Почему напряжение не увеличивается при параллельном соединении аккумуляторов?

tl;dr Батареи не создают электрических полей для перемещения зарядов. Они перемещают заряды, что создает электрические поля.

батарея [...] создает некоторое электрическое поле, которое перемещается по цепи и воздействует на электроны в проводнике, создавая ток.

Это описание если не совсем неверно, то по крайней мере вводит в заблуждение. Батарея не является источником электрического поля , это источник электрического потенциала . Представьте себе батарею с клеммами в виде пары параллельных токопроводящих пластин с воздушным зазором между ними (это конденсатор): при смещении пластин друг к другу напряженность поля (между пластинами) увеличивается, а при раздвинуть их, напряженность поля уменьшается. Верхнего предела силы поля нет (ну, пока оно не достигнет напряжения пробоя и не начнется дуговой разряд), как нет и нижнего предела — сила поля не определяется батареей. Таким образом, сама батарея напрямую не создает электрического поля между своими клеммами.

Более того, электрическое поле не «движется» по цепи; заряды делают. В простой установке постоянного тока, такой как батарея, пропускающая ток через резистор, все электрические поля стабильны во времени — заряды перемещаются по цепи, а само поле — нет. Сказать, что электрическое поле движется по цепи, это все равно, что сказать, что гравитация движется по американским горкам. Движущиеся электрические поля вступают в игру с цепями переменного тока и устройствами с движущимися частями, такими как электродвигатели; но даже неподвижное электрическое поле заставляет заряды двигаться через проводник (в конце концов, это, по сути, определение «проводника»).

Так как же работает ток? Батареи являются источником электрического потенциала , который измеряется в вольтах. Потенциал — это своего рода давление, и в типичной батарее это давление вызвано химическими реакциями внутри батареи, перекачивающими электроны с одного контакта (+) на противоположный (-). Разность потенциалов между клеммами действительно создает электрическое поле. В приведенном выше эксперименте, где клеммы батареи представляют собой параллельные плоские пластины, разделенные расстоянием$d$, вы можете вычислить напряженность поля между ними просто$E = {V \over d}$. Но поле — это всего лишь способ наблюдения за разностью потенциалов между клеммами: в первую очередь это не причина движения зарядов (это, опять же, химические реакции, происходящие внутри батареи).

Давление относительно, и электрический потенциал ничем не отличается. Чтобы быть строго точным, то, что обеспечивает батарея, - это разность электрических потенциалов («напряжение») между двумя ее клеммами. По сути, это измерение того, насколько мощный электронный насос находится внутри батареи. Вот почему параллельное соединение двух идентичных батарей не добавляет их напряжения: поскольку они обе обеспечивают одинаковую разность потенциалов между клеммами (+) и (-), по сути, нет разницы между двумя батареями, подключенными параллельно, и двумя изолированными, разъединенными. батареи. Электрический потенциал между клеммами (+) и (-) одинаков, и обе батареи «согласуются» с ним, поэтому нет причин для протекания тока между ними. (Соединение двух несовпадающихбатареи, соединенные параллельно, заставят ток течь в направлении, определяемом тем, какая батарея имеет более высокое напряжение.)

Что дает параллельное подключение двух аккумуляторовсделать, это изменить поведение системы под нагрузкой. Если вы подключите нагрузку, скажем, резистор 1 кОм, к клеммам одной 1,5-вольтовой батареи, ток через резистор составит 1,5 мА, и все они питаются от одной батареи. Если вы подключите одну и ту же нагрузку к клеммам двух 1,5-вольтовых батарей, соединенных параллельно, ток через резистор все равно будет 1,5 мА, но теперь каждая батарея должна обеспечивать только 0,75 мА тока. Это означает, что каждая отдельная батарея находится под меньшей нагрузкой, чем раньше, потому что электрохимическим насосам внутри нее нужно перемещать лишь вдвое меньше электронов, чтобы поддерживать то же напряжение. Эти батареи могут прослужить дольше и вести себя лучше при различных условиях нагрузки. (Это предполагает идеальные условия и идеально подобранные батареи. В реальных сценариях батареи никогда не бывают идеально подобранными,

Думайте о батарее как об эскалаторе (потенциальная гравитационная энергия и потенциальная электрическая энергия/напряжение здесь аналогичны).

Если у вас есть два эскалатора, расположенных рядом, вы сможете подняться на одинаковую высоту на любом из них. Если у вас есть два эскалатора подряд, вам придется подняться на них обоих и, следовательно, подняться вдвое выше. Преимущество эскалаторов рядом состоит в том, что они меньше нагружают двигатели.

Батарея повышает напряжение в проводе на заданную величину. Две батареи, соединенные последовательно, повысят напряжение в два раза, две батареи, соединенные параллельно, продлят срок службы батарей в два раза.

Редактировать : OP запросил объяснение без аналогии. Батарея повысит напряжение тока на заданную величину. Вот почему у нас есть вещи, называемые «батареи на 12 вольт», а не «батареи на 12 ньютонов/колумб». Если ток равен 0 В, когда он разделяется на параллельные и идет на две отдельные батареи, то электроны в каждой цепи поднимутся на 12 В, а затем снова соединятся вместе при точном 12 В. Если у вас есть батареи последовательно, электроны будет идти от 0 до 12 после первой батареи, затем от 12 В до 24 В через вторую батарею.

Вы упоминаете поток Е-поля как камень преткновения для вас, но поток Е-поля не определяет потенциал. И, кстати, поток поля Е через каждый отдельный провод параллельно будет одинаковым. Поток поля Е через провод, соединенный последовательно, будет вдвое больше, чем один провод, соединенный параллельно.

Поскольку вы, кажется, стремитесь получить ответ без аналогий, я попытаюсь нанести ему удар. Я думаю, что этот вопрос на самом деле немного глубже, чем некоторые ответы приписывают ему, и до сих пор я думаю, что trentcl отвечает на ваш вопрос лучше всего: коренная причина вашего замешательства заключается в том, что вы предполагаете, что батареи действуют как источники фиксированных поля, а не фиксированные потенциалы. Но я постараюсь более подробно остановиться на том, почему это так.

Теперь ваш вопрос кажется более или менее следующим: скажем, у меня есть батарея с подключенными к ней проводами, как на диаграмме ниже. В общем, между двумя выводами будет генерироваться некоторое шаткое электрическое поле, структура которого определяется уравнениями Максвелла. Однако, поскольку все в этой проблеме статично, мы знаем, что если мы проинтегрируем электрическое поле по любому пути между выводами, мы получим одно и то же напряжение, и именно это напряжение может выполнять работу, если мы поместим какое-нибудь устройство с сосредоточенными элементами, например резистор между проводами.

Теперь к сути вашего вопроса. Как мы все знаем, уравнения Максвелла линейны — мы можем взять любое решение и добавить поля, и мы получим другое решение. Итак, если мы возьмем другую батарею и присоединим выводы к первой, мы должны генерировать примерно в два раза больше полей между выводами и, следовательно, удвоить напряжение, верно? Неправильный.

Проблема в том, что вы игнорируете механику аккумулятора. Аккумуляторы работают за счет химических реакций, которые предпочтительно перемещают заряд в определенном направлении, и они только сильно толкают эти заряды. Когда вы начинаете соединять батареи параллельно, поля, генерируемые одной батареей, отталкивают заряды от другой, пока вы не получите уравновешенную систему, в которой потенциал между выводами такой же, как и у одиночной батареи.

Таким образом, на работу батареи влияет наличие электрических полей, и оказывается, что вы не можете просто накладывать поля от двух батарей, когда вы соединяете их параллельно. Уравнения Максвелла линейны, но когда вы связываете их с материей в системе из нескольких частиц (например, в батарее), они не являются таковыми — простой пример: один электрон будет двигаться по прямой линии, тогда как если у вас есть два они изначально бок о бок, они будут изгибаться друг к другу.

Теперь на самом деле никто не использует этот «силовой» подход к рассмотрению динамики аккумуляторов - это слишком сложно и в любом случае оказывается бессмысленным. Намного лучшим подходом является «энергетический» подход. Каждая отдельная химическая реакция внутри батареи производит только определенное количество энергии, и вы можете продвинуться довольно далеко, просто следя за этим. Поскольку напряжение в основном является мерой потенциальной энергии, когда вы делаете это, довольно легко утверждать, что батареи (за исключением экстремальных условий) должны действовать как источники постоянного напряжения, а не как источники постоянного электрического поля. Но полезно сначала поиграться с силовым подходом, чтобы получить более интуитивное объяснение того, что происходит.

Если батарея определяется как устройство, поддерживающее постоянное напряжение на своих концах, то проблема решается автоматически. При последовательном соединении каждая батарея поддерживает это постоянное напряжение на своих концах и, следовательно, они складываются. Но при параллельном подключении они остаются одинаковыми по определению.

Но это не ответ, если я не объясню, почему напряжение на концах батареи остается неизменным.

А для этого нам нужно заглянуть внутрь батареи.

Внутри батареи есть две камеры: одна любит терять электроны, а другая любит их приобретать. И стремление терять или приобретать электроны зависит от концентрации реагентов внутри каждой камеры. Более точное утверждение: Энергия, полученная при перемещении заряда из одной камеры в другую ($~$напряжение) зависит от концентрации .

Камеры показаны на рис. 1. Когда мы создаем цепь, мы соединяем эти Камеры вместе. Электрон протекает по внешней цепи под действием разности потенциалов.

при параллельном подключении как видно из рисунка ничего не изменилось. Две параллельно соединенные камеры эквивалентны тому, что каждая камера становится большой. Теперь у нас в клетке больше химических веществ, но концентрация осталась прежней. Таким образом, напряжение, которое мы можем определить как энергию, полученную при перемещении заряда из одной камеры в другую, остается неизменной.

при последовательном соединении
надеюсь уже понятно... концентрация все та же. каждая батарея поддерживает свое напряжение на ней. Таким образом, общее напряжение представляет собой сумму отдельных напряжений.

Подумайте об этом в аналогии с водой. Провода представлены каналами, высота уровня воды — напряжение, а расход — ток. Батарея, по определению, повышает напряжение на одной из своих клемм на заданную величину по сравнению с другой клеммой. Итак, в аналогии с водой это похоже на насос, который поддерживает уровень воды на одном конце на 2 метра выше, чем на другом конце. Здесь 2 метра — это просто произвольное число.

Если вы соедините две батареи параллельно в какой-то точке, вы должны создать соединение, где встречаются 3 провода. Любые две точки в цепи, соединенные проводом без резистора между ними, находятся под одинаковым напряжением. Таким образом, каждый из трех проводов, подключенных к узлу, находится под одинаковым напряжением. На рисунке ниже каждая часть провода, которая касается точки$A$находится под тем же напряжением, и аналогично любой провод, непосредственно подключенный к точке$B$находится при одном и том же напряжении. Разница напряжения между$A$и$B$можно рассматривать как выходное напряжение двух объединенных батарей, поэтому напряжение не увеличивается при параллельном соединении батарей.

Чтобы понять, почему каждая часть провода находится под одним и тем же напряжением, мы можем обратиться к аналогии с водой. Соединение двух проводов вместе похоже на соединение двух каналов вместе. Если до соединения уровень воды в одном из каналов был выше, чем в другом, то как только они соединятся, вода начнет устремляться в ту часть с более низким уровнем воды. После того, как все устаканится, останется один большой канал с одинаковым везде уровнем воды. У вас может быть разница в напряжении на таких компонентах, как резисторы или батареи. Резисторы сравнимы с плотинами, которые пропускают небольшое количество воды и могут иметь разный уровень воды по обе стороны от них.

Помните, что это «урегулирование», о котором я упоминал, происходит очень быстро в электрических цепях. В водяных контурах вы могли бы увидеть, как вода оседает, но в электрических контурах это происходит почти мгновенно.

Итак, наконец, вы можете спросить, почему напряжение так похоже на высоту воды? Напряжение — это энергия (на заряд) в цепи. Таким образом, если какая-либо часть провода имеет более высокое напряжение, чем его окружение, она будет генерировать электрическое поле. Это электрическое поле всегда будет действовать таким образом, чтобы переставлять заряды в проводе до тех пор, пока напряжение не станет полностью однородным. Подобно тому, как более высокий уровень воды означает больше потенциальной энергии для воды.

Хорошо, тут много ответов, но все они длинные, ни один из них мне не очень нравится, а ответ простой, так что вот еще один...

Сама по себе в космосе батарея будет толкать электроны от положительного полюса к отрицательному. Это создаст такое поле, что перемещение электрона по любому пути от его положительного вывода к отрицательному потребует энергии 1,5 эВ (примерно, при условии, что батарея на 1,5 В).

Если вы поместите две такие батареи рядом друг с другом, их поля взаимодействуют, и часть электронов на их отрицательных клеммах будет вынуждена вернуться внутрь , а часть вернется на свои положительные клеммы. Электроны перераспределяют и изменяют свои поля, чтобы гарантировать, что для перемещения электрона с положительного полюса батареи на его отрицательный полюс по-прежнему требуется 1,5 эВ энергии.

Если вы на самом деле соедините эти батареи параллельно, электроны снова перераспределятся, и теперь потребуется 1,5 эВ энергии, чтобы переместить электрон из любого места на общем положительном проводе в любое место на общем отрицательном проводе.

Каждый электрон отдельно вытягивается (случайным образом?) с клеммы с более низким потенциалом (отрицательная клемма анода) одной из двух батарей и проходит через нагрузочное устройство, чтобы в конечном итоге вернуться к клемме с более высоким потенциалом (положительная клемма катода). того же аккумулятора. (Положительные и отрицательные знаки клемм относятся к их относительным напряжениям, а НЕ к их заряду.)

Электрон должен вернуться в ту же батарею, чтобы поддерживать нейтральность заряда и непрерывность тока во всей цепи и в батарее. Каждая петля возникает независимо от другой батареи, поскольку две батареи подключены параллельно. Также помните, что определение батареи — это сборка материалов, которая поддерживает постоянную разницу напряжений между двумя клеммами.

Разница потенциалов между клеммами любой батареи возникает из-за термодинамического перетягивания электронов между химическими веществами двух электродов. Катод побеждает в перетягивании каната, вытягивая электроны из анода по проводам в нагрузочном устройстве. Разность потенциалов между клеммами — это работа по перемещению одного электрона из низкого напряжения в высокое (или одного обычного положительного заряда из высокого напряжения в низкое). Для поддержания нейтральности заряда внутри батареи имеется форма противоточного солевого моста.

Вы также можете рассмотреть 2 батареи разного размера на 1,5 В, например, AAA или D с одинаковым химическим составом. В некотором смысле, D-ячейка функционирует как массив батареек ААА, соединенных параллельно. Батарея с ячейкой D хранит больше общей энергии (мА · ч), чем ААА, потому что она содержит большую массу химических веществ на аноде и катоде, и, таким образом, она будет работать дольше, чем ААА, когда от обоих подается одинаковый ток. Но они одинакового напряжения.

(Если бы батареи были соединены последовательно, все было бы по-другому, потому что теперь каждый электрон проходит через обе батареи, поэтому напряжения складываются. Это то, что происходит внутри 9-вольтовой батареи, которая на самом деле содержит 6 батарей типа AAAA 1,5 В, соединенных последовательно. .)

Постараюсь объяснить в 1000 слов.

Пусть B = батарея

В+В = 2В,

но с электрическими потенциалами такого не происходит. Это еще не все. Предположим, что две батареи используются в качестве рельсотронов с общей доступной энергией 2E, а электрон — в виде пули. Рельсотрон стреляет электронами со скоростью V.

Но если рельсотроны соединить последовательно, то скорость электрона будет не 2В, а √2В, так как энергия удваивается. А последовательно N электронов можно расстрелять, так как на увеличение скорости электрона затрачивается 2 единицы энергии.

В случае рельсотронов, соединенных параллельно, можно выстрелить 2N электронов со скоростью V, поэтому количество электронов удваивается по сравнению с последовательностью, так как только 1 единица энергии затрачивается на электрон к тому времени, когда электрон покидает пушку.

Эта постоянная скорость потока электронов связана с постоянным током электрохимических батарей, поскольку X молярный эквивалент катода и анода должен окислительно-восстановительный для производства электричества, а скорость реакции остается довольно постоянной.

Ключевые термины: рельсотрон — это не что иное, как катушка, длинный электромагнитный ускоритель частиц, похожий на катушку. Батарея — это обычная батарейка типа АА (например, dur@cell). Мы не будем предполагать блоки питания, так как их природа иная, и мы не подключаем блоки питания последовательно!

Батареи — это источники напряжения, которые используют химические реакции для создания электродвижущей силы , т. е. силы, приложенной к электрическим зарядам (например, электронам), которая приводит к увеличению электрической потенциальной энергии этих зарядов. Это то, что приводит к разности электрических потенциалов на батарее, то есть электроны на положительном полюсе имеют меньшую электрическую потенциальную энергию, чем электроны на отрицательном полюсе. Разность потенциалов (измеряется в джоулях) на единицу электрического заряда (измеряется в кулонах) называется разностью электрических потенциалов . Оно измеряется в вольтах (эквивалентно джоулям на кулон), отсюда и эквивалент термина « напряжение» .

Важно отметить, что при последовательном расположении батарей электроны обязательно будут проходить через одну батарею, приобретая некоторую электрическую потенциальную энергию, а затем через вторую батарею, приобретая больше электрической потенциальной энергии. Однако, когда батареи вместо этого размещены параллельно, электроны будут проходить только через одну из двух батарей, а не через обе, и, таким образом, общее количество электрической потенциальной энергии, приобретаемой каждым электроном, меньше. В частности, в случае двух батарей, имеющих одинаковое напряжение, последовательное соединение батарей приведет к тому, что каждый электрон приобретет вдвое больше электрической потенциальной энергии, чем если бы батареи были соединены параллельно или если бы присутствовала только одна из батарей.

Здесь уже так много хорошей теории, что я просто добавлю простую аналогию, которая на самом деле прилична, потому что мы все еще говорим о потенциале, который является только функцией положения, а не пути. Поскольку напряжение является функцией двух точек независимо от пути (для простоты предположим, что здесь нет изменяющихся магнитных полей), наличие другого доступного пути ничего не меняет.

Если вы находитесь на вершине холма, ожидаете ли вы, что вещи будут скатываться быстрее и получать больше энергии только потому, что есть еще один альтернативный спуск (который вы не используете) в каком-то другом направлении, который, тем не менее, заканчивается на той же высоте?

Внутри аккумуляторной батареи создается фиксированный потенциал напряжения между положительной и отрицательной сторонами. Таким образом, ячейка 5 В будет иметь разницу в пять вольт между положительным и отрицательным концами ячейки.

Когда вы соединяете две батареи последовательно, мы обычно называем отрицательный конец первой ячейки 0 по соглашению. Положительный конец первой батареи тогда имеет +5 В. Поскольку положительный конец присоединен к отрицательному концу второй, он также будет на +5 В. Поскольку положительный конец второй батареи на 5 В выше отрицательного конца (сейчас на +5 В), теперь на +10 В.

Сравните с двумя батареями, подключенными параллельно. Отрицательные концы батарей соединены, так что оба на 0 (опять же, по соглашению). Для первой батареи мы получаем 5 В выше отрицательного конца (0 В), всего +5 В на положительном конце. Для второй батареи мы также получаем 5 В выше отрицательного конца (0 В), всего +5 В на положительном конце.

Вы можете заметить противоречие, если батареи имеют разное напряжение, например, 5 В и 8 В. Отрицательные концы соприкасаются, поэтому они одинаковы при 0 В, но положительные концы соприкасаются и различаются при 5 В и 8 В. V. На самом деле будет какое-то внутреннее сопротивление, поэтому будет возрастать потенциал, когда вы двигаетесь вдоль проводов, соединяющих батареи (кстати, это заряжает батарею 5 В). Однако в целом это сопротивление достаточно мало, чтобы его можно было игнорировать.

Посмотрите на два противоположных заряда, находящихся на фиксированном расстоянии друг от друга. Электрическое поле вокруг них выражается в Вольтах на метр ($\frac{V}{m}$). Или Ньютон на единицу заряда ($\frac{N}{C}$), где единичный заряд относится к испытательному заряду, установленному в полевых условиях.

Итак, скажем, эти заряды составляют батарею (хотя, если быть строгим, общее поле батареи не такое же, как у диполя, но внешнее поле):

Полюса батареи содержат много зарядов, поэтому электрическое поле будет намного выше, чем у двух отдельных зарядов (как показано на предыдущем рисунке). Если на полюсах батареи имеется в два раза больше зарядов, поле станет вдвое больше, как и напряжение (поскольку поле определяется как Вольт на метр, а также Ньютон на единицу заряда). Если две батареи расположены в цепи параллельно, электрическое поле, окружающее батареи, действительно суммируется. Но поле на полюсах останется прежним (за исключением случаев, когда полюса совпадают, и в этом случае у вас есть новая батарея более высокого напряжения). Напряжение батареи – это напряжение между полюсами. Это напряжение передается по проводам. Таким образом, в то время как окружающее поле может увеличиваться, поле внутри проводов — это поле полюсов. Когда вы размещаете свободный провод вокруг батарей, сначала будет присутствовать наложенное поле обеих батарей (которое выше, чем поле на полюсах), после чего зарядами внутри провода создается противоположное поле, которое нейтрализует поле батарей). Если полюса совпадают (что не так, когда батареи расположены параллельно), у вас есть новая батарея с более высоким напряжением. Это достигается последовательным подключением двух батарей, и в этом случае заряды на полюсах, которые вы подключаете к цепи, удваиваются.

Вкратце: в то время как поле, окружающее параллельные батареи, увеличивается, это поле на полюсах.это важно. Это поле посылается в цепь, а не поле на расстоянии от полюсов (которое действительно является суммой полей обеих батарей). Поле внутри проводов — это поле отдельного полюса, а не обоих сложенных. Это поле будет длиться дольше, потому что параллельные батареи содержат больше электронов, чем одна отдельная батарея. То есть параллельные аккумуляторы имеют большую емкость и одинаковое напряжение. Теперь вы можете подумать, что если оба полюса посылают в цепь одно и то же поле, то почему поле в цепи не будет в два раза больше, чем на полюсах? Это было бы так только в том случае, если бы плюсовые полюса параллельных батарей совпадали, а также минусовые полюса (и заряды на полюсах оставались бы одинаковыми), что означает, что у вас будет новая батарея более высокого напряжения.
Точно так же, если вы поместите две батареи последовательно, поле на полюсах, которые подключены к цепи, будет суммой полей двух отдельных батарей. Это поле отправляется в цепь. На полюсах, соединенных с цепью, зарядов вдвое больше. То есть напряжение последовательно соединенных аккумуляторов равно сумме напряжений отдельных аккумуляторов.