📄 اطبع pdf
00971504825082
استخدام الطاقة الكهربائية

الطاقة والقدرة

عند تطبيق فرق جهد في دائرة فإن القوة المحركة الكهربائية للبطارية تعمل على بذل شغل على الشحنات
وتعطيها طاقة كهربائية
وهذه الطاقة يتم صرفها في المقاومات
مرور التيار في المقاومة يعمل على رفع درجة حرارتها نتيجة التصادم بين حاملات الشحن وذرات المقاوم المهتزه
وتفقد الشحنات جزء من الطاقة داخل المقاوم \[E=q.∆V\]\[P=\frac{E}{t}=\frac{q.∆V}{t}=I.∆V\]
وحسب قانون أوم \[I=\frac{∆V}{R}\]\[P=\frac{∆V}{R}.∆V=\frac{∆V^2}{R}\]
وحسب قانون أوم
\[∆V=I.R\]\[P=I.I.R=I^2.R\]
\[P=\frac{E}{t}=I.∆V=
\frac{∆V^2}{R}=I^2.R\]


في هذة المحاكاة دائرة تحتوي على مقاومة أومية ويتم حساب القدرة والطاقة

\[1 \star\]
\[2 \star\]
الموصلات فائقة التوصيل
تقنية المستقبل لنقل الكهرباء دون فقدان الطاقة
ما هي الموصلات فائقة التوصيل؟
الموصل فائق التوصيل هو مادة تصل مقاومتها الكهربائية إلى الصفر المطلق عند تبريدها إلى درجة حرارة حرجة معينة، مما يسمح بتدفق التيار الكهربائي دون أي فقدان للطاقة.
مقاومة صفرية
تصل مقاومتها الكهربائية إلى الصفر، مما يعني عدم وجود فقدان للطاقة أثناء التوصيل.
درجات حرارة منخفضة
يجب تبريدها إلى أقل من 100 كلفن (-173°C) للوصول لحالة التوصيل الفائق.
تيار غير محدود
لا توجد قيود على شدة التيار الذي يمكن أن تحمله الموصلات فائقة التوصيل.
عدم توليد حرارة
لا تنتج حرارة أثناء التوصيل لأن الطاقة لا تتحول إلى طاقة حرارية.
بما أن معدل تحويل الطاقة في موصل عادي يُحسب بناتج ضرب IΔV (التيار × فرق الجهد)، والموصل الفائق ليس له فرق جهد (ΔV = 0)، فإنه يمكنه توصيل الكهرباء بدون تحولات إلى الطاقة الحرارية.
التطبيقات العملية
التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)
تُستخدم الموصلات فائقة التوصيل في صنع مغناطيسات قوية لأجهزة التصوير الطبي بالرنين المغناطيسي، مما يسمح بالحصول على صور دقيقة للجسم.
نقل الطاقة الكهربائية
في المستقبل، قد تنقل كابلات التوصيل الفائق الطاقة الكهربائية إلى المدن من محطات توليد الطاقة البعيدة دون فقدان الطاقة.
ما مقدار المقاومة في الموصل فائق التوصيل؟
المقاومة في الموصل فائق التوصيل تساوي صفر، مما يعني أنه لا يوجد فقدان للطاقة أثناء مرور التيار الكهربائي.
توفير الطاقة الكهربائية
تولّد محطات الطاقة الكهربائية كمية ضخمة من الطاقة يتم نقلها عادة عبر مسافات طويلة لتصل إلى المنازل والمصانع. يتم فقدان جزء من هذه الطاقة أثناء النقل بسبب مقاومة الأسلاك.
فقدان الطاقة في الأسلاك التقليدية
تُحسب الطاقة المفقودة (فاقد الحرارة الجولي) بالمعادلة:
P = I²R
حيث:
P = الطاقة المفقودة (واط)
I = التيار الكهربائي (أمبير)
R = المقاومة (أوم)
لتقليل تحويل الطاقة إلى حرارة، يجب تقليل إما التيار الكهربائي (I) أو المقاومة (R). الموصلات فائقة التوصيل تحل هذه المشكلة بالكامل لأن مقاومتها (R) تساوي صفر.
مثال عملي: الأسلاك النحاسية التقليدية
السلك السميك المستخدم لنقل تيار كهربائي إلى منزل له مقاومة تبلغ 0.20 أوم لكل 1 كم من السلك.
إذا كان منزل في مزرعة متصلاً مباشرة بمحطة طاقة تبعد مسافة 3.5 كم، فإن المقاومة الكلية في الأسلاك تكون:
\[R=2×(3.5× 0.2)=1.4 Ω\]
هذه المقاومة تتسبب في فقدان جزء من الطاقة الكهربائية على شكل حرارة أثناء النقل. باستخدام الموصلات فائقة التوصيل، يمكن التخلص من هذا الفقد تمامًا.
تقليل الفقد في خطوط نقل الكهرباء
كيف نحد من تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية مهدرة في شبكات النقل
المشكلة: الفقد الحراري في خطوط النقل
عند نقل الطاقة الكهربائية عبر المسافات الطويلة، تتحول جزء من الطاقة إلى طاقة حرارية بسبب مقاومة الأسلاك، مما يؤدي إلى هدر كبير في الطاقة المنقولة.
ملاحظة هامة
التحول الحراري للطاقة يتناسب مع مربع التيار (I²) في الموصلات، مما يجعل تقليل التيار أكثر فعالية من تقليل المقاومة لتقليل الفقد.
الحلول الممكنة
تقليل المقاومة
استخدام كابلات ذات توصيلية عالية ونصف قطر كبير لتقليل المقاومة. لكن هذه الكابلات:
- باهظة الثمن
- ثقيلة الوزن
- تتطلب دعامات أقوى
تقليل التيار
تقليل التيار المار في الخطوط مع الحفاظ على القدرة المنقولة، وذلك عن طريق:
- زيادة الجهد (الفولتية)
- تخفيض الفقد الحراري (I²R)
- تحقيق كفاءة أعلى للنقل
P = I × V
حيث P هي القدرة المنقولة، I التيار، و V الجهد. عند الحفاظ على القدرة ثابتة، زيادة الجهد تؤدي إلى تقليل التيار.
التطبيق العملي
تستخدم خطوط النقل لمسافات طويلة فولتيات عالية جداً تتجاوز 500,000 فولت لتقليل التيار وبالتالي تقليل الفقد الحراري.
رحلة الكهرباء من المحطة إلى المنزل
محطة التوليد
11,000 - 33,000 V
جهد توليد عالي
خطوط النقل الرئيسية
132,000 - 500,000+ V
جهد عالي جداً لتقليل الفقد
محطات التوزيع
2,400 - 33,000 V
تخفيض الجهد للتوزيع المحلي
المنازل والاستخدامات
120 - 240 V
جهد آمن للاستخدام المنزلي
تأكد من فهمك
فسر كيف يتم تحويل التيار في خطوط النقل لتقليل التحولات إلى طاقة حرارية.
الإجابة: يتم رفع الجهد في محطات التحويل قبل نقل الكهرباء عبر المسافات الطويلة، مما يقلل التيار مع الحفاظ على القدرة المنقولة. وبما أن الفقد الحراري يتناسب مع مربع التيار (I²R)، فإن تقليل التيار يؤدي إلى تقليل كبير في الطاقة المهدورة كحرارة في خطوط النقل.
نقل الطاقة
توجد المحطات ( خارج المدينة )
يتم نقل الطاقة من المحطة إلى المدينة عبر شبكة أسلاك
ويحدث ضياع في الطاقة أثناء النقل وبالتالي هناك قدرة
مفقودة

نقل الطاقة الكهربائية
نقل الطاقة من المحطة إلى المدينة
المبدأ العلمي
تعتمد عملية نقل الطاقة على قانون حفظ الطاقة:
Pالمرسل = Pمفقود + Pالواصل
القوانين الأساسية:
- قانون أوم: V = I × R
- قانون جول للطاقة الضائعة: Ploss = I² × R
- معادلة القدرة: P = V × I
محاكاة نقل الطاقة
200 kV
الطاقة الضائعة: 0 MW
كفاءة النظام: 0%
التطبيقات العملية
- استخدام محولات رفع الجهد في محطات التوليد
- تصميم خطوط النقل بموصلات سميكة من النحاس أو الألمنيوم
استنتاجات
من خلال المعادلة\[ P_{loss} = I²R \]نلاحظ أن:
- الطاقة الضائعة تتناسب طرديًا مع مربع التيار
- رفع الجهد يقلل التيار مع الحفاظ على القدرة المنقولة
- تحسين كفاءة النظام بنسبة تصل إلى 95% باستخدام الجهد العالي
الطاقة الضائعة
\[E=P. t\]
القدرة الضائعة
\[P=\frac{E}{t}=I^2.R\]
حتى نقلل من الطاقة أو لقدرة الضائعة يجب تخفيض شدة التيار وتخفيض المقاومة
أولا : تخفيض المقاومة
نقلل من المقاومة باستخدام أسلاك ذات مساحة مقطع كبير لأن المقاومة تتناسب عكسيا مع المقاومة
\[R \propto\frac{1}{A}\]
ونستخدم أسلاك ذات مقاومة نوعية منخفضة مثل النحاس
ثانيا : تقليل شدة التيار
يتم أستخدام محولات
رافعة للجهد خافضة للتيار عند المحطة
وعند المدينة خافضة للجهد رافعة للتيار

التكلفة المدفوعة
تحاسب شركة الكهرباء الزبائن على الطاقة المصروفة
\[E=P.t\]
حتى لا تخرج الأرقام فلكية قررت الشركة أن تحسب الطاقة بوحدة كيلو وات ساعة
\[E(KW.h) =P (KW).t(h) \]
\[1 KW.h=1×1000W×3600 S=3.6×10^6 W.S=3.6×10^6 J\]
وحددت الشركة سعر الكيلو وات ساعة
( 0.3 DH ) = مثلا في دولة الامارات سعر 1 كيلو وات . ساعة
بذلك تكون التكلفة المدفوعة
التكلفة = الطاقة المصروفة بوحدة كيلوات ساعة × سعر 1 كيلو وات ساعة
مثال محلول
مكيف هواء يمر به تيار شدته
\[10 A\]
ويعمل تحت فرق جهد
\[220 V\]
إحسب التكلفة المدفوعة لعمل المكيف لمدة شهر كامل علما بأنه يعمل المكيف 15 ساعة يوميا
وسعر 1كيلو وات ساعة يعادل
\[(0.3 DH )\]
الحل
\[p=I.∆V=10×220=2200 W=2.2 KW\]
\[t= 30 ×15=450 h\]
\[E= P. t =2.2×450=990 KW.h\]
التكلفة = الطاقة المصروفة بوحدة كيلوات ساعة × سعر 1 كيلو وات ساعة
\[Paid- price=990 × 0.3=297 DH\]
حل المسائل الكتاب
المسألة 31: السخان الكهربائي
يمر تيار كهربائي في سخان كهربائي شدته
\[ 15.0 A\]
من مصدر كهرباء
\[120 V\]
ويتم تشغيله، في المتوسط، لمدة
\[5.0 h \]
كل يوم.
أ) ما مقدار القدرة التي يستخدمها السخان؟
ب) ما مقدار الطاقة بوحدة kWh التي يستهلكها في 30 يومًا؟
ج) ذا كان صاحب السخان يدفع 0.30 درهمًا إماراتيًا لكل كيلو وات ساعة فكم يتكلف لتشغيل السخان لمدة
30 يومًا؟
المسألة 32: الساعة الرقمية
ساعة رقمية مقاومتها
\[ 12.000 Ω \]
وهي متصلة بمأخذ كهرباء
\[115 V\]
أ) كم مقدار التيار الذي تسحبه؟
ب) كم مقدار القدرة التي تستخدمها؟
ج) إذا كان صاحب الساعة يدفع 0.30 درهمًا إماراتيًا لكل كيلو وات ساعة فكم يتكلف لتشغيل الساعة لمدة
30 يومًا؟
المسألة 33: بطارية السيارة
بطارية سيارة يمكن أن تُنتج
\[ 55 A \]
بمعدل
\[ 12 V\] لمدة
\[ 1.0 h\]
وتتطلب 1.3 ضعف مثل الطاقة لإعادة الشحن بسبب كفاءتها الأقل من المثالية. كم المدة التي ستستغرقها لشحن البطارية باستخدام تيار
\[7.5 A\]
؟ افترض أن فولتية الشحن هي نفس فولتية تفريغ الشحن.
🧮 Calculator
🗑️
✏️ قلم
استخدام الطاقة الكهربائية |
عند تطبيق فرق جهد في دائرة فإن القوة المحركة الكهربائية للبطارية تعمل على بذل شغل على الشحنات
وتعطيها طاقة كهربائية
وهذه الطاقة يتم صرفها في المقاومات
مرور التيار في المقاومة يعمل على رفع درجة حرارتها نتيجة التصادم بين حاملات الشحن وذرات المقاوم المهتزه
وتفقد الشحنات جزء من الطاقة داخل المقاوم \[E=q.∆V\]\[P=\frac{E}{t}=\frac{q.∆V}{t}=I.∆V\] وحسب قانون أوم \[I=\frac{∆V}{R}\]\[P=\frac{∆V}{R}.∆V=\frac{∆V^2}{R}\] وحسب قانون أوم \[∆V=I.R\]\[P=I.I.R=I^2.R\]
في هذة المحاكاة دائرة تحتوي على مقاومة أومية ويتم حساب القدرة والطاقة
الموصلات فائقة التوصيل
تقنية المستقبل لنقل الكهرباء دون فقدان الطاقة
ما هي الموصلات فائقة التوصيل؟
الموصل فائق التوصيل هو مادة تصل مقاومتها الكهربائية إلى الصفر المطلق عند تبريدها إلى درجة حرارة حرجة معينة، مما يسمح بتدفق التيار الكهربائي دون أي فقدان للطاقة.
تصل مقاومتها الكهربائية إلى الصفر، مما يعني عدم وجود فقدان للطاقة أثناء التوصيل.
يجب تبريدها إلى أقل من 100 كلفن (-173°C) للوصول لحالة التوصيل الفائق.
لا توجد قيود على شدة التيار الذي يمكن أن تحمله الموصلات فائقة التوصيل.
لا تنتج حرارة أثناء التوصيل لأن الطاقة لا تتحول إلى طاقة حرارية.
بما أن معدل تحويل الطاقة في موصل عادي يُحسب بناتج ضرب IΔV (التيار × فرق الجهد)، والموصل الفائق ليس له فرق جهد (ΔV = 0)، فإنه يمكنه توصيل الكهرباء بدون تحولات إلى الطاقة الحرارية.
التطبيقات العملية
تُستخدم الموصلات فائقة التوصيل في صنع مغناطيسات قوية لأجهزة التصوير الطبي بالرنين المغناطيسي، مما يسمح بالحصول على صور دقيقة للجسم.
في المستقبل، قد تنقل كابلات التوصيل الفائق الطاقة الكهربائية إلى المدن من محطات توليد الطاقة البعيدة دون فقدان الطاقة.
المقاومة في الموصل فائق التوصيل تساوي صفر، مما يعني أنه لا يوجد فقدان للطاقة أثناء مرور التيار الكهربائي.
توفير الطاقة الكهربائية
تولّد محطات الطاقة الكهربائية كمية ضخمة من الطاقة يتم نقلها عادة عبر مسافات طويلة لتصل إلى المنازل والمصانع. يتم فقدان جزء من هذه الطاقة أثناء النقل بسبب مقاومة الأسلاك.
فقدان الطاقة في الأسلاك التقليدية
تُحسب الطاقة المفقودة (فاقد الحرارة الجولي) بالمعادلة:
حيث:
P = الطاقة المفقودة (واط)
I = التيار الكهربائي (أمبير)
R = المقاومة (أوم)
لتقليل تحويل الطاقة إلى حرارة، يجب تقليل إما التيار الكهربائي (I) أو المقاومة (R). الموصلات فائقة التوصيل تحل هذه المشكلة بالكامل لأن مقاومتها (R) تساوي صفر.
مثال عملي: الأسلاك النحاسية التقليدية
السلك السميك المستخدم لنقل تيار كهربائي إلى منزل له مقاومة تبلغ 0.20 أوم لكل 1 كم من السلك.
إذا كان منزل في مزرعة متصلاً مباشرة بمحطة طاقة تبعد مسافة 3.5 كم، فإن المقاومة الكلية في الأسلاك تكون:
هذه المقاومة تتسبب في فقدان جزء من الطاقة الكهربائية على شكل حرارة أثناء النقل. باستخدام الموصلات فائقة التوصيل، يمكن التخلص من هذا الفقد تمامًا.
تقليل الفقد في خطوط نقل الكهرباء
كيف نحد من تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية مهدرة في شبكات النقل
المشكلة: الفقد الحراري في خطوط النقل
عند نقل الطاقة الكهربائية عبر المسافات الطويلة، تتحول جزء من الطاقة إلى طاقة حرارية بسبب مقاومة الأسلاك، مما يؤدي إلى هدر كبير في الطاقة المنقولة.
ملاحظة هامة
التحول الحراري للطاقة يتناسب مع مربع التيار (I²) في الموصلات، مما يجعل تقليل التيار أكثر فعالية من تقليل المقاومة لتقليل الفقد.
الحلول الممكنة
تقليل المقاومة
استخدام كابلات ذات توصيلية عالية ونصف قطر كبير لتقليل المقاومة. لكن هذه الكابلات:
- باهظة الثمن
- ثقيلة الوزن
- تتطلب دعامات أقوى
تقليل التيار
تقليل التيار المار في الخطوط مع الحفاظ على القدرة المنقولة، وذلك عن طريق:
- زيادة الجهد (الفولتية)
- تخفيض الفقد الحراري (I²R)
- تحقيق كفاءة أعلى للنقل
حيث P هي القدرة المنقولة، I التيار، و V الجهد. عند الحفاظ على القدرة ثابتة، زيادة الجهد تؤدي إلى تقليل التيار.
التطبيق العملي
تستخدم خطوط النقل لمسافات طويلة فولتيات عالية جداً تتجاوز 500,000 فولت لتقليل التيار وبالتالي تقليل الفقد الحراري.
رحلة الكهرباء من المحطة إلى المنزل
تأكد من فهمك
فسر كيف يتم تحويل التيار في خطوط النقل لتقليل التحولات إلى طاقة حرارية.
الإجابة: يتم رفع الجهد في محطات التحويل قبل نقل الكهرباء عبر المسافات الطويلة، مما يقلل التيار مع الحفاظ على القدرة المنقولة. وبما أن الفقد الحراري يتناسب مع مربع التيار (I²R)، فإن تقليل التيار يؤدي إلى تقليل كبير في الطاقة المهدورة كحرارة في خطوط النقل.
توجد المحطات ( خارج المدينة ) يتم نقل الطاقة من المحطة إلى المدينة عبر شبكة أسلاك ويحدث ضياع في الطاقة أثناء النقل وبالتالي هناك قدرة مفقودة
نقل الطاقة من المحطة إلى المدينة
المبدأ العلمي
تعتمد عملية نقل الطاقة على قانون حفظ الطاقة:
Pالمرسل = Pمفقود + Pالواصل
القوانين الأساسية:
- قانون أوم: V = I × R
- قانون جول للطاقة الضائعة: Ploss = I² × R
- معادلة القدرة: P = V × I
محاكاة نقل الطاقة
200 kV
الطاقة الضائعة: 0 MW
كفاءة النظام: 0%
التطبيقات العملية
- استخدام محولات رفع الجهد في محطات التوليد
- تصميم خطوط النقل بموصلات سميكة من النحاس أو الألمنيوم
استنتاجات
من خلال المعادلة\[ P_{loss} = I²R \]نلاحظ أن:
- الطاقة الضائعة تتناسب طرديًا مع مربع التيار
- رفع الجهد يقلل التيار مع الحفاظ على القدرة المنقولة
- تحسين كفاءة النظام بنسبة تصل إلى 95% باستخدام الجهد العالي
أولا : تخفيض المقاومة
نقلل من المقاومة باستخدام أسلاك ذات مساحة مقطع كبير لأن المقاومة تتناسب عكسيا مع المقاومة \[R \propto\frac{1}{A}\] ونستخدم أسلاك ذات مقاومة نوعية منخفضة مثل النحاس ثانيا : تقليل شدة التيار
يتم أستخدام محولات
رافعة للجهد خافضة للتيار عند المحطة
وعند المدينة خافضة للجهد رافعة للتيار
التكلفة المدفوعة
تحاسب شركة الكهرباء الزبائن على الطاقة المصروفة
\[E=P.t\]
حتى لا تخرج الأرقام فلكية قررت الشركة أن تحسب الطاقة بوحدة كيلو وات ساعة
\[E(KW.h) =P (KW).t(h) \]
\[1 KW.h=1×1000W×3600 S=3.6×10^6 W.S=3.6×10^6 J\]
وحددت الشركة سعر الكيلو وات ساعة
( 0.3 DH ) = مثلا في دولة الامارات سعر 1 كيلو وات . ساعة
بذلك تكون التكلفة المدفوعة
التكلفة = الطاقة المصروفة بوحدة كيلوات ساعة × سعر 1 كيلو وات ساعة
مكيف هواء يمر به تيار شدته
\[10 A\]
ويعمل تحت فرق جهد
\[220 V\]
إحسب التكلفة المدفوعة لعمل المكيف لمدة شهر كامل علما بأنه يعمل المكيف 15 ساعة يوميا
وسعر 1كيلو وات ساعة يعادل
\[(0.3 DH )\]
الحل
\[p=I.∆V=10×220=2200 W=2.2 KW\]
\[t= 30 ×15=450 h\]
\[E= P. t =2.2×450=990 KW.h\]
التكلفة = الطاقة المصروفة بوحدة كيلوات ساعة × سعر 1 كيلو وات ساعة
\[Paid- price=990 × 0.3=297 DH\]
يمر تيار كهربائي في سخان كهربائي شدته
\[ 15.0 A\]
من مصدر كهرباء
\[120 V\]
ويتم تشغيله، في المتوسط، لمدة
\[5.0 h \]
كل يوم. أ) ما مقدار القدرة التي يستخدمها السخان؟ ب) ما مقدار الطاقة بوحدة kWh التي يستهلكها في 30 يومًا؟ ج) ذا كان صاحب السخان يدفع 0.30 درهمًا إماراتيًا لكل كيلو وات ساعة فكم يتكلف لتشغيل السخان لمدة
30 يومًا؟ ساعة رقمية مقاومتها
\[ 12.000 Ω \]
وهي متصلة بمأخذ كهرباء
\[115 V\] أ) كم مقدار التيار الذي تسحبه؟ ب) كم مقدار القدرة التي تستخدمها؟ ج) إذا كان صاحب الساعة يدفع 0.30 درهمًا إماراتيًا لكل كيلو وات ساعة فكم يتكلف لتشغيل الساعة لمدة
30 يومًا؟ بطارية سيارة يمكن أن تُنتج
\[ 55 A \]
بمعدل
\[ 12 V\] لمدة
\[ 1.0 h\]
وتتطلب 1.3 ضعف مثل الطاقة لإعادة الشحن بسبب كفاءتها الأقل من المثالية. كم المدة التي ستستغرقها لشحن البطارية باستخدام تيار
\[7.5 A\]
؟ افترض أن فولتية الشحن هي نفس فولتية تفريغ الشحن.
حل المسائل الكتاب
المسألة 31: السخان الكهربائي
المسألة 32: الساعة الرقمية
المسألة 33: بطارية السيارة
Physics
No comments:
Post a Comment