¿Flujo de corriente en las baterías?

La confusión aquí proviene de la mala descripción inicial de cómo funciona una batería.

Una batería consta de tres cosas: un electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito en medio. Los electrodos están hechos de materiales que quieren reaccionar fuertemente entre sí; se mantienen separados por el electrolito.

El electrolito actúa como un filtro que bloquea el flujo de electrones, pero permite que los iones (átomos cargados positivamente de los electrodos) pasen a través de ellos. Si la batería no está conectada a nada, la fuerza química está tirando de los iones, tratando de pasarlos a través del electrolito para completar la reacción, pero esto se equilibra con la fuerza electrostática: el voltaje entre los electrodos. Recuerde: un voltaje entre dos puntos significa que hay un campo eléctrico entre esos puntos que empuja las partículas cargadas en una dirección.

Cuando agrega un cable entre los extremos de las baterías, los electrones pueden pasar a través del cable, impulsado por el voltaje. Esto reduce la fuerza electrostática, por lo que los iones pueden pasar a través del electrolito. A medida que se descarga la batería, los iones se mueven de un electrodo a otro y la reacción química continúa hasta que uno de los electrodos se agota.

Pensando en dos baterías una al lado de la otra, unidas por un cable: no hay tensión entre las dos baterías, por lo que no hay fuerza para impulsar los electrones. En cada batería, la fuerza electrostática equilibra la fuerza química y la batería permanece en estado estable.

(De alguna manera, pasé por alto lo que significa que dos materiales "quieran" reaccionar entre sí. Google "Gibbs free energy" para obtener más detalles al respecto. También puede buscar en Google la "ecuación de Nernst".)

Olvídese de las baterías por un segundo, es solo una de las mil analogías que puede usar para describir el voltaje / corriente y la razón por la que no fluye corriente no tiene nada que ver con las propiedades electroquímicas de las baterías, es mucho más simple.

La forma más fácil de pensar es esta: la corriente solo fluirá en un bucle, incluso en circuitos muy complejos, siempre se puede dividir en bucles de corriente, si no hay una ruta para que la corriente regrese a su fuente. , no habrá flujo de corriente.

En su ejemplo de batería, no hay una ruta de retorno de corriente, por lo que no fluirá corriente. Obviamente, hay una razón física más profunda por la que esto funciona, pero como la pregunta formulada por una respuesta simple omitiré las matemáticas, las ecuaciones de Maxwell de google y cómo se utilizan en la derivación de la ley de voltaje de Kirchhoff.

Las baterías son un buen ejemplo de esto, simplemente porque son fuentes actuales con un fondo completamente aislado. Este ejemplo sería igualmente válido para cualquier otra fuente de energía con un "fondo" completamente aislado.

Sin embargo, esto no es fácil de encontrar, por ejemplo, hacer esto con 2 suministros de banco probablemente haría que uno de los suministros de banco sea muy infeliz, pero eso no es así porque el efecto es diferente, la diferencia es que los suministros de banco son Es probable que ambos estén conectados a tierra al cableado eléctrico del edificio y, como tal, haya una ruta de retorno por la que fluya la corriente.

La analogía del agua para esto también es efectiva. Piensa en tu ejemplo de batería de esta manera:

Usted tiene una bomba de agua (batería A) conectada a una tubería (el cable), y tiene otra bomba de agua (batería B) conectada a la misma tubería (el cable). Ahora, en su ejemplo, no hay una ruta de retorno en el sistema, así que imagine que la tubería está llena de agua pero tapada en ambos extremos.

Al presionar el interruptor de encendido de las bombas, ¿qué sucede?

La respuesta es nada, no hay donde mover el agua, las bombas ni siquiera giran. (ignorar los efectos de la turbulencia del agua para esta analogía).

Ahora, si tuviera que conectar la tubería en un circuito y presionar el interruptor, las bombas girarán (voltaje) y el agua fluirá (corriente).

Si usó 2 bombas de velocidad diferente (baterías de diferente voltaje) y las enfrentó una con la otra, se sobrecargará y hará que la otra gire en la dirección incorrecta (se queme como si se conectara una batería de 9V y 6V en paralelo).

Si conectara ambas bombas apuntando en la misma dirección, obtendría más presión de agua (voltaje) porque las bombas se están ayudando entre sí (2 baterías en serie).

Digamos que tienes baterías AA, con 1.5 V cada una. Además, etiquetemos la batería A y la batería B. Si conectas A + a B-, lo que realmente obtienes es una diferencia de 3 V entre A y B +.

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

Cuando conectas B- a A +, ambos están al mismo potencial (después de todo, están conectados con un cable). B + es 1.5V más alto que este potencial, y A- es 1.5V más bajo.

Es importante recordar que un voltaje no es un valor absoluto . Es un valor relativo . El cable B- _ A + estará en un potencial, y B + y A- son relativos a ese potencial.

Yo también siempre he encontrado que la descripción tradicional de un batería por parte de un laico es engañosa. La mayoría de las personas describen una batería como un contenedor de almacenamiento de electricidad, pero eso no explica por qué no puede descargar la electricidad de una batería al suelo, o por qué no puede alimentar una batería con otra, como en su pregunta anterior. .

Puede que esta no sea una descripción precisa de lo que realmente está sucediendo, pero me parece que una analogía más comprensible es describir una batería como una bomba. La "energía" contenida en la batería se utiliza para accionar la bomba; No se envía por el cable. Con esta analogía, es obvio por qué los extremos positivo y negativo de una batería deben estar conectados en un circuito. Si, por ejemplo, solo conecta el electrodo negativo a tierra, no hay corriente porque no entra electricidad en el electrodo positivo que se puede bombear.

Técnicamente, la corriente puede o no fluir cuando un cable está conectado de esa manera. Todo depende de si existe o no una diferencia potencial en los cargos entre esos dos terminales. Si la diferencia es pequeña, poca / ninguna corriente fluirá. Esto es válido para cualquier cable conectado entre cualquiera de los dos terminales, en cualquier lugar.

Sin embargo, lo más probable es que la corriente no lo haga (dependiendo de la edad / uso de la batería). La razón por la que se debe a que la diferencia de potencial de voltaje, el "exceso de orificios en el extremo positivo" y el "exceso de electrones en el extremo negativo", es relativa a una batería dada . Hay un exceso de electrones / orificios en los extremos de una batería determinada entre sí. Esa relación puede o no ser cierta entre el terminal negativo de una batería y el terminal positivo de otra.

La corriente que fluye en una unión siempre es igual a la corriente que sale de la unión. Por lo tanto, la corriente siempre debe fluir en un bucle.

Primero. Una corriente muy pequeña fluirá por un tiempo muy corto ... pero necesita solo una pequeña cantidad de carga eléctrica (estática) para pasar y acumular suficiente voltaje hacia atrás para anular el voltaje hacia adelante. Recuerde que cualquier electricidad estática notable, como frotar globos en el cabello, generalmente implica voltajes GRANDES como (decenas de) miles de voltios, lo cual es necesario para generar una chispa. Las celdas simples típicas de 1.5 voltios no pueden generar chispa (sin alguna ayuda especial). En realidad, si suspende cuidadosamente un par de celdas simples (baterías) en el espacio o colgando de una cuerda, tendrían una pequeña interacción con el dipolo y se torcerían como un par de imanes y luego se atraerían entre sí. Desafortunadamente, esto solo resulta ser muy pequeño, aunque calculable y con fuerzas finitas. Tal vez este expt se ha hecho con sensibilidad para mostrar esto. Además, un problema original es un poco como cargar un condensador si lo piensas. Con los terminales no conectados son solo las placas de condensadores. La pequeñez de los terminales y la separación es muy diferente numéricamente de un buen condensador que tiene una gran área y una pequeña separación que hace toda la diferencia y por eso la corriente es minúscula (pero finita) en el problema original.

Creo que otra cosa que podría confundirte es que decimos que el voltaje en un conductor siempre es constante. Si bien esto es cierto en su mayor parte es una especie de mentira. Todos los conductores aún tienen una resistencia finita. Debido a esto, si conecta un cable entre los dos terminales de una batería, un extremo del cable estará en un potencial diferente al otro y la corriente en el cable seguirá la ley de ohmios. No sé si alguna vez ha intentado cortocircuitar los dos terminales de una batería como esta, pero como la resistencia del cable es tan baja, la ley de ohmios da una corriente muy grande que calentará el cable y lo quemará.

Ahora, la razón por la que generalmente decimos que el potencial de un cable es constante es porque generalmente hay otros componentes en nuestro circuito cuya resistencia es mucho mayor que los cables. Debido a esto, la mayor parte del voltaje terminará cayendo a través de los otros componentes en el circuito y solo habrá una caída de voltaje muy pequeña de un extremo a otro del cable. Así que podemos simplificar nuestros problemas diciendo que el voltaje es constante en los cables.