กระแสไหลในแบตเตอรี่?

ฉันกำลังอ่านหนังสืออิเล็กทรอนิกส์ขั้นพื้นฐาน: "ไม่มีอิเลคตรอน: อิเล็กทรอนิคส์สำหรับ Earthlings" และฉันเจอข้อความที่ฉลาดเกี่ยวกับความจริงที่ว่าคุณต้องการวงจรปิดเพื่อให้กระแสไหล นี่คือข้อความที่ฉันอยากรู้เกี่ยวกับ:

"สิ่งนี้รบกวนฉันอยู่เสมอ: ถ้าขั้วลบของแบตเตอรี่มีอิเล็กตรอนมากเกินไป (ประจุลบ) และขั้วบวกของแบตเตอรี่มีอิเล็กตรอนน้อยเกินไป (ประจุบวก) และสิ่งที่ตรงกันข้ามดึงดูดทำไมฉันจึงไม่สามารถต่อสายระหว่าง ด้านลบของแบตเตอรีหนึ่งก้อนและด้านบวกของแบตเตอรีที่ต่างกันและรับกระแสใด ๆ ความจริงข้อนี้ไม่ทำงานไม่มีกระแสจะไหลมีใครซักคนอธิบายให้ฉันฟังฉันอาจจะไม่เคยเขียนหนังสือเล่มนี้ ."

ไม่มีใครมีคำตอบตรงไปตรงมากับคำถามนี้

ความสับสนที่นี่มาจากคำอธิบายที่ไม่ดีในเบื้องต้นว่าแบตเตอรี่ทำงานอย่างไร

แบตเตอรี่ประกอบด้วยสามสิ่ง: อิเล็กโทรดบวกขั้วลบและอิเล็กโทรไลต์ในระหว่างนั้น ขั้วไฟฟ้าทำจากวัสดุที่ต้องการทำปฏิกิริยากับกันและกันอย่างรุนแรง พวกมันถูกแยกออกจากกันด้วยอิเล็กโทรไลต์

อิเล็กโทรไลต์ทำหน้าที่เหมือนตัวกรองที่ปิดกั้นการไหลของอิเล็กตรอน แต่อนุญาตให้ไอออน (อะตอมที่มีประจุบวกจากขั้วไฟฟ้า) ไหลผ่านได้ หากแบตเตอรี่ไม่ได้เชื่อมต่อกับสิ่งใดแรงเคมีจะดึงไอออนพยายามวาดผ่านอิเล็กโทรไลต์เพื่อทำปฏิกิริยาให้เสร็จ แต่จะมีความสมดุลโดยแรงไฟฟ้าสถิต - แรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้า ข้อควรจำ - แรงดันไฟฟ้าระหว่างสองจุดหมายความว่ามีสนามไฟฟ้าระหว่างจุดเหล่านั้นซึ่งผลักอนุภาคที่มีประจุในทิศทางเดียว

เมื่อคุณเพิ่มลวดระหว่างปลายของแบตเตอรี่อิเลคตรอนสามารถทะลุผ่านลวดได้โดยใช้แรงดันไฟฟ้า สิ่งนี้จะช่วยลดแรงไฟฟ้าสถิตเพื่อให้ไอออนสามารถผ่านอิเล็กโทรไลต์ เมื่อแบตเตอรี่หมดประจุอิออนจะย้ายจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรดและปฏิกิริยาทางเคมีจะดำเนินต่อไปจนกว่าอิเล็กโทรดหนึ่งจะหมด

คิดถึงแบตเตอรี่สองก้อนติดกันเชื่อมโยงกันด้วยลวดเส้นเดียว - ไม่มีแรงดันไฟฟ้าระหว่างแบตเตอรี่สองก้อนดังนั้นจึงไม่มีแรงขับอิเล็กตรอน ในแบตเตอรี่แต่ละก้อนพลังไฟฟ้าสถิตจะสมดุลแรงเคมีและแบตเตอรี่จะอยู่ในสถานะคงที่

(ฉันชอบที่จะสื่อความหมายถึงสองสิ่งที่ต้องการ "ตอบสนอง" ซึ่งกันและกัน Google "Gibbs free energy" สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมคุณอาจ google "สมการ Nernst")

ลืมแบตเตอรี่ไปหนึ่งวินาทีนั่นเป็นเพียงหนึ่งในพัน analogies ที่คุณสามารถใช้อธิบายแรงดันไฟฟ้า / กระแสและเหตุผลที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลไม่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่มันง่ายกว่ามาก

วิธีที่ง่ายที่สุดที่จะคิดคือ: กระแสจะไหลวนเป็นวงแม้ในวงจรที่ซับซ้อนมากคุณสามารถแยกมันออกเป็นลูปของกระแสได้เสมอหากไม่มีเส้นทางสำหรับกระแสกลับไปยังแหล่งนั้นจะมี ไม่มีกระแส

ในตัวอย่างแบตเตอรีของคุณจะไม่มีเส้นทางย้อนกลับปัจจุบันดังนั้นจึงไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล เห็นได้ชัดว่ามีเหตุผลทางฟิสิกส์ที่ลึกกว่าสำหรับสาเหตุที่ทำให้งานนี้เกิดขึ้น แต่เมื่อคำถามถามหาคำตอบง่ายๆฉันจะข้ามคณิตศาสตร์สมการของ Google Maxwell และวิธีที่ใช้ในการคำนวณกฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff

แบตเตอรี่ทำให้เป็นตัวอย่างที่ดีสำหรับเรื่องนี้เพียงเพราะพวกเขาเป็นแหล่งปัจจุบันที่มีบริเวณที่แยกได้อย่างสมบูรณ์ ตัวอย่างนี้จะเป็นจริงอย่างเท่าเทียมกันของแหล่งพลังงานอื่น ๆ ที่มี "ดิน" แยกทั้งหมด

อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะค้นหาเช่นการทำสิ่งนี้กับอุปกรณ์สำหรับม้านั่ง 2 ตัวอาจทำให้อุปกรณ์เครื่องหนึ่งไม่มีความสุขมาก แต่นั่นไม่ใช่เพราะเอฟเฟกต์ต่างกันความแตกต่างคืออุปกรณ์สำหรับม้านั่งนั้นมีเหตุผล การเดินสายไฟฟ้าในอาคารและเป็นเส้นทางกลับสำหรับกระแสไหลผ่าน

การเปรียบเทียบน้ำสำหรับสิ่งนี้ก็มีประสิทธิภาพเช่นกัน นึกถึงตัวอย่างแบตเตอรี่ของคุณด้วยวิธีนี้:

คุณมีปั๊มน้ำ (แบตเตอรี่ A) เชื่อมต่อกับท่อ (สายไฟ) และคุณมีปั๊มน้ำอีกก้อน (แบตเตอรี่ B) เชื่อมต่อกับท่อเดียวกัน (สาย) ในตัวอย่างของคุณไม่มีเส้นทางกลับในระบบดังนั้นจินตนาการว่าท่อเต็มไปด้วยน้ำ แต่ปิดปลายทั้งสองด้าน

คุณกดสวิตช์ไฟที่ปั๊มเกิดอะไรขึ้น

คำตอบคือไม่มีอะไรที่จะย้ายน้ำไปที่ปั๊มไม่ได้หมุน (ไม่สนใจความวุ่นวายของน้ำเช่นผลกระทบของการเปรียบเทียบนี้)

ตอนนี้ถ้าคุณเชื่อมต่อท่อในลูปและกดสวิตช์ปั๊มจะหมุนขึ้น (แรงดันไฟฟ้า) และน้ำจะไหล (กระแส)

หากคุณใช้ปั๊มความเร็วแตกต่างกัน 2 ก้อน (แบตเตอรี่แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน) และหันเข้าหากันจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินและทำให้ปั๊มหมุนไปในทิศทางที่ไม่ถูกต้อง

หากคุณเชื่อมต่อปั๊มทั้งสองที่ชี้ไปในทิศทางเดียวกันคุณจะได้แรงดันน้ำมากขึ้น (แรงดันไฟฟ้า) เพราะปั๊มกำลังช่วยซึ่งกันและกัน (แบตเตอรี่ 2 ก้อนเป็นอนุกรม)

สมมติว่าคุณมีแบตเตอรี่ขนาด AA แต่ละก้อนมี 1.5 V นอกจากนี้เรามาทำฉลากแบตเตอรี่ A และแบตเตอรี่ B ถ้าคุณต่อ A + กับ B- สิ่งที่คุณได้รับคือ 3 V ที่ต่างกันระหว่าง A- ถึง B +

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

เมื่อคุณขอ B- กับ A + พวกเขาทั้งคู่มีศักยภาพเท่ากัน (พวกเขาจะติดสายด้วย) B + สูงกว่าศักยภาพนี้ 1.5V และ A- ต่ำกว่า 1.5V

มันเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องจำไว้ว่าแรงดันไฟฟ้าไม่ได้เป็นที่แน่นอนคุ้มค่า มันเป็นค่าสัมพัทธ์ ลวด B- _ A + จะอยู่ที่หนึ่งศักย์และ B + และ A- จะสัมพันธ์กับศักยภาพนั้น

ฉันก็มักจะพบว่าคำอธิบายของคนธรรมดาของแบตเตอรี่ที่จะทำให้เข้าใจผิด คนส่วนใหญ่อธิบายว่าแบตเตอรี่เป็นที่เก็บพลังงานไฟฟ้า แต่ไม่ได้อธิบายว่าทำไมคุณไม่สามารถถ่ายโอนไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ลงสู่พื้นดินหรือทำไมคุณไม่สามารถใช้แบตเตอรี่หนึ่งก้อนได้อีกเช่นในคำถามของคุณด้านบน .

นี่อาจไม่ใช่คำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริง แต่ฉันพบว่าการเปรียบเทียบที่เข้าใจได้มากกว่าคือการอธิบายแบตเตอรี่เป็นเครื่องสูบน้ำแทน "พลังงาน" ที่มีอยู่ในแบตเตอรี่ถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนปั๊ม มันไม่ได้ถูกส่งผ่านสาย ด้วยการเปรียบเทียบนี้จะเห็นได้ชัดว่าทำไมทั้งขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ต้องเชื่อมต่อในวงจร ถ้าบอกว่าคุณเชื่อมต่อเฉพาะขั้วลบกับพื้นดินไม่มีกระแสเพราะไม่มีกระแสไฟฟ้าเข้ามาในขั้วบวกขั้วบวกที่สามารถสูบออกได้

ในทางเทคนิคกระแสอาจหรือไม่ไหลเมื่อลวดเชื่อมต่อด้วยวิธีนั้น ทุกอย่างขึ้นอยู่กับว่ามีความแตกต่างของประจุระหว่างขั้วทั้งสองหรือไม่ ถ้าความแตกต่างเล็กกระแสน้อย / ไม่มีก็จะไหล เรื่องนี้ถือเป็นจริงสำหรับสายใด ๆ ที่เชื่อมต่อระหว่างสองขั้วใดก็ได้

อย่างไรก็ตามกระแสเกินความเป็นไปได้จะไม่เกิดขึ้น (ขึ้นอยู่กับอายุ / การใช้งานของแบตเตอรี่) เหตุผลเป็นเพราะแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างที่อาจเกิดขึ้น - ที่ "หลุมส่วนเกินบนปลายบวก" และ "อิเล็กตรอนส่วนเกินบนปลายเชิงลบ" - จะสัมพันธ์กับแบตเตอรี่ที่ได้รับ มีอิเล็กตรอน / รูส่วนเกินที่ปลายของแบตเตอรี่ที่กำหนดซึ่งเกี่ยวเนื่องกัน ความสัมพันธ์นั้นอาจจะใช่หรือไม่ใช่จริงก็ได้ระหว่างขั้วลบของแบตเตอรี่หนึ่งขั้วกับขั้วบวกของขั้วบวก

กระแสที่ไหลเข้ามาในทางแยกจะเท่ากับกระแสที่ไหลออกมาจากทางแยกเสมอ ดังนั้นกระแสจะต้องไหลในลูปเสมอ

เป็นครั้งแรก กระแส WILL ขนาดเล็กมากในช่วงเวลาสั้น ๆ ... แต่มันต้องการประจุไฟฟ้า (สถิต) เพียงเล็กน้อยเพื่อส่งผ่านเพื่อสร้างแรงดันย้อนหลังที่เพียงพอเพื่อทำให้แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าว่างเปล่า โปรดจำไว้ว่าไฟฟ้าสถิตย์ที่น่าสังเกตเช่นลูกโป่งถูบนเส้นผมมักจะเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่เช่นโวลต์หลายหมื่น (โวลต์) ซึ่งจำเป็นต่อการจุดประกาย โดยทั่วไปเซลล์ 1.5 โวลต์ธรรมดาไม่สามารถจุดประกาย (ไม่มีความช่วยเหลือพิเศษ) ที่จริงถ้าคุณแขวนเซลล์ (แบตเตอรี่) อย่างง่าย ๆ ไว้ในอวกาศหรือแขวนไว้บนสายพวกเขาก็จะมีปฏิกิริยาแบบไดโพลเล็ก ๆ แล้วบิดเหมือนแม่เหล็กคู่หนึ่งแล้วดึงดูดกันและกัน โชคไม่ดีที่สิ่งนี้เพิ่งกลายเป็นกองกำลังที่สามารถคำนวณได้และ จำกัด บางที expt นี้ได้ถูกทำอย่างอ่อนโยนเพื่อแสดงสิ่งนี้ เพิ่มเติม ปัญหาดั้งเดิมเป็นเหมือนการเรียกเก็บประจุถ้าคุณคิดเกี่ยวกับมัน ด้วยเทอร์มินัลที่ไม่ได้ตรวจจับเป็นเพียงตัวเก็บประจุ ความเล็กของขั้วและการแยกจะแตกต่างกันอย่างมากจากตัวเก็บประจุที่ดีซึ่งมีพื้นที่ขนาดใหญ่และการแยกขนาดเล็กซึ่งสร้างความแตกต่างและนั่นคือสาเหตุที่กระแสในปัจจุบันมีปัญหาน้อย (แต่แน่นอน) ในปัญหาดั้งเดิม

ฉันคิดว่าอีกสิ่งหนึ่งที่อาจทำให้คุณสับสนคือเราบอกว่าแรงดันไฟฟ้าในตัวนำนั้นคงที่เสมอ ในขณะที่สิ่งนี้เป็นจริงส่วนใหญ่มันเป็นเรื่องโกหก ตัวนำทั้งหมดยังคงมีความต้านทานแน่นอน ด้วยเหตุนี้หากคุณต่อสายไฟระหว่างขั้วทั้งสองของแบตเตอรี่ปลายด้านหนึ่งของลวดจะมีความต่างศักย์ต่างกันส่วนอีกขั้วหนึ่งกับกระแสในสายจะเป็นไปตามกฎของโอห์ม ฉันไม่รู้ว่าคุณเคยลองลัดวงจรขั้วแบตเตอรี่สองอันแบบนี้หรือไม่ แต่เพราะความต้านทานของสายนั้นต่ำมากกฎของโอห์มจะให้กระแสที่มีขนาดใหญ่มากซึ่งจะทำให้ลวดร้อนขึ้นและเผาคุณ

ตอนนี้เหตุผลที่เรามักจะบอกว่าศักยภาพในสายไฟฟ้าคงที่คือเนื่องจากมีส่วนประกอบอื่น ๆ ในวงจรของเราซึ่งมีความต้านทานมากกว่าลวดแล้ว ด้วยเหตุนี้แรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่จึงจะถูกส่งไปยังส่วนประกอบอื่น ๆ ในวงจรและจะมีแรงดันไฟฟ้าที่เล็กมากจากปลายด้านหนึ่งของสายไปยังอีกด้านหนึ่ง ดังนั้นเราสามารถทำให้ปัญหาของเราง่ายขึ้นโดยบอกว่าแรงดันไฟฟ้าคงที่ในสายไฟ