Przepływ prądu w akumulatorach?

Czytam podstawową książkę o elektronice: „Nie ma elektronów: elektronika dla ziemian” i natknąłem się na sprytny fragment o tym, że potrzebny jest obwód zamknięty, aby prąd mógł płynąć. Oto fragment, który mnie ciekawi:

„Zawsze mnie to niepokoiło: jeśli ujemne zaciski akumulatorów mają nadmiar elektronów (ładunek ujemny), a dodatnie zaciski akumulatorów mają zbyt mało elektronów (ładunek dodatni), a przeciwieństwa się przyciągają, dlaczego nie mogę zaczepić drutu między ujemna strona jednej baterii i dodatnia strona innej baterii i uzyskać prąd? Prawda jest taka, że ​​to nie zadziała. Nie przepłynie prąd. Gdyby ktoś był w stanie mi to wyjaśnić, prawdopodobnie nigdy nie napisałbym tej książki . ”

Czy ktoś ma bezpośrednią odpowiedź na to pytanie?

Problemem jest tutaj początkowy słaby opis działania baterii.

Bateria składa się z trzech rzeczy: elektrody dodatniej, elektrody ujemnej i elektrolitu pomiędzy nimi. Elektrody są wykonane z materiałów, które silnie chcą ze sobą reagować; elektrolity są oddzielone od siebie.

Elektrolit działa jak filtr, który blokuje przepływ elektronów, ale przepuszcza jony (dodatnio naładowane atomy z elektrod). Jeśli akumulator nie jest podłączony do niczego, siła chemiczna ciągnie jony, próbując przeciągnąć je przez elektrolit, aby zakończyć reakcję, ale równoważy to siła elektrostatyczna - napięcie między elektrodami. Pamiętaj - napięcie między dwoma punktami oznacza, że ​​pomiędzy punktami występuje pole elektryczne, które popycha naładowane cząstki w jednym kierunku.

Po dodaniu drutu między końcami akumulatorów elektrony mogą przechodzić przez drut, napędzany napięciem. Zmniejsza to siłę elektrostatyczną, dzięki czemu jony mogą przenikać przez elektrolit. Gdy akumulator jest rozładowany, jony przemieszczają się z jednej elektrody na drugą, a reakcja chemiczna przebiega do momentu zużycia jednej z elektrod.

Myśląc o dwóch bateriach obok siebie, połączonych jednym przewodem - między tymi dwiema bateriami nie ma napięcia, więc nie ma siły napędzającej elektrony. W każdym akumulatorze siła elektrostatyczna równoważy siłę chemiczną, a akumulator pozostaje w stanie ustalonym.

(W pewnym sensie zastanowiłem się nad tym, co to znaczy, że dwa materiały „chcą” ze sobą reagować. Google „Gibbs free energy”, aby uzyskać więcej informacji na ten temat. Możesz również użyć Google „równania Nernsta”)

Zapomnij na chwilę o bateriach, to tylko jedna z tysiąca analogii, których możesz użyć do opisania napięcia / prądu, a powód braku przepływu prądu nie ma nic wspólnego z właściwościami elektrochemicznymi baterii, jest to o wiele prostsze.

Najłatwiej to sobie wyobrazić: prąd płynie zawsze tylko w pętli, nawet w bardzo skomplikowanych obwodach zawsze można rozbić go na pętle prądu, jeśli nie ma ścieżki powrotu prądu do źródła, brak przepływu prądu.

W przykładzie baterii nie ma ścieżki prądu powrotnego, więc prąd nie będzie płynął. Oczywiście istnieje głębszy fizyczny powód, dla którego to działa, ale jako pytanie zadane w celu uzyskania prostej odpowiedzi pominę matematykę, równania Google'a Maxwella i sposób ich wykorzystania w wyprowadzeniu prawa napięcia Kirchhoffa.

Dobrym przykładem tego są baterie, ponieważ są to źródła prądu o całkowicie izolowanym uziemieniu. Ten przykład byłby równie prawdziwy dla każdego innego źródła zasilania z całkowicie izolowanym „uziemieniem”.

Nie jest to jednak łatwe do znalezienia, na przykład zrobienie tego z 2 dostawami stanowiskowymi prawdopodobnie spowodowałoby, że jeden z zapasów dostawczych byłby bardzo niezadowolony, ale to nie dlatego, że efekt jest inny, różnica polega na tym, że zaopatrzenie ławkowe jest prawdopodobnie uziemione do okablowania elektrycznego w budynku i jako taka istnieje ścieżka powrotna dla przepływu prądu.

Skuteczna jest również analogia wody. Pomyśl o swoim przykładzie baterii w ten sposób:

Masz pompę wodną (akumulator A) podłączoną do rury (przewód) i masz inną pompę wodną (akumulator B) podłączoną do tej samej rury (przewód). Teraz w twoim przykładzie nie ma ścieżki powrotnej w systemie, więc wyobraź sobie, że rura jest pełna wody, ale zamknięta na obu końcach.

Wcisnąłeś wyłącznik zasilania pomp, co się stanie?

Odpowiedź jest niczym, nie ma gdzie przenieść wody, pompy nawet się nie obracają. (zignoruj ​​efekty podobne do turbulencji wody dla tej analogii).

Teraz, jeśli miałbyś podłączyć rurkę w pętlę i nacisnąć przełącznik, pompy wirowałyby (napięcie) i płynęła woda (prąd).

Jeśli użyjesz 2 pomp o różnej prędkości (akumulatory o innym napięciu) i skierujesz je ku sobie, jedna z nich przepali się i spowoduje obrót drugiej w niewłaściwym kierunku (wypalenie, podobnie jak równoległe podłączenie baterii 9V i 6V).

Jeśli podłączysz obie pompy skierowane w tym samym kierunku, uzyskasz większe ciśnienie wody (napięcie), ponieważ pompy pomagają sobie nawzajem (2 baterie szeregowo).

Załóżmy, że masz baterie AA o napięciu 1,5 V. Dalej, oznaczmy je baterią A i baterią B. Jeśli podłączysz A + do B-, tak naprawdę dostajesz różnicę 3 V między A- do B +.

B+  -------------------
|                     |
B- _ A+  --           | 3V
     |    | 1.5 V     |
     A-  --------------

Kiedy podłączysz B- do A +, oba mają ten sam potencjał (w końcu są podłączone za pomocą drutu). B + jest o 1,5 V wyższy niż ten potencjał, a A- jest o 1,5 V niższy.

Ważne jest, aby pamiętać, że napięcie nie jest wartością bezwzględną . To wartość względna . Drut B- _ A + będzie miał jeden potencjał, a B + i A- są względem tego potencjału.

Ja również zawsze uważałem, że tradycyjny opis laika dotyczący baterii jest mylący. Większość ludzi opisuje baterię jako pojemnik do przechowywania energii elektrycznej, ale to nie wyjaśnia, dlaczego nie można zrzucić elektryczności z baterii na ziemię lub dlaczego nie można zasilić jednej baterii inną, jak w powyższym pytaniu .

To może nie być dokładny opis tego, co się faktycznie dzieje, ale uważam, że bardziej zrozumiałą analogią jest opisanie baterii jako pompy. „Energia” zawarta w akumulatorze służy do napędzania pompy; nie jest wysyłane za pośrednictwem drutu. Dzięki tej analogii jest oczywiste, dlaczego zarówno dodatni, jak i ujemny koniec akumulatora muszą być połączone w obwód. Jeśli powiedzmy, że podłączasz tylko elektrodę ujemną do uziemienia, nie ma prądu, ponieważ na elektrodzie dodatniej nie ma prądu, który można wypompować.

Technicznie rzecz biorąc, prąd może płynąć, ale nie musi, gdy przewód jest podłączony w ten sposób. Wszystko zależy od tego, czy istnieje potencjalna różnica w opłatach między tymi dwoma terminalami. Jeśli różnica jest niewielka, płynie niewielki / żaden prąd. Dotyczy to każdego drutu podłączonego między dowolnymi dwoma zaciskami, w dowolnym miejscu.

Jednak prąd bardziej niż prawdopodobnie nie będzie (w zależności od wieku / zużycia baterii). Powodem jest to, że różnica potencjałów napięcia - „dziury nadmiarowe na dodatnim końcu” i „nadmiar elektronów na ujemnym końcu” - odnoszą się do danej baterii . Nadmiar elektronów / dziur na końcach danej baterii względem siebie. Ten związek może, ale nie musi być prawdziwy, między ujemnym zaciskiem jednego akumulatora a dodatnim zaciskiem innego akumulatora.

Prąd wpływający do złącza jest zawsze równy prądowi, który wypływa z tego złącza. Dlatego prąd musi zawsze płynąć w pętli.

Pierwszy. Bardzo mały prąd BĘDZIE przepływać przez bardzo krótki czas ... ale potrzebuje tylko niewielkiej ilości ładunku elektrycznego (statycznego), aby przejść, aby wytworzyć wystarczające napięcie wsteczne, aby zneutralizować napięcie przewodzące. Przypomnij sobie, że jakakolwiek zauważalna elektryczność statyczna, taka jak pocieranie balonami włosów, zwykle wiąże się z WIELKIMI napięciami, takimi jak (dziesiątki) tysięcy woltów, które są niezbędne do wytworzenia iskry. Typowy prosty 1,5-woltowy ogniwo nie może wytworzyć iskry (bez specjalnej pomocy). W rzeczywistości, jeśli ostrożnie zawiesisz parę prostych ogniw (baterii) w przestrzeni lub powiesisz na sznurku, będą one oddziaływać z niewielkim dipolem i skręcą się jak para magnesów, a następnie przyciągną się. Niestety okazuje się, że jest to bardzo małe, choć obliczalne i skończone siły. Być może ten wyjątek został zrobiony z wyczuciem, aby to pokazać. Dalej, pierwotny problem przypomina trochę ładowanie kondensatora, jeśli się nad tym zastanowić. Ponieważ niepołączone zaciski są tylko płytkami kondensatora. Małe zaciski i separacja są bardzo różne liczbowo od dobrego kondensatora, który ma dużą powierzchnię i małą separację, co robi różnicę i dlatego prąd jest niewielki (ale skończony) w pierwotnym problemie.

Myślę, że kolejną rzeczą, która może cię mylić, jest to, że mówimy, że napięcie w przewodniku jest zawsze stałe. Chociaż jest to w większości prawda, jest to kłamstwo. Wszystkie przewodniki nadal mają skończony opór. Z tego powodu, jeśli podłączysz przewód między dwoma zaciskami akumulatora, jeden koniec drutu będzie faktycznie miał inny potencjał niż drugi, a prąd w przewodzie będzie zgodny z prawem omowym. Nie wiem, czy kiedykolwiek próbowałeś zewrzeć dwa zaciski takiej baterii, ale ponieważ rezystancja drutu jest tak niska, prawo daje bardzo duży prąd, który podgrzeje drut i poparzy.

Powodem, dla którego zwykle mówimy, że potencjał w przewodzie jest stały, jest to, że w naszym obwodzie zwykle znajdują się inne elementy, których rezystancja jest znacznie większa niż przewody. Z tego powodu większość napięcia ostatecznie spadnie na inne elementy w obwodzie i będzie bardzo niewielki spadek napięcia z jednego końca drutu na drugi. Możemy więc uprościć nasze problemy, mówiąc, że napięcie w przewodach jest stałe.