أنواع الكهرباء الأساسية
الكهرباء الساكنة
تُعتبر الكهرباء الساكنة، أو الكهرباء السكونية، هي النوع المسؤول عن العديد من الظواهر التي يختبرها الإنسان يومياً. لفهم تلك الظواهر، يتطلب الأمر إدراك فيزياء الكهرباء السكونية ومبدأ عملها. من بين هذه الظواهر، يمكن ذكر شعور الشخص بصدمة كهربائية خفيفة عند لمس مقبض الباب بعد السير على السجاد، أو أثناء محاولة إغلاق مقبض السيارة، أو عند خلع السترات الصوفية. من المهم أيضًا الإشارة إلى أن البرق خلال العواصف الرعدية يُعزى إلى الكهرباء السكونية.
تحدث ظاهرة الكهرباء الساكنة نتيجة لتجمع عدد كبير من الشحنات الكهربائية على سطح معين بفعل احتكاك جسمين ببعضهما. هذه العملية تؤدي إلى تغيير شحناتهما بعد أن كانا متساويين، أي بوجود عدد متوازن من البروتونات (الجسيمات الموجبة) والإلكترونات (الجسيمات السالبة). على سبيل المثال، عند فرك بالون بسترة صوفية، تنتقل الإلكترونات من الصوف إلى البالون، مما يكسبه شحنة سالبة، بينما يكتسب الصوف شحنة موجبة بسبب فقدانه للإلكترونات.
لا تقتصر ظواهر الكهرباء الساكنة على الحالات اليومية، بل تشكل أساس الحياة والوجود، حيث تساهم في الكثير من الظواهر الكونية الطبيعية. ومع ذلك، لا تحدث هذه الظواهر بلا توقف ما لم توجد قوى أخرى مرتبطة بها، فالكهرباء الساكنة وما ينتج عنها من قوى التجاذب والتنافر تلعب دوراً في الحفاظ على التركيب الذري للمادة وتوازنها. وبالتالي، فهي تشكل أساس كتل الأجساد والمكونات المادية، وهي أيضًا أساس استجابة الحواس البشرية من تذوق ولمس وحركة، حيث تحدث كل هذه الظواهر الكهربائية داخل جسم الإنسان.
الكهرباء المتحركة
تنشأ الكهرباء المتحركة عندما يمر تيار كهربائي عبر جسم موصل، مما يؤدي إلى تسخينه وزيادة درجته الحرارة. يُعرّف التيار الكهربائي على أنه معدل تدفق الإلكترونات في المادة الموصلة، ويقاس بالأمبير.
يمكن تشبيه التيار الكهربائي بتدفق المياه عبر قنوات نهريّة، إذ يُعتبر تدفق الإلكترونات وحركتها مماثلاً لتدفق المياه من نقطة إلى أخرى. مجرى النهر يمثل الموصل الكهربائي الذي يجري فيه التيار، والذي يكون غالباً مصنوعاً من النحاس. مثلما يُمكن قياس سرعة المياه وطاقة تدفقها في النهر، يمكن أيضاً حساب سرعة التيار وطاقته خلال فترة زمنية معينة.
هناك عدة طرق ومصادر لتوليد الكهرباء، ومنها التفاعلات الكيميائية كما في البطاريات، بالإضافة إلى الاكتشافات الكبرى في مجال المولدات الكهربائية، والتي تعمل على تحويل الطاقة المغناطيسية إلى طاقة كهربائية عند دوران مغناطيس بقطبين مختلفين حول ملف نحاسي، وهو ما يُمارَس في محطات توليد الطاقة الكهربائية.
أنواع الكهرباء المتحركة
تقسم التيارات الكهربائية إلى نوعين رئيسيين:
- التيار المستمر (بالإنجليزية: Direct Current)، يُرمز له بـ (DC)، وهو التيار الذي يتميز بالقيمة والاتجاه الثابتين، حيث تتحرك الإلكترونات تجاه واحد من القطب السالب للبطارية إلى القطب الموجب.
- التيار المتردد (بالإنجليزية: Alternating Current)، يُرمز له بـ (AC)، وهو التيار الذي يتميز بتغير قيمته واتجاهه بشكل دوري، حيث يتغير من الصفر إلى أقصى قيمة موجبة، ثم ينقص ليصل إلى الصفر قبل أن يتحول إلى أقصى قيمة سالبة. تتكرر هذه العملية حوالي 50-60 مرة في الثانية.
الفروقات بين الكهرباء الساكنة والمتحركة
توجد عدة فروقات رئيسية بين الكهرباء الساكنة والكهرباء المتحركة، وهي كما يلي:
- التوليد: تتولد الكهرباء الساكنة نتيجة انتقال الإلكترونات السالبة من جسم إلى آخر عند ملامسته، بينما الكهرباء المتحركة تنتج عن تدفق الإلكترونات عبر جسم موصل.
- الجهد الكهربائي: عادةً ما تكون الكهرباء الساكنة ذات جهد كهربائي مرتفع، فهي تنتقل دفعة واحدة، بينما الكهرباء المتحركة ذات جهد منخفض نسبياً لأنها تدفق مستمر من الإلكترونات.
- المدة الزمنية: تدوم فعالية الكهرباء الساكنة لفترة قصيرة جداً وتختفي عند توقف انتقال الإلكترونات، لكن الكهرباء المتحركة تبقى موجودة ومستدامة طالما يتم توصيل جهاز بالكهرباء.
استخدامات مختلفة لأنواع الكهرباء
تطبيقات الكهرباء الساكنة
استطاع الإنسان استغلال الكهرباء الساكنة في العديد من الاستخدامات العملية الهامة، منها:
- استخدامها في الطابعات وآلات نسخ الورق الحديثة، حيث تقوم بجذب الورق للشحنات الكهربائية من أسطوانة الحبر.
- استخدامت في عمليات تنظيف المداخن وإزالة الغبار لتقليل تلوث الهواء.
- تم تطبيقها في طلاء السيارات بحيث تصبح هياكل السيارات قادرة على جذب رذاذ الطلاء بشكل فعال، وكذلك في رش المبيدات الحشرية على المزروعات لضمان توزيعها بشكل متساوٍ.
تطبيقات الكهرباء المتحركة
يُستخدم التيار المستمر في العديد من المجالات، مثل البطاريات القابلة للشحن وغير القابلة، حيث يُنتج كلاهما تياراً ثابتاً. بالإضافة إلى ذلك، تحتاج العديد من الأجهزة الكهربائية مثل أجهزة الحاسوب، والراديو، والهواتف المحمولة إلى التيار المستمر لتشغيل دوائرها الكهربائية وأجزائها.
على الرغم من أن معظم الأجهزة الكهربائية تعمل بواسطة التيار المتردد، إلا أن هذه الأجهزة تحتوي عادةً على مقوّم كهربائي يقوم بتحويل التيار من متردد إلى مستمر بجهد مناسب للعمل.
تُعتبر الكهرباء المترددة الأنسب للاستخدام المنزلي، بفضل سهولة نقلها عبر مسافات طويلة. كما أن الجهد العالي يقلل من الطاقة المهدرة أثناء النقل والتوزيع، حيث يؤدي الجهد المرتفع إلى انخفاض التيار، مما يقلل من الحرارة الناتجة عن مقاومة الأسلاك.
تُستخدم مقوّمات خاصة حين يحتاج الأمر لتحويل التيار المتردد من جهد عالٍ إلى جهد منخفض. يعتمد تشغيل المولدات والمحركات الكهربائية على التيار المتردد، الذي يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية يمكن استخدامها في الثلاجات وأجهزة غسل الصحون، على سبيل المثال.
أنواع الكهرباء حسب مصدر إنتاجها
تختلف مصادر إنتاج الكهرباء، وفيما يلي سيتم ذكر أهم المصادر المستخدمة حول العالم:
الطاقة غير المتجددة
تشير الطاقة غير المتجددة إلى مصادر الطاقة مثل الوقود الأحفوري، كالفحم والنفط والغاز الطبيعي، والتي تمثل ثروة لبعض الدول نتيجة وفرتها. تُعد هذه الطاقة غير صديقة للبيئة، فهي تسبب تلوثاً بيئياً واحتباساً حرارياً، بالإضافة إلى مخاطر الزلازل الناجمة عن عمليات التنقيب.
الطاقة الكهرومائية
(بالإنجليزية: Hydroelectric Energy) تُنتج الكهرباء عبر الاستفادة من تدفق المياه من ارتفاعات عالية مثل الشلالات. تتألف محطات الطاقة الكهرومائية من خزانات ضخمة تحتوي على أبواب للتحكم بتدفق المياه. يتم تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية نتيجة تدفق المياه إلى الأسفل، مما يؤدي في النهاية إلى توليد الكهرباء عبر شفرات التوربينات.
الطاقة الشمسية
تمثل الطاقة الشمسية أحد أشكال الطاقة المتجددة، ويمكن تحويل طاقة الشمس إلى كهرباء باستخدام الألواح الكهروضوئية. أيضًا، يمكن استغلال الطاقة الشمسية لتحويلها إلى طاقة حرارية تستخدم في تدفئة المباني أو تسخين المياه.
طاقة الرياح
تُنتج الكهرباء اعتماداً على حركة الرياح في الغلاف الجوي، حيث تقوم توربينات هوائية بتحويل الطاقة الحركية الناتجة عن الرياح إلى طاقة كهربائية.
الطاقة الحيوية
تنتج الكهرباء من حرق الكتلة الحيوية للنباتات والحيوانات، مثل المحاصيل والأخشاب. يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية تستخدم في توربينات بخارية لإنتاج الكهرباء. ومع ذلك، يُشير بعض الباحثين إلى أن حرق الكتلة الحيوية قد يكون له تأثيرات بيئية سلبية نتيجة انبعاثات الكربون الناتجة عنه.
الطاقة الحرارية الأرضية
تستفيد الطاقة الحرارية الأرضية من درجات الحرارة المرتفعة لمياه الينابيع الساخنة. يتم استخلاص المياه الجوفية الحارة عبر حفر آبار عميقة ويستخدم الماء المضخوخ لتوليد الكهرباء. إلا أن هذه الطريقة قد تزيد من خطر الزلازل في المواقع الساخنة.
