الطاقة الكهربائية

قوة
قوة
الرموز الشائعة	℘ أو P
وحدة النظام الدولي للوحدات	واط (W)
في وحدات النظام الدولي للوحدات الأساسية	كجم ⋅ م 2 ⋅ ثانية −3
المشتقات من ; كميات أخرى	℘ = هـ / ت; ℘ = F · v; ℘ = U · I; ℘ = τ · ω;
البعد

القدرة الكهربائية هي معدل نقل الطاقة الكهربائية داخل الدائرة . ووحدتها في النظام الدولي للوحدات هي الواط ، وهي الوحدة العامة للقدرة ، والتي تُعرف بأنها جول واحد في الثانية . وتُطبق البادئات القياسية على الواط كما هو الحال مع وحدات النظام الدولي للوحدات الأخرى: فالآلاف والملايين والمليارات من الواط تسمى كيلووات وميجاوات وجيجاوات على التوالي.

في اللغة الشائعة، الطاقة الكهربائية هي إنتاج وتوصيل الطاقة الكهربائية، وهي من المرافق العامة الأساسية في معظم أنحاء العالم. عادة ما يتم إنتاج الطاقة الكهربائية بواسطة المولدات الكهربائية ، ولكن يمكن أيضًا توفيرها من مصادر مثل البطاريات الكهربائية . وعادة ما يتم توفيرها للشركات والمنازل ( ككهرباء منزلية ) من خلال صناعة الطاقة الكهربائية من خلال شبكة كهربائية .

يمكن نقل الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة عن طريق خطوط النقل واستخدامها في تطبيقات مثل الحركة أو الضوء أو الحرارة بكفاءة عالية . ^[1]

تعريف

القدرة الكهربائية، مثل القدرة الميكانيكية ، هي معدل إنجاز العمل ، ويقاس بالواط ، ويمثله الحرف P. يستخدم مصطلح القدرة الكهربائية بشكل عام ليعني "القدرة الكهربائية بالواط". القدرة الكهربائية بالواط التي ينتجها تيار كهربائي I يتكون من شحنة مقدارها Q كولومب كل t ثانية تمر عبر فرق جهد كهربائي ( جهد ) مقداره V هي: حيث: ${\text{Work done per unit time}}=\wp ={\frac {W}{t}}={\frac {W}{Q}}{\frac {Q}{t}}=VI$

W هو الشغل بالجول
t هو الوقت بالثواني
Q هي الشحنة الكهربائية بالكولوم
V هو الجهد الكهربائي أو الجهد بالفولت
I هو التيار الكهربائي بالأمبير

أي،

واط = فولت مضروبة في أمبير.

توضيح

تتحول الطاقة الكهربائية إلى أشكال أخرى من الطاقة عندما تتحرك الشحنات الكهربائية عبر فرق الجهد الكهربائي ( الجهد )، والذي يحدث في المكونات الكهربائية في الدوائر الكهربائية. من وجهة نظر الطاقة الكهربائية، يمكن تقسيم المكونات في الدائرة الكهربائية إلى فئتين:

نشيطالأجهزة (مصادر الطاقة)

إذا تم إجبار التيار الكهربائي على التدفق عبر الجهاز في الاتجاه من الجهد الكهربائي المنخفض إلى الأعلى، بحيث تتحرك الشحنات الموجبة من الطرف السالب إلى الطرف الموجب، فسيتم بذل عمل على الشحنات، ويتم تحويل الطاقة إلى طاقة كهربائية كامنة من نوع آخر من الطاقة، مثل الطاقة الميكانيكية أو الطاقة الكيميائية . تسمى الأجهزة التي يحدث فيها ذلك بالأجهزة النشطة أو مصادر الطاقة ؛ مثل المولدات الكهربائية والبطاريات. يمكن أن تكون بعض الأجهزة إما مصدرًا أو حملًا، اعتمادًا على الجهد والتيار من خلالها. على سبيل المثال، تعمل البطارية القابلة لإعادة الشحن كمصدر عندما توفر الطاقة لدائرة، ولكن كحمل عندما تكون متصلة بشاحن بطارية ويتم إعادة شحنها.

الأجهزة السلبية (الأحمال)

إذا تدفق التيار التقليدي عبر الجهاز في اتجاه من جهد أعلى (جهد) إلى جهد أقل، بحيث تتحرك الشحنة الموجبة من الطرف الموجب (+) إلى الطرف السالب (-)، فإن الشحنات تقوم بعمل على الجهاز. يتم تحويل الطاقة الكامنة للشحنات بسبب الجهد بين الطرفين إلى طاقة حركية في الجهاز. تسمى هذه الأجهزة مكونات أو أحمال سلبية ؛ فهي "تستهلك" الطاقة الكهربائية من الدائرة، وتحولها إلى أشكال أخرى من الطاقة مثل العمل الميكانيكي والحرارة والضوء وما إلى ذلك. ومن الأمثلة على ذلك الأجهزة الكهربائية ، مثل المصابيح الكهربائية والمحركات الكهربائية والسخانات الكهربائية . في دوائر التيار المتردد (AC)، ينعكس اتجاه الجهد بشكل دوري، ولكن التيار يتدفق دائمًا من جانب الجهد الأعلى إلى جانب الجهد المنخفض.

اتفاقية الإشارة السلبية

نظرًا لأن الطاقة الكهربائية يمكن أن تتدفق إما إلى داخل أو خارج أحد المكونات، فإن هناك حاجة إلى اتفاقية لتحديد الاتجاه الذي يمثل تدفق الطاقة الإيجابي. يتم تعريف الطاقة الكهربائية المتدفقة من الدائرة إلى أحد المكونات بشكل تعسفي على أنها تحمل إشارة موجبة، في حين يتم تعريف الطاقة المتدفقة إلى الدائرة من أحد المكونات على أنها تحمل إشارة سالبة. وبالتالي فإن المكونات السلبية لها استهلاك طاقة إيجابي، في حين أن مصادر الطاقة لها استهلاك طاقة سلبي. وهذا ما يسمى باتفاقية الإشارة السلبية .

الدوائر المقاومة

في حالة الأحمال المقاومة (الأومية أو الخطية)، يمكن دمج صيغة القدرة ( P = I·V ) وقانون جول الأول ( P = I^2·R ) مع قانون أوم ( V = I·R ) لإنتاج تعبيرات بديلة لكمية القدرة المبددة: حيث R هي المقاومة الكهربائية . $\wp =IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}$

التيار المتناوب بدون توافقيات

في دوائر التيار المتناوب ، قد تؤدي عناصر تخزين الطاقة مثل المحاثة والسعة إلى عكس اتجاه تدفق الطاقة بشكل دوري. يُعرف الجزء من تدفق الطاقة (الطاقة) الذي ينتج عنه، عند حساب متوسطه على مدار دورة كاملة من شكل موجة التيار المتناوب، نقلًا صافيًا للطاقة في اتجاه واحد باسم الطاقة الحقيقية (يشار إليها أيضًا باسم الطاقة النشطة). ^[2] تُعرف سعة ذلك الجزء من تدفق الطاقة (الطاقة) الذي لا ينتج عنه نقل صافٍ للطاقة ولكنه يتذبذب بدلاً من ذلك بين المصدر والحمل في كل دورة بسبب الطاقة المخزنة، باسم القيمة المطلقة للقدرة التفاعلية . ^[2]^[3]^[4] يُعرف حاصل ضرب قيمة التربيعي المتوسط لموجة الجهد وقيمة التربيعي المتوسط لموجة التيار باسم الطاقة الظاهرية . تُعطى الطاقة الحقيقية P بالواط التي يستهلكها الجهاز بواسطة حيث $\wp ={1 \over 2}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta$

V _p هو ذروة الجهد بالفولت
I _p هو ذروة التيار بالأمبير
V _rms هو الجذر التربيعي المتوسط للجهد بالفولت
I _rms هو الجذر التربيعي المتوسط للتيار بوحدة الأمبير
θ = θ _v − θ _i هي زاوية الطور التي تسبق بها موجة جيب الجهد موجة جيب التيار، أو على نحو مكافئ زاوية الطور التي تتأخر بها موجة جيب التيار عن موجة جيب الجهد

يمكن التعبير عن العلاقة بين القدرة الحقيقية والقدرة التفاعلية والقدرة الظاهرية من خلال تمثيل الكميات كمتجهات. يتم تمثيل القدرة الحقيقية كمتجه أفقي ويتم تمثيل القدرة التفاعلية كمتجه رأسي. متجه القدرة الظاهري هو وتر مثلث قائم الزاوية يتكون من ربط متجهي القدرة الحقيقية والقوة التفاعلية. غالبًا ما يُطلق على هذا التمثيل مثلث القدرة . باستخدام نظرية فيثاغورس ، تكون العلاقة بين القدرة الحقيقية والقوة التفاعلية والقوة الظاهرية هي: ${\text{(apparent power)}}^{2}={\text{(real power)}}^{2}+{\text{(reactive power)}}^{2}$

يمكن أيضًا حساب القدرات الحقيقية والتفاعلية مباشرةً من القدرة الظاهرية، عندما يكون التيار والجهد عبارة عن جيبين بزاوية طور معروفة θ بينهما: ${\text{(real power)}}={\text{(apparent power)}}\cos \theta$ ${\text{(reactive power)}}={\text{(apparent power)}}\sin \theta$

تسمى نسبة القدرة الحقيقية إلى القدرة الظاهرية بعامل القدرة وهو رقم يقع دائمًا بين -1 و1. عندما تكون التيارات والجهد الكهربي على شكل أشكال غير جيبية، يتم تعميم عامل القدرة ليشمل تأثيرات التشويه.

المجالات الكهرومغناطيسية

تتدفق الطاقة الكهربائية حيثما توجد مجالات كهربائية ومغناطيسية معًا وتتقلب في نفس المكان. وأبسط مثال على ذلك هو في الدوائر الكهربائية، كما أظهر القسم السابق. ومع ذلك، في الحالة العامة، يمكن استبدال المعادلة البسيطة P = IV بحساب أكثر تعقيدًا. يعطي التكامل السطحي المغلق للحاصل المتقاطع لشدة المجال الكهربائي وناقلات شدة المجال المغناطيسي القدرة اللحظية الكلية (بالواط) من الحجم: ^[5] $\wp =\oint _{\text{area}}(\mathbf {E} \times \mathbf {H} )\cdot d\mathbf {A} .$

النتيجة هي عددية لأنها التكامل السطحي لمتجه بوينتينج .

إنتاج

جيل

إنتاج الكهرباء في العالم لعام 2021 حسب المصدر. بلغ إجمالي الإنتاج 28 بيتا وات في الساعة . ^[6]

الفحم (36%)

الغاز الطبيعي (23%)

الطاقة المائية (15%)

النووية (10%)

الرياح (7%)

الطاقة الشمسية (4%)

أخرى (5%)

تم اكتشاف المبادئ الأساسية لتوليد الكثير من الكهرباء خلال عشرينيات وأوائل ثلاثينيات القرن التاسع عشر بواسطة العالم البريطاني مايكل فاراداي . ولا تزال طريقته الأساسية مستخدمة حتى اليوم: يتم توليد التيار الكهربائي عن طريق تحريك حلقة من الأسلاك أو قرص من النحاس بين أقطاب المغناطيس .

بالنسبة لمرافق الكهرباء ، فهي العملية الأولى في توصيل الكهرباء إلى المستهلكين. أما العمليات الأخرى، مثل نقل الكهرباء وتوزيعها وتخزين الطاقة الكهربائية واستعادتها باستخدام طرق التخزين بالضخ ، فتتم عادةً بواسطة صناعة الطاقة الكهربائية .

يتم توليد الكهرباء في الغالب في محطة الطاقة بواسطة مولدات كهروميكانيكية ، تعمل بمحركات حرارية يتم تسخينها عن طريق الاحتراق أو الطاقة الحرارية الأرضية أو الانشطار النووي . يتم تشغيل مولدات أخرى بالطاقة الحركية للمياه المتدفقة والرياح. هناك العديد من التقنيات الأخرى المستخدمة لتوليد الكهرباء مثل الألواح الشمسية الكهروضوئية .

البطارية هي جهاز يتكون من خلية أو أكثر من الخلايا الكهروكيميائية التي تحول الطاقة الكيميائية المخزنة إلى طاقة كهربائية. ^[7] منذ اختراع أول بطارية (أو " البطارية الفولتية ") في عام 1800 بواسطة أليساندرو فولتا وخاصة منذ خلية دانييل المحسنة تقنيًا في عام 1836، أصبحت البطاريات مصدر طاقة شائع للعديد من التطبيقات المنزلية والصناعية. وفقًا لتقديرات عام 2005، تولد صناعة البطاريات العالمية 48 مليار دولار أمريكي من المبيعات كل عام، ^[8] مع نمو سنوي بنسبة 6٪. هناك نوعان من البطاريات: البطاريات الأساسية (البطاريات التي تستخدم لمرة واحدة)، والتي تم تصميمها للاستخدام مرة واحدة والتخلص منها، والبطاريات الثانوية (البطاريات القابلة لإعادة الشحن)، والتي تم تصميمها لإعادة شحنها واستخدامها عدة مرات. تتوفر البطاريات بأحجام عديدة؛ من خلايا الأزرار المصغرة المستخدمة لتشغيل أجهزة السمع والساعات اليدوية إلى بنوك البطاريات بحجم الغرف التي توفر طاقة احتياطية لمبادلات الهاتف ومراكز بيانات الكمبيوتر .

صناعة الطاقة الكهربائية

توفر صناعة الطاقة الكهربائية إنتاج وتوصيل الطاقة، بكميات كافية إلى المناطق التي تحتاج إلى الكهرباء ، من خلال اتصال بالشبكة . توزع الشبكة الطاقة الكهربائية على العملاء. يتم توليد الطاقة الكهربائية من محطات الطاقة المركزية أو من خلال التوليد الموزع . كانت صناعة الطاقة الكهربائية تتجه تدريجيًا نحو إلغاء القيود التنظيمية - مع قيام اللاعبين الناشئين بتقديم المنافسة للمستهلكين لشركات المرافق العامة التقليدية. ^[9]

الاستخدامات

تُستخدم الطاقة الكهربائية، التي يتم إنتاجها من محطات توليد مركزية وتوزيعها عبر شبكة نقل كهربائية، على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية والتجارية والاستهلاكية. يرتبط استهلاك الطاقة الكهربائية للفرد في أي دولة بتطورها الصناعي. ^[10] تعمل المحركات الكهربائية على تشغيل آلات التصنيع ودفع مترو الأنفاق وقطارات السكك الحديدية. الإضاءة الكهربائية هي الشكل الأكثر أهمية للضوء الاصطناعي. تُستخدم الطاقة الكهربائية بشكل مباشر في عمليات مثل استخراج الألومنيوم من خاماته وفي إنتاج الفولاذ في أفران القوس الكهربائي . الطاقة الكهربائية الموثوقة ضرورية للاتصالات والبث. تُستخدم الطاقة الكهربائية لتوفير تكييف الهواء في المناخات الحارة، وفي بعض الأماكن، تعد الطاقة الكهربائية مصدر طاقة تنافسي اقتصاديًا لتدفئة المباني. يتراوح استخدام الطاقة الكهربائية لضخ المياه من الآبار المنزلية الفردية إلى مشاريع الري وتخزين الطاقة.

انظر أيضا

مراجع

^ سميث، كلير (2001). الفيزياء البيئية . لندن: روتليدج . ISBN 0-415-20191-8.
^ ab Thomas, Roland E.; Rosa, Albert J.; Toussaint, Gregory J. (2016). The Analysis and Design of Linear Circuits (8 ed.). Wiley. ص 812-813. ISBN 978-1-119-23538-5.
^ فريلي مورا ، يسوع (2012). الدوائر الكهربائية (بالإسبانية). بيرسون. ص 193-196. رقم ISBN 978-8-48-322795-4.
^ تعريفات معيارية لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات لقياس كميات الطاقة الكهربائية في ظل ظروف جيبية أو غير جيبية أو متوازنة أو غير متوازنة . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. 2010. ص. 4. doi :10.1109/IEEESTD.2010.5439063. ISBN 978-0-7381-6058-0.
^ Hayt, William H.; Buck, John A. (2012). Engineering Electromagnetics (8 ed.). McGraw-Hill. ص. 385. ISBN 978-0-07-338066-7.
^ "بيانات الكهرباء السنوية". ember-climate.org . 6 ديسمبر 2023 . تم الاسترجاع في 23 ديسمبر 2023 .
^ "battery" (تعريف 4ب)، قاموس ميريام وبستر الإلكتروني (2009). تم الاسترجاع في 25 مايو 2009.
^ تحول الطاقة: DFJ تبحث عن المزيد من الاستثمارات في مصادر الطاقة أرشيف 2005-12-01 على موقع Wayback Machine . Draper Fisher Jurvetson . تم الاسترجاع في 20 نوفمبر 2005.
^ فرصة شراء الطاقة الجماعية أرشيف 2017-05-25 على موقع واي باك مشين EnPowered ، 18 أبريل 2016،
^ Ignacio J. Pérez-Arriaga (ed)، تنظيم قطاع الطاقة ، Springer Science & Business Media، 2014 ISBN 1447150341 ، ص. 8.

فهرس

تقارير عن انقطاع التيار الكهربائي في أغسطس 2003، موقع مجلس موثوقية الكهرباء في أمريكا الشمالية
كروفت، تيريل؛ سامرز، ويلفورد آي. (1987). دليل الكهربائيين الأمريكيين (الطبعة الحادية عشرة). نيويورك: ماكجرو هيل . رقم ISBN 0-07-013932-6.
فينك، دونالد جيه ؛ بيتي، إتش واين (1978). دليل معياري للمهندسين الكهربائيين (الطبعة الحادية عشرة). نيويورك: ماكجرو هيل. رقم ISBN 0-07-020974-X.