Как выглядит и ведет себя электрическое поле, создаваемое батареей? [закрыто]
Амин Парвареш
Меня зовут Амин, я учусь в старшей школе. Я несколько месяцев боролся с концепцией электрического поля, создаваемого батареей; поэтому я был бы очень признателен, если бы мне помогли понять ответы на приведенные ниже вопросы (Просто поясню, что мои знания в этой теме очень ограничены: однако я знаю и понимаю уравнения Максвелла в приемлемой степени):
Q(1): Разумно ли было бы сказать, что батарея ведет себя как электрический диполь?
Q(2): Правильно ли я описал электрическое поле, создаваемое батареей? (Батарея не была подключена к проводу)
В(3): Если ответ на предыдущий вопрос ДА, как приведенная выше иллюстрация связана с химией, лежащей в основе работы батареи?
Чтобы понять это, я изучил тему об электрохимических элементах. Используя в качестве примера электрохимическую ячейку, состоящую из двух полуэлементов, содержащих цинковый и медный электроды, мое понимание этой темы можно обобщить на иллюстрации, показанной ниже:
(Насколько я понимаю, поскольку цинк способствует окислению, положение равновесия для обратимой реакции, показанной слева, будет смещено вправо. Точно так же, поскольку медь способствует восстановлению, положение равновесия для обратимой реакции, показанной справа, будет смещено к слева. Это будет означать, что плотность электронного заряда на цинковом электроде будет больше, чем на медном электроде)
Q(3)": Разве это не означает, что электрическое поле, создаваемое батареей, должно выглядеть так, как показано на рисунке ниже, а не как диполь?
(извините, если картинка нечеткая; я смог показать только общее направление силовых линий на картинке.)
Q(4): Теперь, каким бы ни был ответ на предыдущие вопросы, я понимаю, что когда батарея подключена к концам цепи, электроны будут отталкиваться от ее отрицательного полюса и притягиваться к положительному полюсу (это имеет смысл, что электроны будут покидать электрод с более низким электрическим потенциалом и двигаться к электроду с более высоким электрическим потенциалом).
Мой вопрос заключается в следующем: «Остается ли разность электрических потенциалов на концах батареи постоянной, когда электроны покидают один электрод и перемещаются к другому? (Другими словами, плотность заряда электронов на обоих электродах остается неизменной, когда присутствует ток? Значит, на каждом электроде постоянно присутствует одинаковое количество электронов?)
Q(5): Если ответ на предыдущий вопрос ДА (это означает, что плотность заряда электронов на электродах не меняется при наличии тока), значит ли это, что электроны, которые будут проходить через цепь, те, которые присутствовали в цепи в первую очередь, а не от батареи? (Разумно ли будет сказать, что электроны, скопившиеся на каждом электроде, создают только силу, которая направляет электроны в цепи, и что сами они не участвуют в производстве тока?)
Q(6): Если электрический заряд на электродах ведет себя так, как описано в предыдущем вопросе, будет ли правильным следующее рассуждение?:
«Учитывая, что цепь разомкнута (показано выше), через нее не будет протекать ток. Однако при такой настройке будет кратковременный ток на мгновение, пока концы двух проводов не зарядятся. Эта зарядка будет продолжаться до тех пор, пока электрический потенциал каждого из концов двух проводов не сравняется с электрическим потенциалом клеммы батареи, к которой он подключен. терминал, к которому он подключен)"
Если приведенный выше аргумент неверен, каково правильное поведение заряда в проводе в тот самый момент, когда он подключен к батарее (в устройстве, подобном показанному выше)? и почему?
Q(7): Что заставляет ток в разомкнутой цепи, показанной выше, останавливаться через короткий момент времени (если плотность электрического заряда, скажем, отрицательного полюса, остается постоянной, что препятствует дальнейшему выталкиванию электронов из цепи? минусовая клемма)?
Вот и все. Я был бы очень признателен, если бы вы могли помочь мне с любым из вышеперечисленных вопросов.
Спасибо
Ответы (1)
вероятно_кто-то
Этот ответ был почти полностью заимствован из этого сообщения в блоге COMSOL: https://www.comsol.com/blogs/does-the-current-flow-backwards-inside-a-battery/
Батарея — это электрохимический объект, и в общем случае ее нельзя рассматривать как электрический диполь. Вот почему у вас возникают проблемы с согласованием картины электрического диполя с картиной электрохимии — картина диполя совсем не реалистична.
Потенциал внутри батареи (и, следовательно, электрическое поле) выглядит по-разному в зависимости от того, течет ток или нет. Если аккумулятор отключить от какой-либо цепи, то электрический потенциал внутри него выглядит так*:
Как вы можете видеть, электрический потенциал почти всей батареи одинаков; это означает, что электрического поля нет нигде, кроме небольшой области электролита, близкой к каждому электроду. В этой области двойной слой (обозначенный DL на диаграмме) на поверхности электрода является единственным местом, где есть какое-либо электрическое поле, и это потому, что для отрицательного электрода двойной слой состоит из слоя отрицательных ионов на поверхности электрода. поверхность электрода, а затем слой положительных ионов, притягиваемых отрицательными ионами (обратите все для двойного слоя на положительном электроде). Этот двойной слой очень тонкий, для большинства аккумуляторов он составляет нанометры.
Когда аккумулятор разряжается (вырабатывает ток), его потенциал выглядит следующим образом:
Здесь есть несколько вещей, которые отличаются. Наиболее заметно то, что на этой диаграмме вставлен электрод сравнения; игнорируйте его, так как он ничего не меняет в показанном потенциале. Первое важное отличие: теперь на электролите существует электрическое поле, которое позволяет току течь внутри батареи (обратите внимание, что на этой диаграмме используется электротехническое соглашение о токе как потоке положительного заряда; как таковая, она описывает движение электронов внутри батареи от положительной клеммы к отрицательной клемме, «назад» от обычного направления потока вне батареи, но согласующееся с потоком электронов в петле вокруг цепи).
Тот факт, что потенциал имеет наклон поперек электрода, означает, что электродные потенциалы также будут на разных уровнях. Разность потенциалов двойного слоя также немного слабее из-за того, что заряд, перемещающийся по двойному слою, мешает разделению зарядов между двумя слоями. Потенциал внутри каждого электрода также имеет небольшой наклон, потому что существует небольшое сопротивление, связанное с током, проходящим через электрод. Итак, теперь электрическое поле присутствует повсюду в батарее, но его величина зависит от того, где именно вы находитесь, и оно определенно не похоже на диполь.
* В настоящее время большинство аккумуляторов имеют пористые электроды, а не твердые, которые я использую здесь. Упомянутый пост в блоге касается случая пористых электродов, но концептуально он более сложен, поэтому я использовал схемы твердых электродов, чтобы избежать путаницы.
Филип Вуд
вероятно_кто-то
В чем разница между статическим электричеством и электричеством от батареи/электростанции?
Возникает ли заряд на поверхности проводника с током?
Может ли одно напряжение создавать две разные ЭДС?
Что такое электрическая энергия?
Закон Ленца. Всегда ли сила, противодействующая движению, является магнитной силой?
Как возникает ЭДС в катушке? Является ли это правильным объяснением ЭДС индукции и закона Ленца?
Если разность потенциалов между двумя точками цепи равна нулю, то почему между ними нет электрического поля?
«Электростатическое поле цепи» Что это значит?
Почему с уменьшением расстояния емкость увеличивается?
Разомкнутые токовые петли в металлическом проводнике
Анна В
dmckee --- котенок экс-модератор