Pil nedir? Nasıl çalışır? Galvani ve Volta

Pil sandığınızdan çok önce keşfedilmiş olabilir. 1938 yılında arkeolog Wilhelm Konig, Bağdat’ın hemen dışındaki Khujut Rabu kazıları sırasında kilden yapılmış tuhaf kaplar buldu. Kavanoz şeklindeki bu kaplar yaklaşık 13 cm uzunluğundaydı, içinde, dışı bakırla sarılmış demir çubuklar bulunuyordu. Yapılan incelemeler bu kapların bir zamanlar sirke gibi asitli bir sıvıyla doldurulduğunu gösteriyordu. Milattan önce 200 yılından kalma bu kaplar Konig’e göre ilk pillerdi ve adlarına da Bağdat pili dendi.

Aşağıdaki resimde Bağdat pilinin bir modeli gösteriliyor.

İtalyan bilim insanı Alessandro Volta, elektrolit denilen (iyonlara ayrışarak elektrik akımını ileten) bazı sıvıların içine iki farklı metal çubuk yerleştirildiğinde, bu metal çubukların arasında bir potansiyel farkı elde edilebileceğini keşfetti. Böylece kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülebileceğini ve doğru akım elde edilebileceğini gösterdi. Bu olayın gerçekleştiği düzeneğe hücre, elektrokimyasal hücre ya da Volta hücresi denir. Volta hücrelerindeki kimyasal tepkimelerden (değişimlerden) kaynaklanan, büyüklüğü kullanılan metallerin cinsine bağlı olan potansiyel farka elektromotor kuvvet adı verilir. Bir veya daha fazla Volta hücresinin birleştirilmesiyle elde edilen üretece pil denir. Pil, elektriği üreten ilk cihaz olmasa da, düzenli ve uzun süre akım sağlayan ilk cihazdır. Bu buluşundan dolayı, Volta’yı onurlandırmak için elektromotor kuvvetin ve potansiyel farkın SI birimi volt olarak adlandırıldı.

Basit pil ya da hücre nedir? Limondan pil yapılır mı?

Farklı metallerden yapılmış iki plaka (veya çubuk),  bir elektrolitin (tuz veya asit çözeltisinin) içine yerleştirilirse bir hücre elde edilir; bu hücrelere basit pil ya da basit hücre denir. Bu cümleden hiçbir şey anlamadıysanız haklısınız. Örneksiz anlamak epeyce zor. Öyleyse örneğimizi gösterelim. Bizim laboratuvarda bir limonu aldık. Sonra bir galvanizli çiviyi (galvanizli çivi çinko kaplı çivi demek) ve bir de 1 cent’i (Amerika Birleşik Devletleri’nin 1 cent bozuk paraları bakırdan yapılıyor) bu limona sapladık. Sonra bakırın ve çinkonun uçlarına voltmetrenin uçlarını dokundurduk. Bakın ne oldu:

Eğer resme dikkatli baktıysanız voltmetrenin başlangıçta 0 voltu gösterdiğini, sonra uçlarını çiviye ve bozuk paraya aynı anda dokundurunca 1 voltu gösterdiğini fark etmiş olmalısınız. Neler oluyor?

1. Limonun içindeki sitrik asit elektrolit görevi görüyor. Yani sitrik asit iyonlarına ayrışarak elektrik akımını iletebiliyor.
2. Bakır bozuk para, katot (yani negatif elektrot), çünkü çinkoya göre elektronegatifliği daha yüksek, çinkoya göre elektron almaya daha yatkın.
3. Çinko kaplı çivi, anot (yani pozitif elektrot), çünkü bakıra göre elektronegatifliği daha düşük.
4. Limonun sitrik asit çözeltisi çinko ile oksitlenme tepkimesine giriyor yani çinkodan elektronları ayırıyor. Bu serbest kalan elektronlar voltmetrenin kablolarına, oradan da kendilerini çeken bakıra doğru hareket ediyor. Geride kalan çinko iyonları asit çözeltisine katılıyor.
5. Bakıra ulaşan elektronlar sitrik asit çözeltisi içindeki H⁺ (proton da deniyor buna) iyonlarıyla birleşip H₂ (hidrojen) gazı oluşturuyor. Eğer yakından dikkatlice baksaydık bakır bozuk paranın üstünde oluşan hidrojen gazı baloncuklarını görebilirdik.

Limon pilinin ne kadar potansiyel fark üreteceğini limon değil, bakır ve çinko belirler. Bu iki metalin elektron alma yatkınlıkları (elektronegatiflikleri) arasındaki fark, potansiyel farkı sağlar. Limondaki sitrik asit ise çinko iyonlarının çözünebileceği ortamı ve bakıra ulaşan elektronların birleşebileceği iyonları sağlar.

Ayrıca acaba birden fazla limon pilini seri bağlarsak ne olur diye merak ettik. Üç kat gerilim elde ettik ve bir LED’i de yakmayı başardık. Aşağıdaki resimde bu durumu görebilirsiniz (mavi ok, sönük de olsa yanan LED’i işaret ediyor).

Patatesten de pil yapılabilir mi sizce? Bir araştırın derim.

Volta pili nedir?

Günümüzde kullandığımız pillerin atası olan ilk pili Alessandro Volta, tuzlu suyla ıslatılmış kağıtlar ile gümüş ve çinko diskleri kullanarak yapmıştır. Bu cümleyi de anlamamış olabilirsiniz. Yine gösterelim:

Yukarıdaki resimde en altta bir gümüş bozuk para var. Sonra üstüne bir delikli çinko pul yerleştiriliyor. Sonra onun da üstüne tuzlu suyla ıslatılmış kalınca bir kağıt (ya da bez parçası) yerleştiriliyor. Bozuk para, pul, kağıt sıralaması tekrarlanıyor. En alttaki bozuk paranın hemen üstündeki çinko pil ile en üstteki bozuk para bir bakır tel ve bir LED lambayla birleştirildiğinde, LED’in yandığını görüyoruz. Demek ki gümüş ve çinko arasında da yine elektronegatiflik farkı var, tuzlu su elektrolit oluyor ve potansiyel fark oluşturulabiliyor. Bunun limon piliyle aslında aynı ilkeye dayandığını fark ettiniz mi? Pile, pil denmesinin nedeni İngilizce “pile” kelimesinin üst üste koymak anlamından kaynaklanır. Volta pili, bir çok basit hücrenin birleştirilmesiyle yapılır.

Galvani ve Volta’nın elektrik hakkındaki görüşleri

Elektriğin doğasını anlamaya başlamamız ve sonunda elektriği kontrol ederek çağdaş medeniyeti kurmamızda, 18. yüzyınlın sonlarında yaşamış olan iki İtalyan bilim insanının çok önemli rolleri olmuş. Bunlardan biri Luigi Galvani, diğeri Alessandro Volta.

Galvani, tıbbi araştırmalar sırasında elektrik kullanımına ilgi duymuş. Çünkü 1759’da felçli bir adamın kaslarının elektrikle uyarılıp hareket ettirildiğini görmüş. Galvani’ye göre bunun nedeninin “hayvan elektriği”olduğunu düşünmüş. İnsan vücudunda “hayvan elektriği” beyinden sinirlere sıvı halinde akıyor ve bu da kaslarda hareket üretiyor diye akıl yürütmüş. Sonra bu fikrini denemek için kurbağalarla deneyler yapmaya başlamış. Kurbağalarla yaptığı deneylerde, Galvani elektrostatik jeneratörü bir bakır telle kurbağanın bacağının üstündeki sinire bağlamış.  kullanmış. Galvani kurbağanın bacağının kasıldığını görmüş. (Bu arada kurbağanın ölü olduğunu söylemem gerekiyor.) Bu gözlemlerine dayanarak Galvani, sadece canlılara özgü bir elektrik türü olduğuna ikna olmuş.

Volta’nın aklı bu hayvan elektriği fikrine yatmamış, bilimsel olmadığını, mucizevi bir yanı olduğunu düşünmüş. Volta’ya göre kurbağanın bacağının hareket etmesinin nedeni kurbağanın içindeki “hayvan elektriği” değil, kurbağanın dışında yapay olarak üretilen ve uygulanan elektrikmiş. Galvani Volta’yı ve diğer bilim insanlarını ikna edebilmek için başka deneyler tasarlamış. Bunlardan birinde ölü bir kurbağaya dışarıdan elektrik vermeden (yani jeneratör kullanmadan), sadece kurbağanın bacağına iki farklı metal telle dokunduğunda, bacağın hareket ettiğini göstermiş. Galvani’ye göre bu elektriğin kaynağının canlının içinde olduğunun kanıtıymış. Volta yine şüpheyle yaklaşmış. Bu elektrik mutlaka dışarıdan bir yerden geliyor olmalı diye düşünmüş. Ama o sırada ne Galvani’nin sunduğu delilleri çürütebilmiş, ne de kendisi yeni delil üretebilmiş. Ta ki farklı metalleri diline dokundurmak aklına gelene kadar (acaba nereden geldi aklına). Bir bakmış bakırla çinkoyu aynı anda diline dokundurduğunda dilini elektrik çarpıyor. (9 voltluk pilin iki ucunu aynı anda dilinize değidirdiniz mi hiç?) Sonunda elektriğin kaynağının kurbağanın içi değil dışı olduğunu gösteren çok ünlü bir deney yapmış ve ilk Volta pilini üretmiş. Volta pili üretildiği için de elektrik akımının özellikleri araştırlabilmiş. Gerçekten de Volta’ya çok şey borçluyuz.

Galvani’nin tamamen yanıldığını, hayvan elektriği diye dirşey olmadığını düşünebilirsiniz. Ama çağdaş bilimle, canlılarda sinirlerde sinyallerin iletimini, sinir hücreleri ile nörotransmitter denen kimyasallar arasındaki tepkimeler olduğunu öğrendik. Yani Galvani aslında önemli bir şeyi görmüş ama fikrinde önemli kusurlar varmış.

Pil kapasitesi nedir?

Bir pilin veya hücrenin ne kadar süre boyunca ne kadar akım üretebileceğini gösteren ölçüye pil kapasitesi denir. Örneğin, kapasitesi 5 amper-saat olan bir pil, 5 saat boyunca 1 amperlik akım sağlar. Günümüzde kullandığımız akıll telefonların pilleri (bataryaları da denir) 2 – 3 Amper-saat civarındadır. Dizüstü bilgisayarların pilleri de 3 – 4 amper saat aralığındadır.

Pil ile ilgili kazanımlar

2017 – 10.1.2.2. Üreteçlerin seri ve paralel bağlanma gerekçelerini açıklar.

• Öğrencilerin üretecin keşfi üzerine deneyler yapan bilim insanları Galvani ve Volta’nın bakış açıları arasındaki farkı tartışmaları sağlanır.

Kaynaklar

• Galvani and Volta, Awesome Stories
• How stuff works