آمپر ساعت (Ampere-hour – Ah)

آمپر ساعت (Ampere-hour) که با نماد Ah یا کمتر رایج mAh (میلی‌آمپر ساعت، برابر با یک‌هزارم آمپر ساعت) نشان داده می‌شود، واحدی برای اندازه‌گیری ظرفیت بار الکتریکی است و به طور گسترده برای نشان دادن میزان شارژی که یک باتری می‌تواند ذخیره و تحویل دهد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع، آمپر ساعت نشان‌دهنده مقدار کل الکتریسیته‌ای است که می‌تواند از یک باتری در طول زمان تخلیه شود. درک مفهوم آمپر ساعت برای انتخاب، مقایسه و استفاده صحیح از انواع باتری‌ها، از باتری‌های کوچک دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل گرفته تا باتری‌های بزرگ خودروها و سیستم‌های ذخیره انرژی، حیاتی است. این دانشنامه به تفصیل به بررسی مفهوم آمپر ساعت و جوانب مختلف آن می‌پردازد.

مفهوم دقیق آمپر ساعت (Ah)

مفهوم دقیق آمپر ساعت (Ah) مربوط به میزان بار الکتریکی است که از یک نقطه عبور می‌کند. یک آمپر ساعت معادل مقدار باری است که با جریان ثابت یک آمپر در مدت زمان یک ساعت منتقل می‌شود. به عبارت دیگر، اگر باتری بتواند به مدت یک ساعت جریان ۱ آمپری را تأمین کند، ظرفیت آن ۱ آمپر ساعت است. اگر بتواند جریان ۰.۵ آمپری را برای ۲ ساعت تأمین کند نیز ظرفیت آن ۱ آمپر ساعت است.

از نظر واحدهای SI، واحد استاندارد بار الکتریکی کولن (Coulomb – C) است. رابطه بین آمپر ساعت و کولن به این صورت است: ۱ آمپر = ۱ کولن بر ثانیه (1 A = 1 C/s) ۱ ساعت = ۳۶۰۰ ثانیه (1 h = 3600 s) بنابراین، ۱ آمپر ساعت = ۱ آمپر $\times$ ۱ ساعت = (۱ کولن بر ثانیه) $\times$ (۳۶۰۰ ثانیه) = ۳۶۰۰ کولن. پس، آمپر ساعت در واقع واحدی برای اندازه‌گیری مقدار بار الکتریکی ذخیره شده است، هرچند به شکل رایج‌تر و کاربردی‌تری برای باتری‌ها بیان می‌شود.

فرمول کلی برای ارتباط بین جریان، زمان و ظرفیت بر حسب آمپر ساعت به صورت زیر است: $\text{ظرفیت (Ah)}=\text{جریان (A)}\times \text{زمان (h)}$

رابطه آمپر ساعت با زمان دشارژ باتری

یکی از کاربردی‌ترین جنبه‌های آمپر ساعت، درک رابطه آمپر ساعت با زمان دشارژ باتری است. با دانستن ظرفیت آمپر ساعت یک باتری و میزان جریانی که دستگاه مصرف می‌کند (بر حسب آمپر)، می‌توان زمان تقریبی کارکرد دستگاه با آن باتری را تخمین زد.

به طور ایده‌آل، اگر یک باتری با ظرفیت C آمپر ساعت جریان ثابتی معادل I آمپر را تأمین کند، زمان دشارژ (t) بر حسب ساعت به صورت زیر محاسبه می‌شود: t≈I (A)C (Ah)​

به عنوان مثال، یک باتری با ظرفیت ۱۰ آمپر ساعت که دستگاهی با مصرف ۰.۵ آمپر را تغذیه می‌کند، به طور نظری می‌تواند حدود ۲۰ ساعت کار کند ($10\text{ Ah}/0.5\text{ A}=20\text{ h}$). البته این یک تخمین ساده است و عوامل دیگری نیز بر زمان واقعی کارکرد تأثیر می‌گذارند (که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌شود).

تبدیل آمپر ساعت به وات ساعت (Wh) و ژول

آمپر ساعت تنها نشان‌دهنده مقدار بار الکتریکی است، اما مقدار انرژی ذخیره شده را مستقیماً بیان نمی‌کند. واحد وات ساعت (Wh) برای این منظور استفاده می‌شود و نشان‌دهنده مقدار انرژی الکتریکی است که می‌تواند تحویل داده شود. برای تبدیل آمپر ساعت به وات ساعت، باید ولتاژ متوسط باتری (V) را نیز در نظر گرفت.

تبدیل آمپر ساعت به وات ساعت (Wh) و ژول به صورت زیر انجام می‌شود: $\text{انرژی (Wh)}=\text{ظرفیت (Ah)}\times \text{ولتاژ (V)}$

به عنوان مثال، یک باتری ۱۲ ولتی با ظرفیت ۱۰۰ آمپر ساعت، انرژی معادل ۱۲ ولت $\times$ ۱۰۰ آمپر ساعت = ۱۲۰۰ وات ساعت را ذخیره می‌کند. زمانی که باتری‌های مختلف با ولتاژهای متفاوت مقایسه می‌شوند، وات ساعت معیار دقیق‌تری برای مقایسه کل انرژی قابل دسترس است تا صرفاً آمپر ساعت.

برای تبدیل وات ساعت به واحد استاندارد انرژی در SI یعنی ژول (Joule)، از رابطه زیر استفاده می‌شود: ۱ وات ساعت = ۳۶۰۰ ژول (1 Wh = 3600 J)

تاثیر دما و جریان دشارژ بر ظرفیت آمپر ساعت

ظرفیت آمپر ساعت که روی باتری‌ها درج می‌شود، معمولاً تحت شرایط استاندارد آزمایش (مانند دمای ۲۰-۲۵ درجه سانتی‌گراد و سرعت دشارژ پایین و ثابت) اندازه‌گیری می‌شود. در عمل، تاثیر دما و جریان دشارژ بر ظرفیت آمپر ساعت می‌تواند قابل توجه باشد:

• تاثیر جریان دشارژ: اگر باتری با جریان بسیار بالایی (سریع) دشارژ شود، ظرفیت قابل دسترس آن عملاً کمتر از ظرفیت نامی آمپر ساعت خواهد بود. این پدیده به “قانون پئوکرت” (Peukert’s Law) مرتبط است. هرچه جریان کشیده شده بیشتر باشد، انرژی هدر رفته داخلی بیشتر شده و باتری زودتر به ولتاژ قطع می‌رسد.
• تاثیر دما: دماهای بسیار پایین می‌توانند به طور قابل توجهی ظرفیت قابل دسترس باتری‌های مبتنی بر الکترولیت مایع (مانند سرب-اسید و برخی لیتیوم-یون‌ها) را کاهش دهند. دماهای بسیار بالا نیز می‌توانند بر عملکرد و عمر کلی باتری تأثیر منفی بگذارند.

بنابراین، آمپر ساعت درج شده روی باتری یک شاخص مفید است، اما زمان کارکرد واقعی به شرایط استفاده بستگی دارد.

اهمیت واحد آمپر ساعت در مشخصات باتری‌ها

اهمیت واحد آمپر ساعت در مشخصات باتری‌ها در فراهم آوردن یک معیار قابل فهم برای مصرف‌کنندگان و مهندسان جهت تخمین مدت زمان کارکرد دستگاه با باتری است. هنگام انتخاب باتری برای کاربردی خاص، ظرفیت آمپر ساعت یکی از مهم‌ترین فاکتورهایی است که باید در نظر گرفته شود.

• برای دستگاه‌هایی که به زمان کارکرد طولانی‌تری نیاز دارند، باتری با آمپر ساعت بالاتر مورد نیاز است.
• برای مقایسه باتری‌های مختلف از یک نوع شیمیایی و با ولتاژ مشابه، واحد آمپر ساعت معیار مستقیمی برای مقایسه ظرفیت آن‌هاست.
• برای طراحان سیستم، دانستن ظرفیت آمپر ساعت به آن‌ها کمک می‌کند تا باتری مناسب را برای تأمین نیازهای انرژی دستگاه در طول زمان مشخص انتخاب کنند.

البته، در کنار آمپر ساعت، مشخصات دیگری مانند ولتاژ (V)، حداکثر جریان دشارژ (Maximum Discharge Current)، مقاومت داخلی (Internal Resistance) و عمر سیکل (Cycle Life) نیز برای انتخاب باتری مناسب اهمیت دارند.

نتیجه‌گیری

آمپر ساعت (Ah) واحد کلیدی برای بیان ظرفیت بار الکتریکی باتری‌هاست و نشان می‌دهد که باتری تا چه میزان می‌تواند جریان الکتریکی را در طول زمان تحویل دهد. مفهوم دقیق آمپر ساعت به مقدار بار ذخیره شده برمی‌گردد و رابطه آمپر ساعت با زمان دشارژ باتری امکان تخمین مدت زمان کارکرد دستگاه را فراهم می‌کند. در حالی که تبدیل آمپر ساعت به وات ساعت (Wh) و ژول برای درک انرژی کل ذخیره شده لازم است، واحد آمپر ساعت همچنان اهمیت واحد آمپر ساعت در مشخصات باتری‌ها را به عنوان یک معیار عملی برای مقایسه ظرفیت در ولتاژهای مشابه حفظ کرده است. با در نظر گرفتن تاثیر دما و جریان دشارژ بر ظرفیت آمپر ساعت، می‌توان تخمین دقیق‌تری از عملکرد باتری در شرایط واقعی داشت. در نهایت، آمپر ساعت ابزاری ضروری برای درک و استفاده بهینه از باتری‌ها در دنیای مدرن است.