Flusso di corrente nelle batterie?

Sto leggendo un libro di elettronica di base: "Non ci sono elettroni: elettronica per terrestri" e mi sono imbattuto in un passaggio intelligente sul fatto che è necessario un circuito chiuso affinché la corrente scorra. Ecco il passaggio di cui sono curioso:

"Questo mi ha sempre infastidito: se i terminali negativi delle batterie hanno elettroni in eccesso (una carica negativa) e i terminali positivi delle batterie hanno troppi elettroni (una carica positiva) e gli opposti si attraggono, perché non posso agganciare un filo tra il lato negativo di una batteria e il lato positivo di una batteria diversa e ottenere corrente? Questa verità è che non funzionerà. Nessuna corrente scorrerà. Se qualcuno fosse stato in grado di spiegarmelo, probabilmente non avrei mai scritto questo libro ".

Qualcuno ha una risposta diretta a questa domanda?

La confusione qui deriva dalla scarsa descrizione iniziale di come funziona una batteria.

Una batteria è composta da tre cose: un elettrodo positivo, un elettrodo negativo e un elettrolita nel mezzo. Gli elettrodi sono realizzati con materiali che vogliono fortemente reagire tra loro; sono separati dall'elettrolito.

L'elettrolita si comporta come un filtro che blocca il flusso di elettroni, ma consente il passaggio degli ioni (atomi caricati positivamente dagli elettrodi). Se la batteria non è collegata a nulla, la forza chimica sta tirando gli ioni, cercando di attirarli attraverso l'elettrolita per completare la reazione, ma questo è bilanciato dalla forza elettrostatica - la tensione tra gli elettrodi. Ricorda: una tensione tra due punti significa che c'è un campo elettrico tra quei punti che spinge le particelle cariche in una direzione.

Quando si aggiunge un filo tra le estremità delle batterie, gli elettroni possono passare attraverso il filo, guidati dalla tensione. Ciò riduce la forza elettrostatica, quindi gli ioni possono passare attraverso l'elettrolita. Quando la batteria si scarica, gli ioni si spostano da un elettrodo all'altro e la reazione chimica procede fino a quando uno degli elettrodi non si esaurisce.

Pensando a due batterie una accanto all'altra, collegate da un filo, non c'è tensione tra le due batterie, quindi non c'è forza per guidare gli elettroni. In ogni batteria, la forza elettrostatica equilibra la forza chimica e la batteria rimane allo stato stazionario.

(Ho riflettuto su cosa significhi che due materiali "vogliono" reagire l'uno con l'altro. Google "Energia libera di Gibbs" per maggiori dettagli al riguardo. Potresti anche cercare su Google "Equazione di Nernst").

Dimentica le batterie per un secondo, questa è solo una delle mille analogie che potresti utilizzare per descrivere la tensione / corrente e il motivo per cui nessun flusso di corrente non ha nulla a che fare con le proprietà elettrochimiche delle batterie, è molto più semplice.

Il modo più semplice di pensarci è questo: la corrente fluirà sempre e solo in un ciclo, anche in circuiti molto complessi puoi sempre scomporla in anelli di corrente, se non c'è percorso per far tornare la corrente alla sua sorgente, ci sarà non c'è flusso di corrente.

Nell'esempio della batteria, non esiste un percorso di corrente di ritorno, quindi non scorre corrente. Esiste ovviamente una ragione fisica più profonda per cui questo funziona, ma poiché la domanda richiede una risposta semplice, salterò la matematica, le equazioni di Maxwell di Google e il modo in cui vengono utilizzati nella derivazione della legge sulla tensione di Kirchhoff.

Le batterie ne fanno un buon esempio semplicemente perché sono fonti attuali con terreni completamente isolati. Questo esempio sarebbe altrettanto vero per qualsiasi altra fonte di energia con una "terra" completamente isolata.

Tuttavia, questa non è una cosa facile da trovare, ad esempio farlo con 2 forniture da banco probabilmente renderebbe una delle forniture da banco molto infelice, ma non è perché l'effetto è diverso, la differenza è che le forniture da banco sono probabilmente entrambe a terra al cablaggio elettrico nell'edificio e come tale esiste un percorso di ritorno per il flusso della corrente.

L'analogia dell'acqua per questo anche efficace. Pensa all'esempio della batteria in questo modo:

Hai una pompa dell'acqua (batteria A) collegata a un tubo (il filo) e un'altra pompa dell'acqua (batteria B) è collegata allo stesso tubo (il filo). Ora nel tuo esempio non esiste un percorso di ritorno nel sistema, quindi immagina che il tubo sia pieno d'acqua ma chiuso su entrambe le estremità.

Premi l'interruttore di alimentazione sulle pompe, cosa succede?

La risposta è nulla, non c'è dove spostare l'acqua, le pompe non girano nemmeno. (ignora la turbolenza dell'acqua come effetti per questa analogia).

Ora, se si collegasse il tubo in un ciclo e si premesse l'interruttore, le pompe girerebbero (tensione) e l'acqua scorrerebbe (corrente).

Se hai usato 2 pompe a velocità diversa (batterie a voltaggio diverso) e le hai rivolte l'una verso l'altra si sovraccaricherà e causerà la rotazione dell'altra direzione nella direzione sbagliata (bruciarsi come se si collegassero una batteria da 9 V e 6 V in parallelo).

Se si collegassero entrambe le pompe puntando nella stessa direzione si otterrebbe una maggiore pressione dell'acqua (tensione) perché le pompe si stanno aiutando a vicenda (2 batterie in serie).

Supponiamo che tu abbia batterie AA, con 1,5 V ciascuna. Inoltre, etichettiamole batteria A e batteria B. Se si aggancia A + a B-, ciò che si ottiene effettivamente è una differenza di 3 V tra A- e B +.

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

Quando si collega B- a A +, entrambi hanno lo stesso potenziale (dopo tutto sono collegati con un filo). B + è 1,5 V più alto di questo potenziale e A- è 1,5 V più basso.

È importante ricordare che una tensione non è un valore assoluto . È un valore relativo . Il filo B- _ A + avrà un potenziale e B + e A- sono relativi a quel potenziale.

Anch'io ho sempre trovato fuorviante la descrizione del laico tradizionale di una batteria. La maggior parte delle persone descrive una batteria come un contenitore per l'elettricità, ma ciò non spiega perché non è possibile scaricare l'elettricità da una batteria a terra o perché non è possibile alimentare una batteria con un'altra, come nella domanda sopra .

Questa potrebbe non essere una descrizione accurata di ciò che sta realmente accadendo, ma trovo che un'analogia più comprensibile sia invece quella di descrivere una batteria come una pompa. L '"energia" contenuta nella batteria viene utilizzata per azionare la pompa; non viene inviato tramite il filo. Con questa analogia, è chiaramente ovvio il motivo per cui entrambe le estremità positiva e negativa di una batteria devono essere collegate in un circuito. Se, per esempio, si collega solo l'elettrodo negativo a terra, non c'è corrente perché non vi è elettricità in arrivo sull'elettrodo positivo che può essere pompato.

Tecnicamente, la corrente può fluire o meno quando un filo è collegato in quel modo. Tutto dipende dall'esistenza o meno di una potenziale differenza tra i due terminali. Se la differenza è piccola, scorrerà poca / nessuna corrente. Questo vale per qualsiasi filo collegato tra due terminali qualsiasi, ovunque.

Tuttavia, la corrente molto probabilmente non lo farà (a seconda dell'età / dell'uso della batteria). Il motivo è che la differenza di potenziale di tensione - i "fori in eccesso sull'estremità positiva" e gli "elettroni in eccesso sull'estremità negativa" - è relativa a una data batteria . Ci sono elettroni / buchi in eccesso alle estremità di una data batteria l'uno rispetto all'altro. Tale relazione può o meno essere vera tra il terminale negativo di una batteria e il terminale positivo di un'altra.

La corrente che fluisce in una giunzione è sempre uguale alla corrente che fluisce fuori dalla giunzione. Pertanto, la corrente deve sempre fluire in un ciclo.

Primo. Una corrente molto piccola fluirà per un tempo molto breve ... ma ha bisogno solo di una piccola quantità di carica elettrica (statica) per passare una tensione indietro sufficiente a annullare la tensione diretta. Ricorda che qualsiasi evidente elettricità statica come lo sfregamento dei palloncini sui capelli di solito comporta grandi TENSIONI come (decine di) migliaia di volt che è necessario per fare una scintilla. La tipica tipica cella da 1,5 volt non può provocare scintille (senza un aiuto speciale). In realtà, se sospendi attentamente una coppia di semplici celle (batterie) nello spazio o appendi a una corda, avrebbero una piccola interazione dipolo e si torcerebbero come una coppia di magneti e quindi si attraggessero. Sfortunatamente questo risulta essere forze molto piccole sebbene calcolabili e finite. Forse questo esempio è stato fatto sensibilmente per dimostrarlo. Ulteriore, a il problema originale è un po 'come caricare un condensatore se ci pensate. Con i terminali non collegati sono solo le piastre del condensatore. La piccolezza dei terminali e la separazione è numericamente molto diversa da un buon condensatore che ha una grande area e una piccola separazione che fa la differenza ed è per questo che la corrente è minuscola (ma finita) nel problema originale.

Penso che un'altra cosa che potrebbe confonderti è che diciamo che la tensione in un conduttore è sempre costante. Mentre questo è per lo più vero, è una specie di bugia. Tutti i conduttori hanno ancora una resistenza finita. Per questo motivo, se si collega un filo tra i due terminali di una batteria, un'estremità del filo avrà effettivamente un potenziale diverso, quindi l'altro e la corrente nel filo seguirà la legge degli ohm. Non so se hai mai provato a cortocircuitare i due terminali di una batteria in questo modo, ma perché la resistenza del filo è così bassa, la legge fornisce una corrente molto grande che riscalda il filo e ti brucia.

Ora il motivo per cui di solito diciamo che il potenziale in un filo è costante perché di solito ci sono altri componenti nel nostro circuito la cui resistenza è molto più grande dei fili. Per questo motivo la maggior parte della tensione finirà per cadere attraverso gli altri componenti del circuito e ci sarà solo una caduta di tensione molto piccola da un'estremità di un filo all'altra. Quindi possiamo semplificare i nostri problemi dicendo che la tensione è costante nei fili.