لا يحمل الموصل في حد ذاته أي تيار كهربائي، ولكن عند تطبيق شحنة موجبة على أحد طرفيه، وشحنة سالبة على طرفه الآخر، تسري شحنة كهربائية عبر الموصل.
ولأن الشحنات المتضادة تتجاذب، يتحتم استخدام نوع من الطاقة للفصل بين الشحنات، وحصرها في طرفي الموصل.
ويمكن الحصول على هذه الطاقة من التفاعلات الكيميائية أو الحركة أو ضوء الشمس أو الحرارة.
وهذه هي الطرق الست التالية لإنتاج الكهرباء.
- الاحتكاك: الطاقة المنتجة بفرك مادتين معا.
- الحرارة: الطاقة الناتجة عن تسخين الوصلة حيث يتم ربط معدنين مختلفين.
- الضوء: الطاقة الناتجة عن الضوء الذي تمتصه الخلايا الكهروضوئية.
- المواد الكيميائية: الطاقة الناتجة عن التفاعل الكيميائي في الخلية الفولتية.
- الضغط: الطاقة المنتجة بضغط أو إلغاء ضغط بلورات معينة.
- المغناطيسية: الطاقة المنتجة في موصل يقطع أو يقطع بخطوط قوة مغناطيسية.
الاحتكاك:
الاحتكاك هو أقل الطرق التي تقدمها للطرق الست لإنتاج الطاقة.
إذا احتوت قطعة قماش على جسم ما، فسيعرض الجسم تأثيرًا يسمى كهرباء الاحتكاك.
يصبح الجسم مشحونًا بسبب عملية الاحتكاك، ويمتلك الآن شحنة كهربائية.
هناك نوعان رئيسيان من الشحنة الكهربائية: إيجابية وسلبية.
كل نوع من الشحنة يجذب النوع المعاكس ويصد نفس النوع.
ويمكن ذكر ذلك بالطريقة التالية: صد الاتهامات، وعلى عكس الرسوم التي تجذب.
للكهرباء الساكنة عدة تطبيقات.
تطبيقه الرئيسي في مولدات Van de Graaff، تستخدم لإنتاج الفولتية العالية من أجل اختبار القوة العازلة للمواد العازلة.
الاستخدامات الأخرى في الطلاء الكهروستاتيكي وتصنيع ورق الصنفرة.
تكتسب حبيبات الدورة شحنة سالبة أثناء تحركها عبر اللوحة السلبية.
على عكس الشحنة التي تجذبها، تجذب اللوحة الموجبة حبيبات الدورة وسرعة تأثيرها تمكنها من الاندماج في المادة اللاصقة.
الحرارة:
اكتشف توماس سيبيك عام 1821 أن الوصلة بين معدنين تولد جهدًا يعتمد على درجة الحرارة.
إذا كانت الدائرة المغلقة تتكون من موصلات من معدنين مختلفين، وإذا كان تقاطع أحد المعدنين في درجة حرارة أعلى من الأخرى، يتم إنشاء قوة كهربائية في قطبية محددة.
مثال على ذلك في حالة النحاس والحديد، تتدفق الإلكترونات أولاً على طول الحديد من الوصلة الساخنة إلى الباردة.
تتقاطع الإلكترونات من الحديد إلى النحاس عند الوصلة الساخنة، ومن النحاس إلى الحديد عند الوصلة الباردة.
تُعرف خاصية إنتاج القوة الكهربائية باسم تأثير سيبيك.
يتم استخدام هذا التأثير في الطريقة الأكثر استخدامًا لقياس الحرارة.
الضوء:
يمكن استخدام أشعة الشمس لإنتاج الطاقة الكهربائية.
المستخدم المباشر لضوء الشمس هو الخلية الشمسية أو الخلية الكهروضوئية، التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية دون دمج جهاز ميكانيكي.
هذه التقنية أبسط من الأنظمة التي تعمل بالوقود الأحفوري لإنتاج الطاقة الكهربائية.
وتتكون الخلية الشمسية من أشباه الموصلات الحساسة للضوء والتي تتأثر عند تعرضها لأشعة الشمس بالتوصيل بواسطة الفوتونات في الضوء.
عندما يضرب الضوء، في شكل فوتونات، الخلية ويضرب ذرة، يخلق التأين الضوئي أزواجًا من الثقوب الإلكترونية.
يتسبب المجال الكهروستاتيكي في فصل هذه الأزواج، مما يؤدي إلى إنشاء قوة كهربائية في هذه العملية.
يرسل المجال الكهربائي الإلكترون إلى مادة النوع p، والثقب إلى المادة من النوع n.
إذا تم توفير مسار تيار خارجي، فستتوفر الطاقة الكهربائية للقيام بالعمل.
يوفر تدفق الإلكترون التيار، ويولد المجال الكهربائي للخلية الجهد.
مع كل من التيار والجهد، تتمتع خلية السيليكون بالطاقة.
وكلما زاد مقدار الضوء الساقط على سطح الخلية، زاد احتمال إطلاق الفوتونات للإلكترونات، وبالتالي يتم إنتاج المزيد من الطاقة الكهربائية.
المواد الكيميائية:
عندما يتم وضع قطب كهربائي من الزنك وإلكترود نحاسي في محلول مخفف لحمض الكبريتيك، يتفاعل المعدنان مع وجود بعضهما البعض داخل الإلكتروليت ويطوران فرقًا محتملًا يبلغ حوالي 1 فولت بينهما.
عندما ينضم مسار موصل إلى الأقطاب الكهربائية خارجيًا، يذوب قطب الزنك ببطء في المنحل بالكهرباء، يذهب جزيء الزنك إلى المنحل بالكهرباء في شكل أيونات موجبة بينما تترك إلكتروناته على القطب.
من ناحية أخرى، لا يذوب القطب النحاسي في المنحل بالكهرباء.
بدلاً من ذلك، تتخلى عن إلكتروناتها إلى أيونات الهيدروجين الموجبة الشحنة في المنحل بالكهرباء، وتحويلها إلى جزيئات غاز الهيدروجين التي تتدفق حول القطب.
يتحد أيون الزنك مع أيون الكبريتات لتكوين كبريتات الزنك ، ويقع هذا الملح في الجزء السفلي من الخلية.
تأثير كل هذا هو أن قطب الزنك المذاب يصبح مشحونًا بشكل سلبي، ويترك القطب النحاسي بشحنة موجبة وإلكترونات من الزنك تمر عبر الدائرة الخارجية إلى قطب النحاس.
الضغط:
جزيئات بعض البلورات والسيراميك مستقطبة بشكل دائم: بعض أجزاء الجزيء مشحونة بشكل إيجابي، بينما الأجزاء الأخرى مشحونة سلبًا.
تنتج هذه المواد شحنة كهربائية عندما تتغير أبعاد المادة نتيجة لقوة خارجية مفروضة.
يشار إلى الشحنة المنتجة باسم الكهرباء الضغطية.
العديد من المواد البلورية مثل البلورات الطبيعية من الكوارتز والروشيل المملح مع السيراميك متعدد البلورات المصنعة مثل تيتانات الرصاص الزركونيت وتيتانات الباريوم تظهر تأثيرات كهرضغطية.
يتم استخدام المواد الكهروإجهادية كصوتات داخل أجهزة الاستدعاء، والمنظفات فوق الصوتية والهواتف المحمولة، وفي مشعلات الغاز.
بالإضافة إلى ذلك، هذه المستشعرات الكهروإجهادية قادرة على تحويل الضغط أو القوة أو الاهتزاز أو الصدمة إلى طاقة كهربائية.
كونها قادرة فقط على قياس الأحداث النشطة، يتم استخدامها أيضًا في عدادات التدفق، وأجهزة قياس التسارع وكاشفات المستوى، وكذلك السيارات لاستشعار التغيرات في ناقل الحركة وحقن الوقود وضغط المبرد.
عندما يضغط الجهد أو المجال الكهربائي المطبق على عنصر بيزو كهربائيًا ، تتغير أبعاده.
تُعرف هذه الظاهرة باسم الكهربائي، أو التأثير الكهروإجهادي العكسي.
يمكّن هذا التأثير العنصر من العمل كجهاز ترجمة يسمى مشغل.
يتم استخدام المواد الكهروإجهادية في مشغلات الطاقة، وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، وفي محولات الطاقة الصوتية، وتحويل المجالات الكهربائية إلى موجات صوتية.
المغناطيسية:
إن أكثر تطبيقات المغناطيسية إفادةً ونفعًا هي في إنتاج الطاقة الكهربائية.
يتم توفير الطاقة الميكانيكية اللازمة للمساعدة في هذا الإنتاج من خلال عدد من المصادر المختلفة.
تسمى هذه المصادر المحرك الأساسي، وتشمل محركات الديزل والبنزين والغاز الطبيعي.
الفحم والنفط والغاز الطبيعي والكتلة الحيوية والطاقة النووية هي مصادر الطاقة التي يتم استخدامها لتسخين المياه لإنتاج البخار فائق التسخين.
تشمل المحركات الأولية غير الميكانيكية الماء والبخار والرياح وحركة الأمواج وتيار المد والجزر.
تشغل هذه المحركات الأولية غير الميكانيكية توربينًا مقترنًا بمولد.
تقوم المولدات التي تستخدم مبدأ الحث الكهرومغناطيسي بالتحويل النهائي لمصادر الطاقة هذه.
من أجل القيام بذلك، يجب أن تكون هناك ثلاثة شروط ضرورية قبل أن يتم إنشاء الجهد عن طريق المغناطيسية: الحركة والموصلات والمجال المغناطيسي.
وفقًا لهذه الظروف، عندما يتحرك موصل أو موصلات عبر مجال مغناطيسي لقطع خطوط القوة، يتم تمكين الإلكترونات من الدخول إلى نطاق التوصيل وبالتالي إحداث ضغط كهربائي لإنتاج تيار متناوب في دائرة خارجية.
يمكن الإشارة إلى هذا على أنه مولد أولي، يتكون من حلقة سلكية واحدة تسمى المحرك مع توصيل كل طرف بحلقات منزلقة وترتيبها بحيث تدور في منتصف الطريق بين القطبين المغناطيسيين.
تتصل فرشتان من النحاس الجرافيت بالدائرة الخارجية على الحلقات المنزلقة من أجل جمع التيار المتناوب، المتولد في الموصل عند تشغيل المولد.
آلة أخرى تستخدم لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية عن طريق الحث الكهرومغناطيسي تسمى دينامو أو مولد تيار مباشر.
ويمكن الحصول على هذه الطاقة من التفاعلات الكيميائية أو الحركة أو ضوء الشمس أو الحرارة.
وهذه هي الطرق الست التالية لإنتاج الكهرباء.
- الاحتكاك: الطاقة المنتجة بفرك مادتين معا.
- الحرارة: الطاقة الناتجة عن تسخين الوصلة حيث يتم ربط معدنين مختلفين.
- الضوء: الطاقة الناتجة عن الضوء الذي تمتصه الخلايا الكهروضوئية.
- المواد الكيميائية: الطاقة الناتجة عن التفاعل الكيميائي في الخلية الفولتية.
- الضغط: الطاقة المنتجة بضغط أو إلغاء ضغط بلورات معينة.
- المغناطيسية: الطاقة المنتجة في موصل يقطع أو يقطع بخطوط قوة مغناطيسية.
الاحتكاك:
الاحتكاك هو أقل الطرق التي تقدمها للطرق الست لإنتاج الطاقة.
إذا احتوت قطعة قماش على جسم ما، فسيعرض الجسم تأثيرًا يسمى كهرباء الاحتكاك.
يصبح الجسم مشحونًا بسبب عملية الاحتكاك، ويمتلك الآن شحنة كهربائية.
هناك نوعان رئيسيان من الشحنة الكهربائية: إيجابية وسلبية.
كل نوع من الشحنة يجذب النوع المعاكس ويصد نفس النوع.
ويمكن ذكر ذلك بالطريقة التالية: صد الاتهامات، وعلى عكس الرسوم التي تجذب.
للكهرباء الساكنة عدة تطبيقات.
تطبيقه الرئيسي في مولدات Van de Graaff، تستخدم لإنتاج الفولتية العالية من أجل اختبار القوة العازلة للمواد العازلة.
الاستخدامات الأخرى في الطلاء الكهروستاتيكي وتصنيع ورق الصنفرة.
تكتسب حبيبات الدورة شحنة سالبة أثناء تحركها عبر اللوحة السلبية.
على عكس الشحنة التي تجذبها، تجذب اللوحة الموجبة حبيبات الدورة وسرعة تأثيرها تمكنها من الاندماج في المادة اللاصقة.
الحرارة:
اكتشف توماس سيبيك عام 1821 أن الوصلة بين معدنين تولد جهدًا يعتمد على درجة الحرارة.
إذا كانت الدائرة المغلقة تتكون من موصلات من معدنين مختلفين، وإذا كان تقاطع أحد المعدنين في درجة حرارة أعلى من الأخرى، يتم إنشاء قوة كهربائية في قطبية محددة.
مثال على ذلك في حالة النحاس والحديد، تتدفق الإلكترونات أولاً على طول الحديد من الوصلة الساخنة إلى الباردة.
تتقاطع الإلكترونات من الحديد إلى النحاس عند الوصلة الساخنة، ومن النحاس إلى الحديد عند الوصلة الباردة.
تُعرف خاصية إنتاج القوة الكهربائية باسم تأثير سيبيك.
يتم استخدام هذا التأثير في الطريقة الأكثر استخدامًا لقياس الحرارة.
الضوء:
يمكن استخدام أشعة الشمس لإنتاج الطاقة الكهربائية.
المستخدم المباشر لضوء الشمس هو الخلية الشمسية أو الخلية الكهروضوئية، التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية دون دمج جهاز ميكانيكي.
هذه التقنية أبسط من الأنظمة التي تعمل بالوقود الأحفوري لإنتاج الطاقة الكهربائية.
وتتكون الخلية الشمسية من أشباه الموصلات الحساسة للضوء والتي تتأثر عند تعرضها لأشعة الشمس بالتوصيل بواسطة الفوتونات في الضوء.
عندما يضرب الضوء، في شكل فوتونات، الخلية ويضرب ذرة، يخلق التأين الضوئي أزواجًا من الثقوب الإلكترونية.
يتسبب المجال الكهروستاتيكي في فصل هذه الأزواج، مما يؤدي إلى إنشاء قوة كهربائية في هذه العملية.
يرسل المجال الكهربائي الإلكترون إلى مادة النوع p، والثقب إلى المادة من النوع n.
إذا تم توفير مسار تيار خارجي، فستتوفر الطاقة الكهربائية للقيام بالعمل.
يوفر تدفق الإلكترون التيار، ويولد المجال الكهربائي للخلية الجهد.
مع كل من التيار والجهد، تتمتع خلية السيليكون بالطاقة.
وكلما زاد مقدار الضوء الساقط على سطح الخلية، زاد احتمال إطلاق الفوتونات للإلكترونات، وبالتالي يتم إنتاج المزيد من الطاقة الكهربائية.
المواد الكيميائية:
عندما يتم وضع قطب كهربائي من الزنك وإلكترود نحاسي في محلول مخفف لحمض الكبريتيك، يتفاعل المعدنان مع وجود بعضهما البعض داخل الإلكتروليت ويطوران فرقًا محتملًا يبلغ حوالي 1 فولت بينهما.
عندما ينضم مسار موصل إلى الأقطاب الكهربائية خارجيًا، يذوب قطب الزنك ببطء في المنحل بالكهرباء، يذهب جزيء الزنك إلى المنحل بالكهرباء في شكل أيونات موجبة بينما تترك إلكتروناته على القطب.
من ناحية أخرى، لا يذوب القطب النحاسي في المنحل بالكهرباء.
بدلاً من ذلك، تتخلى عن إلكتروناتها إلى أيونات الهيدروجين الموجبة الشحنة في المنحل بالكهرباء، وتحويلها إلى جزيئات غاز الهيدروجين التي تتدفق حول القطب.
يتحد أيون الزنك مع أيون الكبريتات لتكوين كبريتات الزنك ، ويقع هذا الملح في الجزء السفلي من الخلية.
تأثير كل هذا هو أن قطب الزنك المذاب يصبح مشحونًا بشكل سلبي، ويترك القطب النحاسي بشحنة موجبة وإلكترونات من الزنك تمر عبر الدائرة الخارجية إلى قطب النحاس.
الضغط:
جزيئات بعض البلورات والسيراميك مستقطبة بشكل دائم: بعض أجزاء الجزيء مشحونة بشكل إيجابي، بينما الأجزاء الأخرى مشحونة سلبًا.
تنتج هذه المواد شحنة كهربائية عندما تتغير أبعاد المادة نتيجة لقوة خارجية مفروضة.
يشار إلى الشحنة المنتجة باسم الكهرباء الضغطية.
العديد من المواد البلورية مثل البلورات الطبيعية من الكوارتز والروشيل المملح مع السيراميك متعدد البلورات المصنعة مثل تيتانات الرصاص الزركونيت وتيتانات الباريوم تظهر تأثيرات كهرضغطية.
يتم استخدام المواد الكهروإجهادية كصوتات داخل أجهزة الاستدعاء، والمنظفات فوق الصوتية والهواتف المحمولة، وفي مشعلات الغاز.
بالإضافة إلى ذلك، هذه المستشعرات الكهروإجهادية قادرة على تحويل الضغط أو القوة أو الاهتزاز أو الصدمة إلى طاقة كهربائية.
كونها قادرة فقط على قياس الأحداث النشطة، يتم استخدامها أيضًا في عدادات التدفق، وأجهزة قياس التسارع وكاشفات المستوى، وكذلك السيارات لاستشعار التغيرات في ناقل الحركة وحقن الوقود وضغط المبرد.
عندما يضغط الجهد أو المجال الكهربائي المطبق على عنصر بيزو كهربائيًا ، تتغير أبعاده.
تُعرف هذه الظاهرة باسم الكهربائي، أو التأثير الكهروإجهادي العكسي.
يمكّن هذا التأثير العنصر من العمل كجهاز ترجمة يسمى مشغل.
يتم استخدام المواد الكهروإجهادية في مشغلات الطاقة، وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، وفي محولات الطاقة الصوتية، وتحويل المجالات الكهربائية إلى موجات صوتية.
المغناطيسية:
إن أكثر تطبيقات المغناطيسية إفادةً ونفعًا هي في إنتاج الطاقة الكهربائية.
يتم توفير الطاقة الميكانيكية اللازمة للمساعدة في هذا الإنتاج من خلال عدد من المصادر المختلفة.
تسمى هذه المصادر المحرك الأساسي، وتشمل محركات الديزل والبنزين والغاز الطبيعي.
الفحم والنفط والغاز الطبيعي والكتلة الحيوية والطاقة النووية هي مصادر الطاقة التي يتم استخدامها لتسخين المياه لإنتاج البخار فائق التسخين.
تشمل المحركات الأولية غير الميكانيكية الماء والبخار والرياح وحركة الأمواج وتيار المد والجزر.
تشغل هذه المحركات الأولية غير الميكانيكية توربينًا مقترنًا بمولد.
تقوم المولدات التي تستخدم مبدأ الحث الكهرومغناطيسي بالتحويل النهائي لمصادر الطاقة هذه.
من أجل القيام بذلك، يجب أن تكون هناك ثلاثة شروط ضرورية قبل أن يتم إنشاء الجهد عن طريق المغناطيسية: الحركة والموصلات والمجال المغناطيسي.
وفقًا لهذه الظروف، عندما يتحرك موصل أو موصلات عبر مجال مغناطيسي لقطع خطوط القوة، يتم تمكين الإلكترونات من الدخول إلى نطاق التوصيل وبالتالي إحداث ضغط كهربائي لإنتاج تيار متناوب في دائرة خارجية.
يمكن الإشارة إلى هذا على أنه مولد أولي، يتكون من حلقة سلكية واحدة تسمى المحرك مع توصيل كل طرف بحلقات منزلقة وترتيبها بحيث تدور في منتصف الطريق بين القطبين المغناطيسيين.
تتصل فرشتان من النحاس الجرافيت بالدائرة الخارجية على الحلقات المنزلقة من أجل جمع التيار المتناوب، المتولد في الموصل عند تشغيل المولد.
آلة أخرى تستخدم لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية عن طريق الحث الكهرومغناطيسي تسمى دينامو أو مولد تيار مباشر.
التسميات
كهرباء