تعد الطاقة الكهربائية مفهومًا مهمًا يساعد في إدارة العالم كما نعرفه. في الولايات المتحدة وحدها، تستخدم الأسرة المتوسطة 10,649 كيلووات ساعة (كيلووات ساعة) سنويًا وهي طاقة كهربائية تكفي لتحضير أكثر من 120 ألف وعاء من القهوة!

لكن فهم ماهية الطاقة الكهربائية وكيفية عملها قد يكون أمرًا صعبًا. لهذا السبب قمنا بتجميع هذه المقالة لمساعدتك في تنويرك! (العفو عن نكتة والدنا.)

تابع القراءة لتتعلم كل شيء عن الطاقة الكهربائية، مشتمل:

• تعريف الطاقة الكهربائية
• كيف تعمل الطاقة الكهربائية
• إذا كانت الطاقة الكهربائية محتملة أو حركية
• أمثلة على الطاقة الكهربائية

بحلول الوقت الذي تنتهي فيه من هذه المقالة، ستعرف أساسيات الطاقة الكهربائية وتكون قادرًا على رؤية تأثيرها في كل مكان حولك.

لدينا الكثير لنغطيه، لذلك دعونا نتعمق فيه!

تعريف الطاقة الكهربائية

إذن ما هي الطاقة الكهربائية؟ باختصار، الطاقة الكهربائية هي الطاقة (الحركية والمحتملة) الموجودة في الجسيمات المشحونة للذرة والتي يمكن استخدامها لتطبيق القوة و/أو بذل شغل. هذا يعني أن الطاقة الكهربائية لديها القدرة على تحريك جسم أو تسبب في إجراء ما .

الطاقة الكهربائية موجودة في كل مكان حولنا بأشكال عديدة ومختلفة. بعض أفضل أمثلة الطاقة الكهربائية هي بطاريات السيارات التي تستخدم الطاقة الكهربائية لتشغيل الأنظمة، ومنافذ الحائط التي تنقل الطاقة الكهربائية لشحن هواتفنا، وعضلاتنا التي تستخدم الطاقة الكهربائية للانقباض والاسترخاء!

من المؤكد أن الطاقة الكهربائية مهمة في حياتنا اليومية، ولكن هناك الكثير من أنواع الطاقة الأخرى الموجودة أيضًا . الطاقة الحرارية والطاقة الكيميائية والطاقة النووية والطاقة الضوئية والطاقة الصوتية ليست سوى بعض من أنواع الطاقة الرئيسية الأخرى. على الرغم من أنه قد يكون هناك بعض التداخل بين أنواع الطاقة (مثل مقبس الحائط الذي يوفر الضوء لمصباح ينتج كمية صغيرة من الحرارة)، فمن المهم ملاحظة أن أنواع الطاقة تعمل بشكل مختلف عن بعضها البعض ، رغم أنهم يمكن تحويلها إلى أنواع أخرى من الطاقة .

يعد هذا الفيديو التوضيحي السريع عن الكهرباء بمثابة كتاب تمهيدي رائع حول ماهية الطاقة الكهربائية وكيفية عملها.

كيف تعمل الطاقة الكهربائية؟

الآن بعد أن عرفت ما هي الطاقة الكهربائية، سنتناول من أين تأتي الطاقة الكهربائية.

إذا كنت قد درست الفيزياء من قبل، ربما كنت تعلم أن الطاقة لا تفنى ولا تفنى. على الرغم من أنه قد يبدو أن نتائج الطاقة الكهربائية تأتي من لا شيء، إلا أن الطاقة الموجودة في صاعقة أو جلسة الركض تأتي من سلسلة من التغيرات على المستوى الجزيئي. كل شيء يبدأ بالذرات.

تحتوي الذرات على ثلاثة أجزاء رئيسية : النيوترونات والبروتونات والإلكترونات. تتكون النواة، أو مركز الذرة، من النيوترونات والبروتونات. تدور الإلكترونات حول النواة في الأصداف. تبدو أغلفة الإلكترونات وكأنها حلقات أو مسارات مدارية تدور حول النواة.

(أي جي قيصر/ ويكيميديا )

يعتمد عدد الأغلفة التي تحتوي عليها الذرة على الكثير من الأشياء، بما في ذلك نوع الذرة وما إذا كانت مشحونة بشكل إيجابي أو سلبي أو متعادل. ولكن هنا الجزء المهم عندما يتعلق الأمر بالطاقة الكهربائية: الإلكترونات الموجودة في الغلاف الأقرب إلى النواة لديها جاذبية قوية للنواة، لكن هذا الاتصال يضعف عندما تنتقل إلى الغلاف الخارجي. يُعرف الغلاف الخارجي للذرة باسم غلاف التكافؤ... والإلكترونات الموجودة في ذلك الغلاف تُعرف باسم إلكترونات التكافؤ!

لأن إلكترونات التكافؤ مرتبطة بشكل ضعيف بالذرة، يمكن إجبارهم في الواقع خارج من مداراتهم عندما تتلامس مع ذرة أخرى. يمكن لهذه الإلكترونات القفز من الغلاف الخارجي للذرة الأصلية إلى الغلاف الخارجي للذرة الجديدة. عندما يحدث هذا، فهو ينتج الطاقة الكهربائية.

إذًا كيف يمكنك معرفة متى تكون الذرة مهيأة لاكتساب أو فقدان الإلكترونات لتوليد الطاقة الكهربائية؟ مجرد إلقاء نظرة على إلكترونات التكافؤ. لا يمكن للذرة أن تحتوي إلا على ثمانية إلكترونات تكافؤ في غلافها الخارجي، والمعروفة أيضًا بالثمانية. إذا كانت الذرة تحتوي على ثلاثة إلكترونات تكافؤ أو أقل، فمن المرجح أن تفقد إلكترونات إلى ذرة أخرى. عندما تفقد الذرة الإلكترونات إلى درجة أن عدد البروتونات فيها يفوق عدد الإلكترونات، يصبح مشحونا إيجابيا الكاتيون .

وبالمثل، فإن الذرات التي تحتوي على غلاف تكافؤ كامل تقريبًا (مع ستة أو سبعة إلكترونات تكافؤ) تكون أكثر احتمالاً لأن تكون يكسب الإلكترونات من أجل الحصول على ثماني كاملة. عندما تكتسب الذرة إلكترونات إلى النقطة التي يفوق فيها عدد الإلكترونات عدد بروتونات الذرة، يصبح مشحونا سلبا أنيون .

بغض النظر عما إذا كانت الذرة تكتسب أو تفقد إلكترونات، ال يمثل حركة الإلكترون من ذرة إلى أخرى ينتج عنها طاقة كهربائية . يمكن استخدام هذه الطاقة الكهربائية على شكل كهرباء للقيام بأشياء مثل تشغيل الأجهزة في منزلك أو تشغيل جهاز تنظيم ضربات القلب. ولكن يمكن أن يكون كذلك تحويلها إلى أنواع أخرى من الطاقة مثل الطاقة الحرارية المنبعثة من محمصة الخبز الموصولة بالحائط.

هل تعتقد أن الطاقة الكهربائية والكهرباء هما نفس الشيء؟ ليس تماما! الكهرباء هي مجرد نتيجة واحدة للطاقة الكهربائية.

الطاقة الكهربائية مقابل الكهرباء

على الرغم من أن هذه المصطلحات تبدو متشابهة، الطاقة الكهربائية والكهرباء ليسا نفس الشيء . في حين أن كل الكهرباء هي نتيجة للطاقة الكهربائية، ليست كل الطاقة الكهربائية هي كهرباء.

وفق أكاديمية خان يتم تعريف الطاقة على أنها قياس قدرة الجسم على القيام بالعمل. في الفيزياء الشغل هو الطاقة التي يتم إرسالها إلى جسم من أجل تحريك جسم ما، كما تحدثنا في القسم الأخير، تأتي الطاقة الكهربائية من حركة الإلكترونات بين الذرات، مما يؤدي إلى نقل الطاقة... المعروف أيضًا باسم الشغل. يولّد هذا العمل طاقة كهربائية، تُقاس بالجول.

ضع في اعتبارك أن الطاقة الكهربائية يمكن أن تكون تحويلها إلى جميع أنواع الطاقة الأخرى مثل الطاقة الحرارية المنبعثة من محمصة الخبز الموصولة بالحائط. هذه الطاقة الحرارية تولد الحرارة وهو ما يحول الخبز إلى خبز محمص! وذلك في حين الطاقة الكهربائية يستطيع تصبح كهرباء، لا يملك ل!

عندما يتم توجيه تدفق الإلكترون من الطاقة الكهربائية عبر موصل، مثل السلك، فإنه يتحول إلى كهرباء. هذه حركة الشحنة الكهربائية يسمى التيار الكهربائي (ويقاس بالواط). هذه التيارات، اكتملت من خلال الدوائر الكهربائية ، يمكنها تشغيل أجهزة التلفاز، ومواقد الطهي، وغير ذلك الكثير، كل ذلك بسبب توجيه الطاقة الكهربائية نحو إنتاج إجراء محدد مرغوب، مثل إضاءة الشاشة أو غلي الماء.

هل الطاقة الكهربائية محتملة أم حركية؟

إذا كنت قد درست الطاقة من قبل، فأنت تعلم أن الطاقة يمكن أن تنقسم إلى فئتين رئيسيتين مختلفتين: المحتملة والحركية. الطاقة المحتملة هي في الأساس طاقة مخزنة. عندما يتم منع إلكترونات التكافؤ في الذرات من القفز، تصبح تلك الذرة قادرة على الاحتفاظ بالطاقة الكامنة وتخزينها.

يبدأ بجافا

على الجانب الآخر، الطاقة الحركية هي في الأساس طاقة تحرك أو تحرك شيئًا آخر. تنقل الطاقة الحركية طاقتها إلى أجسام أخرى من أجل توليد القوة على ذلك الجسم. في الطاقة الحركية، تكون الإلكترونات حرة في التحرك بين طبقات التكافؤ من أجل توليد الطاقة الكهربائية. وهكذا تتحول طاقة الوضع المخزنة في تلك الذرة إلى طاقة حركية... وفي النهاية إلى طاقة كهربائية.

إذن، هل الطاقة الكهربائية محتملة أم حركية؟ الجواب هو على حد سواء! ومع ذلك، لا يمكن للطاقة الكهربائية أن تكون محتملة وحركية في نفس الوقت. عندما ترى طاقة كهربائية تؤثر على جسم آخر، فهي طاقة حركية، ولكن قبل أن تتمكن من القيام بهذا العمل مباشرة، كانت طاقة وضع.

هنا مثال. عندما تقوم بشحن هاتفك، فإن الكهرباء التي تنتقل من مقبس الحائط إلى بطارية هاتفك هي طاقة حركية. لكن البطارية مصممة لتحتفظ بالكهرباء لاستخدامها لاحقًا. هذه الطاقة المخزنة هي طاقة كامنة، والتي يمكن أن تصبح طاقة حركية عندما تكون مستعدًا لتشغيل هاتفك واستخدامه.

عبر جيفي

تعمل المغناطيسات الكهربائية - مثل تلك المذكورة أعلاه - لأن الكهرباء والمغناطيسية مرتبطان ارتباطًا وثيقًا.
(العلم المذهل/ جيفي )

ما علاقة الطاقة الكهربائية بالمغناطيسية؟

من المحتمل أنك لعبت بالمغناطيس في مرحلة ما من حياتك، لذا فأنت تعرف ذلك المغناطيس عبارة عن أجسام يمكنها جذب أو صد الأجسام الأخرى بمجال مغناطيسي.

ولكن ما قد لا تعرفه هو ذلك المجالات المغناطيسية ناتجة عن شحنة كهربائية متحركة. للمغناطيس أقطاب، قطب شمالي وقطب جنوبي (وتسمى هذه القطبين ثنائيات القطب). هذه الأقطاب مشحونة بشكل معاكس، لذلك فإن القطب الشمالي مشحون بشحنة موجبة، والقطب الجنوبي مشحون بشحنة سالبة.

نحن نعلم بالفعل أن الذرات يمكن أن تكون مشحونة إيجابيا وسلبيا أيضا. لقد أتضح أن تتولد المجالات المغناطيسية عن طريق إلكترونات مشحونة تصطف مع بعضها البعض! في هذه الحالة، تكون الذرات ذات الشحنة السالبة والذرات ذات الشحنة الموجبة على أقطاب مختلفة للمغناطيس، مما يخلق كلا من التيار الكهربائي و مجال مغناطيسي.

لأن الشحنات الموجبة والسالبة هي نتيجة للطاقة الكهربائية، وهذا يعني أن المغناطيسية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بأنظمة الطاقة الكهربائية. في الواقع، كذلك معظم التفاعلات بين الذرات، ولهذا السبب لدينا الكهرومغناطيسية. الكهرومغناطيسية هي العلاقات المترابطة بين المجالات المغناطيسية والكهربائية.

عبر جيفي

json من كائن جافا

تحقق من بعض الأمثلة المثيرة للقلق للطاقة الكهربائية أدناه. #نكتة أبي أخرى
.gif'https://giphy.com.gif' rel='noopener'>Giphy )

أمثلة على الطاقة الكهربائية

ربما لا تزال تتساءل، كيف تبدو الطاقة الكهربائية في العالم الحقيقي؟ لا تخف ابدا! لدينا أربعة أمثلة رائعة للطاقة الكهربائية من واقع الحياة حتى تتمكن من معرفة المزيد عن الطاقة الكهربائية في الممارسة العملية.

مثال 1: بالون ملتصق بشعرك

إذا سبق لك أن ذهبت إلى حفلة عيد ميلاد، فمن المحتمل أنك جربت الحيلة حيث تقوم بفرك بالون على رأسك ولصقه على شعرك. عندما تأخذ البالون بعيدًا، سوف يطفو شعرك خلف البالون، حتى عندما تمسكه على بعد بوصات من رأسك! يعرف طلاب الفيزياء أن هذا ليس مجرد سحر... إنها الكهرباء الساكنة.

الكهرباء الساكنة هي أحد أنواع الطاقة الحركية التي تنتجها الطاقة الكهربائية. تحدث الكهرباء الساكنة عند وجود مادتين متماسكة من قبل القوى المتعارضة . ويسمى ثابتا لأنه يعمل التجاذب على إبقاء الجسمين معًا حتى يُسمح للإلكترونات بالعودة إلى أماكنها الأصلية. باستخدام ما تعلمناه حتى الآن، دعونا نلقي نظرة فاحصة على كيفية عمل هذه الخدعة.

نحن نعلم أنه لكي تتجاذب ذرتان، يجب أن تكون لهما شحنات متعاكسة. لكن إذا كان كل من البالون وشعرك في البداية مشحونين بشكل متعادل، فكيف يمكن أن يكون لهما شحنات متعاكسة؟ ببساطة، عندما تقومين بفرك البالون على شعرك، تقفز بعض الإلكترونات الحرة من جسم إلى آخر , مما يجعل شعرك يحمل شحنة موجبة والبالون شحنة سالبة.

عندما تتركه، ينجذب البالون إلى شعرك لدرجة أنه يحاول تثبيت نفسه في مكانه. إذا حاولت فصل الشحنات المنجذبة، فسيظل شعرك المشحون إيجابيًا يحاول البقاء مرتبطًا بالبالون السالب عن طريق الطفو للأعلى باستخدام تلك الطاقة الكهربائية الحركية!

لكن، هذا الجذب لن يستمر إلى الأبد. نظرًا لأن الجذب بين البالون وشعرك ضعيف نسبيًا، ستحاول كل من جزيئات شعرك والبالون البحث عن التوازن من خلال استعادة أعدادها الأصلية من الإلكترونات، مما يجعلها في النهاية تفقد شحناتها عندما تكتسب أو تفقد الإلكترونات.

مثال 2: أجهزة تنظيم ضربات القلب

إذا كنت تبحث عن أمثلة كهربائية جيدة لكل من الطاقة الكامنة والحركية، فلا تبحث سوى عن جهاز مزيل الرجفان. أنقذت أجهزة تنظيم ضربات القلب آلاف الأرواح من خلال تصحيح عدم انتظام ضربات القلب في حالات الطوارئ مثل السكتة القلبية. ولكن كيف يفعلون ذلك؟

ليس من المستغرب أن أجهزة تنظيم ضربات القلب الحصول على قدراتهم المنقذة للحياة من الطاقة الكهربائية. تحتوي أجهزة تنظيم ضربات القلب على الكثير من الطاقة الكهربائية الكامنة المخزنة في لوحتين من مكثف مزيل الرجفان . (تُعرف هذه أحيانًا باسم المجاذيف). إحدى الصفائح مشحونة بشحنة سالبة، بينما الأخرى مشحونة بشحنة موجبة.

عندما يتم وضع هذه الصفائح في مواقع مختلفة من الجسم، فإنه يتم إنشاء صاعقة كهربائية تقفز بين الصفائح. الطاقة الكامنة تتحول إلى طاقة حركية تندفع الإلكترونات من اللوحة الموجبة إلى اللوحة السالبة. يمر هذا الصاعقة عبر قلب الإنسان ويوقف إشاراته الكهربائية داخل العضلات على أمل أن يعود نمطه الكهربائي غير المنتظم إلى طبيعته.

تحتوي أجهزة إزالة الرجفان على طاقة كهربائية قوية للغاية، لذا كن حذرًا إذا كنت بالقرب منها!

مثال 3: توربينات الرياح

غالبًا ما يتم وضع توربينات الرياح في أماكن بعيدة عن الطريق تحويل الرياح الطبيعية إلى طاقة يمكن استخدامها لتشغيل منازلنا وتقنياتنا وغير ذلك الكثير. ولكن كيف يمكن للتوربين أن يغير شيئًا يبدو غير كهربائي مثل الرياح إلى طاقة مستدامة وقابلة للاستخدام؟

في أبسط صوره، تعمل توربينات الرياح على تحويل طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية. في حين أن شرح كيفية عمل الرياح يستحق تدوينة خاصة به، إلا أن ما تحتاج إلى معرفته هو أنه عندما تضرب الرياح شفرات التوربينات، فإنه يتحول محور الدوار مثل طاحونة الهواء. تعمل هذه الطاقة الحركية على تشغيل مكون داخلي يسمى الكنة، والتي تحتوي على مولد كهربائي. ويقوم هذا المولد بدوره بتحويل هذه الطاقة إلى طاقة كهربائية عن طريق فرض الشحنات الكهربائية موجود بالفعل في المولد للتحرك، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي... وهو أيضًا كهرباء.

لأن هذه الحركة تتم عبر موصلات الكهرباء وتحديداً الأسلاك، يمكن أن يستمر تدفق الرسوم هذا إلى شبكات كهربائية أكبر، مثل المنازل والأحياء وحتى المدن.

مثال 4: البطاريات في لعبة الأطفال

بنفس الطريقة التي تحول بها توربينات الرياح نوعًا من الطاقة إلى نوع آخر، تقوم البطارية الموجودة في لعبة الأطفال بتحويل الطاقة من أجل تشغيل اللعبة. البطاريات لها طرفان، إيجابي وسالب. من المهم وضع الأطراف الصحيحة في الأماكن الصحيحة في اللعبة، وإلا فلن تنجح.

يحتوي الطرف الموجب - كما خمنت! - على شحنة موجبة، في حين أن الطرف السالب له شحنة سالبة. وهذا يعني أن الطرف السالب يحتوي على إلكترونات أكثر بكثير من الطرف الموجب، و تحاول البطارية ككل الوصول إلى التوازن. الطريقة التي يفعلون بها ذلك هي من خلال التفاعلات الكيميائية التي تبدأ عندما يتم وضع البطاريات داخل لعبة قيد التشغيل.

لا يمكن للطرف الموجب أن يصل إلى الطرف السالب ببساطة بسبب الحمض الذي يفصل بينهما داخل البطارية. بدلاً من، يجب أن تمر الإلكترونات عبر دوائر اللعبة بأكملها للوصول إلى النهاية السلبية، مما يسمح لدمية طفل بالبكاء أو لطائرة هليكوبتر لعبة بالطيران.

عندما تصل جميع الإلكترونات الموجودة على الطرف الموجب إلى التوازن، لن يكون هناك المزيد من الإلكترونات التي تمر عبر الأسلاك، مما يعني أن الوقت قد حان لبطاريات جديدة!

الوحدات المشتركة للطاقة الكهربائية

على الرغم من أهمية دراسة التعريف الأساسي للطاقة الكهربائية ومبادئها، إلا أنك ستحتاج أيضًا إلى معرفة بعض الصيغ والمعادلات أثناء مواصلة استكشاف الطاقة الكهربائية. تستخدم العديد من هذه الصيغ نفس الرموز للدلالة على وحدات معينة.

لقد قمنا بتضمين جدول لبعض وحدات الطاقة الكهربائية الأكثر شيوعًا للرجوع إليها، بالإضافة إلى ما تعنيه كل وحدة.

مصدر: https://www.electronics-tutorials.ws/dccircuits/electrical-energy.html

على الرغم من وجود العديد من الوحدات الأخرى التي قد تحتاجها في معادلاتك للطاقة الكهربائية، إلا أن هذه القائمة ستساعدك على البدء!

الخلاصة: إليك ما يجب تذكره حول الطاقة الكهربائية

لقد اجتازت الدورة التدريبية المكثفة الخاصة بالطاقة الكهربائية، وأنت الآن جاهز للتعامل مع أي اختبار أو دورة من شأنها اختبار معرفتك بالفيزياء الكهربائية. ومع ذلك، إذا لم تتذكر أي شيء آخر، فضع ذلك في الاعتبار في درس الطاقة الكهربائية التالي:

• تعريف الطاقة الكهربائية: القدرة على أداء العمل.
• الطاقة الكهربائية تأتي من الجذب أو التنافر من الجزيئات المشحونة سلباً وإيجاباً.
• الطاقة الكهربائية هي كلا من الطاقة الكامنة والحركية.
• بعض الأمثلة على الطاقة الكهربائية هي جهاز مزيل الرجفان، وبطارية، وتوربينات الرياح .

نأمل أن تكون قد نالت إعجابك بكل المعلومات الواردة في هذه المدونة! استمر في الدراسة، وفي أي وقت من الأوقات، ستصبح محترفًا في الطاقة الكهربائية.

ماذا بعد؟

هل تحتاج إلى القليل من المساعدة الإضافية في صيغ الفيزياء الخاصة بك؟ إذًا فإن ورقة الغش الخاصة بالمعادلات هذه هي بالضبط ما تبحث عنه.

هل تفكر في أخذ المزيد من دروس الفيزياء في المدرسة الثانوية؟يمكن أن يساعدك الحصول على AP Physics على تعميق مهاراتك العلمية و تكسب لك الائتمان الكلية. تعرف على المزيد حول AP Physics - والاختلافات بين AP Physics 1 و2 وC - في هذه المقالة.

إذا كنت تدرس في الفيزياء في البكالوريا الدولية، فلدينا ما تحتاجه أيضًا.فيما يلي تفصيل لمنهج الدورة التدريبية، وإليك ملخصنا لأفضل أدلة دراسة الفيزياء في البكالوريا الدولية.