خلية فولتائية أساس تركيب وعمل الخلية الفولتائية

خلية فولتية بسيطة تُصنع عن طريق غمر صفيحة من الزنك وصفيحة من النحاس داخل محلول حمضي مخفف من حمض الكبريتيك. كما هو موضح في الشكل، إذا تم توصيل الصفيحة النحاسية والصفحة الزنكية خارجياً بحمل كهربائي، يبدأ تيار كهربائي بالتدفق من الصفيحة النحاسية إلى الصفيحة الزنكية عبر الحمل. هذا يعني أن هناك بعض الفرق الكهربائي المحتمل بين الصفيحة النحاسية والصفحة الزنكية. وبما أن التيار يتدفق من النحاس إلى الزنك، فمن الواضح أن الصفيحة النحاسية تصبح مشحونة إيجابياً والصفحة الزنكية تصبح مشحونة سلبياً.

عمل الخلية الفولتية

يعتمد مبدأ عمل الخلية الفولتية على المبدأ القائل بأن كلما تم غمر معدنين مختلفين داخل محلول كهرلي، سيميل المعدن الأكثر تفاعلية إلى الذوبان في الكهرل كأيونات معدنية إيجابية، مخلفاً الإلكترونات على الصفائح المعدنية. هذا الظاهرة تجعل صفائح المعدن الأكثر تفاعلية مشحونة سلبياً.

المعدن الأقل تفاعلية سيجذب الأيونات الإيجابية الموجودة في الكهرل، وبالتالي يتم ترسب هذه الأيونات الإيجابية على الصفائح مما يجعلها مشحونة إيجابياً. في حالة هذه الخلية الفولتية البسيطة، يخرج الزنك في محلول حمض الكبريتيك كأيون إيجابي ثم يتفاعل مع أيون SO4 − − السالب للمحلول ويتشكل منه كبريتات الزنك (ZnSO4). بما أن النحاس هو معدن أقل تفاعلية، فإن الأيونات الهيدروجينية الإيجابية في محلول حمض الكبريتيك لديها ميل للترسب على صفائح النحاس. كلما زاد عدد الأيونات الزنكية التي تخرج في الحل، زاد عدد الإلكترونات المتبقية في صفائح الزنك. تنتقل هذه الإلكترونات بعد ذلك عبر الموصل الخارجي المتصل بين صفائح الزنك والنحاس.

عند الوصول إلى صفائح النحاس، تتحد هذه الإلكترونات مع ذرات الهيدروجين المترسبة على الصفائح لتشكيل ذرات هيدروجين محايدة. هذه الذرات تتحد في أزواج لتكوين جزيئات غاز الهيدروجين وتخرج هذه الغازات في النهاية على شكل فقاعات هيدروجين على صفائح النحاس. العملية الكيميائية التي تحدث داخل الخلية الفولتية هي كالتالي،

ومع ذلك، تتوقف هذه العملية عندما يصل الجهد الاتصال بين الزنك ومحلول حمض الكبريتيك المخفف إلى قيمة 0.62 فولت. أثناء تشغيل الخلية الفولتية، تكون صفائح الزنك عند جهد أقل بالنسبة للفيلم المحلول المجاور لها كما هو موضح في الشكل أدناه.

وبشكل مماثل، عندما يتم وضع صفائح النحاس في اتصال مع الكهرل، فإن الأيونات الهيدروجينية الإيجابية في المحلول لديها ميل للترسب عليها حتى يرتفع جهدها تقريباً إلى 0.46 فولت فوق ذلك المحلول. لذلك، يكون الفرق الكهربائي المحتمل الذي يتطور في الخلية الفولتية هو 0.62 − (− 0.46) = 1.08 فولت.

في خلية فولتية بسيطة هناك عيوب رئيسية اثنتان، تسمى القطبية والتأثير المحلي.

قطبية الخلية الفولتية

لاحظ أنه في هذه الخلية، يتراجع التيار تدريجياً وبعد فترة زمنية معينة من التشغيل، قد يتوقف التيار تماماً. هذا التراجع في التيار يعود إلى ترسب الهيدروجين على صفائح النحاس. رغم أن الهيدروجين يخرج من الخلية على شكل فقاعات، إلا أن هناك تكويناً لطبقة رقيقة من الهيدروجين على سطح الصفائح. تعمل هذه الطبقة كعزل كهربائي، مما يزيد من المقاومة الداخلية للخلية. بسبب هذه الطبقة العازلة، لا يمكن للأيونات الهيدروجينية الأخرى الحصول على الإلكترونات من صفائح النحاس والتترسب في شكل أيونات. هذه الطبقة من الأيونات الهيدروجينية الإيجابية على صفائح النحاس تمارس قوة دفع رادعة على الأيونات الهيدروجينية الأخرى التي تقترب من صفائح النحاس. لذلك يتراجع التيار. تُعرف هذه الظاهرة باسم القطبية.

التأثير المحلي للخلية الفولتية

لاحظ أنه حتى عندما لا تقوم الخلية الفولتية بتزويد أي تيار، فإن الزنك يستمر في الذوبان في الكهرل. هذا يعود إلى حقيقة أن بعض الشوائب مثل الحديد والرصاص في الزنك التجاري تشكل خلايا محلية صغيرة والتي يتم قصرها بواسطة الجسم الرئيسي للزنك. لا يمكن السيطرة على عمل هذه الخلايا الطفيلية، مما يؤدي إلى بعض الهدر في الزنك. تُعرف هذه الظاهرة باسم التأثير المحلي.

بيان: احترم الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل لإزالة المحتوى.