Nie tak dawno pewien rezolutny sześciolatek, z którym prowadzę od czas do czasu dyskusje na temat “A dlaczego… ?”, zadał mi pytanie takiej treści: “A dlaczego w bateriach jest prąd?”. Przyznam szczerze, że bardzo lubię takie pytania, bo dotyczą rzeczy, które mamy w rękach lub widzimy każdego dnia, a w gruncie rzeczy nie zastanawiamy się, jak to właściwie działa lub skąd się bierze. No, postarajmy się wspólnie zastanowić nad tym zjawiskiem. Weźmy do ręki baterię dowolnego typu – ja mam pod ręką akurat takie znane jako “paluszek” oraz “mały paluszek” – i popatrzmy, co to właściwie jest.

Żeby odpowiedzieć na pytanie, skąd w bateriach bierze się prąd, warto sobie najpierw odpowiedzieć na pytanie, czym jest sam prąd elektryczny. Ostatnio wspominałem o zjawisku przewodnictwa, które występuje w metalach i różnych innych materiałach. Jeśli wrócimy na chwilę do tekstu o O lewitacji i bramkach, to przypomnimy sobie, że wynika ono z istnienia w danym materiale swobodnych elektronów. Żeby materiał mógł być przewodnikiem, muszą w nim istnieć jakieś nośniki ładunku elektrycznego – ujemnego lub dodatniego. W przeważającej części są to elektrony lub wspomniane we wcześniejszym wpisie “dziury”. Co jeszcze przewodzi prąd? Jak wiemy, woda, czyli H₂O, takiej cechy nie ma, chyba że mówimy o wodzie mineralnej. No, swobodnych elektronów byśmy się raczej w niej nie spodziewali, ale spójrzmy na etykietę: ja mam pod ręką taką; jeśli macie inną, to skład raczej diametralnie się nie różni.

Kationy i aniony, czyli jony. Pierwiastek zjonizowany to taki, w którym jest niedobór lub nadmiar elektronów, co powoduje, że przestaje być on neutralny elektrycznie; stąd, jeśli do wody destylowanej dodać swojskiego chlorku sodu i zamieszać, uzyskamy roztwór, w którym znajdują się nośniki ładunku elektrycznego. Łatwo z tego wywnioskować, że prąd elektryczny jest nie tyle samym ładunkiem elektrycznym, co ukierunkowanym przepływem takiego ładunku pomiędzy punktami. Żeby taki przepływ się pojawił, potrzebna jest różnica! Konkretnie – różnica potencjałów. Jeśli wrócimy na chwilę do zdjęcia baterii, zauważymy, że oprócz plusa i minusa powtarza się na nich oznaczenie dotyczące napięcia: 1,5 V. To teraz przełóżmy tego wolta na to, ile ładunków elektrycznych nośniki muszą przenieść pomiędzy tymi punktami, aby napięcie, czyli różnica potencjałów, wyniosła właśnie tyle.

Biorąc pod uwagę, jak mały jest ładunek jednego elektronu, proponuję posłużyć się trochę wygodniejszą jednostką, czyli kulombem (C), który jest równy 6,241 × 10¹⁸ elementarnego ładunku elektrycznego. Jeśli do przeniesienia 1 C pomiędzy dwoma punktami potrzeba pracy jednego dżula (J), to różnica potencjałów pomiędzy takimi punktami wynosi 1 V, a więc 1 V= 1 J/C. Prąd w bateriach bierze się właśnie z takiego przepływu ładunków pomiędzy elektrodami – katodą i anodą o różnych potencjałach. Jak to dokładnie działa? Energia jest produkowana w wyniku reakcji zachodzących pomiędzy elektrodą a elektrolitem w miejscu ich styku, czyli mówiąc poprawniej, na granicach faz. Substancja tworząca anodę w wyniku spontanicznej reakcji utlenienia zmienia swój stopień utlenienia na wyższy i staje się jonem przechodzącym do elektrolitu po czym trafia na elektrodę o wyższym potencjale, katodę, gdzie w wyniku reakcji redukcji staje się jej częścią. Warto zauważyć że sam elektrolit nie przewodzi elektronów, ale jony. Również z tego zjawiska wynika to, że nasze baterie po pewnym czasie się rozładowują. Skoro materiału z anody cały czas ubywa, a przybywa go na katodzie, to jest oczywistym, że taka reakcja po pewnym czasie po prostu przestanie przebiegać z braku materiału. Na bateriach na ilustracji mamy oznaczenia “AA” i “AAA” oraz inne typu “LR6” etc. O tym co one oznaczają, już za chwilę, a teraz jeszcze krótko o tym, jak zachodzi taka reakcja w najbardziej popularnym z typów baterii. Mam na myśli te, o których zwykło się mówić “alkaliczne” i w których elektrolitem jest roztwór o charakterze zasadowym (alkalicznym), a rolę anody i katody pełnią sproszkowane: cynk i tlenek manganu.

Reakcja zachodząca pomiędzy dwoma elektrodami zanurzonymi w elektrolicie przebiega w ten sposób, gdy mówimy o bateriach znanych jako np. “AA” lub “LR6”, gdyż te symbole są właściwie równoznaczne. Oznaczenia typu AA, AAA, C, D, PP3 etc. są oznaczeniami handlowymi i nie oznaczają niczego konkretnego; w większości pochodzą z USA. O wiele więcej o samej baterii powiedzą nam te mniejsze symbole tj. LR6 i LR03. Te oznaczenia są nadawane przez IEC czyli International Electrotechnical Commission, a po polsku Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną, i określają odpowiednio rodzaj baterii ze względu na technologię wykonania oraz jej kształt. Jeśli pierwsza litera to “L”, to wiemy, że bateria posiada ogniwa alkaliczne. Jeśli baterie oznaczono np. A, to w środku znaleźlibyśmy ogniwo cynkowo-powietrzne a litera “M” informuje nas o tym, że to ogniwo litowe – można ładować. W ramach ciekawostki dodam, że dawniej ta litera była przypisana do baterii zawierających ogniwa rtęciowe, których stosowanie obecnie jest zakazane. Liter oznaczających typy ogniw mamy łącznie dwanaście; liter; które znajdziemy na drugim miejscu; mamy jedynie trzy i oznaczają one kształt baterii. Mogą to być “R”, przypisane do baterii cylindrycznych, “F” w kształcie płytki i “S” oznaczające prostopadłościan.

Podsumowując: prąd w bateriach pojawia się w wyniku reakcji chemicznych i dzięki uporządkowanemu ruchowi jego nośników, np. elektronów lub jonów. Baterie wyczerpują się, gdyż ubywa w nich materiału z elektrody o niższym potencjale, czyli anody, i absolutnie nie wolno ich ładować po rozładowaniu, bo może się to skończyć nawet eksplozją.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.