شرح: ما هي الكهرباء؟

الكهرباء هي شكل من أشكال الطاقة. الكهرباء هي تدفق الإلكترونات. تتكون كل المادة من ذرات ، وللذرة مركز يسمى النواة. تحتوي النواة على جزيئات موجبة الشحنة تسمى بروتونات وجسيمات غير مشحونة تسمى النيوترونات. نواة الذرة محاطة بجزيئات سالبة تسمى الإلكترونات. الشحنة السالبة للإلكترون تساوي الشحنة الموجبة للبروتون ، وعدد الإلكترونات في الذرة يساوي عادة عدد البروتونات. عندما تنزعج قوة التوازن بين البروتونات والإلكترونات بقوة خارجية ، فقد تكتسب الذرة إلكترونًا أو تفقده. عندما "تفقد" الإلكترونات من ذرة ، تشكل الحركة الحرة لهذه الإلكترونات تيارًا كهربائيًا.

كهرباء هو جزء أساسي من الطبيعة وهو أحد أشكال الطاقة الأكثر استخدامًا لدينا. نحصل على الكهرباء التي هي مصدر طاقة ثانوي من تحويل مصادر اخرى الطاقة ، مثل الفحم والغاز الطبيعي والنفط والطاقة النووية والمصادر الطبيعية الأخرى ، والتي تسمى الأولية مصادر. تم بناء العديد من المدن والبلدات إلى جانب الشلالات (مصدر رئيسي للطاقة الميكانيكية) التي حولت عجلات المياه لأداء العمل. قبل بدء توليد الكهرباء قبل أكثر من 100 عام بقليل ، كانت المنازل مضاءة بمصابيح الكيروسين ، وتم تبريد الطعام في صناديق الثلج ، وتم تدفئة الغرف بواسطة مواقد الحطب أو حرق الفحم. بداية بـ

لحل مشكلة إرسال الكهرباء لمسافات طويلة ، جورج وستنجهاوس طور جهازًا يسمى المحول. سمح المحول بنقل الكهرباء بكفاءة عبر مسافات طويلة. وقد جعل ذلك من الممكن توفير الكهرباء للمنازل والشركات الواقعة بعيدًا عن محطة توليد الكهرباء.

على الرغم من أهميتها الكبيرة في حياتنا اليومية ، نادرًا ما يتوقف معظمنا عن التفكير في كيف ستكون الحياة بدون كهرباء. ومع ذلك ، مثل الهواء والماء ، نميل إلى أخذ الكهرباء كأمر مسلم به. كل يوم ، نستخدم الكهرباء للقيام بالعديد من الوظائف لنا - من الإضاءة والتدفئة / تبريد منازلنا ، إلى كوننا مصدر الطاقة لأجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر. الكهرباء هي شكل قابل للتحكم ومريح للطاقة المستخدمة في تطبيقات الحرارة والضوء والطاقة.

اليوم ، تم إنشاء صناعة الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة لضمان توفير إمدادات كافية من الكهرباء لتلبية جميع متطلبات الطلب في أي لحظة.

المولد الكهربائي هو جهاز لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. تعتمد العملية على العلاقة بين المغناطيسية والكهرباء. عندما يتحرك سلك أو أي مادة موصلة للكهرباء أخرى عبر مجال مغناطيسي ، يحدث تيار كهربائي في السلك. المولدات الكبيرة التي تستخدمها صناعة المرافق الكهربائية لها موصل ثابت. يتم وضع مغناطيس متصل بنهاية عمود دوار داخل حلقة موصلة ثابتة ملفوفة بقطعة طويلة ومتواصلة من السلك. عندما يدور المغناطيس ، فإنه يحرض تيارًا كهربائيًا صغيرًا في كل قسم من الأسلاك أثناء مروره. يشكل كل قسم من الأسلاك موصلًا كهربائيًا صغيرًا ومنفصلًا. كل التيارات الصغيرة للأقسام الفردية تضيف تيارًا واحدًا بحجم كبير. هذا التيار هو ما يستخدم للطاقة الكهربائية.

تستخدم محطة توليد الطاقة الكهربائية إما توربينًا أو محركًا أو عجلة مياه أو ما شابه ذلك آلة لقيادة مولد كهربائي أو جهاز يحول الطاقة الميكانيكية أو الكيميائية إلى كهرباء. تعد التوربينات البخارية ومحركات الاحتراق الداخلي وتوربينات احتراق الغاز والتوربينات المائية وتوربينات الرياح أكثر الطرق شيوعًا لتوليد الكهرباء.

يتم إنتاج معظم الكهرباء في الولايات المتحدة التوربينات البخارية. يحول التوربين الطاقة الحركية للسائل المتحرك (السائل أو الغاز) إلى طاقة ميكانيكية. تحتوي التوربينات البخارية على سلسلة من الشفرات مثبتة على عمود يتم دفع البخار عليه ، وبالتالي تدوير العمود المتصل بالمولد. في التوربينات البخارية التي تعمل بالوقود الأحفوري ، يتم حرق الوقود في فرن لتسخين الماء في غلاية لإنتاج البخار.

يتم حرق الفحم والنفط (النفط) والغاز الطبيعي في أفران كبيرة لتسخين الماء لصنع البخار الذي بدوره يدفع شفرات التوربين. هل تعلم أن الفحم هو أكبر مصدر رئيسي للطاقة المستخدمة لتوليد الكهرباء في الولايات المتحدة؟ في عام 1998 ، استخدم أكثر من نصف (52 ٪) من 3.62 تريليون كيلووات ساعة من الكهرباء في المقاطعة الفحم كمصدر للطاقة.

يمكن أيضًا حرق الغاز الطبيعي ، بالإضافة إلى حرقه لتسخين الماء للبخار ، لإنتاجه ساخنًا غازات الاحتراق التي تمر مباشرة عبر التوربين ، وتدور ريش التوربين لتوليدها كهرباء. يشيع استخدام توربينات الغاز عندما يكون الطلب على مرافق الكهرباء مرتفعًا. في عام 1998 ، كان 15٪ من الكهرباء في البلاد يغذيها الغاز الطبيعي.

يمكن أيضًا استخدام البترول لصنع البخار لتحويل التوربين. غالبًا ما يكون زيت الوقود المتبقي ، وهو منتج مكرر من النفط الخام ، هو المنتج النفطي المستخدم في المصانع الكهربائية التي تستخدم البترول لصنع البخار. تم استخدام البترول لتوليد أقل من ثلاثة في المئة (3 ٪) من جميع الكهرباء المولدة في محطات الكهرباء الأمريكية في عام 1998.

الطاقة النووية هي طريقة ينتج فيها البخار بتسخين الماء من خلال عملية تسمى الانشطار النووي. في محطة الطاقة النووية ، يحتوي المفاعل على قلب من الوقود النووي ، يورانيوم مخصب في المقام الأول. عندما تصطدم ذرات وقود اليورانيوم بالنيوترونات فإنها تنشطر (تنقسم) ، وتطلق الحرارة والمزيد من النيوترونات. في ظل ظروف محكومة ، يمكن لهذه النيوترونات الأخرى أن تضرب المزيد من ذرات اليورانيوم ، وتقسم المزيد من الذرات ، وما إلى ذلك. وبالتالي ، يمكن حدوث انشطار مستمر ، مما يشكل تفاعلًا تسلسليًا يطلق الحرارة. يتم استخدام الحرارة لتحويل الماء إلى بخار ، والذي بدوره يقوم بتدوير التوربين الذي يولد الكهرباء. في عام 2015 ، يتم استخدام الطاقة النووية لتوليد 19.47 في المائة من جميع الكهرباء في البلاد.

اعتبارًا من عام 2013 ، تمثل الطاقة الكهرومائية 6.8 في المائة من توليد الكهرباء في الولايات المتحدة. إنها عملية يتم فيها استخدام المياه المتدفقة لتدوير التوربينات المتصلة بالمولد. هناك نوعان أساسيان من أنظمة الطاقة الكهرومائية التي تنتج الكهرباء. في النظام الأول ، يتراكم الماء المتدفق في الخزانات الناتجة عن استخدام السدود. يسقط الماء من خلال أنبوب يُدعى حاجز Penstock ويضغط على شفرات التوربين لدفع المولد لإنتاج الكهرباء. في النظام الثاني ، الذي يسمى مجرى النهر ، تضغط قوة تيار النهر (بدلاً من الماء الساقط) ضغطًا على ريش التوربينات لإنتاج الكهرباء.

الطاقة الحرارية الجوفية يأتي من طاقة حرارية مدفونة تحت سطح الأرض. في بعض مناطق البلاد ، تتدفق الصهارة (المادة المنصهرة تحت القشرة الأرضية) بشكل كافٍ سطح الأرض لتسخين المياه الجوفية إلى بخار ، والتي يمكن استغلالها للاستخدام في التوربينات البخارية النباتات. اعتبارًا من عام 2013 ، يولد مصدر الطاقة هذا أقل من 1 ٪ من الكهرباء في البلاد ، على الرغم من تقييم أجرته شركة الطاقة الأمريكية إدارة المعلومات أن تسع ولايات غربية يمكن أن تنتج ما يكفي من الكهرباء لتزويد 20 في المئة من البلاد احتياجات الطاقة.

تستمد الطاقة الشمسية من طاقة الشمس. ومع ذلك ، فإن طاقة الشمس غير متاحة بدوام كامل وهي منتشرة على نطاق واسع. لقد كانت العمليات المستخدمة لإنتاج الكهرباء باستخدام طاقة الشمس أغلى تاريخياً من استخدام الوقود الأحفوري التقليدي. يولد التحويل الكهروضوئي طاقة كهربائية مباشرة من ضوء الشمس في خلية كهروضوئية (شمسية). تستخدم المولدات الكهربائية الحرارية الشمسية الطاقة المشعة من الشمس لإنتاج البخار لدفع التوربينات. في عام 2015 ، تم توفير أقل من 1٪ من الكهرباء في البلاد بالطاقة الشمسية.

قوة الرياح مشتق من تحويل الطاقة التي تحتوي عليها الرياح إلى كهرباء. عادة ما تكون طاقة الرياح ، مثل الشمس ، مصدرًا مكلفًا لإنتاج الكهرباء. في عام 2014 ، تم استخدامه لحوالي 4.44 في المائة من الكهرباء في البلاد. يشبه توربين الرياح طاحونة هوائية نموذجية.

تعد الكتلة الحيوية (الخشب ، والنفايات الصلبة البلدية (القمامة) ، والنفايات الزراعية ، مثل أبقار الذرة وقش القمح ، بعض مصادر الطاقة الأخرى لإنتاج الكهرباء. تحل هذه المصادر محل الوقود الأحفوري في المرجل. ينتج عن احتراق الخشب والنفايات بخارًا يستخدم عادةً في مصانع البخار الكهربائية التقليدية. في عام 2015 ، شكلت الكتلة الحيوية 1.57 في المائة من الكهرباء المولدة في الولايات المتحدة.

تنتقل الكهرباء التي ينتجها مولد على طول الكابلات إلى محول ، والذي يغير الكهرباء من الجهد المنخفض إلى الجهد العالي. يمكن نقل الكهرباء لمسافات طويلة بشكل أكثر كفاءة باستخدام الجهد العالي. تستخدم خطوط النقل لنقل الكهرباء إلى محطة فرعية. تحتوي المحطات الفرعية على محولات تغير كهرباء الجهد العالي إلى كهرباء جهد منخفض. من المحطة الفرعية ، تنقل خطوط التوزيع الكهرباء إلى المنازل والمكاتب والمصانع التي تتطلب كهرباء ذات جهد منخفض.

تقاس الكهرباء بوحدات طاقة تسمى الواط. تم تسميته لتكريم جيمس واطمخترع محرك بخاري. الواط الواحد هو كمية صغيرة جدًا من الطاقة. سوف يتطلب ما يقرب من 750 واط لتساوي حصان واحد. يمثل كيلوواط 1000 واط. كيلووات / ساعة (كيلوواط ساعة) تساوي طاقة 1000 واط تعمل لمدة ساعة واحدة. يتم قياس كمية الكهرباء التي تولدها محطة الطاقة أو يستخدمها العميل على مدار فترة زمنية بالكيلوواط / ساعة (كيلوواط ساعة). يتم تحديد كيلو واط ساعة بضرب عدد كيلوواط المطلوبة في عدد ساعات الاستخدام. على سبيل المثال ، إذا كنت تستخدم المصباح الكهربائي بقوة 40 واط 5 ساعات في اليوم ، فقد استخدمت 200 واط من الطاقة ، أو 0.2 كيلو واط / ساعة من الطاقة الكهربائية.

المزيدكهرباء: التاريخ والإلكترونيات والمخترعين المشهورين