الكهرباء

كهرباء

Electricity - Electricité

الكهرباء

الكهرباء électricité خاصة ترتبط بالعديد من الجسيمات (إلكترونات، بروتونات…) المكوِّنة للذرة، وتمثل شكلاً من أشكال الطاقة يمكن أن تظهر على المقياس العياني، إما في حالة التوازن كما هي الحال في الظواهر الكهربائية السـاكنة، أو في حالة الحركة كما هي الحال في الظواهر الكهرحركية.

تحتل الكهرباء أهمية متزايدة في الحياة المعاصرة. وإن الثورة الصناعية التي ولدت في إنكلترا في القرن الثامن عشر لم تصبح ممكنة لولا استخدامها مصادر جديدة للطاقة. انتشرت حينها الآلة البخارية انتشاراً واسعاً في إنكلترا، ثم حلت العنفات المائية «الهيدروليكية» مكانها، غير أن هذه المعدات كانت ثابتة ولا يمكن على الأغلب تغيير أماكنها، مما جعل استخدامها أمراً صعباً نسبياً. ثم جاءت الثورة الصناعية الثانية، التي ميزت العقدين الأخيرين من القرن الماضي، لكي تحرر الآلات المولدة للطاقة من العقبات السابقة. ولقد ساعد محرك الاحتراق الداخلي واستخدامه لتوليد الكهرباء على توفير مصدر للطاقة يسهل نقله من مكان لآخر.

خواص الطاقة الكهربائية

تبدي الطاقة الكهربائية عقبات أساسية، إذ يعدّ تخزينها بشكل مباشر أمراً مستحيلاً. أما تخزينها بشكل غير مباشر فيحدث وفق شكلين: تُحوَّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية كامنة (وهذا ما يحدث في الخزانات المغذاة بالضخ في ساعات الاستهلاك المنخفضة، والذي يسمح بإعادة توليد التيار في ساعات الاستخدام القصوى)، أو إلى طاقة كيميائية باستخدام المدخرات (غير أن المدَّخرات ثقيلة الوزن وحساسة، كما أن استخدامها ليس ذا مردود جيد إلا لتخزين كميات قليلة من الطاقة).

يبدي نقل الطاقة الكهربائية صعوبات منها: ازدياد الضياع في الأسلاك متناسباً مع مربع الشدة، ولا يصبح النقل الكهربائي لمسافات طويلة مجدياً إلا إذا أمكن إجراؤه تحت توتر عالٍ جداً مما يطرح بالتالي مشكلات تقنية متعددة. تستخدم التوترات العالية في شبكات النقل في أغلب الدول الأوربية. أما من أجل النقل لمسافات أبعد فإنه يجب استخدام تيار مقوَّم وفولطية أعلى. وأصبح من المعروف اليوم كيفية إنشاء خطوط ذات توترات 750 كيلو فولط. غير أن استخدام هذه الخطوط غير مجدٍ، إلا إذا استخدمت استخداماً دائماً في نقل قدر كبير من الطاقة.

إن الصعوبات الناجمة عن استخدام التوترات العالية جداً تفرض عادة بناء محوِّلات بين الخط والمستهلك. تتكون الشبكات الكهربائية عادة من خطوط تمتد لمسافات بعيدة بين محوِّلات مراكز الإنتاج ومحوِّلات مناطق الاستهلاك، وانطلاقاً من هذه المراكز تخرج خطوط ذات توتر أخفض 220 فولط للاستخدامات المنزلية و380 فولط للاستخدامات الأخرى، وعدة آلاف من الفولطات للمعامل الصناعية الكبرى.

تمثّل الطاقة الكهربائية إحدى أشكال الطاقة العليا التي يمكن تحويلها إلى طاقة ميكانيكية من دون ضياع يذكر، إذ يفوق مردود تحويلها الـ 90٪. كما يمكن للطاقة الميكانيكية أن تتحول إلى طاقة كهربائية بشكل ملائم ومفيد.

يجري التحول من حرارة إلى كهرباء ضمن شروط أقل جودة. من السهل تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية بمردود يعادل 100٪، غير أن التحويل المعاكس يسبب ضياع قسم من الطاقة. يحدث التحويل المباشر للطاقة الحرارية[ر]، إلى طاقة كهربائية دائماً على مرحلتين: تحوَّل أولاً الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، ثم تحوَّل هذه بدورها إلى طاقة كهربائية. يحدث الجزء الثاني من عملية التحويل من دون ضياع كبير، كما ذكر سابقاً، غير أنه لا يحدث الأمر نفسه في المرحلة الأولى. فعلى الرغم من النجاحات التي تحققت على مدى خمسين عاماً بفضل تحسين المنوِّبات التوربينية فإن من الصعب تخطّي مردود المنوبات القيمة 45٪. ولهذا السبب يبقى التسخين الكهربائي باهظ الثمن ولا يمكن استخدامه إلا في البلاد التي تنتج كهرباء رخيصة، مما يسمح لها بهذا الاستخدام الثانوي.

يسمح القوس الكهربائي بالحصول على درجة حرارة مرتفعة جداً تصل إلى 3000 ْس لا يمكن الوصول إليها إلا بهذا الشكل. وإذا كان تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ضوئية عبر الوسيط الكهربائي ليس أكثر فائدة اقتصادياً، فإن نوعية الإضاءة التي توفرها الطاقة الكهربائية وسهولة استخدامها وانتظام الخدمة التي تقدّمها تجعل الإضاءة بالكهرباء من دون منافس.

يبدو من ملاحظة استخدامات الطاقة الكهربائية أن اشتراكها مع أشكال أخرى من الطاقة ممكن، غير أن هذه النتيجة لا تنطبق على الاستخدامات الكهربائية من النمط الإلكتروني. فالطاقة الكهربائية في هذه الحالة غير قابلة للاستبدال. ولحسن الحظ فإن الطاقة الكهربائية اللازمة في المجال الإلكتروني تبقى متواضعة، أي إنها تكون ضعيفة جداً في أجهزة الترانزستور، لذلك يمكن استخدام البطاريات بدلاً من المنابع الكهربائية على الرغم من كونها باهظة الثمن نسبياً.

يزداد استهلاك الكهرباء في كل البلدان الصناعية بوتيرة سريعة. والقاعدة الملاحظة في ذلك هي تضاعف الاستهلاك كل عشر سنوات على الأقل، وأحياناً يكون تزايد الاستهلاك أكثر سرعة.

مصادر الطاقة الكهربائية

إن الطاقة الكهربائية ليست إلا شكلاً وسيطاً بين منبع قدرة ميكانيكي أو حراري واحتياجات للقدرة متنوعة. ويتم توفير الكهرباء اللازمة على المستوى الصناعي دائماً عن طريق تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية باستخدام المولِّدات.

تكون الطاقة الميكانيكية طاقة ميكانيكية مباشرة وذلك في حالة استخدام الماء، وظاهرتي المد والجزر والرياح أو الطاقة المشتقة من الطاقة الحرارية وذلك في حالة استخدام مياه جوفية حارة. أما في حالة استخدام وقود تقليدي (فحم، بترول، غاز) أو في حالة استخدام الطاقة النووية[ر]، فإن سلسلة التحوّلات وخاصة في الحالات الأخيرة تكون شديدة التعقيد.

إن معظم أنماط محطات توليد الطاقة الكهربائية هي محطات الطاقة الكهربائية البخارية بالوقود السائل، ومحطات الطاقة الكهرمائية، ومحطات الطاقة النووية، إضافة إلى العديد من الأنواع الأخرى للطاقة التي تولِّد كميات قليلة من الكهرباء.

- محطات الطاقة الكهربائية البخارية بالوقود السائل: يولِّد هذا النوع من المحطات نحو 66٪ من الطاقة الكهربائية المنتجة في العالم. ويتم في هذه المحطات حرق الفحم، البترول، الغاز الطبيعي، وتدعى جميعها بالوقود السائل. يُحرق الوقود في غرفة الاحتراق مولداً الحرارة، وتستخدم الحرارة بدورها لتسخين الماء وتحويله إلى بخار يدخل في سلسلة من العمليات لكي يولِّد الكهرباء[ر].

- محطات الطاقة الكهرمائية: تولّد نحواً من 22٪ مـن الطاقة الكهربائية المنتجة في العالم، وتعمل هذه المحطات على تحويل الطاقة الميكانيكية للماء إلى طاقة كهربائية.

- محطات الطاقة النووية: تولد نحو 15٪ من الطاقة الكهربائية المنتجة في العالم، فعلى سبيل المثال تنتج الولايات المتحدة سدس الكهرباء لديها من المفاعلات النووية، أما في فرنسا، فإن ثلثي الكهرباء مولد بالطاقة النووية وذلك بسبب غياب أو شح مصادر الطاقة الأخرى لديها. تولد محطات الطاقة النووية الكهرباء بالطريقة نفسها التي تتم في محطات الطاقة التي تستخدم الوقود السائل ولكن بدلاً من حرق الوقود السائل تحوي محطات الطاقة النووية مفاعلاً نووياً. ينتج المفاعل النووي كميات هائلة من الحرارة عن طريق الانشطار النووي لذرات العناصر الثقيلة. وتستخدم معظم المحطات النووية عنصر اليورانيوم كوقود لتلك المفاعلات، وتستخدم الحرارة الناتجة من الانشطار النووي لتحويل الماء إلى بخار. يعالج البخار بعد ذلك بطريقة مشابهة لمحطات الطاقة بالوقود السائل متحولاً بذلك إلى كهرباء.

تحتاج محطات الطاقة النووية إلى وقود أقل من محطات الطاقة بالوقود السائل وذلك لإنتاج كمية الكهرباء ذاتها، إضافة إلى أن محطات الطاقة النووية تسبب تلوثاً أقل للهواء المحيط من ذلك الذي تسببه محطات الطاقة بالوقود السائل، غير أنها وفي جميع الأحوال تحوي خطر المواد المشعة. ونتيجة لذلك، فإن هذه المحطات يجب أن تحوي نظم أمان كافية للوقاية من الحوادث ومن خطر الإشعاعات. إن تكلفة إنشاء هذه المحطات باهظة الثمن مقارنة بالمحطات الأخرى، إضافة إلى أن هذا النمط من المحطات ينتج نفايات نووية تبقى آثارها لآلاف السنين؛ مما يتطلب إجراءات أمان إضافية.

جغرافية إنتاج الكهرباء واستهلاكها

إن جغرافية إنتاج الكهرباء واستهلاكها معقدة بشكل خاص، ويعود سبب ذلك إلى الشروط  الخاصة المتعلقة بمنبع القدرة الأولي، وكذلك المتعلقة بنقل الطاقة الأولية وبنوعية التيار الكهربائي، كما تعتمد على بنية المكان وعلى الاستهلاك.

يفسَّر الفارق في التعرفة بين الاستخدام الصناعي والاستخدام المنزلي باختلاف سعر التكلفة، إذ إن نفقات النقل هي أكثر ارتفاعاً في الحالة الثانية نتيجة تشتت مراكز الاستهلاك مع ضرورة تزويد التيار تحت توتر منخفض.

يعدّ إنتاج الكهرباء انطلاقاً من الطاقة الهيدروليكية، أي مياه السدود، مهماً بشكل خاص في المناطق الغنية بالمياه (البلدان الاستوائية، مواقع الشلالات…).

وعلى الرغم من العيب الأساسي الذي يعانيه الإنتاج الكهرمائي وهو عدم انتظام التدفق، فإن الكهرباء ذات المنشأ المائي كانت غالباً الأكثر ملاءمة وفائدة حتى نهاية الحرب العالمية الثانية. لم تتصدر الكهرباء ذات المنشأ الحراري مكانتها إلا في البلدان المنتجة للفحم، غير أنه عند وجود إمكانات كهرمائية مهمة فإنها لا تهمل ويستفاد منها، كما هو حاصل في الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السـوڤييتي سابقاً. أما فيما يتعلق ببلدان كإيطاليا، وسويسرا، والنمسا، واليابان، وكندا، والسويد، والنروج، فإن الطاقة الكهرمائية هي الغالبة بل المرجَّحة.

إن النجاحات التي تحققت في السنوات الأخيرة في مجالات العنفات البخارية سمحت بخفض سعر تكلفة الكيلو واط الساعي ذي المنشأ الحراري انخفاضاً كبيراً، مما أسهم في إنشاء مراكز في مناطق فقيرة بالطاقة. وقد غدا بالإمكان مؤخراً الربط مع مراكز نووية تنتج الطاقة بأسعار منافسة.

يشاهد في معظم البلدان عملية انزياح باتجاه القطَّاع الحراري أو النووي، وهذا واضح خاصة في فرنسا وإيطاليا واليابان.

تتوزع المنشآت الحرارية إما في المناطق المنتجة للمحروقات أو بالقرب من مناطق الاستهلاك، كما تشاد قريباً من مصادر مائية كبيرة أو بالقرب من شاطئ البحر بسبب الحاجة إلى كميات كبيرة من المياه للتبريد. تعتمد كل الدراسات لتوزيع الكهرباء على الثمن النسبي لنقل الطاقة على شكل تيار أو على شكل محروقات. إن نقل الطاقة حتى 100 كيلومتر على شكل تيار يكون أكثر فائدة أو أكثر جدوى اقتصادياً. في حين أن نقل الطاقة إلى مسافة أكبر من 500 كيلومتر على شكل بترول أو غاز طبيعي أو فحم باستخدام وسائل النقل المائية ثم تحويل هذا الوقود في مكان الاستهلاك إلى تيار كهربائي يكون أكثر جدوى. وبين هذين الوضعين الحديين، فإن مسألة تحويل الطاقة أو المحروقات إلى تيار تعتمد على نوعية المحروقات وجودتها وعلى شروط استخدام خطوط الطاقة. ففي فرنسا أنشئت حديثاً مراكز توليد الكهرباء بالقرب من التجمّعات الباريسية. أما في إنكلترا فقد شيدت هذه المراكز بالقرب من مناطق إنتاج الفحم. وأما في أمريكا فإن أكثر من نصف كهرباء الولايات المتحدة يأتي من الفحم الذي لا يزال رخيصاً ومتوافراً. يسيطر على إنتاج الطاقة الكهربائية حالياً قوتان كبيرتان هما الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوڤييتي سابقاً، يليهما في الإنتاج الدول متوسطة الإنتاج كاليابان وألمانيا وبريطانيا وكندا وفرنسا.

وريد خياطة

التيار الكهربائي ـ التيار الكهربائي الثلاثي الطور ـ الفحم الحجري.

ـ ماكس بيروتز، ضرورة العلم دراسات في العلم والعلماء، سلسلة عالم المعرفة (الكويت 1999).

-The World Book Encyclopedia (World Book International, London 1996).

التصنيف : الكيمياء و الفيزياء

النوع : علوم

المجلد: المجلد السادس عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 446

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية