Путь электрона через электрическую цепь

Электроны, которые достигают положительной клеммы, действительно остаются там. Разность потенциалов между двумя клеммами толкает электроны от отрицательного анода к положительному катоду. Когда электрон достигает катода, он остается там, чтобы выровнять первоначальный дисбаланс заряда между двумя узлами. Когда электрохимическая окислительно-восстановительная реакция, поддерживающая движение электронов, уравновесится, движение остановится, и батарея «умрет».

Как показано на схеме, два терминала соединены «соляным мостом». Но солевой мостик специально разработан для предотвращения потока электронов непосредственно от анода к катоду. Таким образом, электроны могут течь только по цепи.

Аккумулятор — это электролит, и в нем могут двигаться положительные ионы, а не электроны. Подобно току дырок в полупроводнике, направленный поток таких ионов дополняет поток электронов в проводе.

Здесь электронно-катионные пары создаются на одном электроне батареи и рекомбинируют на другом (вы можете видеть, что один электрод разрушается, а на другом осаждается некоторый материал при простом пропускании тока через соленую воду).

Противоположный поток положительных зарядов в аккумуляторе/полупроводнике в точности равен прямому току электронов в проводнике. Вы можете думать о положительном заряде, движущемся в одном направлении, как о потоке отрицательных зарядов, движущемся в противоположном направлении.

Другие ответы просто говорят вам, что (крошечный импульс) ионного тока сначала создается в батарее. Он создает разность потенциалов между анодом и катодом. Это вызывает электронный ток в проводе. Электроны останавливаются на положительном электроде, тем самым уменьшая напряжение. Батарея восстанавливает напряжение, подталкивая больше положительных ионов к этому электроду. Поток этих ионов — это ток, который вы пропускаете.

Самама, вы обнаружили заблуждение, распространяемое детскими книгами. Они учат, что батареи — это странный конденсатор с нулевым током в электролите. Они говорят нам, что одна пластина батареи поставляет электроны, а другая пластина является хранилищем «использованных» электронов.

Это полная ерунда.

На самом деле путь электрического тока лежит через аккумулятор, через электролит , а затем обратно. Для каждого бита заряда, вытекающего из одной клеммы батареи, равный заряд всегда должен проходить через батарею, и такой же заряд должен также поступать на другую клемму. Батарея — хороший проводник; короткое замыкание. Общий заряд внутри батареи никогда не меняется. (Когда аккумулятор «разряжается», он теряет химическое топливо, а не заряд.)

Другими словами, аккумуляторы — это зарядные насосы. Они не являются источниками электрического заряда, так же как водяной насос не может создавать воду или хранить воду.

Протекают ли электроны через электролит? Не обязательно, и теперь вы также узнали, почему мы используем «ампер» или «условный ток». Электрический ток не состоит из электронов. Вместо этого он состоит из положительных ионов, отрицательных ионов, протонов и, да, электронов. Тип протекающих зарядов зависит от типа проводника. Чтобы скрыть всю эту сложность, мы игнорируем фактический поток зарядов и смотрим только на ампер. Протоны текут в том же направлении, что и ампер, а электроны текут в обратном направлении. Спрячь протоны, спрячь электроны... и теперь ты думаешь как инженер-электрик или физик. Но если вы хотите понять батареи, вам нужна точка зрения химика и физики.

Во многих батареях электроны текут по металлическим частям, но в электролите текут только протоны! Дрейф протонов — это вполне допустимый электрический ток, и он может быть даже огромным током (например, в автомобильных аккумуляторах происходит поток протонов в сотни ампер).

Вот один упрощенный взгляд: во время электрического тока в цепи ампер внутри батареи-электролита на самом деле состоит из протонов, текущих в обратном направлении. На отрицательном электроде бурные химические реакции разрывают воду на отдельные атомы. Газообразный кислород высвобождается, но у каждого атома водорода отрывается электрон, и эти электроны вдавливаются в поверхность металла, заряжая ее отрицательным зарядом. Атомам водорода не хватает своего электрона, поэтому они стали положительными ионами водорода +H. Электролит является хорошим проводником, и все ионы водорода +H притягиваются к другой удаленной пластине. Они протекают через электролит (много ампер). Затем на другой пластине ионы водорода +H соединяются с электронами с поверхности металла. Часть энергии расходуется, и образуется нейтральный газообразный водород. И в целом,

Выше приведено описание топливных элементов, а также свинцово-кислотных аккумуляторов. В них электрический ток в электролите представляет собой поток протонов! (Положительные ионы +H имеют другое название: ПРОТОН.)

Если вместо этого вы хотите избежать этого обратного дрейфа заряда со всеми отменяющими зарядами и разделением воды, вместо этого просто посмотрите на щелочные батареи. В них подвижными ионами являются ионы -ОН, а не положительные протоны. Мы можем рассматривать их как электроны, которые цепляются за кусок молекулы воды. В этом случае вся электрическая цепь представляет собой поток отрицательного заряда, включая ток в воде между пластинами. (Но это не универсальное правило, и вместо этого в других батареях есть потоки протонов. Или, если вы сделаете простую батарею, используя соленую воду, тогда у вас будет два противоположных потока в электролите: положительные ионы +Na проходят мимо -Cl ионов одновременно.)

Но почему вообще должны течь заряды?

Другими словами, почему батареи имеют напряжение? Ах, это объяснение исходит из химии. Это происходит потому, что реакция на отрицательной пластине бурная, энергичная, экзотермическая и спонтанная. Воткните металл в воду, и вода атакует! Эта реакция является источником энергии батареи.

Батареи похожи на огонь: они «сжигают» некоторые горюче-химические вещества, качают электрический ток, который может управлять внешним устройством, и оставляют после себя некоторые отходы. Каждая батарея похожа на крошечную электростанцию ​​с пламенем, котлом и вращающимися магнитами с катушками! Ну, не совсем так. Вместо этого батареи больше похожи на крошечные машинки ВандеГраафа, они представляют собой механические зарядные насосы, приводимые в действие спонтанной экзотермической химией. На отрицательной клемме реакции с выделением энергии заставляют электрические заряды перемещаться по области контакта металл/вода. (Вместо того, чтобы быть экзотермической, большая часть энергии химических реакций превращается в электромагнетизм, в энергию, хранящуюся в электронных полях.)

Это почти волшебство, потому что если внешняя цепь разорвана, бурные спонтанные реакции прекращаются!!! Это похоже на электростанцию, где, если вы разорвете электрические соединения, все мгновенно остановится, и топливо перестанет сжигаться. Еще более волшебно: если мы заставим заряды течь в обратном направлении через силовую установку, химические отходы снова превратятся в топливо! (Например, в топливном элементе вода не сгорает, образуя водород и кислород.)

Если вы хотите углубиться в науку о батареях, вот несколько ключевых слов: «Двойной слой Гельмгольца». Вот где происходит все волшебство, в тонком молекулярном слое, где вода касается отрицательного электрода батареи. Также поищите «Механизм Гроттуса», это мало обсуждаемое явление, когда протоны текут через воду в виде электрического тока. (Хех, каждый школьный учебник на земле должен учить нас эффекту Гротгуса! Вместо этого они делают вид, что соленая вода внутри батарей является изолятором.)

В идеальном случае гальванического элемента он должен оставаться на плюсовой клемме. Солевой мостик должен позволять протекать только ионам.

Однако практические батареи имеют другое физическое явление, которое ограничивает протекание тока и, следовательно, вводит это «внутреннее сопротивление». В зависимости от типа используемой ячейки причин может быть множество. Я считаю, что одной из самых распространенных причин является поляризация. Но и это не должно вызывать прохождение электронов через ячейку.

Чтобы процитировать хорошее объяснение со страницы вопросов и ответов физического факультета Университета Иллинойса :

Вы можете задаться вопросом, почему электроны просто не текут обратно через батарею, пока заряд не изменится настолько, что напряжение станет равным нулю. Причина в том, что электрон не может перемещаться с одной стороны на другую внутри батареи без химической реакции. Другими словами, внутри батареи простые электроны не могут перемещаться, потому что требуется слишком много энергии, чтобы перевести простой электрон в раствор. Электроны могут перемещаться внутри батареи только через заряженные химические вещества, ионы, которые могут растворяться на электродах. Химическая реакция толкает электроны внутри к отрицательному концу, потому что электроды на двух концах сделаны из разных материалов, которые имеют разную химическую стабильность. Таким образом, электроны текут ВОКРУГ цепи, к отрицательному концу внутри батареи, подталкиваемые химической реакцией.

Электрический ток может протекать в аккумуляторе и по-другому, если аккумулятор подключен к чему-то с большей разницей напряжений (например, к зарядному устройству).

РЕДАКТИРОВАТЬ: Что касается того, почему внутри батареи течет ток: электроны не нужны для протекания тока. Поток ионов происходит внутри батареи.