ما وظيفة البطارية في الدارة الكهربائية؟

البطارية الكهربائية اخترعها العالم الإيطالي أليساندو فولتا بعد أن كانت الكهرباء تنتج بواسطة الدلك للأجسام المختلفة، ما وظيفة البطارية في الدارة الكهربائية؟

قد يبدو السؤال غريباً بعض الشيء، فكيف لمن يعرف ما هي الدارة الكهربائية ألا يعرف ما هي البطارية. وعلى أي حال سأضع على بساط البحث تعريف المدخرة أو البطارية وأنواعها وأحجامها وسعاتها وكيفية استخدامها وطرق توصيلها.

إن البطارية هي عنصر يحتوي خلية أو مجموعة من الخلايا تجري فيها تفاعلات كيميائية تؤدي لتدفق الإلكترونات بين قطبيها مولدة التيار الكهربائي اللازم لعمل الدارة الكهربائية.

تتألف الدارة الكهربائيّة من عناصر مختلفة، وذلك بحسب الغاية من هذه الدارة ووظيفتها، وبكل الأحوال تُعتبر البطارية من أهم عناصر الدارة الكهربائيّة التي تمثّل مصدر الطاقة وهي المسؤولة عن تأمين التيار الكهربائي لعمل العناصر الأخرى الموجودة في الدارة، تتميّز كل بطارية برقمين يدلان على خواصها الكهربائيّة وهما:

وكما نعرف أنّ التيار الكهربائيّ المستمر DC هو عبارة عن حركة الإلكترونات الحرة من خلال تدفّق ثابت ومستمر انطلاقًا من الكمون المرتفع إلى الكمون المنخفض، وعلى ذلك تكون جهة التيار من القطب الموجب إلى القطب السالب على عكس جهة حركة الإلكترونات التي تكون من القطب السالب إلى القطب الموجب، فتُعتبر البطارية هي العنصر المسؤول عن تحريك الإلكترونات الحرة ضمن عناصر الدارة وتنظيم حركتها.

وللبطارية أنواع كثيرة منها السائلة والجافة، وتندرج تحت هذين النوعين كثير من الأنواع الفرعية، وتستخدم بطارية الليثيوم-أيون بكثرة في الهواتف والحواسيب المحمولة، وهي غالية الثمن لكفاءتها العالية وحجمها الصغير. ومنها ما يمكن شحنها مرات عدة لإعادة استخدامها ومنها ما هو غير قابل للشحن، نستخدمها في الساعات وأجهزة التحكم بالتلفاز.

وتحتوي البطارية على قطبين، سالب ويرمز له بالرمز (-) وقطب موجب يرمز له بالرمز (+). ويجب ألا يحصل تماس مباشر بين القطبين دون وجود دارة كهربائية، لأن ذلك سيؤدي إلى تدفق تيار عالي الشدة بين القطبين قد يؤدي لحدوث حرائق وتلف البطارية. كما يمكن وصل أكثر من بطارية للحصول على سعة أو جهد أعلى، وذلك وفقاً لطريقة الوصل.

للحصول على جهد مضاعف استخدم الوصل التسلسي (أو الوصل على التوالي)، حيث يوصل سالب البطارية الأولى مع موجب البطارية الثانية، ويبقى سالب الثانية وموجب الأولى لتزويد الدارة بالكهرباء. وهنا نحصل على سعة تكافئ سعة بطارية واحدة من البطاريتين، إلا أن الجهد المقدر بالفولت يساوي مجموع جهد كل منهما. أي إذا أردت تغذية دارة تعمل بجهد 12 فولت وكان لديك بطاريتين كل واحدة 6 فولت، فعليك بالوصل التسلسلي للحصول على 12 فولت.

وللحصول على سعة مضاعفة نستخدم الوصل التفرعي (على التوازي)، توصل الأقطاب السالبة مع بعضها والموجبة مع بعضها لنحصل على قطبين لتزويد الدارة بالكهرباء، وتكون السعة الناتجة هي مجموع سعتي البطاريتين.

ويمكن الدمج بين الوصل التفرعي والتسلسلي للحصول على سعة وجهد أكبر. وتوضح الصورة في الأسفل كيفية الوصل التفرعي (على اليسار) والتسلسلي (على اليمين).

إن أبسط شكل يساعدنا على فهم وظيفة البطارية في الدارة الكهربائية هي تلك الدارة التي تعمل في المصباح اليدويّ المؤلفة من مصباح، وسلكين، وقاطع وبطارية.

إن البطارية بجميع أجزائها التي تعمل معاً هي المسؤولة عن إضاءة المصباح، إذ أن أقطابها الكهربائية تحتوي على ذرات لمواد موصلة، حيث أن الأنود يحتوي على الزنك، أمّا الكاثود يتكون عادة من ثاني أكسيد المنغنيز، والكهرل يحتوي على الأيونات التي تتحد مع مكونات الأنود والكاثود محدثةً تفاعلات كهروكيميائية بينها.

هذه التفاعلات تدعى بتفاعلات تقليل الأكسدة لأن الكاثود يعمل مستقبلاً للإلكترونات القادمة من الأنود فيأخذ دور العامل المؤكسد، أمّا الأنود كونه يخسر الكتروناته فهو يلعب دور العامل المُرجع.

وعملية انتقال الأيونات هذه هو السبب في أن كل من قطبي البطارية يملك شحنة مختلفة عن الآخر، فالشحنة السلبية للأنود والإيجابية للكاثود هي التي تولّد الرغبة لدى الالكترونات بالتدفق نحو القطب الموجب دائماً.

إن الذي يمنع حركة الالكترونات هو وجود القاطع، فبدونه سيتم التلامس بين كل من القطبين وبالتالي لن يمرّ التيار الكهربائي فنكون بذلك قد حصلنا على دارة قِصر، أمّا عند وصله يصبح المسار مُهيأً للإلكترونات لتصل إلى الكاثود، فتنتقل الطاقة الكهربائية ويضيء المصباح.

وظيفة البطارية في الدارة الكهربائية هي تأمين الطاقة اللازمة لحركة الالكترونات ضمن الدارة، وكما يوجد أيضًا أسلاك التوصيل الناقلة للتيار، والمصباح الكهربائي أو أي جهاز يستخدم التيار الكهربائي، تختلف الدرات تبعاً لنوع المولد والتيار الذي ينتج فهناك التيار المتواصل أو المستمر الذي ينتج عن حركة الاكترونات الانتقالية باتجاه واحد، والتيار المتناوب الذي ينتج عن حركة الالكترونات الاهتزازية.

تتألف البطارية من الكهرل أو الوسط الأيوني، والمصعد الموجب (الكاثود+)، والمهبط السالب (الأنود-)، يوصل هذان الطرفان إلى الدارة الكهربائية لتزويدها بالطاقة أو الجهد اللازم لانتقال الاكترونات وتدفق التيار الكهربائي ضمن الأسلاك وإضاءة المصباح.

تحدث تفاعلات كيمائية ضمن البطارية تؤدي إلى تراكم الالكترونات في القطب الموجب، ينتج عن ذلك فرق في الكمون بين قطبي الدارة تتحرك على إثره الالكترونات بحركة انتقالية اجمالية من القطب الموجب إلى القطب السالب، وتستمر حتى ينعدم فرق الكمون بين قطبي الدارة وينتج الاستقرار الكهربائي، يضمن الوسط الذي تتواجد فيه الالكترونات منع انتقالها المباش من القطب الموجب إلى القطب السالب ضمن البطارية، ويجبرها على عبور سلك التوصيل لتصل إلى القطب الآخر في حال كانت الدارة مغلقة.

تنتهي صلاحية البطاريات وتتوقف عن العمل بعد توقف العمليات الكهروكيميائية التي تحدث بالقرب من المصعد والمهبط وتوقف إنتاج الالكترونات، ويمكن إعادة تفعيلها عن طريق شحن البطاريات الذي يؤمن تغيير اتجاه تدفق الالكترونات باستخدام مصدر طاقة إضافي واستعادة الأقطاب لقدراتها السابقة على توليد الطاقة، يمكن أن يكون مصدر الطاقة الإضافي المستخدم للشحن على شكل تيار كهربائي أو طاقة شمسية أو أنواع طاقة أخرى.