تطبيقات على الجهد الكهربائي

مفهوم الجهد الكهربائي:

عندما تكون حاملات الشحنة في وضع ثابت (تماماً مثل الماء الساكن، أو مرتفعاً في الخزان) فإنّ الطاقة المخزنة هناك تسمى الطاقة الكامنة، لأنّها تحتوي على إمكانية (القدرة) على الانطلاق التي لم تتحقق بالكامل بعد. عندما تحك حذائك بنعل مطاطي على سجادة من القماش في يوم جاف، فإنّك تخلق اختلالاً في الشحن الكهربائي بينك وبين السجادة.

تخزن حركة قدميك الطاقة على شكل اختلال في الشحنات التي يتم دفعها من مواقعها الأصلية. هذه الشحنة (الكهرباء الساكنة) ثابتة، ولن تدرك أنّ الطاقة مخزنة على الإطلاق. ومع ذلك، بمجرد أن تضع يدك على مقبض الباب المعدني (مع الكثير من حركة الإلكترون لتحييد شحنتك الكهربائية) سيتم إطلاق تلك الطاقة المخزنة في شكل تدفق مفاجئ للشحنة عبر يدك، وستنظر إليها على أنّها صدمة كهربائية. يمكن التعبير عن هذه الطاقة الكامنة المخزنة في شكل عدم توازن شحنة كهربائية وقادرة على إثارة حاملات الشحنة للتدفق عبر الموصل كمصطلح يسمى “الجهد”، والذي يعد تقنياً مقياساً للطاقة الكامنة لكل وحدة شحنة أو شيء يمكن للفيزيائي القيام به لاستدعاء الطاقة الكامنة المحددة.

تعريف الجهد:

يُعرّف الجهد في سياق الكهرباء الساكنة، بأنّه مقياس الشغل المطلوب لتحريك شحنة الواحدة من موقع إلى آخر، مقابل القوة التي تحاول الحفاظ على توازن الشحنات الكهربائية. في سياق مصادر الطاقة الكهربائية، الجهد هو مقدار الطاقة الكامنة المتاحة (العمل الذي يتعين القيام به) لكل وحدة شحنة، لتحريك الشحنات عبر الموصل. لأنّ الجهد هو تعبير عن الطاقة الكامنة، ويمثل إمكانية أو إمكانية إطلاق الطاقة عندما تنتقل الشحنة من “مستوى” إلى آخر، تتم الإشارة إليها دائماً بين نقطتين. ضع في اعتبارك تشبيه خزان المياه:

بسبب الاختلاف في ارتفاعات السقوط، هناك احتمالية لإطلاق طاقة أكبر بكثير من الخزان عبر الأنابيب إلى الموقع 2 مقارنة بالموقع 1. يمكن فهم المبدأ بديهياً في إسقاط صخرة، مما يؤدي إلى تأثير عنيف، سقوط صخرة من ارتفاع قدم واحدة، أو سقوط نفس الصخرة من ارتفاع ميل واحد؟ من الواضح أنّ انخفاض الارتفاع يؤدي إلى إطلاق طاقة أكبر (تأثير أكثر عنفاً).

لا يمكننا تقييم كمية الطاقة المخزنة في خزان المياه ببساطة عن طريق قياس حجم الماء أكثر مما يمكننا توقع شدة تأثير الصخور المتساقطة بمجرد معرفة وزن الصخر، في كلتا الحالتين يجب علينا أيضاً التفكير في المدى البعيد. ستنخفض هذه الكتل من ارتفاعها الأولي. كمية الطاقة المنبعثة من خلال السماح للكتلة بالهبوط تتناسب مع المسافة بين نقطتي البداية والنهاية. وبالمثل، فإنّ الطاقة الكامنة المتاحة لنقل حاملات الشحنة من نقطة إلى أخرى تتعلق بهاتين النقطتين. لذلك، يتم التعبير عن الجهد دائماً على أنّه كمية بين نقطتين. ومن المثير للاهتمام أنّ تشبيه الكتلة التي يحتمل أن “تنخفض” من ارتفاع إلى آخر هو نموذج مناسب للتعبير أنّ الجهد بين نقطتين يسمى أحياناً انخفاض الجهد.

توليد الجهد – Generating Voltage:

يمكن توليد الجهد بوسائل أخرى غير فرك أنواع معينة من المواد ببعضها البعض. التفاعلات الكيميائية والطاقة المشعة وتأثير المغناطيسية على الموصلات هي بعض الطرق التي يمكن من خلالها إنتاج الجهد. من الأمثلة على هذه المصادر الثلاثة للجهد البطارياتوالخلايا الشمسية والمولدات (مثل وحدة “المولد” الموجود تحت غطاء سيارتك). سوف نفهم الآن كيف يمكن تطبيق مصادر الجهد لإنشاء تدفق شحنة في دائرة كهربائية. لنأخذ رمز البطارية الكيميائية ونبني دائرة خطوة بخطوة:

كيف تعمل مصادر الجهد؟

أي مصدر للجهد، بما في ذلك البطاريات، له نقطتان للتلامس الكهربائي. في هذه الحالة، لدينا النقطة 1 والنقطة 2 في الرسم البياني السابق. تشير الخطوط الأفقية ذات الأطوال المتغيرة إلى أنّ هذه بطارية، وتشير كذلك إلى الاتجاه الذي سيحاول جهد هذه البطارية دفع حاملات الشحنة عبره خلال الدائرة الكهربائية. إنّ الخطوط الأفقية في رمز البطارية تبدو منفصلة (وبالتالي غير قادرة على العمل كمسار لتدفق الشحنة) ليست مدعاة للقلق، في الحياة الواقعية، تمثل هذه الخطوط الأفقية ألواحاً معدنية مغمورة في مادة سائلة أو شبه صلبة لا ينقل الشحنات فحسب، بل يولد أيضاً الجهد لدفعها من خلال التفاعل مع الألواح.

لاحظ علامتي “+” و”-” على يسار رمز البطارية مباشرة، دائماً ما يكون الطرف السالب (-) للبطارية هو النهاية بأقصر اندفاعة، ويكون الطرف الموجب (+) للبطارية دائماً هو النهاية بأطول اندفاعة. الطرف الموجب للبطارية هو النهاية التي تحاول إخراج حاملات الشحنة منها (تذكر أنّ حاملات الشحنة مشحونة إيجاباً، على الرغم من أنّ الإلكترونات مشحونة سلباً). وبالمثل، فإنّ النهاية السالبة هي النهاية التي تحاول جذب حاملات الشحنة. مع عدم توصيل طرفي البطارية “+” و”-” بأي شيء سيكون هناك جهد بين هاتين النقطتين، ولكن لن يكون هناك تدفق للشحنة عبر البطارية لأنّه لا يوجد مسار متصل يمكن أنّ تتحرك من خلاله حاملات الشحنة.

ما هي قطبية انخفاض الجهد؟

لاحظ علامتي “+” و”-” المرسومة في نهايات الفاصل في الدائرة، وكيف تتوافق مع علامتي “+” و”-” بجوار أطراف البطارية. تشير هذه العلامات إلى الاتجاه الذي يحاول فيه الجهد دفع التيار الكهربائي، وهذا الاتجاه المحتمل يشار إليه عادةً بالقطبية. تذكر أنّ الجهد يكون دائماً قريب بين نقطتين. بسبب هذه الحقيقة، فإنّ قطبية انخفاض الجهد هي أيضاً قريبة بين نقطتين: سواء تم تمييز نقطة في الدائرة بعلامة “+” أو “-” يعتمد على النقطة الأخرى التي يشار إليها. ألق نظرة على الدائرة التالية، حيث يتم تمييز كل ركن من أركان الحلقة برقم للرجوع إليه:

مع انقطاع التيار الكهربائي في الدائرة بين النقطتين 2 و3 ، فإنّ قطبية الجهد المنخفض بين النقطتين 2 و3 تكون “+” للنقطة 2 و”-” للنقطة 3. قطبية البطارية (1 “+” و 4 “-“) دفع التيار خلال الحلقة باتجاه عقارب الساعة من 1 إلى 2 إلى 3 إلى 4 والعودة إلى 1 مرة أخرى. الآن لنرى ما سيحدث إذا قمنا بتوصيل النقطتين 2 و3 معاً مرة أخرى، لكن سنضع فاصل في الدائرة بين النقطتين 3 و4:

مع الفاصل بين 3 و4، تكون قطبية انخفاض الجهد بين هاتين النقطتين “-” لـ 4 و”+” لـ 3. لاحظ حقيقة أنّ “علامة” النقطة 3 هي عكس ذلك في الأول على سبيل المثال، حيث كان الفاصل بين النقطتين 2 و3 (حيث تم تسمية النقطة 3 “-“). من المستحيل أن نقول أنّ النقطة 3 في هذه الدائرة ستكون دائماً إما “+” أو “-” لأنّ القطبية مثل الجهد نفسه، ليست خاصة بنقطة واحدة، ولكنّها دائماً ما تكون نسبية بين نقطتين.

أهم تطبيقات الجهد المرتفع:

• نقل الطاقة العالية عبر مسافات طويلة مع فقد ضئيل جداً للطاقة.
  
• يلزم وجود جهد مباشر مرتفع في اختبارات العزل على الكابلات والمكثفات.
  
• نحتاج إلى جهد مرتفع عندما نستخدم معدات عالية الطاقة (مثل الأدوات الصناعية والطبية).
  
• نظراً لأنّه من السهل تحويل الطاقة عالية القيمة إلى قيمة أقل باستخدام المحولات ومقسم الجهد للحصول على القيمة المطلوبة، يتم استخدام الجهد العالي في الصناعة.
  
• يتطلب توليد جهد مرتفع في العمل البحثي في مجال الفيزياء البحتة والتطبيقية.
  
• تتطلب وحدات شحن المولدات النبضية أيضاً جهداً كهربائياً عالياً للتيار المستمر (DC) من حوالي 100 إلى 200 كيلو فولت.
  

استخدامات الجهد العالي في الهندسة العملية والمعدات الصناعية:

الجهد العالي للطيف الكتلي:

لتحليل المواد غير المعروفة في علم الأحياء والكيمياء والطب، تستخدم أجهزة قياس الطيف الكتلي على نطاق واسع. اعتماداً على تصميم وتطبيق مقياس الطيف الكتلي، فإنّ مصادر الطاقة ذات الجهد العالي ذات الثبات العالي ضرورية للتحليلات المطلوبة.

الجهد العالي لمرشح الجسيمات:

مرشح الجسيمات هوعبارة عن مرشح إلكتروستاتيكي ويتم استخدامه لتصفية غاز العادم، خاصة في الإعدادات التي تحتوي على جزيئات العادم ذات الأبعاد الكبيرة (مثل مرافق الغاز الخشبي). يجب أن تكون إمدادات الطاقة عالية الجهد اللازمة قوية وموثوقة وسهلة التركيب والاستخدام.

الجهد العالي لشحن المكثفات:

غالباً ما يكون لشحن المكثف متطلبات عالية فيما يتعلق بالتكرار وشحن التيار المستمر.

الفولتية العالية للطرد الكهروستاتيكي:

يستخدم لربط الرقائق أثناء العملية في الفراغ (vacuum). القوة الإلكتروستاتيكية هي التي تثبت هذه الرقائق.

الجهد العالي لأنظمة شعاع الإلكترون:

تُستخدم أنظمة الشعاع الإلكتروني على نطاق واسع في العلوم والصناعة (مثل لحام شعاع الإلكترون، وتصلب السطح، والتعقيم، والتثقيب، والطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون). من أجل تسريع وانحراف الإلكترونات، فإنّ إمدادات الطاقة عالية الجهد ضرورية.

الجهد العالي لزرع الأيونات:

يستخدم زرع الأيونات لإدخال الأيونات في مواد معينة (المنشطات) لتحقيق تغيير محدد في خصائص المادة الأساسية. تستخدم هذه الطريقة غالباً في صناعة أشباه الموصلات. هناك عدة خطوات لهذه الطريقة (مثل التسارع، وفصل الأيونات، وانحراف الأيونات).

الجهد العالي لصنع البلازما:

لتوليد وصيانة البلازما الإلكترونية للاستخدام في العلوم والصناعة غالباً ما تستخدم إمدادات الطاقة عالية الجهد مع طاقة خرج عالية. وهي ضرورية من أجل اشتعال الفولتية العالية ولصيانة التيار العالي.

الجهد العالي لفصل المواد:

لفصل المواد المختلفة عن بعضها البعض، غالباً ما نستخدم المجالات الكهربائية الناتجة عن مصادر الطاقة عالية الجهد. على سبيل المثال لفصل وإعادة تدوير المواد الموجودة في نفايات الأجهزة الإلكترونية المقطعة.