الطاقة الكهربائية

من وجهة نظر الطاقة الكهربائية، يمكن تقسيم مكونات الدائرة الكهربائية إلى فئتين: ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• الأجهزة الفعالة (مصادر الطاقة) : إذا أُجبر تيار كهربائي تقليدي (شحنة موجبة) على التدفق عبر الجهاز في اتجاه الجهد الكهربائي من الأدنى إلى الأعلى، في مواجهة قوة المجال الكهربائي ( E ) بين طرفيه (وهذا يُعادل انتقال الإلكترونات سالبة الشحنة من الطرف الموجب إلى الطرف السالب)، فسيُبذل شغل على الشحنات. وبذلك، تتحول الطاقةمن نوع آخر، كالطاقة الميكانيكية أو الكيميائية، إلى طاقة وضع كهربائية . تُسمى الأجهزة التي يحدث فيها هذا بالأجهزة الفعالة أو مصادر الطاقة ، مثل المولدات الكهربائية والبطاريات .
• الأجهزة السلبية (الأحمال) : إذا مر التيار الكهربائي التقليدي عبر الجهاز في اتجاه الجهد الأعلى إلى الجهد الأدنى (أي حركة الإلكترونات السالبة من القطب السالب إلى القطب الموجب)، وفي نفس اتجاه قوة المجال الكهربائي ، فإن الشحنات الموجودة على الجهاز تبذل شغلاً. تتحول طاقة الوضع للشحنات الناتجة عن فرق الجهد بين القطبين إلى طاقة حركية داخل الجهاز. تُسمى هذه الأجهزة بالمكونات السلبية أو الأحمال ؛ فهي "تستهلك" الطاقة الكهربائية من الدائرة، وتحولها إلى أشكال أخرى من الطاقة مثل الشغل الميكانيكي والحرارة والضوء، وما إلى ذلك. ومن أمثلتها الأجهزة الكهربائية ، مثل المصابيح الكهربائية والمحركات الكهربائية والسخانات الكهربائية .

يمكن لبعض الأجهزة أن تكون مصدراً أو حملاً، وذلك بحسب الجهد والتيار المارّين فيها. فعلى سبيل المثال، تعمل البطارية القابلة لإعادة الشحن كمصدر للطاقة عندما تزود الدائرة الكهربائية بالطاقة، ولكنها تعمل كحمل عندما تكون موصولة بشاحن البطاريات ويتم إعادة شحنها.

في دوائر التيار المتردد (AC)، ينعكس اتجاه الجهد والتيار بشكل دوري، لكن تعريف المصادر والأحمال هو نفسه؛ في المصدر في أي لحظة يتدفق التيار من الجهد المنخفض إلى الجهد العالي، بينما في الحمل يتدفق التيار اللحظي من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض.

بما أن الطاقة الكهربائية يمكن أن تتدفق إلى داخل أو خارج أي مكون، فمن الضروري وجود اصطلاح لتحديد اتجاه تدفق الطاقة الموجب. ^{[ 2 ] [ 3 ]} تُعرَّف الطاقة الكهربائية المتدفقة من الدائرة إلى أحد المكونات بأنها موجبة، بينما تُعرَّف الطاقة المتدفقة إلى الدائرة من أحد المكونات بأنها سالبة. وبالتالي، فإن المكونات السلبية تستهلك طاقة موجبة، بينما تستهلك مصادر الطاقة طاقة سالبة. يُعرف هذا باصطلاح الإشارة السلبية .

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 لمقدار الطاقة المبددة: $${\displaystyle \wp =IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}}$$ حيث R هي المقاومة الكهربائية .

في دوائر التيار المتردد ، تنعكس قطبية الجهد واتجاه تدفق التيار مرتين في كل دورة. أما في الدوائر المقاومة، التي لا تحتوي على مفاعلة ، حيث ينعكس التيار في اللحظة نفسها التي ينعكس فيها الجهد، فإن الدائرة تتصرف كما لو كانت دائرة تيار مستمر كما هو موضح أعلاه، حيث تتدفق الطاقة من المصادر وتستهلكها الأحمال.

مع ذلك ، في الدوائر الكهربائية التي تحتوي على عناصر تخزين طاقة مثل المحاثات والمكثفات ، بالإضافة إلى الطاقة التي تستهلكها المقاومات، يُخزَّن جزء من الطاقة المتدفقة إلى المكونات السلبية مؤقتًا ويعود إلى الدائرة في كل دورة. قد يؤدي هذا إلى انعكاسات دورية في اتجاه تدفق الطاقة. يُعرف جزء تدفق الطاقة (القدرة) الذي، عند حساب متوسطه على مدار دورة كاملة لموجة التيار المتردد، ينتج عنه نقل صافٍ للطاقة في اتجاه واحد، بالقدرة الحقيقية (وتُسمى أيضًا القدرة الفعالة). ^{[ 4 ]} أما سعة جزء تدفق الطاقة (القدرة) الذي لا ينتج عنه نقل صافٍ للطاقة، بل يتذبذب بين المصدر والحمل في كل دورة بسبب الطاقة المخزنة، فتُعرف بالقيمة المطلقة للقدرة التفاعلية . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} يُعرف حاصل ضرب القيمة الفعالة لموجة الجهد والقيمة الفعالة لموجة التيار بالقدرة الظاهرية . تُعطى القدرة الحقيقية P بالواط التي يستهلكها جهاز ما بالعلاقة التالية: $${\displaystyle \wp ={1 \over 2}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta }$$ أين

• V _p هو جهد الذروة بالفولت
• I _p هو التيار الأقصى بالأمبير
• V _rms هو متوسط ​​الجذر التربيعي للجهد بالفولت
• I _rms هو متوسط ​​الجذر التربيعي للتيار بالأمبير
• θ = θ _v − θ _i هي زاوية الطور التي تتقدم بها موجة الجهد الجيبية على موجة التيار الجيبية، أو بعبارة أخرى، زاوية الطور التي تتأخر بها موجة التيار الجيبية عن موجة الجهد الجيبية

يمكن التعبير عن العلاقة بين القدرة الحقيقية والقدرة التفاعلية والقدرة الظاهرية بتمثيل هذه الكميات كمتجهات. تُمثل القدرة الحقيقية بمتجه أفقي، بينما تُمثل القدرة التفاعلية بمتجه رأسي. أما متجه القدرة الظاهرية فهو وتر مثلث قائم الزاوية يتكون من توصيل متجهي القدرة الحقيقية والتفاعلية. يُطلق على هذا التمثيل غالبًا اسم مثلث القدرة . وباستخدام نظرية فيثاغورس ، تكون العلاقة بين القدرة الحقيقية والتفاعلية والظاهرية كما يلي: $${\displaystyle {\text{(القدرة الظاهرية)}}^{2}={\text{(القدرة الحقيقية)}}^{2}+{\text{(القدرة التفاعلية)}}^{2}}$$

يمكن أيضًا حساب القدرات الحقيقية والتفاعلية مباشرة من القدرة الظاهرية، عندما يكون كل من التيار والجهد موجتين جيبيتين بزاوية طور معروفة θ بينهما: $${\displaystyle {\text{(القوة الحقيقية)}}={\text{(القوة الظاهرية)}}\cos \theta }$$$${\displaystyle {\text{(القدرة التفاعلية)}}={\text{(القدرة الظاهرية)}}\sin \theta }$$

نسبة القدرة الحقيقية إلى القدرة الظاهرية تسمى عامل القدرة وهي رقم دائمًا بين -1 و 1. عندما يكون للتيارات والفولتيات أشكال غير جيبية، يتم تعميم عامل القدرة ليشمل تأثيرات التشوه.

تتدفق الطاقة الكهربائية حيثما تتواجد المجالات الكهربائية والمغناطيسية معًا وتتذبذب في نفس المكان. أبسط مثال على ذلك هو الدوائر الكهربائية، كما أوضحنا في القسم السابق. في الحالة العامة، يمكن استبدال المعادلة البسيطة P = IV بحساب أكثر تعقيدًا. يعطي التكامل السطحي المغلق للجداء الاتجاهي لمتجهي شدة المجال الكهربائي وشدة المجال المغناطيسي القدرة اللحظية الكلية (بالواط) الخارجة من الحجم: ^{[ 7 ]}$${\displaystyle \wp =\oint _{\text{area}}(\mathbf {E} \times \mathbf {H} )\cdot d\mathbf {A} .}$$

والنتيجة هي كمية قياسية لأنها التكامل السطحي لمتجه بوينتينغ .

اكتشف العالم البريطاني مايكل فاراداي المبادئ الأساسية لتوليد الكهرباء خلال عشرينيات وثلاثينيات القرن التاسع عشر . ولا تزال طريقته الأساسية مستخدمة حتى اليوم: حيث يتم توليد التيار الكهربائي عن طريق حركة حلقة من السلك، أو قرص من النحاس بين قطبي مغناطيس .

بالنسبة لشركات الكهرباء ، تُعدّ هذه العملية الأولى في توصيل الكهرباء إلى المستهلكين. أما العمليات الأخرى، كعمليات نقل وتوزيع وتخزين واستعادة الطاقة الكهربائية باستخدام تقنيات التخزين بالضخ، فتُنفذ عادةً من قِبل قطاع الطاقة الكهربائية .

تُنتج الكهرباء في الغالب في محطات توليد الطاقة بواسطة مولدات كهروميكانيكية ، تعمل بمحركات حرارية تُسخّن بالاحتراق أو الطاقة الحرارية الأرضية أو الانشطار النووي . وتُشغّل مولدات أخرى بالطاقة الحركية للمياه المتدفقة والرياح. وهناك العديد من التقنيات الأخرى المستخدمة لتوليد الكهرباء، مثل الألواح الشمسية الكهروضوئية .

البطارية جهاز يتكون من خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر ، تحوّل الطاقة الكيميائية المخزنة إلى طاقة كهربائية. ^{[ 9 ]} منذ اختراع أول بطارية (أو " العمود الفولتائي ") عام 1800 على يد أليساندرو فولتا ، وخاصةً منذ تطوير خلية دانييل عام 1836، أصبحت البطاريات مصدر طاقة شائعًا للعديد من التطبيقات المنزلية والصناعية. ووفقًا لتقديرات عام 2005، تُدرّ صناعة البطاريات العالمية مبيعات بقيمة 48 مليار دولار أمريكي سنويًا، ^{[ 10 ]} بمعدل نمو سنوي قدره 6%. يوجد نوعان من البطاريات: البطاريات الأولية (البطاريات التي تُستخدم لمرة واحدة)، المصممة للاستخدام مرة واحدة ثم التخلص منها، والبطاريات الثانوية (البطاريات القابلة لإعادة الشحن)، المصممة لإعادة الشحن والاستخدام عدة مرات. تتوفر البطاريات بأحجام متنوعة؛ من خلايا الأزرار الصغيرة المستخدمة لتشغيل أجهزة السمع وساعات اليد، إلى بنوك البطاريات بحجم الغرف التي توفر طاقة احتياطية لمقاسم الهاتف ومراكز بيانات الحاسوب .

تُوفر صناعة الطاقة الكهربائية إنتاج وتوزيع الطاقة بكميات كافية للمناطق التي تحتاجها ، عبر شبكة كهربائية . وتقوم هذه الشبكة بتوزيع الطاقة الكهربائية على المستهلكين. ويتم توليد الطاقة الكهربائية إما من محطات توليد مركزية أو من خلال التوليد الموزع . وقد شهدت صناعة الطاقة الكهربائية اتجاهاً تدريجياً نحو تحرير السوق، حيث تُقدم الشركات الناشئة منافسة للمستهلكين لشركات المرافق العامة التقليدية. ^{[ 11 ]}