איך מייצרים חשמל?

חשמל היא אחת המתנות המשומשות ביותר שלנו מהטבע. ללמוד כיצד לתפעל ולהשתמש באלמנט טבעי זה שינה דרמטית את אורחות חיינו היומיומיים באינספור דרכים. מאמר זה דן בתהליך הבסיסי העומד מאחורי האופן שבו החשמל עובד וכיצד הוא מיוצר.

חשמל הוא אחד האלמנטים הבסיסיים ביותר שלנו שתמיד היה קיים על הפלנטה שלנו. רק בסוף המאה ה -19 גילו מדענים כיצד לרתום את מקור האנרגיה הזה. מתכות טבעיות כמו אלומיניום, נחושת, כסף וזהב הן חומרים המוליכים באופן טבעי זרם חשמלי כאשר המנגנונים הנכונים קיימים. הסיבה לכך נעוצה באופן שבניית האטומים שלהם. חשמל קורה כאשר מגרים את האלקטרונים המקיפים את גרעין האטום. האלקטרונים עשויים אנרגיה, ולכן כל תסיסה המופעלת גורמת להתפזרות אנרגיה זו. אטומי מתכת הם מנצחים טובים מכיוון שלגרעינים שלהם יש אחיזה רופפת באלקטרונים החיצוניים שלהם, מה שמקל על גירוי האלקטרונים האלה. לחומרים כמו זכוכית ועץ יש גרעינים השומרים על אחיזה הדוקה של האלקטרונים שלהם, ולכן חומרים אלה הם מוליכים גרועים של חשמל.

על מנת שחשמל יזרום, יש ליצור ולתחזק זרם. זה נעשה באמצעות מכשיר גנרטור. גנרטורים הם אלה ששומרים על אלקטרונים מגורים ונעים. תהליך זה של הפקת אנרגיה, למעשה, יוצר עוד ועוד מאותו הדבר. ברגע שמופעל זרם של אנרגיה, או חשמל, התקנים המכונים שנאים אחראים על כיוון הזרימה כך שניתן יהיה להשתמש בה בצורה כלשהי. זרם חשמלי פועל בצורה היעילה ביותר לאורך חיווט אלומיניום או נחושת. מנגנון הגנרטור פועל לאחר מכן ככוח מגנטי הממריץ את זרמי האלקטרונים לרוץ לאורך החיווט. כך מייצרים חשמל.

בקנה מידה המוני, ישנן מספר דרכים לייצור חשמל, רבות מהן מסתמכות על קיטור כמקור לאנרגיה קינטית. מכונות המכונות טורבינות, המורכבות מחוט גדול המעטוף על ידי בית מגנטי, נאלצות להסתובב על ידי האנרגיה הקינטית הנוצרת על ידי קיטור. כאשר הטורבינה מסתובבת, כוחות מגנטיים מגרים את אלקטרוני החוט, מה שגורם להיווצרות זרמים חשמליים. לאחר מכן משתמשים בשנאים כדי לווסת את זרימת הזרם לתחנת כוח וממנה. הקיטור הדרוש להנעת טורבינות אלו יכול להיווצר על ידי שריפת דלקים מאובנים כגון נפט, גז ופחם או באמצעות אנרגיה גרעינית על ידי פיצול חומר אורניום. בשני המקרים החום נוצר כאמצעי לעיבוי כמויות גדולות של מים לאדים. שיטות אחרות להפעלת טורבינה משתמשות ברוח, בגז טבעי או במים פשוטים כדי לספק את הכוח הפיזי הדרוש לסיבוב הטורבינה. .

השכיחות המתועדת הראשונה של אופן ייצור החשמל תועדה באמצע המאה ה -18 על ידי בנג'מין פרנקלין וויליאם ווטסון. הניסוי הידוע של פרנקלין בשימוש בעפיפון ובמפתח בסופת ברקים הביא להמצאת מוט הברק. פרנקלין זוכה גם בזיהוי הפוטנציאלים החיוביים והשליליים בזרמים חשמליים. מחקר נוסף על תופעות אלו נערך על ידי מייקל פאראדיי, אלסנדרו וולטה, לואיג'י גלוואני, אנדרה-מארי אמפר וג'ורג 'סימון אוהם. קבוצת מדענים זו הייתה אחראית על ביסוס בסיס המדידה לחשמל, שסימן את תחילתה של טכנולוגיית החשמל המודרנית. בעקבות המצאת הנורה על ידי תומאס אדיסון, נוצרה תחנת הכוח החשמלית המסחרית הראשונה במנהטן, ניו יורק, בשנת 1882.

ככל שחשמל שימושי ונחוץ הוא בחיי היומיום שלנו, האמצעים שבהם הוא מיוצר תורמים לנו התחממות גלובלית בעיה בדרכים משמעותיות. ההשפעות המצטברות המיוצרות על ידי שריפת דלקים מאובנים מוסיפות ישירות לגורם החום המשפיע על הטמפרטורות הגלובליות שלנו. גזי הפחמן הדו-חמצני, הגזים הנפלטים בעת שריפת דלקים מאובנים, הם המזהמים המזיקים ביותר. למרבה המזל, טכנולוגיות חדשות המשתמשות בסוכני אנרגיה נקיים יותר מפותחות כדי להחליף את השימוש בדלקים מאובנים בייצור חשמל.