شرح درس استخدام الطاقة الكهربائية (٢) فيزياء ثالث ثانوي 1445
استخدام الطاقة الكهربائية: الموصلات فائقة التوصيل
مقدمة
- بسم الله، السلام عليكم ورحمة الله وبركاته. في هذا الدرس، سنكمل شرح منهج الفيزياء للصف الثالث الثانوي حول استخدام الطاقة الكهربائية، مع التركيز على الموصلات فائقة التوصيل.
تعريف الموصلات فائقة التوصيل
- الموصلات فائقة التوصيل هي مواد تتمتع بمقاومة كهربائية تساوي صفر، مما يعني أنها توصل التيار الكهربائي دون فقد أي طاقة.
- هذه المواد لا تعاني من أي قيود على تدفق التيار الكهربائي، وبالتالي لا يحدث فقد أو فرق في الجهد خلالها.
كيفية الحصول على موصل فائق التوصيل
- لتحويل مادة إلى موصل فائق التوصيل، يجب تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة تقل عن 100 كلفن (سالب 173 درجة مئوية).
استخدامات الموصلات فائقة التوصيل
- تُستخدم الموصلات الفائقة في أجهزة الرنين المغناطيسي والمغناطيس المستخدم في مسرعات الجسيمات مثل السنكروترون. هذه التطبيقات مهمة جداً في مجالات الطب والطاقة النووية.
نقل الطاقة الكهربائية
طرق توليد ونقل الطاقة
- يتم توليد الطاقة الكهربائية من خلال السدود المائية ومحطات توليد الكهرباء التي تعمل بالوقود. يتم نقل هذه الطاقة عبر الأسلاك لمسافات طويلة قد تصل إلى مئات الكيلومترات لتوزيعها على المنازل والمحطات.
فقدان القدرة أثناء النقل
- كل موصل له مقاومة تؤدي إلى فقد جزء من الطاقة أثناء النقل، وهذا ما يُعرف بالقدرة الضائعة. العلاقة بين القدرة الضائعة والمقاومة تُعبر عنها المعادلة: القدرة = تيار^2 × مقاومة.
تقليل الفقد في الطاقة
- يمكن تقليل الفقد في الطاقة عن طريق تقليل المقاومة أو مقدار التيار المار عبر الأسلاك. إذا كانت المقاومة صغيرة جداً، فإن القدرة الضائعة ستكون أقل بكثير عند نقل الكهرباء لمسافات طويلة.
استراتيجيات تحسين كفاءة نقل الكهرباء
تقنيات تقليل المقاومة والتيار
- لتقليل المقاومة يمكن استخدام أسلاك ذات قطر أكبر ولكن ذلك يزيد التكلفة والوزن بشكل كبير مما يتطلب أبراجاً أقوى لدعمها.
- بدلاً من ذلك، يمكن تقليل مقدار التيار المار عبر الأسلاك عن طريق رفع الجهد مع الحفاظ على نفس القدرة المطلوبة لنقل الكهرباء بكفاءة أعلى.
أهمية رفع الجهد
كيفية نقل الطاقة الكهربائية
رفع الجهد وتقليل التيار
- يتم رفع الجهد من 10000 فولت إلى 100000 فولت لتقليل التيار، مما يؤدي إلى تقليل القدرة المستهلكة.
- في المملكة العربية السعودية، يتم خفض الجهد على مراحل، مثل خفضه من 10000 فولت إلى 220 أو 240 فولت لتشغيل المنازل.
مقاومة الأسلاك وفقد الطاقة
- الأسلاك لها مقاومة تؤدي لاستهلاك الطاقة فيها، مما ينتج عنه قدرة ضائعة وفقًا للعلاقة: القدرة = التيار^2 × المقاومة.
- يمكن تقليل الفقد في الطاقة عن طريق استخدام موصلات ذات موصلية عالية أو برفع الجهد.
حساب استهلاك الطاقة
- تُستخدم وحدة الكيلو وات ساعة (kWh) كمقياس لاستهلاك الطاقة الكهربائية، حيث تمثل كمية الطاقة المستخدمة عند تشغيل جهاز بقدرة 1000 وات لمدة ساعة.
- شركات الكهرباء تبيع لنا طاقة وليس قدرة، حيث أن القدرة هي المعدل الزمني لتوصيل الطاقة.
أمثلة على استهلاك الطاقة وتكاليفها
- مثال: تشغيل مصباح بقدرة 100 وات لمدة ساعة يستهلك كيلو وات ساعة واحدة.
- تكلفة الكيلو وات ساعة في السعودية تبلغ حوالي 18 ريال سعودي.
مسائل حسابية حول استهلاك الكهرباء
- لحساب التكلفة: التكلفة = عدد الوحدات المستهلكة (kWh) × سعر الوحدة.
- الموصلات فائقة التوصيل تسمح بتوصيل الكهرباء دون فقدان للطاقة ولكن تحتاج لدرجات حرارة منخفضة جداً.
تطبيقات الموصلات فائقة التوصيل
- تستخدم الموصلات فائقة التوصيل في صناعة المغناطيس لأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وفي مسرعات الجسيمات.
تقليل الفقد في الطاقة
- يمكن تقليل الفقد عن طريق استخدام أسلاك ذات قطر كبير أو برفع الجهد مع الحفاظ على القدرة.
حساب تكاليف الاستهلاك الشهري
- إذا كانت المدفأة تعمل بمعدل خمس ساعات يوميًا، يمكن حساب مقدار الاستهلاك الشهري باستخدام العلاقة بين القدرة والزمن.
مثال عملي على الحسابات الكهربائية
حساب التكلفة واستهلاك الطاقة
المسألة الأولى: حساب التكلفة
- السعر يساوي عدد الوحدات المستهلكة في سعر الوحدة. تم حساب عدد الوحدات بـ 270 وحدة في 30 يوم وسعر الوحدة 18 ريال.
- تم حساب التيار المار في المقاومة باستخدام قانون أوم، حيث كانت المقاومة 12000 أوم والجهد 115 فولت، مما أعطى تيارًا قدره تقريبًا 9.6 × 10^-3 أمبير.
- لحساب القدرة الكهربائية المستهلكة، استخدمنا العلاقة بين القدرة والتيار والجهد، حيث كانت القدرة حوالي 1.1 واط.
- تكلفة تشغيل الساعة لمدة 30 يوم تم حسابها بناءً على استهلاك الطاقة بالكيلو وات ساعة وسعر الكيلو وات ساعة (18 ريال).
- بعد حساب عدد الوحدات بالكيلو وات ساعة، كانت التكلفة النهائية تقريبًا 14 ريال سعودي.
المسألة الثانية: شحن البطارية
- عند إعادة شحن بطارية السيارة، يتطلب الأمر طاقة أكبر بنسبة 31% من الطاقة المستخدمة سابقًا بسبب كفاءة الشحن الأقل.
- الزمن اللازم لشحن البطارية يعتمد على التيار المستخدم وفرق الجهد أثناء الشحن والتفريغ.
- تم استخدام معادلة التيار والجهد والزمن لحساب الزمن المطلوب لشحن البطارية بشكل دقيق.
- الوقت اللازم لتفريغ البطارية كان ساعة واحدة بينما كان وقت الشحن حوالي تسع ساعات ونصف بسبب اختلاف قيمتي التيار أثناء التفريغ والشحن.
الخاتمة