الخلية الجلفانية هي مصدر كيميائي التيار الكهربائي، على أساس تفاعل معدنين و / أو أكاسيدهم في إلكتروليت ، سمي على اسم العالم الإيطالي لويجي جالفاني.

في وقت لاحق ، قام العالم بتجميع بطارية من خلايا النحاس والزنك ، والتي سُميت فيما بعد باسم عمود الفولتية (انظر الشكل). كانت تتألف من عدة عشرات من أكواب الزنك والنحاس ، مطوية في أزواج ومفصولة بقطعة قماش مبللة بالحمض. تم استخدام هذا الاختراع لاحقًا من قبل علماء آخرين في أبحاثهم. لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1802 ، قام الأكاديمي الروسي V.V. Petrov ببناء بطارية عملاقة من 2100 خلية ، والتي خلقت فولطية تبلغ حوالي 2500 فولت واستخدمت لإنتاج قوس كهربائي قوي خلق درجة حرارة عالية بحيث يمكنها إذابة المعادن.

هناك خلايا كلفانية وتصميمات أخرى. فكر في خلية جلفانية أخرى من النحاس والزنك ، ولكنها تعمل بالطاقة تفاعل كيميائيبين محلول الزنك وكبريتات النحاس (عنصر جاكوبي دانيال). يتكون هذا العنصر من صفيحة نحاسية مغمورة في محلول كبريتات النحاس وصفيحة زنك مغمورة في محلول كبريتات الزنك (انظر الشكل). كلا المحلين على اتصال مع بعضهما البعض ، ولكن لمنع الاختلاط ، يتم فصلهما بواسطة قسم غشاء مصنوع من مادة مسامية.

نوع آخر من الخلايا الجلفانية هو ما يسمى بخلايا المنغنيز والزنك Leclanche "الجافة" (انظر الشكل). بدلاً من السائل المنحل بالكهرباء ، تستخدم هذه الخلية عجينة تشبه الهلام من الأمونيا والنشا. من أجل أن تتبخر الرطوبة بأقل قدر ممكن ، يتم ملء الجزء العلوي من هذا العنصر بالشمع أو الراتينج بفتحة صغيرة للهروب من الغازات. عادةً ما يتم صنع عناصر Leclanchet في أكواب أسطوانية ، والتي تعمل في نفس الوقت كقطب كهربائي سالب ووعاء.
تنقسم جميع مصادر التيار الكيميائي (الخلايا والبطاريات الجلفانية منها) إلى مجموعتين - أولية (يمكن التخلص منها) وثانوية (قابلة لإعادة الاستخدام أو قابلة للعكس). في المصادر الأولية الحالية (بالعامية ، البطاريات) ، تستمر العمليات الكيميائية بشكل لا رجعة فيه ، لذلك لا يمكن استعادة شحنتها. تُصنف البطاريات على أنها مصادر تيار كيميائي ثانوي ، ويمكن استعادة شحنتها. بالنسبة للبطاريات المستخدمة على نطاق واسع ، يمكن تكرار دورة الشحن والتفريغ حوالي 1000 مرة.

البطاريات لها جهد وقدرات مختلفة. على سبيل المثال ، البطاريات القلوية التقليدية لها جهد اسمي يبلغ حوالي 1.5 فولت ، وبطاريات الليثيوم الأكثر حداثة جهد اسمي يبلغ حوالي 3 فولت ، وتعتمد السعة الكهربائية على العديد من العوامل: عدد الخلايا في البطارية ، ومستوى الشحن ، درجة الحرارة المحيطة ، تيار القطع (الذي لا يعمل عنده الجهاز حتى مع الشحن المتاح). على سبيل المثال ، غالبًا ما تستمر البطارية التي لم تعد تعمل في الكاميرا في العمل في الساعات أو أجهزة التحكم عن بُعد.
يتم قياس كمية الكهرباء (الشحن) في البطاريات بالساعات أمبير. على سبيل المثال ، إذا كانت البطارية مشحونة بمقدار 1 أمبير في الساعة وكان الجهاز الكهربائي الذي تشغله يتطلب 200 مللي أمبير ، فسيتم حساب عمر البطارية على النحو التالي: 1 أمبير / 0.2 أمبير = 5 ساعات.
بفضل التقدم التكنولوجي ، ازداد تنوع الأجهزة المصغرة التي تعمل بالبطاريات. بالنسبة للكثير منهم ، كانت هناك حاجة إلى بطاريات أكثر قوة ، بينما تكون مضغوطة تمامًا. أصبحت بطاريات الليثيوم هي الحل لهذه الحاجة: عمر تخزين طويل وموثوقية عالية وأداء ممتاز على نطاق واسع من درجات الحرارة. حتى الآن ، الأكثر تقدمًا هي مصادر طاقة الليثيوم أيون. لم يتم الكشف عن إمكانات هذه التكنولوجيا بالكامل بعد ، ولكن الاحتمالات المباشرة مرتبطة بها.

تعتبر بطاريات النيكل والكادميوم ذات قيمة خاصة في التكنولوجيا ، وقد اخترعها العالم السويدي في. يونغنر في عام 1899. ولكن بحلول منتصف القرن العشرين فقط توصل المهندسون إلى مخطط حديث تقريبًا لمثل هذه البطاريات المغلقة. نظرًا لاكتنازها واستقلاليتها ، تُستخدم البطاريات القابلة لإعادة الشحن في السيارات والقطارات وأجهزة الكمبيوتر والهواتف والكاميرات وكاميرات الفيديو والآلات الحاسبة وما إلى ذلك.
الخصائص الرئيسية للبطارية هي قدرتها وأقصى تيار. سعة البطارية بالساعات الأمبير تساوي ناتج التيار المحدد ومدة التفريغ. على سبيل المثال ، إذا كانت البطارية قادرة على توصيل تيار 80 مللي أمبير لمدة 10 ساعات ، فإن السعة هي: 80 مللي أمبير 10 ساعات = 800 مللي أمبير (أو ، بالمعايير الدولية ، 800 مللي أمبير ، انظر الشكل).

كوزنتسوفا ألا فيكتوروفنا (سامارا)

1. خلية كلفانية

الخلية الجلفانية هي مصدر كيميائي للتيار الكهربائي سميت باسم لويجي جالفاني. يعتمد مبدأ تشغيل الخلية الجلفانية على تفاعل معدنين من خلال إلكتروليت ، مما يؤدي إلى ظهور تيار كهربائي في دائرة مغلقة. تعتمد المجالات الكهرومغناطيسية للخلية الجلفانية على مادة الأقطاب الكهربائية وتكوين الإلكتروليت. هذه هي HP الأولية ، والتي ، بسبب عدم رجوع التفاعلات التي تحدث فيها ، لا يمكن إعادة شحنها.

الخلايا الجلفانية هي مصادر الطاقة الكهربائية لعمل واحد. تعتبر الكواشف (عامل مؤكسد وعامل اختزال) جزءًا مباشرًا من الخلية الجلفانية ويتم استهلاكها أثناء تشغيلها. تتميز الخلية الجلفانية بالمجالات الكهرومغناطيسية والجهد والقوة والسعة والطاقة المعطاة لدائرة خارجية ، فضلاً عن الثبات والسلامة البيئية.

يتم تحديد EMF حسب طبيعة العمليات التي تحدث في الخلية الجلفانية. دائمًا ما يكون جهد الخلية الجلفانية U أقل من EMF بسبب استقطاب الأقطاب الكهربائية وخسائر المقاومة:

U = Ee - I (r1 – r2) - ΔE ،

أين Ee هو EMF للعنصر ؛ أنا هي القوة الحالية في وضع تشغيل العنصر ؛ r1 و r2 هي مقاومة الموصلات من النوع الأول والثاني داخل الخلية الجلفانية ؛ ΔЕ هو استقطاب خلية جلفانية ، تتكون من استقطاب أقطابها (الأنود والكاثود). يزداد الاستقطاب مع زيادة كثافة التيار (i) ، التي تحددها الصيغة i = I / S ، حيث S هي منطقة المقطع العرضي للإلكترود ، ومع زيادة مقاومة النظام.

أثناء تشغيل الخلية الجلفانية ، ينخفض ​​EMF الخاص بها ، وبالتالي الجهد الكهربائي تدريجيًا بسبب انخفاض تركيز الكواشف وزيادة تركيز منتجات عمليات الأكسدة والاختزال على الأقطاب الكهربائية (تذكر معادلة Nernst). ومع ذلك ، كلما انخفض الجهد بشكل أبطأ أثناء تفريغ الخلية الجلفانية ، زادت فرص تطبيقه في الممارسة العملية. سعة الخلية هي الكمية الإجمالية للكهرباء Q التي تستطيع الخلية الجلفانية إطلاقها أثناء التشغيل (عند التفريغ). يتم تحديد السعة من خلال كتلة الكواشف المخزنة في الخلية الجلفانية ودرجة تحويلها. مع زيادة تيار التفريغ وانخفاض درجة حرارة التشغيل للعنصر ، خاصة أقل من 0 درجة مئوية ، تنخفض درجة تحويل الكواشف وقدرة العنصر.

طاقة الخلية الجلفانية تساوي ناتج السعة والجهد: ΔН = Q.U. العناصر ذات القيمة الكهرومغناطيسية العالية والكتلة المنخفضة والدرجة العالية من تحويل الكواشف تتمتع بأعلى طاقة.

الثبات هو مدة فترة تخزين العنصر ، والتي تظل خلالها خصائصه ضمن المعلمات المحددة. مع زيادة درجة حرارة التخزين وتشغيل العنصر ، ينخفض ​​ثباته.

تكوين الخلية الجلفانية: كقاعدة عامة ، يعمل الزنك والزنك والليثيوم والمغنيسيوم كعوامل اختزال (الأنودات) في الخلايا الجلفانية المحمولة ؛ العوامل المؤكسدة (الكاثودات) هي أكاسيد المنغنيز MnO2 والنحاس CuO والفضة Ag2O والكبريت SO2 وكذلك الأملاح CuCl2 و PbCl2 و FeS والأكسجين O2.

الأكثر ضخامة في العالم هو إنتاج عناصر المنغنيز والزنك Mn-Zn ، والتي تستخدم على نطاق واسع لتشغيل معدات الراديو ، وأجهزة الاتصال ، ومسجلات الأشرطة ، والمصابيح الكهربائية ، إلخ. يظهر تصميم هذه الخلية الجلفانية في الشكل.

ردود الفعل المولدة للتيار في هذا العنصر هي:

عند الأنود (-): Zn - 2ē → Zn2 + (عمليًا ، تذوب قشرة الزنك في جسم الخلية تدريجيًا) ؛

عند الكاثود (+): 2MnO2 + 2NH4 + + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

تحدث العمليات التالية أيضًا في الفضاء الإلكتروليتي:

في الأنود Zn2 + + 2NH3 → 2 + ؛

في الكاثود Mn2O3 + H2O → أو 2.

في الشكل الجزيئي ، يمكن تمثيل الجانب الكيميائي لعملية الخلية الجلفانية بالتفاعل الكلي:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.

رسم تخطيطي لخلية كلفانية:

(-) Zn | Zn (NH3) 2] 2+ ||| MnO2 (С) (+).

إن emf لهذا النظام هو E = 1.25 1.50V.

تتمتع الخلايا الجلفانية ذات التركيبة المماثلة من الكواشف في المنحل بالكهرباء القلوية (KOH) بخصائص إخراج أفضل ، ولكنها لا تنطبق في الأجهزة المحمولة بسبب المخاطر البيئية. تتمتع عناصر الفضة والزنك Ag-Zn بخصائص أكثر ملاءمة ، لكنها باهظة الثمن ، وبالتالي فهي غير فعالة اقتصاديًا. حاليًا ، يُعرف أكثر من 40 نوعًا مختلفًا من الخلايا الجلفانية المحمولة ، والتي تسمى "البطاريات الجافة" في الحياة اليومية.

2. البطاريات الكهربائية

البطاريات الكهربائية (HIT الثانوية) هي خلايا جلفانية قابلة لإعادة الشحن يمكن إعادة شحنها باستخدام مصدر تيار خارجي (شاحن).

البطاريات هي الأجهزة التي تتراكم فيها (تتراكم) الطاقة الكيميائية في النظام (عملية شحن البطارية) ، تحت تأثير مصدر تيار خارجي ، وعند تشغيل الجهاز (التفريغ) ، تعود الطاقة الكيميائية مرة أخرى تحويلها إلى طاقة كهربائية. وهكذا ، عند الشحن ، تعمل البطارية كمحلل كهربي ، وعند تفريغها تعمل مثل خلية كلفانية.

في شكل مبسط ، تتكون البطارية من قطبين (الأنود والكاثود) وموصل أيوني بينهما - إلكتروليت. تحدث تفاعلات الأكسدة عند الأنود أثناء التفريغ وأثناء الشحن ، وتحدث تفاعلات الاختزال عند الكاثود.

حتى وقت قريب ، ظلت بطاريات الرصاص الحمضية والنيكل والكادميوم والنيكل والحديد الأكثر شيوعًا في روسيا ، وفي ترانسنيستريا أيضًا.

الأقطاب الموجودة فيه عبارة عن حواجز شبكية من الرصاص ، أحدها مملوء في المسام بمسحوق أكسيد الرصاص IV - PbO2. يتم توصيل الأقطاب الكهربائية بالكهرباء من خلال فاصل مسامي. يتم وضع البطارية بالكامل في خزان مصنوع من مادة الإيبونيت أو البولي بروبلين.

أثناء تشغيل مثل هذا الجهاز ، تحدث عمليات الإلكترود التالية:

لكن). تفريغ أو تشغيل البطارية كمصدر للطاقة الكهربائية.

عند الأنود: (-) Pb - 2ē → Pb2 + ؛

عند الكاثود: (+) PbO2 + 4H + + 2ē → Pb2 + + 2H2O.

تتفاعل كاتيونات الرصاص المتكونة على الأقطاب الكهربائية مع أنيونات الإلكتروليت مع إطلاق راسب أبيض من كبريتات الرصاص

Pb2 + SO42– = ↓ PbSO4.

رد فعل إجمالي توليد التيار لعملية تفريغ البطارية:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 ↓ + 2H2O ،

ودائرة البطارية العاملة كخلية كلفانية لها الشكل (-) Pb | PbSO4 || PbO2 (+).

يصل الجهد عند أطراف البطارية العاملة إلى قيمة 2.0 2.5V. أثناء تشغيل الجهاز ، يتم استهلاك المنحل بالكهرباء وتتراكم الرواسب في النظام. عندما يصبح تركيز أيونات الهيدروجين النشطة [+ H] حرجًا للتفاعل عند الكاثود ، تتوقف البطارية عن العمل.

ب). شحن أو استعادة الإمكانات الكيميائية للبطارية لتحويلها لاحقًا إلى طاقة كهربائية. للقيام بذلك ، يتم توصيل البطارية بمصدر تيار خارجي بحيث يتم توفير قطب سالب إلى طرف "الأنود" ، وقطب موجب بطرف "الكاثود". في هذه الحالة ، تحت تأثير الجهد الخارجي ، تحدث عمليات عكسية على الأقطاب الكهربائية ، مما يعيدها إلى حالتها الأصلية.

يعيد الرصاص المعدني سطح القطب (-): PbSO4 + 2ē → Pb + SO42 ؛

يملأ أكسيد الرصاص الناتج IV مسام شبكة الرصاص (+): PbSO4 + 2H2O - 2ē → ↓ PbO2 + 4H + + SO42.

تفاعل الاختزال الكلي: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4.

يمكنك تحديد نهاية عملية شحن البطارية بظهور فقاعات غاز فوق أطرافها ("الغليان"). ويرجع ذلك إلى حدوث عمليات جانبية لتقليل كاتيون الهيدروجين وأكسدة الماء مع زيادة الجهد أثناء تقليل الإلكتروليت:

2Н + + 2ē → 2 ؛ 2Н2О - 4ē → 2 + 2Н2.

تصل كفاءة البطارية إلى 80٪ ويحافظ جهد التشغيل على قيمتها لفترة طويلة.

يمكن حساب emf للبطارية باستخدام المعادلة:

RT α4 (H +) α2 (SO42–)

EE = EE0 + –––– ℓn ––––––––––––– (المواد الصلبة في Comp.

2F α2 (H2O) تؤخذ في الاعتبار).

وتجدر الإشارة إلى أن حامض الكبريتيك المركز (ω (H2SO4)> 30٪) لا يمكن استخدامه في البطارية ، لأن في الوقت نفسه ، تنخفض الموصلية الكهربائية وتزداد قابلية ذوبان الرصاص المعدني. تستخدم بطاريات الرصاص على نطاق واسع في جميع أنواع المركبات والهواتف ومحطات الطاقة. ومع ذلك ، نظرًا للسمية العالية للرصاص ومنتجاته ، تتطلب بطاريات الرصاص الحمضية تغليفًا مختومًا وأتمتة كاملة لعمليات تشغيلها.

أ) في البطاريات القلوية ، يتكون القطب الموجب من شبكة نيكل مشربة بهلاميد هيدروكسيد النيكل الشبيه بالهلام II Ni (OH) 2 ؛ والسلبية - من الكادميوم أو الحديد. الموصل الأيوني عبارة عن محلول 20٪ من هيدروكسيد البوتاسيوم KOH. إجمالي ردود الفعل المولدة والمولدة للتيار في مثل هذه البطاريات لها الشكل:

2NiOOH + Cd + 2H2O ◄ ====== 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2 ؛ EE0 = 1.45 فولت.

2NiOOH + Fe + 2H2O ◄ ====== 2Ni (OH) 2 + Fe (OH) 2 ؛ EE0 = 1.48 فولت.

تشمل مزايا هذه البطاريات عمر الخدمة الطويل (حتى 10 سنوات) والقوة الميكانيكية العالية ، والعيوب هي الكفاءة المنخفضة والجهد التشغيلي. تُستخدم البطاريات القلوية لتشغيل السيارات الكهربائية ، والرافعات ، وقاطرات التعدين الكهربائية ، ومعدات الاتصالات والأجهزة الإلكترونية ، وأجهزة الراديو. تذكر أيضًا أن الكادميوم معدن شديد السمية ، مما يتطلب الامتثال لقواعد السلامة عند التخلص من الأجهزة المستخدمة.

EMF والحالية. يجب أن نتذكر أنه يجب توصيل العناصر التي لها نفس الخصائص بالبطارية. خطة العمل ارسم دوائر مكافئة: دوائر تبديل مقاومة الريوستات دارات تبديل مقياس الجهد مخططات توصيل للخلايا الجلفانية. الاستنتاج من الدوائر والظروف المبنية ، كل دائرة لها قيمة EMF الخاصة بها ؛ في كل دائرة ، يتم تحديدها بطرق مختلفة. إجابات على...

تطور الطلاء الكهربائي في القرنين التاسع عشر والعشرين. لا يزال مفتوحًا إلى حد كبير. يبدو أنه يمكن حلها على أساس إعادة بناء عملية إنشاء إنتاج كلفاني ؛ تتبع مجالات العلوم والتكنولوجيا ، وإنجازاتهم المحددة ، التي تدين بتكوينها ؛ النظر في المتطلبات الاجتماعية والاقتصادية لظهور وتطوير الطلاء الكهربائي. ...

التيار أقل مما هو عليه في الطلاء الكهربائي ؛ في الحمامات المصنوعة من الحديد الجلفانوبلاستيك ، لا تتجاوز 10-30 أمبير / م 2 ، بينما تصل كثافة التيار أثناء الكي (الطلاء الكهربائي) إلى 2000-4000 ألف / م 2. يجب أن يكون للطلاء المطلي بالكهرباء هيكل دقيق الحبيبات وسمك موحد في مناطق مختلفة من المنتجات المطلية - النتوءات والفواصل. هذا المطلب مهم بشكل خاص في الطلاء الكهربائي ...

الخلية الجلفانية هي مصدر للطاقة الكهربائية ، يعتمد مبدأ التشغيل على التفاعلات الكيميائية. تندرج معظم البطاريات والمراكم الحديثة تحت التعريف وتنتمي إلى الفئة المعنية. فيزيائيًا ، تتكون الخلية الجلفانية من أقطاب موصلة مغمورة في سائل أو سائلين (إلكتروليتات).

معلومات عامة

تنقسم الخلايا الجلفانية إلى خلايا أولية وثانوية وفقًا لقدرتها على توليد تيار كهربائي. كلا النوعين يعتبران مصادر ويخدمان أغراضًا مختلفة. الأول يولد تيارًا أثناء تفاعل كيميائي ، ويعمل الأخير حصريًا بعد الشحن. سنناقش كلا الصنفين أدناه. حسب كمية السوائل ، يتم تمييز مجموعتين من الخلايا الجلفانية:

لاحظ أوم عدم ثبات مصادر الطاقة مع سائل واحد ، واكتشف عدم مقبولية خلية ولاستون الجلفانية لإجراء تجارب على دراسة الكهرباء. ديناميات العملية هي أنه في اللحظة الأولى من الزمن ، يكون التيار كبيرًا وينمو في البداية ، ثم ينخفض ​​إلى متوسط ​​القيمة في غضون ساعات قليلة. البطاريات الحديثة متقلبة.

تاريخ اكتشاف الكهرباء الكيميائية

إنها حقيقة غير معروفة أنه في عام 1752 ذكر يوهان جورج الكهرباء الجلفانية. حتى أن طبعة أكاديمية برلين للعلوم من دراسة حول أصل الأحاسيس السارة وغير السارة أعطت هذه الظاهرة تفسيرًا صحيحًا تمامًا. التجربة: تم ربط صفائح الفضة والرصاص من أحد طرفيها ، وتم وضع اللوحين المعاكسين على اللسان من جوانب مختلفة. لوحظ طعم كبريتات الحديد على المستقبلات. لقد خمّن القراء بالفعل أن الطريقة الموصوفة لفحص البطاريات كانت تُستخدم غالبًا في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية.

شرح الظاهرة: الظاهر أن هناك بعض الجزيئات المعدنية التي تهيج مستقبلات اللسان. تنبعث الجزيئات من صفيحة واحدة عند التلامس. علاوة على ذلك ، يتم إذابة معدن واحد في هذه الحالة. في الواقع ، هناك مبدأ تشغيل الخلية الجلفانية ، حيث تختفي صفيحة الزنك تدريجيًا ، مما يعطي طاقة الروابط الكيميائية للتيار الكهربائي. تم تقديم التفسير قبل نصف قرن من التقرير الرسمي للجمعية الملكية في لندن من قبل أليساندرو فولتا حول اكتشاف مصدر الطاقة الأول. ولكن ، كما يحدث غالبًا مع الاكتشافات ، على سبيل المثال ، التفاعل الكهرومغناطيسي ، مرت التجربة دون أن يلاحظها أحد من قبل المجتمع العلمي العام ولم يتم التحقيق فيها بشكل صحيح.

نضيف أن هذا مرتبط بإلغاء محاكمة السحر مؤخرًا: بعد التجربة المحزنة لـ "السحرة" ، قرر القليلون دراسة الظواهر غير المفهومة. كان الوضع مختلفًا مع لويجي جالفاني ، الذي كان يعمل منذ عام 1775 في قسم التشريح في بولونيا. اعتبرت تخصصاته من محفزات الجهاز العصبي ، لكن النجم اللامع ترك علامة مهمة ليس في مجال علم وظائف الأعضاء. شارك أحد طلاب بكاريا بنشاط في الكهرباء. في النصف الثاني من عام 1780 ، تم تشريح الضفدع مرة أخرى (استمرت التجارب لسنوات عديدة).

من الجدير بالذكر أنه تم ملاحظة ظاهرة غير عادية من قبل المساعد ، تمامًا كما هو الحال مع انحراف إبرة البوصلة بواسطة سلك بتيار كهربائي: تم الاكتشاف بشكل غير مباشر فقط من قبل أشخاص مرتبطين بالبحث العلمي. تتعلق الملاحظة بارتعاش الأطراف السفلية للضفدع. أثناء التجربة ، قام المساعد بلمس العصب الفخذي الداخلي للحيوان الذي تم تشريحه ، ورجفت ساقيه. في الجوار ، على الطاولة ، كان هناك مولد إلكتروستاتيكي ، قفزت شرارة على الجهاز. حصل لويجي جالفاني على الفور على فكرة تكرار التجربة. ما نجح. ومرة أخرى ، انزلقت شرارة من خلال السيارة.

تم تكوين اتصال مواز بالكهرباء ، وأراد جالفاني معرفة ما إذا كانت العاصفة الرعدية ستعمل بطريقة مماثلة على الضفدع. اتضح أن الكوارث الطبيعية ليس لها تأثير ملحوظ. كانت الضفادع ، المربوطة بخطافات نحاسية خلف الحبل الشوكي إلى السياج الحديدي ، ترتعش بغض النظر عن الظروف الجوية. لا يمكن تنفيذ التجارب مع إمكانية التكرار بنسبة 100٪ ، ولم يكن للغلاف الجوي أي تأثير. نتيجة لذلك ، وجد جالفاني مجموعة من الأزواج المكونة من معادن مختلفة ، والتي عند ملامستها لبعضها البعض والعصب ، تسببت في ارتعاش أرجل الضفدع. اليوم ، يتم تفسير هذه الظاهرة بدرجات متفاوتة من الكهربية للمواد. على سبيل المثال ، من المعروف أنه لا يمكن برشام صفائح الألومنيوم بالنحاس ، فالمعادن تشكل زوجًا كلفانيًا بخصائص واضحة.

لاحظ جالفاني بحق أنه تم تشكيل دائرة كهربائية مغلقة ، واقترح أن الضفدع يحتوي على كهرباء حيوانية ، والتي يتم تفريغها مثل جرة ليدن. لم يقبل أليساندرو فولتا التفسير. بعد دراسة وصف التجارب بعناية ، طرح فولتا شرحًا مفاده أن التيار ينشأ عندما يتم الجمع بين معدنين ، مباشرة أو من خلال إلكتروليت لجسم كائن بيولوجي. يكمن سبب حدوث التيار في المواد ، ويعمل الضفدع كمؤشر بسيط للظاهرة. نقلا عن فولتا من رسالة موجهة إلى محرر مجلة علمية:

الموصلات من النوع الأول (الأجسام الصلبة) والنوع الثاني (السوائل) عند التلامس في تركيبة ما تؤدي إلى اندفاع للكهرباء ، واليوم من المستحيل تفسير أسباب هذه الظاهرة. يتدفق التيار في دائرة مغلقة ويختفي إذا تم كسر سلامة الدائرة.

عمود فولتية

ساهم جيوفاني فابروني في سلسلة الاكتشافات ، قائلاً إنه عندما يتم وضع لوحين من زوج كلفاني في الماء ، يبدأ أحدهما في الانهيار. لذلك ، ترتبط الظاهرة بالعمليات الكيميائية. وفي الوقت نفسه ، اخترع فولتا أول مصدر للطاقة ، والذي خدم لفترة طويلة لدراسة الكهرباء. كان العالم يبحث باستمرار عن طرق لتعزيز عمل الأزواج الجلفانية ، لكنه لم يجدها. أثناء التجارب ، تم إنشاء تصميم العمود الفولتية:

1. تم أخذ أكواب الزنك والنحاس في أزواج على اتصال وثيق مع بعضها البعض.
2. تم فصل الأزواج الناتجة بواسطة دوائر مبللة من الورق المقوى ووضع أحدها فوق الآخر.

من السهل تخمين أنه تم الحصول على اتصال متسلسل للمصادر الحالية ، مما أدى ، باختصار ، إلى تعزيز التأثير (فرق الجهد). تسبب الجهاز الجديد عند لمسه بصدمة كانت ملحوظة لليد البشرية. على غرار تجارب Muschenbrook مع ليدن جرة. ومع ذلك ، فقد استغرق الأمر وقتًا لتكرار التأثير. أصبح من الواضح أن مصدر الطاقة هو من أصل كيميائي ويتم تجديده تدريجياً. لكن التعود على مفهوم الكهرباء الجديدة لم يكن سهلاً. تصرف العمود الفولتية مثل جرة Leyden المشحونة ، لكن ...

ينظم فولتا تجربة إضافية. يزود كل دائرة بمقبض عازل ، ويجعلها تلامسها لفترة من الوقت ، ثم يفتحها ويُجري فحصًا بواسطة مكشاف كهربائي. بحلول ذلك الوقت ، كان قانون كولوم قد أصبح معروفًا بالفعل ، واتضح أن الزنك كان موجب الشحنة ، وكان النحاس سالب الشحنة. المادة الأولى تبرعت بالإلكترونات للمادة الثانية. لهذا السبب ، يتم تدمير صفيحة الزنك في العمود الفولتية تدريجياً. لدراسة العمل ، تم تعيين لجنة ، تم تقديم حجج أليساندرو إليها. حتى ذلك الحين ، ومن خلال التفكير ، أثبت الباحث أن توتر الأزواج الفردية يتزايد.

أوضح فولتا أنه بدون دوائر مبللة بين المعادن ، يتصرف الهيكل مثل لوحين: النحاس والزنك. لا يوجد تضخيم. وجد فولتا السلسلة الأولى من الكهربية: الزنك والرصاص والقصدير والحديد والنحاس والفضة. وإذا استبعدنا المعادن الوسيطة بين المعادن المتطرفة ، فإن "القوة الدافعة" لا تتغير. أثبت فولتا أن الكهرباء موجودة طالما أن الألواح على اتصال: القوة غير مرئية ، ولكن يمكن الشعور بها بسهولة ، وبالتالي ، فهي صحيحة. في 20 مارس 1800 ، كتب العالم إلى رئيس الجمعية الملكية في لندن ، السير جوزيف بانكس ، الذي اتصل به مايكل فاراداي لأول مرة.

اكتشف الباحثون الإنجليز بسرعة: إذا تم إسقاط الماء على اللوحة العلوية (النحاس) ، يتم إطلاق الغاز عند النقطة المحددة في منطقة التلامس. قاموا بتجربة على كلا الجانبين: أسلاك دائرة مناسبة محاطة في قوارير بالماء. تم فحص الغاز. اتضح أن الغاز قابل للاحتراق ، ولا يتم إطلاقه إلا من جانب واحد. على السلك المعاكس ، تأكسد السلك بشكل ملحوظ. ثبت أن الأول هو الهيدروجين ، والظاهرة الثانية تحدث بسبب زيادة الأكسجين. ثبت (2 مايو 1800) أن العملية المرصودة هي تحلل الماء تحت تأثير تيار كهربائي.

أظهر William Cruikshank على الفور أنه من الممكن فعل الشيء نفسه مع محاليل الأملاح المعدنية ، وأثبت Wollaston أخيرًا هوية العمود الفولتية للكهرباء الساكنة. كما قال العالم: الفعل أضعف ، لكن مدته أطول. قام مارتن فان ماروم وكريستيان هاينريش بفاف بتحميل جرة ليدن من العنصر. ووجد البروفيسور همفري ديفي أن الماء النقي لا يمكن أن يكون بمثابة إلكتروليت في هذه الحالة. على العكس من ذلك ، فكلما كان السائل قادرًا على أكسدة الزنك بشكل أقوى ، كان أداء العمود الفولتية أفضل ، وهو ما يتوافق تمامًا مع ملاحظات فابروني.

يعمل الحمض على تحسين الأداء بشكل كبير عن طريق تسريع عملية توليد الكهرباء. في النهاية ، ابتكر ديفي نظرية متماسكة للعمود الفولتية. وأوضح أن المعادن في البداية لها شحنة معينة ، عندما يتم إغلاق جهات الاتصال ، مما يتسبب في تأثير العنصر. إذا كان المنحل بالكهرباء قادرًا على أكسدة سطح مانح الإلكترون ، تتم إزالة طبقة الذرات المستنفدة تدريجيًا ، مما يكشف عن طبقات جديدة قادرة على إنتاج الكهرباء.

في عام 1803 ، قام ريتر بتجميع عمود من دوائر متناوبة من الفضة والقماش المبلل ، وهو النموذج الأولي للمجمع الأول. قام ريتر بشحنه من عمود فلطائي ولاحظ عملية التفريغ. قدم أليساندرو فولتا التفسير الصحيح للظاهرة. وفقط في عام 1825 ، أثبت Auguste de la Rive أن نقل الكهرباء في المحلول يتم بواسطة أيونات المادة ، مع ملاحظة تكوين أكسيد الزنك في غرفة بها ماء نقي ، مفصولة عن الغشاء المجاور. ساعد البيان Berzelius في إنشاء نموذج فيزيائي يُنظر فيه إلى ذرة الإلكتروليت على أنها مكونة من قطبين متعارضين (أيونات) قادرة على الانفصال. وكانت النتيجة صورة متناغمة لنقل الكهرباء عن بعد.

في التجارب الأولى ، أنزل العلماء لوحين معدنيين في وعاء به حمض: النحاس والزنك. تم توصيل الألواح بموصل ، وبعد ذلك ظهرت فقاعات غازية على الصفيحة النحاسية ، وبدأت صفيحة الزنك في الذوبان. لقد ثبت أن التيار الكهربائي يتدفق عبر موصل. بدأ هذه الدراسة العالم الإيطالي جالفاني ، الذي ورد منه اسم الخلايا الجلفانية.

بعد ذلك ، طور العالم فولتا شكلاً أسطوانيًا لهذا العنصر على شكل عمود رأسي ، يتضمن مجموعة من حلقات النحاس والزنك والقماش ، متصلة ببعضها البعض ومشبعة بالحامض. أنتج العنصر الرأسي الذي يبلغ ارتفاعه نصف متر والذي صممه فولت جهدًا يمكن أن يشعر به الشخص.

الخلايا الجلفانية هي مصادر الطاقة الكهربائية التي تولد تيارًا كهربائيًا عن طريق التفاعل الكيميائي لمعدنين في إلكتروليت. يتم تحويل الطاقة الكيميائية في الخلايا الجلفانية إلى تيار كهربائي.

مبدأ التشغيل

يعتمد عمل الخلايا الجلفانية على حقيقة أن معدنين مختلفين في بيئة الإلكتروليت يتفاعلان مع بعضهما البعض ، ونتيجة لذلك يتشكل تيار كهربائي في الدائرة الخارجية.

تسمى هذه العناصر الكيميائية اليوم البطاريات. يعتمد مقدار جهد البطارية على أنواع المعادن المستخدمة وعدد العناصر الموجودة فيها. يقع جهاز البطارية بالكامل في أسطوانة معدنية. الأقطاب الكهربائية عبارة عن شبكات معدنية مطلية بعامل اختزال وعامل مؤكسد.

لا يمكن للبطاريات استعادة الخصائص المفقودة ، لأنها تحول الطاقة الكيميائية للعامل المؤكسد مباشرة وتحول العامل المختزل إلى طاقة كهربائية. يتم استهلاك الكواشف الكيميائية أثناء تشغيل البطارية تدريجياً ، وينخفض ​​التيار الكهربائي.

الطرف السالب للبطارية مصنوع من الزنك أو الليثيوم ، يفقد الإلكترونات وهو عامل مختزل. يلعب الاستنتاج الإيجابي الآخر دور العامل المؤكسد ؛ فهو مصنوع من أكسيد المغنيسيوم أو الأملاح المعدنية. تكوين المنحل بالكهرباء في ظل الظروف العادية لا يمر عبر نفسه تيارًا كهربائيًا. عندما يتم إغلاق الدائرة الكهربائية ، يبدأ تحلل الإلكتروليت إلى أيونات ، مما يؤدي إلى ظهور الموصلية الكهربائية الخاصة به. يتكون المنحل بالكهرباء عادة من محلول حمضي أو أملاح الصوديوم والبوتاسيوم.

أنواع ومميزات الجهاز

تستخدم البطاريات على نطاق واسع لتشغيل مختلف الأجهزة الإلكترونية والأجهزة والمعدات الرقمية وتنقسم إلى ثلاثة أنواع:

1. قلوية.
2. ملح.
3. الليثيوم.

خلايا الملح الجلفانية

هذه البطاريات المنغنيز والزنكالبطاريات ، وهي الأكثر استخدامًا في الوقت الحاضر.

مزايا بطاريات الملح هي:

• المعلمات الكهربائية المقبولة للعديد من التطبيقات.
• سهولة الاستعمال.
• سعر منخفض بسبب انخفاض تكاليف التصنيع.
• تكنولوجيا تصنيع بسيطة.
• مواد خام رخيصة ومتوفرة.

لفترة طويلة ، كان هذا النوع من البطاريات هو الأكثر شيوعًا ، نظرًا لنسبة الجودة والسعر. ومع ذلك ، في السنوات الأخيرة ، خفضت الشركات المصنعة إنتاج خلايا الملح الجلفانية ، وحتى رفضت إطلاقها ، حيث زادت متطلبات إمدادات الطاقة من قبل الشركات المصنعة للمعدات الإلكترونية.

عيوب بطاريات الملح هي:

• مدة صلاحية قصيرة ، لا تزيد عن سنتين.
• انخفاض حاد في الخصائص مع انخفاض درجة الحرارة.
• انخفاض حاد في السعة مع زيادة تيار التشغيل إلى القيم التشغيلية للمستهلكين المعاصرين.
• انخفاض سريع في الجهد الكهربي أثناء التشغيل.

قد تتسرب خلايا الملح الجلفانية في نهاية تفريغها ، وهو ما يرتبط بتسرب الإلكتروليت بسبب زيادة حجم القطب الموجب ، الذي يضغط على الإلكتروليت. تتكون الكتلة النشطة للإلكترود الموجب من ثاني أكسيد المنجنيز والكهارل. يُضاف أسود الكربون والجرافيت إلى الخليط النشط لزيادة التوصيل الكهربائي للخليط النشط. حصتهم من 8 إلى 20 ٪ ، اعتمادًا على العلامة التجارية للبطارية. لزيادة عمر المؤكسد ، فإن الخليط النشط مشبع بالكهرباء.

القطب السالب مصنوع من الزنك النقي المقاوم للتآكل. يحتوي على نسبة صغيرة من الكادميوم أو الرصاص ، وهو مانع للتآكل. في الماضي ، كانت البطاريات تستخدم كلوريد الأمونيوم كإلكتروليت. يشارك في تفاعل التكوين الحالي ، ويخلق نفاذية الأيونات. لكن هذا المنحل بالكهرباء لم يظهر نتائج جيدة ، وتم استبداله بكلوريد الزنك بشوائب من كلوريد الكالسيوم. تدوم عناصر المنغنيز لفترة أطول وتظهر نتائج أفضل في درجات الحرارة المنخفضة.

في الخلايا الجلفانية الملحية ، القطب السالب هو علبة الزنك 7. القطب الموجب 6 مصنوع من كتلة مضغوطة نشطة مشربة بالكهرباء. في وسط هذه الكتلة يوجد قضيب من الكربون 5 معالج بالبارافين للاحتفاظ بالرطوبة في المنحل بالكهرباء. الجزء العلوي من القضيب مغلق بغطاء معدني. يحتوي الفاصل 4 على إلكتروليت سميك. تدخل الغازات المتكونة أثناء تشغيل البطارية إلى غرفة الغاز 1. من الأعلى ، يتم إغلاق البطارية بحشية 3. يتم وضع الخلية الجلفانية بأكملها في علبة 2 مصنوعة من الورق المقوى أو رقائق معدنية.

البطاريات القلوية

ظهرت البطاريات القلوية في منتصف القرن الماضي. في نفوسهم ، يعمل ثاني أكسيد المنغنيز كعامل مؤكسد ، ويعمل مسحوق الزنك كعامل اختزال. هذا يجعل من الممكن زيادة السطح. في الماضي ، تم استخدام الدمج لمنع التآكل. ولكن بعد حظر الزئبق ، يتم استخدام مساحيق الزنك المكرر مع إضافة معادن أخرى ومثبطات التآكل.

تم تنقية المادة الفعالة لأنود بطارية قلوية (قلوية) من الزنك النقي على شكل مسحوق مع إضافة الألومنيوم أو الإنديوم أو الرصاص. يشتمل الخليط النشط الكاثود على ثاني أكسيد المنغنيز أو الأسيتيلين الأسود أو الجرافيت. يتكون إلكتروليت البطاريات القلوية من صودا كاوية أو بوتاسيوم مع إضافة أكسيد الزنك.

يسمح أنود المسحوق بزيادة كبيرة في استخدام الخليط النشط ، على عكس بطاريات الملح. تتميز البطاريات القلوية بسعة أكبر بكثير من البطاريات المالحة ، بأبعاد إجمالية متساوية. لقد أداؤوا بشكل جيد في الطقس البارد.

من سمات جهاز العناصر القلوية مسحوق الزنك ، لذلك ، بدلاً من كأس الزنك ، يتم استخدام علبة فولاذية لإخراج إيجابي. يقع الخليط النشط للإلكترود الموجب بالقرب من الجدار الداخلي للعلبة الفولاذية. في البطارية القلوية ، من الممكن استيعاب المزيد من المزيج النشط للقطب الموجب ، على عكس المحلول الملحي.

يتم إدخال فاصل السلوفان المبلل بالكهرباء في الخليط النشط. يمر قطب نحاسي سالب عبر مركز البطارية. يتم ملء باقي الحجم بين الفاصل ومجمع التيار السالب بمعجون الأنود على شكل مسحوق زنك مشرب بالكهرباء السميكة. عادة ، يتم استخدام القلويات المشبعة بمركبات الزنك الخاصة كإلكتروليت. هذا يجعل من الممكن منع استهلاك القلويات في بداية تشغيل العنصر ، وتقليل التآكل. كتلة البطاريات القلوية أعلى من كتلة البطاريات المالحة بسبب العلبة الفولاذية وكثافة الخليط النشط الأعلى.

في العديد من المعلمات الأساسية ، تتفوق الخلايا الجلفانية القلوية على الخلايا الملحية. لذلك ، يتزايد إنتاج البطاريات القلوية حاليًا.

بطاريات الليثيوم

تستخدم خلايا الليثيوم الجلفانية في مختلف الأجهزة الحديثة. وهي متوفرة بأحجام وأنواع مختلفة.

توجد بطاريات الليثيوم ولها اختلافات كبيرة فيما بينها. تحتوي البطاريات على إلكتروليت عضوي صلب ، على عكس أنواع الخلايا الأخرى. تُستخدم خلايا الليثيوم في الأماكن التي تتطلب تيارات تفريغ متوسطة ومنخفضة ، وجهد تشغيل مستقر. يمكن إعادة شحن بطارية الليثيوم لعدد معين من المرات ، لكن البطاريات ليست مصممة لهذا وتستخدم مرة واحدة فقط. يجب عدم فتحها أو إعادة تحميلها.

متطلبات الإنتاج الأساسية

• ختم موثوق للقضية. يجب عدم السماح بدخول تسرب الإلكتروليت والمواد الأخرى من البيئة الخارجية. يؤدي انتهاك الضيق إلى اشتعالها ، لأن الليثيوم عنصر نشط للغاية. الخلايا الجلفانية ذات الضيق المكسور ليست مناسبة للتشغيل.
• يجب أن يتم التصنيع في غرف مغلقة ذات جو من الأرجون والتحكم في الرطوبة.

شكل بطاريات الليثيوم أسطواني أو قرصي أو موشوري. الأبعاد عمليا لا تختلف عن أنواع البطاريات الأخرى.

نطاق الاستخدام

تتمتع خلايا الليثيوم الجلفانية بعمر أطول من الخلايا الأخرى. النطاق واسع جدًا:

• صناعة الفضاء.
• إنتاج الطيران.
• صناعة الدفاع.
• لعب الاطفال.
• معدات طبية.
• أجهزة الكمبيوتر.
• كاميرات الصور والفيديو.

مزايا

• نطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل.
• الحجم الصغير والوزن.
• عملية طويلة.
• معلمات مستقرة في ظروف مختلفة.
• سعة كبيرة.

في الظروف الحديثة ، فإن أكثر مصادر التيار الكيميائي شيوعًا هي الخلايا الجلفانية. على الرغم من عيوبها الفردية ، إلا أنها تستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات ، ويتم العمل المستمر لتحسينها. مبدأ تشغيل الخلية الجلفانية بسيط للغاية. يتم غمر صفائح النحاس والزنك في محلول مائي من حامض الكبريتيك ، والذي يلعب دور القطب الموجب والسالب.

مبدأ تشغيل الخلية الجلفانية

عندما يتم توصيل القطبين بموصل ، تظهر أبسط دائرة كهربائية. سيحدث التدفق الحالي داخل العنصر من شحنة سالبة إلى شحنة موجبة ، أي من صفيحة زنك إلى صفيحة نحاسية. سيتم تنفيذ حركة الجسيمات المشحونة على طول الدائرة الخارجية في الاتجاه المعاكس.

عند التعرض للتيار الكهربائي ، ستحدث حركة بقايا حامض الكبريتيك وأيونات الهيدروجين في اتجاهات مختلفة. في هذه الحالة ، ينقل الهيدروجين الشحنة إلى الصفيحة النحاسية ، وينقل باقي الحمض إلى صفيحة الزنك. وبالتالي ، سيتم الحفاظ على الجهد في المحطات. في الوقت نفسه ، تستقر فقاعات الهيدروجين على الصفيحة النحاسية ، مما يضعف التأثير الكلي للعنصر ويخلق جهدًا إضافيًا. يُعرف هذا الجهد باسم القوة الدافعة الكهربائية للاستقطاب. لتجنب هذه الظاهرة ، يتم إدخال مادة في التركيبة قادرة على امتصاص ذرات الهيدروجين وأداء وظيفة إزالة الاستقطاب.

الخلايا الجلفانية: مزايا وعيوب

لتصنيع الخلايا الجلفانية الحديثة تستخدم مجموعة متنوعة من المواد. الأكثر شيوعًا هي المواد التي تعتمد على عناصر الكربون والزنك المستخدمة في أظافر الأصابع.

تعتبر جودتها الإيجابية الرئيسية منخفضة التكلفة نسبيًا. ومع ذلك ، فإن هذه العناصر لها طاقة منخفضة وعمر تخزين قصير. الخيار الأفضل هو استخدام العناصر القلوية. هنا ، ليس الفحم ، ولكن المحلول القلوي يعمل كإلكتروليت. عند التفريغ ، لا يتم إطلاق أي غاز ، مما يضمن إحكامًا تامًا. العناصر القلوية لها مدة صلاحية أعلى.

المبدأ العام لتشغيل الخلية الجلفانية لجميع أنواعها هو نفسه تمامًا. على سبيل المثال ، العناصر القائمة على أكسيد الزئبق تشبه بنيوياً العناصر القلوية. تتميز بمقاومة متزايدة لدرجات الحرارة المرتفعة ، وقوة ميكانيكية عالية وقيمة جهد ثابتة. العيب هو سمية الزئبق ، الأمر الذي يتطلب معالجة دقيقة للعناصر المستهلكة.