شیمی الکتروشیمی
بر پایه‌ی ۵ منبع علمی

باتری چطور برق تولید می‌کنه؟

برش یه باتری قلمی که دو ماده‌ی مختلف دو سرش و خمیر خیس بینشون رو نشون می‌ده، و الکترون‌هایی که از یه سر بیرون میان، از سیم رد می‌شن و یه لامپ کوچیک رو روشن می‌کنن.
4 دقیقه کاوش آخرین به‌روزرسانی: ۱۷ آبان ۱۴۰۵
مفهوم‌های این کاوش الکترون یون ولتاژ
این کاوش را چطور دوست داری دنبال کنی؟ ۴ ارائه‌ی دیگر در راه‌اند
روخوانی نوشتار هنوز آماده نیست
به‌زودی

پاسخ کوتاه باتری برق رو از جایی نمیاره و توی خودش هم انبار نکرده. توی باتری یه واکنش شیمیایی آماده‌ست. دو سر باتری از دو جنس مختلفن و یه ماده‌ی خیس یا خمیری بینشونه. یه سر میل داره الکترون پس بده و سر دیگه میل داره الکترون بگیره. ولی ماده‌ی وسط الکترون رو رد نمی‌کنه، پس تا وقتی دو سر رو با یه سیم به هم وصل نکنی، اتفاقی نمی‌افته. همین که وصلشون کنی، الکترون‌ها راه میفتن و از توی سیم و از دل لامپ رد می‌شن. برق همین جریانه.

دو سر از دو جنس مختلف

یه باتری قلمی رو نگاه کن. یه سرش علامت مثبت داره و سر دیگه‌اش علامت منفی. این دو سر از دو جنس مختلف ساخته شدن. معمولاً هر دو فلزن، یا دو ماده‌ی دیگه که برق رو رد می‌کنن. بینشون هم یه ماده‌ی خیس یا خمیری نشسته.

حالا چرا باید دو جنس باشن؟ چون هر ماده‌ای میل خودش رو به الکترون داره. الکترون همون ذره‌ی ریزیه که وقتی توی سیم جریان پیدا می‌کنه، برق تولید می‌کنه. بعضی مواد راحت الکترون پس می‌دن و بعضی‌ها مشتاقن الکترون بگیرن. توی باتری، یه سر از ماده‌ای ساخته شده که الکترون پس می‌ده و سر دیگه از ماده‌ای ساخته شده که الکترون می‌گیره. اگه دو سر از یه جنس بودن، میل دو طرف یکی بود و هیچ نیرویی الکترون‌ها رو به حرکت درنمی‌آورد.

راه الکترون‌ها از دل لامپ

حالا باتری رو بذار توی چراغ‌قوه و روشنش کن. دو سر باتری از راه سیم و لامپ به هم وصل می‌شن. همین لحظه واکنش‌ها شروع می‌شن. الکترون‌ها از سری که اون‌ها رو پس می‌ده راه میفتن، از توی سیم رد می‌شن و می‌رسن به سری که بیشتر مشتاقه اون‌ها رو بگیره. لامپ سر همین راهه و جریان الکترون روشنش می‌کنه.

ولی چرا الکترون‌ها میون‌بر نمی‌زنن و از وسط باتری نمی‌رن؟ چون ماده‌ی وسط فقط به ذره‌های باردار به اسم یون اجازه می‌ده رد بشن و جلوی الکترون رو می‌گیره. سیم برعکسه و الکترون رو رد می‌کنه ولی یون رو رد نمی‌کنه. پس الکترون‌ها راه دیگه‌ای ندارن و باید از توی دستگاه بگذرن.

اگه فقط الکترون‌ها جابه‌جا می‌شدن، جریان زود می‌خوابید، چون بارهای هم‌نام همدیگه رو پس می‌زنن و سر گیرنده هم فقط تا یه حدی جا داره. برای همین هم‌زمان یون‌های مثبت از داخل باتری از یه سر به سر دیگه می‌رن و بار دو طرف رو متعادل نگه می‌دارن.

زور این هل دادن رو با ولتاژ اندازه می‌گیرن. هرچی جنس دو سر با هم فرق بیشتری داشته باشه، ولتاژ بیشتره، و با ولتاژ بیشتر همون تعداد الکترون کار بیشتری انجام می‌ده.

تا دو سر باتری با سیم وصل نشده‌اند، اتفاقی نمی‌افته، چون ماده‌ی وسط جلوی الکترون رو می‌گیره. همین که وصلشون کنی، الکترون‌ها از بیرون، از توی سیم و لامپ، به سر دیگه می‌رن و هم‌زمان یون‌ها از داخل باتری همین راه رو طی می‌کنن.
یک واژه یون (ion) ذره‌ای که بار داره و برخلاف الکترون می‌تونه از ماده‌ی وسط باتری رد بشه.

لیمو هم باتری می‌شه

اگه بخوای خودت یه باتری بسازی، یه لیمو کافیه. یه تیکه فلز روی و یه تیکه مس رو توش فرو کن و دو تاشون رو با سیم به هم وصل کن. ولی برق از خود لیمو نمیاد. لیمو فقط جاییه که این دو فلز توش با هم واکنش می‌دن، و برق از همین واکنش درمیاد. سیب‌زمینی، گوجه، پرتقال و تقریباً هر میوه یا سبزی آبدار دیگه‌ای هم همین‌جوری جواب می‌ده.

اولین باتری هم همین ساختار رو داشت. الساندرو ولتا یه ستون درست کرد از صفحه‌های روی و مس، و بینشون مقوا یا پارچه‌ای گذاشت که توی آب‌نمک یا سرکه خیس شده بود. این اولین وسیله‌ای بود که برق رو پیوسته و یکنواخت می‌داد.

ولتا این ستون رو وسط یه بحث علمی ساخت. گالوانی دیده بود عضله‌ی یه قورباغه‌ی تشریح‌شده تکون می‌خوره و فکر می‌کرد برق از خود بدن جانوره. ولتا نشون داد برق از تماس دو فلز مختلف با یه ماده‌ی خیس بینشون میاد.

سال ساخت اولین باتری ۱۸۰۰ ولتا اولین باتری رو توی این سال ساخت.

وقتی باتری تموم می‌شه و دوباره پر می‌شه

باتری وقتی «تموم» می‌شه که مواد پرانرژی داخلش کم‌کم به شکل‌های کم‌انرژی‌تر تبدیل شده باشن. توی باتری‌های یک‌بارمصرف این تبدیل برنمی‌گرده.

شارژ کردن همین مسیر رو برعکس می‌کنه. یه منبع برق بیرونی، مثلاً شارژر، الکترون‌ها و یون‌ها رو به جای اولشون برمی‌گردونه. این کار مثل بالا بردن یه وزنه از سربالاییه، و با شارژ کردن داری انرژی رو دوباره انبار می‌کنی.

دفعه‌ی بعد که گوشیت رو به شارژ می‌زنی، داری الکترون‌ها رو از سربالایی برمی‌گردونی سر جای اولشون.

باتری دو سر از دو جنس مختلف داره که یکی الکترون پس می‌ده و اون یکی الکترون می‌گیره. با یه سیم که دو سر رو وصل کنه، الکترون‌ها از توی دستگاه رد می‌شن و برق همین جریانه.

چرا این پرسش مهم است توی چراغ‌قوه و ساعت و گوشیت باتری هست، و حالا می‌دونی توی باتری مخزن برق نیست و یه واکنش آماده نشسته. با همین فهم ساده می‌تونی با یه لیمو و دو تیکه فلز خودت برق بسازی و بفهمی چرا یه باتری یک‌بارمصرف رو نمی‌شه دوباره پر کرد.

این پاسخ از کجا آمده

هر چیزی که بالا خواندی از این ۵ منبع بیرون آمده. اگر خواستی خودت سرچشمه را ببینی، لینک‌ها همین‌جاست.

۵ منبع
۱ Davide Castelvecchi (2009), How do batteries work? — Scientific American بخش اول، دوم و چهارم — دو سر باتری، راه الکترون‌ها و یون‌ها، شارژ کردن رسانه‌ی علمی ۲ How Do Batteries Work? — Jurss Lab, University of Mississippi بخش اول، دوم و چهارم — تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی، ولتاژ، تموم شدن و شارژ نهاد رسمی ۳ Voltaic Pile – 1800 — National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) بخش سوم — ستون ولتا و بحثش با گالوانی نهاد رسمی ۴ How does a battery work? — Ask the Van, Department of Physics, University of Illinois (2007) بخش اول، دوم و چهارم — دو جنس متفاوت، جریان الکترون، مصرف شدن مواد نهاد رسمی ۵ What other fruits can make a «lemon battery»? — Ask the Van, Department of Physics, University of Illinois (2007) بخش سوم — باتری لیمویی و سیب‌زمینی نهاد رسمی