Archive

Posts Tagged ‘מקורות מתח’

{שם משעשע (אותי) שקשור ולא קשור לרשימה} – על עקרון הפעולה של סוללה

אין איש או אישה שלא דמע למראה אדם הנע אנא ואנא בחיפוש נואש אחר מטען כדי להאריך, ולו במעט, בדקות ספורות, את חיי הסוללה של המכשיר הסלולרי.

"לא, אין לי מטען של אייפון, אחי, אני רק אנדרואיד".

מי מאיתנו לא החסיר פעימה למראה השלומיאל ששכח את אורות המכונית דלוקים כל הלילה וכעת זקוק לחסדי הזולת כדי להתניע את הרכב.

"לא, אחי, מצטער, אני לגמרי מאחר לעבודה".

מי מאיתנו לא גיחך ריחם על ההוא מהעבודה שתמיד מאחר.

"לא, זה לא להאמין, נגמרה הסוללה של השעון המעורר במהלך הלילה והוא לא צלצל. אתה מאמין לזה?"

תמונה 1: סוללות מסוגים שונים. המקור לתמונה: ויקיפדיה לשם הועלתה על ידי המשתמש en:User:Brianiac.

***

סוללות מהוות חלק בלתי נפרד מחיינו.

בשנת 1800 הציג אלסנדרו וולטה, פיזיקאי וכימאי איטלקי, את מה שמכונה היום 'הערימה הוולטאית' (Voltaic pile). הוא ערם לוחיות של נחושת ואבץ לסירוגין כשבין הלוחיות הפרידו בדים ספוגים במי-מלח (ראו תמונה 2). על ידי חיבור חוטי מתכת לשתי הלוחיות בקצוות הערימה הוא קיבל זרם חשמלי מתמשך. היה מדובר במהפכה, לא פחות, בחקר התופעות החשמליות.

וולטה העניק לחוקרי המדע מקור זרם חשמלי רציף שניתן לשלוט על עוצמתו על ידי קביעת מספר הלוחיות בערימה. עד אז ידעו לייצר חשמל רק באמצעות שפשוף חומרים מסוימים לקבלת חשמל סטטי, וידעו לאגור אותו בצנצנת ליידן שהיא סוג של קבל, ולכן הפריקה שלו מהירה ולא התאימה לשימוש מבוקר.

תמונה 2: ערימה וולטאית המוצגת באיטליה (Tempio Voltiano in Como). המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש GuidoB.

השימושים לא איחרו לבוא וכך נולד למשל תחום האלקטרוכימיה, ובעזרת תהליך האלקטרוליזה התגלו יסודות כימיים רבים.

הערימה הוולטאית היא בעצם הסוללה הראשונה ועקרון הפעולה שלה זהה רעיונית לסוללות בהן אנחנו משתמשים גם היום. עיקר ההבדל הוא בהנדסה, כלומר סוג החומרים והצורה בה הם מסודרים.

כלומר, כדי להבין כיצד פועלות סוללות ראשית יש להבין כיצד פועל תא וולטאי.

***

בשלב זה אני מעוניין להמליץ על דרך חלופית ואולי טובה יותר לקבל את אותו המידע שאני הולך לכתוב.

לטיילר דוויט (Tyler DeWitt) יש ערוץ יוטיוב בו הוא מעלה סרטונים שבהם הוא מסביר כימיה. עכשיו שמעו, ביוטיוב יש הרבה סרטונים, חלקם טובים, אבל דבר כזה עוד לא ראיתם. אם אתם אוהבים סרטונים ולא נרתעים מאנגלית, אני ממליץ לראות את הסרטון שלו על תאים וולטאים, במקום לבזבז את זמנכם בקריאת שאר הרשימה. מדובר במורה משכמו ומעלה, צריך לראות כדי להאמין. אני נעזרתי בחלקים רבים בסרטון שלו בכתיבת הרשימה.

***

טוב, אתם עדיין פה?

כדי להרכיב את התא הוולטאי שלנו נתחיל משני כלים עם מים שבאחד מומס אבץ גופרתי ובשני מומסת נחושת גופרתית (ראו איור 3). פעולה זאת דומה להמסת מלח שולחן במים. התרכובת NaCl (נתרן כלורי, מלח שולחן) מתפרקת במים לשני יונים: יון חיובי +Na ויון שלילי -Cl. משמעות סימן הפלוס היא שבאטום המסומן חסר אלקטרון אחד ולכן הוא בעל מטען חשמלי חיובי. בדומה, התרכובות הגופרתיות מתפרקות במים ליון שלילי SO4-2 וליונים חיוביים Zn+2 בכלי אחד ובשני Cu+2. משמעות ה-2 בסימון היא שבאטומים האלה חסרים שני אלקטרונים ולכן הם בעלי מטען חשמלי חיובי כפול.

השלב השני הוא הכנסה של אלקטרודה מתכתית עשויה אבץ לכלי עם האבץ המומס ואלקטרודה עשויה נחושת לכלי עם הנחושת המומסת. אם נחבר את שתי האלקטרודות אחת לשניה בחוט מוליך, זרם חשמלי יחל לזרום דרכו. אלקטרונים יחלו לנוע מהאבץ לנחושת ונוכל להשתמש בזרם החשמלי שנוצר כדי להפעיל, למשל, טוסטר משולשים (קטן).

איור 3: תרשים סכמטי של תא וולטאי (ללא גשר מלחים)

מדוע זורם זרם?

היונים של האבץ והנחושת מעוניינים באלקטרונים כדי להפוך לנייטרליים והדרך לקבל אותם הוא למשוך אותם מהצד השני דרך החוט המוליך. מסתבר שבקרב בין נחושת לאבץ על האלקטרונים, הנחושת נחושה יותר ומושכת אותם אליה (הסיבה לניצחון הנחושת קשורה במאזני אנרגיה שאינם חשובים להבנת העניין העיקרי).

אטום אבץ על האלקטרודה יאבד שני אלקטרונים, יהפוך ליון אבץ ויתמוסס לתוך המים. האלקטרונים שעברו צד יתחברו לאחד היונים המומסים של הנחושת בקרבת האלקטרודה. יון הנחושת יהפוך לנייטרלי ויתחבר לאלקטרודה. כלומר, תוך כדי התהליך אלקטרודת האבץ תתמוסס לתוך הנוזל ואלקטרודת הנחושת תלך ותשמין, כאשר תצופה באטומי נחושת מהנוזל (ראו איור 4).

איור 4: חמצון-חיזור. אטום אבץ מהאלקטרודה מאבד שני אלקטרונים ומומס לנוזל. יון נחושת נוטל שני אלקטרונים ומתחבר לאלקטרודה.

תהליך מסוג זה נקרא בעגה 'חמצון-חיזור' (Redox: reduction–oxidation reaction). האבץ מאבד אלקטרונים ולכן עובר חמצון והנחושת מקבלת אלקטרונים ולכן עוברת חיזור. כל אחד מהכלים עם היונים המומסים והאלקטרודה המתאימה נקרא חצי תא אלקטרוכימי. האבץ מכונה 'אנודה' והנחושת 'קתודה'.

דבר אחרון שהדחקנו עד עתה בתא הוולטאי הוא שהנוזלים מכילים גם יוני סולפט שליליים (SO4-2). בתחילת התהליך סך המטען בנוזל בשני הצדדים היה אפס. אך כעת, בצד של האבץ נוספים לנוזל יונים חיוביים, לכן יחד עם יוני הסולפט השליליים סך המטען כעת חיובי. בצד של הנחושת נגרעים מהנוזל יונים חיוביים, לכן יחד עם יוני הסולפט סך המטען שלילי. אם כך, כעת נוצר הפרש מטען ולכן מתח חשמלי בין הצדדים שמתנגד למעבר של אלקטרונים נוספים. כדי להמשיך ולקבל זרם יש צורך בגשר מלח (ראו איור 5).

גשר המלח מחבר בין שני מיכלי המים ומכיל מלח מומס שאינו מגיב עם החומרים הקיימים בניסוי. הגשר אינו מאפשר מעבר יונים מצד לצד ובו בעת מפריש את היונים שבו לנוזל וכך דואג לשמירת הנייטרליות בכל אחד מהצדדים.

איור 5: גשר מלח. בעקבות תהליך החמצון-חיזור נוצר הפרש מטען ולכן מתח חשמלי בין שתי חצאי התא האלקטרוכימי. כדי להחזיר את התא לנייטרליות משתמשים בגשר מלח המספק את היונים החסרים לנייטרליות.

***

איך כל זה קשור לסוללה המוכרת שקונים בחנות?

סוללה מסוג זה היא סוג של 'תא יבש' (dry cell) שבו הרעיון זהה, רק שבמקום נוזל יוני עושים שימוש בחומרים יבשים, למשל בג'ל.

בחנו את איור 6 וראו שאתם מזהים את החלקים העיקריים שמנינו עבור תא וולטאי: האנודה, הקתודה והחומר היוני.

איור 6: תרשים סכמטי של סוללה יבשה מסוג אבץ-פחמן. נסו לזהות מי האנודה, מי הקתודה והיכן החומר היוני. המקור לאיור: ויקיפדיה לשם הועלה על ידי המשתמש Pearson Scott Foresmann.

שימו לב שהאבץ במבנה זה משמש גם כאנודה וגם כחומר מבנה אוטם למניעת זליגה של שאר החומרים. אם נשתמש בסוללה מעבר להמלצת היצרן אנחנו עלולים לכלות את האבץ עד כדי כך שהאטימה בסוללה תפגע וחומרים לא אטרקטיביים יזלגו החוצה.

מי הזיז את אבקת החשמל שלי?! על מקורות מתח (אולי חלק א' ואולי לא)

מזמן לא עסקתי בשעון המעורר שלי, אז בואו ונחזור אליו אבל הפעם מהצד האחורי.

כדי שהשעון שלי יפעל הוא צריך 'חשמל'. ישנן שתי דרכים מקובלות לספק לשעונים מעוררים את המתח וזרם החשמלי שלו הם זקוקים כדי לתפקד. האחת היא לחבר אותם לרשת החשמל והשניה היא שימוש בסוללות.

התוצאה הרצויה להפעלת השעון, קרי: אספקת מתח וזרם מתאימים, זהה בשתי השיטות, אבל הדרך להגיע לשם שונה בתכלית.

ברשימה זאת אעסוק בספק מתח המחובר לרשת החשמל. אולי בהמשך אכתוב על סוללות (בלי נדר).

picture1
תמונה 1: שעון דיגיטלי.

***

מה בעצם מגיע אלינו דרך שקע החשמל בקיר?

הפרש בפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות מכונה בעגה 'מתח חשמלי'. אם שתי נקודות שביניהן שורר מתח, מחוברות זו לזו על ידי מוליך, יחל לזרום זרם חשמלי מפוטנציאל גבוה לנמוך, בדומה למים שזורמים מנקודה גבוהה לנמוכה.

חברת החשמל דואגת שבין שני החורים שבשקע החשמל בקיר תמיד יהיה מתח. כמו כן, היא דואגת שאם נסגור מעגל בין שני החורים יזרום זרם.

אם נכפיל את כמות הזרם בכמות המתח נקבל את ההספק החשמלי שנמדד ביחידות 'וואט' וערכו רשום על כל מכשיר חשמלי שאנחנו קונים. ההספק הוא כמות האנרגיה המתבזבזת בכל שניה (כלומר מומרת מאנרגיה פוטנציאלית חשמלית למשל לחום, כמו בטוסטר משולשים). אם נכפיל את ההספק של מכשיר חשמלי בזמן שהוא פעל נקבל את סך האנרגיה שהתבזבזה בזמן זה, וזה חשבון החשמל שאנחנו משלמים (נמדד בקילו-וואט כפול שעה, הספק כפול זמן).

כדי לייצר מתח חשמלי צריך לעבוד קשה, ואת זה עושות הטורבינות בתחנות הכוח של חברת החשמל. המתח המיוצר בתחנות הוא מתח חילופין (ערכו משתנה באופן מחזורי) בעוצמה גבוהה מאוד (כ-400 קילו-וולט). חשמל במתח גבוה ניתן להוביל בזרם נמוך ובכך להקטין באופן משמעותי את בזבוז האנרגיה על קווי המתח הגבוה שמובילים אותו לאורכה ולרוחבה של המדינה.

%d7%a2%d7%9e%d7%95%d7%93%d7%99-%d7%97%d7%a9%d7%9e%d7%9c
תמונה 2: עמודי חשמל ליד נחל הבשור. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש אורן פלס.

בשקע החשמל בדירה אין צורך במתח גבוה כל כך, ובכל מקרה ההובלה הסתיימה ולכן המתח בשקע הוא רק 220 וולט חילופין. לפני הכניסה לדירה ערכו של המתח הורד על ידי חברת החשמל, אך תלאותיו של החשמל עדיין לא הסתיימו. השעון המעורר זקוק לתפעולו למתח חשמלי ישר (שאינו משתנה) שערכו וולטים בודדים, ויישרף אם יחובר ישירות למתח הרשת. כאן נכנס המכשיר שאנחנו נוטים לכנות 'שנאי' או 'טרנספורמטור', אבל הוא בעצם מתאם מזרם חילופין למתח נמוך וקבוע (AC to DC adapter). המתאם אכן מכיל בתוכו רכיב המכונה שנאי אך גם רכיבים נוספים.

***

מהו שנאי (אידיאלי)?

המקור של שדה מגנטי הוא תנועה של מטענים חשמליים.

עובדה 1: כאשר מזרימים זרם חשמלי דרך תיל מוליך, נוצר שדה מגנטי סביב התיל שכיוונו משיק למעגלים קונצנטריים סביב התיל במרכז. אם נלפף את התיל לצורת סליל (מכונה לפעמים סילונית) כיוון השדה המגנטי בתוך הסליל יהיה בקירוב ישר לאורכו. עוצמת השדה תלויה בצפיפות הליפופים.

עובדה2: אם נלפף את הסליל המדובר סביב ליבת ברזל בצורת טבעת ונזרים דרכו זרם, שטף השדה המגנטי ילכד ויובל לאורכה של הטבעת.

עובדה 3: אם עובר דרך סילונית שטף משתנה בזמן של שדה מגנטי הוא גורם להתעוררות של זרם משתנה בזמן דרך תיל המלופף סביבה. עוצמתו של הזרם תלויה בצפיפות הליפופים.

אם כך, נוכל ללפף על שני צידי טבעת ברזל (מכונה הליבה) שני סלילים שונים, עם צפיפות ליפופים שונה (ראו איור 3). על סליל אחד נשים מתח חשמלי משתנה בזמן שיגרום לזרם חשמלי משתנה בזמן שיגרום לשטף שדה מגנטי משתנה בזמן בתוך הסילונית (עובדה 1) וכן לאורך הטבעת (עובדה 2) שיעבור גם דרך הסילונית השניה ויעורר בה זרם חשמלי משתנה בזמן (עובדה 3). עוצמה הזרם בסליל השני תהיה תלויה ביחס כמות הליפופים בין שני הסלילים, ולכן יתקבל מתח חשמלי שונה בין שני צידי הטבעת. כלומר, טבעת הברזל ושני הסלילים המלופפים סביבה משמשים לשינוי עוצמת המתח החשמלי כתלות ביחס מספר הליפופים. גם חברת החשמל משתמשת בשנאים כדי להקטין את המתח לאורך הרשת.

%d7%a9%d7%a0%d7%90%d7%99-%d7%90%d7%99%d7%93%d7%99%d7%90%d7%9c%d7%99
איור 3: סכימה של שנאי אידיאלי. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש BillC.

***

פתרנו את בעיית עוצמת המתח, אך אנחנו עדיין תקועים עם מתח חילופין במקום מתח ישר ולכן הרכיב הבא הוא מישר זרם.

זרם חילופין שיוצא מהשקע בקיר משנה את כיוונו כ-50 פעם בשניה. תפקידו של המיישר הוא לגרום לזרם לזרום רק בכיוון אחד. את זאת נשיג על ידי שימוש בגשר דיודות.

דיודה היא רכיב אלקטרוני מחומר מוליך למחצה בעל שתי נקודות חיבור. בשונה מנגד, דיודה אינה סימטרית ביחס לשתי נקודות החיבור שלה. בכיוון אחד זרם אינו יכול לזרום כלל. בכיוון השני זרם יכול לזרום חופשי מעל למתח מסוים. כלומר, הפעלת מתח שלילי על הדיודה תשאיר את הדיודה סגורה. לעומת זאת, הפעלה של מתח חיובי מעל ערך מסוים תגרום לזרימה חופשית. נניח שבקירוב דיודה פתוחה היא קצר (חוט מוליך) ודיודה סגורה היא נתק (חוט מנותק).

כעת נתבונן במעגל הגשר.

%d7%92%d7%a9%d7%a8-%d7%93%d7%99%d7%95%d7%93%d7%95%d7%aa
איור 4: גשר דיודות. חלק עליון – חצי מחזור ראשון, חלק תחתון – חצי מחזור שני. מתח חיובי בכניסה יוצא אותו דבר ומתח שלילי בכניסה מתהפך לחיובי ביציאה. המקורות לאיור: ויקיפדיה וויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Wykis וטופלה קצת על ידי.

הדיודות מחוברות כך שהמתח הגבוה תמיד יפתח דיודה אחת, המתח הנמוך יפתח דיודה שניה והשתיים האחרות ישארו סגורות.

במקרה הראשון (איור 4 למעלה) נקודת החיבור העליונה במתח גבוה וגורמת לדיודה המסומנת באדום להיפתח. נקודת החיבור התחתונה במתח נמוך וגורמת לדיודה המסומנת בכחול להיפתח. שתי הדיודות האחרות סגורות. דיודה פתוחה היא כמו חוט מוליך ולכן המתח ביציאה הוא בקוטביות זהה לכניסה, גבוה למעלה ונמוך למטה.

כאשר הכניסה בקוטביות הפוכה (איור 4 למטה), כלומר מתח נמוך בנקודה העליונה וגבוה בתחתונה הדיודות שהיו פתוחות נסגרות ואלה שהיו סגורות נפתחות. כפי שניתן לראות באיור, הדיודות הפתוחות כעת גורמות לכך שעדיין המתח הגבוה בנקודת היציאה העליונה והנמוך בתחתונה.

השורה התחתונה היא שמתח חיובי יוצא חיובי ומתח שלילי יוצא חיובי אך שומר על צורתו (ראו איור 5).

%d7%9e%d7%aa%d7%97-%d7%9e%d7%99%d7%95%d7%a9%d7%a8
איור 5: מתח חילופין בכניסה ומתח מיושר ביציאה. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Jjbeard וטופלה קצת על ידי.

***

כעת יש לנו מתח מיושר (כיוון הזרם קבוע) אך הוא עדיין לא מתח ישר (ערכו משתנה בזמן). כדי לקבל מתח קבוע בזמן משתמשים בקבל, מין דלי שאוגר בתוכו מטענים חשמליים ולכן אנרגיה חשמלית בצורת מתח חשמלי בין שני הדקיו. הקבל נבחר כך שזמן הפריקה שלו ארוך ביחס לזמן המחזור של תנודת המתח. כאשר המתח עליו גבוה הוא נטען, וכאשר הוא נמוך הוא נפרק. בגלל זמן הפריקה הארוך הוא לא מספיק להגיע למתח נמוך ולכן מבצע תנודות רק במתחים גבוהים. שלב זה משאיר אותנו עם מתח כמעט קבוע שעליו אדוות של שינוי.

הרכיב האחרון הוא מווסת מתח (voltage regulator) שתפקידו להחליק את האדוות. מכיוון שהמימוש הספציפי של רכיב זה תלוי בהספקים ובמתחים הדרושים אני לא ארחיב עליו. אחד הפתרונות הוא לשים דיודת זנר במתח הפוך. מעל למתח מסוים הדיודה נפרצת בכיוון אחורי ונפילת המתח עליה קבועה ויציבה. ניתן להשתמש בתופעה זאת כמייצב מתח, כאשר המתח הקבוע ביציאה הוא נפילת המתח על הדיודה הפרוצה בכיוון אחורי.

***

נסכם את כל השלבים באיור הבא:

%d7%93%d7%99%d7%90%d7%92%d7%a8%d7%9e%d7%aa-%d7%91%d7%9c%d7%95%d7%a7%d7%99%d7%9d-%d7%a9%d7%9c-%d7%a1%d7%a4%d7%a7-%d7%9e%d7%aa%d7%97
איור 6: דיאגרמת בלוקים שמתארת את מקור המתח מנקודת החיבור לרשת החשמל ועד לאספקת המתח הישר לעומס. בכל שלב מוצב אות המתח בגרף בצורה סכמטית.

הסיבה ששנאים, מטענים וספקי מתח הם בעלי משקל כבד היא כי הם מכילים ליפופים רבים סביב ליבה מאסיבית ברכיב השנאי. המטענים מהדור החדש שטוענים לכולנו את הטלפון הסלולרי עובדים בשיטה מעט שונה שבה יש שימוש בהמרה לתדרים גבוהים שמאפשרת שימוש במספר ליפופים קטן יותר על ליבות קטנות באופן משמעותי. אבל זה סיפור לרשימה נפרדת.

זהו.