Was ist der Unterschied zwischen einer Batterie und einem geladenen Kondensator?

Eine Batterie erzeugt durch eine chemische Reaktion eine Spannung. Es gibt eine Klasse chemischer Reaktionen, die Redoxreaktionen genannt werden, die den Transport von Elektronen beinhalten, und Sie können die Reaktion verwenden, um Elektronen durch einen externen Stromkreis zu treiben. Dies ist die Basis einer Batterie. Die Batterie liefert solange Strom, bis alle Reagenzien aufgebraucht sind und die Reaktion stoppt. Eine Batterie erzeugt eine Potentialdifferenz, die mit der freien Energieänderung der in der Batterie ablaufenden Reaktion zusammenhängt. Beachten Sie, dass es in einer Batterie keine Ladungstrennung gibt, bis Sie sie an etwas anschließen und Strom fließt.

Ein Kondensator ist völlig anders. Er hat nur ein Potential, weil Ladung darauf gespeichert wurde, und wenn Sie den Kondensator an einen externen Stromkreis anschließen, fließt nur so lange ein Strom, bis die gesamte Ladung abgeflossen ist. Anders als bei einer Batterie ist die Spannung an einem Kondensator variabel und proportional zur darin gespeicherten Ladungsmenge.

Warum dieser Unterschied? Was ist die genaue Ursache für die unterschiedlichen Entladezeiten?

Der Unterschied ergibt sich aus der unterschiedlichen Menge an gespeicherter Energie .

Betrachten wir zum Beispiel eine typische Alkalizelle. Aus diesem Diagramm sehen wir, dass eine neue alkalische AAA-Zelle mit langer Lebensdauer etwa 5 kJ Energie speichert.

Stellen Sie sich nun einen großen Elektrolytkondensator von beispielsweise 1000 vor$\mu F$. Aufgeladen auf die gleiche Nennspannung der Zelle, 1,5$V$, beträgt die gespeicherte Energie etwas mehr als 1 mJ. Das sind 6 Größenordnungen weniger.

Anders ausgedrückt, um die gleiche Energiemenge bei 1,5 zu speichern$V$da die AAA-Batterie einen Kondensator von etwa 4400 benötigen würde$F$(!!!). Das ist eine enorme Kapazität.

Zwischen den Platten einer Batterie gibt es einen Mechanismus (normalerweise eine Art chemische Reaktion), der eine Ladungstrennung zwischen den Platten aufrechterhält. Zwischen den Platten eines Kondensators gibt es keinen solchen Mechanismus, sodass die Ladungstrennung nicht aufrechterhalten werden kann, wenn Ladung von den Platten abfließt.

Einige ergänzende Bemerkungen:

Als Black Boxes betrachtet, sind beide einfach Spannungsquellen. Eine Batterie ist darauf ausgelegt, möglichst eine konstante Spannung zu liefern, während ein Kondensator solche "Dosierfähigkeiten" nicht hat.

Aus praktischer Sicht speichern Batterien viel Ladung, sind aber langsam beim Laden/Entladen. Kondensatoren sind das genaue Gegenteil: geringe Speicherkapazität, schnelle Nutzung. Aus diesem Grund verwendet die Blitzkamera eine Batterie, um einen Kondensator aufzuladen.

Es gibt auch viel Forschung zu Superkondensatoren, die versuchen, das Beste aus beiden Welten zu erzielen.

Im Akku werden Ladungen nicht getrennt. Es ist eine chemische Oxidations-/Reduktionsreaktion, die die Elektronen erzeugt: dh den Strom. In Kondensatoren werden die Elektronen vor der Verwendung während des Ladens des Kondensators vorgehalten.