קורס אלקטרוניקה

6: הסוללה החשמלית, מתח חשמלי וזרם חשמלי



הסוללה החשמלית

סוללה חשמלית (בטרייה) (Battery) או (Electrical Battery) היא מקור אנרגיה.

קיימים שני סוגים של מקורות אנרגיה:

מקורות אנרגיה טבעית, או אנרגיה מתחדשת (Renewable Energy) כמו אנרגיית השמש, המים והרוח.
אנרגיה טבעית מתחדשת מעצמה, היא אינה מתכלה.
גם תגובות כימיות יכולות לשמש כמקור אנרגיה טבעית, אם כי במקרה זה מדובר במקורות אנרגיה מתכלים.

מקורות אנרגיה מלאכותית, או אנרגיה מתכלה, הם מתקנים מעשי ידי אדם המנצלים מקורות טבעיים לשם יצירת אנרגיה באופן מלאכותי. דוגמאות למקורות אנרגיה מלאכותית הם דודי שמש, תנורי פחם, תנורי גז, תחנות רוח, מנועי קיטור, מנועי בנזין, מנועי סולר, כורים גרעיניים ועוד.
בעוד השמש, הרוח והמים אינם מתכלים, מקורות אנרגיה כמו פחם, גז ודלק (בנזין וסולר) הם מתכלים – משום שהכמות שלהם על פני כדור הארץ, בקצב השימוש הנוכחי, עלולה להתכלות בעתיד הנראה לעין (עשרות או מאות שנים). בנוסף, במקורות אנרגיה מלאכותית, או אנרגיה מתכלה, יש צורך לחדש מדי פעם את מקור האנרגיה. במכונית, למשל, כאשר הדלק מתכלה, יש לחדש את מלאי הדלק במכונית – להיכנס לתחנת דלק ולתדלק.

הסוללה החשמלית היא מקור אנרגיה מלאכותי, דהיינו, מעשה ידי אדם, המנצל תגובות כימיות טבעיות לשם יצירת מתח חשמלי. סוללה חשמלית היא מקור המייצר אנרגיה חשמלית, או מקור מתח חשמלי, בזרם ישר.

סוגי סוללות
קיימות כמה הבחנות בין סוגים עיקריים של סוללות.
הבחנה אחת היא בין:
  • סוללות נטענות
  • סוללות לשימוש חד פעמי.
אמנם גם סוללות נטענות וגם סוללות חד פעמיות הן סוללות מתכלות – משום שלסוללות נטענות יש אורך חיים המוגבל למספר מחזורי טעינה-פריקה, אבל לשם בהירות הדיון, בשיעור זה נכנה סוללות חד פעמיות בשם סוללות מתכלות.

הבחנה שנייה היא בין:
  • סוללות חד-תאיות, דהיינו, סוללות המורכבות מתא אחד בלבד, כמו "סוללות אצבע" הנמצאות בפנסי כיס, במכשירי שלט-רחוק ועוד.
  • סוללות רב-תאיות, סוללות המורכבות ממספר תאים, כמו מצברי רכב.
הבחנה שלישית היא בין:
  • סוללות רטובות, בהן האלקטרוליט הוא במצב נוזלי, כמו במצברי מכונית
  • סוללות יבשות בהן האלקטרוליט הוא במצב דמוי משחה, כמו מרבית הסוללות הנמצאות בשימוש ביתי.

מבנה הסוללה

אם כי קיימות סוללות בעלות מבנה שונה, הסוללות הנפוצות בשימוש יום-יומי מורכבות מתאים אלקטרו-כימיים. בהמשך שיעור זה נתייחס רק לסוללות המורכבות מתאים אלקטרו-כימיים, לא נתייחס כאן לתאי דלק או תאים גרעיניים. בתא אלקטרו-כימי (הנקרא גם תא וולטאי או תא גלווני) המתח החשמלי נוצר כתוצאה מתהליך כימי, או תגובה כימית.

נתייחס כאן לסוללה חד-תאית, או לתא יחיד בתוך סוללה רב-תאית. המילה "סוללה" בהסבר זה מתייחסת לתא סוללה יחיד.

כל תא אלקטרו-כימי של סוללה מורכב משלושה חלקים:
  • אנודה
  • קתודה
  • אלקטרוליט.
האנודה והקתודה נקראות אלקטרודות. בסוללה גלוונית, או סוללה מתכלה, האנודה היא האלקטרודה השלילית (שלילית מבחינת סימון המתח החשמלי) והקתודה היא האלקטרודה החיובית.
במרבית המקרים הקתודה והאנודה הן מתכות, כל אחת מהן היא מתכת שונה. לפעמים האנודה היא מתכת והקתודה עשויה מחומר שונה, כמו גרפיט (סוג של פחם).
האלקטרוליט הוא חומר כימי הנמצא בין האנודה לקתודה. האלקטרוליט מכיל חומצה, או בסיס, או סוג של מלח.


אופן פעולת הסוללה

בעיקרון, סוללה חשמלית, או תא אלקטרו-כימי, הוא מקור מתח חשמלי, או מתקן המבצע המרה, או התמרה, בין אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. בסוללה, אנרגיה כימית מומרת לאנרגיה חשמלית.

נתחיל בסדר היסטורי עם הסוללה הראשונה שפותחה על ידי אלסנדרו וולטה (Alessandro Volta), פיזיקאי איטלקי שחי בין השנים 1827 - 1745 . הוא בנה את תא וולטה שהוא תא נוזלי.
תא וולטה עשוי מאלקטרודות שהן לוח אבץ ולוח נחושת, המהווים אנודה וקתודה, עם רווח בין הלוחות. בין הלוחות נמצא האלקטרוליט שהוא חומר נקבובי הספוג בחומצה גופריתית מהולה.
בין האלקטרוליט לבין האלקטרודות (אנודה והקתודה) מתרחש תהליך של חמצון-חיזור, או חמזור. במגע של האלקטרוליט עם הקתודה נוצר חמצון, שהוא תהליך שבו נגרעים אלקטרונים מהחומר המחומצן. קטיונים (יונים חיוביים), או יונים בעלי מטען חשמלי חיובי, נודדים מהאלקטרוליט לקתודה, הנטענת במטען חשמלי חיובי.
במגע של האלקטרוליט עם האנודה נוצר חיזור, שהוא תהליך שבו מתווספים אלקטרונים לחומר המחוזר. אניונים (יונים שליליים), או יונים בעלי מטען חשמלי שלילי, נודדים מהאלקטרוליט לאנודה, הנטענת במטען חשמלי שלילי.

מתח חשמלי
מתח חשמלי הוא ההפרש בפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות.
בין הקתודה של הסוללה, בעלת המטען החשמלי החיובי, לבין האנודה של הסוללה, בעלת המטען החשמלי השלילי נוצר הפרש פוטנציאלים חשמלי, או פוטנציאל חשמלי, או מתח חשמלי.
פוטנציאל משמעותו כוח, או יכולת, או אפשרות. כל עוד לא זורם זרם חשמלי, הפוטנציאל החשמלי הוא יכולת גלומה שאינה באה לידי ביטוי ממשי. ביטוי של הפוטנציאל החשמלי יתקבל אם וכאשר פוטנציאל זה יגרום להזרמת זרם חשמלי.

זרם חשמלי
זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת של מטענים חשמליים.
בתא וולטה אותו סקרנו למעלה, אם נחבר את הקוטב השלילי של התא לקוטב החיובי שלו באמצעות חוט חשמלי מוליך, יהיו בעצם שני זרמים חשמליים.
מחוץ לתא החשמלי, בחוט המוליך המחבר בין שני הקטבים של התא החשמלי, יהיה זרם של אלקטרונים, או תנועה של אלקטרונים: האלקטרונים יזרמו מהקוטב השלילי של התא החשמלי, דרך החוט המוליך, אל הקוטב החיובי של התא החשמלי.
תנועת אלקטרונים זאת מתרחשת משום שמטענים חשמליים זהים דוחים זה את זה, בעוד מטענים חשמליים מנוגדים (חיובי ושלילי) מושכים זה את זה. הפרש הפוטנציאלים החשמלי שבין שני הקטבים של התא החשמלי שואף להתאזן, לכן האלקטרונים העודפים שבאלקטרודה השלילית שואפים לנוע אל האלקטרודה החיובית, בה יש חוסר של אלקטרונים. האלקטרונים יכולים לנוע בפועל מהקוטב השלילי אל הקוטב החיובי אם וכאשר זה מתאפשר להם, על ידי חוט חשמלי מוליך המחבר בין שני הקטבים.
בתוך התא החשמלי, באלקטרוליט, כאשר התא החשמלי מזרים זרם, מתקיים זרם חשמלי של יונים חיוביים מהקוטב החיובי של התא החשמלי אל הקוטב השלילי שלו.

בסוללה, כל עוד לא יהיה חיבור חשמלי בין האנודה של הסוללה לבין הקתודה של הסוללה, לסוללה יהיה מתח חשמלי, או פוטנציאל חשמלי, אבל לא יזרום זרם חשמלי. על מנת שייוצר זרם חשמלי יש צורך ליצור חיבור חשמלי בין הקתודה לאנודה.

סוללה יבשה
בתא וולטה, אותו סקרנו למעלה, לאחר שימוש ממושך של הרמת זרם באמצעות התא החשמלי, סביב האלקטרודות מצטברת שכבת גז, המבודדת את האלקטרודות מהאלקטרוליט ומונעת את המשך פעולת הסוללה. זאת תופעה המכונה קיטוב.

כדי להתגבר על תופעת הקיטוב, הצרפתי ז'ורז' לקלנשה (Georges Leclanche) המציא בשנת 1867 את הסוללה היבשה. בסוללה זאת האלקטרודה השלילית היא גליל העשוי מאבץ, המהווה את מעטפת הסוללה. האלקטרודה החיובית היא מוט גרפיט הממוקם במרכז גליל האבץ, אך לא בא במגע פיזי עם גליל האבץ. מוט הגרפיט מצופה בשכבה של תערובת על בסיס דו-תחמוצת המנגן, המונעת את תופעת הקיטוב. בין גליל האבץ לבין מוט הגרפיט שבמרכז נמצא האלקטרוליט שהוא תערובת של כלוריד האבץ וכלוריד האמוניום. סוללה זאת נקראת סוללת אבץ-פחמן.

התהליך בתוך הסוללה היבשה דומה לתהליך שבתוך תא וולטה:
המגע של האלקטרוליט עם גליל האבץ (האנודה, הקוטב השלילי) יוצר חיזור, שבו מתווספים אלקטרונים לאבץ, שהוא החומר המחוזר. כך, האנודה נטענת במטען חשמלי שלילי.
המגע של האלקטרוליט עם מוט הגרפיט (הקתודה, הקוטב החיובי) יוצר תהליך של חמצון, שבו נגרעים אלקטרונים ממוט הגרפיט, שהוא החומר המחומצן. כך הקתודה נטענת במטען חשמלי חיובי.
כך נוצר הפרש פוטנציאלים חשמלי, או מתח חשמלי, בין הקתודה לאנודה.

סוללות אלקליין
הן הסוללות השכיחות ביותר כיום. האלקטרודות עשויות האחת ממנגן והשנייה מאבץ. האלקטרוליט הוא בסיס חזק.

תא יחיד וסוללות מרובות תאים
הסוללות מסוג סוללות אצבע הנפוצות בשימושים ביתיים הן סוללות של תא יחיד, אשר המתח שלהן הוא בסביבות 1.5 וולט – אם כי מתח זה משתנה מעט בין מצב בו הסוללה לא מזרימה זרם לבין מצב בו הסוללה מזרימה זרם – וכן בין סוללה טרייה לבין סוללה שהזרימה זרם במשך זמן מה.

יש סוללות המורכבות ממספר תאים המחוברים ביניהם וארוזים באריזה אחת. דוגמא לסוללה כזאת הן סוללות קטנות של 9 וולט, כאשר בתוך כל סוללה כזאת יש 6 תאים שהמתח של כל אחד מהם הוא 1.5 וולט. התאים שבסוללה מחוברים ביניהם בטור, באמצעות מוליך חשמלי. הקוטב השלילי של התא הראשון מחובר לקוטב החיובי של התא השני, הקוטב השלילי של התא השני מחובר לקוטב החיובי של התא השלישי וכך הלאה. הקוטב החיובי של כלל הסוללה מרובת התאים הוא הקוטב החיובי של התא הראשון והקוטב השלילי של כלל הסוללה הוא הקוטב השלילי של התא האחרון, השישי.

מצברי רכב גם הם סוללות מרובות תאים. במצבר של 12 וולט יש 6 תאים שהמתח של כל אחד מהם הוא 2.2 וולט, בערך. לכן, אגב, המתח של מצבר רכב טעון במלואו הוא 13.2 וולט בערך, למרות שהמצבר נקרא 12 וולט. במצברי משאיות כבדות, שהם מצברי 24 וולט, יש 12 תאים.

הרחבת מושג הזרם החשמלי
זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת של מטענים חשמליים. מטענים חשמליים יכולים להיות אלקטרונים, או יונים – בין אם יונים חיוביים ובין אם יונים שליליים.

הזרם החשמלי נוצר במוליך, כתוצאה מהפרש פוטנציאלים חשמליים בין שני קצות המוליך.

במוליכים מתכתיים, הזרם החשמלי הוא תנועה של אלקטרונים.

המטען החשמלי מסומן בדרך כלל באות האנגלית קיו, שסימנה באות גדולה הוא Q.

יחידת המידה למטען חשמלי היא קולון (Coulomb), על שם הפיזיקאי הצרפתי שארל-אוגסטן דה קולון (Charles-Augustin de Coulomb) שחי בין השנים 1806 - 1736. הוא היה הראשון שחקר באופן כמותי את הכוח הפועל בין גופים הטעונים במטען חשמלי. יחידת המידה קולון מסומנת באות האנגלית סי, שסימנה באות גדולה הוא C, או במילה Coulomb.

הבהרת מושגים
לפעמים קיים בלבול מושגים בין אנודה לקתודה, משום שהקוטביות של האנודה והקוטביות של הקתודה מותנות במכשיר בו הן נמצאות.
בסוללות מתכלות האנודה היא הקוטב השלילי והקתודה היא הקוטב החיובי.
בסוללות נטענות ובמצברים, כמו גם במכשירים חשמליים אחרים, המצב הפוך: האנודה היא הקוטב החיובי, בעוד הקתודה היא הקוטב השלילי.
הסבר לכך יובא בהמשך הקורס.

הרחבות נוספות ניתן לראות בקישורים הבאים:
סוללה חשמלית – ויקיפידיה
סוללה – סולן
מתח חשמלי – ויקיפידיה
זרם חשמלי – ויקיפידיה
סוללה (בטריה) – ויקיפידיה באנגלית








לדף קודם         לתוכן העניינים         לדף הבא





שאלות, הערות והצעות יתקבלו בברכה: דואר אלקטרוני E-mail



כל הזכויות שמורות.
Copyright © - 2010 ליהושע גומא,
עזריאל