محاضره 14 / مسائل فارداي – البطاريات

⚡ فاراداي والبطاريات: كيف ترتبط الكيمياء الكهربائية بتخزين الطاقة؟

🧪 أولًا: من هو فاراداي؟

مايكل فاراداي هو أحد روّاد الكيمياء الكهربائية. في القرن التاسع عشر، وضع قانونين مهمين يربطان بين التيار الكهربائي وكمية المادة الناتجة أو المستهلكة في التفاعل الكهروكيميائي.

هذان القانونان لا يُستخدمان فقط في المعامل، بل يُطبّقان عمليًا في تصميم وتشغيل البطاريات بأنواعها.

🔋 ثانيًا: ما هي البطارية من وجهة نظر كيميائية؟

البطارية هي خلية كهروكيميائية أو مجموعة من الخلايا، تُحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
تحتوي البطارية على:

• أنود: يحدث فيه الأكسدة.
• كاثود: يحدث فيه الاختزال.
• إلكتروليت: يسمح بانتقال الأيونات.
• دائرة خارجية: تمر فيها الإلكترونات لتشغيل الأجهزة.

📘 ثالثًا: دور قوانين فاراداي في البطاريات

✅ قانون فاراداي الأول:

كمية المادة الناتجة (أو المستهلكة) على الأقطاب تتناسب طرديًا مع كمية الكهرباء المارة.

هذا يعني:

• إذا عرفت التيار والزمن، يمكنك معرفة كمية المواد التي تفاعلت.
• في البطارية: تستطيع تقدير كمية الطاقة الكهربائية المخزنة أو المستهلكة.

✅ قانون فاراداي الثاني:

عندما تمر نفس الكمية من التيار في خلايا مختلفة، تكون كتلة المواد الناتجة متناسبة مع مكافآتها الكيميائية.

هذا يساعد في:

• مقارنة أداء أنواع مختلفة من البطاريات.
• تصميم بطاريات بكفاءة أعلى (مثلاً، استخدام معادن ذات مكافئ كيميائي أكبر).

🧮 رابعًا: استخدام فاراداي لحساب سعة البطارية

🔹 السعة الكهربائية للبطارية (Capacity):

تقاس بوحدة أمبير·ساعة (Ah)، وتُمثل كمية الشحنة التي تستطيع البطارية توفيرها.

$$Q = I \times t$$

• $Q$: الشحنة بالكولوم
• $I$: التيار بالأمبير
• $t$: الزمن بالثواني

🔹 السعة النظرية للبطارية باستخدام فاراداي:

$$\text{Capacity (C)} = n \times F$$

• $n$: عدد مولات الإلكترونات المنتقلة أثناء التفاعل
• $F$: ثابت فاراداي = 96500 C/mol

ثم نحول إلى Ah:

$$\text{Capacity (Ah)} = \frac{n \times F}{3600}$$

🔷 مثال:

بطارية يحدث فيها تفاعل يُحرر 2 مول من الإلكترونات:

$$\text{Capacity} = \frac{2 \times 96500}{3600} \approx 53.6 \, \text{Ah}$$

🧪 خامسًا: تطبيقات فاراداي في أنواع البطاريات

🔋 1. بطارية الرصاص – الحمض (Lead-Acid):

• التفاعل عند الأنود:

  $$Pb \rightarrow Pb^{2+} + 2e^-$$

• التفاعل عند الكاثود:

  $$PbO_2 + 4H^+ + SO_4^{2-} + 2e^- \rightarrow PbSO_4 + 2H_2O$$

• كل 1 مول من Pb يُنتج 2 مول إلكترونات ⇒ نستخدم قانون فاراداي لحساب الطاقة الناتجة.

🔋 2. بطاريات الليثيوم (Lithium-ion):

• خفيفة، عالية الكفاءة، تُستخدم في الهواتف والحواسيب.
• تعتمد على انتقال أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود.
• فاراداي يُستخدم لحساب سعة كل خلية حسب عدد الإلكترونات.

🔋 3. بطاريات النيكل – كادميوم (Ni-Cd):

• تعتمد على انتقال إلكترونات بين الكادميوم والنيكل.
• فاراداي يُستخدم لحساب مقدار الشحن والتفريغ لكل دورة.

⚠️ سادسًا: لماذا قوانين فاراداي مهمة في عالم البطاريات؟

1. تصميم البطاريات:
   لتحديد عدد الألواح/الخلايا المطلوبة لتوفير سعة معينة.
2. شحن وتفريغ البطاريات:
   لفهم كمية الكهرباء الداخلة أو الخارجة، وتفادي الشحن الزائد.
3. الصيانة والتحكم:
   لتقدير عمر البطارية، وعدد دورات الشحن الكاملة الممكنة.
4. التطبيقات الصناعية:
   في السيارات الكهربائية، الأجهزة الطبية، الطاقة الشمسية.

📊 سابعًا: مقارنة بين سعة بطاريتين باستخدام فاراداي

مما يعني أن البطارية التي تُحرر عدد أكبر من الإلكترونات تعطي سعة أكبر (حسب قانون فاراداي).

📝 الخلاصة:

قوانين فاراداي ليست فقط معادلات نظرية، بل هي الأساس العلمي لفهم وعمل البطاريات.
بفضلها يمكننا:

• حساب كمية المادة المترسبة أو المستهلكة بدقة.
• تقدير الطاقة الكهربائية الناتجة أو المطلوبة.
• تصميم بطاريات بكفاءة واستقرار أعلى.
• استخدام البطاريات في تطبيقات متنوعة من الهاتف إلى السيارات.