4. Τι συμβαίνει μέσα σε μια μπαταρία;

Πατάτε τον διακόπτη ενός φακού και το λαμπάκι ανάβει. Μέσα στον φακό υπάρχει μια μπαταρία, χωρίς κινούμενα εξαρτήματα και χωρίς σύνδεση με την πρίζα. Πώς καταφέρνει να δίνει ενέργεια στο λαμπάκι; Και τι ακριβώς «αδειάζει» όταν κάποια στιγμή ο φακός σταματήσει να φωτίζει;

4.1. Τι αποθηκεύει μια μπαταρία;

Συχνά λέμε ότι η μπαταρία «έχει ρεύμα». Είναι μια βολική καθημερινή έκφραση, αλλά το ηλεκτρικό ρεύμα δεν είναι κάποιο υλικό αποθηκευμένο μέσα της. Η μπαταρία αποθηκεύει ενέργεια σε χημική μορφή.

Όταν λειτουργεί, τα υλικά στο εσωτερικό της συμμετέχουν σε χημικές αντιδράσεις. Μέρος της χημικής ενέργειας μεταφέρεται ηλεκτρικά στο κύκλωμα. Στο λαμπάκι μετατρέπεται σε φως και θερμότητα, ενώ σε ένα μικρό μοτέρ μπορεί να μετατραπεί σε κίνηση και θερμότητα.

Η ενέργεια αλλάζει μορφή. Η φόρτιση μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας απαιτεί να της δώσουμε ενέργεια από άλλη πηγή.

Tip

Σε έναν ανεμιστήρα που λειτουργεί με μπαταρία, ποια αλλαγή θα κάνατε στο τελευταίο πλαίσιο του σχήματος;

4.2. Δύο ηλεκτρόδια και ένας ηλεκτρολύτης

Στο εσωτερικό μιας μπαταρίας υπάρχουν δύο ηλεκτρόδια: υλικά στα οποία γίνονται διαφορετικές χημικές αντιδράσεις. Συνδέονται με τους δύο πόλους που βλέπουμε εξωτερικά, τον αρνητικό (−) και τον θετικό (+).

Υπάρχει επίσης ένας ηλεκτρολύτης, ένα υλικό μέσα στο οποίο μπορούν να μετακινούνται ιόντα. Τα ιόντα είναι άτομα ή ομάδες ατόμων με ηλεκτρικό φορτίο. Ο ηλεκτρολύτης μπορεί να είναι, για παράδειγμα, υγρό ή πάστα. Ένας διαχωριστής εμποδίζει την άμεση επαφή των ηλεκτροδίων, επιτρέποντας όμως την κίνηση ιόντων ανάμεσά τους.

Όταν η μπαταρία τροφοδοτεί μια συσκευή, στο αρνητικό ηλεκτρόδιο οι αντιδράσεις αποδίδουν ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα. Στο θετικό ηλεκτρόδιο άλλες αντιδράσεις δέχονται ηλεκτρόνια από αυτό. Τα ηλεκτρόνια δεν δημιουργούνται από το τίποτα: μεταφέρονται κατά τις αντιδράσεις.

4.3. Γιατί χρειάζεται κλειστό κύκλωμα;

Συνδέουμε τους δύο πόλους με καλώδια και ένα λαμπάκι. Η μπαταρία διατηρεί ανάμεσα στους πόλους της μια ηλεκτρική τάση, η οποία συνδέεται με την οργανωμένη κίνηση των φορτίων στο κλειστό κύκλωμα.

Στα μεταλλικά καλώδια υπάρχουν ήδη ηλεκτρόνια που μπορούν να κινηθούν. Όσο η μπαταρία δίνει ενέργεια, η φορά της μετακίνησής τους στο εξωτερικό κύκλωμα είναι από τον αρνητικό πόλο, μέσα από το λαμπάκι, προς τον θετικό. Στο εσωτερικό της μπαταρίας, αντίθετα, το φορτίο μεταφέρεται μέσα στον ηλεκτρολύτη με την κίνηση ιόντων. Δεν περνά η ίδια ροή ηλεκτρονίων μέσα από τον ηλεκτρολύτη.

Απλοποιημένο σχήμα μπαταρίας που τροφοδοτεί ένα λαμπάκι. Τα βέλη στα καλώδια δείχνουν τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων. Οι λεπτομέρειες της κίνησης των ιόντων εξαρτώνται από τον τύπο της μπαταρίας.

Σημείωση

Στα κυκλώματα χρησιμοποιούμε συνήθως τη συμβατική φορά του ρεύματος. Στο εξωτερικό κύκλωμα της μπαταρίας είναι από το + προς το −, δηλαδή αντίθετη από τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων στα μεταλλικά καλώδια.

Αν ανοίξουμε τον διακόπτη, διακόπτεται η συνεχής διαδρομή και το ρεύμα σταματά. Η μπαταρία μπορεί να εξακολουθεί να έχει τάση στους πόλους της, παρόλο που δεν διαρρέεται το εξωτερικό κύκλωμα από ρεύμα.

Το λαμπάκι, λοιπόν, δεν «καταναλώνει ηλεκτρόνια». Όσο λειτουργεί σταθερά, όσο φορτίο φτάνει σε αυτό κάθε δευτερόλεπτο, τόσο και φεύγει. Αυτό που μετατρέπεται στο λαμπάκι είναι η ενέργεια.

4.4. Τι σημαίνει ότι η μπαταρία «άδειασε»;

Καθώς η μπαταρία λειτουργεί, αλλάζει η χημική κατάσταση των υλικών της. Κάποια στιγμή δεν μπορεί πια να δώσει την τάση και το ρεύμα που χρειάζεται η συσκευή. Τότε λέμε ότι «άδειασε», παρόλο που τα υλικά και τα ηλεκτρόνια δεν εξαφανίστηκαν!

Σκεφτείτε ένα κουρδισμένο παιχνίδι. Όταν ξεκουρδιστεί, το ελατήριο υπάρχει ακόμη, αλλά δεν βρίσκεται στην ίδια κατάσταση και δεν μπορεί να συνεχίσει να κινεί το παιχνίδι. Αντίστοιχα, στην μπαταρία σημασία έχει η κατάσταση των υλικών της. Η αναλογία αφορά την αποθηκευμένη ενέργεια: η μπαταρία φυσικά δεν περιέχει ελατήριο.

4.5. Και πώς ξαναγεμίζει με τη φόρτιση;

Στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, οι χημικές μεταβολές μπορούν σε μεγάλο βαθμό να αντιστραφούν. Ο κατάλληλος φορτιστής παρέχει ηλεκτρική ενέργεια και επιβάλλει αντίθετη φορά ρεύματος από εκείνη της εκφόρτισης. Έτσι επαναφέρει τα υλικά προς τη χημική κατάσταση στην οποία μπορούν να δώσουν ξανά ενέργεια.

Δεν αποθηκεύουμε μέσα στην μπαταρία ένα «απόθεμα ρεύματος». Αυξάνουμε τη χημική ενέργεια που μπορεί να αξιοποιηθεί αργότερα. Μέρος της ενέργειας κατά τη φόρτιση και τη χρήση καταλήγει σε θερμότητα, οπότε δεν παίρνουμε πίσω όλη την ενέργεια που δώσαμε.

Οι μεταβολές δεν αντιστρέφονται τέλεια για πάντα. Με τη χρήση και τον χρόνο συμβαίνουν και ανεπιθύμητες αλλαγές, γι” αυτό μια παλιά μπαταρία κινητού συνήθως διαρκεί λιγότερο μετά τη φόρτιση.

Προσοχή

Φορτίζουμε μόνο μπαταρίες που χαρακτηρίζονται επαναφορτιζόμενες, με τον κατάλληλο φορτιστή. Δεν ανοίγουμε μπαταρίες και δεν ενώνουμε απευθείας τους πόλους τους με σύρμα: το βραχυκύκλωμα μπορεί να προκαλέσει πολύ μεγάλο ρεύμα και έντονη θέρμανση.

4.6. Τρεις ιδέες να κρατήσουμε

• Η μπαταρία μετατρέπει χημική ενέργεια και τροφοδοτεί ηλεκτρικά το κύκλωμα.

• Στα μεταλλικά καλώδια κινούνται ηλεκτρόνια· στον ηλεκτρολύτη κινούνται ιόντα.

• Η συσκευή χρησιμοποιεί ενέργεια, χωρίς να καταναλώνει ηλεκτρικό φορτίο.

4.7. Πριν κλείσουμε

1. Ένας φακός είναι σβηστός από τον διακόπτη του. Σημαίνει αυτό ότι η μπαταρία του έχει αδειάσει;

2. Ένας συμμαθητής σας λέει ότι «το λαμπάκι έφαγε όλα τα ηλεκτρόνια». Πώς θα διορθώνατε την εξήγησή του;

3. Από πού προέρχεται η ενέργεια που αποθηκεύεται όταν φορτίζουμε ένα κινητό;

Για όποιον θέλει να διαβάσει περισσότερο

Εισαγωγικές εξηγήσεις στα αγγλικά: Μπαταρίες και κυκλώματα — EIA, Πώς λειτουργούν οι μπαταρίες — Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και Έρευνα για τις μπαταρίες — Esther Takeuchi.