Почему электроны не имеют энергии после замыкания цепи с батареей?

Теперь я всегда думаю об электронах, движущихся в поле, как о шаре, падающем с высоты, так что эта потенциальная энергия преобразуется в другой вид энергии, которая передается компонентам.

Не плохой способ думать об этом. Обычно вы не закорачиваете батарею, вы подключаете к ней нагрузку. Думайте об этом как о сопротивлении падающему мячу. Возможно, вместо воздуха вы опускаете его в масло, и он опускается с постоянной (но медленной) скоростью.

Мяч теряет потенциальную энергию при падении, а масло приобретает тепловую энергию. КЕ мяча постоянна.

После того, как электрон передает энергию компоненту, как он продолжает не иметь энергии? Разве электрическое поле не ускорило бы электрон так, что электрон получил бы больше энергии, даже после передачи энергии компоненту?

Вот где большая разница между цепью и гравитацией. Вблизи поверхности земли гравитационное поле примерно постоянно. Но поля в цепи нет. После того, как появится последняя нагрузка, появится очень маленькое электрическое поле, достаточное, чтобы преодолеть небольшое сопротивление в проводах. После последней нагрузки ускорение отсутствует, потому что поле маленькое.

Электрическое поле в стационарном состоянии изменило свою конфигурацию так, что ток постоянен во всех точках. Таким образом, резисторы, которые в противном случае замедляли бы ток, имеют большое поле, толкающее заряд, а провода с низким сопротивлением имеют очень маленькое поле.

Разве электрическое поле не ускорило бы электрон так, что электрон получил бы больше энергии, даже после передачи энергии компоненту?

По сути, да. То, что вы здесь замечаете, является следствием того факта, что энергия переносится не носителями заряда, а самими полями.

Описание переноса энергии в электромагнетизме называется теоремой Пойнтинга. Когда вы применяете его к обычным цепям, вы обнаружите, что большая часть энергии в цепи передается через поля вне проводов. Единственным переносом энергии в реальных проводах нормальной цепи являются омические потери в самом проводе, и это передача энергии в радиальном направлении в провод, а не вдоль провода. Вся полезная энергия передается вне провода.

Хотя верно то, что заряды в разных частях цепи имеют разную потенциальную энергию, эта энергия не зависит от заряда, который должен быть отложен в компоненте, например, в грузовике, доставляющем припасы. Опять же, эта потенциальная энергия сохраняется в результирующей конфигурации поля. Следовательно, как вы заметили, поля могут по-прежнему перемещать электроны после того, как они покидают компонент.

Энергия в батарее исходит от химического потенциала. Это свободная энергия Гиббса, которая является электрической энергией. Когда анод и катод соприкасаются и нет внешней цепи, энергия преобразуется в тепло, а не в электрическую энергию. Уравнение Нернста связывает свободную энергию Гиббса с напряжением разомкнутой цепи:

$$\Delta G=-nFE$$ n — число молей электронов, F — постоянная Фарадея, E — потенциал холостого хода. Это также связано с концентрациями и константой равновесия реакции. Простой способ угадать напряжение — использовать стандартную таблицу приведения, которая предполагает информацию о концентрации, температуре и т. Д. Стандартный потенциал и потенциал клетки связаны с ВЗМО и НСМО химических видов, но не равны им.

в основном уравнение Нернста говорит:

$$\Delta G =-nFE= \mu dN = -RTlnK + RTlnQ$$ mu представляет собой химический потенциал и находится между ВЗМО и НСМО соответствующих окисленных и восстановленных частиц. K - константа равновесия, и само собой разумеется, что чем больше константа равновесия, тем больше отрицательная свободная энергия Гиббса и больше потенциал клетки (эта реакция любит образовывать продукты). Q - текущее отношение концентраций в ячейке, когда ячейка находится в равновесии, напряжение равно нулю, как и свободная энергия Гиббса.

наконец, W = QV подразумевает Q = -nF и mu = FV, где mu - химический потенциал.