إسهامات وابتكارات العلماء في مجال الكهرباء

2016 عصر الكهرباء

جون كلارك مع مايكل ألابي وإيمي جان بيير

KFAS

الفيزياء

لم يكن العلماء قبل بداية القرن التاسع يعلمون عن الكهرباء عدا الكهربائية الساكنة.

تتكون الكهرباء الساكنة من الشحنات الموجبة أو السالبة التي يحملها جسم ما، وغالباً ما كانت الأجسام تشحن بالاحتكاك. لكن نبيلاً من نبلاء إيطاليا أنتج تياراً كهربائيا – يمثل التيار الكهرباء المتحركة.

قدم الطبيب الإيطالي لويجي غالفاني (١٧٣٧ – ٩٨) عام ١٧٩١ تقريراً حول ما أسماه «كهرباء الحيوانات». جاء تقريره بناءً على ملاحظته خلال تشريحه لضفدع ميت ارتعاش عضلات الضفدع عند ملامسته له بقطعتين مختلفتين من المعادن.

 استبدل الفيزيائي الإيطالي الكونت أليساندرو فولتا (١٧٤٥-1827) عام ١٨٠٠ قطعة من الورق المقوى مشبعة في محلول ملحي بالخلايا الحيوانية. ثم وضع قطعة من النحاس أو الفضة في جانب من الورق المقوى وقطعة من الخارصين في الجانب الآخر. ويتوصيل المعدنين بسلك موصل سرى التيار الكهربائي.

 

وجد فولتا أن بإمكانه الحصول على فرق جهد أكبر بين قطعتي المعدنين برص صفوف من أقراص الورق المقوى فوق بعضها مكوناً بذلك ما يعرف اليوم بمركم فولتا، والذي يعتبر أول بطارية حقيقية.

يسمى العلماء اليوم مثل هذه البطارية الخلية الأولية، كما تعرف قطع المعادن بالإلكترودات (الأقطاب) ومحلول الوسط بالإلكتروليت. أنتج الكيميائي الإنجليزي جون دانيال (١٧٩٠-١٨٤٥) عام ١٨٣٦ بطارية أعلى كفاءة من نوع الخلية الأولية.

 

تتكون بطارية دانيال من إلكترود أسطواني من الخارصين مغموس في محلول حمض الكبرتيك المخفف في وعاء خزفي مسامي. يوضع الوعاء الخزفي في حاوية نحاسية (تمثل الإلكترود الثاني) تحتوي على محلول كبريتيد النحاس.

يسري التيار في خلية دانيال من النحاس (الإلكترود الموجب أو الأنود أو المصعد) إلى الخارصين (الإلكترود السالب أو الكاثود أو المهبط). تنتج خلية دانيال تياراً أكثر ثباتاً مقارنه بخلية فولتا، كما أنها تتغلب على مشكلة الإستقطاب – تنامي فقاعات الهيدروجين على الإلكترود النحاسي مما يؤدي في نهاية المطاف إلى توقف سريان الإلكترونات ويتسبب في تعطل مركم فولتا عن العمل.

كما ابتكر جورج لكلانتشيه (١٨٣٩-٨٢) بطارية عام ١٨٦٦ بهدف معالجة مشكلة الإستقطاب أيضا. ومثل بطارية دانيال صنع لانكلانتشيه كاثود البطارية من الخارصين، لكنه غمر الكاثود في إلكتروليت من محلول كلوريد الأمونيا.

أما الأنود فتكون من عمود من الكربون محاط بمسحوق ثاني أكسيد المنغنيز. بلغ فرق الجهد الكهربائي للبطارية حوالي ١.٥ فولتا.

 

وتتكون البطاريات الجافة الشائعة اليوم من نظام لانكلانتشيه محتوياً حافظة من الخارصين بداخلها معجون كلوريد الأمونيا وعمود من الكربون على محور الحافظة من ثاني أكسيد المنغنيز.

ابتكر الكيميائي الألماني روبرت بنزن (١٨١١-٩٩) خلية أولية مصنوعة من الخارصين والكربون مستخدماً الأحماض كإلكتروليت لها وتنتج فرق جهد يبلغ ١.٩ فولتا. من جانبه ابتكر مهندس الكهرباء الأمريكي الإنجليزي الأصل إدوارد ويستون (١٨٥٠-١٩٣٦) خلية الكادميوم بفرق جهد ١.٠١٨٦ فولت، واتخذ المجتمع العلمي من هذه الخلية عام ١٩٠٨ وحدة عيارية للفولت.

تتكون خلية ويستون العيارية، كما تسمى، من الزئبق (كاثود) ومزيج كادميوم- زئبق (أنود) وتستخدم محلول كبريتيد الكادميوم كوسط الإلكتروليت. أما خلية كلارك العيارية، التي ابتكرها مهندس الكهرباء الإنجليزي جوسيا كلارك (١٨٢٢-٩٨) قبل ٢١ سنة من ابتكار ويستون، أي عام ١٨٧٢، فتستخدم الخارصين بدلاً من الكادميوم.

تتوقف الخلية الأولية عن العمل عندما تفرغ شحنتها بالكامل. لكن هناك نوعا آخر من البطاريات يمكن إعادة شحنها ويأخذ هذا النوع أسماء عدة من بينها الخلية الثانوية أو خلية تخزين أو مركم.

 

ويعتبر مركم الرصاص في الوسط الحمضي من أوائل المراكم المبتكرة ومازال شائع الاستخدام حتى اليوم، وهو من ابتكار الكيميائي الفرنسي غاستو بلانت (١٨٣٤-٨٩). يتكون مركم الرصاص من قطب واحد (أو لوح) من الرصاص وآخر من الرصاص المكسو بأكسيد الرصاص، مغمورين في إلكتروليت من حمض الكبريت. ويستخدم هذا المركم في غالبية أنواع السيارات.

كما أن هناك نوعا آخر من المراكم من ابتكار توماس إديسون (١٨٤٧-١٩٣١) عام ١٩٠٠ يعرف بمركم القصدير – الحديد القاعدي أو خلية Ni-Fe. عند تفريغ شحنة المركم يمكن إعادة شحنه يتوصيله بمصدر للتيار المباشر. وعلى سبيل المثال يشحن مركم السيارة طالما بقي محركه مشتغلاً.

 

يتمثل عمل الخلية الأولية والثانوية بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. وخلال هذه العملية «تستهلك» مادة الأقطاب والوسط الإلكتروليتي. من جانب آخر تحول خلية الوقود طاقة الوقود الكيميائية إلى طاقة كهربائية مباشرة. ابتكرت أول خلية وقود، «تستهلك» الأكسجين والهيدروجين، عندما عرضها عام ١٨٣٩ الفيزيائي والقاضي الويلزي وليام غروف (١٨١١-٩٦) .

من بين جميع العلماء الذين استعرضنا إسهاماتهم يبقى اسم أليساندو فولتا مخلداً في الذاكرة من خلال إعطائه اسمه لوحدة الجهد الكهربائي، الفولت، والذي تبناه المجمع العالمي للكهرباء عام 1905 ليدل على وحدة الجهد الكهربائي في النظام الدولي للوحدات.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]