بحث عن موضوع البطاريات

(( بسم الله الرحمن الرحيم ))

اخترعها العالم الإيطالي أليساندو فولتا بعد أن كانت الكهرباء تنتج بواسطة الدلك للأجسام المختلفة مثل قضيب الأيبونيت (Ebonite) أو الشمع الأحمر بقطعة قماش من الصوف أو الحرير.
البطارية نبيطـة تنـتج الكهرباء عن طريـق التفاعـل الكيميائي.
تتكوّن البطارية من وحدة أو أكثر تُسمى الخلايا الكهربائية , وتحتوي كل خليةعلى جميع المواد الكيميائية والمكونات التي تمكنها من توليد تياركهربائي.

ويشير مصطلح بطارية في الواقع إلى مجموعة من الخلايا المتّصلةبعضُها ببعض، إلاّ أنّ المصطلح غالبًا ما يستخدم للدلالة على خلية واحدة كتلكالمستعملة في الكشَّافات الضوئية اليدوية ولعب الأطفالالكهربائية.

تُستْخَدَم البطاريات بمثابة مصادر مريحة للطاقة الكهربائية. فهي تمد الأجهزة خفيفة الحمل مثل المذياع، والمسجلات الصوتية والتلفاز، بالطاقةالكهربائية. تمدّ البطارية السيارة بالطاقة الكهربائية اللازمة لإدارة المحرّك، كماتمدّ البطاريات أيضًا سفن الفضاء والغوَّاصات بالكهرباء. وخلال فترات انقطاعالتيار، تمدّ البطاريات أجهزة الهاتف، وأجهزة إنذار الحرائق والمستشفيات وغيرها منالمباني الأساسية بالكهرباء في حالات الطوارئ.

نتيجة لمناقشات عديدة بينالعالم فولتا والعالم جلفاني (Galvani) تبين أنه بتوصيل معدنين مختلفين ببعضهماينتج قوة كهربائية مولدة من شأنها أن تبقي المعدنين على جهد مختلف, ألا أن هذاالفرق لا يمكنه أن يعطي تيارا بكمية يعتد بها وذلك لعدم توفر احتياطي من الطاقةلتغذيته, وتبين له أن غمس شريحتين من معدنين مختلفين مثل (النحاس والزنك) في موصلمن نوع آخر مثل محلول من الماء يمكن أن يحدث طاقة كافية للإبقاء على الفارق بالجهدبين المعدنين لفترة معينة تسمح لمرور تيار, حيث يحدث بين الشريحتين المعدنيتين فارقبالجهد يقدر بحوالي فولت واحد إذ أن جهد النحاس أكبر من جهد الزنك.

يمكن وصفذلك بتراكم فائض من الإلكترونات السلبية في الزنك الذي يتخذ بذلك شحنة سلبية. فإذاأوصلنا بسلك معدني بين الشرحتين انطلقت من الزنك بتأثير المحلول الكترونات نحوالنحاس وهذا الانتقال للإلكترونات يحدث تيار كهربائي. تستمر هذه الظاهرة ما داممفعول الأحماض على الشريحتين المعدنيتين باق.

يعني ذلك أن التيار الكهربائيهو تحول الطاقة الكيميائية التي تتحرر من ردود الفعل التي تحدث داخل البطارية, وتتوقف كمية الكهرباء التي تعطيها البطارية على كمية المادة التي تتحولفيها.

على هذا الأساس العلمي تم تصنيع البطارية الكهربائية الجافة لكنالأقطاب لم تعد تغمس في سائل, حيث يتكون العمود الموجب فيها من قضيب من الفحم يحيطبه بيوسيد المنكنيز والقطب السالب عبارة عن أنبوب من الزنك يحتوي على كلورورالنشادر المعجون بالجيلاتين.

تعطي البطارية الجافة جهدا كهربائيا مقداره 1,5فولت. وتتوفر بقدرات مختلفة,وهناك بطاريات مصنوعة من النيكل كادميوم يمكن إعادةشحنها مرات عديدة, وهذا النوع من البطاريات تكون بجهد 1,2 فولت.
* أنواع البطاريات :
تنتج المصانعأنواعًا عديدة ومختلفة من البطاريات التي يمكن أن تُصنف حسب تصميماتها الأساسية , ويحدِّد تصميم البطارية كمية الكهرباء المولِّدة , وتتوقف بعض البطاريات التي تُسمىالبطاريات الأولية عن العمل، وينتهي مفعولها، ويجب التخلص منها بعد استهلاك إحدىالمواد الكيميائية المكونة لها. ويمكن إعادة استعمال أنواع أخرى من البطاريات بعدنفاد طاقتها وذلك بإعادة شحنها. ويسمى مثل هذا النوع البطاريات الثانوية، أوبطاريات التخزين.

يمكن أيضًا تصنيف البطاريات حسب محتوياتها الإلكتروليتيةوهي المادة الموصلة للتيار الكهربائي داخل الخلية. وتحتوي العديد من أنواعالبطاريات الأولية على الإكتروليت على هيئة مواد جيلاتينية، أو على هيئة مواد تشبهالمعجون. وتُعرَف مثل هذه البطاريات التي تحتوي على مكوّنات غير قابلة للانسياببالخلايا الجافة. وتسمى أنواع قليلة من البطاريات الأولية بالخلايا السائلةلاحتوائها على مواد كيميائية سائلة. وتحتوي أغلب أنواع البطاريات الثانوية علىإلكتروليت سائل.

تُصنع البطاريات في أحجام متعددة. فمثلاً، البطارياتمتناهية الصغر المستعملة في ساعات اليد الكهربائية تزن حوالي 1,4جم فقط. أماالبطاريات الضخمة التي تغذي الغواصات بالطاقة فتزن مايصل إلى 0,91 طن متري. وعلىكلّ، فإن المنتجين يصنعون أغلب البطاريات في أحجام قياسية محددة. وعلى ذلك، يمكناستعمال البطاريات المنتجة من مصانع مختلفة في نفس الجهاز.

تختلف البطارياتأيضًا في الجهد المتولد. فالخلية الأولية كتلك المستعملة في كاشفات الضوء اليدويةجهدها 1,5 فولت. أما أغلب البطاريات الثانوية، والمستعملة في السيارات، فهي بطارياتجهدها 12 فولت، وهي تتكوّن من ست خلايا كل منها ينتج 2 فولت ومتصلة بعضها ببعض علىالتوالي.
* كيف تعمل البطاريات الجافةالأولية:
البطاريات الجافة الأولية هي أكثر أنواع الخلايا الجافة الأوليةشيوعًا. تختلف هذه الأنواع من البطاريات في عديد من النواحي، ولكنّها تشترك جميعًافي مكوِّنات أساسية معيّنة. ويوجد في كلّ بطارية جافة أولية مكونان يسميان القطبين،ويتكون كل قطب من نوع مختلف من المواد الكيميائية الفعالة.

يتسبب الإلكتروليت الموجود بين الأقطاب في شحن أحدها وهوالقطب السالب (المهبط) بشحنة سالبة، والآخر ويسمى القطب الموجب (المصعد أو الكاثود) بشحنة موجبة. ويساعد الإلكتروليت في استمرار تعزيز التفاعلات الكيميائية التي تحدثعند القطبين.

وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من البطاريات الأولية الجافة،هي:
1ـ خلايا الكربون ـ الخارصين.
2ـ الخلايا القاعدية.
3ـ خلاياالزئبق.
* كيف تعمل البطاريات الثانوية :
صممت البطارية الثانوية بطريقة يمكن بها عكس التفاعلات الكيميائية إلىالاتجاه المضاد. وتُمْكِّن هذه الميزة من إعادة شحن البطارية بكفاءة بعد نفادالطاقة الكهربائية التي يمكن توليدها. وأكثر أنواع البطاريات الثانوية شيوعًاهي:
1- بطاريات التخزين رصاص ـ حمض.
2- بطاريات التخزين نيكل ـ كادميوم.

بطاريات التخزين رصاص ـ حمض. تتكون من إناء مصنوع منالبلاستيك أو المطاط المقَوَّى، وتحتوي على 3 ـ 6 هياكل، وكلّ هيكل يحتوي علىقطبين، كلّ قطب على هيكل شبكي أو على هيئة صفائح. الهيكل الخارجي لكلّ من هذهالأقطاب على شكل صفيحة معدنية مثقبة مصنَّعة من سبيكة الرصاص ـ الأنتيمون. تتمتعبئة ثقوب هذه الهياكل الشبكية للقطب السالب بكتل من الرصاص الإسفنجي النّقي، وهذهالثقوب توجد على مسافات متساويةكما في حالة المصفاة أو المنخل. تحتوي الثقوبالموجودة بالقطب الموجب، على ثاني أكسيد الرصاص، وهو مركب ناشئ عن ارتباط عنصريالرصاص والأكسجين يحيط الإلكتروليت الذي يتكوّن من حمض الكبريتيك والماءبالأقطاب.

تتم التفاعلات الكيميائية خلال عملية التفريغ بين مكوِّناتالقطبين والإلكتروليت. تتفاعل ذرات الرصاص النقية عند القطب السالب بأيوناتالكبريتات السالبـة ¸SO4–· الموجودة في الإلكتروليت. تتكوّن كلّ من أيوناتالكبريتات السالبة، وأيونات الهيدروجين الموجبة ¸H+·، عند إذابة حمض الكبريتيك فيالماء. وبارتباط ذرات الرصاص بأيونات الكبريتات، تفقد كلّ ذرة رصاص اثنين منالإكترونات لتصبح جزئي كبريتات الرصاص ¸PbSO4·.