هندسة ا لكهرباء ومجالاتها والطاقه المستقبلية

[سائر في ربى الزمن]

ما هي الكهرباء؟
حسب النظرية المكروسكوبية (المجهرية) التي قدمها هندريك انطوان لونتز سنة 1895,(1853-1928)فان الكهرباء هي الطاقة التي تخلقها حركة الالكترونات في جسم موصل.

ومن هذه الحركة يتولد التيار الكهربائي.ويمكن ان يتولد تيار كهربائي ,ايضا ,نتيجة فصل الكترونات عن ذرتها عن طريق الاحتكاك او الحرارة او المفعول الكيماوي ("قصف"تلك الالكترونات بالكترونات اخرى).وهنالك عناصر "تخلي سبيل " ذراتها دون ان يتطلب ذلك جهدا كبيرا:انها الموصلات (النحاس,الفضة,الالومنيوم).اما الهواء وبعض المواد مثل الزجاج والمطاط ,فهي عازلة .

تتولد الكهرباء عن الديناموات (مولدات).والدينامو عبارة عن وشيعة يلتف حولها سلك موصل , وتدور بين قطبين مغناطيسيين.

وقد قام فاردي بتجربة,في هذا المضمار,سنة1831 وقد قام وشيعة (من الصنف المذكور ) من حقل مغناطيسي ,ثم يبعدها عنه بالتناوب. والتربينه البخارية هي الاداه المستعملة غالبا لجعل الديناموات تدور. والتربينات الهيدروليكية هي التي تشغل المحطات الموجودة قرب الشلالات او السدود كما ان عدد المحطات النووية المعتمدة بدورها لنفس الهدف,في تزايد مستمر.ويستعمل الفحم والمازوت عادة لتسخين ماء التربينات البخارية
ولكن الجانب السلبي في هذا يتمثل في كونهما يلوثان الهواء. اضافة الى هذا فان معدل ما يستهلك منهما الان يجعلنا نستخلص انهما سيستنفذان بعد حوالي قرنين. فما هو الحل الذي سيتم اللجوء اليه اذاك؟

لا شك ان المشروع الذي اشرنا اليه سينجز,ولكن ذالك لن يتم في وقت قريب وبالتالي فلن تتوافر 20000 مليار من الكيلوواطات (ضعف القدر الضروري الان) سنة 2000,بهذه الطريقة التي ما تزال تنتمي الى مجال التصور الذهني. بالنظر الى كل هذا,صيغت مشاريع اخرى,وهي الان قيد الدرس.وهناك واحد من بينها يقتضي استعمال الطاقة الناتجة عن المد. بل ان هناك مصنعا يشتغل بهذه الطاقة في فرنسا (يشرف على مصب "الرانس" ببريطانيا)وينتج حوالي 30000كيلوواط.

تاريخ الكهرباء:

اصل كلمة كهرباء العربية كهربا ( وهو صمغ شجرة اذا حك صار يجذب التبن نحوه).

فالكهرباء الإستاتيكية (السكونية)هي اول ما عرف من اشكال الكهرباء . ويمكن بالفعل ان تتولد

اذا ما حكت قطعة راتنج (مادة صمغية تنتجها بعض النباتات ) شبيهة بالعنبر...

بعد ذلك بمائة وثلاثين سنة . الانجليزي ستيفن غراي (1670-1736) جمع لائحة تتضمن اسماء العناصر الموصلة والعناصر العازلة للكهرباء .وفي 1733,اكتشف الفرنسي شارل دوفاي 1698-1733وجود شحنة كهربائية موجبة واخرى سالبة:ان الشحنتين من طبيعة واحدة تتنابذان, وشحنتين متعارضتين تتجتذبان.

كانت اول بطارية كهربائية هي "قنينة ليد "(وليد هو اسم المدينة الهولندية التي اخترعت فيها).تلك كانت قنينة مليئة بالماء سدادتها الزجاجية يخترقها مسمار يطال السائل.وعن طريق المسمار ,تبث شحنة في الماء المعزول داخل الزجاج.فاذا احدث تماس بين المسمار وموصل اخر تنتج عن ذلك شرارة.

وفي 1752,تمكن الامريكي بنجامين فرنكلين 1706-1790,في وقت كانت خلاله السماء تبرق وترعد,من توجيه البرق في لحظة ما الى قنينة ليد,باستعال طيارة ورقية,مبرهنا بذلك على كون العواصف الرعدية من طبيعة كهربائية.وتوالت التجارب والاكتشافات بسرعة.فصنع الكسندر فولتا اول بطارية كيميائية (حوالي 1800),اذا راكم اسطوانات من فضة واخرى من توتياء ،تفصل بينهما حلقات من ورق مقوى مشرب بالماء المالح.

وفي سنة 1820,ابرز الدنيماركي ويرستد (1777- 1851) ان هناك علاقات وثيقة بين الكهرباء والمغناطيسية. وذلك ما اكده اندري ماري امبير,اذ اوضح ان لقضيب فولاذي ممغنط نفس خصائص الوشيعة المكهربة. وقد اخترع هذا الاخير,"المقياس الغلفاني" لقياس قوة التيار. وفي 1826,فسر غ. س. اوم (1787-1854) ظاهرة ايصال اجسام صلبة للكهرباء,ووضع تعريفا للجهد الكهربائي(=قوة دافعة كهربائية),ومفعوله على الموصلات.

وفي 1864,قدم ماكسويل 1831-1879,في نظريته الكهرطيسية,تركيبا لكل المعارف المتعلقة بالكهرباء. واخيرا,قدم البرت انشتاين تفسيرا لمجمل الظواهر الكهرطيسية في اطار نظريته النسبية.

الطاقة الكهربائية في المستقبل!

يعود30%من المنتوج الكهربائي العالمي الى الولايات المتحدة(أي انها تنتج 2356 مليار كيلووات)وهي تملك المحطة الكهربائية الثانية في العالم من حيث الاهمية(سد"غراند كوليه" طاقته: 9,8 ميغاوات) بعد محطة ايتايبو (البرازيل, البراغواي),التي تشتغل منذ 1982 وتنتج 12,6 ميغاواط.وفي 1987 كان الاتحاد السوفيتي(ولم يكن بعد قد انقسم الى دول عديدة) يحتل المرتبة الثالثة(سعة:1295 مليار كيلووات).وهناك عدد من الدول يزداد فيها استهلاك الكهرباء بنسبة اكبر من تلك التي يزداد بها في الولايات المتحدة.ومع هذا, يتوقع ان يستغل في هذه الدول ربع المنتوج العالمي ,سنة 2000.

ان التطور التكنولوجي يمكن من سد الإحتياجات الانية في هذا المضمار.ولكن لن تتفاقم ازمة الطاقة بشكل مقلق قبل القرن الواحد والعشرين.الا ان الوقت والمال اللازمين لتحقيق المشاريع المشار اليها اعلاه يحسبان بالعقود وبالملايير.والكثير من الخبراء في هذا المجال يرون انه من الواجب الشروع في معالجة المشكل الان,قبل ان يفوت الاوان.

الكهرباء احد اكثر مصادر الطاقة وفرة.فهي موجودة في كل شئ.وتمدنا الكهرباء بالحرارة والضوء. وهي التي تسبب القوة المحركة للمحركات التي تسير القاطرات والشاحنات والمعدات الالية.

وبدون الكهرباء لن يكون لدينا راديو او تلفزيون او تلفون .

ما هي الكهرباء؟
الكهرباء هي قوة موجودة في جميع المواد الصلبةوالسائلة والغازية.تتكون المادة من ذرات (اصغر جسيمات يمكن ان ينقسم اليها أي شيء).وتحتوي حبة الرمل الواحدة على الاف الملايين من الذرات .والجزء الخارجي من الذرة يحتوي على جسيم(او اكثر)يسمى الكترونا.اما في داخل الذرة,عند المركز فتوجد نواة صغيرة تتكون من جسيمات تسمى بروتونات ونيوترونات.

الالكترونات والبروتونات :

يفترض ان الالكترونات عليها "شحنة سالبة"وان البروتونات عليها "شحنة موجبة".وفي العادة يتساوى عدد الالكترونات مع عدد البروتونات .لكن في بعض المواد,خصوصا الفلزات ,تكون للذرات الكترونات لها حرية الحركة فيما بين الذرات .

التيار الكهربائي:

ان الكهرباء التي نستخدمها في التسخين والاضاءة والاغراض الاخرى تسمى "تيار كهربيا". يسري التيار الكهربائي في اسلاك الفلز على هيئة الكترونات تتحرك بين ذرات الفلز وكل الكترون له شحنة كهربية.ومع تحرك الاكترونات تتنتقل الشحنات على طول السلك بسرعة عالية جدا.

المولدات الكهربائية

هنالك طريقتان رئيسيتان للحصول على التيار الكهربائي أولهما توليده في بطارية من تفاعلات كيماوية والثانية إنتاجه بالتأثير أو الحث الكهرمغنيطي باستخدام اله تدور ملفا في مجال مغنطيسي (أو تدور مغنطيسا في ملف سلكي )وهذه الإله تسمى مولدا كهربائيا (والصغير منها يسمى أحيانا دينمو) واسهل طريقه لتطبيق هذا المبدأ عمليا هي تدوير ملف سلكي بين قطبين مغنطيس دائم وهذا في الواقع هو ما فعله فإرادي عام1831 وليس من المبالغة القول أن نمط حضارتنا الحالية وطرق المعيشية تعتمد إلى حد بعيد على اكتشافه ذالك فبدون الكهرباء تعدم وسائل الحياة العصرية فلا أناره ولا تدفئه ولا وسائل ترفيه ولا.....إلخ!




*الهندسة الكهربائية:
هندسة الكهرباء تطلق على مجاﻻت الهندسة التي تهتم بالكهرباء والإلكترونيات والكهرومغناطيسية، وتطبيقاتها. تشمل الهندسة الكهربائية أيضا كلا من: إنتاج الطاقة الكهربية، ونقلها، واستخدام الأجهزة الكهربية في الحسابات، التواصل، القياسات والتحكم.
*مجالات هندسة الكهرباء:
التقسيم الكلاسيكي للهندسة الكهربائية كان هندسة التيار العالي والتي تعرف اليوم بهندسة الطاقة و هندسة المحركات والقسم الاخر هندسة التيار المنخفض والتي تطورت لتصبح هندسة الاتصاﻻت. اضافة إلى ذلك فقد اوجدت مجاﻻت هندسية جديدة في اطار هندسة الكهرباء ومنها هندسة القياسات، هندسة التحكم و الالكترونيات. ومع الوقت وازدياد التطور فقد اضيف لكل فرع من هذه الفروع العديد من المجاﻻت الجديدة، وفي يومنا هذا اصبح من الصعب الاستغناء عن المعدات الكهربائية في معضم مجاﻻت الحياة.
*هندسة الطاقة:
تهتم هندسة الطاقة بإنتاج ونقل وتحويل الطاقة الكهربائية وتقنية الضغط العالي. في معظم الاحوال تنتج الطاقة الكهربية عن طريق تحويل طاقة الدوران الميكانيكي عن طريق المولدات إلى طافة كهربائية. كما تهتم هندسة الطاقة بنطاق استهلاك الطاقة الكهربية. اريد أكثر معلومات على الطاقة الكهربائية0
*هندسة المحركات:
تعمل هندسة المحركات على تحويل الطاقة الكهربائية بواسطة ماكينات كهربائية إلى طاقة ميكانيكية. وتعتبر هندسة المحركات ذات اهمية عالية لتقنيات الاتمته حيث ان الكثير من الحركات الميكانيكية يتم تشغيلها كهربائيا. وتلعب الهندسة الالكترونية دورا مهما في اطار هندسة المحركات، من ناحية في مجال التحكم بالمحركات، ومن ناحية اخرى في مجال تخفيض الاستهلاك الكترونيا. و المحركات الكهربائية المعروفة تعمل على استخدام قطبين كهربائين و ركيزة مركزية فتبدأ الركيزة بالدوران عند تضاد القطبين .
*هندسة الاتصاﻻت:
بمساعدة هندسة الاتصالات يتم نقل المعلومات عن طريق النبضات الكهربية او الموجات الكهرومغناطيسية من المرسل إلى مستقبل واحد او عدة مستقبلين. ومن اهتمامات هندسة الاتصاﻻت ايصال المعلومة مع اقل قدر من الخسائر في البيانات، وكذلك ايضا نظم معالجة الاشارات كالتشفير، فك التشفير والتنقية.
*الهندسة الإلكترونية:
تهتم الهندسة الإلكترونية بتطوير وتصنيع واستخدامات المكونات الالكترونية مثل مكثف، مستحث وعناصر اشباه الموصلات كالصمام الثنائي والترانزيستور.
المايكرو إلكترونيك، أحد فروع الهندسة الإلكترونية التي تهتم بتطوير الدوائر المتكاملة (IC) من المواد أشباه الموصلات. مثال على الدوائر المتكاملة: المعالجات.
ان المكثف و الملف ليسوا قطع الكترونية و انما قطع كهربائية.
*الأتمتة و هندسة التحكم:
تقوم الأتمتة على توضيف تقنيات التحكم والقياس والتقنية الرقمية لتحويل خطوات العمل اليدوية إلى ذاتية التحكم. وتعتبر هندسة التنظيم أحد أهم فروع الاتمتة حيث تستخدم على سبيل المثال في تثبيت عدد دورات المحركات الكهربية، او في انظمة الطيار الالي و ايضا في انظمة الثبات في السيارة مثل ESP لمنع الانزﻻق، وكذلك التحكم بحرارة الثلاجات المنزلية، ومراقبة العمليات الصناعية. وقد تجعل الاتمتة من خواص نظام القدرة الكهربائية حيث يتم التحكم بجميع عناصر شبكة القدرة من محولات ومولّدات وأجهزة حماية وأنظمة قياس عن بعد وبطريقة آلية.
*الهندسة الكهربائية النظرية:
تقوم الكهربائية النظرية بايصال القواعد النظرية و الاوصاف والشوحات الفيزيائية المستفادة من علم الكهرباء. وتنقسم إلى عدة اقسام منها نظرية الفيض لنقاش معادﻻت ماكسويل و نظرية الدوائر لتحليل الدوائر الكهربائية.
*تاريخ واعلام الهندسة الكهربائية:
ابتدا فصل الهندسة الكهربائية عن الفيزياء في زمن توماس اديسون و فيرنر فون سيمنس وفي بادئ الامر كانت كل الاكتشافات والاختراعات تتعلق بالشحنة. في عام 1752 اخترع بينيامين فرانكلين موصلة الصواعق و نشر بين 1751 و 1753 نتائج تجاربه تحت عنوان “تجارب ومشاهدات عن الكهرباء” (Experiments and Observations on Electricity) . في العام 1800 قام الكساندر فولتا ببناء بطاريته الاولى المسماة “عمود فولتا”

[مصمم راقي]

شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك ... لك مني أجمل تحية .