ما هي الكهرباء

الكهرباء هي نوع من أنواع الطاقة. التيار الكهربائي هو عملية جريان الطاقة الكهربائية.

جميع المواد تتألف من ذرات، و كل ذرة لها مركز يدعى النواة. النواة تحتوي على جزئيات مشحونة ايجابيا" تدعى بروتون وجزئييات غير مشحونة تدعى نوترون. إن نواة الذرة محاطة بجزئييات مشحونة سلبيا" تدعى إلكترون. الشحنة السالبة للإلكترون تعادل الشحنة الايجابية للبروتون وكذلك عدد للالكترونيات في الذرة عادة يساوي عدد البروتينات.

عندما يتم تجاوز قوة التوازن بين البروتون والإلكترون بواسطة قوة خارجية، فان الذرة يمكن أن تربح أو تخسر شحنة كهربائية. في حالة خسارة شحنات كهربائية من الذرة، فأن تيارا" كهربائيا" يتكون من خلال حركة هذه الشحنات.

إن المولد الكهربائي هو جهاز يقوم بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

إن عملية التحويل ترتكز على العلاقة بين المغناطيسية والكهرباء، عندما يتحرك السلك أو أي مادة موصلة كهربائيا" في مجال مغناطيسي، فان تيارا" كهربائيا" يجري في السلك. إن المولدات الكهربائية الكبيرة تحتوي على ملف وأقطاب مغناطيسية مثبتة على عامود محوري دوار، عند دوران الأقطاب المغناطيسية فإنها تحدث حقول مغناطيسية مترددة في الملفات مما يؤدي لتوليد التيار الكهربائي.

كيف تعمل معامل الطاقة الهيدروليكية؟

إن المبدأ الأساسي لتوليد الكهرباء هو تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

إن المعامل الهيدروكهربائية تنتج الكهرباء باستخدام قوة المياه (الساقطة) التي تدير ما يسمى بالعنفة والتي بدورها تدير محور معدني موصول بالمولد الكهربائي.

إن المبدأ هو بناء سد لمياه النهر لتخزين كميات كبيرة من المياه والحصول على ارتفاع عال، وهكذا تؤخذ المياه عبر الأنابيب من أسفل حائط السد حيث يكون ضغط المياه متناسبا" مع ارتفاع مياه السد لتصل إلى شفرات العنفة وتجعلها تدور، وهي بدورها متصلة بواسطة محور بالمولد الكهربائي، ومع دوران الأقطاب المغناطيسية في المولد فان تيارا كهربائيا مترددا سوف يولد في الملفات.

إن المياه الموجودة في الخزان تعتبر طاقة مخزنة. عندما تفتح السد تتحول المياه الجارية عبر إلى طاقة حركية.

يتم تحديد كمية الكهرباء التي تتولد بحسب عدة عوامل، اثنين من هذه العوامل هي حجم المياه الجارية وارتفاع مستوى سطح مياه السد عن العنفة (المحرك). مثلما يزداد الارتفاع وجريان المياه كذلك تزداد الطاقة الكهربائية المنتجة. هذه الطاقة مرتبطة بكمية المياه المخزنة.

كيف تعمل خلايا الوقود؟

ان خلايا الوقود هي عبارة عن جهاز لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وذلك بتحويل الهيدروجين و الاوكسيجين إلى مياه وينتج عن هذه العملية الكهرباء والحرارة.

هي عملية شبيهة جدا" بالبطارية التي يمكن شحنها وفي نفس الوقت سحب الطاقة منها، ولكن بدل شحنها بواسطة الكهرباء فان خلايا الوقود تشحن بواسطة الهيدروجين الاوكسيجين.

إن خلايا الوقود تنتج تيارا" كهربائيا" مستمرا" يمكن استخدامه في تغذية محولات التيار والإنارة أو أي  نوع من الأدوات الكهربائية. هناك أنواع مختلفة من خلايا الوقود كل منها تستعمل كيمياء مختلفة. وهي عادة تصنف حسب نوع آل electrolyte المستعمل.

إن خلية الوقود ذات غشاء تبادل البروتون تستعمل إحدى ابسط التفاعلات الكيميائية لخلايا الوقود. لتعرف أولا ماذا هناك داخل هذا النوع من خلايا الوقود أي خلية الوقود ذات غشاء تبادل البروتون:

-         الأنود:هو القطب السالب لخلية الوقود وله عدة مهام، فهو يقود الالكترونات المحررة من جزئيات الهيدروجين ليتم استعمالها في تغذية دائرة كهربائية خارجية . كما انه يحتوي على مجاري وظيفتها تشتيت غاز الهيدروجين على سطح آل catalyst.

-         الكاتود: هو القطب الموجب لخلية الوقود، ويحتوي على مجاري لتوزيع الاوكسيجين على سطح آل catalyst . كما انه يقود الالكيرونيات بالاتجاه الخلفي من الدائرة الكهربائية الخارجية آل catalyst حيث يمكن أن تتوحد مع الاوكسيجين وايونات الهيدروجين لتشكل الماء.

-         الالكتروليت: هو غشاء تبادل البروتون، هذه المادة المعالجة بشكل خاص والشبيهة بالبلاستيك تقود فقط الايونات المشحونة ايجابيا" وتعيق مرور الالكترونيات.

-         آلcatalyst: وهي مؤلفة من مادة خاصة تسهل الاوكسيجين تفاعل مع الهيدروجين. تصنع عادة من مسحوق البلاتينيوم الذي يكسو ورق الكربون أو القماش بطبقة رقيقة جدا".

يوضع الجانب المطلي بالبلاتينيوم جهة غشاء تبادل البروتون أي ال Electrolyte.

يقسم آل catalyst  الهيدروجين إلى اثنين من ايونات الهيدروجين الموجبة (H+) والى اثنين من الالكترونات (e-) . الالكترونات تجري عبر الأنود حيث تأخذ طريقها عبر الدائرة الكهربائية الخارجية( حيث تشغل محركا" على سبيل المثال) وتعود إلى الكاتود.

في هذه الأثناء ومن جهة كاتود خلية الوقود يتم ضخ غاز الاوكسيجين (o2) باتجاه آل catalyst حيث يشكل ذريتن من الاوكسيجين (o). كل ذرة تحتوي على شحنة سالبة قوية. هذه الشحنة السالبة تجذب اثنين من ايونات الهيدروجين(H+) عبر الغشاء (الذي يسمح بمرور الشحنات الموجبة فقط ) حيث تتحد أيونات الهيدروجين مع ذرة الاوكسيجين واثنين من الالكترونيات من الدائرة الكهربائية الخارجية لتشكل ذرة المياه ((H2O.

هذا التفاعل في خلية وقود واحدة ينتج 0.7 فولت. من اجل رفع الجهد إلى مستوى معقول يجب جمع عدة خلايا وقود منفصلة لتشكل رزمة خلايا.

إن خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتون تعمل على درجة حرارة منخفضة ( حوالي 80 درجة مئوية )

إن التحسن المتواصل في الهندسة والمواد المستعملة في صناعة خلايا الوقود قد زادت كثافة الطاقة إلى درجة أن جهاز الخلايا بحجم أمتعة صغيرة يستطيع أن يشغل سيارة.

التفاعلات الكيميائية في خلايا الوقود:

جهة الأنود:

2H2=4H+ (+)4e-

جهة الكاتود:

O2(+)4H+(+)4e-=2H2O

التفاعل النهائي:

2H2(+)O2=2H2O

كيف تعمل المعامل الحرارية لتوليد الطاقة الكهربائية؟

الفكرة الأساسية لتوليد الكهرباء هي تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية .

ان المعمل البخاري لتوليد الكهرباء يتألف من المرجل الذي يحرق الوقود (الفيول، الغاز الطبيعي....) ليعطي الحرارة. داخل غرفة الحريق توجد سلسلة من الأنابيب تجري من خلالها المياه . إن الطاقة الحرارية تنتقل إلى الأنابيب المعدنية وبالتالي يسخن المياه داخل هذه الأنابيب حتى تتحول إلى بخار . إن البخار ذو الحرارة العالية والضغط المرتفع يصدم (يضرب) شفرات المحرك (العنفة) ويولد حركة دوران. هذا المحرك متصل بواسطة محور بالمولد الكهربائي الذي من خلال الدوران يولد الكهرباء.

كيف تعمل المعامل النووية لتوليد الكهرباء؟

إن الفارق بين النووية والمعامل الحرارة هو أن الحرارة المستعملة اصنع البخار تأتي بواسطة انقسام الذرة وليس بواسطة الاحتراق. انقسام الذرة وهو عبارة عن انشقاق الذرة إلى أجزاء اصغر. إن الذرة وهي نفسها صغير تنقسم عندما يتم صدمها بواسطة جزئيات اصغر منها تدعى نوترون. في كل مرة يحصل ذلك فان عددا" من النوترون يخرج من الذرة المنقسمة ليصدم بدوره ذرات أخرى. يسمى ذلك سلسلة التفاعلات يصدر عنها كميات كبيرة من الحرارة. وتضبط سلسلة التفاعلات النووية بإضافة آل boron إلى المياه واستعمال القضبان التي يتم التحكم بها في داخل المفاعل للحد من عملية انقسام الذرات عن طريق امتصاص جزئيات النوترون. وهكذا فان سلسلة التفاعلات النووية تدوم لفترات طويلة وبالتالي يمكن ضبط كميات الحرارة المنتجة.

ماذا تعني المواد المشعة؟

بعض العناصر الكيميائية الطبيعية مؤلفة من ذرات قابلة للانقسام في سلسلة تفاعلات. تسمى هذه العناصر الكيميائية المواد المشعة. الحديد، النحاس، الفضة، وكثير من المعادن الشائعة ليست موادا" مشعة.

بعكس اليورانيوم الذي يناسب كوقود للمعمل النووية. في المعامل النووية يمنع احتكاك اليورانيوم مع البيئة المحيطة لان النشاط الإشعاعي خطير جدا".

 كيف تساهم الحرارة في التشغيل ؟

أثناء انقسام الذرات وتصادمها تنتج الحرارة التي تستعمل لتحويل المياه إلى بخار . إن ضغط البخار يدير المحرك(العنفة) المتصل بالمولد الكهربائي.

عندما يدور المولد ينشأ حقل مغناطيسي دوار فتتولد منه الكهرباء. تنتقل الكهرباء من خلال الأسلاك المعدنية المحمولة على عواميد مرتفعة عابرة" مسافات طويلة لتصل إلى محطات التحويل الكهربائية ومنها إلى منزلك حيث يمكنك استعمال هذه الطاقة الكهربائية الإنارة وتشغيل الأجهزة الكهربائية( التلفزيون، الكومبيوتر، البراد).

الهواء النظيف:

إحدى أهم فوائد المعامل النووية هي عدم وجود الدخان الذي يلوث البيئة كما في غيرها من معامل انتاج الكهرباء.

إن الأبراج الكبيرة الموجودة في المعامل النووية ليست لإصدار الدخان بل هي في الواقع لتبريد المياه المستعمل لانتاج البخار. إن هذه الأبراج تنشر المياه لتلتقي بأكبر كمية ممكنة من الهواء وتبرد.

وتتحول المياه إلى بخار يدير المحرك المتصل بالمولد، ويعود البخار بعد ان يبرد إلى حالة المياه وهكذا تستمر هذه الدورة مستعملة ذات المياه التي تتحول إلى بخار والعكس.

ان ما نراه يتصاعد من برج التبريد هو مجرد سحابة من البخار وليس دخانا".