر بالطائرات بدون وجود الكهرباء.
مجال الصحة: سواء كانت معدات طبية أو معدات جراحة حديثة، تعمل بواسطة الكهرباء.
التجارة والصناعة: يعتمد الكهرباء في عمليات التصنيع والإنتاج لمختلف المواد من خلال تشغيل الآلات الثقيلة.
بالمكاتب: تحتوي المكاتب على العديد من أنواع الأجهزة المختلفة التي تعمل بالكهرباء، مثل المصاعد والماسحات الضوئية وأجهزة التكييف وغيرها.
العمليات الهندسية: تستخدم الكهرباء في عمليات البناء لتشغيل الآلات، مثل استخدام أدوات اللحام لتركيب النوافذ والأبواب.
مجال الترفيه: تعتمد الكهرباء بشكل كامل في الوقت الحالي في عملية ترفيه الإنسان، ومن أمثلة ذلك الاستماع إلى الموسيقى، مشاهدة التلفاز، واستخدامها في تشغيل برامج محركات الأقراص لمشاهدة الأفلام والعديد من وسائل الترفيه المختلفة.
الفضاء: تعتمد المعدات المرسلة في عملية استكشاف الفضاء أثناء عملها على الكهرباء، سواء من خلال المولدات أو البطاريات الخاصة بها.

خاتمة بحث عن الطاقة الكهربائية

في ختام مقال اليوم بعنوان بحث عن الطاقة الكهربائية، ذكرنا معلومات هامة حول الطاقة الكهربائية بتعريفها، طرق توليدها، مصادرها، وفوائدها. سنذكر بعض الأضرار التي قد تحدث نتيجة استخدامها، مثل احتمالية حدوث حرائق نتيجة ارتفاع طاقتها وتعرض الجسم لها، واحتمالية حدوث ماس كهربائي في المباني والمنشآت، وأضرار أخرى قد تصل أحيانا إلى الوفاة. لذلك، يجب أخذ الحيطة والحذر في استخدامها وتجنب التعامل المباشر معها دون استخدام عوازل.

المراجع

الوسوم