Заблуждения о работе аккумулятора, процессах заряда и разряда

Я пытаюсь разработать простое объяснение (и концептуально правильное) того, как аккумулятор заряжается и разряжается, и почему мы говорим такие вещи, как «заряд, хранящийся в аккумуляторе, равен x Ач». На данный момент у меня есть это:

Батарея хранит потенциальную химическую энергию ( потенциальную энергию, потому что она не используется, но может быть использована для выполнения работы ), которая может быть преобразована в электрическую энергию в результате химических реакций, происходящих внутри нее. Это преобразование происходит, когда он подключен к цепи.

Зарядка батареи: чтобы электроны переместились с положительной клеммы на отрицательную клемму батареи, внешний источник должен совершить работу. Эта работа, совершаемая над электрическими зарядами, находящимися на положительном полюсе, приводит к накоплению потенциальной химической энергии в батарее, поскольку вызывает обращение химических реакций, высвобождающих энергию.

Таким образом, батарея хранит не заряд, а энергию. Несмотря на это, на практике во многих ситуациях важнее знать, на сколько хватит батареи , а не сколько энергии она хранит. Таким образом, хотя концептуально это неверно, принято говорить « Эта батарея хранит заряд x Ач », чтобы указать, как долго батарея с фиксированным напряжением сможет обеспечивать заданный ток.

  • Итак, этот небольшой фрагмент, который я написал, полностью верен? Можно ли улучшить его, не отказываясь от простоты и лаконичности?

Кроме того, некоторые источники утверждают, что батарея хранит электрическую потенциальную энергию . Если это правда, то мое утверждение « Это преобразование [химическое -> электрическое] происходит, когда оно подключено к цепи » будет неверным.

  • У меня вопрос по этому поводу: есть ли напряжение на аккумуляторе, когда его не измеряют? Другими словами, поддерживает ли батарея разность электрических потенциалов, даже когда она не используется?

  • Если да, значит ли это, что батарея все время преобразует потенциальную химическую энергию в электрическую и усиливает это преобразование при использовании ?

1-е улучшение (ВНИМАНИЕ: этот текст все еще содержит концептуальные ошибки)

Аккумулятор хранит заряды (электроны) , которые остаются связанными в химических соединениях, образующихся на поверхности его электродов. Из-за этого мы также можем сказать, что батарея хранит потенциальную химическую энергию ( потенциальную энергию, потому что она не используется, но может быть использована для выполнения работы, и химическую , потому что эта энергия хранится в химических соединениях ). Учитывая тот факт, что эта потенциальная энергия обусловлена ​​электронами, мы также можем сказать, что батарея хранит потенциальную электрическую энергию . (оба измеряются в джоулях).

Из-за разного количества связанных электронов в химических соединениях электрода один электрод остается с избытком электронов , а другой — с истощением электронов . Затем мы вызываем первую отрицательную клемму и последнюю положительную клемму . Имея это в виду, можно сказать, что аккумулятор имеет разность потенциалов между своими клеммами. Хотя обычно мы измеряем разницу энергии в джоулях, при работе с зарядами есть более полезная мера: разница энергии (Дж), деленная на количество заряда (С). Это называется напряжением , разностью электрических потенциалов или электрохимической разностью потенциалов .

Разрядка аккумулятора:

Когда батарея подключена к цепи, она начинает процесс разрядки. В этом процессе электрическая/химическая потенциальная энергия высвобождается в результате химических реакций. Другими словами, электроны, связанные в химических соединениях, начинают освобождаться и двигаться по цепи, пока не достигнут положительного вывода. Здесь мы имеем преобразование потенциальной электрической/химической энергии в электрическую энергию . Этот процесс длится до тех пор, пока существует разность потенциалов между клеммами аккумулятора.

Зарядка батареи:

Чтобы электроны переместились с положительного полюса на отрицательный полюс батареи, внешний источник должен совершить работу. Эта работа, совершаемая над электрическими зарядами, находящимися на положительном полюсе, приводит к накоплению потенциальной электрической/химической энергии (и, следовательно, к накоплению заряда) в аккумуляторе, поскольку вызывает обращение химических реакций, высвобождающих электроны. Другими словами, электроны в батарее связываются в новые химические соединения, образующиеся на поверхности электродов за счет внешней работы. Этот процесс длится до тех пор, пока напряжение батареи не станет ниже применяемой зарядки.

Единица ампер-час:

Можно было бы сказать что-то вроде « Эта батарея хранит x Дж энергии », но на практике в большинстве ситуаций важнее знать, сколько прослужит батарея , а не сколько энергии она хранит. Таким образом, более привычно говорить: « Эта батарея хранит заряд y Ач» , потому что это указывает, как долго батарея с фиксированным напряжением сможет отдавать заданный ток.

  • Итак, являются ли эти объяснения концептуально правильными сейчас?
  • Разве принцип сохранения заряда не требует, чтобы сумма сборов, входящих в один терминал, была равна сумме сборов, выходящих из другого терминала? Если да, то как заряды могут сохраняться в аккумуляторе, когда он заряжается? Что я здесь неправильно понимаю?
Если я поставлю ведро на стремянку и наполню его водой, его потенциальная энергия увеличится. Вы хотите сказать, что ведро не хранит воду?
Изучали ли вы какие-либо электрохимические процессы, связанные с процессом заряда-разряда аккумулятора? Когда вы видите химические уравнения, замечаете ли вы в них такие символы, как «+e» или «-e»? Батареи хранят заряды, но в отличие от голых электронов, которые накапливаются в металлических пластинах обычных конденсаторов, электроны в батареях связываются в новые химические соединения, образующиеся на поверхности электродов. Они продолжают формироваться до тех пор, пока локальный потенциальный барьер не сравняется с приложенным зарядным напряжением. Когда внешнее напряжение снимается, батарея обнажает внутренний потенциал, используемый или нет.
@Ale..chenski В этой ссылке говорится следующее: Да, это правда, что ток можно описать как движущиеся электрические заряды. Однако неправда, что эти заряды «хранятся в батарее»… Если вы хотите сказать, что конденсатор хранит заряд, это будет нормально. Но в данном случае парень использует батарею, а не конденсатор." . Как мне согласовать то, что вы сказали с этой ссылкой, или ссылка неверна?
Как помириться? Я могу только повторить: «Батарейки хранят заряды, но в отличие от голых электронов, которые накапливаются в металлических пластинах обычных конденсаторов, электроны в батареях связываются в новые химические соединения , образующиеся на поверхности электродов». Некоторые могут называть это «химической потенциальной энергией» и представлять ток как «конвейерную ленту». Я не вижу особой ценности в этих объяснениях непрофессионала.
@Але..ченски. Я все еще в замешательстве. Разве принцип сохранения заряда не требует, чтобы сумма сборов, входящих в один терминал, была равна сумме сборов, выходящих из другого терминала? Если да, то как заряды могут сохраняться в аккумуляторе, когда он заряжается? Что я здесь неправильно понимаю?

Ответы (2)

Нет фундаментального физического различия в том, как системы электрохимического накопления энергии (ЭЭС) управляют процессом заряда-разряда с точки зрения «зарядов». Вот обзорная статья , которая объясняет весь спектр ЭЭС, от обычных конденсаторов (они накапливают энергию в простом электрическом поле между двумя разделенными металлическими электродами), до двухслойных (они же «суперконденсаторы»), до «псевдоконденсаторов» , заканчиваясь аккумуляторными батареями, которые накапливают заряды, связывая электроны-протоны в химические соединения, и обратно.

Вот иллюстрация почти непрерывного спектра возможных конструкций, в которых используются несколько иные методы хранения разности зарядов «электрон-протон»:

введите описание изображения здесь

Может быть трудно упростить эту довольно продвинутую область техники и исследований в терминах «батареи для чайников».

Спасибо, попробую прочитать статью.

Прочитав эту ссылку , на сайте, посвященном, среди прочего, заблуждениям об электричестве, я нашел объяснение, которое указало мне путь решения моих заблуждений. Этот сайт был рекомендован в этом ответе с большим количеством голосов , поэтому я предполагаю, что это надежный источник. Я воспроизведу ниже некоторые фрагменты, касающиеся моего вопроса.

АККУМУЛЯТОРЫ ХРАНЯТ ЗАРЯД, И ЭТОТ ЗАРЯД ТЕЧИТ ПО ПРОВОДАМ? Нет.

Слово «заряд» имеет более одного значения, и значения противоречат друг другу. «Заряд» в батарее — это энергия (химическая энергия) , а «заряд», который течет внутри проводов, — это часть материи, это электронные частицы. А эти провода, хоть и заряжены... нейтральны и не заряжены! Термин «заряд» относится к нескольким различным вещам: к суммарному заряду, к количеству заряженных частиц и к «зарядам» энергии. Если вы не очень осторожны, используя слово «заряд» в обучении, вы можете распространять неверные представления.

[...]

Еще одно: когда вы «заряжаете» батарею, вы вызываете появление электрического тока в электролите, и это движение электрических зарядов вызывает химические реакции на поверхности пластин батареи. Химическое «топливо» накапливается, а заряд — нет : заряды втекают (или вытекают) из поверхностей пластин, а не накапливаются там. (Путь электрического тока лежит через батарею. Через нее и обратно.) «Заряд» химической энергии хранится в батарее, а электрический заряд — нет. И когда аккумулятор «разряжается», это химическое топливо запускает процесс, который прокачивает заряд через аккумулятор. Во время разрядки топливо батареи в конечном итоге будет исчерпано,

Вот как можно представить себе этот процесс: батарея похожа на водяной насос с пружинным приводом . Направьте воду обратно через этот насос, и вы заведете внутреннюю пружину. Затем обеспечьте проход между входом и выходом насоса, и мотор-пружина будет качать воду по кругу. А теперь задумайтесь на мгновение: вода — это заряд, а наш заводной насос не хранит воду!Когда мы «заряжаем» наш заводной насос, мы посылаем заряд (воду) через насос, и это накапливает энергию, заводя пружину. То же самое и с батареей: чтобы «зарядить» батарею, мы посылаем электрические заряды через батарею и возвращаемся обратно. Это заставляет химические вещества на пластинах аккумулятора накапливать энергию, точно так же, как пружина в нашем водяном насосе с пружинным приводом. Видите, как «зарядка» и «зарядки» могут создать ужасную кашу недоразумений? Когда этот беспорядок попадает в учебники K-12, и педагоги начинают учить этому детей, дети в конечном итоге верят, что Электричество слишком сложно для них, чтобы понять. Но вина не на студентах!!!!

Итак, исправляя заблуждения моего понимания и отвечая на мои вопросы:

  1. Батарея — это устройство, способное накапливать электрическую энергию в виде химической энергии и преобразовывать эту энергию в электричество;
  2. Мы также можем сказать, что батарея хранит химическую потенциальную энергию ( потенциальную энергию, потому что она не используется, но может быть использована для совершения работы, и химическую , потому что эта энергия хранится в химических соединениях );
  3. Нельзя сказать , что батарея запасает электрическую потенциальную энергию . Аккумулятор имеет тенденцию поддерживать электрическую потенциальную энергию на каждом из своих выводов, но энергия, накопленная в аккумуляторе, возникает не от разделения зарядов, а от окислительно-восстановительных реакций (химическая энергия). Сравните с конденсатором, энергия которого запасается в виде потенциальной электрической энергии за счет разделения зарядов на его обкладках.
  4. Химические реакции , которые происходят внутри батареи, происходят даже тогда, когда она отключена от цепи. Таким образом, батареи имеют напряжение, даже если они не используются или их напряжение не измеряется. (См. пояснение к пункту 4 ниже)
  5. Аккумулятор имеет фиксированное количество заряда внутри него. Когда он заряжается, он не сохраняет электроны , которые входят в клемму (+). То же количество, которое входит в клемму (+), выходит из аккумулятора через клемму (-). Здесь нет нарушения принципа сохранения заряда.
  6. Когда кто-то говорит такие вещи, как «Эта батарея хранит 80 Ач заряда» , это означает, что 80 Ач (288 000 кулонов) вошли и вышли из батареи, когда она была заряжена, вызывая реверсию окислительно-восстановительных реакций, и если батарея подключена к цепи Через него может пройти до 80 Ач (288 000 Кл) заряда . И эта единица (Ач) используется на практике, потому что она дает представление о том, сколько прослужит батарея: она указывает, как долго батарея с фиксированным напряжением сможет отдавать заданный ток.

Пояснение к пункту 4:

Один из его выводов — анод — может «вырабатывать» электроны в результате реакции окисления , делая окружающую его среду отрицательной, а другой — катод — может «потреблять» электроны в результате реакции восстановления , делая окружающую среду положительной. Эти процессы могут происходить (в ограниченном виде), даже когда батарея отключена от цепи, и, таким образом, мы «всегда» (пока не будет достигнуто равновесие) имеем разделение зарядов , что приводит к разности электрических потенциалов (напряжению).

Чтобы лучше понять это, я приведу ответ Альфреда Центавра на Physics.SE :

Рассмотрим на мгновение ячейку, которая не подключена к цепи , т. е. нет пути для тока, внешнего по отношению к ячейке.

Химические реакции внутри клетки удаляют электроны с катода и добавляют электроны к аноду. Таким образом, по мере протекания химических реакций между анодом и катодом создается электрическое поле из-за разной плотности заряда .

Оказывается, это электрическое поле снижает скорость химических реакций внутри клетки. В какой-то момент электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы эффективно остановить химические реакции внутри клетки. Напряжение на клеммах элемента из-за этого электрического поля становится постоянным, и это напряжение холостого хода элемента.

Если к ячейке подключена внешняя цепь, электроны текут от анода через внешнюю цепь к катоду, уменьшая разницу в плотности заряда, что, в свою очередь, уменьшает электрическое поле ровно настолько, чтобы снова могли происходить химические реакции. поддерживать электрический ток в цепи.

Чем больше внешний ток, тем больше необходимая скорость химических реакций и, следовательно, меньше напряжение на клеммах. Пока ток в цепи значительно меньше максимального тока, который могут поддерживать химические реакции, напряжение на клеммах батареи будет близко к напряжению разомкнутой цепи.

Дальнейшее чтение + ссылки:

Заблуждения о работе аккумулятора, процессах заряда и разряда
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v