Λειτουργία Μπαταρίας: Πώς Λειτουργεί μια Μπαταρία;

Λειτουργία της Μπαταρίας

Η μπαταρία λειτουργεί με βάση την αντίδραση οξείδωσης και αποκατάστασης ενός ηλεκτρολύτη με μέταλλα. Όταν δύο διαφορετικά μεταλλικά υλικά, γνωστά ως ηλεκτρόδοι, τοποθετούνται σε διαλυμένο ηλεκτρόλυτο, οι αντιδράσεις οξείδωσης και αποκατάστασης πραγματοποιούνται στους ηλεκτρόδους ανάλογα με την ελκτική δύναμη των ηλεκτρονίων των μετάλλων των ηλεκτρόδων. Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης οξείδωσης, ένας ηλεκτρόδης φορτίζεται αρνητικά, ονομάζεται κάθοδος, και λόγω της αντίδρασης αποκατάστασης, ένας άλλος ηλεκτρόδης φορτίζεται θετικά, ονομάζεται ανώδος.

Ο κάθοδος σχηματίζει την αρνητική σύνδεση ενώ ο ανώδος σχηματίζει τη θετική σύνδεση της μπαταρίας. Για να κατανοήσουμε καλά το βασικό πρίγκιπο της μπαταρίας, πρώτα θα πρέπει να έχουμε μερικές βασικές έννοιες για τους ηλεκτρόλυτες και την ελκτική δύναμη των ηλεκτρονίων. Στην πραγματικότητα, όταν δύο διαφορετικά μέταλλα βυθίζονται σε ηλεκτρόλυτο, θα παραχθεί δυναμική διαφορά μεταξύ αυτών των μετάλλων.

Βρίσκεται ότι, όταν κάποιες συγκεκριμένες συνθήκες προστίθενται στο νερό, αυτές διαλύονται και παράγουν αρνητικά και θετικά ιόντα. Αυτό το είδος συνθήκης ονομάζεται ηλεκτρόλυτος. Οι δημοφιλείς παραδείγματες ηλεκτρολύτων είναι σχεδόν όλα τα είδη αλάτων, οξέων και βάσεων κλπ. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την αποδοχή ηλεκτρονίου από ένα ουδέτερο άτομο είναι γνωστή ως ελκτική δύναμη ηλεκτρονίων. Επειδή η δομή του ατόμου για διαφορετικά υλικά είναι διαφορετική, η ελκτική δύναμη των ηλεκτρονίων διαφορετικών υλικών θα διαφέρει.

Εάν δύο διαφορετικά είδη μετάλλων βυθίζονται στο ίδιο διάλυμα ηλεκτρολύτη, το ένα θα αποκτήσει ηλεκτρόνια και το άλλο θα τα αποδώσει. Ποιο μέταλλο (ή μεταλλικό σύνθετο) θα αποκτήσει ηλεκτρόνια και ποιο θα τα αποδώσει, εξαρτάται από την ελκτική δύναμη των ηλεκτρονίων αυτών των μετάλλων. Το μέταλλο με χαμηλή ελκτική δύναμη ηλεκτρονίων θα αποκτήσει ηλεκτρόνια από τα αρνητικά ιόντα του διαλύματος ηλεκτρολύτη.

Από την άλλη πλευρά, το μέταλλο με υψηλή ελκτική δύναμη ηλεκτρονίων θα αποδώσει ηλεκτρόνια και αυτά τα ηλεκτρόνια θα βγούνε στο διάλυμα ηλεκτρολύτη και θα προστεθούν στα θετικά ιόντα του διαλύματος. Έτσι, το ένα από αυτά τα μέταλλα αποκτά ηλεκτρόνια και το άλλο τα αποδίδει. Ως αποτέλεσμα, θα υπάρξει διαφορά στη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων μεταξύ αυτών των δύο μετάλλων.

Αυτή η διαφορά στη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων προκαλεί την ανάπτυξη ηλεκτρικής δυναμικής διαφοράς μεταξύ των μετάλλων. Αυτή η ηλεκτρική δυναμική διαφορά ή ενισχυμένη ηλεκτρική δύναμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή τάσης σε οποιοδήποτε ηλεκτρονικό ή ηλεκτρικό κύκλωμα. Αυτό είναι ένα γενικό και βασικό πρίγκιπο της μπαταρίας και αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί μια μπαταρία.

Όλα τα κύκλωματα μπαταριών βασίζονται μόνο σε αυτό το βασικό πρίγκιπο. Ας συζητήσουμε ένα προς ένα. Όπως είπαμε προηγουμένως, ο Alessandro Volta ανέπτυξε το πρώτο κύκλωμα μπαταρίας, και αυτό το κύκλωμα είναι γνωστό ως απλή βολταϊκή κύλινδρος. Αυτό το είδος απλού κυκλώματος μπορεί να δημιουργηθεί πολύ εύκολα. Πάρτε ένα σκεύος και γεμίστε το με διαλυμένο οξύ και ως ηλεκτρόλυτο. Τώρα βυθίστε έναν ζινκ και έναν χαλκό στο διάλυμα και συνδέστε τους εξωτερικά με ένα ηλεκτρικό φορτίο. Τώρα ο απλός βολταϊκός κύλινδρός σας είναι ολοκληρωμένος. Το ρεύμα θα αρχίσει να ρέει μέσω του εξωτερικού φορτίου.

Ο ζινκ σε διαλυμένο οξύ δίνει ηλεκτρόνια ως εξής:

Αυτά τα Zn + + ιόντα περνούν στον ηλεκτρόλυτο, και κάθε Zn + + ιόν αφήνει δύο ηλεκτρόνια στον κατωφλιό. Ως αποτέλεσμα της παραπάνω αντίδρασης οξείδωσης, ο ηλεκτρόδης ζινκ φορτίζεται αρνητικά και επομένως δρα ως κάθοδος. Συνεπώς, η συγκέντρωση Zn + + ιόντων κοντά στον κάθοδο στον ηλεκτρόλυτο αυξάνεται.

Σύμφωνα με την ιδιότητα του ηλεκτρολύτη, το διαλυμένο οξύ και το νερό έχουν ήδη διασπαστεί σε θετικά ιόντα υδρονίων και αρνητικά ιόντα συλφατών ως εξής:

Λόγω της υψηλής συγκέντρωσης Zn+ + ιόντων κοντά στον κάθοδο, τα H3O+ ιόντα απωθούνται προς τον ηλεκτρόδη χαλκού και αποδίδονται απορροφώντας ηλεκτρόνια από τα άτομα του κατωφλιού χαλκού. Η εξής αντίδραση πραγματοποιείται στον ανώδο:

Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης αποκατάστασης που πραγματοποιείται στον ηλεκτρόδη χαλκού, ο κατωφλιός χαλκού φορτίζεται θετικά και επομένως λειτουργεί ως ανώδος.

Κύλινδρος Daniell

Το κύλινδρο Daniell αποτελείται από ένα σκεύος χαλκού που περιέχει λύση συλφατού χαλκού. Το σκεύος χαλκού αυτό λειτουργεί ως θετικός ηλεκτρόδης. Ένα πορώδες ποτήρι που περιέχει διαλυμένο οξύ τοποθετείται στο σκεύος χαλκού. Ένας συγκεκριμένος κατωφλιός ζινκ, βυθισμένος μέσα στο οξύ, λειτουργεί ως αρνητικός ηλεκτρόδης.

Το διαλυμένο οξύ στο πορώδες ποτήρι αντιδρά με το ζινκ και ως αποτέλεσμα παράγεται υδρογόνο. Η αντίδραση πραγματοποιείται ως εξής: