Piller ve akümülatörler fizik ödevi ders notları


PİLLER ve AKÜMÜLATÖRLER
 

Piller kimyasal enerjiden elektrik enerjisi üreten düzeneklerdir.
Günlük hayatta çok kullandığımız pillerin en büyük avantajı elektrik
enerjisini taşınır kılmasıdır.

Çeşitli metaller kimyasal reaksiyonlar sırasında elektron verirler, 
buna yükseltgenme adı verilir.Çesitli metaller de bunun tersi olarak 
elektron alırlar buna da indirgenme adı verilir.

Bu  reaksiyonlar sırasında ;her metalin elektron verirken veya 
alırken, yarı pil potansiyeli adını verdiğimiz, verilen veya alınan 
elektronların karşılığı olan bir elektrik potansiyeli mevcuttur.

Bir pili oluşturan iki metalin yarı pil potansiyelinin cebirsel 
toplamı o pilin ürettiği voltaja eşittir.

Yükseltgenmenin olduğu elektrot Anotdur.Anoda gelen iyon da 
Anyondur,o halde Anyon negatif yüklü iyondur.Bunun tersi 
Katot ve Katyon olarak adlandırılır.

İlk zamanlarda piller tek defa kullanılabiliyordu ve tekrar 
kullanılabilen elektrik kaynağı olarak akümülatörler bulunmuştu.

Zamanımızda pek çok çeşit pil, birden çok kullanılabilme, yani 
tekrar şarj edilebilme özelliğine sahiptir.

Akümülatörlerde cell başına  2 volt gerilim elde edilir.
Anot Kahverengi Kurşun oksit Katot ise sülfürik aside 
daldırılmış gözenekli kurşundan yapılmıştır.

Piller şu şekilde sınıflanabilir:
 
 

1-) Atom pili
2-) Yakıt  pili
3-) Güneş pili
4-) Kuru pil
5-) Sıvı piller
6-) Gazlı piller
 
 

Atom pili uranyum ve grafit bloklardan oluşan ve nükleer enerjiden 
elektrik enerjisi elde etmeye yarayan pillerdir.

Yakıt pili dışarıda ki yakıttan örneğin: hidrojen ve oksijen gibi, 
elektrik enerjisi elde etmeye yarayan düzeneklerdir.

Güneş pilleri veya fotopiller amorf silisyum kristallerinden elde 
edilen P- N  kavşaklı bir yarıiletken yapıdır.Takriben açık güneşli
havada desimetrekare de 1 watt enerji  verebilir.

Pil İlk kez 1800 yılında Alessandro Volta tarafından yapılmıştır.
Bu pil yuvarlak çuha veya karton parçaları ile birbirinden ayrılmış 
bakır ve çinko disklerinin asitli suya batırılması ile oluşmuştu. 
Bu tip pillerde 

Volta pili

zamanla pozitif elektrot üzerinde  hidrojen kabarcıkları oluştuğu 
ve EMK de azalma olduğu ortaya kondu,buna  elektrot un 
kutuplanması denir,bunu azaltmak için çesitli oksitleyiciler 
kullanmak gerekir. Bu iş için kullanılan yükseltgen maddeler 
arasında;
Kromik asit,Potasyum bikromat, Nitrik asit gibi sıvılar ve kurşun 
dioksit,manganez dioksit gibi katılar vardır.

1842 de Poggendorf daha sonra Grenet,Ducretet ve Trouve 
potasyum bikromatlı pili yaptılar ve bu piller 2 volt ve yüksek 
akım vermekteydi.Bu  kutuplanmayan bir sıvı pildi.

Lechlanche pili bir kuru pildir. Bu pilde elektrot olarak Çinko 
ve Karbon kullanılır.
Lechlanche pilini Fery geliştirdi ve kendi adı ile anılan pili yaptı.
Eskiden cep fenerlerinde kullanılan  akıp cihazları berbat eden 
piller bu pillerdir…

Lechlanche pilinde amonyum klorür jel haline getirilmiştir  
çinkoyu sarar.Karbon etrafında bir gözenekli kılıf içinde karbon 
ve manganez dioksit bulunur.Tepe ziftlenir. Burada reaksiyon 
sonucu Amonyak ve hidrojen iyonu oluşur. 
 

Lechlanche pili
 

Yukarıda görülen Lechlanche pilinde turuncu renk karbon 
etrafınna sarılı olan manganez dioksit.Yeşil renk çinko katot,
aradaki gri renk ise manganez dioksit ile çinko arasında bulunan 
jel Amonyum klorürdür.
Kuru pillerde kutuplaşmayı önlemek için genel olarak kullanılan 
Manganez dioksittir.

Bunsen pilinde bu maksatla  nitrik asit kullanılır. 
Alman Fiziko-kimyacısı olan Robert Wilhelm Bunsen (1821 – 1899 ) 
1843 de bu pili yapmıştır.

Sıvı kutuplanmaz pillerin ilk örneği Daniell pilidir. Daniel pilinde 
Bakır ve Çinko  elektrot olarak kullanılır.1.08 volt elektrik gerilimi 
üretirler her elektrot kendi tuzlarının  çözeltisine batırılmıştır ve arada 
gözenekli bölme ile birbirlerinden ayrılırlar.burada Çinko çözünür,
Bakır ise çöker.Daniell pili bir sıvı pildir .Sıvı pillerde elektrolit sıvıdır.
Daniel pili de böyledir, keza Akümülatörlerdede elektrolit sıvı Sülfürik 
asittir.

Derişim pilleri de kutuplanmaz pillerdendir,burada aynı metalden 
yapılmış iki elektrot,bu metalin iki farklı tuzu içine konur.Latimer
Clark ve Weston pili  böyledir.Bu piller ölçek pil olarak adlandırılır
ve pillerin iç direnci ve EMK ölçümünde referans alınırlar.

Basınç altındaki gaz içinde olan piller gazlı pil olarak adlandırılır. 
Sir William Robert Grove İngiliz fizikçisidir. Aslında Bir hukukçudur 
ve amatör olarak fizikle uğraşmaktadır.1839 da elektrotları 
odunkömüründen olan gazlı pili yapmıştır.Gaugain ve Zeuger 
pilleri de gazlı pillerdendir.

Pillerin tipleri ve tarihçesini kısaca bu şekilde özetledikten sonra,
esas konumuz olan gündelik hayatta kullandığımız pilleri inceliyelim.

Günlük hayatta kullandığımız kuru piller, çeşitli boylarda ve 
güçlerde imal edilirler.Pillerin üretiği voltaj üzerlerinde yazılıdır.
Pillerin eskimesi halinde bu voltaj değerinde düşme meydana gelir,
buna bayat pil deriz.Normalde kullanılmış bir pilde bile çekilen akım,
pilin verebileceği akımdan fazla değilse voltaj düşmesi meydana 
gelmez, bu  şu demektir.biz bir pilin taze mi eski mi olduğunu 
yalnız voltajı ölçerek bulamayabiliriz.

Gündelik kullanımda  ki piller iki tiptir:

1-) Tekrar şarj edilebilen piller
2-) Tekrar şarj edilemeyen piller

Şarj edilebilen piller :

1-) Nikel Kadmiyum piller
2-) Nikel Metal Hidrit piller
3-) Lityum İon piller

Şarj edilemeyen piller :

1-) Muhtelif alkalen piller
2-) Gümüş oksit piller
3-) Çinko – Karbon pilleri
4-) Civalı piller

NİKEL KADMİYUM PİLLER :
Adından da anlaşilacağı gibi nikel ve kadmiyum dan yapılmış 
pillerdir. Bu piller hafızalı piller olarak ta adlandırılır. 
Şarjlı halde 1.44 volt maksimum voltaja sahiptir.

Boş halde 1.2 voltta tutulmalıdır.Bu pillerin verimli kullanılması
için 1.1 volt pil geriliminde mutlaka tekrar şarj edilmeleri gerekir.
Bunun için özel düzenekler mevcuttur. Bu pillerin güç eğrisi birden
azalır ve kullanım süresi sonunda güç birden düşer.

Tüm pillerin üzerinde mevcut olan pilin akım gücünü gösteren bir 
rakam mevcuttur bu mAmper / saat olarak ifade edilir.

Bir pilin üzerinde 800  mA /h yazıyorsa bu şu demektir: 
Bu pil 800 mA akımı ancak bir saat akıtabilir. Eğer bu pilden 
devamlı olarak 100 mA akım çekiyorsanız o zaman bu pil size 
8 saat hizmet edecektir.

Nikel kadmiyum piller akım şarjına tabidirler şarj voltajları 
1000 volta kadar çıkabilir. Ni-Cad piller üzerlerinde yazılı olan  
mA/saat değeri ne ise o değerin onda biri kadar bir akım 
ile 14 saat şarj edilirler.

Örneğin üzerinde 750 mA/saat yazan bir pili 75 mA ile 14 saatte 
şarj edebiliriz.Ama çoğu zaman hızlı şarj devreleri ile çabuk şarj 
gerekli olur.Bu durum pilin ömrünü kısaltır ve genellikle pilleri 
1 saatte sarj edecek kadar akım basılır. Bu durumda 400 – 1000 mA 
gibi yüksek bir şarj akımı uygulanır.Bir Nikel Kadmiyum pilin şarj 
olduğunu, sıcaklığının artmasından da anlayabiliriz; çünkü bu,
durumda reversible kimyasal reaksiyon bitmiş verilen enerji ısı 
enerjisine dönüşmekte demektir.

Pek çok cihazda ,özellikle elektrikli traş makinalarında 
kullanılan 220 V kondansatör devreli  akım regülatörleri 
çok başarılıdır lakin pillerin yerlerine yerleştirilmesi sırasında 
çarpılmamakta fayda vardır.

Bu tip pilleri şarj etmek için yapılacak şarj cihazının voltajını yüksek 
tutmak ve akım regülasyonu yapmak gerekir. 

Pratikte kullanılabileceğiniz çok basit iki şarj cihazı devresi 
veriyorum. 220 volt devresinde dikkat etmeniz gereken, pilleri 
taktıktan sonra anahtarı açmak olmalıdır. Veya bu voltajı 
transformatörle 70 – 80 volta düşürüp bu voltajda kondansatörün 
reaktansını bulup ona göre geçen akımı hesap etmelisiniz. 
Bu şekilde çarpılma riskini minimuma indirmiş olursunuz.

İkinci devrede çok kullanılan bir voltaj regülatörü olan  ‘LM 317’ 
akım regülatörü olarak kullanılmaktadır. Bu amaçla L200 de 
kullanılabilir. LM317’li devrenin tek dezavantajı maksimum 100 mA 
akım basabilmesidir.
Yani bu devre ile ancak 1000 mA /saat gücündeki pilleri 14 saatte 
şarj edebiliriz.
Fakat L200 ile iyi soğutulursa 1000 mA akım alınabilir.

220 volt şehir cerayanı ile çalışan  şarj devresinde  istediğiniz 
şarj akımını kendiniz hesaplayabilirsiniz. Biz burada 1200 mA / saat 
kapasiteli kalem piller için bir şarj devresi planladık ve bu pillerin 
120 mA şarj akımı ile 14 saatte dolacağını hatırladık. Bağlanan 
kondansatörün alternatif akıma göstermesi gereken direnç 400 mA için:

V = İ x R den      220 = 0.4 A x R  olur
R = 220 / 0.4  = 550     Ohm olur.
Kapasitif reaktans   Xc = 1 /
w
. C   dir.
550 Ohm luk dirence eşit kapasitif reaktans:    Xc =550 = 1 / C x
w  olur.
w değerinin  2p f  ‘ e eşit olduğunu biliyoruz o halde:  
C = 1 /550 x 2×3.14×50 olur.
C= 1/172700 = 5.7 mikrofarad  olur.

Bu değerde tek bir kondansatör bulmak mümkün olmadığı için 
birden çok kondansatörü paralel olarak bağlayabiliriz. Dikkat 
edilecek bir husus da bu kondansatörün elektrolitik tip kondansatör 
olmamasıdır. Piyasada non polar yüksek kapasitede kondansatör 
pek bulunmaz o nedenle, bulunabilen 1.5 mikrofaradlık 
kondansatörler paralel olarak bağlanabilir.

Kondansatörler en az 400 volt gerilime dayanmalıdır,
630 V gerilime dayanan kondansatörler tercih edilmelidir.

Nikel – Kadmiyum pillerin şarjında değişik teknikler kullanılır,
bunlar pilin ömrünü uzatmak için yapılan işlemlerdir. Pil yarı 
boşalmış halde iken şarj edilmez, aksi halde pil hafızasında 
tuttuğu bu noktadan ileriye doğru şarj olur bu da kapasitesini 
düşürür. Bu tip piller önce boşaltılır, sonra şarj edilir. 
Tricle şarj tekniği denen bir teknik de gelişmiş şarj cihazlarında 
mevcuttur. Bu teknikte düşük akım  kullanılır.

NİKEL METAL HİDRİT PİLLER : 
Nikel Kadmiyum pillerden sonra piyasaya çıkan bir pildir. 
Ni – Kad. Pillere göre daha yüksek kapasiteye sahiptir. 
Şarj edilmeleri hemen hemen Ni-Kad. Piller gibidir. Her iki pilin 
de bir iç dirençi vardır, bu direnç Ni – Kad. Pillerde daha yüksektir,
bu nedenle kullanılmadığında bu piller kendi içinden bir akım 
akıtır ve boşalırlar, bu olay NiMH pillerde daha çabuk olur ve 
daha kısa sürede boşalırlar.

LİTYUM İON PİLLER : Diğer şarj edilebilen pillere göre daha 
yüksek kapasiteleri olan pillerdir. Hafif piller olup, kendi kendine 
boşalmaları yavaştır, memory effect ‘i yoktur deşarj güç eğrisi 
lineerdir ve sizi birden biterek yolda bırakmaz. Şarj edilmeleri 
biraz daha güçtür, fakat bir yandan kullanılır bir yandan da şarj
edilebilirler. Hem voltaj hem de akım regülasyonu ile şarj edilirler.
 

Aşağıda şehir cereyanı ile çalışan bir şarj devresi görülmektedir.
Devre 120 mA akım verecek şekilde düzenlenmiştir. Bu durumda
C1 kondansatörü 6 mikrofarad civarında olmalıdır. Burada R1 
direnci 22 Ohm ve 2 W gücünde olmalıdır. C2 kondansatörü 
elektrolitiktir 100 mf 12 Vdur ve kutuplarına dikkat edilmelidir.
Çıkış ucu elektrolitik kondansatörün negatif ucu olur ve buradan 
pozitif çıkış alınır. Akım çekilmesi sırasında direnç üzerinde oluşan 
voltaj yaklaşık 2.5 V kadar olup bir LED‘in ışıması için yeterlidir.
 
 

  220 Volt Şehir cereyanlı şarj devresi ( 120 mA)
 
 

Aşağıda LM317 ile yapılmış bir akım şarj kaynağı devresi 
verilmektedir.Bu devrede R1 direnç değeri  12 ile 240 ohm 
arası bir değerde olabilir.Çıkış akımı 1.2 / R ohm = amper olarak
hesaplanır bundan dolayı da bu devre ancak  5 ile 100 mA arasında 
kullanılabilir.Çıkış voltajı giriş voltajından 1.25 volt düşüktür.
LM317  girişine 37 volta kadar gerilim uygulanabilir.

Bir akü şarj ünitesi ( TA2FR arşivinden )
Bu devrede 5 wattlık bir trafodan elde edilen 24 voltluk gerilim 
Bir köprü diyot girişine uygulanır.LM317 nin üç bacağı vardır,
elemana önden bakıldığında bu bacaklar sırası ile soldan sağa 
doğru ayar çıkış,giriş dir.C1 kondansatörü 2200 mikrofarad 50 V’dur.
R1 direnci 3 W dır.

Aşağıda Daha yüksek akım verebilen L200 ile

yapılmış bir akım regülatörü görülmektedir, ayarlı direnç telli ve 
5 W gücünde bulunabilirse devre ayarlı bir akım kaynağı olarak 
kullanılabilir.
L200 Maksimum çıkış akımı 2 A olan ve çıkış voltajı 2.85 ile 36 volt 
arasında olabilen  5 bacaklı bir entegre devredir. To 220 kılıfı içindedir.

 

AKÜMÜLATÖRLER :

İlk kez Sir william Grove’un tasarladığı platin elektrotlu pil ile ortaya 
çıkan doldurulabilir pil yapımını  Gaston Plante başardı.

Kurşun Kurşun oksit li
Nikel Kadmiyum lu
Nikel Demir li
Gümüş Çinkolu

Olmak üzere değişik tip akümülatör ler mevcuttur. En çok kullanılan 
Kurşunlu akümülatörlerde, elektrotlar kurşundur. Seyreltik sülfürik
asit de elektrolit olarak kullanılır.

Akümülatörler voltaj kaynağı ile şarj edilirler normal şarj için 
kapasitesinin 1 /10 u kadar akım verilir ve 24 saat süresince
şarj olur.

Otomobillerde kullanılan akümülatörler 45 ve 60 Ah kapasitesindedirler.
Yani bu akümülatör kullanılma süresi ile verdiği akım çarpımı 60’a eşittir.
Yani 10 amper çekiliyorsa 6 saat akım verebilir.
Dolu bir Akümülatör maksimum voltajı 14.5 volttur. Akümülatörler 
üzerinde ayrıca maksimum akım değeri de yazar bu çok yüksek 
bir akım değeridir.Bir Akümülatör  250 Ampere kadar bir akımı 
akıtabilir.