باتری چطور کار می نماید؟ (به زبان ساده) - وبلاگ موتناوه

به گزارش وبلاگ موتناوه، بدون تلفن همراه، لپ تاپ یا چراغ قوه، بدون ماشین برقی یا جاروبرقی رباتی، بدون ساعت، ماشین حساب جیبی، یا رادیوی ترانزیستوری! زندگی بدون باتری سفری به گذشته است، جایی که در یک یا دو قرن قبل تقریباً تنها راه برای فراوری انرژی، استفاده از زور فیزیکی یا بخار بود. به طور کلی باتری ها منابع تغذیه مفید، راحت و به کوچکی یک بند انگشت یا به بزرگی صندوق عقب یک ماشین هستند که در هر زمان و هر کجا که به آن احتیاج داشته باشیم، انرژی الکتریکی مطمئن و ثابتی را به ما هدیه می نمایند. اگرچه سالانه میلیاردها دلار صرف ساخت این نوع از منابع الکتریکی می گردد و قابل کتمان نیست که تأثیرات زیست محیطی زیادی هم دارند، اما ما انسان ها نمی توانیم زندگی مدرن خود را بدون آن ها پیش ببریم.

در نگاه اول به باتری ممکن است این طور فکر کنید که چنین کالایی واقعا خسته نماینده است و هیچ جذابی برای کندوکاو ندارد! اما در این مقاله به شما نشان خواهیم داد که علارقم ظاهر ساده باتری، این استوانه قلمی دنیای هیجان انگیز را در خود دارد و می تواند در لحظه به نیروگاه کوچک شما تبدیل گردد! اما چطور؟

باتری دقیقا چیست؟

به زبان ساده باتری یک بسته انرژی شیمیایی مستقل است که می تواند میزان محدودی انرژی الکتریکی در هر کجا که احتیاج باشد، فراوری کند. برخلاف الکتریسیته معمولی که به وسیله سیم های ویژه از یک نیروگاه به خانه شما می آید، یک باتری به آرامی مواد شیمیایی بسته بندی شده در درون خود را به انرژی الکتریکی تبدیل می نماید.

قطعات اصلی یک باتری چیست؟

قدرت اصلی باتری در داخل آن و در جایی به نام سلول است. سلول یک باتری از سه بخش اصلی تشکیل شده است، که شامل دو الکترود (انتهاه های الکتریکی) و یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت در بین آن ها می گردد. به منظور راحتی و ایمنی ما، تمامی این بخش ها معمولاً در داخل یک قاب بیرونی فلزی یا پلاستیکی جا داده می گردد. در کنار این سه یخش اصلی، دو انتهاه الکتریکی مفید دیگر هم وجود دارد که با علامت های + (قطب مثبت) و - (قطب منفی) تعیین شده است و در قسمت بیرونی به الکترودهایی که در داخل باتری هستند، متصل اند. تفاوت بین باتری و سلول در این است که از ترکیب دو یا چند سلول می توان یک باتری ساخت که توان آن بیش از یک تک سلول است.

زمانی که دو الکترود یک باتری را به یک مدار متصل می کنید، به عنوان مثال زمانی که باتری قلمی را در چراغ قوه قرار می دهید، الکترولیت درون سلول باتری آغاز به وزوز کردن می نماید و کم کم مواد شیمیایی داخل آن به مواد دیگری تبدیل می شوند. به عبارتی یون هایی (اتم هایی با الکترون های بسیار کم یا زیاد) که از مواد موجود در الکترودها تشکیل شده اند در واکنش های شیمیایی با الکترولیت شرکت می نمایند. در همان زمان، الکترون های آزاد حاصل از تشکیل یون ها به وسیله مدار بیرونی از یک انتهاه به انتهاه دیگر حرکت می نمایند و هر چیزی که باتری به آن متصل است را تغذیه می نمایند.

چرا بعد از مدتی باتری قلمی دیگر کار نمی نماید؟

همانطور که در بخش قبلی کاملا شرح داده شد، الکترون های آزاد شده می توانند از سر قطب منفی در مدار شارش و انرژی الکتریکی مورد احتیاج مدار را تامین نمایند. حال اگر این روند آنقدر ادامه پیدا کند تا ماده الکترولیت داخل باتری به طور کامل به ماده دیگری تبدیل گردد، عملا باتری تخلیه شده یا به عبارتی تمام شده است.

باتری ها چطور جریان الکتریکی را جاری می نمایند؟

الکترودهای یک باتری همواره از دو ماده متفاوت ساخته شده می شوند به این معنی که هرگز هر دو از یک فلز ساخته نمی شوند. از آنجایی که دو فلز به کار رفته شده در الکترودهای باتری فرق دارد، رسانایی الکتریکی این دو ماده هم با یکدیگر متفاوت می گردد. در چنین حالتی یکی از الکترود ها (فلزهای انتهاه باتری) تمایل به جذب الکترون ها دارد و دیگری به راحتی الکترون ها را عبور می دهد. همین مساله هم کلید شرح در خصوص سازوکار باتری ها است. طبیعی است که اگر هر دو الکترود از یک ماده ساخته می شدند، عبور الکترونی اتفاق نمی افتاد و در پی آن جریانی هم در کار نبود.

پای قورباغه مرده و نقش آن در تاریخچه ساخت باتری

شاید برای شما هم جالب باشد اگر بدانید که اولین بار شخصی به نام لوئیچی گالوانی فهمید که می تواند به یاری پای قورباغه، الکتریسیته فراوری کرد! این دانشمند با فرو کردن دو فلز (دو الکترود) مختلف در پای یک قورباغه مرده توانست جریان الکتریسیته را فراوری کند. او نام این جریان را الکتریسیته حیوانات گذاشت. پس از آن فرد دیگری به نام الکساندر ولتا متوجه شد، که گالوانی از دو فلز متفاوت در این آزمایش استفاده نموده است و طی آن بدن قورباغه به عنوان الکترولیت عمل نموده است. در نتیجه چیزی که حاصبل شده بود یک باتری قورباغه ای بود. با گذشت زمان تعیین شد که هیچ چیز خاص و عجیبی در بدن قورباغه وجود ندارد و یک ماده شیمیایی مناسب یا حتی یک عدد لیمو می تواند به عنوان ماده الکترولیت استفاده گردد.

کندوکاوی بیشتر در دنیای الکترودها

همانطور که احتمالا ممکن است آشنایی داشته باشید، عناصر شیمیایی مختلف از نظر توانایی جذب الکترون ها به سمت خود با یکدیگر متفاوت هستند که این ویژگی با نام الکترونگاتیوی معرفی می گردد. الکترونگاتیوی پارامتری برای سنجش الکترون خواهی عناصر شیمیایی است. در واقع هرچه یک عنصر الکترونگاتیوتر باشد، تمایل آن برای جذب الکترون بیشتر است. به طور کلی با اتصال دو فلز مختلف در یک الکترولیت، و قرار دادن آن در یک مدار الکتریکی بیرونی می توان شاهد برقراری جریان الکتریکی یا همان شارش الکترون ها بود. به همین خاطر یکی از فلزات که الکترونگاتیوتر است، تمایل به جذب الکترون های فلز بیشتر از دیگری دارد. طبیعی است که اگر دو فلز، از مواد یکسانی ساخته شده بودند، هیچگونه جریانی در مدار برقرار نمی شد.

انرژی باتری از کجا سرچشمه می گیرد؟ (نگاهی دقیق تر به باتری ها)

هدف ما از این بخش این است که نگاه دقیق تری به باتری داشته باشیم و بفهمیم که انرژی آن از کجا می آید! به منظور درک این موضوع یک مدار ساده شامل یک لامپ کوچک، سیم رسانا و باتری را در نظر بگیرید. یکی از پایه های لامپ را به الکترود یا قطب + باتری و سر دیگر آن را به الکترود یا قطب منفی باتری وصل می کنیم. هما ن طور که در شکل تعیین است، الکترود های مثبت و منفی به وسیله ماده الکترولیت از یکدیگر جدا شده اند. الکترولیت می تواند مایع و یا جامد باشد. گفتنی است که در باتری های معمولی یا همان قلمی، ماده الکترولیت، غالباً پودری خشک است.

هنگامی که باتری را به یک لامپ وصل و آن را روشن می کنید، واکنش های شیمیایی درون ماده الکترولیت و الکترود ها آغاز می گردد. طی این واکنش ها یون های مثبت و الکترون ها تشکیل می شوند و طی آن الکترون های تشکیل شده به سمت الکترود منفی حرکت می نمایند. بعلاوه یون های مثبت درون الکترولیت جا به جا شده و الکترون ها به وسیله الکترود منفی و سیم رسانا در مدار شارش پیدا می نمایند. سپس الکترون های شارش یافته در مدار، به الکترود مثبت وارد می شوند و از این طریق می توانند جذب یون های مثبت و موجود در الکترولیت شوند. بدین ترتیب الکترون و یون ها به وسیله واکنش های شیمیایی که در الکترولیت رخ می دهد در جریان هستند.

از آنجایی که در ماده الکترولیت واکنش های شیمیایی به شکل دائمی و پشت سر هم رخ می دهند، در انتها تمامی ماده الکترولیت به ماده دیگری تبدیل می گردد و دیگر توانایی انجام تشکیل یون های مورد احتیاج و تازه را ندارد. بدین ترتیب به مرور زمان، ولتاژ باتری افت پیدا می نماید. درواقع اختلاف پتانسیل عامل حرکت بار الکتریکی است و با کاهش ولتاژ، الکترون های مورد احتیاج جهت تامین انرژی لوازم الکتریکی ای مانند لامپ در مدار شارش پیدا نمی نمایند. لازم به تاکید است که جریان الکتریکی در سازکار پیش رو از قطب منفی باتری به سمت قطب مثبت آن است اما در فیزیک الکتریسیته و مهندسی برق، جهت جریان را به صورت قراردادی از قطب مثبت به قطب منفی در نظر می گیرند.

چرا الکترون ها برای حرکت به سمت قطب مثبت، از الکترولیت عبور نمی نمایند؟

در حالت کلی الکترولیت ها از نظر الکتریکی همچون عایق ها هستند و مقاومت بالایی دارند. در نتیجه همچون سدی در برابر عبور الکترون ها عمل می نمایند و الکترون ها به ناچار باید از مسیر بیرونی (سیم رسانا) جریان پیدا نمایند.

مروری کوتاه بر انواع باتری

باتری ها از نظر اشکال، میزان ها، ولتاژها و ظرفیت های مختلف (میزان شارژ یا انرژی ذخیره شده در آن) متفاوت هستند. به همین خاطر اگرچه می توان انواع باتری ها را با انواع الکترولیت ها و الکترودهای شیمیایی مختلف ساخت، اما این دسته از محصولات معمولا در دو نوع اصلی تقسیم بندی می شوند که شامل باتری های اولیه (یک بار مصرف) و ثانویه می گردد. منظور از باتری های اولیه، باتری هایی هستند که تنها یک بار قابل استفاده هستند و پس از اتمام ظرفیت، کاربردی ندارند. در حالی که باتری های ثانویه کالاهایی هستند که پس از اتمام ظرفیت، قابلیت شارژ دوباره دارند. در واقع با قرار دادن آن ها در خلاف جهت معمول در مدار (یعنی جریان عکس) می توان آن ها را دوباره شارژ کرد.

انواع باتری های اولیه یا یک بار مصرف

اگرچه باتری های یک بار مصرف دوستدار محیط زیست نیستند، اما یک مزیت عمده دارند و آن این است که معمولاً انرژی بسیار بیشتری را ذخیره می نمایند و به طور قابل توجهی بیشتر از دیگر محصولات عمر می نمایند. به همین خاطر جالب است بدانید که سه نوع اصلی از باتری های اولیه در بازار وجود دارد که به نام های کربن-روی، قلیایی و لیتیومی معروف هستند. ماده الکترولیت این دسته از محصولات جامد است، به همین علت هم اغلب به آن ها سلول های خشک گفته می گردد.

• باتری روی ـ کربن (Zinc - Carbon): مقرون به صرفه ترین و معمولی ترین باتری هایی که هر روزه برای لوازمی مانند چراغ قوه یا موس استفاده می کنید جزو این دسته از کالا ها هستند. این نوع باتری ها گرچه مقرون به صرفه قیمت و برای کاربردهای معمولی مناسب اند، اما ظرفیت و عمر زیادی ندارند و احتیاج به تعویض زود به زود دارند.
• باتری قلیایی (Alkaline): باتری های قلیایی تقریباً شبیه به باتری های کربن روی هستند، اما ظرفیت بیشتری دارند، انرژی بیشتری ذخیره می نمایند و عمر طولانی تری دارند، به همین علت هم گران تر هستند. جالب است بدانید الکترود مثبت در این نوع باتری ها از جنس منگنز اکسید (Manganese (IV) Oxide) و الکترود منفی از جنس روی (Zinc) ساخته شده است. الکترولیت نیز محلول قلیایی غلیط پتاسیوم هیدروکسید (Potassium Hydroxide) است.
• باتری های سکه ای: بسیاری از باتری های سکه ای در لوازمی مانند ساعت های کوارتز و سمعک ها استفاده می شوند. جالب است بدانید که الکترود های این نوع باتری ها مشابه باتری های قلیایی است با این تفاوت که ماده الکترولیت آن ها به جز مواد قلیایی، الکترولیت های دیگر نیز می تواند باشد.

انواع باتری های ثانویه (قابل شارژ)

در ادامه به معرفی و آنالیز بعضی باتری های قابل شارژ پر مصرف در دنیا می پردازیم.

• باتری سرب-اسید (Lead-Acid): باتری های سرب - اسید که به باتری های ماشین در بازار معروف هستند، از شش سلول دو ولتی تشکیل شده اند که در مجموع، ولتاژ دو سر این نوع باتری ها 12 ولت است. الکترود منفی در این نوع باتری ها از جنس سرب متخلخل و الکترود مثبت آن از اکسید سرب است. ماده الکترولیت آن هم اسید سولفوریک است.
• نیکل کادمیوم (Nickel-Cadmium): باتری های نیکل کادمیوم، به علت قیمت پایینی که دارند به طور عمده جایگزین باتری های یکبار مصرف 1.5 ولتی همان قلمی ها در استفاده های روزمره مردم شده اند. گفتنی است باتری های نیکل کادمیوم دارای اثری موسوم به اثر حافظه (memory effect) در شارژ و دشارژ هستند. به این معنی که برای استفاده بیشتر از این نوع باتری ها، ابتدا باید به طور کامل تخلیه (دشاٰرژ) شوند و سپس آن ها را دوباره شارژ کرد.
• نیکل-هیدرید فلز (NiMH): باتری های نیکل هیدرید مشابه با مشابه باتری های نیکل کادمیوم عمل می نمایند، اما کمتر از اثر حافظه رنج می برند.
• باتری لیتیوم یون (Lithium Ion): باتری های لیتیوم یونی سریع ترین نوع باتری های قابل شارژ هستند. که احتمالاً با آن ها در تلفن همراه، پخش نمایند های موزیک و لپ تاپ روبرو شده اید. در مقام مقایسه، باتری های لیتیوم یون ظرفیتی دوبرابر نسبت به باتری های قابل شارژ نیکل کادمیوم در ابعاد مشابه دارند.

منبع: explain that stuff