باتری
دید کلی:
باتری چشمه ای از انرژی پتانسیل الکتریکی است که از تبدیل دیگر انرژی ها به انرژی الکتریکی به وجود می آید و این انرژی در قطبهای باتری قابل دریافت است. انرژی قابل دریافت در قطبهای باتری به ازای واحد بار الکتریکی را نیروی محرکه الکتریکی (Eemf) باتری می گویند و آن را با یکای ولت اندازه گیری می کنند. قطب مثبت باتری آند و قطب منفی آن کاتد نام دارد.
ساختمان باتری :
هر باتری یک مقاومت داخلی (r) دارد. اختلاف پتانسیل بین قطبهای باتری (v) ، زمانی که جریان I از آن می گذرد، برابر V=Eemf - Ir می باشد. فرایند تبدیل انرژی در باتری با گذشت زمان افزایش مقاومت الکتریکی داخلی همراه است. مقدار مقاومت داخلی به نوع باتری و طرز ساختش وابسته است.
شارژ باتری:
در باتری فرسوده نوعی مقاومت داخلی به قدری زیاد است که با عبور جریان ، ولتاژ دو سر باتری به سرعت افت می کند و باتری قابلیت تامین انرژی الکتریکی مفید را ندارد. در برخی باتریها با گذراندن جریانی در جهت مخالف جریان ، به هنگامی که باتری کار عادی اش را انجام می دهد، می توان باتری را دوباره باردار یا شارژ کرد. در فرایند شارژ باتری انرژی پتانسیل در آن ذخیره می شود البته تعداد دفعات شارژ باتری به خاطر برگشت ناپذیری فرایندهای تبدیل انرژی ، محدود است.
فرایندهای تبدیل انرژی در باتری :
در باتری خشک معمولی ، بر اثر واکنش ماده آند (قطب مثبت) و ماده کاتد (قطب منفی) با الکترولیتی که محیط بین آند و کاتد را تشکیل می دهد، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. در باتری خورشیدی ، انرژی الکترومغناطیسی نور تابیده شده به سلولهای خورشیدی ، با جداسازیهای مثبت و منفی درون باتری ، به شکل انرژی الکتریکی در می آید.
توان الکتریکی باتری :
توانی که هر باتری بر حسب وات تامین می کند، برابر حاصلضرب نیروی محرکه الکتریکی (بر حسب ولت) در شدت جریان الکتریکی باتریI (برحسب آمپر) می باشد. در کاربردهایی با توان زیاد از جمله استارت زنی اتومبیل موتور اتومبیل ، میزان توانهای تامین شده در فواصل زمانی کوتاه به بیش از 1000 وات می رسد.
در کاربرد کم توان در وسایل الکترونیکی ظریف ، مانندسمعکها و ساعت های کامپیوتری ، میزان توانهای تامین شده در حدود چند میلی وات است.
باتری های امروزی:
امروزه باتری هایی می توان ساخت که به طور متوسط در کاربردها پنج سال عمر مفید دارند. باتریها در بهره گیری از وسایل الکترونیکی نقش مهمی ایفا می کنند. البته با بهبود بخشیدن تکنولوژی باتریها منابع انرژی قابل حملی برای هر معرفی ، از دستگاه های استریوی دستی تا اتومبیل های برقی، در اختیار داشته باشیم.
انرژی ذخیره ایی و باتری ها
انرژی را نمی توان تولید نموده یا از بین برد ، اما می توان آن را به صورت های مختلف ذخیره نمود.
یکی از روش های ذخیره سازی ، ذخیره نمودن انرژی شیمیایی در باتری است. با اتصال باتری به یک مدارمی توان الکتریسیته تولید نمود.اگر به یک باتری توجه کنید ، خواهید دید که دو سر به نامهای قطب مثبت و منفی دارد. اگر دو قطب را توسط یک سیم به هم وصل کنیم ، می توانیم یک مدار بسازیم . الکترونها از سیم عبور نموده و جریان الکتریسیته یا برق را تولید می نمایند. درون باتری، واکنشی بین مواد شیمیایی انجام می شود. اما این واکنش صرفاً در زمان جریان الکترونها رخ می دهد .
باتری ها را می توان برای مدت طولانی نگه داشت ، زیرا شروع فرآیند شیمیایی منوط به عبور الکترونها از قطب منفی به مثبت مدار است.
چگونه واکنش شیمیایی در باتری انجام می شود ؟
یکی از باتری های خیلی ساده باتری روی – کربن است که به اختصار باتری کربن نامیده می شود. این باتری شامل ماده اسیدی و یک میله از جنس روی در مرکز است. اینجا داشتن اطلاعات کمی در خصوص شیمی به ما کمک خواهد کرد. زمانی که روی به داخل اسید وارد می شود ، اسید شروع به خوردن روی کرده و گاز هیدروژن و انرژی گرمایی آزاد می شود. مولکولهای اسید به اجزای تشکیل دهنده خودش تفکیک می شود. این اجزا معمولاً شامل هیدروژن و سایر اتمها می باشد. در طی این فرآیند الکترونهای مربوط به اتم روی آزاد شده و با یونهای هیدروژن اسید ترکیب می شوند و تولید گاز هیدروژن می کنند.
اگر یک میله کربن به داخل اسید وارد شود ، اسید هیچ گونه واکنشی با آن انجام نخواهد داد.
امّا اگر میله کربن را با یک سیم به میله روی وصل کرده و یک مدار تولید کنید ، الکترونها شروع به عبور از سیم نموده و با هیدروژن موجود برروی میله کربن ترکیب می شوند. این عمل باعث آزادی مقدار کمی گاز هیدروژن شده و گرمای بسیار کمی را نیز تولید می کند. مقداری از این انرژی گرمایی ، انرژی است که از مدار عبور می کند.
حال انرژی موجود در مدار می تواند یک لامپ چراغ قوه را روشن کرده و یا یک موتور کوچک را به حرکت در آورد. سرانجام میله روی کاملاً توسط اسید باتری حل شده و باتری دیگر قابل استفاده نمی باشد.
تذکر
همانگونه که در فصل اول خواندیم اولین باتری توسط ، الکساندر ولتا ساخته شد. ولتا نام باتری خود را پیل ولتایی نامید. او لایه هایی از روی و مقوا را به صورت یک درمیان روی هم قرار داد و سپس آنها را در آب نمک و نقره فرو برد.
اگر شما یک سیم را به بالا و پایین این پیل وصل کنید ، به دلیل عبور الکترونها، جریان برق تولید می شود. افزودن لایه های بیشتر در پیل باعث تولید مقدار برق بیشتری خواهد شد.
انواع باتری :
باتری های مختلف دارای مواد و واکنش های شیمیایی متفاوتی هستند. بیشترین باتریهای مورد استفاده عبارتند از :
- باتری قلیایی : مثل باتری Duracell و Energizer و سایر باتریهای قلیایی . الکترودهای این نوع باتری از جنس روی و اکسید منگنز می باشد. امّا الکترولیت (تجزیه کننده) آن از جنس خمیر قلیایی است.
- باتری سرب – اسید : این نوع باتری بیشتر در اتومبیل استفاده می شود. الکترودهای این نوع باتری از جنس سرب و اکسید سرب ، و الکترولیت آن از جنس یک نوع اسید قوی است.
- باتری لیتیم : این باتری برای چراغ فلاش دوربین عکاسی استفاده می شود. مواد آن شامل لیتیم ، یدورلیتیم و یدور سرب است.
- باتری یون لیتیم : این نوع باتریها بیشتر در کامپیوترهای دستی (Laptop) ، تلفنهای پیلی و سایر وسایل الکتریکی قابل حمل استفاده می شود.
- باتری نیکل – کادمیم : جنس الکترودهای این نوع باتری هیدروکسید نیکل و کادمیم است. الکترولیت مورد استفاده در این نوع باتری نیز هیدروکسید پتاسیم می باشد.
- باتری روی – کربن یا باتری کربن : روی و کربن در کلیه باتریهای خشک نوع C , A و D استفاده می شود. در این نوع باتری، الکترودها از جنس روی و کربن بوده و الکترولیت آن خمیری از مواد اسیدی است.
غذا – روش دیگری برای ذخیره نمودن انرژی
ذخیره انرژی در باتریها توسط یک سری فرآیندهای شیمیایی صورت می گیرد ، امّا راههای دیگری نیز برای ذخیره نمودن انرژی وجود دارد. بعنوان مثال «زنجیره غذایی» برروی سیاره خودمان را در نظر بگیرید.
گیاهان (مانند علف در علفزار) انرژی خورشید را از طریق فتوسنتز به انرژی شیمیایی ذخیره شده ، تبدیل می کنند. این انرژی در سلولهای گیاه ذخیره شده و جهت رشد ، اصلاح و تکثیر آن استفاده می گردد.
گاوها و سایر حیوانات، انرژی ذخیره شده در علف یا دانه را استفاده نموده و آن را به انرژی ذخیره شده ای در بدن خود تبدیل می کنند. زمانیکه ما گوشت و سایر محصولات حیوانی را می خوریم ، ما نیز آن انرژی را در بدن خود ذخیره می کنیم. ما از این انرژی ذخیره شده برای راه رفتن ، دویدن ، دوچرخه سواری و یا حتّی خواندن یک مطلب برروی اینترنت استفاده می کنیم.