כיצד פועלת סוללה?
21/04/2011

מבוסס על: 

  • סוללה חשמלית, ויקיפדיה
  • אנציקלופדיה עולם חדש – מדעי הטבע (ספרית מעריב)

סוללה, ("בטרייה" בלעז), מוכרת לכולנו כספק מתח למעגל חשמלי. לכאורה, זהו ספק המתח הפשוט ביותר, אך למעשה, אופן פעולתה מעניין מאד.
סוללה פועלת על עקרון של המרת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. אלסנדרו וולטה היה הראשון שהמציא סוללה בשנת 1800, ומאז היא אחד מספקי המתח הנפוצים ביותר בעולם.
ישנם שני סוגי סוללות-סוללות מתכלות המיועדות לשימוש חד פעמי ("סוללה ראשונית"), וסוללות נטענות המיועדות לשימוש רב פעמי ("סוללה שניונית"). כמו כן, ישנם גדלים שונים של סוללות, מסוללות קטנטנות המיועדות לשימוש במכשירי שמיעה, ועד לסוללות ענק בגודל של חדר המיועדות לשימוש במקרה של הפסקות חשמל במרכזי חישוב.
סוללות ראשוניות נפוצות הן סוללת אבץ-פחם , סוללת אלקליין וסוללת כספית.
סוללות שניוניות נפוצות הן למשל תא ניקל קדמיום , שבו האלקטרודות עשויות ניקל וקדמיום והטענתן נעשית על ידי הזרמת זרם חשמלי דרכן, שמפרק את התרכובות הכימיות שנוצרו בעת פעולתן. בנוסף קיימות בין היתר סוללות תא ליתיום יון, ותא ליתיום פולימר, שהן סוללות קטנות ודקות במיוחד המיועדות למכשירים חשמליים קטנים במיוחד כמו טלפונים ניידים. עלויות היצור של סוללה מסוג זה גדולות יותר מסוללה ראשונית, אך עלות השימוש בה בטווח הארוך נמוכה יותר, בגלל האפשרות לטעון מחדש את הסוללה.
כאמור, סוללה היא מכשיר הממיר אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. כיצד זה פועל? לשם כך עלינו לתאר מבנה הנקרא "חצי תא":
"חצי תא" הוא מבנה שבו ישנה אלקטרודה ותמיסה אלקטרוליטית. תמיסה כזו היא תמיסה המכילה יונים חיוביים ושליליים. כאשר מופעל עליה מתח חשמלי נעים היונים לכיוון הקטבים המנוגדים ועובר בה זרם חשמלי ולכן היא  מוליכה. האלקטרודה מופרדת מהתמיסה על ידי "שכבת הלמולץ כפולה" – זו תופעה שקורית כאשר מכניסים מוצק (במקרה זה האלקטרודה) לתוך נוזל (במקרה זה התמיסה): על פני המוצק מצטברים יונים (חיוביים או שליליים, בהתאם לסוג המוצק) בגלל תגובות כימיות המתרחשות בין הנוזל למוצק. אל היונים הללו נמשכים מטענים הפוכים מתוך התמיסה בגלל כוחות חשמליים של משיכה בין מטענים הפוכים (כוח קולון). במצב רגיל לאחר הצטברות כמות מסוימת של יונים (התלויה בסוג החומר והתמיסה) נוצר שדה חשמלי הדוחה את היונים ומונע הצטברות יונים נוספים.
ליצירת הפרש פוטנציאלים משתמשים בשני חצאי תאים המכילים אלקטרודות מחומרים שונים. האלקטרודות יכולות לשהות באותה תמיסה, או בתמיסות שונות שביניהן מחבר שער יונים – מחיצה אטומה למחצה המאפשרת מעבר יונים מצד אחד לשני, המאפשר שמירה על ניטרליות התמיסה בשני חצאי התאים. כאשר מחברים מוליך בין שתי האלקטרודות נוצר זרם מהפוטנציאל הגבוה לנמוך. זרם זה מוריד את השדה באלקטרודות  ומאפשר המשך התהליך הכימי ושמירה על הפרש פוטנציאלים קבוע בין האלקטרודות. התהליך יכול להמשך עד לירידת האנרגיה הכימית האגורה בתמיסה, כתוצאה מיצירת המולקולות היציבות ביותר מבחינה תרמודינמית. בסוללה שניונית ניתן להפוך את התהליך הכימי ע"י העברת זרם חשמלי בסוללה בכיוון ההפוך לקיטובה.
אם כן, הסוללה – כשמה – הינה סוללה (טור) של מספר תאים וולטאים. כל אחד מהם מכיל שני "חצאי תאים" המחוברים ביניהם בטור. חצי תא אחד מכיל תמיסה אלקטרוליטית ואלקטרודה אליה נמשכים מטענים שליליים, וחצי התא השני מכיל את אותה תמיסה ובה אלקטרודה אליה נמשכים מטענים חיוביים.
ניתן ליצור סוללה בבית ע"י הכנסת שתי אלקטרודות ממתכות שונות (נחושת ואבץ לדוגמה) לתוך פרי חומצי, כגון לימון.