¿Cómo funciona una batería (celda primaria)? [cerrado]

¿ya existe un campo eléctrico, antes de conectarlo a un cable?

Sí de lo contrario, ninguna corriente podría fluir a través de una carga conectada a los contactos de la batería. El campo eléctrico es lo que hace que los electrones se muevan y el movimiento de los electrones es lo que contiene la energía.

Los electrones tienen una carga negativa, por lo que hay un exceso de electrones en la conexión negativa o de cátodo (-) de la batería. En el terminal positivo o Anode (+), hay una carga igual pero positiva (debido a la falta de electrones) presente.

Tenga en cuenta que la carga total es cero , por lo que la cantidad de electrones excedentes en el contacto (-) es igual a la cantidad que falta en el contacto (+).

Esta carga (los electrones o los que faltan electrones) es en realidad insignificante , no contiene mucha energía. La parte importante es que si conecta los contactos (+) y (-), un actual puede fluir porque los cargos se quieren neutralizar.

Sin embargo, la química que circula en la batería comienza a "mover" ** iones * (que pueden tener uno o más electrones excedentes o faltantes) desde el contacto (+) hasta el contacto (-). Este proceso consume ciertas sustancias químicas y forma otras mientras los electrones se "liberan" y terminan en el contacto (-) (el cátodo).

Los electrones do fluyen dentro de la batería; son transportados por los iones desde el ánodo (+) al cátodo (-), completando el bucle actual. Para que fluyan de esta manera, se necesita energía. Esta energía proviene de la reacción química que ocurre en la batería.

Si no hay carga conectada a la batería, los electrones permanecen atascados en el cátodo. Se acumulan allí hasta que se alcanza un cierto voltaje, cuando la reacción química (que produce los electrones) se ralentiza y se detiene. La reacción química se detiene porque ya no puede "entregar" los electrones "libres". Ya no puede entregar los electrones libres porque requiere cada vez más energía a medida que aumenta el potencial. Una vez que se alcanza un potencial dado, el proceso se detiene. Cuando se conecta una carga, disminuye el potencial (ligeramente), lo que permite que se "liberen" más electrones, lo que vuelve a iniciar el proceso.

La velocidad de los electrones generados depende de la corriente a través de la carga. Busque las definiciones de corriente eléctrica, su relación con la carga y la carga de un solo electrón. Luego, puede calcular cuántos electrones están involucrados en hacer una corriente de flujo de 1 Amperio, por ejemplo (1 Amperio corresponde a 6,25 × 10 ¹⁸ electrones por segundo).

Las baterías no deben quemarse ; Si se queman, los estás usando mal. Se agotan o se agotan . Esto se debe a que la reacción química necesaria agota los productos químicos que se encuentran dentro de la batería y los reemplaza por otra cosa, como cualquier reacción química.

En las baterías primarias, no hay vuelta atrás; cuando se agotan los productos químicos necesarios, la batería se ha vuelto inútil.

En las baterías recargables, el proceso químico se puede invertir al forzar a los electrones (en la parte posterior de los iones) a que fluyan en sentido opuesto (de cátodo a ánodo) dentro de la batería.

La duración de la batería depende de cómo la uses. Una situación que agota rápidamente la batería consume menos energía total que cuando la carga necesita una pequeña corriente. Mira en las hojas de datos de la batería para ver la diferencia; ¡Puede haber hasta un factor 5 de diferencia en la energía disponible!

Tenga en cuenta que no soy un experto en baterías, si hay algún error en mi razonamiento, indíquelo en un comentario.

Normalmente, diría "ignorar los electrones" al intentar entender la electrónica, pero este es uno de esos casos en los que realmente importan.

Usaré una batería alcalina estándar como mi ejemplo. Química:

Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− [Eoxidation° = +1.28 V]
2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq) [Ereduction° = +0.15 V] 

Hay tres elementos. Un ánodo (zinc), conectado al terminal negativo de la batería; un cátodo (óxido de manganeso) conectado a batería positiva y un electrolito (hidróxido de potasio, que es el "álcali" del nombre). El electrolito en cualquier batería es un líquido que se encuentra entre los electrodos.

"Electronegatividad" es la tendencia de los químicos a atraer o perder electrones. La reacción de la parte superior está bastante dispuesta a deshacerse de sus dos electrones y volcarlos en el ánodo. Lo hace hasta que se acumula un campo de aproximadamente 1.28 V entre el electrodo y la solución, en cuyo punto la reacción ya no tiene suficiente energía para superar el campo y empujar los electrones sobre el ánodo. Del mismo modo, el otro extremo crea un pequeño campo.

Tenga en cuenta que el electrolito no es conductor, al menos no de la misma manera que lo son los metales. No hay electrones flotando libremente en el electrolito. Sin embargo, hay iones que llevan una carga positiva (potasio) o negativa (hidróxido). Los iones son libres de viajar de un electrodo a otro.

¿Cuándo se acaba? Cuando todo el zinc se ha oxidado a óxido de zinc o se ha agotado el dióxido de manganeso.

Ya existen excelentes respuestas técnicas a esta pregunta, así que solo agregaré una comparación a un sistema de agua.

Considere el siguiente sistema con dos contenedores de agua:

Elcontenedorizquierdocontieneaguaquetieneunpotencialmásaltoqueelagua(inexistente)enelcontenedorcorrecto.

Nohayuncampo(eléctrico)entreloscontenedores(oloselectrodosenlabatería)perohayunadiferenciapotencial.

Loquehacemoscuandoextraemosunacorrientedelabateríaesbásicamenteproporcionarunaformaparaqueloselectronesfluyandesdeelladodepotencialaltoalladodepotencialbajo.

Siconectamoslosdoscontenedoresdeagua,permitimosqueelaguafluyadesdelaregióndealtopotencialalaregióndebajopotencial,ypodemosusarladiferenciadepotencialparahacertrabajo(colocandounaruedadeaguacomoenunmolinodeagua)entreloscontenedores..

Lavelocidaddeloselectrones/aguaquefluyeentreloscontenedoresestádeterminadaporladiferenciadepotencial,asícomolaresistenciadelconectorentreloscontenedores.

Laresistenciaenlacajadeaguaestádeterminadaporeldiámetrodelatuberíaylafriccióncontralasparedesdelatubería.

Cuandoagotamoselsistema,loselectrones/aguaenamboscontenedorestienenelmismopotencialyyanohayflujoentreloscontenedores.

Nota: Este tipo de analogía no siempre funciona. Por ejemplo, no hemos pensado en el separador / membrana que necesita el sistema de batería.

Un comentario sobre la descarga. Las baterías no solo se agotan repentinamente y fallan. La disminución de la energía disponible es gradual. La reacción puede considerarse similar a la corrosión o la oxidación, y los subproductos gastados de las reacciones químicas anteriores se acumularán y obstaculizarán las reacciones adicionales, lo que ralentizará la reactividad general.

A medida que la reacción química se desacelera hacia el final de la vida útil, la diferencia de voltaje en los terminales disminuirá. Debido a la fórmula, voltios x amperios = vatios, a medida que el voltaje disminuye, el amperaje de la batería aumentará para compensar.

Hay un límite de consumo de amperaje debido al grosor de los terminales de la batería, los cables de los terminales del dispositivo y el área de superficie reactiva disponible del ánodo y el cátodo. Uno de estos eventualmente restringirá el amperaje disponible, y en ese punto el voltaje caerá rápidamente, lo que resultará en una condición de apagón que causará que el dispositivo funcione mal o falle.

Una batería que se usa en una aplicación de alta corriente y parece estar agotada después de un corto período de tiempo puede continuar funcionando normalmente si se reutiliza para una aplicación de baja corriente, debido a que la reactividad de la celda lenta aún puede mantener un alto voltaje suficientemente útil si el amperaje es bajo.

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También las temperaturas muy frías pueden afectar el voltaje disponible, ya que las reacciones químicas se desaceleran. Una batería de vehículo enfriada a -40C / F solo puede iluminar débilmente el panel de instrumentos y arrancar muy lentamente el motor de arranque, porque la velocidad de reacción química es demasiado lenta para mantener un diferencial de alto voltaje en los terminales de la batería. Sin embargo, las baterías de los vehículos suelen tener una superficie muy grande y esponjosa, lo que permite un alto amperaje incluso cuando la reactividad química se reduce.

Considere un motor de arranque de vehículo típico con una capacidad nominal de aproximadamente 1500 vatios:

• A una temperatura ambiente normal, una batería de vehículo de plomo y ácido de seis celdas completamente cargada puede proporcionar 13.6 voltios a 110 amperios para generar 1500 vatios.
• A -40 ° C, el diferencial de voltaje disponible de una batería completamente cargada puede caer hasta 6 voltios. El amperaje entonces aumenta 250 amperios para compensar la baja tensión, que es lo que se conoce como "amperios de arranque en frío" en las baterías del vehículo.

Esta es también la razón por la que los cables de arranque del vehículo y los terminales de la batería suelen ser muy gruesos y pesados, para pasar esta corriente inusualmente grande en condiciones de frío severo.