Pil nasıl çalışır? Yapısı nasıldır?
İnsanlar tarih boyunca enerjinin peşine düşmüşlerdir. Bir enerji formunu başka bir enerjiye çevirmek insanın doğasında vardır. Buharlı trenlerde olduğu gibi kömürü yakarak mekanik enerjiye çevirmeyi ya da bir türbine rüzgar çarptırarak elektrik üretmeyi başarabilmişizdir. Ancak enerjiyi depolama sorununa günümüzde bile tam anlamıyla bir çözüm bulabilmiş değiliz. Özellikle elektrik enerjisini. Piller bu sorunu çözmemize kısa süreli de olsa yardımcı oluyorlar. Batarya teknolojisi geliştikçe bu süreleri uzatma şansımız artacak. Şimdi gelin pilin çalışma prensibine ve yapısına göz atalım.
Öncelikle pilin tanımını yapalım:
Pil, ihtiyaç duyulan her yerde sınırlı miktarda elektrik enerjisi üretebilen, kendi kendine yeten, kimyasal bir güç kaynağıdır. Diğer bir ismi bataryadır. Depolanmış kısa süreli enerji ihtiyacının olduğu elektronik aletlerde kullanılan piller uygun maliyetli ve efektif bir enerji üretecidir.
Bir santralden evlerinize kadar kablolar vasıtasıyla iletilen ve anında tüketilmesi gereken elektrik enerjisinin aksine pil, yapısında depoladığı kimyasalları günler, haftalar, aylar boyunca kullanılabilmek üzere elektrik enerjisine dönüştürür.
Pilin nasıl çalıştığını anlayabilmek için pilin yapısına göz atmalıyız.
İçindekiler
Pilin yapısı
Tahmin ettiğiniz gibi bilin çok karmaşık bir yapısı yok. Bir kasa içerisine sıkıştırılmış kimyasallar ve bu kimyasalın enerjisini elektrik enerjisine çevirmeye yarayan pozitif ve negatif uçlardan ibaret diyebiliriz. Parçalarını biraz daha detaylandırmamız gerekirse:
Anot
Elektronlar anot ucunun dışına yani bağlı cihaza doğru akar. Bir bataryada, anot ve elektrolit arasındaki kimyasal reaksiyon, anotta bir elektron birikmesine neden olur. Bu elektronlar katoda da hareket etmek ister, ancak elektrolit veya ayırıcıdan geçemezler. Anodu elektron akışının yani elektrik enerjisinin başladığı uç diye tanımlayabiliriz.
Katot
Anottan çıkan elektronlar bağlı cihazı geçtikten sonra katot ucuna doğru akar. Elektronların katoda ulaşmasının tek yolu, akünün dışından gelen iletken bir devredir.
Elektrolit
Elektrolit, anotta meydana gelen kimyasal reaksiyonlar ile katod arasında iyonları taşıyabilen, genellikle sıvı veya jel olan maddedir. Elektrolit ayrıca anot ve katot arasındaki elektron akışını da engeller, böylece elektronlar elektrolit yerine dış devre içinden daha kolay akar. Elektronlar içinden geçemediğinden, anotu katoda bağlayan bir devre formunda elektrik iletkenleri boyunca ilerlemeye zorlarlar.
Ayırıcı
Ayırıcılar, anot ve katodun temas etmesini önleyen ve pilde kısa devreye neden olabilecek gözenekli malzemelerdir. Ayırıcılar, pamuk, naylon, polyester, karton ve sentetik polimer filmler dahil olmak üzere çeşitli malzemelerden yapılabilir. Ayırıcılar, anot, katod veya elektrolit ile kimyasal olarak reaksiyona girmez.
Pil nasıl çalışır?
Bir pilin içindeki temel güç ünitesine hücre denir ve üç ana elemandan oluşur. İki elektrot (elektrik terminalleri) ve bunların arasında elektrolit denilen bir kimyasal vardır. Güvenliğimiz için, bunlar genellikle metal veya plastik bir dış kılıf içinde paketlenir. İçinde bulunan elektrotlara bağlı dış tarafta artı (pozitif) ve eksi (negatif) ile işaretlenmiş iki tane elektrik terminali vardır.
Bir pilin iki elektrotunu bir devreye bağladığınızda (örneğin, el fenerine bir tane koyduğunuzda), elektrolit sinyallenmeye başlar. Yavaş yavaş, içindeki kimyasallar diğer maddelere dönüştürülür. Elektrotlardaki malzemelerden oluşan iyonlar (elektron içeren atomlar) elektrolit ile kimyasal reaksiyona girer. Aynı zamanda, elektronlar bataryanın bağlı olduğu devreden de geçerek bataryanın diğer tarafına dolanırlar. Bu işlem elektrolit tamamen bitene kadar devam eder. Bu noktada, iyonlar elektrolitin içinde hareket etmeyi keser ve pil biter.
Pilin uçlarında neden iki farklı eleman kullanılır?
Bir bataryadaki elektrotlar daima iki farklı malzemeden yapılır. Bu pilin çalışma prensibini anlamımızda çok önemli bir noktadır. İki uçta kullanılan elemanların biri elektronları çekmeyi biri de itmeyi seviyor olmalıdır ki elektronlar akabilsin. Her iki elektrot aynı malzemeden yapılırsa hiçbir akış olmaz.
Çinko çiviyi ve bakır bir parayı limonun içine batırarak basit bir pil yapmışsınızdır. Bu durumda elektrik akışı oluşur çünkü çivideki çinko atomları elektronlarını kaybeder ve bu da yaptığınız devre boyunca madeni paradaki bakır atomlarına doğru akar. Bu elektron akışı, küçük bir ampulü veya LED’i (kırmızı) aydınlatabilen bir akım oluşturur.
Pilin çalışma prensibinin tarihçesi
Pil, İtalyan fizikçi Alessandro Volta tarafından 1800 yılında keşfedilmiştir. İlk pratik batarya olan Voltaik pil kartonla ayrılmış ve tuzlu suya batırılmış çinko ve gümüş diskleri biriktirerek yapılmıştır.
Şimdi de pilin tarihine kısa bir göz atalım:
- M.Ö. 250 M.S. 224: Bazı tarihçiler, ilk bataryanın bu yıllarda keşfedildiğini iddia etmektedir. 1930’larda Bağdat yakınlarında bir kil kavanozunun içerisinde demir ve bakır parçaları (elektrotlara benzeyen) bulunmuştur. Bu keşif hala yaygın olarak “Bağdat Bataryası” veya “Pers Bataryası” olarak adlandırılsa da bazı tarihçiler aslında bir elektrik akımı üretip üretmediğinden şüphe ediyorlar.
- 1744: Ewald Georg von Kleist (1700–1748), elektrik yükünü depolayacak hem iç hem de dış yüzeylerde metal folyoya sahip bir cam kap olan ”Leyden Kavanozu” nu icat etti. Bu cihaz her ne kadar gerçekten bir kapasitör ( statik elektrik depolamak için bir cihaz) olmasına rağmen, modern bir batarya ile aynı amaca hizmet etmektedir. Taşınabilir bir elektrikli enerji deposu.
- 1749: ABD devlet adamı ve mucit Benjamin Franklin (1706-1790) birbirine bağlanan bir dizi kapasitöre atıfta bulunmak için “pil” terimini kullanmıştır
- 1800: İtalyan fizikçi Alessandro Volta (1745-1827) ilk pratik batarya olan Voltaik pili icat etti. Pil kartonla ayrılmış ve tuzlu suya batırılmış çinko ve gümüş diskleri biriktirerek yapılmıştır.
- 1836: İngiliz kimyager John Daniell (1790-1845), daha güvenilir bir batarya olan Daniell hücresini icat etti.
- 1859: Fransız doktor Gaston Planté (1834-1889) dünyanın ilk şarj edilebilir kurşun-asit bataryasını geliştirdi.
- 1868: Başka bir Fransız, Georges Leclanché (1839-1882), modern çinko-karbon pilini geliştirdi.
- 1949: Kanadalı kimya mühendisi Lewis Urry (1927–2004) Eveready Battery şirketi için alkalin ve lityum pilleri icat etti.
- 1970’ler: İngiltere’de Oxford Üniversitesinde çalışırken, Alman doğumlu Amerikalı kimyager John B. Goodenough (1922–) ve meslektaşları lityum-iyon pillerin arkasındaki bilimi anlamışlardır. Teknolojiyi kullanan ilk ticari piller, 1990’larda Sony tarafından geliştirilmiştir.
- 2017: John B. Goodenough, gelecekte lityum iyon teknolojisinin yerini alabilecek lityum veya sodyum camı esas alan bir bataryayı patentlemiştir.
