22/11/2014
الكهرباء (1)
Electricity (1)
الكهرباء (Electricity):
الكهرباء هي نوع من أنواع الطاقة, وهي انسياب (تدفق) الإلكترونات (electrons). الكهرباء جزء أساسي من الطبيعة وهي واحدة من أكثر أشكال الطاقة استخداما, حيث تعتبر المصدر الثاني للطاقة المستخدمة في وقتنا الحالي. نحن نحصل على الكهرباء عن طريق تحويل مصادر أخرى من الطاقة إلى كهرباء, مثل الفحم, الغاز الطبيعي, البترول, الطاقة النووية, المصادر الطبيعية (الهواء, مساقط المياه....), ....., كل تلك المصادر تسمي المصادر الأساسية للطاقة الكهربائية.
والطاقة الكهربائية في حد ذاتها لا يتم استخدمها كطاقة كهربائية ولكن للاستفادة منها يجب تحويلها إلى صورة أخرى من صور الطاقة مثل الطاقة الحرارية, الطاقة الميكانيكية (الحركة, الوضع....). الطاقة الكهربائية تعتبر طاقة يسهل نقلها والتحكم بها كما يسهل تحويلها.
ففي كل يوم, نستخدم الطاقة الكهرباء لعمل العديد من المهام لنا بالمنازل, من الإضاءة والتدفئة والتكييف والتبريد. وهي مصدر الطاقة إلى الأجهزة الكهربائية مثل التليفزيون, الكومبيوتر, الغسالة, ....... الكهرباء مصدر من مصادر الطاقة المتوفرة والتي يسهل التحكم بها, والتي تستخدم في تطبيقات الحرارة, والإضاءة والقدرة.
تاريخ الكهرباء History of electricity:
مع أن تاريخ الكهرباء طويل وقديم فإن الكهرباء لم تكتشف فعليا حتى 16 قرن مضى. فالعديد من الناس يرجع اكتشاف الكهرباء في تلك الحقبة إلى اليونانيين القدماء, حيث أنهم اكتشفوا أن حك عمود عنبر مع القماش يجعل الأجسام الخفيفة تلتصق به.
أكتشف العالم الإنجليزي وليم جليبرت William Gilbert في سنة 1600 أن حك عمود العنبر بعمود من مادة مختلفة تؤدي إلى انتاج إلكترونات.
قام العالم الألماني أوتو فون جيوريك Otto von Guericke في سنة 1660 بعمل أول مولد للتيار.
يرتبط تاريخ الكهرباء بالتجربة التي أجرها بنيامين فرانكلين Benjamin Franklin في عام 1752 بتطيير طائرة ورقية بها مفتاح في يوم عاصف. واستخدام وعاء "لادين" لتخزين الكهرباء, الذي عمل كمكثف لتخزين وإطلاق الكهرباء. وقام بنيامين فرانكلين باختراع عمود منع الصواعقlightning rod , بالإضافة إلى العديد من الاختراعات الأخرى.
يرجع إلى العالم الإيطالي فولت Alessandro Volta اختراع البطارية في سنة 1800, حيث قام بتطوير التجربة بأن قام بعمل أول خليه كهربائية بوضع قطعة من الورق في وعاء به ماء مالح واحدة مغطاه بالزنك والأخرى مغطاة بالنحاس كلا في طرفي الوعاء, ثم قام بتوصيلهما بسلك لعمل تيار كهربائي.
في سنة 1827 قام العالم الألماني جورج أوم Georg Ohm بإيجاد العلاقة الأساسية بين التيار والجهد والمقاومة.
قام العلم الإنجليزي ميكل فاراداي Michael Faraday بعمل أول مولد كهربائي مغناطيسي في سنة 1831. ومن هذا التاريخ ليومنا هذا نجد أن هناك ارتباط بين الكهرباء والمغناطيسية. فعمل المولدات والموتورات الكهربائية مبنية على مبدئ المجال الكهرومغناطيسي. حيث تتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال مولدات الكهرباء, وتتحول الطاقة الكهربائية إلى ميكانيكية من خلال الموتور.
في سنة 1879 اختراع توماس أديسون المصباح الكهربائي. عن طريق اختراع فتيله كربونية يمكنها أن تحترق لمدة 10 ساعات. قامت شركة جنرال إلكتريك بشراء براءة اختراع المصباح الكهربائي وتصنيعه.
قبل توليد الكهرباء كانت المنازل تضاء بمصابيح الكيروسين, وتدفئ الحجرات عن طريق حرق الأخشاب أو الفحم. كانت الكهرباء تستخدم في الإضاءة الخارجية عن طريق الشرارة المنقولة بين قطبي المصباح. اختراع أديسون للمصباح الكهربائي مكن من استخدام الإضاءة داخل المنازل.
أنواع الكهرباء types of electricity:
هناك نوعين من الكهرباء: الكهرباء الساكنة static electricity والكهرباء المتحركة التيارية current electricity.
الكهرباء الساكنة ليس لها فائدة عملية يمكن الاستفادة منها. (عند حك عمود العنبر بالقماش يتولد شحنة سالبة وشحنة موجبة على المادتين المختلفتين والمادة التي عدد إليكترونات أكثر بالمدار الخارجي تتولد عليه شحنة سالبة, والجزء الأخر الذي له عدد إليكترونات أقل بالمدار الخارجي تتولد عليهم شحنة موجبة. ولا توجد حتى الأن وحدة لقياس الكهرباء الساكنة. أما الكهرباء المتحركة فهي في غاية الأهمية في تشغيل المعدات الكهربائية والإضاءة وخلافه. الكهرباء الساكنة يمكن أن تنتقل عبر العوازل مثل البلاستيك أو المطاط, أما الكهرباء المتحركة فتنتقل عبر الموصلات كالأسلاك الكهربائية.
الكهرباء الساكنة Static Electricity:
هي نتيجة لتراكم شحنات كهربائية تحدث عندما يحتك جسمين غير معدنيين ببعضهما البعض. حيث تنتقل الإليكترونات خلال تلك العلمية من أحد الجسمين إلى الأخر, مسببة تكون شحنة موجبة بأحد الجسمين وتكون شحنة سالبة بالجسم الأخر. الشحنة المكتسبة يتخلص منها الجسم عند طريق الاتزان ويعني تفريغ الشحنة من جسم للأخر. وقد يحدث التفريغ بطئ أو سريع.
يمكن ملاحظة حالة الشحن والتفريغ تلك أثناء سير شخص على سجادة واحتكاك القدم بها فتتولد شحنة بالشخص وتتفرغ الشحنة سريعا عند ملامسة الشخص لجسم معدني مثل أكرة الباب. ويحس الشخص بصدمة كهربائية خفيفة. الصوت الصادر من الشرارة ناتج من سخونة الهواء نتيجة مرور الكهرباء وتمدده. والبرق lightning هو مثال أخر لذلك فهو تفريغ هائل للكهرباء الساكنة بسبب عدم اتزان الشحنة الكهربائية بالجو, سواء داخل السحب, من سحابة إلى أخرى أو من السحب إلى الأرض. يصاحب ذلك صوت الرعدthunder .
حقائق عن الصاعقة (البرق) lightning:
- شدة التيار 30,000 امبير
- جهد التيار 1 بليون فولت
- السرعة 220,000 كيلومتر/ساعة
- درجة الحرارة 30,000 درجة مئوية
- بها طاقة مقدارها 500 ميجا جول, طاقة تكفي لإنارة لمبة 100 وات لمدة 3 إشهر. ويمكن حسابها كالتالي
100× 3× 30× 24× 60 × 60 = 777.6 ميجا وات
الكهرباء التيارية (Current Electricity):
أما الكهرباء المتحركة (التيارية) فهي انسياب الإلكترونات (الشحنة كهربائية) خلال موصل, وهو ما يسمى التيار الكهربائي. الكهرباء التيارية تقاس بالأمبير, وتحتاج إلى موصل conductor بحيث يمكن للإليكترونات أن تنساب وتمر بسهولة خلاله. الأسلاك النحاسية هي أكثر الموصلات انتشارا. ويمكن توليد الكهرباء التيارية بالعديد من الطريق, وهي تحويل صور الطاقة مثل الطاقة الكيميائية والميكانيكية إلى طاقة كهربائية. كالتفاعلات الكيميائية التي تتم داخل البطارية, أو التوليد عن طريق حركة المولدات الكهربائية.
حيث أن الكهرباء صورة من صور الطاقة فيمكن توليدها من مصادر أخرى من الطاقة عن طريق تحويل تلك الطاقة إلى طاقة كهربائية, مثل الطاقة النووية أو طاقة الرياح أو مساقط المياه, أو الطاقة الحرارية أو الطاقة الكيميائية. والطاقة الكهربائية لا يستفاد منها مباشرة ولكن يستفاد منها عن طريق تحوليها إلى طاقة أخرى مثل الطاقة الضوئية, الحرارية, الحركة,.....
توليد ونقل وتوزيع الكهرباء Generating and Transporting Electricity:
توليد الكهرباء electricity generation:
وهي عملية الحصول على الكهرباء من مصادر أخرى للطاقة عن طريق استخدام مولد كهربائي generator, وهو آلة لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. إجراءات التحويل مبنية على العلاقة بين المغناطيسية والكهربية. عندما يتحرك سلك أو أي معدن موصل داخل مجال مغناطيسي, يتولد تيار كهربائي بالسلك. المولد الكهربائي يستخدم تلك النظرية لتوليد تيار كهربائي نتيجة دوران السلك عن طريق مصدر أخر للطاقة داخل مجال مغناطيسي.
محطة توليد الكهرباء تستخدم تربين, أو محرك, أو عجلة مائية, أو ما شابه من المعدات لتشغيل المولد الكهربائي أو أي جهاز يعمل على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء.
نقل الكهرباء electricity transportation:
لحل مشكلة نقل الكهرباء لمسافات بعيدة, قام جورج وستينجهاوس بتطوير جهاز يسمى المحول transformer. ويسمح المحول للكهرباء بالانتقال بكفاءة عالية إلى مسافات بعيدة. هذا جعل من الإمكان توفير الكهرباء للمنازل والمصانع البعيدة عن مصدر توليد الكهرباء.
يعد نقل الكهرباء بالجهد (الضغط) العالي هو أفضل طريقة لذلك (كلما زاد الجهد كلما قل الفقد), ولكن الجهد العالي لا يمكن استخدامه بالمنازل. ولذلك يتم رفع جهد الكهرباء ثم يتم نقل الكهرباء خلال خطوط الضغط العالي ثم يتم عمل خفض للجهد في محطات فرعية لإمداد المنازل بالطاقة الكهربائية المناسبة.
وقد كان أديسون محق في أن التيار المستمر هو أنسب طريقة لنقل الكهرباء عند أي جهد. حيث أن تردد التيار المتردد يتسرب للأرض أسهل من تسرب التيار المستمر. ولتجنب ذلك فإن خطوط التيار المتردد يجب أن تكون مرتفعة جدا من الأرض- وكلما ذاد الجهد, كلما احتاج السلك للارتفاع أكثر. في حالة 400 كيلو فولت, فإن البعد القياسي لخطوط نقل التيار المتردد تحتاج إلى أن تكون مرتفعة عن الأرض مسافة 30 متر, وسيكون الفقد في الطاقة مقداره الربع في حالة تيار مستمر بنفس الجهد وعلى نفس الارتفاع.
كما يتبين أن التيار المستمر يكون أكثر كفاءة للمسافة الطويلة, والجهد العالي بالنسية لنقل الكهرباء بسبب أنه أقل في فقد الطاقة في النقل, ولكن تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد للاستخدام المنزلي يكون نسبيا أعلى, ولهذا فإن استخدام التيار المستمر يكون معقول بالنسبة للتكلفة للمسافات الطويلة.
نقل الكهرباء بدون سلك wireless electricity. هي تقنية حديثة تقوم بها شركة تسيلا Tesla حيث يتم نقل الكهرباء بدون الحاجة إلى أسلاك حيث أن انتقال الكهرباء عبر الأسلاك يصدر عنه فقد حوالي من 20% غلى 30%. وفكرة المشروع هو وضع قمر صناعي يتلقى إشاعة الشمس ويحولها إلى طاقة, تلك الطاقة تتكون من موجات صغيرة microwaves. هذه الإشارات للموجات الصغيرة ترسل إلى مستقبل هوائي على الأرض ويقوم بتحويلها إلى طاقة كهربائية. وتمتاز تلك الطريقة من توليد ونقل الكهرباء بانها تقلل من التلوث البيئي الناجم من حرق المحروقات والبترول في محطات توليد الكهرباء. ثانيا لا تحتاج إلى بنية تحتية من أعمدة نقل الكهرباء والمحولات وخلافه, مما يقلل تكلفة استهلاك الكهرباء.
تخزين الكهرباء storing of electricity:
تخزن الكهرباء في البطاريات بحيث يمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية داخل البطارية.
استخدام الكهرباءelectricity usage :
- تحويل الكهرباء لمصدر أخر من مصادر الطاقة والشغل:
o الموتورات الكهربائية (تحويل الكهرباء إلى طاقة ميكانيكية)
o السخانات, الأفران (تحويل الكهرباء إلى طاقة كهربائية)
o اللمبات (تحويل الكهرباء إلى طاقة ضوئية)
o ميكروويف (تحويل الكهرباء إلى موجات متناهية الصغر)
التيار الكهربائيelectric current :
التيار الكهربائي هو انسياب الشحنة الكهربائية خلال موصل مثل السلك, ينقسم التيار الكهربائي إلى نوعين التيار المستمر (Direct Current DC) و التيار المتردد (Alternate Current AC). التيار المستمر والتيار المتردد يستخدموا في تطبيقات متعددة.
تيار متردد AC تيار مستمر DC
التيار المستمر Direct Current (DC):
هو التيار الكهربائي المتولد من البطاريات أو من الخلايا الضوئية أو من تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر.. الصفة الرئيسية للتيار المستمر هي أن التيار ينساب في اتجاه واحد وله وجهد ثابت ومستمر. تعمل العديد من الأجهزة بالتيار المستمر مثل الأجهزة النقالة, مصابيح الإضاءة اليدوية, الدوائر الالكترونية, وكهرباء المركبات. معظم تلك الدوائر تعمل بجهد منخفض. يسمى التيار المستمر بالتيار ذو الأقطاب الثابتة, قطب سالب وقطب موجب. ويكون اتجاه التيار بالدائرة الكهربائية المصطلح عليه من القطب الموجب للقطب السالب, ولكن التيار الفعلي لانسياب الإلكترونات (الشحنة) هو من القطب السالب إلى القطب الموجب.
التيار المتردد Alternating Current (AC):
الكهرباء المستخدمة في المنازل تعرف بالتيار المتردد. الجهد المستخدم في التيار المتردد جهد عالي. الانسياب للتيار المتردد يكون في شكل موجات الجيب (sine wave). الموجة تبدأ من الصفر ثم تصل إلى أقصى مستوى ثم تقل إلى الصفر مرة أخرى. يسمى التيار بالتيار المتردد لأن الشحنة الكهربائية تتحرك للأمام والخلف بالتعاقب. قد يكون شكل الموجه بشكل مربع أو مثلث. معدل التعاقب يتم بتردد يختلف من بلد إلى أخرى قد يكون 60 هرتز أو 50 هرتز (60 Hz or 50 Hz)). 1 هرتز تساوي دورة/ثانية (تردد 50 هرتز يعني ان التيار يغير اتجاهه 50 مرة في الثانية. معظم الاجهزة بالولايات المتحدة تستخدم تيار 110 فولت وتردد 60 هرتز, ومعظم الدول الأوربية تستخدم تيار 220 فولت وتردد 50 هرتز.
خواص التيار المتردد (الجهد, التردد, الفاز) AC current 1-3phase, voltage and frequency:
أوربا ومعظم البلاد الأخرى في العالم يستخدمون جهد ضعف ما هو مستخدم بأمريكا, ما بين 220-240 فولت, أما باليابان وأمريكا فإن الجهد ما بين 110-127 فولت.
النظام ثلاثي الفاز للتيار المتردد تم اختراعه في القرن التاسع عشر من قبل نيكولا تيسلا, الذي وجد أن التردد 60 هرتزHz هو أحسن تردد للتيار المتردد. وقد فضل التيار 240 فولت, وكان هذا مخالف لنظام تومس أديسون للتيار الثابت والذي يستخدم 110 فولت. وكان اختيار أديسون 110 فولت هو من ناحية الأمان والسلامة.
عند بناء أول محطة توليد كهرباء أوربية بواسطة شركة AGE قررت الشركة جعل التردد 50 هرتز, ليتماشى مع النظام المتري للوحدات. وحيث أن الشركة كانت الرائدة والمهيمنة في ذلك الوقت فقد تم الأخذ بنظام 50 هرتز بكافة بلدان أوربا.
وكانت كهرباء أوربا في البداية كما اليابان وأمريكا 110 فولت. ولكن الحاجة للحصول على قدرة أعلى بفقد أقل وهبوط في الجهد لنفس قطر السلك أدى إلى زيادة الجهد. وفي نفس الوقت في أمريكا كانت الحاجة ملحة لزيادة الجهد أيضا ولكن التكاليف المترتبة عن هذا التغيير لاستبدال جميع الأجهزة الكهربائية الموجودة كانت عالية, مما أدى إلى الاتجاه لعدم تغيير الجهد. في هذا الوقت الخمسينات والستينات من القرن الماضي كان الكثير من الأسر بأمريكا لديها ثلاجة وغسالة, ...... وهو ما لم يكن متوفر بأوروبا مما سهل اتخاذ قرار رفع الجهد بأوروبا.
والأن معظم المباني في أمريكا بها 240 فولت مقسمة إلى اثنين 120 فولت بين طرف الكهرباء وطرف الحياد. والأجهزة الكهربائية مثل كل أجهزة المجففات والأفران بها وصلة 240 فولت, وباقي الأجزاء تعمل على 120 فولت مثل الموترات الكهربائية.
المحولات الكهربائية:
هناك نوعين من المحولات, محولات تيار (من تيار مستمر إلى تيار متردد والعكس), محولات جهد (رفع وخفض الجهد).
المحولات transformers:
المحولات هي أجهزة لرفع وخفض الجهد الكهربائي, ولكنها أعلى سعرا من المغيرات adaptors. تستخدم المحولات مع الأجهزة الإليكترونية والأجهزة الكهربائية بها شريحة أو دائرة. مثل الراديو, المسجل, الحلافات, شاحن بطاريات كمرات الفيديو, الحاسبات الآلية, وطابعات الحاسب الألي, ماكينة الفاكس التليفزيون,... كما يمكن استخدام المحول مع الأجهزة الكهربائية ويمكن تشغيله بشكل مستمر لعدة أيام.
الحاسبات الآلية هي أجهزة اليكترونية يتم استخدامها مع المحول, إلا في حالة أنها مزدوجة الجهد. ولحسن الحظ, معظم شاحنات بطاريات الحاسبات المحمولة ومولف التيار المتردد هي مزدوجة الجهد, فيمكن استخدامها مع استخدام موافق مخرج التيار plug adapter.
المحول يمكن يباع بأحجام مختلفة تعتمد على مقدار القدرة wattage التي يمكنها تتعامل معها. ولهذا يجب أخذ الحيطة لمعرفة قدرة الأجهزة الموصلة بالمحول. يجب أن يكون معدل قدرة المحول أعلى من قدرة الأجهزة التي سوف تتصل به (يجب أن تكون أعلى بمقدار 25%) لتجنب ارتفاع درجة حرارة المولد. يجب أن يحسب الجهد المستخدم بالأجهزة بحساب قدرة الأجهزة التي سيتم توصيلها مع إضافة 25% إلى مجموع القدرة الكلية للأجهزة.
* المحولات والمغيرات تعمل على تحويل (خفض ورفع) الجهد الكهربائي, وليس التردد. عند استخدام تيار كهربائي ذو تردد 60 مع أجهزة تعمل بتردد 50 هرتز فإن ذلك يزيد من سرعة دوران الأجهزة. هذا التغيير في التردد سوف يؤثر على الساعات الكهربائية بحيث تعطي زمن غير سليم (استخدم تيار ذو تردد 50 هرتز مع ساعة تعمل بتردد 60 هرتز تأخر 10 دقائق كل ساعة). ولكن, معظم المعدات الإليكترونية مثل شاحن البطاريات, والحاسبات الآلية, والطابعات, ..... في الغالب لا تتأثر بتغير التردد. وتعدل نفسها لتتماشي مع الاختلاف في التردد. التيار بأمريكا 60 هرتز والتيار بأوروبا 50 هرتز.
المغيرات converters:
كلا من المغيرات والمحولات transformers هما لرفع أو خفض الجهد, ولكن هناك فرق في الاستخدام. المغير يجب استخدامه فقط مع الأجهزة الكهربائية. الأجهزة الكهربائية هي ببساطة أجهزة التدفئة, والتي بها موتور كهربائي مثل مجفف الشعر, المكواة, الحلاقة, المراوح. ومغيرات القدرة ليست مصممة للتشغيل المستمر ويجب استخدامها فقط لمدة زمنية قليلة (1-2 ساعة). بالإضافة إلى أن معظم المغيرات يمكن استخدامها فقط مع الأجهزة التي ليست بها وصلة أرضي بمخرج التيار. والمتغيرات يجب فصلها من المصدر الكهربائي عند عدم الحاجة لتشغيلها. ميزة المغيرات, تكمن في أنها خفيفة الوزن, ورخيصة السعر.
محولات نوع التيار AC to DC, DC to AC:
يمكن تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر والعكس. الجهاز الذي يقوم بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر يسمى معدل (محول) rectifier. والجهاز الذي يؤدي وظيفة معاكسة أي يقوم بتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد هو inverter. التيار المتردد المحول يمكن أن يكون بأي جهد volt وأي تردد frequency مع استخدام المحول transformers المناسب. هناك محول ليس به أجزاء متحركة solid-state inverter ويستخدم في العديد من التطبيقات. ويستخدم المحول inverter في اخراج تيار متردد من مصادر للتيار المستمر مثل الألواح الشمسية والبطاريات.
