Течет ток в батареях?

Путаница здесь из-за изначально плохого описания того, как работает батарея.

Аккумулятор состоит из трех частей: положительного электрода, отрицательного электрода и электролита между ними. Электроды изготовлены из материалов, которые сильно хотят реагировать друг с другом; они разделены электролитом.

Электролит действует как фильтр, который блокирует поток электронов, но пропускает ионы (положительно заряженные атомы с электродов). Если батарея ни к чему не подключена, химическая сила притягивает ионы, пытаясь провести их через электролит, чтобы завершить реакцию, но это уравновешивается электростатической силой — напряжением между электродами. Помните: напряжение между двумя точками означает, что между этими точками существует электрическое поле, которое толкает заряженные частицы в одном направлении.

Когда вы добавляете провод между концами батарей, электроны могут проходить по проводу под действием напряжения. Это снижает электростатическую силу, поэтому ионы могут проходить через электролит. По мере разрядки аккумулятора ионы перемещаются от одного электрода к другому, и химическая реакция продолжается до тех пор, пока один из электродов не разрядится.

Если подумать о двух батареях, расположенных рядом друг с другом и соединенных одним проводом, то между двумя батареями нет напряжения, поэтому нет никакой силы, приводящей в движение электроны. В каждой батарее электростатическая сила уравновешивает химическую силу, и батарея остается в устойчивом состоянии.

(Я как бы умолчал о том, что означает, что два материала «хотят» реагировать друг с другом. Погуглите «свободная энергия Гиббса», чтобы узнать больше об этом. Вы также можете погуглить «уравнение Нернста».)

Забудьте на секунду о батареях, это всего лишь одна из тысячи аналогий, которые вы могли бы использовать для описания напряжения/тока, и причина отсутствия тока не имеет ничего общего с электрохимическими свойствами батарей, она намного проще.

Самый простой способ думать об этом таков: ток всегда будет течь только в петле, даже в очень сложных цепях вы всегда можете разбить его на петли тока, если нет пути для возврата тока к своему источнику, будет быть без течения.

В вашем примере с батареей нет пути обратного тока, поэтому ток не будет течь. Очевидно, существует более глубокая физическая причина того, почему это работает, но поскольку на вопрос задан простой ответ, я пропущу математику, погуглю уравнения Максвелла и то, как они используются при выводе закона напряжения Кирхгофа.

Батареи являются хорошим примером для этого просто потому, что они являются источниками тока с полностью изолированным заземлением. Этот пример в равной степени относится к любому другому источнику питания с полностью изолированной «землей».

Тем не менее, это не так просто найти, например, выполнение этого с двумя настольными источниками питания, вероятно, сделает один из настольных источников очень несчастным, но это не потому, что эффект отличается, разница в том, что настольные источники питания, вероятно, оба заземлены. к электропроводке в здании, и поэтому существует обратный путь для протекания тока.

Аналогия с водой для этого также эффективна. Подумайте о своем примере с батареей следующим образом:

У вас есть водяной насос (батарея A), подключенный к трубе (проводу), и другой водяной насос (батарея B), подключенный к той же трубе (провод). Теперь в вашем примере в системе нет обратного пути, поэтому представьте, что труба заполнена водой, но закрыта с обоих концов.

Вы нажали выключатель питания на насосах, что происходит?

Ответ - ничего, воду некуда качать, насосы даже не крутятся. (для этой аналогии игнорируйте эффекты турбулентности воды).

Теперь, если вы соедините трубу в петлю и нажмете на переключатель, насосы раскрутятся (напряжение) и вода потечет (ток).

Если вы использовали 2 насоса с разной скоростью (аккумуляторы с разным напряжением) и повернули их друг к другу, один из них будет иметь избыточную мощность и заставит другой вращаться в неправильном направлении (сгорает так же, как параллельное соединение 9-вольтовой и 6-вольтовой батарей).

Если вы подключите оба насоса, направленные в одном направлении, вы получите большее давление воды (напряжение), потому что насосы помогают друг другу (2 батареи последовательно).

Допустим, у вас есть батарейки типа АА по 1,5 В каждая. Кроме того, давайте назовем их батареей A и батареей B. Если вы соедините A+ с B-, вы фактически получите разницу в 3 В между A- и B+.

B+  -------------------
|                     |
B- _ A+  --           | 3V
     |    | 1.5 V     |
     A-  --------------

Когда вы подключаете B- к A+, они оба имеют одинаковый потенциал (в конце концов, они подключены проводом). B+ на 1,5 В выше этого потенциала, а A- на 1,5 В ниже.

Важно помнить, что напряжение не является абсолютной величиной. Это относительная величина. Провод B-_A+ будет иметь один потенциал, а B+ и A- относятся к этому потенциалу.

Я тоже всегда находил, что традиционное непрофессиональное описание батареи вводит в заблуждение. Большинство людей описывают батарею как контейнер для хранения электричества, но это не объясняет, почему нельзя сбрасывать электричество с батареи на землю или почему одна батарея не может питать другую, как в вашем вопросе выше. .

Возможно, это не совсем точное описание того, что происходит на самом деле, но я считаю, что более понятной аналогией будет описание батареи как насоса. «Энергия», содержащаяся в батарее, используется для привода насоса; он не передается по сети. С помощью этой аналогии становится совершенно очевидным, почему и положительный, и отрицательный полюсы батареи должны быть соединены в цепь. Если, скажем, вы подключите к земле только отрицательный электрод, тока не будет, потому что на положительный электрод не поступает электричество, которое можно откачать.

Технически ток может течь или не течь, когда провод подключен таким образом. Все зависит от того, есть ли разность потенциалов в зарядах между этими двумя терминалами. Если разница мала, ток будет небольшим или не будет течь. Это верно для любого провода, подключенного между любыми двумя клеммами в любом месте.

Однако ток, скорее всего, не будет (в зависимости от возраста / использования батареи). Причина в том, что разность потенциалов — «лишние дырки на положительном конце» и «лишние электроны на отрицательном конце» — относится к данной батарее . На концах данной батареи есть избыточные электроны/дырки по отношению друг к другу. Это соотношение может сохраняться или не сохраняться между отрицательной клеммой одной батареи и положительной клеммой другой.

Ток, втекающий в соединение, всегда равен току, вытекающему из соединения. Следовательно, ток должен всегда течь в петле.

Первый. Очень небольшой ток БУДЕТ течь в течение очень короткого времени ... но для прохождения требуется лишь небольшое количество электрического заряда (статического), чтобы создать достаточное обратное напряжение, чтобы свести на нет прямое напряжение. Вспомните, что любое заметное статическое электричество, такое как трение воздушных шаров о волосы, обычно связано с БОЛЬШИМ напряжением, например (десятками) тысяч вольт, которое необходимо для образования искры. Обычная простая 1,5-вольтовая ячейка не может дать искру (без специальной помощи). На самом деле, если вы осторожно подвесите пару простых ячеек (батарей) в пространстве или повесите на веревке, они будут иметь небольшое дипольное взаимодействие и скручиваться, как пара магнитов, а затем притягивать друг друга. К сожалению, это оказывается очень малыми, хотя и поддающимися расчету и конечными силами. Возможно, это расширение было сделано деликатно, чтобы показать это. Дальше, Первоначальная проблема немного похожа на зарядку конденсатора, если подумать. При этом неподключенные клеммы представляют собой просто пластины конденсатора. Небольшой размер клемм и разделение численно сильно отличается от хорошего конденсатора, который имеет большую площадь и маленькое расстояние, что и составляет всю разницу, и поэтому ток в исходной задаче минимален (но конечен).

Я думаю, что еще одна вещь, которая может сбить вас с толку, заключается в том, что мы говорим, что напряжение в проводнике всегда постоянно. Хотя это в основном правда, это своего рода ложь. Все проводники по-прежнему имеют конечное сопротивление. Из-за этого, если вы подключите провод между двумя клеммами батареи, один конец провода будет фактически иметь другой потенциал, чем другой, и ток в проводе будет подчиняться закону Ома. Я не знаю, пробовали ли вы когда-нибудь закоротить две клеммы батареи таким образом, но из-за того, что сопротивление провода такое низкое, закон Ома дает очень большой ток, который нагреет провод и сожжет вас.

Теперь причина, по которой мы обычно говорим, что потенциал в проводе постоянен, заключается в том, что обычно в нашей цепи есть другие компоненты, сопротивление которых намного больше, чем у проводов. Из-за этого большая часть напряжения в конечном итоге будет падать на другие компоненты в цепи, и будет только очень небольшое падение напряжения от одного конца провода к другому. Поэтому мы можем упростить наши задачи, сказав, что напряжение в проводах постоянно.