تاریخچه
این مولد شیمیای توسط ولتا (A. Volta) فیزکدان ایتالیایی ساخته شد. ولتا ثابت کرد که وقتی رساناهای مختلفی را باهم تماس دهیم، جدایی بارهای الکتریکی (بروز emf) پدید می آید. در نتیجه تماس در سطح مرزی بارهای منفی روی یک فلز جمع می شوند (فزونی الکترون) و روی فلز دیگر بارهای مثبت ظاهر می شوند (کمبود الکترون).
اولین مولد emf
اولین مولد نیروی محرکه الکتریکی emf که امکان مطالعه جریان الکتریکی را فراهم آورد و برای مقاصد عملی بکار رفت پیل گالوانی بود که در آن انرژی آزاد شده با عبور جریان از مدار را انرژی آزاد شده از واکنشهای شیمیایی تامین می کنند، که با عمل پیل همراه هستند.
پیل گالوانی
پیل گالوانی به احترام گالوانی (L. Galvani) فیزیکدان و متخصص علم تشریح ایتالیایی که آزمایشهای او محرک بررسیهای ولتا بود، نام گذاری شده است. پدیده کشف شده توسط گالوانی و ولتا که عبارت بود از جدایی بار یعنی بروز emf در سطح مشترک بین دو رسانا که در ساختن پیل گالوانی بکار گرفته شد.
قاعده ولتا
* در مداری که دارای تعداد دلخواهی از فلزات مختلف باشد emf برابر صفر است.
* در فلزات بر اثر عبور جریان هیچ تغییر شیمیایی رخ نمی دهد.
* در مدار بسته ای که توسط رساناهای فلزی تشکیل می شود جمع جبری تمام emf ها برابر صفر است (پیش بینی با قانون بقای انرژی.
پیل ولتا
ولتا دنبال ایده ای بود که جریان الکتریکی مدار را مقداری تغییر دهد. به عبارتی با ایجاد تغییر در ترکیب شیمیای رسانا در اثر عبور جریان به تعدادی تحولات شیمیای منجر می شود و در نتیجه آنها انرژی داخلی (انرژی شیمیایی) اجسام تشکیل دهنده کاهش می یابد و با صرف این کاهش انرژی جریان می تواند در مدار باقی بماند.
برای حصول به این نتیجه ولتا با فرو بردن یک تیغه مس و یک تیغه روی در محلول اسید سولفوریک به اولین پیل گالوانی که به پیل ولتا معروف است واقعیت بخشید (برای اینکه پیل نهایی حاصل تلاشهای گالوانی و ولتا بود به آن پیل گالوانی ولتا گویند). با اتصال تیغه های مس و روی (الکترودها) پیل ولتا با رسانا (مثلا یک سیم فلزی) در این مدار بسته جریان الکتریکی بوجود می آید.
ساختمان پیل ولتا
پیل ولتا شامل تمام اجزائی است که برای هر پیل گالوانی لازم است. یعنی دو رسانای فلزی (روی و مس) که با رسانای دیگر (محلول اسید سولفوریک)در تماس است. با این حال پیل مناسبی نیست زیرا emf آن که در شروع کار به 107v می رسد، به سرعت افت می کند. به این دلیل معمولا از پیلهای دیگری استفاده می شود که در انتخاب رساناهای فلزی و محلول رسانا با پیل ولتا متفاوت هستند.
اشکانیان مخترع پیل الکتریکی
آیا ایرانیان مخترع پیل الکتریکی بوده اند؟
تا چند سال پیش همه تصور میکردند که پیل الکتریکی را نخستین بار دانشمند ایتالیایی لوییجی گالوانی در سال 1786 اختراع کرد.گالوانی از قرار دادن دو فلز در آب نمک جریان برق بدست آورد. چقدر مایه تعجب است وقتی میبینیم که بر حسب تصادف ،گالوانی هم برای ساختن پیل همان فلزهایی را استفاده کرد که 1800 سال پیش از وی ایرانیان برای ساختن پیل بکار برده بودند.
بقیه مطلب در ادامه مطلب
آیا ایرانیان مخترع پیل الکتریکی بوده اند؟
تا چند سال پیش همه تصور میکردند که پیل الکتریکی را نخستین بار دانشمند ایتالیایی لوییجی گالوانی در سال 1786 اختراع کرد.گالوانی از قرار دادن دو فلز در آب نمک جریان برق بدست آورد. چقدر مایه تعجب است وقتی میبینیم که بر حسب تصادف ،گالوانی هم برای ساختن پیل همان فلزهایی را استفاده کرد که 1800 سال پیش از وی ایرانیان برای ساختن پیل بکار برده بودند.
برای نخستین بار یک باستانشناس آلمانی به نام ویلهلم کونیک یک پیل الکتریکی اشکانیان را 20 سال پیش در مرز عراق و ایران کشف کرد و هنگامی که آن را به موزه برلین برد مشاهده کرد که دوستانش نیر قطعات شکسته و خورد شده نظیر این پیل را پیش تر به موزه آورده اند. باستان شناس آلمانی پس از مدتی حدس زد که شاید این جسم عجیب یک پیل الکتریکی بوده است ولی دوستانش در این مورد تردید داشتند تا آنکه او پس از سالیان دراز تحقیق عاقبت موفق شد در خرابه های شهر سلوکیه متعلق به اشکانیان آلات دیگری کشف کند که حدس قبلی او را تایید نمود.
این دانشمند در حفاری های خود مقدار زیادی از این پیلها را پیدا کرد که به وسیله میله های برنزی به یکدیگر متصل بودند و در آخر فقط دو سیم از ترکیب آنها بوجود آمده بود و سر این دو سیم به دستگاه دیگری فرو رفته بود. کونیک مشاهدات خود را در کتابی منتشر ساخت.تا آنکه افکارش در سراسر جهان پخش شد و پس از آزمایشهای فراوانی که در این مورد به عمل آمد ، سرانجام چندی پیش یک مهندس امریکایی به نام ویلاردگری ثابت کرد که این دستگاه عجیب را اشکانیان برای آب دادن فلزات بخصوص طلا و نقره بکار می برده اند.
گری در گزارش خود می نویسد:"اشکانیان از اتصال این پیلها به یکدیگر مقدار قابل توجهی نیروی برق بدست می آوردند و آن را به وسیله دو سیم وارد دستگاه آبکاری کرده و با استفاده از املاح طلا و نقره ، دستبند ها و زینت آلات خود را آب طلا و نقره میدادند که امروز گالوانو پلاستی یا آبکاری الکتریکی می نامند."
در آن زمان کیمیاگران و جواهرسازان باستانی که به اینکار می پرداختند ساختمان پیل را نیز مانند سایر معلومات خویش به عنوان یک راز مگو تلقی کرده و جز به اهل فن به کسی ابراز نمی داشتند و در نتیجه از این اختراع جز کاهنها و کیمیاگران ، دیگران اطلاع نداشتند.
پیل مورد استفاده ایرانیان در قریه ای در اطراف بغداد به دست آمده است.باستان شناسانی که در آثار تمدن اشکانیان حفاری میکردند در کلبه یک کاهن یا کیمیاگر ایرانی تعداد زیادی از این پیلها به دست آوردند. باید در نظر داشت که در زمان فرمانروایی اشکانیان که از 250 سال قبل از میلاد مسیح تا 226 سال بعد از میلاد ادامه داشت قسمت مهمی از کشور فعلی عراق و منجمله نواحی بغداد جز امپراطوری ایران محسوب می شد
تاریخ این موضوع ما را به سال 1780 باز می گرداند. در این زمان مجامع علمی هنوز درباره الکتریسیته مباحثه داشتند. والش Walsh ثابت کرده بود که تکان و اضطراب حاصل از تماس با ماهی اژدر از نوع لرزشهای الکتریکی است و در سال 1773 ماهی مزبور را تشریح کرد و عضو مولد الکتریسیته را یافت و چون در همان سال هنتر Hunter عضو متشابهی در بدن یکی از انواع مار ماهی بنام (Gymnote) یافته بود این فکر پیش آمد که حیوانات دیگر نیز می بایست عضوی از این قبیل داشته باشند ـ به چه دلیل این دو نوع ماهی دارای این امتیاز هستند که می توانند دشمنان خود را بوسیله الکتریسیته هلاک سازند؟ پس بیاییم و در احوال سایر حیوانات نیز مطالعه کنیم شاید به کشف الکتریسیته حیوانی موفق گردیم. این بود فکری که برای لویی گالوانی Louis Galvani (1798-1737) استاد تشریح در دانشگاه بولونی پیدا شد. روزی از روزهای سال 1780 که قورباغه ای را پوست کنده درباره آن مطالعه می کرد یکی از شاگردان او نیز ماشین الکتریکی را به حرکت درمی آورد و هنگامیکه بوسیله کارد جراحی اعصاب قورباغه را لمس می کرد ملاحظه نمود که هر بار جرقه ای از ماشین الکتریکی خارج می شود پنجه های قورباغه منقبض می گردد. با خود گفت: واقعاً داستان غریبی است. چطور است موضوع را بوسیله جرقه های قوی تر امتحان کنیم و حتی جرقه های رعد و برق را مورد استفاده قرار دهیم یعنی قورباغه را به برق گیر بیاویزیم. آنگاه ملاحظه کرد که هنگام عبور هر ابر بارانی عمل انقباض صورت می گیرد. بسیار خوب اما وقتی که هوا خوب بود چه می شد؟ وی قورباغه را به بالکون فلزی خانه خود آویخت ولی هیچ وقت تجربه درست درنمی آمد. یک شب که از عدم حصول نتیجه قطعی بی حوصله شده بود نعش قورباغه را از محلی که آویخته بود با شدت جدا کرد و اتفاق عجیبی افتاد! بر حسب تصادف گازانبر مسی که قورباغه را با آن گرفته بود با آهن بالکون تماس یافت و مشاهده کرد که بلافاصله در قورباغه تکانی از نوع همان تکانها که سابقاً نیز دیده بود ایجاد شد و این بار دیگر نه ماشین الکتریکی را متهم ساخت و نه طوفان را. این اکتشاف در بیستم سپتامبر 1786 بعمل آمد و گالوانی دستها را به هم مالید و خیال کرد واقعاً الکتریسیته حیوانی را کشف کرده است. اما صدای مخالفی برخاست:
ـ اینطور نیست، و این سخن از آلکساندرولتا Alexandre Volta (1745-1827) استاد فیزیک دانشگاه پاوی بود که گفت: خیر، اگر در این عمل الکتریسیته ای تولید شده است قورباغه مسوول آن نیست بلکه پیدایش این الکتریسیته فقط نتیجه تماس گازانبر مسی با بالکونی آهنی است.
ـ گالوانی جواب داد اگر اینطور است پس در حق الکتریسیته حیوانی چه می گویی.
ـ الکتریسیته حیوانی وجود ندارد: بلکه الکتریسیته بسیار کوتاه موجود است.
بحثی که بعداً از این مذاکره پیش آمد به نفع گالوانی نبود و گذشته از آن تقدیر به او روی خوش نشان نداد. هنگامیکه بناپارت جمهوری آن سوی آلپ را تشکیل داد (1797) دانشمند مزبور حاضر نشد قسم وفاداری یاد کند. بنابراین کرسی تدریس او را گرفتند و مجبور شد به نزد برادرش فرار کند، اما جمهوری مزبور آنقدرها اهل سخت گیری نبود و با ملاحظه مقام علمی گالوانی حاضر نشد که کارش را به او پس دهد فقط بشرط آنکه مراجعت کند. اما دیگر خیلی دیر شده بود گالوانی مایوس شد و بدبختی نیز او را سخت از پای درآورد و در سال 1798 در بولونی زندگی را بدرود گفت.
تقدیر او چه اختلاف بزرگی با تقدیر مساعد ولتا داشت! این شخص که از هیجده سالگی با آبه نوله مکاتبه می کرد در بیست و نه سالگی به عنوان معلم مدرسه شبانه روزی کوم معین شد و در آنجا اسباب و آلات مختلف الکتریکی اختراع کرد از اینقرار: الکتروفور، الکتروسکوپ، آب سنج و غیره. شهرتی که از این راه بدست آورد موجب شد که در 1779 استاد فیزیک در دانشگاه پاوی گردد و در این مقام جستجوهای گالوانی را از سرگرفت و در صدد برآمد تا ثابت کند که قورباغه در تولید ناگهانی الکتریسیته دخالتی ندارد بلکه عمل نتیجه برخورد و تماس دو فلز مختلف است. و با خود گفت: راه اطمینان یافتن از موضوع آن است که قورباغه را از تجربه حذف کنیم. آنگاه در صدد برآمد به جای دو فلز مزبور سکه ای از نقره و قطعه مدوری از روی بکار برد. بعد از آن سلسله ای از قبیل گروه های نقره و روی را مجتمع ساخت و آنها را بوسیله قطعاتی از پارچه پشمی که با آ ب اسیددار آغشته شده بود از هم جدا کرد و یک وسیله الکتریکی درست شد که فقط جرقه یا تخلیه واحدی ایجاد نمی کرد بلکه جریانی متصل همچون سیلی که در حال عبور باشد بوجود می آورد
تعریف پیل الکتروشیمیایی:
تبدیل انرژی شمیایی به الکتریکی که از دو قسمت اساسی ساخته می شود:
1- قسمتهای اصلی پیل که از دو فلز مشابه ساخته شده اند.
2- الکترولیت که از مایع و جامد ساخته می شود
از نظر واکنش درونی پیل ها به دو دسته تقسیم می شوند:
1- پیل های گالوانی : در واکنش خودبخودی که در درون آن صورت می گیرد در اثر واکنش شیمیایی الکتریسیته تولید می شود.
2- پیل های الکترولیتی : پیل الکتروشیمیایی که از الکتریسیته منبع خارجی برای انجام واکنش غیر خودبخودی در داخل آن استفاده می شود. که این پیل را اصطلاحا باطری می نامند, همانطوری که می دانیم این منبع خارجی در ایستگاه برق شارژر است. عامل احیاگر الکترود دهنده (کاتد) و عامل اکسیدگر الکترود گیرنده( آند) است. الکترودی که در آن عمل اکسیداسیون صورت می گیرد آند و الکترودی که در آن احیا صورت می گیرد کاتد است. در پیل های گالوانی پتانسیل کاتد از آند بیشتر است یعنی مثبت تر است چون الکترودی که احیا می شود الکترونهای آن بخادج رفته و بار مثبتی روی آن باقی می گذارد.
در انداکسیداسیون باعث انتقال الکترون بدون الکترود گردیده و در آن ایجاد بار منفی می نماید.
در پیل های الکترولیتی باز هم اکسیاسیون در آند صورت می گیرد ولی چون فرایند بخودی خود انجام نمی گیرد الکترونها باید از آن قسمت خارج گردیده و کاتد ذخیرهای از الکترونها برای انجام واکنش احیا داشته باشد پس در باطریهای الکترولیتی پتانسیل آند از کاتد مثبت تر است.
*عملیات شارژر در چهار حالت صورت می گیرد:
1- حالت شارژر اولیه: Initial
از این حالت شارژر باطریها زمانی استفاده می شود که باطریها برای بار اول تحت شارژ گذاشته می شوند و کاملا خالی هستند. در این حالت شارژر مانند یک منبع عمل می کند. بعد از زمان کافی( مطابق با ظرفیت باطریهای نصب شده) شارژر را بطور دستی از حالت اولیه خارج می گردانیم, یاطریها بعد از اینکه یکبار شارژ شدند مجددا دشارژ می شوند و بعد از این عملیات مجددا باطریها شارژ می گردند در اینحالت ولتاژ هر سلول باطری 2.6v- 2.75v قرائت می گردد.
2- شارژ سریع: Boost Chang
در صورتی که از باطریها کار گرفته شده باشد و مدتی از برق DC باطریها استفاده شده باشد و نیاز است که مجددا باطریها حالت اولیه خود را بدست آورده از این نوع شارژ استفاده می شود.
3- شارژ اتوماتیک: Automatic Charg
در صورت قطع و وصل برق دستگاه شارژ AC بمدت بیش از ده دقیقه شارژر بصورت اتوماتیک به مدت بیست دقیقه به حالت Boost رفته و سپس بحالت Flating باز می گردد.
4- شارژ نگهداری یا شارژ آرام: Flating Charg
در این صورت باطریها بصورت آماده بکار نگهداری می شوند و اینوع شارژ اغلب در ضمن کار عادی باطری بطور خود به خود صورت می گیرد. می دانیم که باطری ایده آل دارای مقاومت درونی صفر و در نتیجه تافات درونی صفر می باشد در حالیکه باطریها ایده آل نبوده و نیاز به شارژ مداوم دارند به علت تلفات انرژی ناشی از مقاومت درونی باطری. ولتاژ نامی مورد نظر در اینحالت برای هر سل باطری 2.23v می باشد.
تعیین غلظت محلول باطری:
بوسیله یک دستگاه چگالی سنج غلظت محلول را اندازه گیری می کنند که غلظت مجاز را که بین 1.21-1.19 گرم بر سانتیمتر مکعب در بیست درجه سانتی گراد است بدست می آورند. جهت رسیدن مجاز با ریختن آب مقطر یا محلول پتاس بداخل محلول اینکار صورت می گیرد.
*سیستم تغذیه ایستگاه اعم از ACوDC.
1- حالت نرمال :
1- تامین برق AC مورد نیاز ایستگاه از طریق ترانس مصرف داخلی Station Service
2- باطری شارژر:که شارژر ضمن تولید برق DC مورد نیاز همزمان نسبت به شارژ باطریها نیز اقدام می نماید.
2- حالت اضطراری:
1- برق AC قطع می باشد که در اینصورت در صورت موجود بودن دیزل ژنراتور برق AC تامین می گردد.
2- برق AC اعم از S.S و دیزل ژنراتور قطع است که در این صورت برق مورد نیاز ایستگاه را با باطریها تامین می نمایند.
پیلهای الکتروشیمیایی ابزاری برای تبدیل انرژی الکتریکی و شیمیایی به یکدیگر بوسیله واکنشهای الکتروشیمیایی هستند، بدین دلیل به اسم پیلهای الکتروشیمیایی معروفند.
هنگامی که چراغ قوه را روشن کنید یا برای روشن شدن خودرو استارت می زنید از انرژی الکترکی استفاده می کنید. این انرژی توسط دسته ای از واکنشهای شیمیایی فراهم می شود که در باتریها روی می دهد. مطالعه شیمی باتریها و مباحثی برقکافت ، آبکاری ، فلز گری و از همه مهمتر خوردگی که در چالش برانگیزترین مساله در جوامع صنعتی امروز به شمار می آید همگی در نتیجه واکنشهای الکتروشیمیای مطرح می شوند.
تاریخچه
الکساندر ولتا (1827 – 1745) فیزیکدان ایتالیایی و مخترع اولین باتری است که اکنون پیل ولتا نامیده می شود. این پیل شامل صفحات متناوبی از مس و روی است که توسط صفحات مقوایی نازک که در محلول نمکی غوطه ورند از هم جدا شده اند، بخاطر کمک او به علم الکتریسیته ، واحد اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولت) به نام اوست.
نقش و تاثیر در زندگی
باتریهای خشک در زندگی روزمره برای مصارف گوناگون بکار می روند، سلولهای انباره ای که شامل باتری خودرو باشند برای راه اندازی اتومبیلها بکار می روند، از باتریهای نیکل – کادمیم در ابزاری مانند تلفن بی سیم ، رایانه های قابل حمل (لپ تاپ) ، تلفن همراه و ماشینهای اصلاح استفاده می شود و سلولهای سوختی برای تامین برق و آب آشامدنی فضاپیما استفاده می شود و برای تامین برق بیمارستانها و به تازگی تامین نیروی محرکه وسایل نقلیه سنگین و سبک هم استفاده می شود. خوردگی سالانه خسارات زیادی در صنعت به بار می آورد.
ساختار یا ساختمان
یک پیل الکتروشیمیایی از دو الکترود جریان به نام الکترود کاتد و آند تشکیل یافته است، به هر یک از این الکترودها که در محلول الکترولیت قرار گرفته اند و محلولهای الکترولیتی در صورت متفاوت بودن از نظر ترکیب شیمیایی توسط یک پیل نمی که لوله های شیشه ای نعلی شکل پر شده از محلول غلیظ یک الکترولیت قدیمی باشند و یا یک دیواره متخلخل (نظیر شیشه گداخته و یا چینی و سرامیک بدون لعاب) باهم ارتباط دارند. پیهای الکتروشیمیایی بطور قرار دادی به دو نوع پیل گالوانیک (ولتایی) و الکترولیزی تقسیم می شوند.
طرز کار و مکانیزم کار
پیلهای الکتروشیمیایی با واکنشهای اکسایش – کاهش: واکنشهای اکسایش- کاهش عبارتند از انتقال الکترون از یک واکنشگر به واکنشگر دیگری. واکنش اکسایش – کاهش از دو نیم واکنش تشکیل یافته است، نیم واکنشی که در آن واکنشگر الکترون از دست می دهد نیم واکنش اکسید است و در آند رخ می دهد و واکنشگر را کاهنده یا احیا کننده پیلهای الکتروشیمیایی می نامند. نیم واکنشی که در آن واکنشگر الکترون می گردد، نیم واکنش احیا یا کاهش می باشد و در کاتد رخ می دهد و واکنشگر را اکسید کننده یا اکسنده می نامند و پتانسیل واکنش را می توان با استفاده از معادله ارنست محاسبه کرد.
کاربردها
از پیلهای الکتروشیمیایی می توان در موارد زیر استفاده نمود:
* تعیین PH محیط واکنش و ثابت تعادل واکنش
* در صنعت نانو برای رسوب گیری مواد بر روی الکترودها
* در ساخت و کاربرد حسگرها مورد استفاده در تشخیص و اندازه گیری گونه های زیستی یعنی زیست حسگرها
* در صنعت پزشکی برای رسم الکتروکار دیاگرام
چشم انداز و آینده بحث
مواد قابل سنجش متعددی در هوا ، آب ، خاک و دیگر تشکیل دهنده های محیط زیست وجود دارد و هر روز بر تعداد اینگونه مواد افزوده می شود. ضرورت اندازه گیری آلاینده هایی نظیر انواع حشره کشها ، کودهای شیمیایی ، زباله ها و پسابهای صنعتی و خانگی بر کسی پوشیده نیست. با استفاده از پیلها و اندازه گیری پتانسیل آنها به ویژه زیست حسگرها می توان کلیه امور را در مدت زمان کم و به آسانی انجام داد.
12