سؤال وجواب

ما هو تأثير التيار والجهد على الكفاءة الكهربية؟

نعتمد في تسيير أمورنا الحياتية اليومية على الكهرباء، وموضوع الكهرباء مهم جدا للمتخصصين والعامة وفي هذا المقال سوف نتعرف على بعض الأمور الأساسية مثل ما الفرق بين مصباح 60 وات واخر 75 وات، وكيف يوفر مصدر الجهد الكهربي من خلال مقبس الحائط التيار الكهربي اللازم لتشغيل مصباح صغير ومكيف هواء.

من أهم وحدات الكهرباء الجهد الكهربي (V) والذي يقاس بوحدة الفولت والتيار الكهربي (I) الذي يقاس بوحدة الامبير والمقاومة R والتي تقاس بوحدة الأوم.

سوف نعتمد في توضيح مفاهيم الكهرباء بالمناظرة مع تدفق الماء خلال الانابيب. وهنا تجدر الاشارة إلى ان الجهد الكهربي يناظر ضغط الماء، والتيار الكهربي يناظر معدل تدفق الماء في الأنابيب، والمقاومة الكهربية تناظر حجم الأنابيب.

اعلانات جوجل

هناك معادلة أساسية في الهندسة الكهربائية توضح كيفية ارتباط المصطلحات الثلاثة. تقول أن التيار يساوي الجهد مقسومًا على المقاومة أو I = V / R. يُعرف هذا بقانون أوم.

دعونا نرى كيف تنطبق هذه العلاقة على نظام تدفق الماء في الأنابيب. لنفترض أن لديك خزان ماء مضغوط متصل بخرطوم تستخدمه لري الحديقة.

ماذا يحدث إذا قمت بزيادة الضغط في الخزان؟ ربما يمكنك تخمين أن هذا يجعل المزيد من الماء يخرج من الخرطوم. وينطبق الشيء نفسه على النظام الكهربائي: زيادة الجهد ستؤدي إلى تدفق المزيد من التيار.

لنفترض أنك قمت بزيادة قطر الخرطوم وجميع التركيبات للخزان. ربما خمنت أن هذا أيضًا يجعل المزيد من الماء يخرج من الخرطوم. هذا يشبه تقليل المقاومة في نظام كهربائي، مما يزيد من تدفق التيار.

الآن، ننتقل إلى موضوع الطاقة الكهربائية والتي تقاس بوحدة الواط. في النظام الكهربائي، تكون الطاقة (P) مساوية للجهد مضروبًا في التيار.

لا يزال تشبيه المياه ساري المفعول. خذ خرطومًا ووجهه إلى عجلة مائية مثل تلك التي تم استخدامها لقلب أحجار الطحن في الطواحين المائية. يمكنك زيادة الطاقة التي تولدها العجلة المائية بطريقتين. إذا قمت بزيادة ضغط الماء الخارج من الخرطوم ، فإنه يضرب عجلة الماء بقوة أكبر بكثير وتدور العجلة بشكل أسرع، وتولد المزيد من الطاقة. إذا قمت بزيادة معدل التدفق، فإن عجلة الماء تدور بشكل أسرع بسبب وزن الماء الزائد الذي يضربها.

تأثير التيار والجهد على الكفاءة الكهربية

فيما يلي، سنتحدث أكثر عن الكفاءة الكهربائية.

الكفاءة الكهربائية

أساسيات الكهرباء: ما هو الأمبير والوات والفولت والأوم؟

اعلانات جوجل

تكون الأنظمة الكهربائية أكثر كفاءة عند استخدام جهد أعلى لتقليل التيار. 

في النظام الكهربائي، تؤدي زيادة التيار أو الجهد إلى زيادة الطاقة. لنفترض أن لديك نظامًا به لمبة 6 فولت موصولة في بطارية 6 فولت وكانت طاقة المصباح الكهربائي 100 واط. باستخدام المعادلة I = P / V، يمكننا حساب مقدار التيار المطلوب بالأمبير للحصول على 100 واط من لمبة 6 فولت.

أنت تعلم أن P = 100 W ، و V = 6 V. لذا، يمكنك إعادة ترتيب المعادلة لحل I والتعويض في الأعداد.

I = 100 W/6 V = 16.67 amps

ماذا سيحدث إذا كنت تستخدم بطارية 12 فولت ومصباح كهربائي 12 فولت للحصول على طاقة 100 واط؟

I = 100 W / 12 V = 8.33 amps

لذا فإن هذا النظام الأخير ينتج نفس الطاقة، ولكن بنصف التيار. هناك ميزة تأتي من استخدام تيار أقل لإنتاج نفس القدر من الطاقة. تستهلك المقاومة في الأسلاك الكهربائية الطاقة، وتزداد الطاقة المستهلكة مع زيادة التيار الذي يمر عبر الأسلاك. يمكنك أن ترى كيف يحدث ذلك بإعادة ترتيب المعادلتين قليلاً. ما تحتاجه هو معادلة القدرة بدلالة المقاومة والتيار. دعنا نعيد ترتيب المعادلة الأولى:

اعلانات جوجل

يمكن إعادة صياغة I = V / R كـ V = I * R

الآن يمكنك استبدال المعادلة بـ V في المعادلة الأخرى:

P = V*I

وبالتعويض عن V نحصل على

اعلانات جوجل

 P = I * R * I 

أو

اعلانات جوجل

 P = I2* R

ما تخبرك به هذه المعادلة هو أن الطاقة التي تستهلكها الأسلاك تزداد إذا زادت مقاومة الأسلاك (على سبيل المثال، إذا أصبحت الأسلاك أصغر أو مصنوعة من مادة أقل موصلية). لكنه يزيد بشكل كبير إذا زاد التيار الذي يمر عبر الأسلاك. لذلك، فإن استخدام جهد أعلى لتقليل التيار يمكن أن يجعل الأنظمة الكهربائية أكثر كفاءة. هذا يشير ايضا إلى ان كفاءة المواتير الكهربائية تزداد باستخدام جهد أعلى.

لذلك، عند استخدام الاجهزة الكهربائية المنزلية علينا مراعاة القدرة الكهربائية لكل جهاز فكلما زاد هذا الرقم كلما زاد مقدار التيار الكهربي المستهلك لأن فرق الجهد ثابت عند 220 فولت. وعموما الاجهزة التي تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية لها قدرة كبيرة عالية أي أنها تستهلك تيار كهربي كبير مثل السخان الكهربي والمدفأة والمكواة ومجفف الهواء وغيرها.

واذا حدث وان انخفض الجهد الواصل إلى المستهلك عن 220 فولت فان التعويض في هذا الانخفاض سيكون على حساب زيادة التيار الكهربي المستهلك وبالتالي زيادة فاتورة الكهرباء. 

تأثير انخفاض الجهد الكهربي له ضرر كبير على الأجهزة الكهربية لأنه يؤدي إلى زيادة التيار الكهربي وينتج عن هذه الزيادة ارتفاع حرارة الأسلاك مما ينتج ضرر للجهاز. ونحن لا نتحدث عن اسلاك التوصيل فحسب بل عن اسلاك الملفات الكهربية للشواحن أو المواتير والتي قد يحدث لها احتراق ويتعطل الجهاز بالكامل.

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى