Wie sieht und verhält sich das von einer Batterie erzeugte elektrische Feld? [geschlossen]
Amin Parvaresh
Mein Name ist Amin und ich bin ein Gymnasiast. Ich kämpfe seit Monaten mit dem Konzept des elektrischen Felds, das von einer Batterie erzeugt wird; Daher wäre ich sehr dankbar, wenn ich etwas Unterstützung beim Verständnis der Antworten auf die folgenden Fragen erhalten könnte (nur zur Verdeutlichung, mein Wissen in diesem Thema ist sehr begrenzt: Ich kenne und verstehe jedoch die Maxwell-Gleichungen in einem akzeptablen Maße):
F(1): Wäre es vernünftig zu sagen, dass sich eine Batterie wie ein elektrischer Dipol verhält?
F(2): Ist meine Darstellung des von einer Batterie erzeugten elektrischen Feldes korrekt? (Die Batterie wurde nicht an ein Kabel angeschlossen)
F(3): Wenn die Antwort auf die vorherige Frage JA lautet, wie passt die obige Abbildung zu der Chemie hinter dem Betrieb einer Batterie?
Um dies zu verstehen, habe ich mich mit dem Thema über elektrochemische Zellen beschäftigt. Am Beispiel einer elektrochemischen Zelle, die aus zwei Halbzellen besteht, die eine Zink- und eine Kupferelektrode enthalten, könnte mein Verständnis dieses Themas in der folgenden Abbildung zusammengefasst werden:
(Nach meinem Verständnis wird die Gleichgewichtsposition für die links gezeigte reversible Reaktion nach rechts verschoben, da Zink die Oxidation begünstigt. Da Kupfer die Reduktion begünstigt, wird die Gleichgewichtsposition für die rechts gezeigte reversible Reaktion verschoben links. Dies würde bedeuten, dass die Elektronenladungsdichte auf der Zinkelektrode größer ist als die der Kupferelektrode.)
F(3)": Bedeutet dies nicht, dass das von der Batterie erzeugte elektrische Feld wie in der Abbildung unten aussehen sollte, anstatt wie ein Dipol auszusehen?
(sorry, wenn das Bild unklar ist; ich konnte nur eine ungefähre Richtung für die Feldlinien im Bild zeigen.)
F(4): Was auch immer die Antwort auf die vorherigen Fragen gewesen sein mag, ich verstehe, dass, wenn eine Batterie über die Enden eines Stromkreises angeschlossen wird, Elektronen von ihrem negativen Pol weggedrückt und zum positiven Pol hin angezogen werden (It macht es Sinn, dass die Elektronen die Elektrode mit dem niedrigeren elektrischen Potential verlassen und sich zu der mit dem höheren elektrischen Potential bewegen würden).
Meine Frage lautet hier: "Bleibt die elektrische Potentialdifferenz an den Enden der Batterie konstant, wenn Elektronen eine Elektrode verlassen und sich zur anderen bewegen? (Mit anderen Worten, bleibt die Elektronenladungsdichte an beiden Elektroden unverändert, wenn ein Strom vorhanden ist? Ist also immer die gleiche Anzahl von Elektronen auf jeder Elektrode vorhanden?)
F(5): Wenn die Antwort auf die vorherige Frage JA ist (was bedeutet, dass sich die Elektronenladungsdichte auf den Elektroden nicht ändert, wenn ein Strom vorhanden ist), bedeutet dies, dass die Elektronen, die durch den Stromkreis gehen werden, es sind diejenigen, die überhaupt im Stromkreis vorhanden waren und nicht von der Batterie stammen? (Wäre es vernünftig zu sagen, dass die Elektronen, die sich auf jeder Elektrode angesammelt haben, nur eine Kraft liefern, die die Elektronen im Stromkreis lenkt, und dass sie nicht selbst an der Erzeugung eines Stroms beteiligt sind?)
F(6): Wenn sich die elektrische Ladung auf den Elektroden wie in der vorherigen Frage beschrieben verhält, wäre dann das folgende Argument richtig?:
"Da der Stromkreis offen ist (siehe oben), fließt kein Strom durch ihn. Wenn jedoch eine solche Anordnung eingerichtet ist, fließt für einen Moment ein kurzer Strom, bis die Enden der beiden Drähte aufgeladen sind. Diese Aufladung würde fortgesetzt, bis das elektrische Potential jedes der Enden der beiden Drähte gleich dem elektrischen Potential des Batterieanschlusses ist, an den es angeschlossen ist. (Die Elektronenladungsdichte am Ende jedes Drahts wird gleich der Elektronenladungsdichte der Klemme, mit der es verbunden ist)"
Wenn das obige Argument falsch ist, was ist das korrekte Verhalten der Ladung in einem Kabel in dem Moment, in dem es an eine Batterie angeschlossen wird (in einer Anordnung wie der oben gezeigten)? und warum?
Q(7): Was bewirkt, dass der Strom in dem oben gezeigten offenen Stromkreis nach einem kurzen Moment aufhört (Wenn die elektrische Ladungsdichte von , sagen wir dem Minuspol, konstant geblieben ist, was dem weiteren Herausdrücken der Elektronen aus dem entgegensteht Minuspol)?
Das ist alles. Ich würde mich sehr freuen, wenn Sie mir bei einer der oben genannten Fragen helfen könnten.
Danke
Antworten (1)
wahrscheinlich_jemand
Diese Antwort wurde fast vollständig aus diesem COMSOL-Blogbeitrag entlehnt: https://www.comsol.com/blogs/does-the-current-flow-backwards-inside-a-battery/
Eine Batterie ist ein elektrochemisches Objekt und kann im Allgemeinen nicht als elektrischer Dipol behandelt werden. Aus diesem Grund haben Sie Probleme, das elektrische Dipolbild mit dem elektrochemischen Bild in Einklang zu bringen - das Dipolbild ist überhaupt nicht realistisch.
Das Potenzial innerhalb einer Batterie (und damit das elektrische Feld) sieht unterschiedlich aus, je nachdem, ob Strom fließt oder nicht. Wenn die Batterie von irgendeinem Stromkreis getrennt wird, sieht das elektrische Potential darin so aus*:
Wie Sie sehen können, ist das elektrische Potential für fast die gesamte Batterie flach; Dies bedeutet, dass es nirgendwo ein elektrisches Feld gibt, außer in einem kleinen Bereich des Elektrolyten, der sich in der Nähe jeder Elektrode befindet. In diesem Bereich ist die Doppelschicht (im Diagramm mit DL gekennzeichnet) an der Oberfläche der Elektrode der einzige Ort, an dem ein elektrisches Feld vorhanden ist, und das liegt daran, dass die Doppelschicht für die negative Elektrode aus einer Schicht negativer Ionen besteht auf die Oberfläche der Elektrode und dann eine Schicht positiver Ionen, die von den negativen Ionen angezogen werden (umgekehrt alles für die Doppelschicht an der positiven Elektrode). Diese Doppelschicht ist extrem dünn, bei den meisten Batterien im Nanometerbereich.
Wenn sich die Batterie entlädt (Strom erzeugt), sieht ihr Potenzial so aus:
Hier ist einiges anders. Am auffälligsten ist, dass in diesem Diagramm eine Referenzelektrode eingefügt ist; Ignorieren Sie es, da es nichts an dem gezeigten Potenzial ändert. Die erste wichtige Sache, die anders ist: Es gibt jetzt ein elektrisches Feld über dem Elektrolyten, das einen Stromfluss innerhalb der Batterie ermöglicht (beachten Sie, dass dieses Diagramm die elektrotechnische Konvention des Stroms als Fluss positiver Ladung verwendet; als solche beschreibt es die Bewegung der Elektronen innerhalb der Batterie vom Pluspol zum Minuspol, „rückwärts“ von der üblichen Flussrichtung außerhalb der Batterie, aber im Einklang mit dem Elektronenfluss in einer Schleife um den Stromkreis).
Die Tatsache, dass das Potential eine Steigung über der Elektrode hat, bedeutet, dass die Elektrodenpotentiale auch auf unterschiedlichen Niveaus sein werden. Die Doppelschicht-Potentialunterschiede sind auch etwas schwächer aufgrund der Tatsache, dass Ladung, die sich über die Doppelschicht bewegt, die Ladungstrennung zwischen den beiden Schichten stört. Das Potential innerhalb jeder Elektrode ist auch leicht geneigt, weil es einen kleinen Widerstand gibt, der mit dem durch die Elektrode fließenden Strom verbunden ist. Jetzt gibt es also überall in der Batterie ein elektrisches Feld, aber die Stärke hängt davon ab, wo Sie sich genau befinden, und es sieht definitiv nicht wie ein Dipol aus.
*Die meisten Batterien haben heutzutage eher poröse Elektroden als die festen, die ich hier verwende. Der Blogbeitrag, auf den verwiesen wird, behandelt den Fall poröser Elektroden, ist aber konzeptionell komplizierter, daher habe ich die Diagramme mit festen Elektroden verwendet, um Verwirrung zu vermeiden.
Philipp Holz
wahrscheinlich_jemand
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