نگاهی عمیق تر به چگونگی عملکرد باتری

نگاهی عمیق تر به چگونگی عملکرد باتری:

تصویر زیر را در نظر بگیرید.

یک لامپ کوچک توسط یک سیم رسانا، توسط باتری روشن شده است. می توانیم شماتیک تصویر فوق را به صورت زیر رسم کنیم:

با توجه به شماتیک شکل فوق، یکی از پایه های لامپ به الکترود + باتری که بیشتر حجمش در سلول پنهان است، متصل شده است (قسمت قرمز رنگ).

در اینجا قطب مثبت را کاتد می نامیم. بدنه خارجی باتری (پایین باتری) الکترود منفی است (قسمت سبز رنگ).

از آنجایی که معمولاً در اکثر علوم مختلف کاتد را قطب منفی و آند را قطب مثبت فرض می کنیم، جهت دوری از سردرگمی، پیشنهاد می کنیم که در مورد باتری ها از واژه های قطب یا ترمینال مثبت و منفی برای الکترود های آن استفاده کنید.

هما ن طور که در شکل فوق مشخص است، الکترود های مثبت و منفی توسط ماده الکترولیت از یکدیگر جدا شده اند. الکترولیت می تواند مایع و یا جامد باشد. در باتری های معمولی، ماده الکترولیت، غالباً پودر خشک است.

به هنگام اتصال باتری در یک مدار الکتریکی، واکنش های شیمیایی درون ماده الکترولیت و الکترود ها آغاز شده که در نتیجه آن الکترون ها و یون های مثبتی تشکیل می شوند. الکترون های تشکیل شده به سمت الکترود منفی می روند.

با توجه به شماتیک فوق، یون های مثبت درون الکترولیت جا به جا شده و الکترون ها از طریق الکترود منفی و سیم رسانا در مدار شارش پیدا می کنند.

الکترون های جریان یافته در مدار، به قطب یا الکترود مثبت وارد شده و از این طریق می توانند جذب یون های مثبت موجود در الکترولیت شوند.

بدین ترتیب الکترون و یون ها توسط واکنش های شیمیایی که در الکترولیت رخ می دهد در جریان هستند. اینکه واکنش شیمیایی به چه شکل است، بستگی به جنس ماده الکترولیت و الکترود های فلزی دارد.

در بخش بعدی، به هنگام معرفی انواع باتری، به چندین ماده الکترولیت اشاره می کنیم. پرداختن به واکنش های شیمیایی در اینجا خارج از هدف این مقاله است. اما به هر حال می توان گفت که مکانیزم عملکرد تمامی باتری ها به شرح فوق است.

از آنجایی که در ماده الکترولیت واکنش های شیمیایی پی درپی رخ می دهند، در نهایت تمامی ماده الکترولیت اولیه به ماده دیگری تبدیل شده و دیگر توانایی انجام تشکیل یون های مورد نیاز را ندارد.

بدین ترتیب به مرور زمان، ولتاژ باتری افت پیدا می کند. از آنجایی که ولتاژ یا به بیان دیگر اختلاف پتانسیل عامل حرکت بار الکتریکی است، با کاهش ولتاژ باتری، الکترون های مورد نیاز جهت تامین انرژی ادوات الکتریکی در مدار شارش پیدا نمی کنند.

ممکن است برایتان سوال پیش آید که چرا الکترون ها برای رفتن به قطب مثبت، مسیر کوتاه تر یعنی از طریق الکترولیت را انتخاب نمی کنند؟! برای پاسخ به این سوال نیازی به بررسی شیمیایی ساختار الکترولیت نیست.

در واقع الکترولیت از نظر الکتریکی همانند عایق ها بوده و مقاومت آن بالاست، در نتیجه همانند سدی در برابر عبور الکترون ها عمل کرده و الکترون ها به ناچار از مسیر بیرونی (سیم رسانا) جریان می یابند.

همان طور که متوجه شدید، جریان الکتریکی که در واقع همان شارش الکترون ها است، از قطب منفی باتری بوده و به سمت قطب مثبت می رود.

اما در فیزیک الکتریسیته و مهندسی برق، جهت جریان را به صورت قراردادی از قطب مثبت به قطب منفی در نظر می گیرند.