إن البطاريات الحديثة تستعمل حالياً في التطبيقات التقنية، مثل سماعات الأذن، والآلات الحاسبة، والمسجلات الشخصية والراديو والهواتف النقالة، وتكون هذه البطاريات غالية في أغلب الأوقات.

وأصل الطاقة في أي بطارية هي طاقة كيميائية. وفي هذا المقال سنتناول بعض التجارب التي تخص بطارية مياه البحر (أو الماء الأجاج (المالح) بشكل عام)، والتي يمكن أن نستغلها في تشغيل بعض الأجهزة الكهربائية تتطلب جهدا كهربائيا منخفضا.

إن أبسط خلية (البطاريات عادة ما تكون مجموعة من الخلايا) تُصنع بوضع قطبين معدنيين في محلول كهربائي (عادة ما يكون بحل الملح أو الحمض في الماء)، وبهذه الحالة يستقبل كل قطب شحنة كهربائية فتتجمع الشحنات الموجبة عند قطب، وعند القطب الآخر الشحنات السالبة. وذلك بسبب أن الأقطاب المختلفة بالشحنة تتجاذب، وبالتالي نقول بأن هناك طاقة تجاذب، سميت هذه الطاقة بالجهد الكهربائي  (فرق الكمون) بين الشحنات، والتي هي أصل طاقة البطارية.

ملاحظة 1: المحلول الكهربائي (أو electrolyte) هو سائل ينحل بالكهرباء إلى شوارد موجبة وشوارد سالبة.

ملاحظة 2: يمكنك أن تقفز مباشرة إلى كيفية صنع البطارية دون قراءة المفاهيم الأولية فهي ليست ضرورية إلا لمن يريد أن يفهم بعض المبادئ حول صنع البطاريات بشكل عام.

العربية

الإنجليزية

الفرنسية

خلية

Cell

Cellule

محلول كهربائي

Electrolyte

Électrolyte

فرق الكمون (الجهد الكهربائي)

Voltage

Tension

الكيمياء الأيونية

 Ionic chemistry

Chimie ionique

قوة تجاذب (قوة كهروحركية)

Electromotive force (EMF)

Force électromotrice

حمض كبريتي

 Sulfuric acid

Acide sulfurique

يتكون الجهد الكهربائي داخل البطارية نتيجة الكيمياء الأيونية، عندما يغمر قطب معدني في محلول كهربائي فإن عملية ديناميكية معقدة تحدث.

لنفترض أن القطب المعدني غير مشحون أولياً (الذرات التي يتكون منها القطب المعدني ذو طبيعة محايدة - عدد الإلكترونات تساوي عدد البروتونات)، وعندما يغمر المعدن في المحلول الكهربائي، تتشكل أيونات معدنية موجبة على سطح القطب المعدني (الإلكترود). هذه الأيونات تقوم بالمرور عبر المحلول الكهربائي، جاعلة القطب المعدني تدريجياً سالباً نتيجة انتقال الأيونات الموجبة. وبعد مرور الوقت ستأتي اللحظة التي يقوم فيها القطب المعدني السالب بجذب الأيونات المعاكسة بالشحنة. لذا، فالموازنة الديناميكية هي تلك الحاصلة بين تلك الأيونات المغادرة وتلك العائدة إلى سطح المعدن. وتعتمد هذه الموازنة على فعالية المعدن.

أي بطارية يجب أن يكون لديها قطبان معدنيان، والعملية التي حدثت سابقاً للقطب الأول ستحدث لهذا القطب أيضاً، فإذا كان القطب الثاني من نفس المعدن، فإن كل قطبين سيشحنان بنفس الجهد الكهربائي، لذا لن يكون هناك اختلاف بينهما، ولن يحدث في هذه الحالة قوة تجاذب (قوة كهروحركية)، أي أنه لن يكون هناك تيار كهربائي. أما إذا كانت الأقطاب مختلفة فإن عملية التفاعل ستكون مختلفة، كما ستكون التوازنات مختلفة. حيث أن أحد الأقطاب سيشحن بكمية أكبر من الآخر، وبسبب الاختلاف في التفاعلية لكل قطب سيكون له جهد كهربائي مختلف. وبمعنى آخر، سيكون هناك اختلاف في الجهد الكهربائي بين القطبين.

 وبسبب هذا الاختلاف سترغب الإلكترونات بالانتقال من أحد الأقطاب إلى الآخر. وهذا ما يسمى بالجهد الكهربائي أو فرق الكمون بين الأقطاب، وهي أصل طاقة البطارية.

كما ذكرنا سابقاً، أن الأقطاب المختلفة بالشحنة تتجاذب، لذا فعند اكتمال الدارة الكهربائية، سيكون هناك ميل للإلكترونات بالانتقال من القطب السالب إلى القطب الموجب، فإذا تم توصيل سلك بين قطبي البطارية فإن الطاقة أو القوة التي تحرك الإلكترونات من قطب لآخر هي التي تسمى بالجهد الكهربائي  للبطارية.

الجهد الكهربائي:

يرمز للجهد الكهربائي بالحرف Vحيث أن:

V = الفولط Volts = طاقة لكل شحنة، وتقاس (جول ÷ كولون)، حيث واحدة الطاقة بالجول وواحدة الشحنة بالكولون.

شدة التيار:

أما كمية الشحنة المارة بالنسبة لوحدة الزمن وتعرف بشدة التيار:

A = أمبير = معدل الشحنة المارة (كولون ÷ الثانية).

القدرة الكهربائية:

إذا قمنا بضرب الجهد الكهربائي الناشئ بين الأقطاب في شدة التيار، سنحصل حينئذ على قدرة الخلية:

P = القدرة = A × V = (جول ÷ كولون) × (كولون ÷ ثانية) = جول ÷ ثانية.

والقدرة هي العمل الحاصل بالنسبة للزمن.

إن أي بطارية تعتمد على الإمكانيات الفردية للأقطاب المعدنية، وعند توصيلها مع أي دارة سيبدأ فرق الكمون الناشئ بين قطبيها بالانخفاض نتيجة لاستهلاك الطاقة. يعتمد عمر البطارية على عاملين أساسيين:

·       طبيعة المحلول الكهربائي.

·       المقاومة الكهربائية للأقطاب المعدنية.

إن اعتماد البطارية على إمكانيات القطب المعدني يفسر لنا سبب الحصول على نتائج مماثلة عند تغيير نوع المحلول الكهربائي المستخدم (مثل استخدم: الماء الأجاج (المالح)، الخلّ، الحمض الكبريتي، وحتى البول). لكن بطبيعة الحال، فإن البطارية تعتمد أيضاً على تركيز ونوع الأيونات داخل المحلول الكهربائي.

كما أن المقاومة السطحية للأقطاب المعدنية مهمة أيضاً. ذلك أنه عندما تكون هذه المقاومة منخفضة، فإن الهبوط في التوتر سيكون بطيئاً عند استجرار التيار، بيد أنها إذا كانت عالية فإن الهبوط في التوتر سيكون واضحاً عند استجرار التيار. وخلاصة، فإن المقاومة الداخلية للخلايا لها علاقة رئيسية بكفاءة البطارية.

لقد رأينا كيف أن غمر قطبين معدنيين في محلول كهربائي ينتج فرق كمون بينهما، وفي تجربتنا هذه سنستخدم البراغي المغلفنة (المطلية بالزنك) وقضبان الكربون كأقطاب معدنية، وسنستخدم الماء الأجاج (مياه البحر) كمحلول كهربائي.

ملاحظة: وجدنا أن قضبان الكربون أفضل من قضبان الغرافيت (عندما يكونان بنفس النقاوة) رغم أن كلا النوعين قد يحويان على نفس النقاوة من ناحية مادة الكربون. يبدو أن مسامية قضبان الكربون أكبر  من مسامية قضبان الغرافيت اللماعة. لذا، فإن قضبان الكربون تقدم مساحة أكثر للتلامس مع المحلول الكهربائي مما تقدمه قضبان الغرافيت اللماعة، وبالتالي، تعطي مقاومة أقل، مما يعني بطارية أفضل.

وبما أن الكربون يعتبر موصلا جيدا للكهرباء، فإن التفاعل الكيميائي الحاصل عند أقطاب الكربون تكون معقدة أكثر فيما لو استخدمنا المعادن. وعلى أية حال، فإن النتائج الجيدة التي نحصل عليها بالكربون والزنك أكبر من تلك التي نحصل عليها عند استعمال النحاس والزنك. وفي هذه الحالة، سيكون معدن الزنك هو القطب السالب بينما سيمثل معدن الكربون القطب الموجب.

ولكي نحصل على طاقة مفيدة سنقوم بصنع أكثر من خلية واحدة، وسنقوم بتوصيل جميع الخلايا مع بعضها البعض، وبالتالي سيكون الجهد الكهربائي الناتج هو طاقة جميع هذه الخلايا. سنقوم باعتماد  طريقتين ممكنتين لتوصيل الخلايا كما سترى في باقي المقال، حيث قمنا باستعمال القالب المستعملة لصنع مكعبات الثلج في الثلاجة من أجل احتواء الماء الأجاج (المالح)، كما استعملنا لوحا خشبيا كي نركب عليه الأقطاب المستعملة.

الرابطين التاليين لمقطعي فيديو يتناول فكرة بطاريات الماء الأجاج (المالح):

المواد المطلوبة للتجربة:

1.    ماء مالح (من الملح الذي تستعمله في البيت) أو ماء البحر إن كنت قريبا من البحر.

2.    قالب مكعبات الثلج (التي تضعها في الثلاجة المنزلية).

3.    12قلم رصاص (من نوع 2Bأو أنعم) لكل بطارية.

4.    براغي مغلفنة (بطول 5سنتمتر) لكل بطارية.

5.    لوح خشبي من أجل تثبيت الأقطاب.

6.    سلك نحاسي للربط بين الخلايا.

·       قم بملء كل فجوة في قالب مكعبات الثلج بمقدار ثلاثة أرباع حجمها بالماء الأجاج (المالح) أو بماء البحر.

·       يمكنك أن تحصل على البراغي من أي محل تجاري قريب، والرصاص المستخدم في أقلام الرصاص يمكن أن تستعمله كقضيب للكربون المذكور سابقاً (أو يمكن أن تحصل على قضبان الكربون من بطارية قديمة بحيث تقوم بتفكيكها بحرص كي لا يتضرر القضيب الموجود في الداخل).

·       قم بتركيب القطبين (الكربون والبرغي) على اللوح الخشبي، على التوالي كما هو موضح في المخطط الآتي.

·       ضع اللوح الخشبي على القالب، بحيث أن كل قطبين يوضعان في الفجوة الخاصة بهما.

كيف سيتم توصيل أسلاك الخلايا؟ على التوازي أم على التوالي؟

ما هي الطريقة التي سنتبعها في توصيل الخلايا لكي نحصل على طاقة مفيدة من البطارية؟

إذا اعتبرنا أن الخلية الواحدة تنتج جهدا كهربائيا بمقدار Vفولط وشدة كهربائية بمقدار Iأمبير، فإن توصيل nخلية على التوالي سيعطينا جهدا كهربائيا بمقدار n×Vفولط. أما شدة التيار فستبقى ثابتة (وهو التيار الناتج عن خلية واحدة).

أما توصيل الخلايا على التوازي فيعني هذا أن شدة التيار الناتجة ستكون I×nأمبير، بينما سيبقى الجهد الكهربائي ثابتاً (هي الجهد الكهربائي الناتج عن خلية واحدة).

القالب المستعمل في هذه التجربة يحتوي على 12فجوة (يعني 12خلية). لذا، وللحصول على طاقة مفيدة، قمنا بترتيبين:

·       توصيل كل 6خلايا على التوالي، ثم توصيل المجموعتين على التوازي. وبذلك نحصل على جهد كهربائي مضاعفا 6مرات، وشدة كهربائية مضاعفة مرتين.

·       توصيل كل 6خلايا على التوازي، ثم توصيل المجموعتين على التوالي. وبذلك نحصل على جهد كهربائي مضاعفا مرتين وشدة كهربائية مضاعفة 6مرات.

يظهر المخطط الشابق بأن الدارة الأولى ستعطي جهدا كهربائيا أعلى وشدة أقل. لذا، يمكن أن نستعمل هذه الدارة في تغذية الأجهزة الكهربائية التي تتطلب جهدا كهربائيا أعلى وشدة تيار أقل (كالآلات الحاسبة الصغيرة التي لها شاشة LCD، وصمامات ضوئية (بسلسلة من المقاومات)، وممكن أيضاً مذياعا صغيرا فسيعمل بشكل جيد عند استعمال هذا الترتيب. قد استعملنا في تجربتنا صمامات ضوئية لاختبار هذه الطاقة كما هو مبين في الصورة التالية. فمثل هذه الأدوات تحتاج لحوالي 2إلى 3فولط، وفقط 1إلى 2ميلي أمبير كافية لكي تعمل. وتأكد من التوصيل صحيح للبطارية مع هذه الجهزة (معدن الزنك هو القطب السالب، والكربون هو القطب الموجب).

أما الترتيب الثاني للدارة فيفضل استعمالها مع الأجهزة التي تحتاج إلى شدة تيار أكبر وجهد كهربائي أقل، كمحرك كهربائي صغير يحتاج لجهد كهربائي ضئيل (فبعض المحركات تعمل فقط عندما يكون التوتر حوالي 1فولط لكنه يحتاج إلى 10ميلي آمبير، وهناك محركات تعمل على الخلايا الشمسية فقد تكون مناسبة لهذه الحالة).

يمكنك تطوير صندوق البطارية حسب الإستعمال والكفاءة، وإليك أمثلة على ذلك:

البطارية التي قمنا بصناعتها فيما سبق قادرة على تشغيل أجهزة صغيرة. وبما أن البطارية هنا تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية فمع الزمن ستفقد فاعليتها، نتيجة التفاعلات الكيميائية الحاصلة.

طبقة الزنك الموجودة على البرغي قد تذوب مع الزمن، كما يمكن أن يشكل طبقة من هيدروكسيد الزنك (أو كلوريد الزنك) على القطب، وبالتالي تزداد مقاومته. لذا، من الضروري تنظيف الأقطاب المعدنية عند كل استعمال للبطارية لتخفيض المقاومة وكذلك إزالة المواد الكيميائية المتشكلة على سطحها.

من الأفكار الأخرى التي تتعلق بهذه التجربة هو تغيير نوع الأقطاب المعدنية (ما تأثير مساحة السطح للقطب المستعمل؟)، بالإضافة إلى تغيير نوع المحلول الكهربائي (مثل عصير البرتقال، الخل، الحمض  الكبريتي، أو البول).

هل يعتمد التيار الناتج عن البطارية على تركيز المحلول الكهربائي؟ ما هو تأثير درجة الحرارة على المحلول الكهربائي في الخلايا؟ وإذا كان هناك تأثير، فما السبب في ذلك؟ لماذا تستطيع أن تجدد بطارية معينة عند تعريضها للحرارة؟

من الأفكار الأخرى أيضا أن تصنع بطارية محمولة، وبمجرد غمرها في ماء البحر ثم إخراجها، تقوم بالعمل مجددا. تستطيع أن تفعل هذا باستخدام قطع صغيرة من الإسفنج بين الأقطاب، حيث أنه بمجرد خروج البطارية من البحر، فإن ماء البحر سيبقى ممتصاً من قبل قطع الإسفنج التي تحفظ بقاء ماء البحر بين الأقطاب، وبذلك تبقى البطارية في حالة عمل. لكن يجب أن تنتبه أن بقاء البطارية داخل الماء سيؤدي إلى حدوث قِصَر في الدارة. لذا، فبمجرد امتصاصها للماء يجب إخراجها فورا.

من الأمثلة التي طبقناها هي سترة نجاة، فبمجرد دخولها في مياه البحر، اشتغلت البطارية، وأضاءت سترة النجاة.

في عام 1800قام الكونت أليساندرو فولتا (Alessandro Volta) بصنع الأداة الأولى التي يمكن أن نسميها مدخرة كهربائية أو بطارية معاصرة. لقد وجد عن طريق التجارب أنه عندما تتصل معادن مختلفة مع بعضها بواسطة محلول أجاج فإنها تنتج طاقة كهربائية. قام بصنع أداة مؤلفة من مجموعة من القطع المعدنية المتراكبة، محصورة داخل محلول كهربائي (ماء أجاج). والتي أنتجت جهدا كهربائيا عند توصيل نهايتيها (تاريخياً أتت كلمة فولط والجهد الكهربائي من اسم هذا العالم).

أما البطاريات الحديثة فقد اختلفت كثيراً بعد التطور العلمي الحاصل، لكن هل البطارية التي اكتشفها فولطا هي أول بطارية في الوجود؟ في الحقيقة هناك جدل حول هذا الموضوع، فبعض الدراسات تؤكد أن البطاريات بشكل عام وجدت قبل حوالي 2000سنة خصوصا في مدينة بغداد العراق.

في عام 1938ادّعى عالم الآثار فون ويلهيم (Von Wilhelm Konig) الذي عمل في متحف بغداد في العراق، أنه تم اكتشاف بطارية قديمة جداً. قال بأن حضارة بلاد الرافدين (ساكني المنطقة ما بين النهرين – دجلة والفرات) قد اخترعوا هذه المدخرة الكهربائية (البطارية) قبل ميلاد المسيح عيسى عليه السلام بحوالي 200سنة. وتسمى الآن بطارية بغداد الموضحة في الصورة التالية.

تتألف هذه البطارية من قدر خزفي ارتفاعه 20سنتمترا، تم وضع اسطوانة من النحاس وقضيب حديدي داخلها، ويظهر بأن القضيب محاط بزيت وبعض العوازل، والدليل على ذلك وجود بعض المواد العضوية داخل القدر.

ملاحظة: إذا أردت أن تصنع جرة بطارية بغداد القديمة فيمكنك الإطلاع على المقال التالي على موقع اصنعها:

الطاقة – بطارية بغداد القديمة

كانت كل جرة تنتج حوالي 1فولط و1ميلي أمبير. طبقا لقول هذا العالم أن هذه الجرة تعمل فعلا كبطارية كهربائية. لكن يبقى السؤال المطروح، هل فعلاً كانت نية سكان ما بين النهرين هي إنتاج بطارية قبل ما يقارب 2000سنة، أم كانت مصنوعة لغايات أخرى؟

إن فكرة أنهم استخدموها كبطاريات غير محتملة، لأن العلماء لم يجدو أية أسلاك في تلك المنطقة. وعلى أية حال، على افتراض أنهم استخدموها كبطاريات، فهناك عدة نظريات قدمت لهذا الغرض، منها أنهم يمكن أن يكونوا قد  استخدموا الكثير من هذه البطاريات لعمل إضاءات حول تماثيلهم المقدسة، لإعطائها طابع قدسي، لكن لا شيء مؤكد على ذلك أيضا. في حين أن بعض النظريات الأخرى تقول بأنهم ربما استعملوا هذه الكهرباء المولدو من هذه الجرات كنوع من الوخز بالإبر لأغراض علاجية، لأن العلماء اكتشفوا نوعا من الإبر قريبة من تلك الجرات، فمن المحتمل أنهم كانوا يغرزون الإبر في الجسم ثم يمررون الكهرباء المنتجة عبر الإبر والتي قد تنتج تأثيرات علاجية.

أخيراً، وأثناء تحقيقاتنا الأخيرة الخاصة ببطاريات بغداد، حاولنا استعمال الجهد الكهربائي الناتج من عدة بطاريات، موصولة على التوالي، في دراسة رد فعل محلول كهربائي بسيط. كانت الفكرة إنتاج أيونات فضية من قطب معدني من الفضة (استعملنا سوارا فضيا)، واستعماله لطلي قطب آخر أرخص. وعند استعمالنا  الفضة والنحاس كأقطاب في محلول الخل (بعد اعطاءهم الوقت الكافي) وجدنا أنه يمكننا بنجاح طلي النحاس بطبقة من الفضة عن طريق هذه العملية (رغم محدودية فعاليتها). لذا، هل يمكن أن العراقيين القدماء استعملوا هذه الطريقة لطلي التماثيل النحاسية (الرخيصة الثمن) والمصممة بشكل معقد بطبقة من الفضة (الغالية الثمن)؟ للأسف لا براهين في السجلات الآثارية على ذلك، وغرض استخدام بطارية بغداد لا زال حتى الآن لغزا غير مكشوف.