أنواع الكهرباء الرئيسية
الكهرباء الساكنة
تُعدّ الكهرباء الساكنة أو الكهرباء السكونية (بالإنجليزية: Static Electricity) النوع المسؤول عن العديد من الظواهر التي يعيشها الإنسان في حياته اليومية، والتي لا يُمكن فهمها إلّا من خلال فهم فيزياء الكهرباء السكونية ومبدأ عملها، ومن هذه الظواهر: أن يتلقّى الشخص صدمة كهربائية خفيفة من مقبض الباب بعد مشيه على السجّاد، أو من مقبض السيارة عند مغادرتها ومحاولة إغلاقها، أو عند خلع السترات الصوفية، ومن الجدير بالذكر هنا أنّ ظاهرة البرق خلال العواصف الرعدية سببها الكهرباء السكونيّة.
تحدث ظاهرة الكهرباء السكونية عند تراكم عدد كبير من الشحنات الكهربائية على سطح ما عند فرك جسمين ببعضهما البعض وتلامسهما معاً، مما يؤدي إلى تغيير شحنتيهما بعد أن كانا متعادلي الشحنة، أي أنّهما كانا يملكان عدداً متساوياً من الجسميات الموجبة (البروتونات) والجسيمات السالبة (الإلكترونات)، فعلى سبيل المثال لو تمّ فرك بالون بسترة صوفية فإنّ الإلكترونات ستنتقل من الصوف إلى البالون، فيصبح البالون مشحوناً بشحنة سالبة؛ لأنّه اكتسب إلكترونات إضافية، أمّا الصوف فسيحمل شحنة موجبة؛ لأنّه فقد إلكترونات.
لا تنحصر ظواهر الكهرباء السكونية على ما تمّ ذكره من مواقف يومية في الحياة، بل تتجاوز ذلك لتكون أساس الحياة والوجود؛ لأنّها مسؤولة عن العديد من الظواهر الكونية الطبيعية، لكن هذه الظواهر لا تحدث باستمرار ما لم تكن هناك قوىً أخرى مرتبطة بها، فالكهرباء السكونية وما ينتج عنها من قوى التجاذب والتنافر تحافظ على البناء الذري للمادة وتحافظ على توازنها، وبالتالي فهي أساس كتل الأجسام والأشياء المادية، وهي أساس استجابة الإنسان لحواسه من تذوّق، ولمس، وحركة، فهي جميعها ظواهر كهربائية تحدث في جسم الإنسان.
الكهرباء المتحركة
تنشأ الكهرباء المتحرّكة نتيجة مرور تيّار كهربائيّ عبر جسم موصل ممّا يؤدي إلى تسخينه وارتفاع درجة حرارته، ويُعرَّف التيّار الكهربائيّ على أنّه معدّل تدفق الإلكترونات في جسم الموصل، ويُقاس بالأمبير (بالإنجليزية: Ampere).
ويُمكن تشبيه التيار الكهربائيّ بالتيّار المائيّ الذي يمرّ عبر قنوات نهريّة، فتدفق الإلكترونات وحركتها يُشبه تدفّق الماء من نقطة إلى أخرى، ومجرى النهر يشبه الموصل الكهربائي الذي يسري فيه التيّار والذي يكون مصنوعاً عادة من النحاس، وبما أنّه يُمكن قياس سرعة المياه وطاقتها في النهر، فإنّه يُمكن أيضاً حساب سرعة التيّار وطاقته التي ينتجها خلال فترة من الزمن.
هناك العديد من الطرق والمصادر التي يُمكن توليد الكهرباء من خلالها، منها التفاعلات الكيميائية، وهو مبدأ عمل البطاريات، ومن أشهر طرق توليد الطاقة الكهربائية، ما يحدث في المولّدات الكهربائية، إذ تعمل على تحويل الطاقة المغناطيسية إلى طاقة كهربائية عند دوران المغانط الكهربائية مختلفة الأقطاب حول ملفّ من الأسلاك النحاسية، وهو ما يحدث تحديداً في محطات توليد الطاقة الكهربائية.
أنواع الكهرباء المتحركة
تُقسَّم أنواع التيّارات الكهربائية إلى نوعين رئيسيين، هما:
- التيار المستمر: (بالإنجليزية: Direct Current)، يُرمز للتيّار المستمر بالرمز (DC)، وهو التيّار ذو القيمة والاتجاه الثابتين واللذين لا يتغيّران مع الزمن، حيث تتحرّك الإلكترونات باتجاه واحد من القطب السالب للبطارية وصولاً للقطب الموجب.
- التيار المتردد: (بالإنجليزية: Alternating Current)، يُرمز له بالرمز (AC)، وهو التيّار ذو القيمة والاتجاه المتغيّرين مع مرور الوقت بشكل دوريّ متكرّر، أي أنّ قيمته تتغيّر من الصفر إلى أقصى قيمة موجبة يُمكن أن يصلها التيّار، ثمّ تتناقص لتصل إلى الصفر، ثمّ تتعدّاه إلى أقصى قيمة سالبة، ثمّ تعاود الزيادة مرة أخرى، وهكذا دواليك، حيث تسير الإلكترونات باتجاه معيّن، ثمّ تعكس مسارها وتسير بالاتجاه المعاكس وصولها إلى أقصى قيمة للتيّار موجبة كانت أم سالبة، وتتكرر هذه العملية حوالي 50-60 مرة في الثانية الواحدة.
الاختلافات بين الكهرباء السكونية والمتحركة
تختلف الكهرباء الساكنة عن الكهرباء المتحرّكة بعدة اختلافات رئيسية، وهي كالآتي:
- التوليد: تتولّد الكهرباء السكونية من انتقال الإلكترونات السالبة من جسم معين إلى جسم آخر عند ملامسته له، كما تمّ ذكره في مثال البالون، وتختلف الأجسام من حيث قابليتها لكسب أو فقد الإلكترونات، أمّا الكهرباء المتحرّكة فتنتج عن تدفّق سيل من الإلكترونات عبر جسم موصل للكهرباء.
- الجهد الكهربائي: عادة ما تكون الكهرباء الساكنة ذات جهد كهربائي مرتفع؛ لأنّ الإلكترونات تنتقل فيها دفعة واحدة، أمّ الكهرباء المتحرّكة فهي ذات جهد منخفض نسبياً مقارنة بالكهرباء السكونية؛ لأنّها عبارة عن تدفّق مستمر من الإلكترونات، ولا تنتقل دفعة واحدة.
- المدة الزمنيّة: تستمر فعالية الكهرباء السكونية لفترة قصيرة جداً، وتختفي عندما تتوقف الإلكترونات عن الانتقال من جسم إلى آخر، أمّا الكهرباء المتحرّكة فهي موجودة ومستمرّة، فقط تحتاج إلى توصيل أي جهاز بالقابس للاستفادة منها مباشرة.
استخدامات مختلفة لأنواع الكهرباء
تطبيقات الكهرباء الساكنة
استطاع الإنسان تسخير الكهرباء السكونية في العديد من التطبيقات المهمة في حياته العملية وفي المجالات المختلفة، فمثلاً:
- استخُدِمت الكهرباء السكونية في الطابعات، وآلات نسخ الورق الحديثة، حيث يجذب الورق الشحنات الكهربائية من أسطوانة الحبر باتجاهه.
- تُستخدمَ في عمليّات تنظيف المداخن وإزالة الأغبرة للتخفيف من تلوّث الهواء.
- استخُدِمت في طلاء السيارات، بحيث تجذب هياكل السيارات رذاذ الطلاء باتجاهها تجنّباً لوصوله إلى أسطح أخرى حوله، وفي رشّ المزروعات بالمبيدات الحشرية، حيث توزّع قطرات المبيد الحشري بالتساوي على الأوراق.
تطبيقات الكهرباء المتحركة
يستخدم التيّار المباشر في العديد من المجالات منها البطاريات بشقّيها القابلة للشحن وغير القابلة للشحن، فكلا النوعين يُنتج تيّاراً ثابتاً، كما أنّ العديد من الأدوات الكهربائية كأجهزة الحاسوب، والراديو، والهواتف المحمولة، وغيرها تحتاج إلى التيّار المباشر من أجل تشغيل الدارات الكهربائيّة وأجزائها المختلفة فيها.
وعلى الرغم من أنّ غالبية الأجهزة الكهربائية يتمّ تشغيلها عن طريق التيّار المتردد، إلّا أنّه يحتوي كل منها على محوّل تيار كهربائي يعمل على تحويل التيار من تيار متردد إلى تيّار مباشر ذي جهد مناسب للجهاز.
تُعدّ الكهرباء ذات التيّار المتردد هي الكهرباء المناسبة للتوصيل للبيوت، إذ تتميّز بسهولة نقلها عبر مسافات طويلة، كما أنّ جهدها العالي يقلل من الطاقة المهدرة خلال نقلها وتوزيعها، فالجهد المرتفع يعني تيّاراً أقل، والذي بدوره يقلّل من الحرارة الناتجة عن مقاومة الأسلاك للتيّا.
وتُستخدَم محوّلات خاصة في حال الحاجة لتحويل التيّار المتردد من جهد عالٍ إلى جهد منخفض، كما يُستخدم التيّار المتردد في تشغيل المولدات والمحرّكات الكهربائية، فالمحركات الكهربائية لها فوائد عديدة خاصة في الثلاجات وأجهزة غسل الصحون، إذا تُحوّل المحرّكات الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية يُمكن الاستفادة منها.
أنواع الكهرباء وفقاً لمصدر إنتاجها
تختلف مصادر إنتاج الكهرباء، وفيما يأتي سيتمّ ذكر أهمّ مصادر إنتاج الطاقة الكهربائية في العالم:
الطاقة غير المتجددة
هي الطاقة الناتجة عن مصادر غير متجددة مثل الوقود الأحفوري كالنفط، والغاز، والفحم الحجري، والتي تُشكِّل ثروة لبعض دول العالم بسبب وفرة مصاردها لديهم، ويُمكن تسميتها الطاقة غير النظيفة؛ لأنّها تضر بالبيئة وحياة الإنسان، فهي المسؤولة بشكل كبير عن مشاكل التلوّث البيئيّ بأنواعه، وظاهرة الاحتباس الحراري، وبعض الكوراث الطبيعية كالزلازل الناتجة عن حفر وتكسير الأراضي خلال عمليات التنقيب.
الطاقة الكهرومائية
(بالإنجليزية: Hydroelectric Energy)، يتمّ إنتاج الكهرباء بالاستفادة من تدفّق المياه من ارتفاعات عالية كالشلّالات، وتتكوّن محطات الطاقة الكهرومائية من خزانات ضخمة لتخزين المياه، تحتوي على بوّابات أو صمامات للتحكّم بتدفّق المياه من الخزّان، تَنتُج الطاقة الكهربائية عند تحويل الطاقة الكامنة في المياه نتيجة فرق الارتفاع إلى طاقة حركيّة ناتجة عن تدفّق المياه إلى أسفل، ثمّ يمرّ الماء عبر شفرات التوربينات المائية وتُحويلها إلى طاقة كهربائية في النهاية.
الطاقة الشمسية
هي أحد أشكال الطاقة المتجددة، إذ يُمكن تحويل الطاقة القادمة من الشمس إلى طاقة كهربائية باستخدام الألواح الكهروضوئية، كما يمكن استغلال الطاقة الشمسية بتحويلها مباشرة إلى طاقة حرارية تُستخدَم في أنظمة تدفئة المباني بأنواعها المختلفة، وتسخين المياه.
طاقة الرياح: يتمّ إنتاج الكهرباء اعتماداً على حركة الرياح وتدفّق الهواء في الغلاف الجوي، إذ تقوم توربينات هوائية مخصصة بمواجهة حركة الرياح، مما يؤدي إلى تحريك هذه التوربينات وتحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية.
الطاقة الحيويّة
وهنا تنتج الكهرباء عن حرق الكتلة الحيوية للنباتات والحيوانات، كالمحاصيل الزراعية، والأخشاب ومخلافاتهما، فيتمّ تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية تدخل في توربينات بخارية لتحوّلها إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام، وقد يعتقد بعض الأشخاص خطئاً أنّ الكتلة الحيوية هي شكل من أشكال الوقود النظيف الصديق للبيئة، غير أنّ العلم أثبت أنّ حرق الكتلة الحيوية مضرّ بالبيئة بسبب انبعاثات الكربون الضارّة الناتجة عنها، وتأثيره المباشر في التنوّع البيولوجي.
الطاقة الحرارية الأرضية
يتمّ استغلال درجات الحرارة المرتفعة لمياه الينابيع الساخنة عن طريق حفر الآبار العميقة لاستخراج المياه الجوفية الساخنة، ويتمّ استخدام المياه بعد ضخّها في توربينات بخارية خاصة لتوليد الكهرباء، لكنّ هذه الطريقة قد تزيد من خطر حدوث الزلازل في البقع الساخنة (بالإنجليزية: Hot Spots) التي تحتوي على المياه الجوفية الساخنة.
