אנרגיה - מבוא
ישנם שני סוגים של אנרגיה חשמלית:
• אנרגיה טבעית - כגון אנרגית שמש ,רוח ומים.
אנרגיה זו המתחדשת מאליה שוב ושוב וללא התערבות.
• אנרגיה מלאכותית אותה אנו יוצרים - כגון פחם, סולר, גז.
אנרגיה זו הנה יצר ידי אדם, והיא מתכלה. סוללות הנן מקור אנרגיה מלאכותית ומתכלה, וצורכות חידוש או טעינה לה נהיה אחראים ואשר לעיתים תיארך זמן רב.
סוללות כמקור חשמל
הסוללה היא מקור אנרגיה מין תחנת כוח פרטית המפיקה חשמל הדרוש לצריכה אישית של כל אחד מאיתנו, מי מאיתנו לא צרכן סוללות? אם זה לטלפון בבית,לסלולרי,למחשב ,למצלמה,לתאורה,לרכב ובעצם מה לא? האם שמת לב פעם לסוללה שנמצאת בשלט הרכב?ודאי רק כשנגמרה! בשעון? ובצעצוע? לפעמים נדמה שדברים קטנים אלה פועלים מאליהם, אולם רק כאשר הם מתכלים פתאום אנו מבחינים בהן.
סוללות חשמליות - היסטוריה
כתוצאה מריאקציה כימית בין אלקטרודות לחומר מוליך הנקרא אלקטרוליט - מייצרות סוללות מתח חשמלי בקצותיהן. כן, שמה המדעי של סוללה הוא "תא אלקטרוכימי".
הראשון שבנה סוללה חשמלית בשנים שבין 1785-1789 היה וולטה אלסנדרו. הוא בעצם בנה את התא הקרוי וולטה. המוכר לנו כסוללה לרכב / "מצבר" המצאתו זו של מר וולטה איפשרה בהמשך למדענים בתקופתו לחקור את תכונות החשמל.
הזרם החשמלי הנוצר בסוללות קרוי זרם גלוואני, והתגלה בשנת 1789 על ידי רופא איטלקי בשם גלוואני.
בהמשך, המציא ג'והן פרדריק דניאל תא אלקטרוכימי מתקדם (אנגליה, 1936) אשר נקרא על שמו: "תא דניאל".
סוללה חשמלית, ובעיית הקיטוב
סוללה מייצרת חשמל בזרם ישר. סוללה ניתנת להרכבה מתא חשמלי אחד או יותר, תלוי בוולט (V) בו אנו מעוניינים ובהספק Ah (אמפר שעה) החשמל בסוללה מופק כתוצאה מהתהליך הכימי של העברת אלקטרונים בין שתי אלקטרודות המחוברות לחומרים שלהם הבדל פוטנציאלי. סוללה נטענת משלבת למעשה תא אלקטרוכימי להפקת חשמל, ותא אלקטרוליטי להשבת אנרגיה לסוללה באמצעות שינויים כימיים, לצורך המשך הפקת החשמל באופן סידרתי.
סוללות נטענות - הסוללה היבשה
על מנת להתגבר על בעיית הקיטוב, הומצאה בשנת 1867 על ידי הצרפתי ז'ורז' לקלנשה הסוללה היבשה.
בסוללה היבשה עשויה האלקטרודה השלילית (האנודה) אבץ והיא מהוה את מארז הסוללה, ואילו האלקטרודה החיובית (הקתודה) עשויה מוט של גרפיט הקבוע במרכז הקופסה. מוט הגרפיט מוגן בתערובת מונעת קיטוב על בסיס דו תחמוצת המנגן. האלקטרוליט בסוללה זו הוא תערובת של כלוריד האבץ וכלוריד האמוניום. כולו מבודד בעטיפה העשויה חומר מבודד שאינו מאפשר את מעבר הזרם החשמלי אלא בתיל המתכת. על העטיפה מולבש שריון מתכת שמטרתו העיקרית למנוע את דליפת האלקטרוליט. דליפה זו עלולה להתרחש עקב הצטברות גזים בתוך הסוללה שלחצם פורץ את המעטפת.
הסוללות הפשוטות והזולות שבשימוש היום מבוססות על דגם לקלנשה.
מבנה הסוללה
בסוללה ישנם שלושה מרכיבים עיקריים: אנודה (קוטב שלילי) העוברת תהליך חימצון שבו נמסרים אלקטרונים למעגל החיצוני (צרכן חשמל).
קתודה (קוטב חיובי) העוברת תהליך חיזור שבו נקלטים אלקטרונים מהמעגל החיצוני.
אלקטרוליט תווך המפריד בין האנודה לקתודה הגורם ליצירת מתח ביניהם. הוא מכיל בסיס או חומצה או סוג של מלח.
כיצד פועלות סוללות
המגע בין האלקטרוליט לבין שתי המתכות השונות גורם לתגובה כימית המתבטאת בנדידת יונים דרך תמיסת האלקטרוליט. אם נחבר את שני הלוחות החיצוניים זה לזה בחוט תיל ממתכת המוליכה חשמל, יתהווה בסוללה זרם חשמלי. המטענים החשמלים שנושאים איתם האלקטרונים הנודדים מלוח ללוח בתוך הסוללה יזרמו דרך חוט המתכת. את התיל הזה המכוסה שכבה של חומר מבודד מחברים למכשיר שרוצים להפעילו בזרם החשמלי.
סוגי סוללות והשימוש בהן
• סוללת ליתיום-יון - הנפוצה ביותר כיום למכשירים אלקטרוניים כגון: מחשבים ניידים,מצלמות,סלולרי ,נגני מוזיקה כף יד עוד
• סוללה בלתי נטענת.
• סוללת כספית - האנודה שלה עשויה אבץ והקתודה עשויה תחמוצת הכספית והאלקטרוליט הוא מימת האשלגן. היתרון של סוללות אלו טמון בעמידותן הרבה הן מסוגלות לספק מתח חשמלי במשך זמן רב.
• סוללת אלקליין - סוללה זו היא מהשכיחות ביותר במכשירי חשמל קטנים. האלקטרודות עשויות מנגן ואבץ. האלקטרוליט הוא בסיס חזק הנמצא לעיתים קרובות בלחץ ולכן מסוכן לפרק סוללה מדגם זה.
סוגי סוללות נטענות
• תא עופרת-חומצה - המצבר המצוי במכוניות הוא למעשה סוללה נטענת המכילה בדרך כלל 6 תאים עבור מתח עבודה של 12 וולט, האלקטרודות שבו עשויות עופרת והאלקטרוליט שבו הוא חומצה גופרתית מדוללת במים.
• תא ניקל קדמיום - האלקטרודות עשויות ניקל וקדמיום והטענתן נעשית על ידי הזרמת זרם חשמלי דרכן והוא מפרק את התרכובות הכימיות שנוצרו בעת פעולתן.
עם פיתוחו של תא ניקל מטאל הידריד פחת השימוש בתאי ניקל קדמיום ממספר סיבות: רעילות הקדמיום, קיבולת נמוכה, יש לפרוק את הסוללה לפני הטענתה כדי להתגבר על התופעה של "זיכרון מחזור העבודה" המקטין את הקיבולת שלה, וכן אורך החיים הקצר.(תא אחד לא תקין במארזים שהכילו מספר תאים גרם לכך שכל המארז לא עבד וכן הוא היה מקלקל תאים אחרים בנסיונות של פריקה וטעינה של המארז.)
• תא ניקל מטאל הידריד (NiMH) - דגם זה הוא השכיח ביותר מבין הסוללות הנטענות במכשירי חשמל קטנים. האלקטרודות עשויות ניקל ותערובת של מתכות. האלקטרוליט הוא בסיס חזק.
קיבולת של סוללה
הקיבולת של סוללה נמדדת ביחידות של Ah (אמפר שעה). כלומר, סוללה שכתוב עליה שהיא בעלת קיבולת של 1Ah מציין שהיא מסוגלת לספק זרם של 1A במשך שעה אחת של עבודה רצופה.
לדוגמה, מכשיר אלקטרוני שצורך 100mA, וניזון מסוללה שהקיבולת שלה 1300mAh, ירוקן את הסוללה תוך 13 שעות עבודה. עם זאת ראוי לציין שמידע המופיע על מכשירים באשר לתצרוכת החשמל שלהם, מציין לרוב את התצרוכת המקסימלית, ולא הממוצעת.
ולסיום - הרכבת סוללה בבית
ראשית - נעמוד על עקרון הפעולה של סוללה חשמלית "רטובה" מאבץ ונחושת:
בתוך האלקטרוליט נעים יונים ואילו האלקטרונים עוברים במעגל החשמלי החיצוני זרם חשמלי.במעגל החיצוני עוברים אלקטרונים מהאבץ המשמש אלקטרודה שלילית לנחושת המשמשת אלקטרודה חיובית. בתוך הסוללה החשמלית מתבצעת תנועה של יונים באלקטרוליט ליצירת מעגל חשמלי סגור.
לבניית תא חשמלי של אבץ נחושת: פיסת אבץ Zinc = Zn או מגנזיום המשמשת כקתודה אלקטרודה שלילית .פיסת נחושת Copper = CU המשמשת כאנודה אלקטרודה חיובית תמיסת מי מלח מרוכזת, או כל חומר אלקטרוליטי אחר תמיסה המוליכה זרם חשמלי.
הכנס את פיסת האבץ והנחושת (האלקטרודות) לתוך כלי הזכוכית עם תמיסת מי המלח, כך שהן נמצאות מ 2 צדדי הכוס, ואינן נוגעות אחת בשניה, והפעל.
בניית סוללה בבית מלימון, תפוז, או אפילו תפוח אדמה טרי: הכנס את פיסת האבץ והנחושת אל תוך לימון טרי אפשר גם כוס זכוכית עם מעט מיץ לימון טבעי או מיץ תפוזים .ניתן לחבר מספר סוללות מסוג זה בטור לקבלת מתח של מספר וולטים. בצורה זו ניתן להפעיל שעון דיגיטלי. במקרה זה - החומר המרכיב את הפרי מכיל חומצה המשמשת כאלקטרוליט, בדומה למי המלח.
בניית סוללה המורכבת מ 6 מטבעות אמריקאיים: שמים עיתון רטוב במי מלח בין מטבע של 1 סנט אמריקאי העשוי מנחושת לבין מטבע של 5 סנט ניקל אמריקאי.בין שני המטבעות ייוצר מתח חשמלי. ניתן לבנות מערך סוללות באמצעות מגדל המורכב ממטבע נחושת, ניר ספוג במי מלח, ומטבע עשוי אבץ או ניקל.
בהצלחה!
באדיבות סולן אינטראקטיב בע"מ. פורטל סוללות הגדול ברשת סוללה למחשב נייד ,מטען למחשב נייד, בוסטר להנעת הרכב,מצלמה לרכב, מערכות סולאריות,פנל סולארי,ממיר מתח,בקר סולרי,מצבר למערכת סולרית ועוד.
