電池

電池は、化学反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。通常、化学物質は電池の内部に保管されている。回路の中で、他の部品に電力を供給するために使用される。電池は、直流(DC)電気(一方向に流れ、前後に切り替わらない電気)を作り出す。

建物の中のコンセントから電気を使うのが安くて効率的ですが、配電設備のない場所でも電池があれば電気を供給できます。また、電気自動車携帯電話など、動くものにも有効です。

電池には一次電池と二次電池がある。一次電池は、電気を供給できなくなったら捨てられます。二次電池は充電して再利用できる。



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電池の模式図Zoom
電池の模式図

電池の中の化学物質

電池には1つのセルと複数のセルがあります。各セルには、負極、正極、電解質があります。電解液は、バッテリー内部の主な物質です。多くの場合、酸の一種であり、触れると危険です。陽極は、電解液と反応して電子を生成します(これはマイナスまたは-端です)。陰極は電解液と反応して電子を奪います(これはプラスまたは+の端です)。電線が陽極と陰極をつなぎ、電子が一方から他方へ移動することで電流が発生する。(しかし、電線で両端をつないだだけでは電池は壊れてしまうので、両端の間には負荷が必要になります。負荷とは、電子の動きを遅くするもので、懐中電灯の電球電卓電子回路のように、通常は何か役に立つことをしています)。

電解質には液体固体がある。電池は、電解質の種類によって、湿式電池、乾式電池と呼ばれています。

電池の中で起こる化学反応は発熱反応です。この種の反応は熱を作ります。例えば、ノートパソコンの電源を長時間入れたままにしておいて、バッテリーに触れると温かくなったり、熱くなったりしますよね。

二次電池は、電池内で起こる化学反応を逆転させることで充電します。しかし、二次電池は決められた回数(充電寿命)しか充電できません。内蔵された電池であっても、永遠に充電することはできないのである。また、充電するたびに、電池の保持力は少しずつ低下していきます。充電できない電池は、水酸化カリウムなどの様々な有害物質が漏れ出す可能性があるので、充電してはいけません。

セルを接続することで、より大きなバッテリーを作ることができます。ある電池のプラスと次の電池のマイナスをつなぐことを「直列接続」という。それぞれの電池の電圧を合計します。6Vの電池を2個直列につなぐと12Vになります。

一方のセルのプラスをもう一方のセルのプラスに、マイナスをマイナスに接続することを「並列接続」といいます。電圧はそのままで、電流が加算されます。電圧とは、電子を電線の中に押し出す圧力のことで、単位はボルトです。電流とは、電子が一度にどれだけ進むことができるかを示すもので、単位はアンペアです。電流と電圧の組み合わせが、バッテリーのパワー(ワット=ボルト×アンペア)となります。



並列に接続されたバッテリー - 回路図と図面で示されるZoom
並列に接続されたバッテリー - 回路図と図面で示される

バッテリーサイズ

電池には様々な形や大きさ、電圧があります。

アルカリ乾電池を含むAA、AAA、C、Dセルは、標準的なサイズと形状で、約1.5ボルトの電圧を持っています。セルの電圧は、使用する化学物質によって決まる。電池の電圧は使用する化学物質によって異なり、供給できる電気量は電池の大きさや使用する化学物質によって異なる。電池の充電量は通常、アンペア時間で表される。電圧は変わらないので、充電量が多ければ大きいほど、より多くのアンペアを供給でき、より長い時間作動させることができます。



沿革

初めて電池が発明されたのは 1800アレッサンドロ・ボルタが発明した。今ではボルタ電池と呼ばれていますが、この電池は「ボルタの山」と呼ばれています。

最近の小型電池は、液をペースト状にして固定化し、すべてを密閉したケースに入れている。このケースのおかげで、電池の外には何もこぼれない。自動車用バッテリーなどの大型バッテリーは、内部に液体が残っており、密閉されていない。電解質に溶融塩を使用するタイプの電池は、第二次世界大戦中に発明された。



電池の種類

  • 乾電池電解質として液体を含まない(またはペーストやゲルなどの固定化された液体を含む)電池
    • 一次電池、再充電できない細胞
      • アルカリ乾電池、「アルカリ」、充電不可
      • 水銀電池、充電不可
      • 充電式ではない「スーパーヘビーデューティー」なルクランシュバッテリー
      • リチウム電池、充電不可、"コイン電池"
      • 酸化銀電池、充電不可、時計用電池
      • ボルタの山、アレサンドロ・ボルタの最初の電池
    • 二次電池、充電可能な細胞
      • 密閉型鉛蓄電池
      • 携帯電話ノートパソコンに使用されている充電式のリチウムイオン電池
      • ニッケル・カドミウム電池、"NiCd"、充電式
      • ニッケル水素電池「NiMH」、充電式
      • ニッケル・亜鉛電池



カーバッテリーの上面図Zoom
カーバッテリーの上面図

電池に代わるもの

燃料電池太陽電池は、エネルギーを内部に蓄積しないため、電池ではありません。

コンデンサは、化学反応のエネルギーを蓄えるものではないので、電池とは異なります。コンデンサは、電気を蓄えたり、電池よりもはるかに速く電気を作り出したりすることができるが、通常、電池のように大きくするにはコストがかかりすぎる。科学者や化学技術者たちは、電気自動車のために、より優れたコンデンサーやバッテリーを作るために努力している。

手や足で操作する小型の発電機は、小型の電気機器に電力を供給することができる。時計式ラジオや時計式トーチなども、機械的エネルギーを蓄えるためにゼンマイを巻いています。



質問と回答

Q:バッテリーとは何ですか?


A:電池とは、化学反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。

Q: 電池はどのようにして電気を作るのですか?


A:電池は直流(DC)電気を発生させます。この電気は一方向に流れ、前後に切り替わることはありません。

Q: 電池の中の化学物質はどこにあるのですか?


A:通常、化学物質は電池の中に保管されています。

Q: 一次電池と二次電池はどう違うのですか?


A:一次電池は電気を供給できなくなると捨てられますが、二次電池は充電して再利用することができます。

Q:電池はなぜ便利なのですか?


A:電気自動車や携帯電話など、移動するものや配電のない場所で電気を供給するのに便利です。

Q: 建物のコンセントの電気を使う方が、電池を使うより安くて効率的なのでしょうか?


A:はい、建物内のコンセントの電気を使う方が、電池を使うよりも安く、効率的です。

Q: 電池はどんな電気を作るのですか?


A:直流(DC)電気です。

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