Perché la tensione delle batterie all'aceto in serie non è uguale alla somma delle singole tensioni?

Sto lavorando a una dimostrazione / esercitazione pratica per la classe della mia scuola elementare di mio figlio, e ho realizzato delle piccole batterie con monete della Nuova Zelanda da 10 centesimi (rivestite in rame), rondelle di zinco e cartone imbevuto di aceto. Ogni singola cella misura circa 0,96 volt, ma quando ne metto 4 insieme, ne esco solo circa 2,6 volt. Mi chiedo se c'è qualcosa di cui non sono a conoscenza riguardo alla natura di queste batterie che non le aggiunge.

Inoltre, anche a 2,6 volt, la stessa tensione che sto uscendo da un paio di AA eneloop, il LED non è affatto molto luminoso - rispetto al collegamento con gli AA eneloop, dove il LED è abbastanza luminoso. È a causa del basso amperaggio della batteria all'aceto? Mettere di più in serie lo renderebbe migliore (o devo crearne uno secondo e collegarli in parallelo?).

Sono un po 'un noob con l'elettronica, per lo più imparo ora perché mio figlio è molto interessato, quindi mi diverto un po' a impararlo con lui.

Grazie per eventuali suggerimenti.

Ho allegato un'immagine qui sotto che mostra il prodotto finale previsto (schiaccio la parte superiore e inferiore dei fili del led per completare il circuito, come un semplice interruttore). Sulla destra c'è quello che sto usando per le mie cellule (meno l'aceto e senza che il cartone venga tagliato per adattarsi alla moneta.)

Oltre a dimostrare una generazione di elettricità di base, dimostrerai perché non generiamo elettricità commerciale usando la moneta e l'aceto NZ!

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Figura 1. Ogni batteria ha una resistenza interna che provoca una caduta di tensione all'aumentare della corrente.

L'effetto della resistenza interna è di provocare una caduta di tensione all'aumentare della corrente. Una semplice dimostrazione di ciò sarà quella di collegarsi come mostrato con il multimetro impostato su mA quando in posizione AM1 (assicurarsi di avere i cavi nelle prese giuste) e impostare su DC V nella posizione VM1.

• Scollegare il LED. Misurare la tensione a circuito aperto. Non è necessario misurare la corrente a circuito aperto. Sarà zero.
• $R = \frac {V_{OC} - V_{LOADED}}{I}$

È difficile dire perché non stai ricevendo quattro volte 0,96 V quando sei collegato in serie, ma una foto potrebbe dirci di più.

Guardando la foto sospetto che potresti avere delle perdite nelle tue singole celle. Se i lati delle rondelle o delle monete si bagnano, ci sarà un corto parziale sulla cella. Per testarlo, crea quattro celle separate collegate tramite filo anziché pila.

Quando una batteria è collegata a un carico, la sua tensione di uscita diminuisce leggermente a causa della resistenza interna della batteria.

Se stai costruendo una batteria, ci sono quattro semplici cose che puoi fare per ridurre la resistenza interna della batteria:

1. Allargare gli elettrodi.

   • La resistenza dell'elettrolita sarà inversamente proporzionale alla sezione trasversale dell'elettrolita che attraversa la corrente. Generalmente la maggior parte della corrente viaggerà in linea retta direttamente tra gli elettrodi.
   • La velocità con cui possono verificarsi le reazioni chimiche è proporzionale all'area degli elettrodi.
   • Ciò equivale a collegare più batterie in parallelo.

2. Ridurre la distanza tra gli elettrodi. La resistenza dell'elettrolita sarà proporzionale alla distanza che la corrente deve percorrere attraverso di essa.

   • L'uso di cartone più sottile o di asciugamani di carta dovrebbe ridurre la resistenza.

3. Aumenta la concentrazione di ioni nell'elettrolita. La conduttività sarà in qualche modo proporzionale alla concentrazione di ioni.

   • Ad esempio, l'aceto contiene acido acetico. L'uso di un'altra marca di aceto con una percentuale più elevata di acido acetico potrebbe aiutare.
   • Se usi l'acido citrico anziché l'aceto, puoi acquistare polvere di acido citrico puro dal tuo negozio di alimentari locale. Di solito è nell'isola di cottura.

4. Utilizzare un elettrolita che ha una maggiore mobilità ionica. La resistenza dell'elettrolita sarà inversamente proporzionale alla mobilità ionica.

   • L'acido citrico (presente nel succo di limone) e il bicarbonato di sodio (bicarbonato di sodio) sono entrambi buoni elettroliti.

Oltre al fenomeno di resistenza interna che riduce la tensione della batteria sotto carico, è necessario prestare molta attenzione al commento di @Jasen sui cortocircuiti interni. Dai un'occhiata alle batterie di livello industriale e noterai che le singole celle non condividono mai l'elettrolito .

Ti suggerisco di provare a mettere un film non bagnabile (come pezzi di un sacchetto di plastica o involucro di caramelle) tra ogni moneta di una cella e la rondella della cella successiva. Dato che hai ancora bisogno che siano collegati elettricamente, metti un piccolo filo sul tuo strato isolante. Ciò dovrebbe migliorare la potenza della batteria e avvicinare la tensione totale alla somma delle tensioni delle singole celle, almeno senza carico.