บทที่ 5
เซลไฟฟ้าและแบตเตอรี่
เซลไฟฟ้า
เซลล์ไฟฟ้า
Electric cell เป็นวิธีการกำเนิดแรงดันไฟฟ้าวิธีหนึ่ง
โดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี ประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี ชื่อ
อิเล็กซานเดอร์โวลตา (ค.ศ. 1745 1827)
ส่วนของเซลล์ไฟฟ้า
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
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
รูป 5.2
แสดงลักษณะภายนอก และโครงสร้างภายในของแบตเตอรี่แบบตะกั่ว
สภาวะปกติ แบตเตอรี่สภาวะที่ยังไม่ได้ใช้งาน
เราจะมาดูตัวอย่างจากเซลล์แบตเตอรี่เพียง 1 เซลล์ แผ่นธาตุทางซ้ายเป็นขั้วลบทำด้วยตะกั่วบริสุทธิ์ (Pb)
และแผ่นขวามือเป็นขั้วบวกทำด้วยตะกั่วไดออกไซด์ (PbO2)แช่อยู่ในสารละลายของกรดซัลฟูริก (H2SO4) ปฏิกิริยาเคมีภายในแสดงในรูป
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
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
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
วิธีง่ายและนิยมใช้กันมากก็คือ ใช้ไฮโดรมิเตอร์ (HYDROMETER) วัดค่าความถ่วงจะเพาะของสารละลายกรดกำมะถัน
โดยใช้ไฮโดรเจนมิเตอร์ดุดสารละลายของกรดกำมะถันในหม้อแบตเตอร์รี่ออกมาภายในของไฮโดรมิเตอร์
จะเป็นหลอดแก้วถ่วงด้วยน้ำหนักด้านบนมีก้านยาวทีก้านจะบอกค่าความถ่วงจำเพาะของน้ำยาค่าต่างๆ
เมื่อสารละลายถูกดูดเข้าในไฮโดรเจนมิเตอร์แล้ว หลอดแก้วภายในจะลอยอยู่ในระดับหนึ่ง
และเราก็อ่านค่าอ่านถ่วงจำเพาะของน้ำยาที่ขีดหลอดแก้วที่เท่ากับระดับน้ำยา
โดยให้อ่านในระดับสายตาเราก็จะรู้ว่าแบตเตอรี่มีสภาพอย่างไร
รูป
5.7 แสดงลักษณะภายนอกของไฮโดรมิเตอร์ และขณะอ่านค่าความถ่วงจำเพราะของสารละลายกรดกำมะถัน
สภาพของแบตเตอรี่เมื่อดูจากค่าความถ่วงจำเพาะของน้ำยา
(สารละลายกรดกำมะถัน)
แบตเตอรี่ไฟอยู่เต็ม
ถ.พ 1.275-1.300 ไม่ต้องอัดไฟ
แบตเตอรี่มีไฟอยู่ครึ่งหนึ่ง ถ.พ 1.225
ต้องอัดไฟใหม่
แบตเตอรี่มีไฟอยู่ประมาณ 1 ใน 4 ถ.พ 1.150 ต้องอัดไฟใหม่
จะเห็นได้ว่าถ้าเราเปิดจุกเกลียวด้านบนของแบตเตอรี่ และใช้ไฮโดรมิเตอร์ตรวจสอบถ้าค่า
ถ.พ.ต่ำกว่า 1.225 ล่ะก็ต้องรีบนำไปอัดไฟทันที และอายุของแบตเตอรี่จะยืนยาวต่อไป แต่ถ้า ทิ้งไว้นานจน ถ.พ.ของน้ำยาเท่ากับ 1.150
เมื่อนำไปอัดไฟใหม่แบตเตอรี่ก็ยังคงใช้ได้ แต่อายุการใช้งานจะสั้นลงกว่าเดิมมาก แต่ถ้าทิ้งไว้นานกว่านี้อีกจน ถ.พ.ตำกว่า 1.150
และเราไม่สามารถอัดไฟเข้าไป
และใช้ได้ดีกว่าเดิมเป็นแบตเตอรี่ที่หมดสภาพแล้ว
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