Stromfluss in Batterien?

Die Verwirrung hier kommt von der anfänglichen schlechten Beschreibung, wie eine Batterie funktioniert.

Eine Batterie besteht aus drei Dingen: einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einem Elektrolyten dazwischen. Die Elektroden bestehen aus Materialien, die stark miteinander reagieren wollen; sie werden durch den Elektrolyten auseinander gehalten.

Der Elektrolyt wirkt wie ein Filter, der den Elektronenfluss blockiert, aber Ionen (positiv geladene Atome von den Elektroden) durchlässt. Wenn die Batterie an nichts angeschlossen ist, zieht die chemische Kraft an den Ionen und versucht, sie durch den Elektrolyten zu ziehen, um die Reaktion abzuschließen, aber dies wird durch die elektrostatische Kraft ausgeglichen – die Spannung zwischen den Elektroden. Denken Sie daran - eine Spannung zwischen zwei Punkten bedeutet, dass zwischen diesen Punkten ein elektrisches Feld besteht, das geladene Teilchen in eine Richtung drückt.

Wenn Sie einen Draht zwischen den Enden der Batterien hinzufügen, können Elektronen, angetrieben durch die Spannung, durch den Draht fließen. Dadurch wird die elektrostatische Kraft verringert, sodass Ionen den Elektrolyten passieren können. Wenn die Batterie entladen wird, wandern Ionen von einer Elektrode zur anderen, und die chemische Reaktion setzt sich fort, bis eine der Elektroden aufgebraucht ist.

Denken Sie an zwei Batterien nebeneinander, die durch einen Draht verbunden sind - es gibt keine Spannung zwischen den beiden Batterien, also gibt es keine Kraft, um Elektronen anzutreiben. In jeder Batterie gleicht die elektrostatische Kraft die chemische Kraft aus und die Batterie bleibt im stationären Zustand.

(Ich habe irgendwie beschönigt, was es bedeutet, wenn zwei Materialien miteinander reagieren "wollen". Google "Gibbs freie Energie" für weitere Details dazu. Sie können auch "Nernst-Gleichung" googeln.)

Vergessen Sie die Batterien für eine Sekunde, das ist nur eine von tausend Analogien, die Sie verwenden könnten, um Spannung / Strom zu beschreiben, und der Grund, warum kein Strom fließt, hat nichts mit den elektrochemischen Eigenschaften von Batterien zu tun, es ist viel einfacher.

Der einfachste Weg, sich das vorzustellen, ist folgender: Strom fließt immer nur in einer Schleife, selbst in sehr komplexen Schaltungen kann man ihn immer in Stromschleifen zerlegen, wenn es keinen Weg für den Strom gibt, um zu seiner Quelle zurückzukehren, wird er es tun kein Stromfluss sein.

In Ihrem Batteriebeispiel gibt es keinen Rückstrompfad, sodass kein Strom fließt. Es gibt offensichtlich einen tieferen physikalischen Grund dafür, warum dies funktioniert, aber da die Frage nach einer einfachen Antwort gestellt wird, überspringe ich die Mathematik, google Maxwells Gleichungen und wie sie bei der Ableitung des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes verwendet werden.

Batterien sind ein gutes Beispiel dafür, einfach weil sie Stromquellen mit vollständig isolierten Erdungen sind. Dieses Beispiel gilt gleichermaßen für jede andere Stromquelle mit einer vollständig isolierten "Masse".

Dies ist jedoch nicht leicht zu finden, zum Beispiel würde dies mit 2 Bankversorgungen wahrscheinlich eine der Bankversorgungen sehr unglücklich machen, aber das liegt nicht daran, dass die Wirkung unterschiedlich ist, der Unterschied besteht darin, dass die Bankversorgungen wahrscheinlich beide geerdet sind zu den elektrischen Leitungen im Gebäude und somit gibt es einen Rückweg für den Stromfluss.

Die Wasseranalogie ist hierfür ebenfalls wirksam. Stellen Sie sich Ihr Batteriebeispiel folgendermaßen vor:

Sie haben eine Wasserpumpe (Batterie A), die mit einem Rohr (dem Kabel) verbunden ist, und Sie haben eine andere Wasserpumpe (Batterie B), die mit demselben Rohr (dem Kabel) verbunden ist. In Ihrem Beispiel gibt es jetzt keinen Rückweg im System. Stellen Sie sich also vor, dass das Rohr mit Wasser gefüllt, aber an beiden Enden verschlossen ist.

Du drückst den Netzschalter an den Pumpen, was passiert?

Die Antwort ist nichts, es gibt keinen Ort, an den das Wasser bewegt werden kann, die Pumpen drehen sich nicht einmal. (Ignorieren Sie für diese Analogie wasserturbulente Effekte).

Wenn Sie nun das Rohr in einer Schleife anschließen und den Schalter betätigen würden, würden die Pumpen anlaufen (Spannung) und Wasser würde fließen (Strom).

Wenn Sie 2 Pumpen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (Batterien mit unterschiedlicher Spannung) verwenden und sie einander gegenüberstellen, wird eine überlastet und die andere dazu bringen, sich in die falsche Richtung zu drehen (durchbrennen, genau wie beim Parallelschalten einer 9-V- und einer 6-V-Batterie).

Wenn Sie beide Pumpen in die gleiche Richtung anschließen, erhalten Sie mehr Wasserdruck (Spannung), da sich die Pumpen gegenseitig aushelfen (2 Batterien in Reihe).

Angenommen, Sie haben AA-Batterien mit jeweils 1,5 V. Beschriften wir sie außerdem mit Batterie A und Batterie B. Wenn Sie A+ mit B- verbinden, erhalten Sie tatsächlich eine Differenz von 3 V zwischen A- und B+.

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

Wenn Sie B- mit A+ verbinden, liegen beide auf dem gleichen Potential (sie sind schließlich mit einem Draht verbunden). B+ ist 1,5 V höher als dieses Potential und A- ist 1,5 V niedriger.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass eine Spannung kein absoluter Wert ist. Es ist ein relativer Wert. Der Draht B- _ A+ liegt auf einem Potential, und B+ und A- sind relativ zu diesem Potential.

Auch ich fand die traditionelle laienhafte Beschreibung einer Batterie immer irreführend. Die meisten Leute beschreiben eine Batterie als Speicherbehälter für Strom, aber das erklärt nicht, warum Sie den Strom nicht von einer Batterie auf den Boden leiten können oder warum Sie nicht eine Batterie eine andere speisen können, wie in Ihrer obigen Frage .

Dies ist vielleicht keine genaue Beschreibung dessen, was tatsächlich passiert, aber ich finde, dass eine verständlichere Analogie darin besteht, eine Batterie stattdessen als Pumpe zu beschreiben. Die in der Batterie enthaltene „Energie“ wird zum Antrieb der Pumpe verwendet; es wird nicht über die Leitung gesendet. Mit dieser Analogie ist es offensichtlich, warum sowohl die positiven als auch die negativen Enden einer Batterie in einem Stromkreis verbunden sein müssen. Wenn Sie beispielsweise nur die negative Elektrode mit Masse verbinden, fließt kein Strom, da an der positiven Elektrode kein Strom ankommt, der abgepumpt werden kann.

Technisch gesehen kann Strom fließen oder nicht, wenn ein Draht auf diese Weise verbunden ist. Es hängt alles davon ab, ob zwischen diesen beiden Anschlüssen ein potenzieller Ladungsunterschied besteht oder nicht. Wenn die Differenz klein ist, fließt wenig/kein Strom. Dies gilt für jeden Draht, der zwischen zwei beliebigen Anschlüssen angeschlossen ist, überall.

Der Strom wird dies jedoch höchstwahrscheinlich nicht tun (abhängig vom Alter / Gebrauch der Batterie). Der Grund dafür ist, dass die Spannungspotentialdifferenz - die "überschüssigen Löcher am positiven Ende" und die "überschüssigen Elektronen am negativen Ende" - relativ zu einer bestimmten Batterie ist . Es gibt überschüssige Elektronen/Löcher an den Enden einer gegebenen Batterie in Bezug aufeinander. Diese Beziehung kann zwischen dem Minuspol einer Batterie und dem Pluspol einer anderen zutreffen oder auch nicht.

Der Strom, der in eine Verbindungsstelle hineinfließt, ist immer gleich dem Strom, der aus der Verbindungsstelle herausfließt. Daher muss Strom immer in einer Schleife fließen.

Zuerst. Ein sehr kleiner Strom WIRD für eine sehr kurze Zeit fließen ... aber es muss nur eine kleine Menge elektrischer Ladung (statisch) durchgelassen werden, um eine ausreichende Rückwärtsspannung aufzubauen, um die Durchlassspannung aufzuheben. Denken Sie daran, dass jede spürbare statische Elektrizität, wie das Reiben von Luftballons an Haaren, normalerweise GROSSE Spannungen wie (Zehn-)Tausende von Volt beinhaltet, die notwendig sind, um einen Funken zu erzeugen. Eine typische einfache 1,5-Volt-Zelle kann keinen Funken erzeugen (ohne besondere Hilfe). Wenn Sie ein Paar einfacher Zellen (Batterien) vorsichtig im Weltraum aufhängen oder an einer Schnur hängen, würden sie tatsächlich eine kleine Dipolwechselwirkung haben und sich wie ein Paar Magnete verdrehen und sich dann gegenseitig anziehen. Leider stellen sich diese nur als sehr kleine, aber berechenbare und endliche Kräfte heraus. Vielleicht wurde dieser Versuch einfühlsam gemacht, um dies zu zeigen. Des Weiteren, a Das ursprüngliche Problem ist ein bisschen wie das Laden eines Kondensators, wenn Sie darüber nachdenken. Bei den nicht angeschlossenen Anschlüssen handelt es sich nur um die Kondensatorplatten. Die Kleinheit der Anschlüsse und die Trennung unterscheiden sich numerisch sehr von einem guten Kondensator, der eine große Fläche und eine kleine Trennung hat, was den Unterschied ausmacht, und deshalb ist der Strom im ursprünglichen Problem winzig (aber endlich).

Ich denke, eine andere Sache, die Sie verwirren könnte, ist, dass wir sagen, dass die Spannung in einem Leiter immer konstant ist. Während dies meistens wahr ist, ist es eine Art Lüge. Alle Leiter haben immer noch einen endlichen Widerstand. Wenn Sie also einen Draht zwischen den beiden Anschlüssen einer Batterie anschließen, liegt ein Ende des Drahts tatsächlich auf einem anderen Potenzial als das andere, und der Strom im Draht folgt dem Ohmschen Gesetz. Ich weiß nicht, ob Sie jemals versucht haben, die beiden Anschlüsse einer Batterie so kurzzuschließen, aber da der Widerstand des Drahtes so niedrig ist, ergibt das Gesetz einen sehr großen Strom, der den Draht aufheizt und Sie verbrennt.

Der Grund, warum wir normalerweise sagen, dass das Potential in einem Draht konstant ist, liegt darin, dass es normalerweise andere Komponenten in unserem Schaltkreis gibt, deren Widerstand viel größer ist als die Drähte. Aus diesem Grund wird der größte Teil der Spannung über die anderen Komponenten in der Schaltung abfallen und es wird nur einen sehr kleinen Spannungsabfall von einem Ende eines Drahtes zum anderen geben. Wir können unsere Probleme also vereinfachen, indem wir sagen, dass die Spannung in den Drähten konstant ist.