Я пытался наглядно представить, что происходит внутри аккумуляторов при подключении, скажем, двух аккумуляторов на 1 и 5 В, и почему напряжение прибавляется к 3 В.
Несколько хороших объяснений пытались объяснить это по-разному, батареи как насосы и т. Д. Но у меня никогда не было хорошей картины того, что делают электроны, которые создают эффект аддитивного напряжения (вам нравится мой жаргон). До настоящего времени. Представляем: суперобъяснительную теорию поведения электронов в последовательно соединенных батареях. Ну, может быть, и нет, но я хотел бы получить обратную связь, чтобы убедиться, что я на правильном пути к пониманию этого мистического явления. Вот оно:
Возьмем, к примеру, эту батарею:
Анод:
Катод:
Когда батарея не подключена, будет иметь место часть окислительно-восстановительной реакции, описанной выше, создавая свободные электроны на аноде и удаляя электроны с катода, пока энергия, необходимая для вытеснения электронов с катода, не станет слишком большой, и реакция остановится. Это создает напряжение (электрический потенциал) для батареи. Чем больше электронов в аноде, тем больше они хотят перейти к катоду, что означает более высокое напряжение.
Когда вы замыкаете цепь, каждый электрон, перемещаемый от анода к катоду, способствует новой химической реакции, заменяя электрон на аноде, поддерживая реакцию с ровным напряжением, пока материалы не будут израсходованы.
Если соединить две батареи последовательно, не замыкая цепь, то электроны в аноде батареи 1 устремятся к катоду батареи 2, что, в свою очередь, подтолкнет химическую реакцию в батарее 2. Таким образом, у вас в два раза больше электронов на аноде батареи. 2 и исходное количество электронов на катоде батареи 1. Эй, вуаля, двойное напряжение.
Я вообще прав в своем впечатлении о том, что происходит?
Напряжение аналогично установке химического потенциала электрона в материале. Аналогия не в том, что электроны «мечтаются» вокруг, создавая напряжение. Аналогия заключается в объединении электрохимических потенциалов, через которые электроны должны подниматься вверх или через которые они могут падать вниз.
Представьте, что у вас есть две батареи с одинаковым напряжением, соединенные последовательно, используя последовательность (+ -) (+ -). Чтобы пройти через это соединение, электроны должны пересечь две электрохимические потенциальные ямы (или два потенциальных холма). Эти ямы или холмы существуют независимо от того, движутся ли через них электроны или нет.
Разность энергий электрохимического потенциала – это разница между абсолютными химическими потенциалами продуктов и реагентов. Это ощущается электронами; это не «сообщается системе».
Считать, что работа, необходимая для заряда пройти через разницу в напряжении является (эВ/электрон или Дж/электрон). Один электрон, проходящий через одну батарею, требует (или выделяет энергию, эквивалентную) работе . Прохождение второй батареи отдает или требует такой же энергии.
Я вообще прав в своем впечатлении о том, что происходит?
Вы не слишком далеко, но вы слишком сосредоточены на количестве электронов и недостаточно сосредоточены на электролите. Батарея имеет два электрода, и каждый электрод имеет как металл, так и электролит. Вы не можете понять батареи без обоих.
Электроны не могут двигаться в электролите, а ионы не могут двигаться в металле. Но на поверхности электрода происходит окислительно-восстановительная реакция, которая создает или расходует носители заряда с каждой стороны. Это изменяет носители заряда с электронов на ионы и наоборот, так что ток может проходить через интерфейс, даже если отдельные носители заряда не могут.
Как и любая химическая реакция, она по мере своего протекания потребляет реагенты и производит продукты. В большинстве химических реакций по мере увеличения концентрации продуктов реакция замедляется и в конечном итоге останавливается, и это может создать впечатление, что определенное количество электронов, оставшихся на границе раздела, остановит реакцию.
Однако в диапазонах концентраций, встречающихся в обычных батареях, это не так. Важна не концентрация электронов на электроде, а разность электрических потенциалов на границе раздела. Реакция может протекать даже при большом числе электронов в электроде, если в электролите также имеется избыток отрицательных ионов. И наоборот, реакция может прекратиться даже при небольшом количестве электронов на электроде, если в электролите также мало отрицательных ионов.
Таким образом, функция электрода заключается в создании электрического потенциала на поверхности раздела. Химическая реакция энергетически выгодна, поэтому она может вести реакцию против электрического потенциала (т. е. в направлении, противоположном ожидаемому согласно закону Ома). Это происходит только до определенного момента, когда противоположная разность электрических потенциалов соответствует движущему химическому потенциалу.
Именно эта разность потенциалов определяет, пойдет реакция или нет. Неважно, возникает ли разность потенциалов из-за нескольких электронов с одной стороны и нескольких катионов с другой или из-за множества электронов с одной стороны и нескольких анионов с другой.
Таким образом, вы можете заземлить любую точку цепи, и добавление дополнительных батарей не изменит количество электронов в этой точке. Но в других местах вы будете иметь границы раздела металл/электролит, которые увеличивают электрический потенциал из-за дополнительных химических реакций, независимо от количества присутствующих электронов.
Поутник