باتری
در این پروژه با انجام یک فعالیت دقیق به مقایسه انواع باتری قلمی می پردازیم و در آخر نتیجه گیری خواهیم کرد که خرید کدام باتری بصرفه تر است؟ کدام برند؟ کدام نوع؟ آلکالاین یا غیر آلکالاین؟
نویسنده : شایان فروزنده دل
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : چهارشنبه 1396/10/20 ساعت 09:53
عنوان پروژه: بررسی و مقایسه طول عمر مفید انواع باتری های قلمی (AA) موجود در بازار ایران
زمینه: فیزیک - شیمی
مقطع تحصیلی: راهنمایی – دبیرستان
تعداد جلسات: 1 جلسه
خلاصه پروژه: در این پروژه با انجام یک فعالیت دقیق به مقایسه انواع باتری قلمی می پردازیم و در آخر نتیجه گیری خواهیم کرد که خرید کدام باتری بصرفه تر است؟ کدام برند؟ کدام نوع؟ آلکالاین یا غیر آلکالاین؟
مقدمه:
باتری ها بخش مهم و جدایی ناپذیری از زندگی ما انسان ها شده اند. ما معمولا بدون آنکه به آن فکر کنیم، روزانه از تعداد زیادی باتری در انواع و اقسام مختلف استفاده میکنیم. یکی از باتری های آشنا که هم چنان بطور روزانه مورد استفاده ما هستند، باتری های قلمی یا AA باتری ها هستند. این باتری ها در انواع مختلف و با برندهای متنوعی در بازار ایران وجود دارند. (که متاسفانه هیچ کدام از آنها ساخت ایران نیست! ) در این پروژه می خواهیم با انجام یک آزمایش پی ببریم که کدام یک از این باتری ها عمر مفید طولانی تر و دوام بیشتری داشته و بطور کلی ارزش خرید بالاتری دارند. این آزمایش را با دو نوع وسیله الکتریکی با تخلیه جریانهای مختلف (تخلیه متوسط و تخلیه پایین) برای هر باتری امتحان می کنیم و بررسی میکنیم که کدام باتری در کدام نوع از وسایل الکتریکی دوام بیشتری دارد و ولتاژش را بهتر حفظ میکند. باتری های مورد آزمایش همه قلمی و 1.5 ولت بوده و در دو نوع آلکالاین و غیر آلکالاین و با برندهای مختلف می باشند.
مهارت های آموزش داده شده در این پروژه:
1. آشنایی کلی با باتری ها و طرز کار آن ها
2. آشنایی با انواع باتری بویژه سلول های خشک
3. آشنایی با عوامل موثر بر قدرت و دوام باتری ها
4. کار با ولتمتر
5. مرتب سازی اطلاعات، کشیدن نمودار و نتیجه گیری از آن
توضیح علمی:
باتری ها در اندازه ها و شکل های مختلف وجود دارند. اما همه آن ها در یک چیز مشترکند - آن ها انرژی شیمیایی را ذخیره کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. یک سلول الکتروشیمیایی قسمت اصلی باتری برای تولید الکتریسیته است. این سلول ها مثل یک پمپ، الکترون ها را در طول یک رسانا به حرکت در می آورند.
نیروی الکتریکی یک سلول یا باتری، نیروی الکتروموتوری (emf) آن سلول نامیده می شود. واحد این نیرو که باعث جاری شدن الکترون ها در یک مدار می شود، ولت (v) است. هر سلول یا باتری نیروی الکتروموتوری خاص خودش را دارد. بعنوان مثال نیروی الکتروموتوی یا ولتاژ یک باتری قلمی، 1.5 (v) می باشد. راه دیگر برای بیان قدرت یک باتری ، تعیین ظرفیت باتری است که بصورت آمپر در ساعت بیان می شود. ظرفیت، مقدار جریان الکتریکی است که آن باتری می تواند در یک ساعت تولید کند. (واحد اندازه گیری جریان الکتریکی آمپر (amps) است.) مثلا یک باتری 60 آمپر ساعتی می تواند 60 آمپر جریان را در یک ساعت تامین کند.
یک سلول الکتروشیمیایی شامل دو نیم سلول (الکترود مثبت و الکترود منفی) است که توسط ماده ای به نام الکترولیت بهم متصل اند. تفاوت باتری های مختلف در تفاوت جنس الکترودها و الکترولیت آن هاست. در تولید الکترودها و اکترولیت ها از مواد شیمیایی مختلفی استفاده میشود.
بطور کلی باتری ها به دو دسته شارژ شدنی و شارژ نشدنی تقسیم بندی می شوند. ما در این پروژه با نوعی از باتری های شارژ نشدنی سروکار خواهیم داشت.
باتری های شارژ نشدنی:
این باتری ها سلول های خشک (باتری خشک) نیز نامیده می شوند. در باتری خشک، بر اثر واکنش ماده آند (قطب مثبت) (عنصر روی (zinc) یا آلکالاین (alkaline) یا لیتیوم یا نقره ) و ماده کاتد (قطب منفی) (عنصر کربن یا کلراید یا مس اکساید یا منگنز دی اکساید)، با الکترولیتی که محیط بین آند و کاتد را در برگرفته است، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. اساس نام گذاری باتری با نام هایی هم چون باتری لیتیوم یا باتری آلکالاین یا ... بدلیل عناصر استفاده شده در ساخت آند، کاتد و یا الکترولیت آن ها می باشد.
در یک نوع متداول از باتری های خشک (باتری های معمولی قلمی)، الکترود قطب مثبت از یک میله کربنی کوچک ساخته شده است. پودر کربن و منگنز اکساید از تشکیل هیدروژن در اطراف این میله کربنی ( که باعث خرابی باتری می شود) جلوگیری می کند. الکترود قطب منفی از روی (zinc) ساخته شده است. این نوع از باتری ها انواع مختلفی دارند که تفاوت آن ها در نوع الکترولیت آن هاست.
در باتری های خشک معمولی با کاربردهای ضعیفتر، از آمونیوم کلراید بعنوان الکترولیت استفاده میشود. اما در باتری هایی که جریانهای قوی تر تولید میکنند از روی کلراید استفاده می شود. در باتری های آلکالاین که دوام بیشتری دارند و جریان های سنگین تری هم تولید می کنند از ماده قلیایی پتاسیم هیدروکساید بعنوان الکترولیت استفاده می شود.
عوامل موثر بر قدرت و دوام باتری ها:
اندازه باتری ها تاثیری بر نیروی الکتروموتوری (emf) آن ها ندارد. مواد شیمیایی بکار رفته در ساخت باتری، قدرت یا emf باتری را تعیین میکنند.
اما آنچه دوام و طول عمر مفید یک باتری را مشخص میکند اندازه باتری و یا بطور دقیق تر مقدار مواد شیمیایی بکار رفته در آن است.
عامل موثر دیگر بر کیفیت کارکرد باتری ها دما است. باتری ها در دمای بالاتر بهتر کار میکنند.
عامل دیگری که طول عمر یک باتری را مشخص میکند چگونگی استفاده از آن است. وسایل مختلف مقدار انرژی های مختلفی مصرف می کنند و در سرعت تخلیه یک باتری تاثیرگذارند. بعبارت دیگر این وسایل دارای تخلیه جریان های متفاوت هستند.
وقتی از یک باتری استفاده می کنیم، بمرور نیروی الکتروموتوری یا همان ولتاژ آن کاهش پیدا می کند.
یک باتری آلکالاین در ولتاژ 0.9 ولت تخلیه کامل بحساب می آید.
وسایل الکترونیکی با تخلیه جریان بالا، متوسط و پایین:
همان طور که از نام آن پیداست، یک وسیله با تخلیه جریان بالا وسیله ای است که مصرف جریان الکتریکی آن بسیار زیاد است مثل دوربین های دیجیتال. وسایلی از قبیل بعضی از اسباب بازیهای کنترلی و چراغ قوه هایی با نور متوسط نمونه هایی از وسایل با تخلیه متوسط بوده، و کنترل های تلویزیون، رادیوهای باتری خور، چراغ قوه های کوچک، ساعت و ... وسایل با تخلیه جریان کم هستند.
در این پروژه، مصرف باتری ها را در وسایل تخلیه متوسط و تخلیه پایین آزمایش میکنیم.
وسایل مورد نیاز:
1. وسیله با تخلیه جریان پایین مثل رادیوی باتری خور
2. وسیله با تخلیه جریان متوسط مثل اسباب بازی کنترلی یا چراغ قوه متوسط ( بهتر است از سه عدد چراغ قوه یکسان استفاده کنید و هر سه نوع باتری را همزمان مورد آزمایش قرار دهید.)
3. سه نوع باتری از هر کدام دو عدد ( تمام باتری ها باید در اندازه AA (قلمی) و 1.5 ولت باشند.) بعنوان مثال می توانید باتری های زیر را تهیه کنید:
Duracell alkaline AA دو عدد باتری
Panasonic alkaline AA دو عدد باتری
Camelion non-alkaline (heavy duty) دو عدد باتری
*توجه کنید که از هر برند دیگری می توانید استفاده کنید، اما حتما دوتای آنها از نوع آلکالاین و یکی از نوع غیر آلکالاین (non-alkaline) باشد.
* بهتر است باتری هایی بخرید که تقریبا تاریخ انقضای یکسانی داشته باشند.
4. ولت متر
5. ساعت یا تایمر
مراحل انجام آزمایش:
1. هرکدام از باتری ها را با یک برچسب عددگذاری کنید.
2. ولتاژ دو سر هریک از باتری ها را قبل از مصرف اندازه بگیرید.
3.یکی از باتری ها را در دستگاه تخلیه پایین (مثلا رادیو) قرار دهید و آن را روشن کنید. (بهتر است آزمایش را از صبح شروع کنید.)
4. بگذارید دستگاه بمدت نیم ساعت کار کند و دوباره ولتاژ باتری را اندازه بگیرید.
5. مرحله 4 را آنقدر تکرار کنید تا ولتاژ باتری به 0.9 ولت برسد و یا دیگر کار نکند.
6. مراحل 1 تا 5 را برای هر یک از انواع باتری ها انجام دهید. (توجه داشته باشید که شرایط آزمایش برای هرکدام از باتری ها یکسان باشد. مثلا اگر از رادیو استفاده میکنید برای همه باتری ها آن را در یک موج و ولوم یکسان قرار دهید.
7. برای وسایل تخلیه متوسط بهتر است از سه چراغ قوه متوسط یکسان استفاده کنید و همزمان سه نوع باتری را در آن ها قرار دهید.
8. مراحل 4 و 5 را برای چراغ قوه ها انجام دهید.
9. (انجام این مرحله اختیاری است) می توانید برای افزایش دقت آزمایش، تمام مراحل بالا را با یک سری باتری دیگر (با همان مشخصات) انجام دهید. حالا برای هر مرحله از آزمایش دو ولتاژ دارید که می توانید از آن دو میانگین بگیرید و ولتاژهای میانگین را در جدول مرحله بعد قرار دهید.
10. ولتاژهای بدست آمده در هر دستگاه را در یک جدول بصورت زیر مرتب کنید و نمودار آن را برحسب ولتاژ-ساعت رسم کنید. در این صورت دو جدول و دو نمودار بصورت زیر خواهید داشت:
حالا به سوالات زیر پاسخ دهید:
الف. کدام باتری در وسایل تخلیه جریان پایین دوام بهتری دارد؟
ب. کدام باتری در وسایل تخلیه جریان متوسط دوام بهتری دارد؟
ج. باتری های آلکالاین دوام بهتری دارند یا غیر آلکالاین؟
د. کدام باتری را برای خرید انتخاب میکنید؟
تکلیف:
آزمایشی برای تعیین اثر دما بر روی دوام و کارکرد باتری ها طراحی و اجرا کنید و برای ما بفرستید.
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: زینب شاه مرادی
زمینه: فیزیک - شیمی
مقطع تحصیلی: راهنمایی – دبیرستان
تعداد جلسات: 1 جلسه
مقدمه:
باتری ها بخش مهم و جدایی ناپذیری از زندگی ما انسان ها شده اند. ما معمولا بدون آنکه به آن فکر کنیم، روزانه از تعداد زیادی باتری در انواع و اقسام مختلف استفاده میکنیم. یکی از باتری های آشنا که هم چنان بطور روزانه مورد استفاده ما هستند، باتری های قلمی یا AA باتری ها هستند. این باتری ها در انواع مختلف و با برندهای متنوعی در بازار ایران وجود دارند. (که متاسفانه هیچ کدام از آنها ساخت ایران نیست! ) در این پروژه می خواهیم با انجام یک آزمایش پی ببریم که کدام یک از این باتری ها عمر مفید طولانی تر و دوام بیشتری داشته و بطور کلی ارزش خرید بالاتری دارند. این آزمایش را با دو نوع وسیله الکتریکی با تخلیه جریانهای مختلف (تخلیه متوسط و تخلیه پایین) برای هر باتری امتحان می کنیم و بررسی میکنیم که کدام باتری در کدام نوع از وسایل الکتریکی دوام بیشتری دارد و ولتاژش را بهتر حفظ میکند. باتری های مورد آزمایش همه قلمی و 1.5 ولت بوده و در دو نوع آلکالاین و غیر آلکالاین و با برندهای مختلف می باشند.
مهارت های آموزش داده شده در این پروژه:
1. آشنایی کلی با باتری ها و طرز کار آن ها
2. آشنایی با انواع باتری بویژه سلول های خشک
3. آشنایی با عوامل موثر بر قدرت و دوام باتری ها
4. کار با ولتمتر
5. مرتب سازی اطلاعات، کشیدن نمودار و نتیجه گیری از آن
توضیح علمی:
باتری ها در اندازه ها و شکل های مختلف وجود دارند. اما همه آن ها در یک چیز مشترکند - آن ها انرژی شیمیایی را ذخیره کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. یک سلول الکتروشیمیایی قسمت اصلی باتری برای تولید الکتریسیته است. این سلول ها مثل یک پمپ، الکترون ها را در طول یک رسانا به حرکت در می آورند.
نیروی الکتریکی یک سلول یا باتری، نیروی الکتروموتوری (emf) آن سلول نامیده می شود. واحد این نیرو که باعث جاری شدن الکترون ها در یک مدار می شود، ولت (v) است. هر سلول یا باتری نیروی الکتروموتوری خاص خودش را دارد. بعنوان مثال نیروی الکتروموتوی یا ولتاژ یک باتری قلمی، 1.5 (v) می باشد. راه دیگر برای بیان قدرت یک باتری ، تعیین ظرفیت باتری است که بصورت آمپر در ساعت بیان می شود. ظرفیت، مقدار جریان الکتریکی است که آن باتری می تواند در یک ساعت تولید کند. (واحد اندازه گیری جریان الکتریکی آمپر (amps) است.) مثلا یک باتری 60 آمپر ساعتی می تواند 60 آمپر جریان را در یک ساعت تامین کند.
یک سلول الکتروشیمیایی شامل دو نیم سلول (الکترود مثبت و الکترود منفی) است که توسط ماده ای به نام الکترولیت بهم متصل اند. تفاوت باتری های مختلف در تفاوت جنس الکترودها و الکترولیت آن هاست. در تولید الکترودها و اکترولیت ها از مواد شیمیایی مختلفی استفاده میشود.
بطور کلی باتری ها به دو دسته شارژ شدنی و شارژ نشدنی تقسیم بندی می شوند. ما در این پروژه با نوعی از باتری های شارژ نشدنی سروکار خواهیم داشت.
باتری های شارژ نشدنی:
این باتری ها سلول های خشک (باتری خشک) نیز نامیده می شوند. در باتری خشک، بر اثر واکنش ماده آند (قطب مثبت) (عنصر روی (zinc) یا آلکالاین (alkaline) یا لیتیوم یا نقره ) و ماده کاتد (قطب منفی) (عنصر کربن یا کلراید یا مس اکساید یا منگنز دی اکساید)، با الکترولیتی که محیط بین آند و کاتد را در برگرفته است، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. اساس نام گذاری باتری با نام هایی هم چون باتری لیتیوم یا باتری آلکالاین یا ... بدلیل عناصر استفاده شده در ساخت آند، کاتد و یا الکترولیت آن ها می باشد.
در یک نوع متداول از باتری های خشک (باتری های معمولی قلمی)، الکترود قطب مثبت از یک میله کربنی کوچک ساخته شده است. پودر کربن و منگنز اکساید از تشکیل هیدروژن در اطراف این میله کربنی ( که باعث خرابی باتری می شود) جلوگیری می کند. الکترود قطب منفی از روی (zinc) ساخته شده است. این نوع از باتری ها انواع مختلفی دارند که تفاوت آن ها در نوع الکترولیت آن هاست.
در باتری های خشک معمولی با کاربردهای ضعیفتر، از آمونیوم کلراید بعنوان الکترولیت استفاده میشود. اما در باتری هایی که جریانهای قوی تر تولید میکنند از روی کلراید استفاده می شود. در باتری های آلکالاین که دوام بیشتری دارند و جریان های سنگین تری هم تولید می کنند از ماده قلیایی پتاسیم هیدروکساید بعنوان الکترولیت استفاده می شود.
عوامل موثر بر قدرت و دوام باتری ها:
اندازه باتری ها تاثیری بر نیروی الکتروموتوری (emf) آن ها ندارد. مواد شیمیایی بکار رفته در ساخت باتری، قدرت یا emf باتری را تعیین میکنند.
اما آنچه دوام و طول عمر مفید یک باتری را مشخص میکند اندازه باتری و یا بطور دقیق تر مقدار مواد شیمیایی بکار رفته در آن است.
عامل موثر دیگر بر کیفیت کارکرد باتری ها دما است. باتری ها در دمای بالاتر بهتر کار میکنند.
عامل دیگری که طول عمر یک باتری را مشخص میکند چگونگی استفاده از آن است. وسایل مختلف مقدار انرژی های مختلفی مصرف می کنند و در سرعت تخلیه یک باتری تاثیرگذارند. بعبارت دیگر این وسایل دارای تخلیه جریان های متفاوت هستند.
وقتی از یک باتری استفاده می کنیم، بمرور نیروی الکتروموتوری یا همان ولتاژ آن کاهش پیدا می کند.
یک باتری آلکالاین در ولتاژ 0.9 ولت تخلیه کامل بحساب می آید.
وسایل الکترونیکی با تخلیه جریان بالا، متوسط و پایین:
همان طور که از نام آن پیداست، یک وسیله با تخلیه جریان بالا وسیله ای است که مصرف جریان الکتریکی آن بسیار زیاد است مثل دوربین های دیجیتال. وسایلی از قبیل بعضی از اسباب بازیهای کنترلی و چراغ قوه هایی با نور متوسط نمونه هایی از وسایل با تخلیه متوسط بوده، و کنترل های تلویزیون، رادیوهای باتری خور، چراغ قوه های کوچک، ساعت و ... وسایل با تخلیه جریان کم هستند.
در این پروژه، مصرف باتری ها را در وسایل تخلیه متوسط و تخلیه پایین آزمایش میکنیم.
وسایل مورد نیاز:
1. وسیله با تخلیه جریان پایین مثل رادیوی باتری خور
2. وسیله با تخلیه جریان متوسط مثل اسباب بازی کنترلی یا چراغ قوه متوسط ( بهتر است از سه عدد چراغ قوه یکسان استفاده کنید و هر سه نوع باتری را همزمان مورد آزمایش قرار دهید.)
3. سه نوع باتری از هر کدام دو عدد ( تمام باتری ها باید در اندازه AA (قلمی) و 1.5 ولت باشند.) بعنوان مثال می توانید باتری های زیر را تهیه کنید:
Duracell alkaline AA دو عدد باتری
Panasonic alkaline AA دو عدد باتری
Camelion non-alkaline (heavy duty) دو عدد باتری
*توجه کنید که از هر برند دیگری می توانید استفاده کنید، اما حتما دوتای آنها از نوع آلکالاین و یکی از نوع غیر آلکالاین (non-alkaline) باشد.
* بهتر است باتری هایی بخرید که تقریبا تاریخ انقضای یکسانی داشته باشند.
4. ولت متر
5. ساعت یا تایمر
مراحل انجام آزمایش:
1. هرکدام از باتری ها را با یک برچسب عددگذاری کنید.
2. ولتاژ دو سر هریک از باتری ها را قبل از مصرف اندازه بگیرید.
3.یکی از باتری ها را در دستگاه تخلیه پایین (مثلا رادیو) قرار دهید و آن را روشن کنید. (بهتر است آزمایش را از صبح شروع کنید.)
4. بگذارید دستگاه بمدت نیم ساعت کار کند و دوباره ولتاژ باتری را اندازه بگیرید.
5. مرحله 4 را آنقدر تکرار کنید تا ولتاژ باتری به 0.9 ولت برسد و یا دیگر کار نکند.
6. مراحل 1 تا 5 را برای هر یک از انواع باتری ها انجام دهید. (توجه داشته باشید که شرایط آزمایش برای هرکدام از باتری ها یکسان باشد. مثلا اگر از رادیو استفاده میکنید برای همه باتری ها آن را در یک موج و ولوم یکسان قرار دهید.
7. برای وسایل تخلیه متوسط بهتر است از سه چراغ قوه متوسط یکسان استفاده کنید و همزمان سه نوع باتری را در آن ها قرار دهید.
8. مراحل 4 و 5 را برای چراغ قوه ها انجام دهید.
9. (انجام این مرحله اختیاری است) می توانید برای افزایش دقت آزمایش، تمام مراحل بالا را با یک سری باتری دیگر (با همان مشخصات) انجام دهید. حالا برای هر مرحله از آزمایش دو ولتاژ دارید که می توانید از آن دو میانگین بگیرید و ولتاژهای میانگین را در جدول مرحله بعد قرار دهید.
10. ولتاژهای بدست آمده در هر دستگاه را در یک جدول بصورت زیر مرتب کنید و نمودار آن را برحسب ولتاژ-ساعت رسم کنید. در این صورت دو جدول و دو نمودار بصورت زیر خواهید داشت:
| Camelion (non-alkaline) | Panasonic (alkaline) | Duracell (alkaline) | نوع باتری |
| ولتاژ | ولتاژ | ولتاژ | زمان (hrs) |
| 1.4 | 1.45 | 1.5 | 0.0 |
| 0.5 | |||
| 1.0 | |||
| 1.5 | |||
| 2.0 | |||
| 2.5 |
حالا به سوالات زیر پاسخ دهید:
الف. کدام باتری در وسایل تخلیه جریان پایین دوام بهتری دارد؟
ب. کدام باتری در وسایل تخلیه جریان متوسط دوام بهتری دارد؟
ج. باتری های آلکالاین دوام بهتری دارند یا غیر آلکالاین؟
د. کدام باتری را برای خرید انتخاب میکنید؟
تکلیف:
آزمایشی برای تعیین اثر دما بر روی دوام و کارکرد باتری ها طراحی و اجرا کنید و برای ما بفرستید.
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: زینب شاه مرادی
