مقاومت درونی: راز پنهان باتری‌ها
مقاومت درونی چیست و چرا وجود دارد؟
هنگامی که از یک باتری جدید در چراغ قوه استفاده می‌کنید، نور آن بسیار درخشان است. اما پس از مدتی، این درخشندگی کاهش می‌یابد. آیا تا به حال فکر کرده‌اید که چرا این اتفاق می‌افتد؟ پاسخ این پرسش، در مفهوم مقاومت درونی نهفته است.
هر منبع انرژی الکتریکی مانند یک باتری، از خودش مقداری مقاومت نشان می‌دهد. این مقاومت که به آن مقاومت داخلی نیز می‌گویند، به دلیل مواد شیمیایی داخل باتری و مقاومت الکتریکی رساناهای داخلی آن به وجود می‌آید. این ویژگی ذاتی، باعث می‌شود هنگامی که جریان الکتریکی از باتری خارج می‌شود، مقداری انرژی در داخل خود باتری به گرما تبدیل شده و در نتیجه، ولتاژی که در پایانه‌های باتری اندازه‌گیری می‌شود، کاهش یابد.
یک مقایسه‌ی ساده: جریان برق را مانند آبی در نظر بگیرید که از یک لوله عبور می‌کند. اگر داخل این لوله موانع و سنگ‌ریزه‌هایی وجود داشته باشد، فشار آب در خروجی لوله کاهش می‌یابد. مقاومت درونی باتری نیز دقیقاً مانند همان موانع داخل لوله عمل می‌کند و باعث افت ولتاژ ترمینال۲ می‌شود.
$V = \mathcal{E} - I r$
اجزای تشکیل‌دهنده یک باتری و مقاومت داخلی
برای درک بهتر، نگاهی به درون یک باتری ساده می‌اندازیم. یک باتری از چند بخش اصلی تشکیل شده است:
| جزء باتری | نقش | تأثیر بر مقاومت درونی |
|---|---|---|
| الکترودها (قطب‌ها) | محل انجام واکنش‌های شیمیایی | جنس و سطح الکترودها مستقیماً بر مقدار مقاومت تأثیر دارد. |
| الکترولیت | محیطی برای انتقال یون‌ها | غلظت و دما می‌توانند مقاومت الکترولیت را تغییر دهند. |
| اتصالات داخلی | رسانای جریان بین اجزا | طول، سطح مقطع و جنس این اتصالات در مقاومت کل نقش دارد. |
| - | - | مقاومت کل باتری حاصل جمع این مقاومت‌هاست. |
محاسبه و اندازه‌گیری مقاومت درونی در عمل
حال که با مفهوم مقاومت داخلی آشنا شدیم، چگونه می‌توانیم آن را اندازه‌گیری کنیم؟ یک روش ساده، استفاده از یک مولتی‌متر برای اندازه‌گیری ولتاژ باتری در دو حالت بدون بار و با بار است.
مراحل کار:
۱. ابتدا ولتاژ باتری را هنگامی که به هیچ مداری متصل نیست اندازه می‌گیریم. این ولتاژ، همان نیروی محرکه الکتریکی۳ ($\mathcal{E}$) باتری است. فرض کنید این مقدار ۹ ولت باشد.
۲. سپس یک مقاومت با مقدار مشخص (مثلاً ۱۰ اهم) را به باتری متصل کرده و دوباره ولتاژ دو سر باتری را اندازه می‌گیریم. این ولتاژ، همان ولتاژ ترمینال ($V$) تحت بار است. فرض کنید این مقدار ۸ ولت باشد.
۳. با استفاده از قانون اهم۴، جریان مدار را محاسبه می‌کنیم: $I = \frac{V}{R} = \frac{8}{10} = 0.8$ آمپر.
۴. در نهایت، از فرمول اصلی استفاده می‌کنیم تا مقاومت درونی ($r$) را پیدا کنیم:
$8 = 9 - (0.8) \times r$
$r = \frac{9 - 8}{0.8} = 1.25$ اهم
بنابراین، مقاومت درونی این باتری فرضی ۱.۲۵ اهم است.
تأثیر دما و عمر باتری بر مقاومت داخلی
مقاومت درونی یک باتری ثابت نیست و تحت تأثیر عوامل مختلفی تغییر می‌کند. دو عامل بسیار مهم، دما و عمر باتری هستند.
| عامل | تأثیر بر مقاومت درونی | مثال کاربردی |
|---|---|---|
| کاهش دما | افزایش مقاومت | ضعیف شدن باتری ماشین در زمستان |
| افزایش دما | کاهش مقاومت (تا یک حد مجاز) | کارایی بهتر باتری لپ‌تاپ در محیط گرم |
| فرسودگی و کهنگی | افزایش چشمگیر مقاومت | زود خالی شدن باتری گوشی قدیمی |
همان‌طور که می‌بینید، یک باتری قدیمی حتی اگر کاملاً شارژ شده باشد، به دلیل مقاومت داخلی بسیار بالا، نمی‌تواند جریان مورد نیاز دستگاه شما را تأمین کند و به نظر میرسد که "خالی" شده است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ مقاومت درونی (Internal Resistance)
۲ ولتاژ ترمینال (Terminal Voltage)
۳ نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive Force - EMF)
۴ قانون اهم (Ohm's Law)