قانون الطاقة الكهربائية

قانون الطاقة الكهربائية

الطاقة الكهربائية

الطاقة الكهربائية هي الطاقة المولدة من خلال تحويل أشكال الطاقة الأخرى كالطاقة الميكانيكية أو الحرارية أو الكيميائية، وهذه الطاقة الكهربائية المولدة تُستخدم في العديد من المجالات مثل: الإضاءة وتشغيل الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية وأجهزة الطاقة المتحركة وتطبيقات الترفيه وتطبيقات التدفئة الصناعية والطهي وجر السكك الحديدية وغيرها الكثير، وطُورت الكهرباء كمصدر للطاقة لاستبدال الطاقة البخارية في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي، وحتى ثلاثينيات القرن العشرين الميلادي كانت محطات الطاقة الكهرومائية المجهزة بوحدات توليد التوربينات المائية تنتج أكبر نسبة من الطاقة الكهربائية لأنها كانت أقل تكلفة للتشغيل من محطات الطاقة الحرارية التي تستخدم وحدات التوربينات البخارية، وبحلول عام 1990 ميلاديًا تطورت طرق إنتاج الطاقة الكهربائية لتتحول إلى التوربينات الغازية والطاقة النووية بجانب الطريقة البخارية الكلاسيكية.[١]


قانون الطاقة الكهربائية

الطاقة هي معدل إنجاز العمل في وحدة زمنية مُحددة، تزداد الطاقة إذا كان العمل بشكل أسرع أو إذا نقلت الطاقة في وقت أقل، والقانون الأساسي لحساب الطاقة أو القوة هو القانون (P = W / t):[٢]

  • P تعني القوة (بالواط).
  • W تعني كمية العمل المنجز (بالجول) أو الطاقة المستهلكة (بالجول).
  • t تعني مقدار الوقت (بالثواني).

وتٌقاس وحدات القوة بالجول مقسومة على الوقت (J / s)، وبوحدة أخرى تُقاس بالواط وهي تسمى وحدة SI، وفي الآلات يُستخدم مصطلح القدرة الحصانية لقياس قوة الآلة، وقوة الحصان هي القوة المطلوبة لرفع 550 رطلًا بقدم واحدة بحوالي 746 واط.


أمثلة على حساب الطاقة الكهربائية

الطاقة الكهربائية هي تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية أو حرارية، على سبيل المثال في المصباح الكهربائي إذا كان التيار كبيرًا بما فيه الكفاية، ستنقل الطاقة الحركية للإلكترونات إلى الذرة التي تصطدم بها، وهذا يسبب زيادة في درجة حرارة ذرات السلك، وفي النهاية انبعاث الضوء (انبعاث الضوء هو شكل من أشكال الطاقة)، وبشكل عام نستطيع حساب الطاقة الكهربائية باتباع استراتيجيات معينة لحل المشكلات وهي:[٣]

  • قراءة المشكلة.
  • استعراض المشكلة واكتشاف ما هو مُعطى أو ما هو ضمن السؤال.
  • تحديد المعطيات والقوانين الرئيسية أو المُشتقة التي نُريد استخدامها.
  • البحث عن الصيغة التي تسمح لنا بحل المُشكلة.
  • محاولة حل المُشكلة وإن لم نجد الجواب المُناسب نُعيد حل السؤال مرة أخرى.

تطبيق عملي لأمثلة كهربائية بسيطة:

  • المثال الأول: حساب مقاومة ميكروويف بـ 1000 واط ومُصمم بفولتية 27 فولت:
    • نضع أولًا المُعطيات وهي 1000 واط كقدرة، و 27 فولت كفولتية، والمفقود هو المقاومة ونريد حسابها.
    • نبحث عن أنسب مُعادلة لتُستخدم وهي P = (V ^ 2) / R.
    • نعوض المعطيات بالمعادلة لتُصبح R = (V ^ 2) /P=27^2/1000.
    • بعد الحساب نجد أن قيمة المقاومة هي 0.729 أوم.
  • المثال الثاني: سخان يعمل على فولتية 150 فولت وتيار 30 أمبير، فكم مقدار الطاقة التي نحتاجه لتشغليه مدة 9 ساعات في اليوم؟:
    • نضع أولًا المُعطيات وهي الفولتية 150 فولت، والتيار 30 أمبير، والمُراد إيجاده هو مقدار الطاقة.
    • نبحث عن أنسب مُعادلة لتُستخدم وهي P = IV.
    • نعوض المعطيات بالمعادلة لتُصبح P = 150 * 30.
    • بعد الحساب نجد أن قيمة الطاقة هي 4500 وات.
    • ولحساب مقدار الطاقة بتسع ساعات نستخدم 4500*60*60*9*7= 1.0206 *10^9.


مَعْلومَة

تطور عصر الكهرباء بشكل متسارع نتيجة التقاء العديد من العوامل الاقتصادية والتقنية والاجتماعية بالإضافة للمواهب العظيمة لبعض المهندسين الأكثر إبداعًا على الإطلاق، وفي هذا العصر المتنور اشتهر العديد من علماء الكهرباء والطاقة أشهرهم:[٤]

  • ألكسندر جراهام بيل: برز بيل المولود في عام 1847 ميلاديًا في إدنبرة باسكتلندا كرائد علوم التلغراف وتوصيل الإشارات والرسائل الكهربائية، وكانت قمة شهرة بيل بعد انتقاله لمدينة بوسطن الأمريكية في عام 1871 ميلاديًا؛ إذ بدأ العمل على آلة تلغراف محسنة تسمح بإرسال واستقبال رسائل متعددة في وقت واحد، وبين أعوام 1874-1876 ميلاديًا وبمساعدة صديقه العالم توماس واتسون نجح الاثنان في تطوير أول جهاز إرسال صوتي.
  • نيكولا تسلا: هاجر تسلا المولود في كرواتيا إلى الولايات المتحدة الأمريكية عام 1884 ميلاديًا، وعمل لوقت قصير مع العالم توماس إديسون، وقد طوّر تسلا العديد من التقنيات الحالية الهامة متحديًا إجماع علماء الطاقة المعتمدين بشكل متزايد لصالح التيار المباشر، وبعد عدة محاولات واختراعات لتسلا حاز على براءات اختراعه من منظمة جورج وستنجهاوس مما سهل ظهور محطات طاقة التيار المتردد على الصعيد الأمريكي والعالمي.
  • جورج وستنجهاوس: العالم جورج وستنجهاوس الشريك التجاري الرئيسي لنيكولا تسلا، وقد كان وستنجهاوس مسؤولاً عن تقديم العديد من التقنيات الكهربائية من خلال شراء مجموعة متنوعة من براءات اختراع تسلا، مما مكنه من تسريع التسويق بشكل كبير، كما أصبح الرجل وستنجهاوس رائدًا للتيار المتردد؛ إذ أسس 60 شركة طاقة وكان وراء 360 براءة اختراع، وقد وظّف ما يقارب 50 ألف موظف في شركاته الكهربائية.
  • جاك كيلبي: العالم جاك كيلبي هو أمريكي ولد في تكساس عام 1958 ميلاديًا، وفي حياته المبكرة طور جاك نظام طاقة صوتي لحلبة باستخدام ترانزستور واحد وبعض المكونات الأخرى، وبعد عدة سنوات وعمل حثيث امتلك جاك كيلبي شركة كبيرة تصنع المواد الإلكترونية، وفي عام 2000 ميلادي حصل جاك كيلبي على جائزة نوبل للفيزياء بسبب أعماله واختراعاته العظيمة.
  • جون باردين: جون باردين عالم أمريكي ولد في عام 1908 ميلادي في مدينة ويسكونسن، بحياته المبكرة أظهر جون موهبة عظيمة عندما التحق بقسم الهندسة في جامعة ويسكونسن في سن 15 فقط، وبشكل سريع حصل جون على درجة البكالوريوس والماجستير ومن ثم الدكتوراة في علم الفيزياء والطاقة، وقد اكتشف جون عمل الترانزستور وطوره، وما زال الترانزستور يعمل بالطريقة التي طورها واخترعها جون باردين.
  • هاري نيكويست: هاري نيكويست عالم سويدي مولود في عام 1889 ميلاديًا، وقد هاجر هاري إلى الولايات المُتحدة الأمريكية وهو بعمر 18 عامًا، ليدرس هاري الهندسة الكهربائية في جامعة نورث داكوتا وأكمل دراسته فيها حتى وصل لدرجة الدكتوراة، ودرس أيضًا علم الفيزياء في جامعة بيل وحصل فيها على درجة البكالوريس في عام 1917 ميلاديًا، وانضم بعد إنهاء دراسته لشركة بيل للهاتف والتلغراف حتى أسس مختبرات بيل في عام 1934 ميلاديًا، وخلال حياته المهنية التي استمرت 37 عامًا، حصل على 138 براءة اختراع ونشر 12 مقالة، كما اشتهر بنظرية أخذ العينات التي تدعم الترميز الرقمي للإشارات التناظرية في الطاقة.


المراجع

  1. " Electric power ", britannica,04-12-2019، Retrieved 29-05-2020. Edited.
  2. Andrew Zimmerman Jones (15-07-2019), " Defining Power in Physics "، thoughtco, Retrieved 29-05-2020. Edited.
  3. " Electrical Power", tuhsphysics, Retrieved 29-05-2020. Edited.
  4. "7 Famous Electrical Engineers", onlinemasters, Retrieved 29-05-2020. Edited.