סוללה חשמלית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

סוללות חשמליות.

סוללה היא מתקן לייצור חשמל בזרם ישר. הסוללה מורכבת מ"תא חשמלי" אחד או יותר.

ה"תא החשמלי" הנפוץ כיום הוא תא אלקטרוכימי (מכונה גם "תא וולטאי" או "תא גלווני"), שבו החשמל מופק כתוצאה מתהליך כימי (העברת אלקטרונים בין שתי אלקטרודות המחוברות לחומרים שלהם הבדל פוטנציאלי חמצון-חיזור). תא חשמלי העובד בצורה הפוכה הוא תא אלקטרוליטי. בתא זה מגיע חשמל ממקור חיצוני, וגורם לתהליך כימי. "סוללה נטענת" משלבת למעשה תא אלקטרוכימי להפקת חשמל, ותא אלקטרוליטי ל"השבת" אנרגיה לסוללה באמצעות שינויים כימיים, לצורך המשך הפקת החשמל.

סוג נוסף של תאים חשמליים הם תאי דלק, תאים גרעיניים ועוד. ערך זה דן בסוללות האוצרות אנרגיה באופן כימי בלבד.

[עריכה] היסטוריה של הסוללה

הראשון שבנה סוללה חשמלית היה אלסנדרו וולטה (1745 - 1827). הוא בנה את "תא וולטה" (תא נוזלי).

המצאתו של וולטה אפשרה למדענים בימיו לחקור את תכונות החשמל.

הסוללה החשמלית הראשונה הייתה תא שבתוכו היו ערוכים לסירוגין, בזה אחר זה, לוחות עשויים אבץ ונחושת: לאחר לוח אבץ בא לוח נחושת ואחריו שוב לוח אבץ, וכן הלאה. לוחות אלה הם האלקטרודות (האנודה והקתודה). הן מופרדות זו מזו בשכבות של חומר נקבובי, רווי בתמיסה של חומצה גופרתית מהולה, הנקראת אלקטרוליט. כל תא כזה ובו לוח אבץ, לוח נחושת ואלקטרוליט ביניהם הוא תא חשמלי העומד בפני עצמו, וניתן לחברה גם לתא הבא אחריו בטור, ליצירת הספק חשמלי גבוה יותר. לרוע המזל, התברר שלאחר שימוש ממושך בסוללה מצטברת על האלקטרודות שכבה של גז המבודד אותן מבחינה חשמלית.

[עריכה] המצאת הסוללה היבשה

סוללות נטענות.

כדי להתגבר על בעיה זו, הנקראת קיטוב, הומצאה בשנת 1867 ה"סוללה היבשה", על ידי הצרפתי ז'ורז' לקלנשה. 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.

[עריכה] מבנה הסוללה

בסוללה יש שלושה מרכיבים עיקריים:

1. אנודה (קוטב שלילי) העוברת תהליך חימצון שבו נמסרים אלקטרונים למעגל החיצוני (צרכן חשמל).
2. קתודה (קוטב חיובי) העוברת תהליך חיזור שבו נקלטים אלקטרונים מהמעגל החיצוני.
3. אלקטרוליט תווך המפריד בין האנודה לקתודה הגורם ליצירת מתח ביניהם. הוא מכיל בסיס או חומצה או סוג של מלח.

[עריכה] כיצד פועלת הסוללה

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.

[עריכה] סוגי סוללות

סוללת ליתיום.

[עריכה] 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.

[עריכה] סוללה נטענת

• 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.

הסוללות מגיעות בגדלים שונים, במתחים שונים וצורות שונות, רובן עגולות.

[עריכה] 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.

[עריכה] קישורים חיצוניים

• ד"ר אמיר בן-שלום, כימיה מחושמלת, אתר מט"ח
• אסתר אלסטר ומצליח בבאי, כיצד מייצרים תא חשמלי, אתר סנונית
• בלדד השוחי, כיצד פועלת בטריה?, באתר נענע
• בלדד השוחי, למה עדיף לשמור בטריות במקרר?, באתר נענע