ما هي البطارية وما هي أنواعها وما الدور الذي تلعبه في الدارة الكهربائية
تم التدقيق بواسطة: فريق أراجيك
تخيّل حياتك الآن بِلا هاتفك المحمول، أو بلا كمبيوترك المحمول، بلا كشّافات ضوئية أو حتى بلا الأجهزة الطبية المتطورة مثل سماعات الأذن الطبية (أجهزة السمع)، أو الكراسي المتحركة الكهربائية. هل تخيّلت؟ نعم، حياتك بدون بطاريات مساعدة على تشغيل تلك الأشياء ستكون رحلة عبر الزمن إلى الوراء. البطاريات، مصادر الطاقة الكهربائية الثابتة التي لا نستطيع أن نعيش حياتنا بدونها اليوم؛ بأحجامها وأشكالها المختلفة هي موضوع مقالنا اليوم. إذن، ما هي البطارية ومما تتكون؟ وما وظيفة البطارية في الدارة الكهربائية بالضبط؟
تعريف البطارية ومكوّناتها
البطارية (Battery) عبارة عن حزمة طاقة كيميائية، بإمكانها إنتاج كمية محدودة من الطاقة الكهربائية عندما تكون بحاجةٍ إليها، على عكس الكهرباء العادية والتي تسري في منزلك من خلال الأسلاك القادمة من محطات توليد الطاقة الكهربائية. تحوّل البطارية الموادَ الكيميائيةَ الموجودة داخلها إلى طاقةٍ كهربائيةٍ، وتُستخدم على مدار أيام أو أسابيع أو شهور أو حتى سنوات، بحسب نوع البطارية وحجمها واستخداماتها..
تسمى وحدة الطاقة الأساسية في البطارية بالخلية، إذ تتكون البطاريات بشكلٍ عام من خليةٍ أو أكثر، وتتألف من ثلاثة أقسام:
- المصعد أو الأنود (Anode): يتصل بالجانب السالب من البطارية، وهو الطرف الذي يدخل إليه التيار الكهربائي (أو تغادر الإلكترونات البطارية) أثناء عملية التفريغ.
- المهبط أو الكاثود (Cathode): يتصل بالطرف الموجب من البطارية، وهو الطرف الذي يخرج منه التيار الكهربائي (أو تدخل الإلكترونات إلى البطارية) أثناء التفريغ.
- الكهرل أو الإلكتروليت (Electrolyte): مادةٌ كيميائيةٌ سائلة أو شبيهة بالهلام، تفصل بين القطبين الكهربائيين (الأنود والكاثود)، وتحتوي جسيمات مشحونة كهربائيًّا.
بشكلٍ عام، تتشكل البطارية العادية (القلوية) من مواد أساسية قابلة لإعادة التدوير والاستخدام:
وظيفة البطارية في الدارة الكهربائية
لفهم كيفية عمل البطارية في دارةٍ كهربائيةٍ سنعطي مثالًا للدارة الكهربائية العاملة في المصباح اليدوي. عندما تضع البطاريات في المصباح فأنت عمليًّا قمت بإكمال الدارة. انظر إلى الصورة في الأسفل والمكوّنة بشكلٍ بسيطٍ من بطاريةٍ وسلكين ومصباح (في الأدوات مثل المصباح اليدوي وغيره، يجب أن يكون هناك قاطع تشغيل وإيقاف حتمًا).
تعمل جميع أجزاء البطارية معًا لإضاءة هذا المصباح، حيث تحتوي الأقطاب الكهربائية في البطارية على ذرات مواد موصلة معينة، إذ يتكون الأنود عادةً من الزنك؛ بينما الكاثود من ثاني أكسيد المنغنيز، كما يحتوي الكهرل على أيونات معينة (جسيمات مشحونة كهربائيًّا)، تتحد هذه الأيونات مع مكوّنات الأقطاب وتحدث تفاعلات كهروكيميائية بينها.
تُسمى سلسلة التفاعلات هذه بتفاعلات تقليل الأكسدة، إذ يعمل الكاثود كعاملٍ مؤكسدٍ لأنه يستقبل الإلكترونات من الأنود، بينما يعمل الأنود كعاملٍ مُرجِعٍ؛ لأنه يفقد الإلكترونات، وهكذا في النهاية تؤدي هذه التفاعلات إلى تدفق الأيونات بين الأنود والكاثود، وتحرير الإلكترونات وتجمّعها داخل الأنود (الجزء المسطح من البطارية)، وبالتالي سيكون لقطبي البطارية شحنتان مختلفتان؛ الأنود مشحون سلبًا والكاثود إيجابًا؛ ويكوّن هذا الاختلاف في الشحنة رغبةً لدى الإلكترونات بالتحرك نحو الجزء الموجب.
طبعًا لن تتحرك هذه الإلكترونات، بسبب وجود فاصلٍ يمنعها من التحرك وهو القاطع؛ فلو وصلنا بدون وجود القاطع سيتلامس القطبان وينتهي الأمر بدارة قِصَر وعدم مرور التيار، أما عند وصل القاطع (وهو ذات الحالة التي يتم بها تشغيل زر المصباح اليدوي)، هنا يصبح للإلكترونات مسار للوصول إلى الكاثود، إذن؛ ينتهي الأمر بانتقال الطاقة الكهربائية من البطارية إلى قاعدة الضوء، فيضيء، ثم يرجع التيار الكهربائي ويدخل البطارية من الطرف المقابل الذي خرج منه في البداية..
أنواع البطاريات
أيًّا كانت وظيفة البطارية في الدارة الكهربائية ومهما كان نوع الدارة، فيمكننا عمومًا تصنيف البطاريات إلى فئاتٍ وأنواعٍ مختلفةٍ، بدءًا من التركيب الكيميائي والحجم والجهد والتيار والسعة، وصولًا إلى الشكل وحالات الاستخدام على الرغم من أن جميعها تعمل بنفس المبدأ السابق، إلا أن الأنواع المختلفة للبطاريات لها ميزات مختلفة. بشكلٍ عام، تندرج جميع البطاريات تحت نوعين رئيسيين:
- البطاريات الأولية:
- تسمى أيضًا بالبطاريات غير القابلة لإعادة الشحن، إذ لا يمكن إعادة شحنها واستخدامها بمجرد نفاذها.
- هذه البطاريات مصنوعة من خلايا كهروكيميائية لا يمكن عكس تفاعلها الكهروكيميائي.
- توجد بأشكالٍ مختلفةٍ تتراوح من الخلايا المعدنية إلى بطاريات AA.
- تتمتع بطاقةٍ محددةٍ، كما تُستخدم في التطبيقات التي تستهلك قدرًا منخفضًا من الطاقة.
- تُستخدم هذه البطاريات في الحالات التي يكون فيها الشحن غير مفيدٍ، مثلًا في الأجهزة والمعدات العسكرية التي تعمل بهذه البطاريات، إذ سيكون من غير العمليّ أن ينتظر الجنود حتى يُعاد شحن البطارية، ومن الأمثلة الأخرى لاستخداماتها نجد ساعات اليد وأجهزة التحكم عن بعدٍ وألعاب الأطفال وغيرها.
- البطاريات الثانوية:
- تُسمى البطاريات القابلة لإعادة الشحن، إذ يمكن إعادة شحنها بعد استهلاك طاقتها.
- مصنوعة من خلايا كهروكيميائية يمكن عكس تفاعلاتها الكيميائية بتطبيق جهدٍ معينٍ على البطارية في الاتجاه المعاكس.
- تتنوع استخداماتها، إذا تستخدم البطاريات الثانوية ذات السعة الصغيرة منها لتشغيل الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة وغيرها، أما الثقيلة غالية الثمن وذات السعة الكبيرة، فتُستخدم في تشغيل السيارات الكهربائية مثلًا.
- بالتأكيد، إنها مُكلفةٌ أكثر من الأولية، ولكن بالمُقابل أكثر فعاليةً وقابلةً لإعادة الشحن.
- من المُهم معرفة أنه يندرج تحت هذا النوع أيضًا عدة أنواعٍ؛ ذلك تبعًا لكيميائية البطارية التي تحدد خصائصها من الطاقة، والعمر الافتراضي والسعر وما سوى ذلك، ولدينا أربعة أنواعٍ: