ما هو الكهرباء وكيف يتم توليد الكهرباء واستخدامها
هناك بعض الاختراعات التي غيرت الحضارة البشرية. كان أول اختراع هو العجلة، والاختراع الثاني كان الكهرباء، والاختراع الثالث كان التواصل، والاختراع الرابع كان الحاسوب. سنناقش مقدمة أساسية عن الكهرباء. كل مادة في هذا الكون تتكون من العديد من الذرات وكل ذرة تحتوي على نفس عدد الإلكترونات السالبة والنواة الموجبة البروتونات.
لذلك، يمكننا القول أن كل مادة محايدة تحتوي على نفس عدد الإلكترونات والبروتونات فيها. البروتونات ثابتة ومثبتة بشكل قوي في نواة الذرات. الإلكترونات أيضًا مرتبطة بالذرات وتدور حول النواة في مستويات مختلفة. ولكن بعض الإلكترونات يمكنها التحرك بحرية أو الخروج من مداراتها بسبب التأثيرات الخارجية. هذه الإلكترونات الحرة والمربوطة بشكل فضفاض تسبب الكهرباء.
في حالة الحياد، يكون عدد الإلكترونات والبروتونات متساويًا في أي جزء من المادة. ولكن إذا أصبح عدد الإلكترونات في مادة أكثر من عدد البروتونات، فإن المادة تصبح مشحونة سلبًا لأن الشحنة الصافية لكل إلكترون سالبة. وإذا أصبح عدد الإلكترونات في مادة أقل من عدد البروتونات، فإن المادة تصبح مشحونة موجبة.
تركيز الإلكترونات الحرة دائمًا يحاول أن يكون موحدًا. هذه هي السبب الوحيد للكهرباء. دعونا نشرح ذلك بمزيد من التفصيل. إذا جاءت جسمان موصلان مشحونان بشكل مختلف في اتصال، فإن الإلكترونات من الجسم الذي يحتوي على تركيز أعلى من الإلكترونات ستنتقل إلى الجسم الذي يحتوي على تركيز أقل من الإلكترونات لتوازن تركيز الإلكترونات في كلا الجسمين. هذا التحرك للشحنة (كما أن الإلكترونات هي جسيمات مشحونة) هو الكهرباء.
مصطلحات متعلقة بالكهرباء
الشحنة الكهربائية: كما أخبرنا سابقًا، فإن عدد الإلكترونات وعدد البروتونات متساوي في جسم محايد. كمية الشحنة السالبة والإيجابية متساوية أيضًا في الجسم المحايد لأن الشحنة الكهربائية للإلكترون والبروتون متساوية عدديًا ولكن قطبيتها معاكسة. ولكن لأي سبب، إذا تم توزيع توازن عدد الإلكترونات والبروتونات في الجسم، يصبح الجسم مشحونًا كهربائيًا. إذا كان عدد الإلكترونات أكبر من عدد البروتونات، يصبح الجسم مشحونًا سالبًا ويعتمد مقدار الشحنة على عدد الإلكترونات الزائدة في الجسم. بنفس الطريقة، يمكن شرح الشحنة الموجبة للجسم. هنا، يصبح عدد الإلكترونات أقل من عدد البروتونات. تعتمد الإيجابية للجسم على الفرق بين البروتونات والإلكترونات في الجسم.
تيار كهربائي: عندما يتدفق الشحن من نقطة إلى أخرى لتحقيق توزيع شحنة موحد، فإن معدل تدفق الشحن يسمى تيار كهربائي. يعتمد هذا المعدل بشكل أساسي على الفرق بين حالة الشحن لنقطتين والحالة المسار الذي يتدفق فيه الشحن. وحدة تيار كهربائي هي الأمبير وهي ليست إلا كولوم في الثانية.
الجهد الكهربائي: مستوى حالة الشحن لجسم معين يعرف بـ الجهد الكهربائي. عندما يتم شحن الجسم فإنه يكتسب القدرة على القيام ببعض الأعمال. الجهد الكهربائي هو قياس قدرة الجسم المشحون على القيام بالأعمال. التيار الكهربائي الذي يمر عبر الموصل يتناسب طرديًا مع فرق الجهد الكهربائي بين طرفي الموصل. يمكن تصور الجهد الكهربائي كفرق مستوى الماء في خزانين مرتبطين بخط أنابيب. يعتمد سرعة تدفق الماء من الخزان ذو الرأس الأعلى إلى الخزان ذو الرأس الأدنى على فرق المستوى أو الرأس وليس على كمية الماء المخزنة في الخزانات. بنفس الطريقة، يعتمد التيار الكهربائي بين جسمين على فرق الجهد الكهربائي بين الجسمين وليس على كمية الشحن المخزنة في الجسمين.
المجال الكهربائي: هناك دائمًا قوة بين جسمين مشحونين متواجدين بالقرب من بعضهما. قد تكون القوة جاذبة أو مثبطة حسب طبيعة الشحن لجسمين. عندما يدخل جسم مشحون منطقة قريبة من جسم مشحون آخر، يتم تجربة القوة عمليًا. الفضاء المحيط بجسم مشحون حيث يمكن لجسم مشحون آخر أن يشعر بقوة يسمى المجال الكهربائي للجسم الأول.
هذه المصطلحات الأربعة المذكورة أعلاه هي العناصر الرئيسية لـ الكهرباء.
هناك ثلاث طرق أساسية نستخدمها عادةً لإنتاج الكهرباء.
العملية الكهروميكانيكية: عندما يتحرك موصل في المجال المغناطيسي ويقطع المجال خطوط التدفق، يتم إنتاج الكهرباء في الموصل. بناءً على هذا المبدأ، تعمل جميع المولدات الكهربائية مثل مولدات التيار المستمر، المولدات المتزامنة، وكافة أنواع الديناموات.
العملية الكهروكيميائية: في جميع أنواع البطاريات، يتم إنتاج الكهرباء بسبب التفاعلات الكيميائية. هنا، يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
إنتاج الكهرباء بتكنولوجيا الحالة الصلبة: هذه هي أحدث عملية لإنتاج الكهرباء. هنا، يتم إنتاج الإلكترونات الحرة والفجوات في الوصل PN وتتغير توزيع حاملات الشحن عبر الوصل PN عند تعرض الوصلة للضوء. هذه الإلكترونات الحرة والفجوات وتوزيعها غير المتوازن عبر الوصلة يتسبب في إنتاج الكهرباء في الدائرة الخارجية. بناءً على هذا المبدأ، تعمل خلايا الطاقة الشمسية الكهروضوئية.
