ما هي الكهرباء ؟ الكهرباء هي نوع من الطاقة، الكهرباء هي تدفّق الإلكترونات . وتتكون كل المواد من ذرات، وتملك كل ذرة في وسطها نواة، تحتوي النواة على جسيمات مشحونة إيجابيًا تسمى بروتونات وعلى جسيمات غير مشحونة تسمى نيوترونات، تحاط نواة الذرة بجسيمات مشحونة سلبيًا تسمى الإلكترونات، تساوي الشحنة السالبة للإلكترون الشحنة الموجبة للبروتون، ويتساوى عادةً عدد الإلكترونات مع عدد البروتونات في الذرة. عندما تضطرب القوى المتكافئة بين البروتونات والإلكترونات بسبب قوة خارجية، تفقد أو تكتسب الذرة إلكترونات. عندما تفقد الذرة إلكترونات، تشكل حركة هذه الإلكترونات تيارًا كهربائيًا.

الكهرباء هي جزء أساسي من الطبيعة وهي أحد أكثر أشكال الطاقة استخدامًا، فهي مصدر ثانوي للطاقة. نحصل على الكهرباء من خلال تحويل أشكال أخرى من الطاقة، مثل الفحم، والغاز الطبيعي، والنفط، والطاقة النووية ومصادر طبيعية أخرى، والتي تسمى مصادر أولية.

بُنيت عدة مدن وبلدات بجانب شلالات (مصدر طاقة ميكانيكية أولي) التي حركت عجلات المياه (النواعير) للقيام بعدة أعمال. قبل بداية توليد الطاقة من حوالي 100 عام، أضيئت المنازل بمصابيح الكيروسين، وبُرّدت الأطعمة في صناديق ثلج، ودُفئت الغرف بمواقد تحرق الخشب أو الفحم. فُهمت مبادئ الكهرباء تدريجيًا ابتداءً من تجربة بنجامين فرانكلين باستخدام طائرة ورقية في إحدى ليالي فيلادلفيا العاصفة. وفي حلول منتصف القرن التاسع عشر، تغيرت حياة الجميع باختراع المصباح الكهربائي. قبل عام 1879، استُخدمت الكهرباء في إضاءة الأضواء القوسية للإضاءة الخارجية. واستخدَم اختراع المصباح الكهربائي الكهرباء للإنارة الداخلية لمنازلنا.

كيف يُستخدَم المحوّل الكهربائي ؟

لحل مشكلة إرسال الكهرباء عبر مسافات طويلة، طور جورج ويستنجهاوس جهازًا يسمى المحوّل. سمح المحوّل بإرسال الكهرباء لمسافات طويلة وبكفاءة، وأصبح بالإمكان إمداد الكهرباء للمنازل والمكاتب الموجودة بعيدًا عن محطة توليد الكهرباء. بالرغم من أهمية الكهرباء الكبيرة في حياتنا، نادرًا ما نقف ونتأمل كيف كانت لتكون الحياة دون كهرباء، ونميل إلى أخذها كأمرٍ مسلَّم به كالماء والهواء.

نستخدم الكهرباء كل يوم لأداء عدة وظائف، من إضاءة، وتدفئة أو تبريد منازلنا، إلى كونها مصدر الطاقة لأجهزة التلفاز والحواسيب. الكهرباء مصدر طاقة يسهل التحكم به ويستخدم في تطبيقات التدفئة، والإضاءة والقوى. اليوم، مجال توليد الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية مؤسَس لضمان وجود إمدادٍ كافٍ للكهرباء لتلبية الطلب بأي لحظة.

كيف تولَّد الكهرباء؟

المولِّد الكهربائي هو جهاز يحوّل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. تعتمد العملية على العلاقة بين المغنطة والكهرباء، عندما يتحرّك سلك أو أي مادة أخرى موصلة للكهرباء عبر مجال مغناطيسي، ينشأ تيار كهربائي في هذا السلك، وتمتلك المولدات الضخمة المستخدمة في مجال توليد الطاقة موصلاً ثابتًا.

ويوجد مغناطيس موصول بنهاية محور دوّار موضوع داخل إطار من المواد الموصلة ومغطى بكمية كبيرة من الأسلاك. عندما يدور المغناطيس، ينشأ تيار كهربائي صغير داخل كل قسم من السلك الذي يمر بجانبه. يشكل كل جزء من الأسلاك موصلًا كهربائيًا صغيرًا، وتتجمّع كل هذه الكميات الصغيرة لتشكّل تيارًا كبيرًا، ويستخدم هذا التيار للطاقة الكهربائية.

كيف تُستخدَم التوربينات لتوليد الكهرباء ؟

تستخدم شركات توليد الكهرباء توربينات، ومحركات، وعجلات مائية أو آلات أخرى شبيهة لتدوير مولد الكهرباء أو جهاز آخر يحوّل الطاقة الميكانيكية أو الكيميائية إلى كهرباء. أكثر الطرق المستخدمة لتوليد الطاقة هي توربينات البخار، وتوربينات الماء وتوربينات الهواء. تُولَّد أغلب الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة الأمريكية باستخدام توربينات البخار. يحوّل التوربين الطاقة الحركية لمائع متحرك (غاز أو سائل) إلى طاقة ميكانيكية.

تمتلك توربينات البخار مجموعة من الشفرات مركبة على محور يتعرض للبخار، ما يؤدي إلى دوران المحور الموصول بمولد الكهرباء. بالنسبة لتوربينات الوقود الأحفوري، يُحرق الوقود في فرن لتسخين الماء من أجل توليد البخار. تحرق المواد مثل الفحم، والنفط والغاز الطبيعي في أفرانٍ كبيرةٍ لتسخين الماء من أجل إنتاج بخار يقوم بدوره بدفع شفرات التوربين. هل تعلم أن الفحم هو أكثر مصدر طاقة أولي يستخدم في الولايات المتحدة الأمريكية لتوليد الطاقة؟ في عام 1998، أكثر من نصف الطاقة (52%) الكهربائية المولّدة وقدرها 3.62 ترليون كيلووات/ساعة ولِّدت عن طريق الفحم كمصدر للطاقة.

يمكن استخدام الغاز الطبيعي -بالإضافة إلى استخدامه لتسخين الماء لصنع البخار- لإنتاج غازات احتراق ساخنة يمكن تمريرها مباشرة خلال التوربين لتدوير الشفرات وتوليد الكهرباء. تُستخدم توربينات الغاز عندما يزداد الطلب على استخدام الكهرباء. في عام 1998، شكّلت الطاقة المولَّدة من الغاز الطبيعي نحو 15% من الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية. يمكن أيضًا استخدام النفط لصنع البخار وتدوير التوربين.

يستخدم عادةً زيت النفط المتبقي المستخرج من النفط الخام في محطات التوليد التي تستخدم النفط لصنع البخار. استُخدم النفط لتوليد أقل من 3% من الكهرباء في الولايات المتحدة الأمريكية عام 1998.

الطاقة النووية هي طريقة تنتج البخار عن طريق تسخين الماء بعملية تسمى الانشطار النووي. داخل محطة توليد الطاقة النووية، يحتوي المفاعل على لبٍ من الوقود النووي، يتشكل أساسًا من اليورانيوم المخصّب. وعندما تضرب النيوترونات نواة اليورانيوم، يحصل الانشطار، ويصدر ذلك حرارة ومزيدًا من النيوترونات، وتستطيع هذه النيوترونات الأخرى استهداف المزيد من ذرات اليورانيوم. ويحدث ذلك تحت بيئة يتحكم بها. وهكذا، يحدث الانشطار بشكلٍ مستمر مشكلًا سلسلة تفاعلات تنتج حرارة. وتستخدم هذه الحرارة لتحويل الماء إلى بخار والذي يقوم بدوره بتدوير التوربين الذي يولد الكهرباء.

في عام 2015، استخدِمت الطاقة النووية لتوليد 19.47% من الكهرباء في الولايات المتحدة الأمريكية. في عام 2013، شكلت الطاقة المولَّدة من المصادر المائية 6.8% من مجموع الطاقة المولَّدة في الولايات المتحدة الأمريكية. وهي عملية تستخدَم فيها المياه المتدفقة لتدوير توربين موصول بمولد كهربائي.

هناك نوعان أساسيان من أنظمة توليد الكهرباء المائية؛ في النظام الأول، تتجمع المياه المتدفقة في خزانات ناتجة عن السدود، وتدخل المياه عبر أنبوب يسمى penstock وتقوم المياه بالضغط على شفرات التوربين لتحريك مولد الكهرباء. في النظام الثاني، يسمى تحريك النهر، يستخدَم تيار المياه في النهر (بدلًا من سقوط المياه) للضغط على التوربينات لتوليد الطاقة الكهربائية.

مصادر توليد أخرى

الطاقة الحرارية الأرضية تأتي من الطاقة الحرارية المدفونة تحت سطح الأرض. في بعض مناطق الولايات المتحدة الأمريكية، تسير رواسب الماغما (المواد الذائبة تحت قشرة الأرض) بالقرب من سطح الأرض لتحوّل المياه تحت الأرض إلى بخار.

والذي يمكن استخدامه في محطات التوربينات البخارية. في عام 2013، شكّلت هذه الطاقة أقل من 1% من الكهرباء في الولايات المتحدة الأمريكية، على الرغم من أنه ذُكر في تقييمٍ لإدارة معلومات الطاقة الأمريكية بأنه يمكن لتسع ولايات غربية توليد طاقةٍ كهربائيةٍ بهذه الطريقة تكفي لسد 20% من الحاجة للطاقة الكهربائية بالولايات المتحدة الأمريكية.

تنتج الطاقة الشمسية من الشمس. ولكن، لا تتوفر طاقة الشمس طوال الوقت وتتشتت بشكلٍ كبير. عبر التاريخ، كانت جميع عمليات إنتاج الطاقة الكهربائية من الشمس أعلى تكلفةً من استخدام الوقود الأحفوري المعتاد. يولّد التحويل الضوئي الطاقة الكهربائية مباشرةً من ضوء الشمس في خلية شمسية.

وتستخدِم مولدات الكهرباء الشمسية-الحرارية الطاقة الإشعاعية من الشمس لإنتاج بخار يحرك التوربينات. في عام 2015، ولّدت أقل من 1% من الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة من الطاقة الشمسية. تنتج طاقة الرياح من تحويل طاقة الرياح إلى كهرباء. عادة تكون طاقة الرياح، مثل الشمس، مصدرًا مرتفع التكلفة لإنتاج الطاقة. في عام 2014، استخدمت لإنتاج تقريبًا 4.44% من الطاقة في الولايات المتحدة الأمريكية. يشبه توربين الرياح طاحونة الرياح المعتادة.

تعد النفايات البيولوجية، والخشب، والنفايات المستخرجة من المدن المعروفة بالقمامة والنفايات الزراعية، مثل قوالح الذرة وقش القمح، مصادر أخرى لإنتاج الكهرباء. تستبدِل هذه المصادر الوقود الأحفوري عند استخدامها. يخلق حريق الخشب والنفايات بخارًا يستخدَم في محطات توليد الكهرباء. في عام 2015، شكلت الطاقة الكهربائية المولَّدة من النفايات البيولوجية 1.57% من الطاقة المولَّدة في الولايات المتحدة الأمريكية. تنتقل الكهرباء المنتَجة من مولد الكهرباء عبر أسلاك إلى محوّل، ويغيّر المحوّل بدوره الكهرباء من جهدٍ منخفض إلى جهدٍ مرتفع.

يمكن نقل الكهرباء لمسافات طويلة بكفاءة باستخدام الجهد المرتفع. تستخدم خطوط النقل لنقل الكهرباء إلى محطة فرعية. تمتلك المحطات الفرعية محولات تغير الجهد العالي إلى جهدٍ منخفض. ومن المحطة الفرعية، تنقل خطوط التوزيع الكهرباء إلى المنازل، والمكاتب والمصانع التي تعمل على الجهد المنخفض.

كيف تقاس الكهرباء؟

تقاس الكهرباء بوحدة من القوة تسمى “وات”. سميت بذلك تكريمًا للعالم جيمس وات، مخترع محرك البخار. ويعد الوات الواحد كمية صغيرة من القوة، ونحتاج إلى قوة قدرها 750 وات لنكافئ حصانًا ميكانيكيًا واحدًا. ويساوي الكيلو وات 1000 وات، ويعد الكيلووات/ساعة مكافئًا بالطاقة ل 1000 وات لمدة ساعة واحدة. وتقاس الطاقة الكهربائية التي تولّدها المحطات لمدة من الزمن بوحدة الكيلووات/ ساعة.

وتحدد كمية الكيلووات/ساعة بضرب عدد الكيلووات المستخدَم بعدد ساعات الاستخدام. على سبيل المثال، إن استخدَمت مصباحًا يستهلك 40 وات لمدة 5 ساعات في اليوم، تكون قد استخدمت 200 وات من القوة، أو 0.2 كيلووات/ ساعة من الطاقة.

  • ترجمة: عبد الرحمن الصباغ
  • تدقيق: حسام التهامي
  • تحرير: محمد سفنجة
  • المصدر