ทำไมแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่น้ำส้มสายชูในซีรีย์จึงไม่เท่ากับผลรวมของแรงดันไฟฟ้าแต่ละตัว?

ฉันกำลังทำงานเพื่อสาธิตในชั้นเรียนสำหรับชั้นประถมศึกษาของลูกชายของฉันและฉันได้สร้างแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่มีเหรียญนิวซีแลนด์ 10 เซ็นต์ (ทองแดงเคลือบ) และเครื่องซักผ้าสังกะสีและกระดาษแข็งแช่น้ำส้มสายชู แต่ละเซลล์มีการวัดประมาณ 0.96 โวลต์ แต่เมื่อฉันรวม 4 เซลล์เข้าด้วยกันฉันจะออกมาเพียง 2.6 โวลต์ ฉันสงสัยว่ามีบางสิ่งที่ฉันไม่ทราบเกี่ยวกับธรรมชาติของแบตเตอรี่เหล่านี้ซึ่งทำให้แบตเตอรี่ไม่เพิ่มขึ้น

ยิ่งไปกว่านั้นที่ 2.6 โวลต์แรงดันไฟฟ้าเดียวกับที่ฉันได้รับจาก eneloop AA คู่ของไฟ LED ไม่สว่างเลย - เมื่อเทียบกับการติดขึ้นกับ eneloop AA ซึ่ง LED ค่อนข้างสว่าง นี่เป็นเพราะแบตเตอรี่น้ำส้มสายชูต่ำหรือไม่ การเพิ่มซีรีส์ให้มากขึ้นจะทำให้ดีขึ้น (หรือฉันต้องสร้างอันที่สองแล้วต่อมันเข้าด้วยกันหรือเปล่า?)

ฉันเป็นคนที่ไม่ค่อยมีเสียงกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่เรียนรู้ตอนนี้เพราะลูกชายของฉันสนใจมาก

ขอบคุณสำหรับเคล็ดลับใด ๆ

ฉันแนบรูปภาพด้านล่างแสดงผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ตั้งใจไว้ (ฉันบีบด้านบนและด้านล่างของสายไฟ led เพื่อทำให้วงจรเป็นสวิตช์แบบง่าย) ด้านขวาคือสิ่งที่ฉันใช้สำหรับเซลล์ของฉัน (ลบน้ำส้มสายชูและไม่มีกระดาษแข็งที่ถูกตัดให้พอดีกับเหรียญ)

เช่นเดียวกับการสาธิตการผลิตไฟฟ้าขั้นพื้นฐานคุณจะได้แสดงให้เห็นว่าทำไมเราไม่ผลิตไฟฟ้าเชิงพาณิชย์โดยใช้เหรียญและน้ำส้มสายชูนิวซีแลนด์!

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

รูปที่ 1 แบตเตอรี่ทุกตัวมีความต้านทานภายในซึ่งเป็นสาเหตุให้แรงดันไฟฟ้าตกเมื่อกระแสเพิ่มขึ้น

ผลของความต้านทานภายในคือการทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตกเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้า การสาธิตอย่างง่ายของสิ่งนี้จะเป็นการเชื่อมต่อตามที่แสดงด้วยมัลติมิเตอร์ที่ตั้งค่าเป็น mA เมื่ออยู่ในตำแหน่ง AM1 (ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณมีผู้นำในซ็อกเก็ตที่เหมาะสม) และตั้งค่าเป็น DC V ในตำแหน่ง VM1

• ตัดการเชื่อมต่อ LED วัดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด ไม่จำเป็นต้องวัดกระแสไฟฟ้าเปิด มันจะเป็นศูนย์
• เชื่อมต่อ LED อีกครั้ง วัดกระแสและแรงดัน การใช้ข้อมูลนี้คุณจะสามารถคำนวณความต้านทานภายในทั้งหมดของแบตเตอรี่ได้ {I}$R = \frac {V_{OC} - V_{LOADED}}{I}$

เป็นการยากที่จะบอกว่าทำไมคุณไม่ได้รับสี่เท่า 0.96 V เมื่อเชื่อมต่อในซีรีย์ แต่ภาพถ่ายอาจบอกเรามากกว่านี้

ดูรูปฉันสงสัยว่าคุณอาจมีการรั่วไหลในเซลล์ของคุณ หากด้านข้างของแหวนหรือเหรียญเปียกน้ำจะมีบางส่วนของเซลล์ เพื่อทดสอบสิ่งนี้ทำให้เซลล์สี่แยกที่เชื่อมต่อด้วยสายไฟแทนที่จะเป็นกองซ้อน

เมื่อแบตเตอรี่ใด ๆ เชื่อมต่อกับโหลดแรงดันไฟฟ้าขาออกจะลดลงเล็กน้อยเนื่องจากความต้านทานภายในของแบตเตอรี่

หากคุณกำลังสร้างแบตเตอรี่จากนั้นมีสี่สิ่งง่าย ๆ ที่คุณสามารถทำได้เพื่อลดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่:

1. ทำให้ขั้วไฟฟ้ากว้างขึ้น

   • ความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์จะแปรผกผันกับภาคตัดขวางของอิเล็กโตรไลต์ที่กระแสไหลผ่าน โดยทั่วไปกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่จะเดินทางเป็นเส้นตรงระหว่างขั้วไฟฟ้า
   • อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสามารถเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ของขั้วไฟฟ้า
   • สิ่งนี้เทียบเท่ากับการเดินสายแบตเตอรี่หลายก้อนในแบบคู่ขนาน

2. ลดระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้า ความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์จะเป็นสัดส่วนกับระยะทางที่กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่าน

   • การใช้กระดาษแข็งทินเนอร์หรือการใช้ผ้าขนหนูกระดาษควรลดความต้านทาน

3. เพิ่มความเข้มข้นของไอออนในอิเล็กโทรไลต์ การนำไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของไอออน

   • ตัวอย่างเช่นน้ำส้มสายชูมีกรดอะซิติก การใช้น้ำส้มสายชูยี่ห้ออื่นที่มีเปอร์เซ็นต์ของกรดอะซิติกสูงกว่าจะช่วยได้
   • หากคุณใช้กรดซิตริกมากกว่าน้ำส้มสายชูคุณสามารถซื้อผงกรดซิตริกบริสุทธิ์จากร้านขายของชำในพื้นที่ของคุณ มันมักจะอยู่ในเกาะอบ

4. ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีการเคลื่อนที่ของไอออนสูงขึ้น ความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์จะแปรผกผันกับการเคลื่อนที่ของไอออน

   • กรดซิตริก (พบในน้ำมะนาว) และโซเดียมไบคาร์บอเนต (เบกกิ้งโซดา) ทำให้อิเล็กโทรไลต์ดี

นอกจากปรากฏการณ์ความต้านทานภายในซึ่งช่วยลดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ภายใต้โหลดแล้วคุณควรให้ความสนใจกับ @Jasen ความคิดเห็นเกี่ยวกับการลัดวงจรภายใน ดูแบตเตอรี่เกรดอุตสาหกรรมและคุณจะสังเกตเห็นว่าเซลล์แต่ละเซลล์ไม่เคยมีอิเล็กโทรไลต์ร่วมกัน

ฉันแนะนำให้คุณลองใส่ฟิล์มที่ไม่เปียกน้ำ (เช่นชิ้นส่วนของถุงพลาสติกหรือห่อขนม) ระหว่างแต่ละเหรียญจากเซลล์หนึ่งและเครื่องซักผ้าจากเซลล์ถัดไป เมื่อคุณยังต้องการให้พวกมันเชื่อมต่อด้วยระบบไฟฟ้าให้วางสายเล็ก ๆ ไว้บนชั้นฉนวนของคุณ ซึ่งควรปรับปรุงกำลังไฟแบตเตอรี่ของคุณและนำแรงดันไฟฟ้ารวมให้ใกล้เคียงกับผลรวมของแรงดันไฟฟ้าจากแต่ละเซลล์อย่างน้อยที่สุดโดยไม่ต้องโหลด