الطاقة الكهربائية، التيار والتوتر الكهربائي

اين تنتقل الكهرباء واين لا تنتقل؟

تنتقل الكهرباء في المواد الموصلة للكهرباء واهما هو النحاس الذي يعتبر الناقل الرئيسي المستعمل في الشبكات الكهربائية في توصيل الكهرباء للجميع.

ولا تنتقل الكهرباء في المواد المانعة للكهرباء (عوازل) اهما البلاستيك وايضا الهواء والماء الغير المالح وزيت..

والفرق بين المواد الناقلة للكهرباء والعازلة هو ان المواد الناقلة للكهرباء تحتوي على الكترونات حرة بكثرة في ذراتها قابلة للتنقل، اما المواد العازلة هي مواد تميل للاستقطاب اي لا تملك ذرات حرة او تملك ذرات قليلة جدا.

و من هنا تأتي كلمة الناقلية التي تعني قدرة المادة على توصيل الكهرباء

لماذا نستعمل المواد العازلة حول النواقل الكهربائية؟

الهدف من استعمال المواد عازلة حول النواقل الكهربائية هو حماية الانسان من الكهرباء. فالكهرباء تأثر على الانسان اذا كانت قوية نوعا ما فهي عبارة عن قوة او طاقة لا يستحملها الانسان تأدي به الى حروق او اصابات خطيرة او حتى الوفاة. والهدف الثاني هو حماية الاجهزة والمنظومة الكهربائية من التلف هذا اذا التقت النواقل مع بعضها البعض بدون الفصل بينها بعوازل.

من اين تأتي الكهرباء؟

تأتي الطاقة الكهربائية من طاقة اخرى طبيعية مثل طاقة الرياح، طاقة الشمس، اليورانيوم، الوقود، الفحم،…
فالطاقة الكهربائية هي فقط عملية تحويل مصادر الطاقة الاخرى الى كهرباء وتتم عملية تحويل الطاقة في مصانع تسمى محطات توليد الطاقة الكهربائية وتكون في اماكن محددة حسب تواجد الطاقة المراد تحويلها الى كهرباء. مثلا تتواجد المحطات المائية في السدود من اجل تحويل قوة اندفاع الماء الى كهرباء و تتواجد المحطات الشمسية في الصحراء عموما اين تتواجد كمية الضوء
بكثرة…

تعمل هذه المحطات ليل نهار 24h/24h بدون انقطاع حتى يتم توفير الكهرباء بشكل مستمر وهذا لعدم التمكن من تخزين الطاقة الكهربائية الكافية لجميع المدن لمدة كافية.

ما هو مبدأ عمل المحطة الكهربائية؟

اهم طريقتين لتوليد الكهرباء هو اما عن طريقة خلايا الكهروضوئية للألواح الشمسية التي تقوم بتحويل الطاقة الشمسية الى طاقة كهربائية مستمرة بشكل مباشر. او عن طريقة المولد الكهربائي الذي يحول الطاقة الميكانيكية الناتجة عن الطاقات الاخرى مثل الرياح, بخار الماء… الى طاقة كهربائية. والاكثر استعمالا هي الطريقة الثانية وستجد شرحات عديدة عن اليات توليد ونقل الطاقة الكهربائية في قسم كهرباء صناعية من الموقع.

خصائص الطاقة الكهربائية

1- التيار الكهربائي
التيار الكهربائي هو المعدل الذي تتدفق فيه الشحنة الكهربائية في الناقل الكهربائي. وهو عدد الإلكترونات التي تمر نقطة معينة في الثانية. هذا يعني أنه إذا مر المزيد من الإلكترونات بنقطة معينة ، فإن التيار تكون قيمته أكبر.

رمز التيار الكهربائي هو الحرف “I”. ووحدته الامبير “A” ويتم قياس التيار الكهربائي بجهاز الامبير متر او جهاز متعدد القياسات.

يمكن تبسيط مفهوم التيار الكهربائي بتشبيهه بخرطوم للماء الذي يعتبر الناقل والتيار الكهربائي يمثل كمية الماء المتدفقة من الخرطوم فاذا كانت الكمية كبيرة فهي تمثل شدة تيار كبيرة (عدد الالكترونات المتدفقة اكبر) واذا كانت كمية المياه المتدفقة قليلة تمثل شدة التيار ضعيفة.

نقطة مهمة شائعة وهي  اعتقاد معظمنا ان اتجاه التيار الكهربائي في الدارة الكهربائية يكون من القطب الموجب للبطارية الى القطب السالب وهذا معتقد خاطئ استمر هذا المعتقد لمدة طويلة من الزمن حتى الان ولزال يعمل به الان في حل المسائل الكهربائية واسمه (الاتجاه الاصطلاحي). اما الاتجاه الحقيقي للتيار الكهربائي هو من القطب السالب (مكان تواجد الالكترونات) الى القطب الموجب.

2- التوتر الكهربائي

يمكن تعريف التوتر الكهربائي على انه القوة التي تدفع الالكترونات في الدارة الكهربائية او بمعنى حقيقي هو الفرق في كمية الالكترونات بين نقطتين. على سبيل المثال بطارية تكون قيمة التوتر فيها هو الفرق في كمية الالكترونات بين القطب الموجب والسالب لها فإذا زادت الإلكترونات اكثر في القطب السالب زاد الفرق وبتالي زاد التوتر الكهربائي.

 

وعندما تقل الالكترونات مثل ما هو في الصورة يعني عندما تفرغ البطارية يقل الفرق في الالكترونات اي يقل التوتر الكهربائي.
هنا نستنتج العلاقة بين التيار والتوتر ان له علاقة طردية اي ادا زاد التيار زاد التوتر واذا قل التيار قل التوتر.سنتكل على العلاقة بين التيار والتوتر بشكل مفصل في النقطة الموالية.

 

يرمز للتوتر الكهربائي ب U ووحدة التوتر الكهربائي الفولط V يتم قياسه بجهاز الفولط متر او جهاز متعدد القياسات.

   

اليك هذا المثال الذي يشرح التيار والتوتر الكهربائي بشكل مبسط

في هذا المثال نلاحظ ان الماء الذي يمثل الطاقة الكهربائية لا يمكن ان ينتقل في الخرطوم اي لا يوجد انتقال الكترونات (تيار كهربائي) لان الصنبور مغلوق في النقطة A الذي يمثل قاطعة مفتوحة (في الدوائر الكهربائية). اما في حالة صنبور مفتوح (النقطة B) الذي يمثل قاطعة مغلوقة في الدائرة الكهربائية نلاحظ مرور الماء في الخرطوم اي يوجد تدفق للماء الذي يمثل تدفق للالكترونات في الدارة الكهربائية.

 

التوتر الكهربائي هنا يمثل في الضغط الذي يسببه الماء الموجود في الخزان اي كلما امتلء الخزان بالماء زاد الضغط الذي يمثل التوتر الكهربائي الذي يتسبب في تدفق الماء بقوة اي شدة تيار اكبر وعندما يقل ضغط الماء يقابله قلة في التوتر الكهربائي الذي ينتج عنه قلة في تدفق الماء اي شدة تيار اضعف.

 

نقطة مهمة: الكثير يعتقد ان الجهد هو التوتر الكهربائي فما هو الفرق بين التوتر الكهربائي والجهد؟

يعرف التوتر الكهربائي بالفرق الجهد بين نقطتين من دارة كهربائية.
ويعرف الجهد الكهربائي بالقيمة المقاسة في نقطة واحدة من الدارة الكهربائية.

3- العلاقة بين التيار والتوتر

– العلاقة بين التوتر والتيار في قانون اوم تكون طردية اي يزيد التيار الكهربائي كلما زاد التوتر والعكس

U=R.I

U التوتر الكهربائي

I التيار الكهربائي

R المقاومة الكهربائية

فمثلا لدينا مصدر تغذية موصولة مع مصباح كهربائي هنا عند زيادة التوتر الكهربائي تزداد قيمة التيار الكهربائي ونلاحظ توهج المصباح بشكل اكبر.

 

– العلاقة بين التوتر والتيار في قانون الاستطاعة (قانون القدرة) عكسية اي عندما يزيد التوتر ينقص التيار والعكس

P=U.I

P الاستطاعة الكهربائية

فمثلا بعد توليد الطاقة الكهربائية في محطات التوليد الكهربائي يتم نقل الطاقة الكهربائية بعد رفع التوتر الكهربائي حتى ينقص التيار وهذا لتفادي الضياعات الكبيرة في نقل الطاقة الكهربائية لعشرات الكيلومترات نحو المدن.