Akülerde akım akışı?

Temel bir elektronik kitap okuyorum: "Elektronlar: Topraklar İçin Elektronik Yok" ve akımın akması için kapalı bir devreye ihtiyaç duyduğunuz konusunda akıllıca bir geçişle karşılaştım. İşte merak ediyorum pasajı:

“Bu beni her zaman rahatsız etti: Eğer pillerin negatif terminalleri aşırı elektronlara sahipse (negatif şarj) ve pillerin pozitif terminalleri çok az elektrona sahipse (pozitif şarj) ve karşıtlar çekiyorsa, neden teller arasında bağlantı kuramıyorum Bir pilin negatif tarafı ile farklı bir pilin pozitif tarafı ve herhangi bir akım elde etmek mi? Bu gerçek işe yaramaz. ."

Bu soruya açık bir cevap veren var mı?

Buradaki karışıklık, bir bataryanın nasıl çalıştığını gösteren ilk açıklamadan kaynaklanıyor.

Bir pil üç şeyden oluşur: pozitif bir elektrot, negatif bir elektrot ve aradaki bir elektrolit. Elektrotlar, birbirleriyle kuvvetli şekilde reaksiyona girmek isteyen malzemelerden yapılır; Elektrolit tarafından ayrı tutulurlar.

Elektrolit, elektron akışını tıkayan, ancak iyonların (elektrotlardan pozitif yüklü atomların) geçmesine izin veren bir filtre gibi davranır. Batarya bir şeye bağlı değilse, kimyasal kuvvet iyonları çeker, reaksiyonu tamamlamak için elektrolit boyunca çekmeye çalışır, ancak bu elektrostatik kuvvetle dengelenir - elektrotlar arasındaki voltaj. Unutmayın, iki nokta arasındaki voltaj, yüklü parçacıkları bir yönde iten noktalar arasında bir elektrik alanı olduğu anlamına gelir.

Pillerin uçları arasına bir tel eklediğinizde, elektronlar voltaj tarafından sürülen telden geçebilir. Bu, elektrostatik kuvveti azaltır, böylece iyonlar elektrolitten geçebilir. Akü boşaldıkça, iyonlar bir elektrottan diğerine hareket eder ve kimyasal reaksiyon elektrotlardan biri kullanılana kadar devam eder.

Birbirinin yanındaki iki pili düşünün, bir kabloyla bağlayın, iki pil arasında voltaj yoktur, bu nedenle elektronları sürecek güç yoktur. Her bir bataryada, elektrostatik kuvvet kimyasal kuvveti dengeler ve batarya sabit durumda kalır.

(İki malzemenin birbirleriyle "tepki vermesini" istemelerinin ne anlama geldiğini biraz açıkladım. Bu konuda daha fazla ayrıntı için Google "Gibbs serbest enerjisi". Ayrıca "Nernst denklemi" ni de kullanabilirsiniz.)

Aküleri bir saniye için unutun, voltaj / akımı tanımlamak için kullanabileceğiniz bin analojiden yalnızca biri ve hiçbir akımın akünün, akülerin elektro-kimyasal özellikleriyle bir ilgisi olmadığı, bunun çok daha basit olduğu.

Bunu düşünmenin en kolay yolu şudur: Akım yalnızca bir döngüde akacaktır, çok karmaşık devrelerde bile, akımın kaynağına geri dönmesi için bir yol yoksa, onu daima akım döngülerine bölebilirsiniz. akım akışı olmamak.

Batarya örneğinizde, dönüş akımı yolu yoktur, bu nedenle akım akmaz. Bunun neden işe yaradığının daha derin bir fizik nedeni var ama basit bir cevap için sorulan soru olarak matematiği, google Maxwell Denklemlerini ve Kirchhoff'un voltaj yasasının türetilmesinde nasıl kullanıldığını atlayacağım.

Aküler buna iyi bir örnek teşkil eder, çünkü bunlar tamamen yalıtılmış topraklara sahip akım kaynaklarıdır. Bu örnek, tamamen yalıtılmış bir "toprak" ile diğer tüm güç kaynakları için aynı derecede geçerlidir.

Bununla birlikte, bunu bulmak kolay bir şey değildir, örneğin bunu 2 tezgah tedarikiyle yapmak, tezgah tedariklerinden birini çok mutsuzlaştıracaktır, ancak bunun nedeni, farklı olması nedeniyle fark, tezgah malzemelerinin muhtemelen her ikisinin de topraklanmış olmasıdır. Binadaki elektrik kablolarına ve bu nedenle akımın içinden geçebileceği bir dönüş yolu vardır.

Bunun için su analojisi de etkilidir. Batarya örneğinizi şu şekilde düşünün:

Bir boruya (tel) bağlı bir su pompanız (pil A) var ve aynı boruya (tel) bağlı başka bir su pompanız (pil B) var. Şimdi, örneğinizde, sistemde geri dönüş yolu bulunmadığından, borunun suyla dolu olduğunu ancak her iki ucundan kapatıldığını hayal edin.

Pompalardaki güç düğmesine basarsanız ne olur?

Cevap hiçbir şey değil, suyu nereye götürecek bir yer yok, pompalar bile dönmüyor. (Bu analoji için su türbülansı gibi etkileri göz ardı edin).

Şimdi, boruyu bir ilmek içine bağlayıp düğmeyi vurursanız, pompalar yükselir (voltaj) ve su akar (akım).

Eğer 2 farklı hız pompası kullanıyorsanız (farklı voltajlı aküler) ve bunları birbirlerine doğru bakacak olursanız, güç artar ve diğerinin yanlış yönde dönmesine neden olur (tıpkı paralel olarak 9V ve 6V akü bağlamak gibi yanar).

Her iki pompayı da aynı yöne bakacak olursanız, pompalar birbirlerine yardımcı olduğu için (seri olarak 2 pil) daha fazla su basıncı (voltaj) elde edersiniz.

Diyelim ki her biri 1.5 V olan AA pilleriniz var. Dahası, onlara pil A ve pil B'yi etiketleyelim. A + 'dan B' yi bağlarsanız, gerçekte elde ettiğiniz şey A- 'dan B +' ya 3 V'dur.

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

B - A + 'yı bağladığınızda, ikisi de aynı potansiyeldedir (sonuçta bir kabloyla bağlanırlar). B + bu potansiyelden 1.5V daha yüksektir ve A- 1.5V daha düşüktür.

Bir voltajın mutlak bir değer olmadığını hatırlamak önemlidir . Bu bir var göreceli bir değer. B _ a + tel bir potansiyelde olacak ve B + ve A olan nispi bu potansiyele.

Ben de her zaman geleneksel meslekten olmayanların pilin yanıltıcı olduğunu açıkladım. Çoğu kişi bir pili elektrik için bir saklama kabı olarak tanımlar, ancak bu, neden bir aküden yere akü kullanamayacağınızı ya da yukarıdaki sorunuzda olduğu gibi neden başka bir aküyü besleyemediğinizi açıklamıyor. .

Bu, gerçekte ne olduğunun tam bir açıklaması olmayabilir, ancak bunun yerine daha iyi anlaşılabilir bir benzetmenin pili pompa olarak tanımlamak olduğunu buldum. Aküde bulunan "enerji" pompayı çalıştırmak için kullanılır; tel üzerinden gönderilmez. Bu benzetmeyle, bir akünün hem pozitif hem de negatif uçlarının bir devreye neden bağlanması gerektiği açıkça görülmektedir. Örneğin, yalnızca negatif elektrodu toprağa bağlarsanız, akım yoktur; çünkü pozitif elektroda dışarı pompalanabilecek hiçbir elektrik gelmez.

Teknik olarak, bir tel bu şekilde bağlandığında akım akabilir veya akmayabilir. Her şey, bu iki terminal arasındaki ücretlerde potansiyel bir fark olup olmamasına bağlıdır . Fark küçükse, az / hiç akım akmaz. Bu, her iki terminal arasında, herhangi bir yere bağlı herhangi bir tel için geçerlidir.

Ancak, akımın muhtemel olamayacağından fazla olması (bataryanın yaşına / kullanımına bağlı olarak). Bunun nedeni voltaj potansiyeli farkının - "pozitif uçta fazla delikler" ve "negatif uçta fazla elektronlar" - verilen bir aküye göre olmasıdır . Belirli bir pilin uçlarında birbirlerine göre aşırı elektronlar / delikler var. Bu ilişki, bir pilin negatif terminali ile diğerinin pozitif terminali arasında doğru olabilir veya olmayabilir.

Kavşağa giren akım daima kavşaktan çıkan akıma eşittir. Bu nedenle, akım daima bir döngüde akmalıdır.

İlk. Çok küçük bir akım WILL çok kısa bir süre için akar ... ancak ileri gerilimi iptal etmek için yeterli geri gerilimi oluşturmak için sadece küçük bir miktar elektrik yüküne (statik) ihtiyaç duyar. Saçlara sürtünme balonları gibi göze çarpan herhangi bir statik elektriğin, genellikle bir kıvılcım oluşturmak için gerekli olan binlerce volt gibi BÜYÜK gerilimleri içerdiğini hatırlayın. Tipik basit 1.5 voltluk hücre kıvılcım oluşturamaz (bazı özel yardımlar olmadan). Aslında, uzayda bir çift basit hücreyi (pilleri) dikkatlice askıya alırsanız veya bir ipte asılı tutarsanız, küçük bir dipol etkileşimi olur ve bir çift mıknatıs gibi bükülür ve sonra birbirlerini çekerler. Ne yazık ki, bu hesaplanabilir ve sonlu kuvvetler olsa da, sadece çok küçük olduğu ortaya çıkıyor. Belki de bu expt bunu göstermek için hassas bir şekilde yapılmıştır. Daha ileri, asıl sorun, eğer biraz düşünürseniz, kapasitör şarj etmek gibi bir şey. Bağlantısız terminaller sadece kapasitör plakalarıdır. Terminallerin küçüklüğü ve ayırma, sayısal olarak büyük alana ve küçük ayırıma sahip iyi bir kondansatörden çok farklıdır ve asıl problemde akımın minik (ama sonlu) olması nedeni budur.

Size kafa karıştırıcı olabilecek başka bir şey de, bir iletkendeki voltajın her zaman sabit olduğunu söylememizdir. Bu çoğunlukla doğru olsa da, bir tür yalan. Tüm iletkenler hala sınırlı bir dirence sahiptir. Bu nedenle, bataryanın iki terminali arasına bir kablo bağlarsanız, kablonun bir ucu gerçekte farklı bir potansiyelde olacaktır, o zaman diğeri ve teldeki akım ohm yasasını izleyecektir. Hiç böyle bir pilin iki terminalini kısaltmayı denediniz mi bilmiyorum ama telin direnci o kadar düşük olduğundan ohm kanunu telin ısınmasını ve sizi yakmasını sağlayacak çok büyük bir akım verir.

Şimdi genellikle bir teldeki potansiyelin sabit olduğunu söylememizin nedeni, devremizde genellikle direnci tellerden çok daha büyük olan diğer bileşenlerin olmasıdır. Bu nedenle voltajın çoğu devredeki diğer bileşenlerin arasında düşecek ve telin bir ucundan diğerine yalnızca çok küçük bir voltaj düşmesi olacaktır. Böylece, voltajın tellerde sabit olduğunu söyleyerek sorunlarımızı basitleştirebiliriz.