الأنواع الرئيسية للكهرباء
الكهرباء الساكنة
تُعتبر الكهرباء الساكنة، المعروفة أيضًا بالكهرباء السكونية (بالإنجليزية: Static Electricity)، من الأنواع المهمة التي تساهم في تفسير العديد من الظواهر اليومية التي يواجهها الإنسان. لفهم هذه الظواهر بشكل كامل، يتطلب الأمر معرفة فيزياء الكهرباء السكونية. من الأمثلة على هذه الظواهر: الشعور بصدمة كهربائية خفيفة عند لمس مقبض باب بعد السير على سجادة، أو عند مغادرة السيارة وإغلاقها، أو حتى عند نزع السترات الصوفية. ومن المثير للاهتمام أن البرق خلال العواصف الرعدية يعدّ نتيجة للكهرباء السكونية.
تظهر الكهرباء السكونية نتيجة لتراكم الشحنات الكهربائية على سطح ما بسبب احتكاك جسمين معًا، مما يؤدي إلى تغيير شحناتهما بعد أن كانا متعادلي الشحنة. على سبيل المثال، عند فرك بالون بسترة مصنوعة من الصوف، تنتقل الإلكترونات من الصوف إلى البالون، مما يجعل البالون يحمل شحنة سالبة نتيجة لاكتسابه إلكترونات إضافية، بينما يحمل الصوف شحنة موجبة بسبب فقدانه للإلكترونات.
تتجاوز ظواهر الكهرباء السكونية الحدود اليومية لتكون أساسًا للعديد من الظواهر الكونية الطبيعية. ومع ذلك، لا تحدث هذه الظواهر باستمرار ما لم تكن هناك قوى أخرى مؤثرة. فالكهرباء السكونية وما ينتج عنها من قوى جذب وتنافر تُساهم في الحفاظ على البناء الذري للمادة وتوازنها، مما يجعلها تدعم كتل الأجسام المادية. كما أنها تلعب دوراً أساسياً في استجابة الإنسان لحواسه، مثل التذوق واللمس والحركة، حيث أن جميعها تتم عبر ظواهر كهربائية تحدث داخل جسم الإنسان.
الكهرباء المتحركة
تظهر الكهرباء المتحركة كنتيجة لتدفق تيار كهربائي عبر جسم موصل، مما يؤدي إلى تسخينه وزيادة درجة حرارته. يُعرف التيار الكهربائي بأنه معدل تدفق الإلكترونات في الموصل، ويُقاس بوحدة الأمبير (بالإنجليزية: Ampere).
يمكن تشبيه التيار الكهربائي بالتدفق المائي عبر قنوات نهرية، حيث تماثل حركة الإلكترونات تدفق الماء بين نقطتين. ويُعتبر مجرى النهر مثلاً للموصل الكهربائي، غالبًا ما يكون مصنوعًا من النحاس، حيث يتمكن الإنسان من قياس سرعة الماء وطاقته، وكذلك حساب سرعة التيار الكهربائي وطاقته خلال فترة معينة.
توجد العديد من الطرق والمصادر التي يمكن من خلالها توليد الكهرباء، مثل التفاعلات الكيميائية، كما هو الحال في البطاريات. من الأساليب الشهيرة لتوليد الطاقة الكهربائية هو استخدام المولدات الكهربائية، التي تحول الطاقة المغناطيسية إلى طاقة كهربائية عند تحرك المغناطيس حول لفائف من الأسلاك النحاسية، وهو ما يحدث في محطات توليد الطاقة.
أنواع الكهرباء المتحركة
تقسم التيارات الكهربائية إلى نوعين رئيسيين كما يلي:
- التيار المستمر (بالإنجليزية: Direct Current)، ويُرمز له بالاختصار (DC)، وهو تيار يحتفظ بقيمة واتجاه ثابتين في الزمن، حيث تتحرك الإلكترونات في اتجاه واحد من القطب السالب للبطارية إلى القطب الموجب.
- التيار المتردد (بالإنجليزية: Alternating Current)، يُرمز له بالاختصار (AC)، وهو تيار تتغير قيمته واتجاهه بشكل دوري مع مرور الزمن، حيث يتغير من صفر إلى قيمة موجبة قصوى ثم يعود إلى الصفر، ثم إلى قيمة سالبة، ويحدث ذلك حوالي 50-60 مرة في الثانية.
الفروق بين الكهرباء السكونية والمتحركة
تختلف الكهرباء الساكنة عن الكهرباء المتحركة في عدة جوانب رئيسية، والتي تشمل:
- التوليد: تُولد الكهرباء السكونية نتيجة انتقال الإلكترونات من جسم إلى آخر عند مرورهما ببعض. أما الكهرباء المتحركة فتنتج عن تدفق الإلكترونات عبر جسم موصل.
- الجهد الكهربائي: عادةً ما يكون الجهد الكهربائي في الكهرباء السكونية مرتفعًا، حيث تتحرك الإلكترونات دفعة واحدة، بينما يكون الجهد في الكهرباء المتحركة منخفضًا نسبيًا لأنه يتضمن تدفق مستمر للإلكترونات.
- المدة الزمنية: تستمر فعالية الكهرباء السكونية لفترة زمنية قصيرة وتختفي عندما يتوقف تدفق الإلكترونات، في حين أن الكهرباء المتحركة تتمتع باستمرارية، حيث يكفي توصيل أي جهاز بمصدر الطاقة للاستفادة منها مباشرة.
تطبيقات متنوعة لمختلف أنواع الكهرباء
تطبيقات الكهرباء الساكنة
استطاع الإنسان استغلال الكهرباء السكونية في العديد من التطبيقات الهامة في حياتهم اليومية ومختلف المجالات. على سبيل المثال:
- تُستخدم الكهرباء السكونية في الطابعات والناسخات، بحيث تجذب الورق الشحنات الكهربائية من أسطوانات الحبر.
- تستخدم في عمليات تنظيف المدخنات وإزالة الأتربة لمكافحة تلوث الهواء.
- استخدمت في عمليات طلاء السيارات، حيث تجذب هياكل السيارات رذاذ الطلاء إليها لتجنب تساقطه على الأسطح الأخرى، وأيضًا في رش المبيدات الحشرية على المزروعات عبر توزيع متساوٍ للقطرات.
تطبيقات الكهرباء المتحركة
يستخدم التيار المباشر في العديد من المجالات، من بينها البطاريات القابلة للشحن وغير القابلة للشحن، فكلا النوعين يوفر تيارًا ثابتًا. بالإضافة إلى ذلك، تحتاج العديد من الأجهزة الكهربائية مثل أجهزة الكمبيوتر والراديو والهواتف المحمولة إلى تيار مباشر لتشغيل دوائرها الكهربائية ومكوناتها.
بينما تُعتمد غالبية الأجهزة الكهربائية على التيار المتردد، تحتوي على محولات كهربائية تقوم بتحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر بجهد مناسب للجهاز. تُعتبر الكهرباء ذات التيار المتردد مثالية للتوصيل إلى المنازل، إذ تتميز بسهولة نقلها عبر المسافات الطويلة، مما يقلل من الطاقة المهدرة أثناء النقل.
تستخدم محولات خاصة لتحويل التيار المتردد من جهد عالٍ إلى جهد منخفض، كما تُستخدم الكهرباء المترددة في تشغيل المولدات والمحركات الكهربائية. وهذه المحركات توفّر فوائد عديدة، خاصة في الأجهزة المنزلية مثل الثلاجات وغسالات الأطباق، إذ أنها تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية يمكن الاستفادة منها.
أنواع الكهرباء بناءً على مصدر إنتاجها
<pتتباين مصادر إنتاج الكهرباء، وفيما يلي أهم مصادر الطاقة الكهربائية في العالم:
الطاقة غير المتجددة
تشير إلى الطاقة المستمدة من مصادر غير متجددة مثل الوقود الأحفوري كالنّفط والغاز والفحم. تُشكل هذه المصادر ثروة للعديد من الدول بسبب وفرتها، لكنها تعتبر طاقة غير نظيفة لأنها تضر البيئة وصحة الإنسان، حيث تُساهم بشكل كبير في مشاكل التلوث البيئي وظاهرة الاحتباس الحراري، وأيضًا في بعض الكوارث الطبيعية مثل الزلازل الناتجة عن عمليات التنقيب.
الطاقة الكهرومائية
(بالإنجليزية: Hydroelectric Energy) تُنتج الكهرباء من تدفق المياه من ارتفاعات عالية مثل الشلالات. تتضمن محطات الطاقة الكهرومائية خزانات ضخمة لتخزين المياه، تحتوي على بوّابات للتحكم بتدفقها. يتم توليد الطاقة الكهربائية عند التحويل من الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية نتيجة لتدفق المياه، حيث تمر هذه المياه عبر شفرات التوربينات، مما يحولها في النهاية إلى طاقة كهربائية.
الطاقة الشمسية
هي إحدى أشكال الطاقة المتجددة، حيث يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية باستخدام الألواح الكهروضوئية، كما يمكن استخدامها مباشرة في أنظمة تسخين المباني والمياه.
الطاقة الرياح: تُنتَج الكهرباء استنادًا إلى حركة الرياح وتدفق الهواء في الغلاف الجوي، حيث تعمل توربينات هوائية معينة على تحويل هذه الحركة إلى طاقة كهربائية.
الطاقة الحيوية
تنتج الكهرباء من حرق الكتلة الحيوية للنباتات والحيوانات، مثل المحاصيل الزراعية والأخشاب، إذ يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية تدخل في توربينات بخارية لتوليد الطاقة الكهربائية. يُعتقد بعض الأشخاص خطأً أن الكتلة الحيوية هي شكل من أشكال الوقود النظيف، إلا أن الأبحاث أظهرت أنها تضر البيئة بسبب انبعاثات الكربون الناتجة عنها وتأثيرها السلبي على التنوع البيولوجي.
الطاقة الحرارية الأرضية
تستفيد هذه الطريقة من درجات الحرارة العالية لمياه الينابيع الساخنة عبر حفر آبار عميقة لاستخراج المياه. تُضخ المياه في توربينات بخارية خاصة لتوليد الكهرباء، لكن هذه الطريقة قد تزيد من مخاطر حدوث الزلازل في المناطق الحارة التي تحتوي على مياه جوفية ساخنة.
