Amperestunde und Spannung

Um sich das zu erklären, müssen Sie zunächst mit einem weit verbreiteten Irrglauben aufräumen.

Speichern Batterien Amperestunden? Nö. Falsch.

Batterien speichern keine elektrische Ladung. Stattdessen sind Batterien chemisch betriebene Ladungspumpen. Der Weg für Ampere führt durch einen Anschluss, durch die Batterie und dann durch den anderen Anschluss. Batterien sind "Elektrizitätspumpen", und sie sammeln keine Coulomb oder AH oder Elektronen im Inneren an.

Mit anderen Worten, eine ideale Batterie blockiert den Ladungsfluss nicht. Stattdessen ist es ein Kurzschluss. Wenn eine Batterie an eine Last angeschlossen ist, stellt sie einen vollständigen Stromkreis ohne Anfang und Ende bereit.

Bedeutet das nicht, dass die Batterie bei Stromfluss KEINE fließenden Ladungen liefert?!! Ja, genau richtig. Die Gebühren werden von den Schaffnern bereitgestellt. Innerhalb des (sehr leitfähigen) Elektrolyten der Batterie sind die gelösten Ionen die elektrischen Ladungen (und in Blei-Säure-Batterien sind die Ladungen die beweglichen Protonen der Säure. Fließende Protonen!) Dann, draußen in den Kupferdrähten, sind die Ladungen die beweglichen Elektronen des Kupfermetalls.

Also, was bedeutet "Amperestunde" wirklich? Es ist eine praktische Methode, um die Gesamtmenge an Coulomb auszudrücken, die eine voll aufgeladene Batterie durch sich selbst pumpen kann, bevor sie erschöpft ist. Wenn die Batterie leer und die AH verbraucht ist, bedeutet dies, dass der chemische Kraftstoff in der Batterie verbraucht wurde, sodass der Pumpvorgang zum Erliegen kommt. Die Amperestunde wird tatsächlich als Maß für chemischen Brennstoff verwendet und nicht als Maß für Ampere oder Coulomb oder elektrische Ladung. Glücklicherweise hängt die Gesamtmenge an "chemischem Treibstoff", der in der Batterie verbraucht wird, direkt von der Anzahl der durchgepumpten Coulomb ab. Wir müssen den verbleibenden Kraftstoff nicht irgendwie wiegen. Stattdessen können wir einfach den Coulomb-Fluss beobachten.

Wenn wir also in wiederaufladbaren Batterien die Ladungen rückwärts durch jede Zelle zwingen, läuft die Chemie rückwärts, und die „chemischen Abgase“ werden wieder zurück in Kraftstoff umgewandelt. In einer Taschenlampenbatterie wird das Zinkchlorid wieder in Zinkmetall umgewandelt und chemische Energie gespeichert. Oder in einer Brennstoffzelle wird das H2O „unverbrannt“ und bildet neues H2- und O2-Gas. Die Batterie ist wieder bereit, Ihre Geräte mit Strom zu versorgen und die „Brennmetalle“ wieder in feste „Abgasprodukte“ umzuwandeln. Die Brennstoffzelle wiederum kann den Wasserstoff zu Wasser verbrennen, oder Ihre Lithium-Zelle verbrennt das Lithiummetall zu Lithiumsalzen.

Beachten Sie also, dass ein "geladener" Akku nicht voll aufgeladen ist. Es ist voller chemischer Energie, voller Joule oder Kilowattstunden chemischer Brennstoffe. Und eine "entladene" Batterie enthält genau die gleiche Menge an elektrischer Ladung wie eine "geladene" Batterie. Verwirrend ja! Bei Batterien bezieht sich das Wort „Ladung“ auf eine Energieladung und nicht auf eine elektrische Ladung von Elektronen oder Protonen. (Ähnlich: Wenn wir eine Kanone "aufladen", geben wir ihr eine Ladung Schießpulver, keine Ladung Elektrizität.)

OK, ursprüngliche Frage: Warum bleiben die Amperestunden gleich, wenn Batterien in Reihe geschaltet werden? Das liegt daran, dass jede Batterie nur genug chemische Energie hat, um eine bestimmte Anzahl von Coulomb durch sich selbst zu pumpen . Wenn sie in Reihe geschaltet werden, summiert sich die Gesamtzahl der Coulombs nicht, da die Coulombs, die aus einem Anschluss kommen, direkt zurück in den Anschluss der nächsten Batterie in der Kette gehen. Das bedeutet, dass eine bestimmte Anzahl von Coulomb durch die gesamte Kette geht. Es nimmt nicht zu, während es geht! Wenn eine Batterie 1000 Coulomb durch sich selbst durchlässt, werden alle folgenden Batterien in der Kette dasselbe tun. Die Spannung stapelt sich und die Energie auch. Aber Serienbatterien pumpen die gleiche Gesamtladung durch sich selbst wie eine einzelne Batterie.

Hilft ein Wasseranalog. In der Sanitärtechnik ist eine "Batterie" eine Wasserpumpe mit konstantem Druck, die von einem mechanischen Aufziehmotor angetrieben wird, wobei etwas Energie in der Feder des Motors gespeichert ist. Die Federpumpe kann in Förderstunden angegeben werden! Jede Wasserpumpe kann nur eine bestimmte Anzahl von Gallonen pumpen, bevor sich ihre Feder vollständig entspannt. Das Stapeln vieler Pumpen ändert nichts an der Gesamtmenge an Gallonen, die die Federmotoren durch die Kette pumpen. (Das Stapeln vieler Pumpen summiert die Drücke, was die von der Pumpenkette erzeugte Gesamtenergie summiert.)

Beachten Sie gut, dass "Amperestunden" eigentlich "Coulombs pro Sekunde mal Stunden" bedeutet, was dasselbe bedeutet wie "Coulombs mal 3600". Eine Amperestunde sind nur 3600 Coulomb.

Zweite Frage: Können wir die Spannung gegen AH tauschen, während die Größe der Batterie konstant bleibt? Ja, bis zu einem gewissen Grad. Die Zellspannung wird jedoch durch die "Korrosionsspannung" bestimmt, bei der Wasser den Leiter an den Plattenoberflächen berührt. Sie können das Metall ändern und Batterietypen zwischen etwa 0,5 V und 4 V wählen, aber das ist alles. Die Spannung kommt von der Reaktivität des Metalls und von der "Aggressivität" der Lösungsmittelwirkung des Elektrolyten. Wenn Wasser Metall auflöst, wird der Auflösungsprozess durch den Aufbau von etwa 4 V zwischen Wasser und Metall gestoppt, wobei das Metall eine negative Polarität und das Wasser eine positive Polarität hat. Lassen Sie etwas Metall in Wasser fallen und es löst sich wütend auf ... aber das Metall lädt sich sofort auf ~ 4 V negativ auf und die Korrosion hört auf. Sobald diese Spannung erscheint, das Wasser kann dem negativ geladenen Metall keine positiven Ionen mehr entziehen. Die Eigenspannung der Batterie stoppt die Korrosion der Platten. Unterschiedliche Metalle ergeben unterschiedliche Spannungen, ebenso wie unterschiedliche Elektrolyte (wie H2O gegenüber geschmolzenem Salz, geschmolzenem Schwefel usw.)

Sie können also ein paar Volt pro Zelle haben, bis hinunter zu ein paar Zellen pro Volt, aber nicht mehr. Die Zellspannung wird durch die Chemie begrenzt, die durch die Spannungsstufen zwischen den Elektronenorbitalen in den leitfähigen Batterieplatten begrenzt wird.

Andererseits können Sie die Plattenfläche immer größer machen (von AAAA bis D-Zelle oder viel größer) und das erhöht die Gesamtmenge an "Kraftstoff" und erhöht die AH-Bewertung jeder Zelle. Zwei oder drei Volt pro Zelle, aber verwenden Sie unendlich breite Batterieplatten für unendliche AH-Nennwerte. Rollen Sie die Platten zu einem Zylinder für eine "DDDDDDDD"-Zelle mit unendlich vielen Ds.

Ah-Werte basieren alle auf einer bestimmten Spannung, obwohl diese normalerweise nicht angegeben ist. Wenn Sie eine Batteriezelle oder ein Batteriepaket erhalten, wird angenommen, dass die Ah-Nennwerte bei einer Nennausgangsspannung an den Klemmen liegen, z. B. 3,7 V für einen LiPo. Aber die Spannung einer Batterie fällt während des Entladens ab, daher ist es schwierig, sie anhand der Ah-Werte zu vergleichen. Für einen tragbaren Akku (mit Ausgangsspannungsregelung) ist es einfacher. Wh oder Gesamtenergie wären meiner Meinung nach bessere Möglichkeiten, die Batteriekapazität anzugeben.

Aber wenn Sie bedenken, dass Ah immer bei einer bestimmten Spannung angegeben werden sollte, wenn Sie sagen, dass das Verbinden von Batterien in Reihe die gleiche Ah-Bewertung ergibt, gilt dies nur, wenn Sie die Spannungsbewertung erhöhen, also haben sie im Wesentlichen nicht die gleiche Ah-Bewertung. ZB zwei parallel geschaltete 3,7 1Ah Akkus liefern 2Ah bei (3,7V) was leicht nachzuvollziehen ist - die Spannung hat sich nicht verändert. Aber in Reihe liefern sie 1 Ah bei 7,4 V ODER 2 Ah bei 3,7 V (vorausgesetzt, die Spannung wird mit 100 % Wirkungsgrad herunterkonvertiert). Es ist wichtig, sich an die Spannung zu erinnern. Auch hier ist es besser, in Energie zu denken. Zwei identische Batterien speichern doppelt so viel Energie, unabhängig davon, wie sie verkabelt sind.

Eine Batterie hält ein Ende elektrisch positiver als das andere und hält dies aufrecht, bis sie leer ist. Wie viel positiver es ist, wird in Volt gemessen, und wie lange es dies aufrechterhalten kann, wird in Amperestunden gemessen.

Angenommen, Sie haben zwei 5-V-, 3-Ah-Batterien in Reihe. Der erste hält seinen positiven Anschluss 5 V über seinem negativen. Sein negativer Anschluss ist mit dem positiven Anschluss des zweiten verbunden, wodurch der zweite 5 V über seinem negativen hält. Der Pluspol der ersten Batterie liegt also 10 V über dem Minuspol der zweiten Batterie, und sie können dies beibehalten, bis 3 Ah durch beide Batterien gelaufen sind.

Parallel halten beide ihren gemeinsamen positiven Anschluss 5 V über ihrem gemeinsamen negativen Anschluss. Da sich der Strom jedoch zur Hälfte aufteilt, ist die kombinierte Batterie nicht leer, bis 6 Ah durch sie hindurchgegangen sind.

"Batterien" mit riesigen Ah und niedriger Spannung oder umgekehrt sind üblich. Ein Draht hält ein Ende 0 V höher als das andere Ende und kann dies auf unbestimmte Zeit aufrechterhalten. Ein Draht ist also eine "Batterie" mit 0 V und unendlich Ah.

Eine Autokarosserie, die an einem trockenen Tag statisch aufgeladen ist, kann Sie schockieren, aber nur, wenn Sie sie zum ersten Mal berühren. Das ist eine „Batterie“ mit ein paar tausend Volt, aber so wenig Ah, dass sie nach einem Funken leer ist.