الأعمدة الأولية و الأعمدة الثانوية

العمود البسيط: لعلكم تذكرون أن أول تيار كهربائي حصلنا عليه كان من تفاعل كيميائي ، تمثل ذلك في الخلية التي صنعها فولتا والتي نطلق عليها اليوم اسم الخلية البسيطة أو العمود البسيط Simple Cell .

أما في أيامنا هذه فنستخدم العديد من أنواع الخلايا الكهربائية التي نطلق عليها اسم البطاريات الجافة ، وهذه الخلايا تعرف باسم الخلايا الأولية ، لأن التفاعلات الكيميائية التي تحدث فيها لا تنعكس ، ففي العمود البسيط حينما تذوب قطعة الزنك يتوقف مرور التيار الكهربائي ، ولا يمكن أن تعود الخلية إلى عملها فيما لو مررنا فيها تياراً كهربائياً .

وبالمقارنة مع الخلايا الأولية يوجد نوع من الخلايا يسمى الخلايا الثانوية Secondary Cells ، وهي خلايا يمكن إعادة شحنها بعد استهلاكها ويتم ذلك بوصلها بمصدر طاقة كهربائية ( مولد كهربائي مثلاً ) يزودها بالتيار اللازم لإعادة شحنها . تعرف الخلايا الثانوية باسم آخر هو خلايا التخزين Storage Cells أو المراكم Accumulators وأشهر أنواعها هو بطاريات السيارات ، والخلية المعروفة باسم : خلية النيكل والكادميوم القاعدية.

تُستْخَدَم البطاريات بمثابة مصادر مريحة للطاقة الكهربائية. فهي تمد الأجهزة خفيفة الحمل مثل المذياع، والمسجلات الصوتية والتلفاز، بالطاقة الكهربائية. تمدّ البطارية السيارة بالطاقة الكهربائية اللازمة لإدارة المحرّك، كما تمدّ البطاريات أيضًا سفن الفضاء والغوَّاصات بالكهرباء. وخلال فترات انقطاع التيار، تمدّ البطاريات أجهزة الهاتف، وأجهزة إنذار الحرائق والمستشفيات وغيرها من المباني الأساسية بالكهرباء في حالات الطوارئ.

أنواع البطاريات
تنتج المصانع أنواعًا عديدة ومختلفة من البطاريات التي يمكن أن تُصنف حسب تصميماتها الأساسية. ويحدِّد تصميم البطارية كمية الكهرباء المولِّدة. وتتوقف بعض البطاريات التي تُسمى البطاريات الأولية عن العمل، وينتهي مفعولها، ويجب التخلص منها بعد استهلاك إحدى المواد الكيميائية المكونة لها. ويمكن إعادة استعمال أنواع أخرى من البطاريات بعد نفاد طاقتها وذلك بإعادة شحنها. ويسمى مثل هذا النوع البطاريات الثانوية، أو بطاريات التخزين.

يمكن أيضًا تصنيف البطاريات حسب محتوياتها الإلكتروليتية وهي المادة الموصلة للتيار الكهربائي داخل الخلية. وتحتوي العديد من أنواع البطاريات الأولية على الإكتروليت على هيئة مواد جيلاتينية، أو على هيئة مواد تشبه المعجون. وتُعرَف مثل هذه البطاريات التي تحتوي على مكوّنات غير قابلة للانسياب بالخلايا الجافة. وتسمى أنواع قليلة من البطاريات الأولية بالخلايا السائلة لاحتوائها على مواد كيميائية سائلة. وتحتوي أغلب أنواع البطاريات الثانوية على إلكتروليت سائل.

تُصنع البطاريات في أحجام متعددة. فمثلاً، البطاريات متناهية الصغر المستعملة في ساعات اليد الكهربائية تزن حوالي 1,4جم فقط. أما البطاريات الضخمة التي تغذي الغواصات بالطاقة فتزن مايصل إلى 0,91 طن متري. وعلى كلّ، فإن المنتجين يصنعون أغلب البطاريات في أحجام قياسية محددة. وعلى ذلك، يمكن استعمال البطاريات المنتجة من مصانع مختلفة في نفس الجهاز.

تختلف البطاريات أيضًا في الجهد المتولد. فالخلية الأولية كتلك المستعملة في كاشفات الضوء اليدوية جهدها 1,5 فولت. أما أغلب البطاريات الثانوية، والمستعملة في السيارات، فهي بطاريات جهدها 12 فولت، وهي تتكوّن من ست خلايا كل منها ينتج 2 فولت ومتصلة بعضها ببعض على التوالي.

كيف تعمل البطاريات الجافة الأولية
البطاريات الجافة الأولية هي أكثر أنواع الخلايا الجافة الأولية شيوعًا. تختلف هذه الأنواع من البطاريات في عديد من النواحي، ولكنّها تشترك جميعًا في مكوِّنات أساسية معيّنة. ويوجد في كلّ بطارية جافة أولية مكونان يسميان القطبين، ويتكون كل قطب من نوع مختلف من المواد الكيميائية الفعالة.

يتسبب الإلكتروليت الموجود بين الأقطاب في شحن أحدها وهو القطب السالب (المهبط) بشحنة سالبة، والآخر ويسمى القطب الموجب (المصعد أو الكاثود) بشحنة موجبة. ويساعد الإلكتروليت في استمرار تعزيز التفاعلات الكيميائية التي تحدث عند القطبين.

وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من البطاريات الأولية الجافة، هي: 1ـ خلايا الكربون ـ الخارصين. 2ـ الخلايا القاعدية. 3ـ خلايا الزئبق.

خلية جافة تتكون من عبوة من الزنك مملوءة بالمواد التي تولد تيارًا كهربائيًا نتيجة لتفاعل كيميائي بينها. يكون جدار العبوة نفسه القطب السالب للخلية. يعمل عمود الكربون عند المركز كقطب موجب.
إن العمود البسيط والعمود الجاف تسمى الأعمدة الأولية ( Primary Cell) حيث لا يمكننا أن نعكس التفاعل الكيماوي فيها بينما الأعمدة الثانوية ( Secondary Cell) يمكننا أن نعكس التفاعل الذي حصل أثناء أخذ التيار منها , ومن أمثلتها المراكم الرصاصية.

يتكون المركم الرصاصي من ألواح مرتبة بشكل أزواج وكل زوج يتكون من لوحين أحدهما الرصاص والآخر ثاني أكسيد الرصاص وهذه الألواح مغمورة في حامض الكبريتيك المخفف . وكل زوج يعطي قوة دافعة كهربائية قدرها 2فولت , فالبطارية التي قوتها الدافعة الكهربائية 12 فولت تحتوي على ستة أزواج متصلة معاً على التوالي .

وعند نفاد طاقة البطارية يمكن إعادة شحنها وذلك بأن يوصل القطب الموجب للبطارية مع القطب الموجب للمصدر الشاحن , بينما يوصل القطب السالب لها مع القطب السالب للمصدر . وأثناء عملية الشحن تنعكس التفاعلات الكيميائية التي حدثت أثناء عملية التفريغ .

والجدير بالذكر أن كثافة المحلول ( حامض الكبريتيك المخفف ) تقل أثناء تفريغ البطارية , بينما تزداد عملية الشحن . لذلك يمكننا قياس مقدار الطاقة المختزنة في البطارية بقياس كثافة المحلول بواسطة جهاز الهيدروميتر هذا ويجب الاعتناء بهذا العمود ( البطارية ) عناية خاصة , فمن الخطر مثلاً تفريغه لحد كبير لان هذا يؤدي لتكون بلورات كبريتات عازلة , ويحدث نفس الشيء إذا تركت البطارية مدة طويلة دون استعمال . ومن الخطر على العمود أن تأخذ منه تياراً كبيراً جداً لأن هذا يؤدي لتولد كمية من الحرارة داخل العمود , وهذا يتلف الصفائح .

أثناء عملية شحن الخلية الثانوية ( لبطارية السيارة مثلاً ) ينبغي مراعاة الأمور التالية :

تكون القوة الدافعة للمصدر الشاحن أكبر من القوة الدافعة للبطارية المراد شحنها .
أن يكون تيار المصدر الشاحن مناسباً لعملية الشحن , حيث إذا كان مقداره كبيراً سوف تتولد حرارة تجعل ألواح الرصاص تنحني وتتلامس وإذا كان قليلاً فإنه يؤدي إلى تماسك ثاني أكسيد الكربون .

إن الأعمدة الأولية لا تعد صالحة للعمل عندما تستنفذ طاقتها الكيميائية الكامنة حيث لا يمكننا أن نعكس التفاعل الكيميائي فيها , فهل يمكن أن تبني عموداً كهربائياً بحيث تنعكس فيه التفاعلات الكيميائية بحيث نستطيع أن نحصل منها على الطاقة الكهربائية لفترة طويلة
مبدأ عمل الأعمدة الكهربائية
الأعمدة الأولية و الأعمدة الثانوية Img1

1- عملية شحن العمود الثانوي هي العملية التي يتم من خلالها تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية , في هذه العملية يتغير لون لوح الرصاص المتصل بالقطب الموجب للمصدر الشاحن إلى اللون البني لتكون أكسيد الرصاص . ويكون هذا اللوح موجباً واللوح الآخر يكون سالباً .

2- عملية تفريغ المركم هي العملية التي يتم من خلالها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية .

3- كل مركم رصاصي يوفر فرق في الجهد مقداره ( 2 فولت ) تقريباً

4- يمكن شحن وتفريغ العمود الثانوي عدة مرات وهذا هو السر في ديمومة عمله لفترة طويلة نسبياً قد تصل إلى سنوات .

5- أشهر التطبيقات العملية على المركم الرصاصي هو بطارية السيارة .

· تعتبر بطارية السيارة من أبرز التطبيقات على المراكم الثانوية فما حسنات ومساوئ المراكم ؟

من الحسنات
من المساوئ
يمكن إعادة شحنة عدة مرات

ثقيل الوزن , عالي التكلفة
قوته الدافعة كبيرة نسبياً

غلافه من مادة خفيفة كالبلاستيك أو الأبونيت إذ لايمكن استعمال غلاف معدني خوفا ً من تفاعله مع الحامض
يمكن استخدامه لفترة طويلة

تبدأ صفائحه بالتلف بعد فترة من الزمن

العمود الجاف	العمود البسيط
أقصى فرق جهد ( 1.5 ) فولت	أقصى فرق جهد ( 1.1 ) فولت
يسهل حملة ونقلة و تخزينه	يصعب حملة ونقلة و تخزينه
ذو استخدامات عملية واسعة ( حاسبات , مصابيح , ....)	استخدامات محدودة وضيقة
سبب التوقف نفاذ مادة كلوريد الأمونيوم والخارصين	سبب التوقف عن العمل نتيجة عملية الاستقطاب التي يتم فيها التصاق الهيدروجين بلوح النحاس ممل يشكل عازلاً فيتوقف سريان التيار

قارن بين المركم الرصاصي والعمود الجاف من حيث :

1- أعلى فرق جهد تحصل علية منها . 2- إمكانية إعادة الشحنة

3- مدة الاستخدام . 4- الكتلة . 5- صعوبة الحمل

6- التكلفة . 7- متانة الغلا ف 8- مجال الاستخدام .

9- سبب التوقف عن العمل . 10-الحاجة إلى شحن قبل الاستخدام لأول مرة .

الحل :

الرقم	المركم الرصاصي	العمود الجاف
1	2 فولت	( 1.5 )فولت
2	يمكن	لايمكن
3	طويلة ( 10 سنوات )	قصيرة لا تتجاوز عدة أيام
4	كبيرة	صغيرة
5	صعوبة في حملة لثقلة	سهولة في حملة لصغره
6	كبيرة	قليلة
7	صغيرة نسبياً	كبيرة نسبياً
8	أوسع استخدام في السيارات	في الآلات الحاسبة , والمسجلات , والمصباح اليدوي
9	نتيجة تحول الرصاص وثاني أكسيد الرصاص إلى كبريتات الرصاص وهي مادة صلبة غير قابلة للانحلال فتتراكم على القضيب	نفاد مادة كلوريد الأمونيوم والخارصين
10	لا يمكن لأنها تحتاج إلى شحن قبل الاستخدام	لا تحتاج إلى شحن قبل الاستخدام

الشكل أدناه يمثل نموذج لبطارية ؟ ادرس الشكل جيداً ثم اجب عما يلي :

ما نوع هذه البطارية ؟ أعط مثالاً عليها .

ما عدد المراكم الرصاصية التي استخدمت فيها ؟

إذا كان كل مركم رصاصي يعطي فرقاً في الجهد قدرة 2 فولت فما مقدار فقر الجهد الكلي الذي يمكن لهذه البطارية أن تزودنا به ؟

لماذا يفضل شحن هذه البطارية أولاً قبل استخدامها عملياً ؟

هل يمكن شحن بطارية السيارة مباشرة باستخدام القوة الدافعة في المنزل ؟ علل إجابتك .

ما أهم المميزات التي تميز هذه البطارية عن العمود الجاف ؟

نتمنى لكم التوفيق والفائدة

الاستاذ : مصطفى دعمس

» الاسعافات الأولية
» الاسعافات الأولية بالصور
» الأجسام الغريبة المبلوعة: الإسعافات الأولية
» دروس في اللغة العربية للمرحلة الثانوية
» دليل المعلم المنهاج الاردني لمادة الفيزياء الثانوية العامة التوجيهي المستوى الثالث