شیوه کارکرد باتری ها چگونه است؟ - مهسان بلاگ

خبرنگاران | سرویس علوم - آیا تابحال به این سوال فکر نموده اید که شیوه کارکرد باتری ها چگونه است؟ این ابزار های کوچک چگونه انرژی فراوری می نمایند؟! پیش از هر چیزی می خواهیم یک آزمایش ساده انجام دهیم و نتیجه را مشاهده کنیم. پس در مرحله اول باتری خود را به یک لامپ چراغ قوه وصل نموده و یک مدار ساده را شکل می دهیم. سپس یک گیره کاغذ را به منظور ساخت قطعه ای از سیم اتصال باز نموده و آن را به قسمت پایینی باتری و گوشه ای از چراغ قوه وصل می کنیم. اگر به دقت باتری را نظاره کنید، خواهید دید که لامپ چراغ قوه به دلیل حرکت الکترون ها در آن، می درخشد.

قطب مثبت و منفی

حال باید ببینیم چه اتفاقی افتاده است؟ ترمینال مثبت باتری (که در قسمت چپ شکل و به رنگ قرمز نمایش داده شده است) به الکترود مثبت، که تقریباً در قسمت داخلی باتری پنهان شده، متصل شده است. در اینجا ما به آن قطب مثبت می گوییم. قسمت بیرونی و پایین باتری نیز ترمینال منفی یا الکترود منفی را شکل می دهند. ما آن را به نام قطب منفی نیز می شناسیم و می توانید رنگ سبز آن را در شکل مشاهده کنید. رنگ آبی در شکل نشاندهنده سیم گیره کاغذی است.

اجازه بدهید در همین ابتدا نکته ای را ممکن است موجب سردرگمی شما شود، روشن سازیم. احتمالاً در مدرسه یاد گرفته اید که کاتود به معنی الکترود منفی و انود به معنی الکترود مثبت است. اما این تقسیم بندی در واقع فقط در مواردی مانند الکترولیز (عبور الکتریسیته از میان مواد شیمیایی برای شکستن آن) کاربرد دارد. باتری ها مانند الکترولیز هایی که به طرف عقب می فرایند، عمل می نمایند (آن ها مواد شیمیایی را برای فراوری الکتریسیته از هم جدا می نمایند)، بنابراین اصطلاحات الکترود مثبت و منفی صندلی خود را تغییر می دهند. از این روی، برای پیشگیری از پدید آمدن هرگونه سردرگمی، ما در ترجمه این بخش از متن از بکارگیری اصطلاحات انود و کاتود اجتناب نموده ایم. بهتر است از اصلاحات ترمینال مثبت و ترمینال منفی استفاده کنیم، به این ترتیب مقصود ما همواره، هم هنگام صحبت درباره باتری ها و هم الکترولیز یا هر موضوع دیگری، واضح خواهد بود.

واکنش های شیمیایی

اکنون اجازه بدهید به مبحث اصلی مقاله باز گردیم. الکترود های مثبت و منفی توسط الکترولیت های شیمیایی از هم جدا می شوند. این الکترولیت ها می توانند مایع باشند، اما به احتمال فراوان در یک باتری معمولی به شکل پودر خشک هستند. وقتی باتری را به یک لامپ متصل نموده و آن را روشن می کنید، واکنش های شیمیایی آغاز می شوند. یکی از واکنش ها موجب می شود یون های مثبت (که در اینجا به شکل حباب های عظیم زرد رنگ نمایش داده شده اند) و الکترون ها (حباب های کوچکتری که به رنگ قهوه ای نمایش داده شده اند) در الکترود منفی فراوری شوند. در حالی که الکترون ها در اطراف محور خارجی (خط آبی) به الکترود مثبت جریان پیدا می نمایند و موجب روشن شدن لامپ می شوند، یون های مثبت به داخل الکترولیت جریان پیدا می نمایند. اما در الکترود مثبت، یعنی جایی که الکترون های وارده مجدداً با یون های خارج شده از الکترولیت به هم می رسند، یک واکنش شیمیایی متمایز اتفاق می افتد و به این صورت مدار جریان تکمیل می شود.

الکترون ها و یون ها به دلیل وقوع واکنش های شیمیایی درون باتری جریان پیدا می نمایند (که معمولاً دو عدد از آن ها در یک زمان واحد جاری می شوند). واکنش های دقیق به مواد سازنده الکترود ها و الکترولیت وابسته است. هرقدر که واکنش های شیمیایی اتفاق افتند، اصل کلی گردش الکترون ها در اطراف محور خارجی و واکنش یون ها به الکترولیت (ورود یا خروج از آن) در خصوص تمام باتری ها صدق می نماید. همانطور که باتری نیرو را فراوری می نماید، مواد شیمیایی درون آن به تدریج به مواد شیمیایی متفاوتی تبدیل می شوند. به این ترتیب ظرفیت فراوری نیروی آن ها کاهش می یابد، ولتاژ باتری به تدریج پایین می آید و انتها باتری از کار می افتد. به عبارت دیگر، اگر باتری به دلیل خالی شدن مواد شیمیایی داخل آن قادر به فراوری یون های مثبت نباشد، نخواهد توانست الکترون های محور خارجی را نیز فراوری کند.

اکنون شاید چنین فکر کنیم که: یک لحظه صبر کنید، این سخن هیچ مفهوم خاصی ندارد! چرا الکترون ها میانبر نمی زنند و مستقیماً به وسیله الکترولیت الکترود منفی به الکترود مثبت وارد نمی شوند؟ در پاسخ باید گفت که الکترون ها به دلیل شیمی موجود الکترولیت، نمی توانند به این سادگی از آن عبور نمایند. در واقع، تا جایی که به الکترون ها مربوط است، الکترولیت یک عایق نماینده محسوب می شود، یعنی یک مانع که توان عبور از آن را ندارند. در واقع آسانترین راه ورود آن ها به الکترود مثبت به وسیله جاری شدن از میان محور خارجی است.

قسمت های اصلی باتری کدامند؟

واحد نیروی اصلی درون باتری به نام یاخته شناخته می شود و از سه تکه تشکیل شده است: دو الکترون (ترمینال الکتریکی) و یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت که در میان آن ها قرار گرفته است. این ها معمولاً برای راحتی و ایمنی ما درون یک ماده یا قالب خارجی پلاستیکی بسته بندی شده اند. همچنین دو ترمینال الکتریکی دستی وجود دارند. این ترمینال ها با علامت های مثبت و منفی نشانه گذاری شده اند و از همان قسمت خارجی به الکترود های داخل متصل گشته اند. به زبان ساده باید گفت که تفاوت میان باتری و یاخته این است که باتری از دو یا چند یاخته متصل تشکیل شده، بنابراین نیروی آن ها به یکدیگر اضافه می شود.

وقتی الکترود های باتری را به یک مدار وصل می کنید (مثلاً وقتی آن را در یک چراغ قوه قرار می دهید)، الکترولیت فعالیت خود را آغاز می نماید. پس مواد شیمیایی داخل آن به تدریج به مواد دیگر تبدیل می شوند. یون ها (اتم هایی که دارای تعداد بسیار اندک یا بسیار فراوانی الکترون هستند) از مواد داخل الکترود ها تشکیل می شوند و در واکنش های شیمیایی با الکترولیت مشارکت دارند. همزمان الکترون ها از مدار خارجی استفاده نموده و از یک ترمینال به ترمینال دیگر عبور می نمایند. به این ترتیب نیرو را به هر دستگاهی که به باتری متصل باشد، منتقل می نمایند. این فرآیند تا زمان تغییر شکل کامل الکترولیت ادامه می یابد. در این هنگام یون ها عبور به وسیله الکترولیت را متوقف می نمایند، الکترون ها جریان خود به وسیله مدار را قطع می نمایند و طول عمر باتری به انتها رسیده است.

چرا باتری ها به دو ماده متفاوت احتیاج دارند؟

توجه به این نکته که الکترود های باتری همواره از دو ماده غیر مشابه ساخته می شوند، حائز اهمیت است. بدیهی است که این مواد باید رسانای الکتریسیته باشند. این کلید درک چگونگی و چرایی عملکرد باتری ها است: یکی از این مواد مایل به ترک الکترون ها و دیگری مایل به دریافت آنهاست. اگر هردو الکترود از یک ماده یکسان ساخته می شدند، این امر محقق نمی شد و هیچ جریانی پدید نمی آمد.

برای درک این موضوع ضروری است به کاوش تاریخ الکتریسیته تا سال 1792 بپردازیم. در این تاریخ لیوگی گالوانی، دانشمند ایتالیایی کشف کرد که می تواند با یاری ران قورباغه الکتریسیته فراوری کند.

روش عملکرد باتری های خودرو

باتری خودرو، در صورت عمل، چیزی است که اغلب رانندگان آن را تصدیق می نمایند. به نظر ما با استفاده از یک باتری باکیفیت می توانید سال ها اعتماد را تجربه کنید. البته این امر به مراقبت مناسب باتری و خودرو بستگی دارد. به این ترتیب، نسبت به کارایی حدأکثری سیستم های الکتریکی و شارژی اطمینان حاصل می کنید.

در حالی که همگی ما کارکرد باتری را می دانیم و اغلب مردم درکی ابتدایی از چگونگی شارژ شدن آن ها دارند، نکته کمتر دانسته شده این است که: در واقع یک باتری خودرو چگونه عمل می نماید؟ پس در این بخش از مقاله به جستجوی پاسخ این پرسش می پردازیم.

اولین نکته ای که باید درک کنیم این است که برخلاف باتری هایی که در حالت معمول در وسایل الکترونیکی مانند کنترل ها و ساعت ها کاربرد دارند، باتری خودرو در واقع از تعداد 6 باتری کوچکتر تشکیل شده است. این باتری ها در داخل پوشش اصلی باتری به ترتیب به یکدیگر متصل شده اند. این امر موجب اضافه شدن ولتاژ هریک از باتری ها شده و جملگی یک ولتاژ کلی را پدید می آورند. در خصوص باتری خودرو، این ولتاژ معمولاً 12 ولت است (هرچند که در واقع ولتاژ صحیح 6/12 است). مجموعه گسترده ای از دیگر خودرو ها از همان فناوری باتری در یک دامنه ولتاژ استفاده می نمایند، اما قانون و قاعده همان است.

در داخل باتری چه اتفاقی می افتد؟

روش معمول عملکرد باتری این است که وقتی یک مدار الکترونیکی به باتری متصل شود، الکترون ها اجازه جاری شدن را به دست می آورند. در ذهن یک دانشمند، الکترون جزئی زیراتمی و دارای یک شارژ الکتریکی ابتدایی منفی است. این الکترون ها هستند که نقش بسیار مهم فراوری نیرو را به عهده دارند.

3 شیء مهم در باتری وجود دارند: 1- دو عدد متصل نماینده به نام های الکترود منفی و مثبت، که از باتری خارج می شوند و 2- یک محلول که قطب های مثبت و منفی در آن می نشینند. در طول عملیات معمول، یک واکنش شیمیایی در بین محلول و انود اتفاق می افتد که الکترون هایی را که به وسیله مدار جریان می یابند، آزاد می نماید. این الکترون ها مجدداً به وسیله کاتد به باتری، یعنی جایی که واکنش شیمیایی دیگری در بین کاتد و محلول اتفاق می افتد، وارد می شوند. الکترون ها در نتیجه این واکنش ها ترکیب می شوند. وقتی معکوس این عمل (در تعدادی از باتری ها) اجرا می شود، الکترون ها در جهت دیگری در واکنش های معکوس تحت فشار قرار می گیرند. معمولاً به انتها رسیدن طول عمر باتری به این دلیل است که یک یا چند واکنش شیمیایی کم و بیش مورد استفاده قرار گرفته اند.

شیمی باتری ها

کاتد در باتری خودرو (که معمولاً به عنوان باتری سرب اسیدی شناخته می شود) دی اکسید سرب (PbO2)، انود یک اسفنج سرب (Pb) و محلول، اسید سولفوریک (H2SO4) است. وقتی باتری مورد استفاده قرار می گیرد، هر دو اتصال با نشان دادن عکس العمل به اسید سولفوریک، به منظور شکل دهی به سولفات سرب (PbSO4) از خود واکنش نشان می دهند.

این دو واکنش عبارتند از:

توجه داشته باشید که یکی از واکنش ها الکترون ها را آزاد نموده و دیگری از آن ها بهره می برد. از آنجا که الکترون ها نمی توانند به طور مستقیم به وسیله محلول از مکان رها شدن خود به مکان کاربرد خود حرکت نمایند، واکنش فقط در حالتی تداوم پیدا می نماید که به وسیله مدار الکتریکی خارجی حرکت نمایند.

شارژ مجدد

واکنش معکوس زمانی اتفاق می افتد که باتری شارژ مجدد شود. میران فراوری الکتریسیته این واکنش، 2 ولت است. به این ترتیب اگر ولتاژ هر 6 یاخته را جمع ببندیم، 12 ولت لازم برای آغاز به کار یک خودرو فراوری شده است. این واکنش معکوس موجب می شود که بتوانیم باتری ها را بار ها و بار ها مورد استفاده قرار دهیم.

anti6.ir: آخرین خبر | اخبار و مقالات روز دنیا را اینجا بخوانید

aradbld.ir: مجله آراد | مجله تفریحی، سرگرمی و مسافرتی