المبادىء الأساسية للهندسة الكهربية والالكترونية:الجزء الرابع:البطاريات ومصادرة الطاقة

[F.Abdelaziz]

المبادىء الأساسية للهندسة الكهربية والالكترونية:الجزء الرابع:البطاريات ومصادرة الطاقة البديلة

Batteries and alternative sources of energy

فى نهاية هذاالجزء يجب أن تكون قادرا على :

• معرفة قائمة التطبيقات العملية للبطاريات .
• فهم التحليل الكهربائى وتطبيقاته , بما فى ذلك الطلاء الكهربائى .
• معرفة العرف من وتركيب الخلية البسيطة .
• فهم الاستقطاب polarization والعمل (التفاعل) المحلى local action .
• فهم التآكل وآثاره .
• تعريف المصطلحات : القوة الدافعة الكهربية e.m.f. و E و والمقاومة الداخلية ,r, للخلية .
• تنفيذ عمليات حسابية باستخدام العلاقة V =E –Ir .
• تحديد القوة الدافعة الكهربية الكلية والمقاومة الداخلية الكلية لخلايا متصلة على التوالى وعلى التوازى .
• التمييز بين الخلايا الابتدائية والخلايا الثانوية .
• فهم التركيب والتطبيقات العملية لكل من : خلية لكلنشيه Leclanché , وخلية الزئبق mercury والخلية الحامضية lead–acid و الخلية القلوية alkaline .
• التعرف على عيوب ومزايا الخلايل القلوية على الخلايا الحامضية .
• فهم المصطلح "سعة الخلية" ‘cell capacity’ ووحدتها .
• فهم أهمية التخلص الآمن من البطارية .
• التعرف على مميزات خلايا الوقود fuel cells وتطبيقاتها المحتملة فى المستقبل .
• فهم الآثار المترتبة على مصادر الطاقة البديلة مع ذكر خمسة أمثلة .

1- مقدمة للبطاريات Introduction to batteries :

[F.Abdelaziz]

1- مقدمة للبطاريات Introduction to batteries :
البطارية هى جهاز يقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى كهرباء . إذا تم وضع جهاز بين طرفيها فسوف يمر تيار يمد الجهاز بالقدرة .
البطاريات هى عنصر لا غنى عنه للكثير من الأجهزة الالكترونية وهى ضرورية للاجهزة التى تتطلب قدرة عندما لا تتوفر قدرة الشبكة mains . على سبيل المثال , بدون البطارية, لن يكون هناك هواتف محمولة أو أجهزة كومبيوتر محمولة .
عمر البطاريات الآن أكثر من 200 سنة , وتوجد البطاريات فى كل مكان تقريبا حيثما وجدت المنتجات الاستهلاكية والصناعية . فيما يلى بعض الأمثلة لاستخدام البطاريات :
فى أجهزة الكومبيوتر المحمول , والكاميرات ووالهواتف النقالة والسيارات والساعات ومعدت الأمان وأجهزة القياس الالكترونية وأجهزة الإنذار بوجود حريق أو دخان وأجهزة عدادات قراءة استهلاك الغاز والمياه والكهرباء بالمنزل وكاميرات المناظير الطبية وأجهزة تحصيل رسوم الطرق السريعة و......
يمكن تقسيم البطاريات إلى فئتين : فئة البطاريات الأبتدائية primary , وهى التى لا تصمم لإعادة شحنها أى تستخدم لمرة واحدة ويتم التخلص منها بعد ذلك , وفئة البطاريات الثانوية secondary والتى تصمم ليتم إعادة شحنها مثل تلك المستخدمة بالهواتف المحمولة .
فى السنوات الأخيرة كان من الضرورى تصميم بطاريات مع تقليص فى الحجم ولكن مع زيادة مدى العمر والسعة .
فى التطبيات التى تتطلب الحجم الصغير والقدرة العالية يتم استخدام بطارية 1.5V . إذا كان مطلوبا عمرا أطول عندئذ تستخدم بطاريو من 3V إلى 3.6V . فى عام 1970 تم استبدال بطارية المنجنيزmanganese تدريجيا بالبطارية القلوية alkaline. وأدخلت تدريجيا بطارية أكسيد الفضة Silver oxide عام 1960 ولا تزال هى التكنولوجيا المفضلة لبطارية الساعة اليوم .
أدخلت بطاريات أيون – الليثيوم Lithium-ion عام 1970 بسبب الحاجة لتطبيقات العمر الأطول .بطاريات الليثيوم قادرة على الإمداد بتيارات عالية ولكنها تميل للسعر الباهظ .


2- بعض التأثيرات الكيميائية للكهرباء Some chemical effects of electricity

[F.Abdelaziz]

2- بعض التأثيرات الكيميائية للكهرباء Some chemical effects of electricity
يجب أن تحتوى المادة على جسيمات مشحونة لتكون قادرة على توصيل التيار الكهربائى . فى المادة الصلبة , يتم حمل التيار عن طريق الالكترونات . النحاس والرصاص والألومنيوم والحديد والكربون هى بعض الأمثلة لموصلات صلبة . فى السوائل والغازات , يتم حمل التيار بالجزء من الجزيئات molecule والذى اكتسب شحنة كهربائية , ويسمى "أيونات" ions . هذه الأيونات يمكن أن تمتلك شحنة موجبة أو شحنة سالبة , والأمثلة على ذلك تتضمن أيون الهيدروجين H+ وأيون النحاس Cu++ وأيون الهيدروكسيل OH− . الماء المقطر لا يحتوى على أيونات وهو ضعيف التوصيل للكهرباء , فى حين أن الماء المالح يحتوى على أيونات وهو موصل جيد للكهرباء إلى حد ما .
التحليل الكهربائى هو تحلل مركب سائل بفعل مرور تيار كهربائى من خلاله . تشمل التطبيقات العملية للتحليل الكهربائى , طلاء المعادن بالكهرباء electroplating , وتنقية النحاس واستخراج الألومنيوم من خاماته .
الإلكتروليت (المنحل بالكهرباء) electrolyte : هو المركب الذى سوف يخضع للتحليل الكهربائى . ومن الأمثلة , الماء المالح , وكبريتات النحاس copper sulphate و حمض الكبريتيك sulphuric acid .
الإلكترودات (الأقطاب الكهربائية) electrodes : هما الموصلان الحاملان للتيار إلى الإلكتروليت . يسمى القطب المتصل بالموجب بالأنود anode والقطب المتصل بالسالب بالكاثود cathode .
عندما يتم توصيل سلكين من النحاس إلى البطارية ووضعهما فى كوب يحتوى على محلول لماء مالح , فسوف يمر تيار خلال المحلول . وتظهر فقاعات الهواء حول الأسلاك بسبب تغير الماء إلى الهيدروجين والأكسجين عن طريق التحليل الكهربائى .
يستخدم الطلاء الكهربائى مبدأ التحليل الكهربائى لوضع طبقة رقيقة من أحد المعادن على معدن آخر . تشمل بعض التطبيقات العملية , طلاء الصلب بالقصدير , وطلاء سبائك النيكل بالفضة وطلاء لصلب بالكروم .
إذا تم توصيل قطبين من النحاس ببطارية ووضعا فى كوب يحتوى على كبريتات النحاس كإلكتروليت , وجد أن الكاثود ( أى القطب المتصل بالطرف السالب لبطارية) يكتسب (يترسب عليه) نحاس بينما الأنود يفقد نحاس .

3- الخلية البسيطة The simple cell :

[F.Abdelaziz]

3- الخلية البسيطة The simple cell :
الغرض من الخلية الكهبائية هو تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية . الخلية البسيطة تضم اثنين من الموصلات المتباينة أى غير متماثلة ( لأقطاب) فى الكتروليت . مثل هذه الخلية مبين بالشكل , وتضم أقطاب من النحاس . ووجد أنه يمر تيار بين الأقطاب .

يمكن أن توجد أزواج أخرى من الأقطاب , بما فى ذلك الرصاص – الزنك و والحديد – الزنك . جهد القطب (أى فرق الجهد المقاس بين الأقطاب) يختلف من زوج من المعادن لآخر . من خلال معرفة القوة الدافعة الكهربية لكل معدن بالنسبة لبعض الأقطاب القياسية (العيارية) , يمكن تعيين القوة الدافعة الكهربية لأى زوج من المعادن . المقياس(المعيار) المستخدم هو قطب الهيدروجين . السلسلة الكهروكيميائية electrochemical series هى وسيلة فى شكل قائمة من العناصر مرتبة حسب الجهد الكهربى , الجدول التالى يبين عدد من عناصر هذه السلسلة .

يوجد عيبان فى الخلية البسيطة نتيجة للاستقطاب polarization والفعل(التفاعل) المحلى local action .

الاستقطاب Polarization
إذا تركت الخلية البسيطة موصلة لبعض الوقت فإن التيار I يتناقص بسرعة إلى حد ما . ذلك بسبب تكون طبقة رقيقة من فقاعات الهيدروجين على قطب الأنود النحاس . هذا التأثير يعرف باستقطاب الخلية . الهيدروجين يمنع التوصيل الكامل بين قطب النحاس والإلكتروليت وهذا يزيد المقاومة الداخلية للخلية . يمكن التغلب على هذا التأثير باستخدام عامل كيميائى لمنع الاستقطاب مثل ثانى كرومات البوتاسيوم potassium dichromate والذى يزيل فقاعات الهيدروجين كلما تكونت . هذا يسمح للخلية بالامداد بتيار ثابت .

العمل (التفاعل) المحلى Local action :
عندما يتم وضع زنك تجارى فى حمض الكبريتيك المخفف , يتحرر غاز الهيدروجين مه ويذبب الزنك . والسبب فى ذلك هو أن الشوائب , مثل آثار الحديد , الموجودة فى الزنك تنتج خلايا إبتدائية صغيرة مع الزنك . هذه الخلايل الصغيرة يتم عمل دائرة قصر عليها بواسطة الالكتروليت , نتيجة لذلك يمر تيارات محلية تسبب التآكل . هذا الفعل يعرف بالفعل المحلى للخلية . يمكن منع ذلك عن طريق فرك كمية صغيرة من الزئبق على سطح الزئبق , والذى يشكل طبقة واقية على سطح القطب .
عند استخدام معدنين فى خلية بسيطة يمكن استخدام السلسلة الكهروكيميائية للتنبؤ بسلوك الخلية :
· المعدن الأعلى فى السلسلة يعمل كقطب سالب والعكس بالعكس . على سبيل المثال , قطب الزنك فى الخلية البسيطة السابقة يكون سالب وقطب النحاس يكون موجب .
· كلما زاد الفاصل فى السلسلة بين المعدنين كلما زادت القوة الدافعة الكهربية الناتجة بواسطة الخلية .
السلسلة الكهروكيميائية هى تمثيل لترتيب تفاعل المعادن ومركباتها :
· المعادن العليا بالسلسلة تتفاعل بسهولة أكثر مع الأكسجين والعكس بالعكس .
· عندما يستخدم قطبان فى خلية بسيطة فإن الأعلى بالسلسلة يميل إلى التحلل بالالكتروليت .

4- التآكل Corrosion :