يعد قانون طاقة الوضع الكهربائية من القوانين الحيوية في مجالات الفيزياء والرياضيات، حيث يرتبط بموقع الجسم النسبي بالنسبة لبقية الأجسام ضمن نفس النظام المحيط به. لذلك، يساعدنا هذا المقال في توضيح هذا القانون بشكل مفصل.
تعريف طاقة الوضع
- تُعرف طاقة الوضع، أو الطاقة الكامنة، بأنها الطاقة المخزنة داخل الأجسام، والتي تعتمد على موقف الجسم مقارنةً ببقية الأجسام في النظام نفسه.
-
تمتلك النبضة طاقة وضع كبيرة عندما تكون مضغوطة أو ممتدة، بينما الكرات الفولاذية تمتلك طاقة وضع أكبر عندما تكون على ارتفاعات عالية.
- وعلى سطح الأرض، تعتبر طاقة الوضع سمة للنظام ككل وليست للأجسام بشكل فردي.
يمكن حساب قانون طاقة الوضع عند رفع كتلة معينة عن سطح الأرض، ويتم حساب طاقة الوضع للجسم وفق المعادلة التالية:
- طاقة الوضع = الكتلة × ارتفاع الجسم × تسارع الجاذبية الأرضية.
-
فيما يتعلق بالنبضة، تُحسب قوة النبضة باستخدام قانون هوك، حيث تتناسب قوة النبضة تناسبًا طرديًا مع مقدار الضغط وامتداد النبضة.
- القانون هو: قوة النبضة = قوة النبضة س، وفي هذه الحالة تُعتبر قوة الموقع قوة مؤثرة بفعل الجاذبية.
- لأن الطاقة التي يمتلكها الجسم تتعلق بموقعه العمودي، وكلما زادت كتلة الجسم المعني زادت قوة الجاذبية المؤثرة عليه.
- في حالة السهم المشدود، تُعرف طاقة الوضع بالمرنة، وهي الطاقة الناتجة عن الضغط والتمدد.
القانون الخاص بالطاقة الوضعية
عند رفع كتلة لمسافة معينة من سطح الأرض، تُحسب طاقة الوضع للجسم وفق المعادلة التالية:
- طاقة الوضع = الكتلة × ارتفاع الجسم × تسارع الجاذبية الأرضية. بالنسبة للنبضة، تُستخدم معادلة هوك لحساب طاقة الوضع الخاصة بها.
- وهنا تتناسب طاقة الوضع بشكل مباشر مع ضغط النبضة وتمددها، وتُعبر معادلة طاقة الوضع عن تلك العلاقة. تشمل أمثلة طاقة الوضع الممتدة في الحياة اليومية:
- كرة ثابتة على طاولة تُعتبر طاقة الوضع جاذبية لأنها مُرتبطة بموقعها الرأسي، فعندما تزداد ارتفاعها تزداد طاقة الوضع المكتسبة من الجاذبية.
- سحب السهم في القوس يُنتج طاقة وضع مرنة نتيجة تمدده وضغطه، وفي المواد المرنة، تزداد طاقة الوضع مع التمدد.
- إن الروابط الكيميائية الناتجة عن تفاعلات الإلكترونات في الذرات تمتلك طاقة قابلة للتحويل إلى طاقة كهربائية.
- النماذج المختلفة لطاقة الوضع تتضمن تخزين الطاقة بطرق مختلفة قبل إطلاق الطاقة الكامنة.
العلاقة بين الطاقة الحركية وطاقة الوضع الكهربائية
حالة الجسم المتحرك تعكس كمية من الطاقة، حيث تُظهر قدرة الجسم على التغيير أو إحداث عمل.
تعرف هذه الطاقة بالطاقة الحركية، حيث توجد أمثلة عديدة على الأشياء ذات الطاقة الحركية مثل الرصاصات السريعة، والشخص الذي يمشي، والأشعة الكهرومغناطيسية مثل الضوء.
- بالنسبة لكرة ثابتة، ليست لها طاقة حركية، ولكن عند رفعها وإلقائها نحو سيارة، قد تسبب ضررًا، لأن الطاقة المرتبطة بها تعكس مقدار ذلك الضرر.
- تنتج الطاقة الميكانيكية من حركة الأجسام أو وجودها في موقع معين، وهي عبارة عن مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع. على سبيل المثال، عندما تتحرك سيارة من قمة تلة، تحمل طاقة حركية وطاقة وضع.
الطاقة الميكانيكية وعلاقتها بطاقة الوضع الكهربائية
تنتج الطاقة الميكانيكية من حركة الأجسام أو من وجودها في موقع معين، وهي تمثل مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع.
على سبيل المثال، عندما تتحرك سيارة من قمة تلة، تحمل طاقة حركية وطاقة وضع.
الطاقة الكهرومغناطيسية وطاقة الوضع الكهربائية
تُعرف الطاقة الكهرومغناطيسية أيضًا بأنها الطاقة الإشعاعية الناتجة عن الموجات الضوئية وأي شكل من أشكال الضوء.
تشمل هذه الطاقة موجات الراديو، وأشعة غاما، والأشعة السينية، والموجات الميكروية، والأشعة فوق البنفسجية.
الطاقة الأيونية وطاقة الوضع الكهربائية
تشير الطاقة الأيونية إلى الطاقة التي تربط الإلكترونات بنواة الذرات أو الأيونات، مثل الطاقة الأيونية الأولى المطلوبة لإزالة إلكترون واحد.
كما تتطلب الطاقة الأيونية الثانية لإزالة إلكترونين مزيدًا من الطاقة مقارنةً بالطاقة الأيونية الأولى.
أشكال أخرى من الطاقة
هناك عدة أشكال أخرى من الطاقة، تشمل:
الطاقة الحرارية
- الطاقة الحرارية هي نتيجة الفروق في درجات الحرارة بين نظامين مختلفين؛ على سبيل المثال، فنجان القهوة الساخنة يحمل طاقة حرارية من داخله ومن محيطه.
الطاقة الكيميائية
- تنتج الطاقة الكيميائية نتيجة التفاعلات الكيميائية بين الذرات أو الجزيئات، مثل تلك الموجودة في الخلايا الكهروكيميائية أو البطاريات.
الطاقة النووية
- تشير الطاقة النووية إلى تلك الناتجة عن التغيرات في نواة الذرة أو التفاعلات النووية مثل الانشطار النووي والانصهار النووي والتحلل النووي.
الطاقة الصوتية
- تعتبر الطاقة الصوتية نتاج الموجات الصوتية، ويمكن نقلها عبر الهواء أو أي وسط آخر، مثل صوت الإنسان.
تحدث تحولات متعددة في الطاقة من أجل الاستفادة من شكل معين من الطاقة، على سبيل المثال:
تحولات الطاقة في التطبيقات العملية
- يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية نتيجة تحفيز الجزيئات التي تُطلق الطاقة الكيميائية المخزنة، والتي تتحول بدورها إلى طاقة حرارية أكثر وطاقة كهرومغناطيسية تظهر كضوء مرئي.
تحولات الطاقة في المحركات
تصدر الشرارة من الطاقة الكهربائية في المحرك، مما يؤدي إلى إفراج الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود، وهذا يؤدي إلى تمدد الوقود وضغط أجزاء السيارة.
الضغط المستمر على أجزاء السيارة يمكن أن يساعد في إدارة العجلات، مما يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية.
قسم دورة الديزل، حيث تتحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية عبر سلسلة من التفاعلات، مثل دورة رانكين داخل التوربينات البخارية، حيث يتم تحويل أشكال مختلفة من الطاقة إلى طاقة كهربائية عبر سلسلة من التفاعلات.
- الطاقة الكيميائية (الطاقة الحرارية (الطاقة الميكانيكية)).
- الطاقة النووية.
- الطاقة الحرارية (الطاقة الميكانيكية).
- الطاقة الشمسية (الطاقة الحرارية (الطاقة الميكانيكية).
- الطاقة الحرارية الأرضية – دورة برايتون.
- و(الطاقة الحرارية (الطاقة الميكانيكية) في العنفات الغازية أو المحركات النفاثة.
- هذا يتضمن تحويل أشكال متعددة من الطاقة إلى طاقة كهربائية عبر سلسلة من التفاعلات مثل الطاقة الكيميائية، الطاقة الحرارية، والطاقة الميكانيكية.
تعريف الطاقة الكهربائية
-
الطاقة هي القدرة على إنجاز العمل أو تطبيق قوة معينة لتحريك جسم ما، بينما تُعرف الطاقة الكهربائية بأنها الطاقة المُنتجة من تدفق الشحنات الكهربائية عبر التوربينات.
- وهذا يمكن أن يُعرف أيضًا بأنها الطاقة المخزنة في الجسيمات المشحونة داخل مجال كهربائي، وهو المنطقة المحيطة بالجسيم المشحون.
- تستخدم الطاقة الكهربائية قوى الجذب والتنافر بين الجسيمات المشحونة لإنجاز العمل، إذ تُعتبر واحدة من أهم مصادر الطاقة للبشرية جمعاء.
-
يمكن تصنيف الطاقة بشكل عام إلى نوعين: الطاقة الحركية، وهي طاقة الجسم أثناء حركته والتي تزداد بزيادة سرعته، أو الطاقة الكامنة التي تُخزّن في المواد بسبب موقعها أو حالتها.
- عند حدوث تغيير في الحالتين، يتم تحرير الطاقة المخزنة، لكن الطاقة الكهربائية غالباً ما تكون على شكل طاقة كامنة.
في الختام، يعتبر قانون طاقة الوضع الكهربائية ذو أهمية كبيرة في إنتاج الطاقة، حيث يعتمد بشكل رئيسي على كتلة الجسم وسرعته وعلاقتهم بقوة الجاذبية الأرضية.