Neulich ertappte ich mich bei einem Freund zu Hause, ohne ein MicroUSB-Ladegerät zur Hand zu haben. Als solches starb mein Telefon (Nokia Lumia 920), bevor ich ins Bett ging - der Versuch, zu booten, würde einfach einen "Low Battery" -Bildschirm ergeben. Als ich ungefähr 6 Stunden später aufwachte, beschloss ich (in einem Moment, der sicherlich der Definition von Wahnsinn entspricht), zu versuchen, das Telefon wieder einzuschalten. Das Telefon startete dieses Mal und zeigte etwa 12% verbleibende Batterie. Abgesehen von den erwarteten Warnmeldungen „Batterie schwach“ durfte ich das Telefon eine Weile normal benutzen, bevor ich endlich wieder in mein Auto stieg und es dort aufladen konnte.
Ich bin mir ziemlich sicher, dass ich dieses Phänomen bei anderen kleinen Elektronikgeräten (normalerweise Telefonen) gesehen habe. Ein Gerät wird seine Batterie so weit entladen haben, dass es nicht mehr bootfähig ist, aber nach ein paar Stunden oder so werde ich es später erneut versuchen und feststellen, dass es zum Leben erwacht, als ob nichts falsch wäre.
Was verursacht das?
Batterien funktionieren über eine Redox-Reaktion . Die Reaktion kann nur so schnell erfolgen, wodurch der Strom begrenzt wird, den die Batterie liefern kann. Wenn mehr Strom aus der Batterie gezogen wird, nimmt die Spannung ab.
Wenn die Batterie erschöpft ist, stehen weniger dieser Reaktanten zur Verfügung, um elektrischen Strom zu treiben. Wenn die Batterie jedoch eine Weile stehen gelassen wird, kann die Reaktion ein wenig fortschreiten, wobei an einem Anschluss ein Elektronenüberschuss und am anderen ein Mangel aufgebaut wird.
Sobald die Batteriepole mit einem Leiter verbunden sind, entsteht ein Strom, da das elektrische Ladungsungleichgewicht versucht, sich auszugleichen. Allerdings ist ziemlich bald all das Ungleichgewicht, das sich entwickelt hat, als die Batterie im Regal stand, aufgebraucht, und die chemische Reaktion muss weiterhin mehr Ungleichgewicht erzeugen, um den Strom aus der Batterie weiter zu treiben. Wenn die Batterie fast leer ist, kann diese Reaktion nicht sehr schnell erfolgen, da fast alle Reaktanden in der Batterie bereits reagiert haben.
Die Batterie im Regal wird also nicht "aufgeladen", weil sie keine Energie mehr gewinnt. Sie geben den Chemikalien in der Batterie einfach mehr Zeit zum Reagieren und wandeln mehr von der bereits vorhandenen chemischen Energie in elektrische Energie um.
In einer Batterie (wiederaufladbar oder nicht) müssen Ionen zu den beiden Polen wandern, um Elektronen mit den Polen auszutauschen, wodurch der elektrische Strom zwischen den Polen fließt (= die Batterie liefert Strom).
Diese Ionenwanderung geschieht nicht sofort: Ionen können einige Zeit brauchen, um zu ihren jeweiligen Polen zu wandern und ihre Arbeit zu verrichten. Wenn die Region um einen Pol herum an Ionen erschöpft ist, erscheint die Batterie leer, aber nach einer Weile breiten sich die Ionen wieder aus, es gibt Ionen in der Nähe des Pols, und die Batterie scheint wieder geladen zu sein.
Einen ähnlichen Effekt können auch die Reste der geladenen Ionen haben: Einmal entladen, können sie den beabsichtigten Prozess in Polnähe blockieren. Sie brauchen Zeit, um von den Polen wegzudiffundieren.
Eine Batterie kann grob als Bündel von Kondensatoren modelliert werden, die durch Widerstände verschiedener Werte miteinander verbunden sind. Nehmen Sie der Einfachheit halber zwei Kondensatoren an – Nr. 1 ist direkt an die Last angeschlossen und Nr. 2 ist über einen hochohmigen Widerstand mit Nr. 1 verbunden.
Wenn die Last keinen Strom zieht, fließt ein kleiner Strom von der Kappe mit der höheren Spannung in die Kappe mit der niedrigeren Spannung. Dadurch nähern sich die beiden Kappen einem Gleichgewicht, bei dem die Spannungen gleich sind.
Wenn die Last jedoch Strom zieht, kann die Ladung schneller von Nr. 1 zur Last fließen als von Nr. 2 zu Nr. 1. In diesem Fall fällt die Spannung an Nr. 1 unter die von Nr. 2. Je größer der Spannungsunterschied ist, desto mehr Strom fließt von Nr. 2 nach Nr. 1, aber die Spannung an Nr. 1 kann unter die minimale Betriebsspannung des Telefons fallen, selbst wenn die Spannung an Nr. 2 wesentlich höher ist. Sobald das Telefon heruntergefahren ist und keinen Strom mehr zieht, wird der Strom aus Nr. 1 nicht mehr schneller sein als der Zustrom von Nr. 2, und folglich wird es von Nr. 2 wieder aufgeladen, bis die Batterien wieder das Gleichgewicht erreichen.
Beachten Sie, dass Batterien in der Praxis viel komplizierter zu modellieren sind als Kondensatoren. Unter anderem sind die Widerstände, die die verschiedenen Kapazitäten verbinden, nicht fest, sondern variieren, wenn die Batterie geladen und entladen wird. Nichtsdestotrotz bietet das Modell der miteinander verbundenen Kondensatoren ein einfaches, intuitives Bild dessen, was vor sich geht.
PS: Man kann sich vorstellen, dass sowohl Batterien als auch Kappen etwas ladungsspeicherndes Material und etwas Material enthalten, um es miteinander zu verbinden. Je mehr Verbindungsmaterial eine Batterie oder ein Kondensator enthält, desto geringer sind die effektiven Widerstände, die alles miteinander verbinden. Das Verbindungsmaterial hält jedoch keine nützliche Ladungsmenge, daher müssen Batterien und Kappen mit niedrigem ESR physisch größer sein als Batterien und Kappen mit höherem ESR mit der gleichen Kapazität.
Ignacio Vazquez-Abrams
Iszi