بطارية السيارة
تتنوع السّيارت في أشكالها وأحجامها بشكل كبير جداً، ولكن يبقى مبدأ عمل السّيارة وتشغيلها في كافة الأنواع على أساس واحد وهو أنّ السّيارات تعمل جميعها على البطارية، فالبطارية هي أهمّ جزء في السّيارة فبوجودها تتحرك السّيارة، حيث إنها تعمل على مدّ محرك السّيارة بالتّيار الكهربائي، وبدوران المحرك يتحرك المولد الكهربائي أي الدينامو فيقوم هذا المولد بالدّوران ويحل محل البطارية، فتبدأ السّيارة فعلياً بالحركة نتيجة التّيار الكهربائي الذي يسير من المولد إلى وحدة الإشعال والأحمال الكهربائية والمصابيح وغيرها، وسنتعرف معاً على بطارية السّيارة ومن ماذا تتكون وكيف تعمل وتدير السّيارة.
مكونات البطارية
بطارية السّيارة هي بطارية كيمائية وكهربائية في الوقت نفسه، فهي تتركب من مجموعة من الألواح الموجبة والسّالبة، موصولة على التّوالي وعددها حسب جهد البطارية، فمثلاً بطارية السّيارة ذات السّتة فولت تتكون من ثلاث أعمدة جهد، كل عامود 2 فولت، وإذا كان الجهد الكلي للسيارة 12 فولت بالبطارية فتتكون من ست أعمدة جهد، وتكون الألولح الموجبة والسّالبة مغمورة في محلول الكتروني في وعاء لا يتأثر بأحماض الكبرتيك المركز والماء المقطر، ويكون مغطى بغطاء من نفس نوع المادة المصنوع منه الوعاء، وسنتطرق للحديث عن أنواع بطارية السّيارات حتى نوضح كيف تعمل هذه البطارية.
كيفية عملها
تتلخص فكرة عمل البطارية بتحويل الطاقة الكيمائية إلى كهربائية خلال التفريغ، وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيمائية أثناء الشحن، وتعمل البطارية من خلال التفاعل الكيميائي الذي تتحرر من الالكترونات نتيجة وجود ألواح الرصاص وتفاعلها مع ألواح أكسيد الرصاص المغطسة فعلياً بحامض الكبرتيك بنسبة 35% وبماء مقطر بنسبة 65%، وبعد تحرر الالكترونات ينشأ فرق جهد بين الأقطاب السالبة والموجبة ويتولد التيار الكهربائي عند توصيل قطبي البطارية، ولهذا عند تشغيل السيارة تحدث عملية الكهرلة وهي تفاعل الحامض مع الألواح وينتج كبريتات الرصاص، وعند شحن البطارية يحدث العكس فتتحول كبريتات الرصاص إلى أكسيد الرصاص ورصاص وهي التركيبة الأصلية للبطارية ومن ثم تعمل من جديد، ويجب التنويه أنه لا يوجد رصاص نقي داخل البطارية بل يضاف الكالسيوم أوالقصدير أوالسيلينيوم.
مراحل عملها
مرحلة التفريغ والشحن
بداية يرمز لمعدن الرّصاص بالرمز( Pb) وأكسيد الرّصاص (PbO2) ومحلول حامض الكبريتيك H2SO4، ففي عملية الكهرلة أو التفريغ يحدث تفاعل كما ذكرنا سابقاً مع المحلول والألواح؛ فينتج كبريتات الرصاص (PbSO4) وماء (H2O)، أي ينفصل الكبريت عن الهيدروجين في الحامض ويتحد مع الرصاص في القطب السالب، ويتحد مع أكسيد الرصاص في القطب الموجب، وتكون المعادلة الكيمائية كالتالي:
PbO2 Pb 2H2SO4 ___________ PbSO4 2H2O
ويحدث العكس عند شحن البطارية فتصبح العملية عملية تفريغ كاملة ويتمثل ذلك في هذه المعادلة:
PbSO4 2H2O ___________ PbO2 Pb 2H2SO4
مرحلة التأكسد والاختزال عند تشغيل البطارية
الآن سنوضح كيف يتولد الجهد الكهربائي في البطارية، فالبطارية هي عبارة عن مركم من الرصاص فيتكون من المصعد(القطب السالب) ويحدث عنده التأكسد، ويتكون من المهبط (القطب الموجب)، ويحدث عنده الاختزال، فعندما يحدث التفاعل يتولد جهد كهربائي عند المصعد ومقداره 0.356- فولت، وعند المهبط يتولد جهد كهربائي بالموجب ومقداره 1.685فولت، ويكون الجهد الكلي للمركم بفرق الجهد ما بين المهبط والمصعد أي حسابياً: فرق جهد البطارية : 1.685- (-0.356) = 2 فولت للخلية الواحدة ومع ست خلايا يكون 2×6 يساوي 12 فولت جهد بطارية السيارة الكلي.
يتمّ التحذير هنا أنّ كيمياء بطارية السيارة مادة سامّة لهذا عند ملامستها يجب غسل اليدين عدة مرات، فالمحلول الحمضي مادة آكلة، ويجب التحذير أيضاً من الغاز الذي يتولد أثناء شحن البطارية بمصدر خارجي، حيث يتولد غاز الأكسجين وغاز الهيدروجين بسبب تفكك الماء، والغازان قابلان للاشتعال فشرارة واحدة تولد الاشتعال ويحدث الانفجار؛ ولهذا يجب إدراك أنّ التدخين يمنع أثناء شحن البطارية.
كيفية شحنها
أحياناً تتوقف البطارية عن الحركة بسبب عدم وجود التيار الكهربائي ودورانه داخل الخلايا، ويتم تزويدها من خلال شاحن خارجي، ويتكون هذا الشاحن من القطب السالب والقطب الموجب، فعند الشحن يتم وضع موجب الشاحن على القطب الموجب للبطارية وسالب الشاحن على القطب الشاحن للبطارية، فعند انتهاء عملية الشحن سيتولد التيار الكهربائي من جديد في البطارية ويتحرك الدينامو لتشغيل الأحمال الكهربائية.
أمّا المنظم أو الكتاوت يمنع مرور التيار الكهربائي من البطارية إلى المولد ( الدينامو)، ويمنع أيضاً زيادة جهد وتيار الدينامو فهو بمثابة صمام أمان عند تشغيل السيارة.
سعة البطارية
وهو مقدار ما تعطيه البطارية من أمبير بالساعة، والأمبير هو قياس التيار الكهربائي، فمثلاً بطارية سعتها 60 أمبير بالساعة يعني مقدار التيار الكهربائي الذي تعطيه يكون بمقدار 6 أمبير لمدة عشر ساعات، وتتأثر سعة البطارية بكثافة المحلول الكيميائي ودرجة حرارته، ومعدل تيار التفريغ، ومسامية المادة العازلة، ومساحة الألواح السالبة والموجبة، وأخيراً تقاس جودة البطارية بقياس نسبة سعة البطارية أثناء الشحن وسعتها أثناء التفريغ.
مشاكل بطارية السيارة
تملح ألواح الخلايا
وهو تكون طبق صلبة من مادة الكبريتات مما تؤثر فعلياً على التفاعل الكيميائي، وتتمّ معالجته إذا كان التملح بسيطاً جداً من خلال شحن البطارية بتيار ضعيف، وإذا كان التملح شديداً فلا يمكن علاجه، وينتج عادةً التملح من خلال التفريغ السريع وتركها لمدة طويلة بدون شحن.
قصر أقطاب الألواح
وهو انعدام جهد عامود من أعمدة خلايا البطارية فلا يحدث اتصال داخلي كامل ما بين الأقطاب السالبة والموجبة، ويتمّ علاج هذه المشكلة من خلال غسل البطارية وشحنها من جديد أو تغيير الألواح.
الشحن الزائد
يؤدي الشحن الزائد إلى رفع حرارة محلول البطارية مما يؤدي إلى تبخره بسرعة بسبب زيادة كمية الماء المقطر المستهلك في البطارية، ويؤدي أيضاً لتأكسد الألواح الموجبة وهذا يعني تملح الأطراف العلوية للبطارية.
من أشهر أنواع البطاريات البطارية السّائلة الرّصاصية، وتعرف بالمراكم الرصاصية، وتتكون هذه البطارية من الجسم الخارجي المصنوع من مادة البكالايت وهو المطاط المضغوط، ويقسم هذا الوعاء إلى عدد من الحجرات وتسمى بالخلايا، وتكون محمية بغطاء علوي مصنوع من مادة جسم البطارية، حيث يحتوي على عدد من الفتحات بعدد الخلايا التي تحتويها البطارية، ووظيفة هذه الفتحات هي إعادة تزويد البطارية بالمحلول من خلالها، وأمّا في داخل هذا الجسم يوجد به عدد من الصفائح، والصفائح عبارة عن ألواح مفرغة تحتوي على فراغات حتى تحتوي على المادة الفعالة حسب نوع الصفائح، فالصفائح الموجبة تحتوي على مادة أول أكسيد الرصاص ولونها بني غامق وأمّا الصفائح السالبة تحتوي على مادة الرصاص ولونها رمادي ويزيد عددها بلوح واحد عن الصفائح الموجبة.
يفصل بين الصفائح الموجبة والسالبة ألواح عازلة تكون مسامية تسمح بمرور المحلول بين الأقطاب السالبة والموجبة، حيث إن هذه الألواح مصنوعة من مادة عازلة مثل الزجاج أو المطاط أو البلاستيك، وعادةً تكون ناعمة الملمس من الجهة السالبة وتكون خشنة ذات أخاديد من الجهة الموجبة، والمحلول في البطارية عبارة عن حمض الكبريتيك المخفف ويغمر جميع خلايا البطارية وتكون كثافته تقريباً 1.25 جم/سم3.
