البطاريات كمصادر للطاقة الكهربية

إن من أسهل الطرق للحصول على فرق للجهد بين نقطتين هو باستخدام بطارية وهناك العديد من أنواع البطاريات وأغلبها بالضرورة من النبيطات الكيميائية. فبطارية خلية الرصاص المستخدمة في السيارات، مثلاً، تستعمل التفاعل الكيميائي لتوفير الطاقة. ويعتبر نفس الشيء حقيقياً بالنسبة "للخلية الجافة" والتي لا يعتبر باطنها جافاً على الرغم من التسمية. وبالإضافة إلى البطارية الكيميائية فقد أصحبت أطرزة أخرى شائعة هذه الأيام. ولعلك قد سمعت عن الخلايا الشمسية التي تستخدم لتوفير الطاقة للساعات والآلات الحاسبة اليدوية التي تستمد طاقتها من الشمس، بل وعن الأغراض الأخرى الأكثر إثارة. والخلايا الشمسية التي تعمل على مبادئ مختلفة تماماً عن البطاريات الكيميائية، وتقوم بتحويل الضوء مباشر إلى طاقة كهربية. ويتم حالياً تطوير أطرزة اخرى من البطارية عير الكيميائية. وعلى الرغم من هذا التنوع الكبير إلا أن الغرض من أية بطارية هو في النهاية توفير طاقة كهربائية.

ولكل بطارية بسيطة طرفان (عمودان معدنيان) يوفران وسيلة لتوصيل الأسلاك إلى البطارية. والكمية التي عادة ما تسمى الفولطية هي في الواقع فرق الجهد بين طرفي البطارية وهو 1.5 V بالنسبة لبطارية مصباح الجيب و 12 V بالنسبة لبطارية السيارة. وعندما يوصل طرفا البطارية بواسطة أسلاك إلى لوحين معدنيين كما في الشكل (1) فإن الإلكترونات تسري من الطرف السالب إلى أحد اللوحين ( B في الشكل (1)) حتى يتخذ شحنة سالبة. ومصدر هذه الإلكترونات هو اللوح الآخر A وهو لهذا نفس المقدار. وبهذه الطريقة يمكن وصف البطارية على أنها "مضخة شحنات" يستخدم فيها مختلفة العمليات الفيزيائية الداخلية لإنتاج الطاقة اللازمة لإتمام هذه الانتقال للشحنات.

عادة ما ترفع علامة الموجب والسالب من على الرمز ومن المتوقع ان يصبح معروفاً أن الخط الأطول يمثل الطرف الموجب. وكثيراً ما يزود الطرف الموجب للبطارية بعلامة الموجب أو يدهن باللون الأحمر.

الشكل (1)

ويعتمد فرق الجهد بين طرفي البطارية ــ إلى حد ما ــ على عما إذا ما كانت الشحنة تسري من البطارية أم لا. وحين لا تسرى أية شحنة من البطارية فإن فرق جهدها يسمى عندئذ القوة الدافعة الكهربية (emf) للبطارية. وقد احتفظ بهذا المصطلح من القرن الماضي وهو في الواقع مصطلح مغلوط لأن ما يطلق عليه (emf) ليس قوة على الإطلاق وإنما يمثل فولطية . على أنه في كثير من التطبيقات يمكن اعتبار القوة الدافعة الكهربية للبطارية وفرق الجهد بين طرفيها ــ حتى عندما تسري الشحنات منها ــ شيئاً واحداً وسوف نشير إلى القوة الدافعة الكهربية (emf) بالرمز δ على ألا يخلط هذا مع الرمز E لشدة المجال الكهربي.

عندما يوصل اللوحان المعدنيان اللذان هما في الأصل غير مشحونين بالبطارية بواسطة سلكين معدنيين، فإن الشحنات تسري لفترة زمنية وجيزة إلى أن تنتشر البطارية الشحنات على اللوحين. وبعد ذلك لن يسرى مزيد من الشحنات ويصبح الموقف كهروستاتيكياً. وسوف نتذكر أن المعادن عبارة عن حجوم تساوي الجهد تحت الظروف الكهروستاتيكية. وسوف نتذكر أن المعادن عبارة عن حجوم تساوي الجهد تحت الظروف الكهروستاتيكية ، ومن ثم يكون السلك الواصل من الطرف C إلى اللوح A واللوح نفسه عند نفس الجهد . وبالمثل فإن الطرف D ـ الذي يكون عند جهد أقل بما مقداره 1.5 V عن الطرف C ــ عند نفس جهد اللوح B. وعلى هذا يكون فرق الجهد بين اللوحين A و B هو 1.5 V بحيث يكون اللوح A ذا جهد أعلى لأنه موجب. وهكذا نستنتج أن : تحت ظروف كهروستاتيكية فإن:

فرق الجهد بين جسم معدني متصل بأحد طرفي بطارية وجسم معدني آخر متصل بالطرف الآخر يكون مساوياً لفرق الجهد الطرفي للبطارية.