บทที่ 5 เซลไฟฟ้าและแบตเตอรี่

บทที่ 5 เซลไฟฟ้าและแบตเตอรี่

เซลไฟฟ้า

เซลล์ไฟฟ้า  Electric cell เป็นวิธีการกำเนิดแรงดันไฟฟ้าวิธีหนึ่ง โดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี ประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี ชื่อ อิเล็กซานเดอร์โวลตา (.. 1745 – 1827)

            ส่วนของเซลล์ไฟฟ้า

เซลล์ไฟฟ้า

รูป 5.1 แสดงเซลล์ไฟฟ้าแบบง่าย

            จากรูป 5.1 จะมีแท่งโลหะ 2 แท่ง ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าจุ่มอยู่ในน้ำยาอิเลคโทรไลท์ ปฏิกิริยาทางเคมีจะทำให้ขั้วไฟฟ้าอันหนึ่ง จะสูญเสียอิเล็กตรอนไปทำให้เกิดเป็นขั้วบวก และอีกขั้วหนึ่งที่ได้รับอิเลคตรอนก็จะเป็นขั้วลบทำให้ขั้วทั้งสองเกิดความแตกต่างของศักดิ์ไฟฟ้าขึ้น ทำให้มีแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้น

            สัญลักษณ์ของเซลล์ไฟฟ้า คือ

 

 

ถ้านำเซลล์ไฟฟ้าหลาย ๆ ตัวมาต่อเข้าด้วยกัน แบบอนุกรมก็จะทำให้ได้แรงดันไฟฟ้ามากขึ้น เรียกว่า แบตเตอรี่

 

เซลล์ไฟฟ้าแบ่งออกได้ 2 ชนิด คือ

1. เซลล์ปฐมภูมิ (Primary Cell) คือ เซลล์ที่หลังจากที่เกิดปฏิกิริยาจนได้แรงดันไฟฟ้าแล้วเมื่อนำไปใช้งาน พลังงานไฟฟ้าจะหมดไปไม่สามารถนำมาใช้ได้อีก เช่น ถ่านไฟฉาย

2. เซลล์ทุติยภูมิ (Secondary Cell) คือ เซลล์ที่เมื่อใช้พลังงานไปหมดแล้วสามารถใช้ไฟฟ้าป้อนกลับเพื่อเปลี่ยนกริยาเคมีกลับไปดังเดิมได้ เช่น แบตเตอรี่

 

 

แบตเตอรี่และเซลทุติยภูมิ

เซลล์ไฟฟ้าแบบทุติยภูมิ

            เซลล์ไฟฟ้าแบบทุติยภูมิ      หมายถึง   ไฟฟ้าชนิดที่เมื่อใช้พลังงานไฟฟ้าจากเซลล์ออกไปแล้งสามารถจ่ายไฟฟ้าเข้ามาในเซลล์เพื่อให้เซลล์มีคุณสมบัติเหมือนเดิมได้อีกด้วย     ก็จำพวกแบตเตอรี่รถยนต์   หรือ  แบตเตอรี่แบบอังคาไลน์   หรือแบตเตอรี่ชนิดที่ใช้กับเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ บางชนิด   ซึ่งเมื่อเราใช้ไฟหมดแล้วสามารถอัดไฟ   (Charge)  เข้ามาใหม่ได้ได้เซลล์ไฟฟ้าแบบทุติยภูมิมีชื่อเรียกหลายชื่อ      เช่น   STOORGE, CELL, ACCUMLATOR,หรือ BATTERY เป็นต้น

แบตเตอรี่ชนิดกรดตะกั่ว   (LEAD-ACID BATTERY)

            แบตเตอรี่ชนิดนี้คือ แบตเตอรี่ที่เราเห็นทั่วไป เช่น แบตเตอรี่รถยนต์ แผ่นธาตุขั้วบวกและลบด้วยตะกั่ว และแช่ลงในกรดกำมะถัน สามารถอัดไฟใหม่ได้เมื่อใช้ไปแล้วภายในมีหลายๆ เซลล์ต่ออนุกรมกันปกติแต่ละเซลล์มีแรงดันออกมา  = 2 V ถ้าต่ออนุกรมกัน 6 เซลล์ก็จะได้ 12 V เป็นต้น  โครงสร้างประไปด้วยแผ่นธาตุทำด้วยตะกั่วบริสุทธิ์เป็นขั้วลบ  และแผ่นธาตุของตะกั่วไดอ็อกไซด์เป็นขั้วบวก  ตัวที่เป็นอิเล็กโตรไลท์คือกรดซัลฟูริก (H 2 SO  4  ) ถ้ามีการบำรุงรักษาให้ดีแล้วจะมีอายุการใช้งานประมาณ   5  ปีลักษณะภายนอกและโครงสร้างภายใน แสดงดังรูป 5.2

แบตเตอรี่แบบตะกั่ว

รูป 5.2  แสดงลักษณะภายนอก และโครงสร้างภายในของแบตเตอรี่แบบตะกั่ว

การทำงานของแบตเตอรี่

สภาวะปกติ   แบตเตอรี่สภาวะที่ยังไม่ได้ใช้งาน    เราจะมาดูตัวอย่างจากเซลล์แบตเตอรี่เพียง 1  เซลล์  แผ่นธาตุทางซ้ายเป็นขั้วลบทำด้วยตะกั่วบริสุทธิ์  (Pb) และแผ่นขวามือเป็นขั้วบวกทำด้วยตะกั่วไดออกไซด์  (PbO2)แช่อยู่ในสารละลายของกรดซัลฟูริก  (H2SO4)  ปฏิกิริยาเคมีภายในแสดงในรูป

ปฏิกิริยาเคมี

รูป 5.3 แสดงปฏิกิริยาทางเคมีภายในของแบตเตอรี่รถยนต์ขณะยังไม่ได้ใช้งาน

และอยู่ในสภาวะปกติพร้อมที่จะใช้งาน

ในสภาวะปกติไม่ได้ใช้งาน   แบตเตอรี่ก็จะเสื่อมสภาพไปตามกาลเวลา     และอุณหภูมิที่เก็บเราเรียกว่าการดิสชาร์จตัวเอง(Self discharge) ถ้าเก็บไว้ในอุณหภูมิสูงๆแบตเตอร์ริ่จะหมดอายุเร็วกว่าเก็บไว้อุณหภูมิต่ำๆดังนั้น   แบตเตอรี่ที่เก็บไว้นานจึงควรบำรุงรักษาอยู่เสมอ

          สภาวะใช้งาน  (DISCHARGE)  คือสภาวะที่แบตเตอรี่ต่อกับวงจรภายนอก  เช่น หัวเทียน

 หรือหลอดไฟฟ้า  เป็นต้น     แบตเตอรี่จะจ่ายไฟฟ้าออกมา   ตามอัตราการจ่ายของแต่ละตัว  มีขนาดไม่เท่ากัน  ขึ้นอยู่กับการสร้าง   เช่นขนาด  20  AMPERE-HOUR หรือ 50 AMPERE-HOUR ก็หมายความถึงขนาด 20 A-hr- จะจ่ายกระไฟฟ้าได้ 20 A ต่อ 1ชั่วโมง  แล้วก็ไม่สามารถจ่ายได้อีก คือต้องนำไปอัดไฟใหม่เป็นต้น 

ปฏิกิริยาเคมีขณะใช้งาน

รูป  5.4 แสดงปฏิกิริยาทางเคมีในสภาวะการใช้งาน   (DISCHARGE)ของแบตเตอรี่รถยนต์

     1.เมื่อขั้วลบเสียอิเล็กตรอนไปแผ่นตะกั่วก็ดึงเอาอะตอมของซัลเฟต   SO4 ซึ่งมีประจุมารวมกัน

เพื่อให้ยังคงสภาพเป็นขั้วลบเสมอ  สีของแผ่นธาตุจะเข้มขึ้น

     2.สารละลายกรดกำมะถันเมื่อสูญเสียซัลเฟต   ไปก็จะเหลือแต่โมเลกุลของน้ำและไฮโดรเจนบางส่วน   สารละลายที่เคยเข้มข้นก็จะเจือจางไปเรื่อยๆ

     3.เมื่อขั้วบวกได้รับอิเล็กตรอนทำให้อะตอมของออกซิเจน  0  ถูกผลักออกไป  รวมตัวกับไฮโดรเจน H   เพื่อกลายเป็นน้ำ และตะกั่วจะดึงเอาอะตอมของซัลเฟตมารวมตัวกัน เพื่อให้แสดงสภาพขั้วบวก

           การทำปฏิกิริยาเคมีเห็นได้ชัดเจนแล้วจากคำอธิบายในรูป สรุปโดยง่ายๆ คือ  เมื่อแบตเตอรี่จ่ายกระแสไฟฟ้าออกไปแท่งตะกั่วก็จะเกิดซัลเฟตเกาะ  จะเห็นเป็นผงขาวๆและสารละลายของกรดซัลฟูริกก็จะเจือจางลงไปเรื่อยๆจนเกือบเป็นน้ำ      ตอนนี้แหละที่แบตเตอร์รี่เริ่มจะเสื่อมและหมดไฟเมื่อใช้จ่ายกระแสเป็นเวลานานๆเราเรียกการที่แบตเตอร์รี่จ่ายกระแสว่า  การดิสก์ชาร์จ (discharge)

      สภาวะอัดไฟ  (Charge)การอัดไฟหรือการชาร์จแบตเตอร์รี่ทำได้โดยอาศัยหลักการจ่ายกระแสไฟฟ้ากระแสตรงเข้าไปที่ขั้วบวกและลบแบตเตอร์รี่ให้ถูกขั้ว   โดยใช้เครื่องชาร์จ แบตเตอรี่ (Battery  Charger)  ที่มีแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงกว่าแรงดันที่ขั้วทั้งสองของแบตเตอร์รี่  และเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลเข้าไปในหม้อน้ำแบตเตอร์รี่แล้วก็จะเกิดปรากฏการณ์     แสดงดังรูป

ปฏิกิริยาเคมีขณะอัดไฟ

รูป 5.5 แสดงปฏิกิริยาเคมีในสภาวะอัดไฟ   (Charge) ของแบตเตอรี่รถยนต์

      1.ขั้วลบของเครื่องชาร์จ แบตเตอรี่   จะผลักดันอะตอมของซัลเฟตที่ขั้วลบให้หลุดออกจากแท่งตะกั่วทำให้แท่งตะกั่วบริสุทธิ์ขึ้น  และซัลเฟตจะรวมตัวกันไว้อีกครั้ง กลายเป็นสารละลายของกรดกำมะถันที่เข้มข้นขึ้น

   2.ขั้วลบจะเริ่มเปลี่ยนสีจากเข้มเมื่อใช้งานไปงานๆกลายเป็นสีเงินขาวของตะกั่วบริสุทธิ์อีกครั้งหนึ่ง

   3.โมเลกุลของน้ำบางส่วนที่ไม่ได้ใช้ร่วมตัวกันกับซัลเฟต  จะแตกตัวออกโดยออกซิเจนจะกลับไปรวมตัวกับตะกั่วที่ขั้วบวก  กลายเป็นตะกั่วไดออกไซด์  และอะตอมของไฮโดรเจนจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วลบ   และระเหยเป็นก๊าซออกไป

    4.ไฟขั้วบวกจากเครื่องชาร์จแบตเตอร์รี่จะผลักอะตอมของซัลเฟต ให้หลุดออกมารวมตัวกับน้ำ  และดึงดูดเอาออกซิเจนมารวมตัวกับตะกั่ว

                จากรูป 5.5 จะเห็นว่ากระแสไฟฟ้าจากเครื่องชาร์จแบตเตอร์รี่จะทำให้แบตเตอร์รี่ได้กลับสู่สภาวะสมบูรณ์ได้อีกครั้ง  คือทำให้แผ่นธาตุบวกและบวก  เป็นตะกั่วไดออกไซด์  และตะกั่วบริสุทธิ์ใหม่อีกครั้ง    ในขณะเดียวกันจะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมี  ทำให้น้ำกลายเป็นสารละลายของกรดกำมะถันที่เข้มขึ้นด้วย  ที่นี้เราก็จะได้แบตเตอรี่ลูกเดิม  แต่มีประสิทธิภาพเหมือนกบแบตเตอรี่ใหม่  การอัดไฟหรือการชาร์จไฟใหม่นี้ทำได้ใช้เครื่องชาร์จ แบตเตอรี่  โดยต่อสายให้ถูกขั้วแบตเตอรี่   ดังรูป

วงจร

                รูป 5.6 แสดงเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ และการชาร์จแบตเตอรี่

การตรวจสภาพแบตเตอรี่

            วิธีง่ายและนิยมใช้กันมากก็คือ   ใช้ไฮโดรมิเตอร์     (HYDROMETER) วัดค่าความถ่วงจะเพาะของสารละลายกรดกำมะถัน โดยใช้ไฮโดรเจนมิเตอร์ดุดสารละลายของกรดกำมะถันในหม้อแบตเตอร์รี่ออกมาภายในของไฮโดรมิเตอร์ จะเป็นหลอดแก้วถ่วงด้วยน้ำหนักด้านบนมีก้านยาวทีก้านจะบอกค่าความถ่วงจำเพาะของน้ำยาค่าต่างๆ เมื่อสารละลายถูกดูดเข้าในไฮโดรเจนมิเตอร์แล้ว หลอดแก้วภายในจะลอยอยู่ในระดับหนึ่ง และเราก็อ่านค่าอ่านถ่วงจำเพาะของน้ำยาที่ขีดหลอดแก้วที่เท่ากับระดับน้ำยา  โดยให้อ่านในระดับสายตาเราก็จะรู้ว่าแบตเตอรี่มีสภาพอย่างไร

   ไฮโดรมิเตอร์

รูป 5.7 แสดงลักษณะภายนอกของไฮโดรมิเตอร์ และขณะอ่านค่าความถ่วงจำเพราะของสารละลายกรดกำมะถัน

      สภาพของแบตเตอรี่เมื่อดูจากค่าความถ่วงจำเพาะของน้ำยา    (สารละลายกรดกำมะถัน)

             แบตเตอรี่ไฟอยู่เต็ม                            .   1.275-1.300       ไม่ต้องอัดไฟ

             แบตเตอรี่มีไฟอยู่ครึ่งหนึ่ง                  .    1.225                 ต้องอัดไฟใหม่

             แบตเตอรี่มีไฟอยู่ประมาณ 1 ใน  4    .   1.150        ต้องอัดไฟใหม่

จะเห็นได้ว่าถ้าเราเปิดจุกเกลียวด้านบนของแบตเตอรี่  และใช้ไฮโดรมิเตอร์ตรวจสอบถ้าค่า 

..ต่ำกว่า  1.225  ล่ะก็ต้องรีบนำไปอัดไฟทันที  และอายุของแบตเตอรี่จะยืนยาวต่อไป  แต่ถ้า        ทิ้งไว้นานจน ถ..ของน้ำยาเท่ากับ  1.150  เมื่อนำไปอัดไฟใหม่แบตเตอรี่ก็ยังคงใช้ได้  แต่อายุการใช้งานจะสั้นลงกว่าเดิมมาก  แต่ถ้าทิ้งไว้นานกว่านี้อีกจน  ..ตำกว่า  1.150  และเราไม่สามารถอัดไฟเข้าไป  และใช้ได้ดีกว่าเดิมเป็นแบตเตอรี่ที่หมดสภาพแล้ว

ความจุของแบตเตอรี่

            คือความสามารถของแบตเตอรี่ที่จะเก็บประจุไฟฟ้าไว้ในรูปของแอมแปร์ –ชั่วโมง (Ampare houes) ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ขนาด  100 A-hr  หมายถึง  แบตเตอรี่ที่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้า  12.5 V ได้ใน 8 ชั่วโมง  (12.5 A  x  8.hr  = 100  A-hr)ปดติอัตราการจ่ายกระแสของแบตเตอรี่ตามปกติจะเทียบกับ  8 ชั่วโมงเสมอ 

 

 

 

1