تخيل لايوجد اختراع البطارية، لا توجد هواتف محمولة أو أجهزة كمبيوتر محمولة أو مصابيح يدوية، ولا توجد سيارات كهربائية أو مكانس روبوت، ولا توجد ساعات كوارتز أو آلات حاسبة للجيب أو راديو ترانزستور، وبالنسبة لهؤلاء منا الذين يحتاجون إلى يد العون في حياتنا اليومية، لا توجد أجهزة تنظيم ضربات القلب أو أجهزة السمع أو الكراسي المتحركة الكهربائية.
فالحياة بدون بطاريات ستكون رحلة إلى الوراء، قرنا أو قرنين، عندما كانت الطريقة الوحيدة تقريبا لصنع الطاقة المحمولة هي إما الطاقة البخارية أو آلية الساعة، وتوفر لنا البطارية مصادر طاقة سهلة الإستخدام ومناسبة صغيرة، ومصدرا مؤكدا وثابتا للطاقة الكهربائية متى وأينما احتجنا إليها، وعلى الرغم من أننا نتعامل مع المليارات منهم كل عام ولديهم تأثير بيئي كبير لا يمكننا أن نعيش حياتنا الحديثة بدونهم، وقد تعتقد أن البطارية تبدو مملة مثل أي شيء رأيته من قبل، ولكن في اللحظة التي تنقطع فيها الكهرباء تتحول تلك الأسطوانة الصغيرة الباهتة إلى محطة طاقة صغيرة خاصة بك، ودعونا نرى ما يحدث هناك.
ما هي البطارية؟
البطارية عبارة عن حزمة طاقة كيميائية قائمة بذاتها يمكنها إنتاج كمية محدودة من الطاقة الكهربائية أينما دعت الحاجة، وعلى عكس الكهرباء العادية التي تتدفق إلى منزلك من خلال الأسلاك التي تبدأ في محطة توليد الكهرباء، تقوم البطارية ببطء بتحويل المواد الكيميائية المعبأة بداخلها إلى طاقة كهربائية، وعادة ما يتم إطلاقها على مدار أيام أو أسابيع أو شهور أو حتى سنوات.
إن الفكرة الأساسية عن الطاقة المحمولة ليست بالأمر الجديد، لطالما كان لدى الناس طرق لتوليد الطاقة أثناء التنقل، حتى البشر في عصور ما قبل التاريخ كانوا يعرفون كيفية حرق الأخشاب لإشعال النار، وهي طريقة أخرى لإنتاج الطاقة (الحرارة) من المواد الكيميائية (يطلق الحرق الطاقة باستخدام تفاعل كيميائي يسمى الإحتراق).
وبحلول وقت الثورة الصناعية (في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر)، كنا قد أتقنا فن حرق كتل الفحم لتوليد الطاقة، وبالتالي تغذية أشياء مثل القاطرات البخارية، ولكن قد يستغرق الأمر ساعة لجمع ما يكفي من الخشب لطهي وجبة، وعادة ما تستغرق غلاية القاطرة عدة ساعات لتسخن بدرجة كافية لتوليد البخار، وعلى النقيض من ذلك، تمنحنا البطاريات طاقة محمولة فورية، وأدر المفتاح في سيارتك الكهربائية وسرعان ما تنبض بالحياة في ثوان.
ما هي الأجزاء الرئيسية في البطارية؟
تسمى وحدة الطاقة الأساسية داخل البطارية بالخلية، وتتكون من ثلاث بتات رئيسية، ويوجد قطبان كهربائيان (أطراف كهربائية) ومادة كيميائية تسمى إلكتروليت بينهما، ولراحتنا وسلامتنا، عادة ما يتم تغليف هذه الأشياء داخل غلاف خارجي معدني أو بلاستيكي، وهناك محطتان كهربائيتان مفيدتان، تم تمييزهما بعلامة موجب وسالب من الخارج متصلان بالأقطاب الكهربائية الموجودة بداخل البطارية، والفرق بين البطارية والخلية هو ببساطة أن البطارية تتكون من خليتين أو أكثر موصولين بحيث تضاف قوتهم معا.
عندما تقوم بتوصيل قطبين للبطارية بدائرة (على سبيل المثال، عندما تضع أحدهما في مصباح يدوي)، يبدأ الإلكتروليت بالحيوية مع النشاط. ببطء، ويتم تحويل المواد الكيميائية الموجودة بداخله إلى مواد أخرى، وتتشكل الأيونات (الذرات التي تحتوي على إلكترونات قليلة جدا أو كثيرة جدا) من المواد الموجودة في الأقطاب الكهربائية وتشارك في التفاعلات الكيميائية مع الإلكتروليت.
وفي الوقت نفسه، تتحرك الإلكترونات من طرف إلى آخر عبر الدائرة الخارجية، وتقوم بتشغيل أي بطارية موصولة بها، وتستمر هذه العملية حتى يتحول المنحل بالكهرباء تماما، وعند هذه النقطة، تتوقف الأيونات عن الحركة عبر الإلكتروليت، وتتوقف الإلكترونات عن التدفق عبر الدائرة وتكون البطارية فارغة.
لماذا تحتاج البطارية مادتين مختلفتين؟
من المهم أن نلاحظ أن الأقطاب الكهربائية في البطارية مصنوعة دائما من مادتين مختلفتين (لذلك لا تستخدم كلاهما أبدا من نفس المعدن)، ومن الواضح أنه يجب أن يكونا موصلات للكهرباء، وهذا هو المفتاح لكيفية لماذا تعمل البطارية، وإحدى المواد تحب التخلي عن الإلكترونات، بينما تحب الأخرى استقبالها، وإذا تم صنع كلا القطبين من نفس المادة فلن يحدث ذلك ولن يتدفق أي تيار، ولفهم هذا نحتاج إلى التعمق في تاريخ الكهرباء حتى عام 1792 عندما اكتشف العالم الإيطالي لويجي جالفاني أنه يستطيع توليد الكهرباء بقليل من المساعدة من ساق الضفدع.
ومن المعروف أن جالفاني قد وضع معادن مختلفة في ساق ضفدع ميت وأنتج تيارا كهربائيا يعتقد أنه تم صنعه من خلال إطلاق الضفدع الكهرباء الحيوانية، وفي الواقع، كما أدرك مواطنه أليساندرو فولتا قريبا كان الشيء المهم هو أن جالفاني قد استخدم معدنين مختلفين، وفي الواقع، كان جسم الضفدع يعمل كإلكتروليت لبطارية مصنوعة من قطبين معدنيين مختلفين ملتصقين بها، حيا أو ميتا لم يكن هناك شيء مميز في الضفدع، فوعاء زجاجي مليء بالمواد الكيميائية المناسبة أو حتى الليمون كان سيعمل أيضا.
ما الذي يميز الأقطاب الكهربائية؟ تختلف العناصر الكيميائية في قدرتها على جذب الإلكترونات نحوها أو إعطائها لعناصر أخرى تسحبها أكثر، ونسمي هذا الميل الكهربائي، و قم بلصق معدنين مختلفين في إلكتروليت ثم قم بتوصيلهما عبر دائرة خارجية، وستحصل على شد الحبل يحدث بينهما، وينتصر أحد المعادن ويسحب الإلكترونات من الآخر عبر الدائرة الخارجية وهذا التدفق للإلكترونات من معدن إلى آخر هو كيف تعمل البطارية على تشغيل الدائرة، وإذا تم تصنيع طرفي البطارية من نفس المادة فلن يكون هناك صافي تدفق للإلكترونات ولن يتم إنتاج أي طاقة على الإطلاق، وهذه هي النظرية على أي حال، والآن دعونا نلقي نظرة عليها في الممارسة.
كيف تعمل البطارية؟
وضع البطارية في دائرة كهربائية بسيطة باستخدام مصباح يدوي، من أين تأتي الطاقة في البطارية بالفعل؟ دعونا نلقي نظرة فاحصة، ها هي بطاريتي موصولة بمصباح يدوي لعمل دائرة بسيطة، ولقد قمت بفك مشبك ورق لصنع قطعة من سلك التوصيل وأنا أحمل ذلك بين الجزء السفلي من البطارية وجانب المصباح، وإذا نظرت عن كثب، يمكنك أن ترى أن المصباح يلمع، وذلك لأن الإلكترونات تسير عبره، والآن هذا ما يحدث بالداخل، يتم توصيل الطرف الموجب للبطارية بقطب كهربائي موجب مخفي في الغالب داخل البطارية، ونسمي هذا الكاثود، وتشكل العلبة الخارجية والجزء السفلي من البطارية الطرف السالب أو القطب السالب والذي يسمى أيضا الأنود.
عند توصيل البطارية بمصباح وتشغيلها، تبدأ التفاعلات الكيميائية في الحدوث، ويولد أحد التفاعلات أيونات موجبة وإلكترونات عند القطب السالب، وتتدفق الأيونات الموجبة إلى الإلكتروليت بينما تتدفق الإلكترونات حول الدائرة الخارجية إلى القطب الموجب وتجعل المصباح يضيء في الطريق، وهناك تفاعل كيميائي منفصل يحدث عند القطب الموجب حيث تتحد الإلكترونات الواردة مع الأيونات المأخوذة من الإلكتروليت لذلك يتم إكمال الدائرة.
تتدفق الإلكترونات والأيونات بسبب التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل البطارية، وعادة ما يحدث اثنان منها في وقت واحد، وتعتمد التفاعلات الدقيقة على المواد التي تتكون منها الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت، ومهما كانت التفاعلات الكيميائية التي تحدث فإن المبدأ العام للإلكترونات التي تدور حول الدائرة الخارجية والأيونات التي تتفاعل مع الإلكتروليت (الانتقال إليها أو الخروج منها) تنطبق على جميع أنواع البطارية، وعندما تولد البطارية الطاقة يتم تحويل المواد الكيميائية الموجودة بداخلها تدريجيا إلى مواد كيميائية مختلفة، وتتضاءل قدرتها على توليد الطاقة، وينخفض جهد البطارية ببطء وتصبح البطارية فارغة في النهاية، وبمعنى آخر إذا لم تتمكن البطارية من إنتاج أيونات موجبة لأن المواد الكيميائية الموجودة بداخلها قد نضبت فلا يمكنها إنتاج إلكترونات للدائرة الخارجية أيضا.
قياس البطارية:
عندما تموت البطارية في مصباحك، تخرج وتشتري بديلا، وعادة ما عليك سوى شراء واحدة بنفس الحجم، لذا فهي مناسبة داخل العلبة، ولكن البطارية تشبه الصناديق، تماما كما يمكن للصناديق الأكبر حجما استيعاب المزيد من الأشياء، لذا فإن حجم البطارية هو في الواقع قياس لمقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن تخزينها، ولماذا؟ تحتوي البطاريات الأكبر حجما على إلكتروليت كيميائي أكثر وأقطاب كهربائية أكبر بحيث يمكنها إطلاق المزيد من الطاقة (أو نفس الطاقة على مدى فترة أطول).
وتم تصنيف جميع البطاريات بحجم AAA و AA و C و D بجهد 1.5 فولت، ولكنها جميعها بأحجام مختلفة، وتحتوي الأكبر (D و C) على طاقة مخزنة أكثر من الأصغر (AA و AAA)، وإذا كنت تريد فكرة أكثر دقة عن مقدار الطاقة الكهربائية التي تحتفظ بها البطارية، فابحث على الجانب للقياس بالمللي أمبير (ساعة ملي أمبير، وهي قياس الشحنة الكهربائية المخزنة غالبا ما تتم طباعتها على بطاريات صغيرة) أو ساعة واط (قياس الطاقة الكهربائية المستخدمة في البطاريات الأكبر).
