Dòng chảy trong pin?

Tôi đang đọc một cuốn sách điện tử cơ bản: "Không có Electron: Điện tử cho Trái đất" và tôi đã bắt gặp một đoạn thông minh về thực tế là bạn cần một mạch điện kín để dòng điện chạy qua. Đây là đoạn tôi tò mò về:

"Điều này luôn làm phiền tôi: Nếu các cực âm của pin có các electron thừa (điện tích âm) và các cực dương của pin có quá ít electron (điện tích dương) và ngược lại thu hút, tại sao tôi không thể nối một dây giữa Mặt tiêu cực của một pin và mặt tích cực của một pin khác và nhận được dòng điện nào? Sự thật là nó sẽ không hoạt động. Không có dòng điện nào chảy ra. Có ai đó đã có thể giải thích điều đó với tôi, có lẽ tôi sẽ không bao giờ viết cuốn sách này . "

Có ai có câu trả lời thẳng thắn cho câu hỏi này không?

Sự nhầm lẫn ở đây là từ mô tả nghèo nàn ban đầu về cách thức hoạt động của pin.

Một pin bao gồm ba thứ: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân ở giữa. Các điện cực được làm bằng vật liệu muốn phản ứng mạnh mẽ với nhau; chúng được tách ra bởi chất điện phân.

Chất điện phân hoạt động giống như một bộ lọc ngăn chặn dòng điện tử, nhưng cho phép các ion (nguyên tử tích điện dương từ các điện cực) đi qua. Nếu pin không được kết nối với bất cứ thứ gì, lực hóa học đang kéo các ion, cố gắng kéo chúng qua chất điện phân để hoàn thành phản ứng, nhưng điều này được cân bằng bởi lực tĩnh điện - điện áp giữa các điện cực. Hãy nhớ-- một điện áp giữa hai điểm có nghĩa là có một điện trường giữa các điểm đó đẩy các hạt tích điện theo một hướng.

Khi bạn thêm một dây giữa hai đầu của pin, các electron có thể đi qua dây, được điều khiển bởi điện áp. Điều này làm giảm lực tĩnh điện, do đó các ion có thể đi qua chất điện phân. Khi pin được xả, các ion di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác và phản ứng hóa học diễn ra cho đến khi một trong các điện cực được sử dụng hết.

Suy nghĩ về hai pin cạnh nhau, được liên kết bởi một dây - không có điện áp giữa hai pin, vì vậy không có lực để điều khiển các electron. Trong mỗi pin, lực tĩnh điện sẽ cân bằng lực hóa học và pin luôn ở trạng thái ổn định.

(Tôi loại bỏ ý nghĩa của hai vật liệu "muốn" phản ứng với nhau. Google "Năng lượng tự do Gibbs" để biết thêm chi tiết về điều đó. Bạn cũng có thể google "Phương trình Nernst.")

Quên pin trong một giây, đó chỉ là một trong một nghìn tương tự bạn có thể sử dụng để mô tả điện áp / dòng điện và lý do là không có dòng điện nào không liên quan đến tính chất điện hóa của pin, đơn giản hơn nhiều.

Cách dễ nhất để nghĩ về nó là: Dòng điện sẽ chỉ chảy trong một vòng lặp, ngay cả trong các mạch rất phức tạp, bạn luôn có thể chia nó thành các vòng lặp của dòng điện, nếu không có đường dẫn nào để dòng điện quay trở lại nguồn của nó, sẽ có không có dòng chảy hiện tại.

Trong ví dụ về pin của bạn, không có đường dẫn hiện tại trở lại nên sẽ không có dòng điện nào chảy qua. Rõ ràng có một lý do vật lý sâu sắc hơn cho lý do tại sao điều này hoạt động nhưng vì câu hỏi yêu cầu một câu trả lời đơn giản, tôi sẽ bỏ qua toán học, phương trình của Maxwell và cách chúng được sử dụng trong đạo hàm điện áp của Kirchhoff.

Pin thực sự là một ví dụ tốt cho điều này đơn giản vì chúng là nguồn hiện tại có căn cứ hoàn toàn biệt lập. Ví dụ này sẽ đúng như nhau đối với bất kỳ nguồn năng lượng nào khác có "mặt đất" hoàn toàn biệt lập.

Tuy nhiên, đây không phải là một điều dễ dàng, ví dụ, làm điều này với 2 nguồn cung cấp băng ghế dự bị có thể sẽ khiến một trong những nguồn cung cấp băng ghế dự bị rất không hài lòng, nhưng điều đó không phải vì hiệu quả khác nhau, sự khác biệt là nguồn cung cấp băng ghế dự bị có khả năng cả hai đến hệ thống dây điện trong tòa nhà và như vậy có một đường dẫn trở lại cho dòng điện chạy qua.

Sự tương tự nước cho điều này cũng hiệu quả. Hãy nghĩ về ví dụ pin của bạn theo cách này:

Bạn có một máy bơm nước (pin A) được kết nối với một đường ống (dây) và bạn có một máy bơm nước khác (pin B) được kết nối với cùng một đường ống (dây). Bây giờ trong ví dụ của bạn, không có đường dẫn trở lại trong hệ thống, vì vậy hãy tưởng tượng rằng đường ống đầy nước nhưng bịt ở hai đầu.

Bạn nhấn công tắc nguồn trên máy bơm, chuyện gì xảy ra?

Câu trả lời là không có gì, không có nơi nào để di chuyển nước đến, máy bơm thậm chí không quay. (bỏ qua nhiễu loạn nước như hiệu ứng cho sự tương tự này).

Bây giờ nếu bạn kết nối đường ống trong một vòng lặp và nhấn công tắc, máy bơm sẽ quay lên (điện áp) và nước sẽ chảy (dòng điện).

Nếu bạn sử dụng 2 máy bơm tốc độ khác nhau (pin điện áp khác nhau) và hướng chúng về phía nhau thì sẽ bị mất điện và khiến cho máy kia quay sai hướng (đốt cháy giống như kết nối song song pin 9V và 6V).

Nếu bạn kết nối cả hai máy bơm cùng hướng, bạn sẽ nhận được nhiều áp lực nước (điện áp) hơn vì các máy bơm đang hỗ trợ lẫn nhau (2 pin nối tiếp).

Giả sử bạn có pin AA, mỗi pin 1,5 V. Hơn nữa, hãy gắn nhãn cho chúng là pin A và pin B. Nếu bạn nối A + với B-, những gì bạn thực sự nhận được là chênh lệch 3 V giữa A- đến B +.

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

Khi bạn nối B- với A +, cả hai đều có cùng tiềm năng (rốt cuộc chúng được nối với một sợi dây). B + cao hơn 1,5V so với tiềm năng này và A- thấp hơn 1,5V.

Điều quan trọng cần nhớ là điện áp không phải là một giá trị tuyệt đối . Đó là một giá trị tương đối . Dây B- _ A + sẽ ở một tiềm năng và B + và A- có liên quan đến tiềm năng đó.

Tôi cũng luôn thấy rằng mô tả của một giáo dân truyền thống về pin là sai lệch. Hầu hết mọi người mô tả pin là một hộp lưu trữ điện, nhưng điều đó không giải thích lý do tại sao bạn không thể đổ điện từ pin xuống đất, hoặc tại sao bạn không thể có một pin khác, như trong câu hỏi của bạn ở trên .

Đây có thể không phải là một mô tả chính xác về những gì đang thực sự xảy ra, nhưng tôi thấy rằng một sự tương tự dễ hiểu hơn là mô tả một pin như một máy bơm thay thế. "Năng lượng" có trong pin được sử dụng để điều khiển máy bơm; nó không được gửi qua dây. Với sự tương tự này, rõ ràng là tại sao cả hai đầu dương và âm của pin phải được kết nối trong một mạch. Nếu, giả sử, bạn chỉ kết nối điện cực âm với mặt đất, không có dòng điện vì không có điện đi vào điện cực dương có thể được bơm ra.

Về mặt kỹ thuật, dòng điện có thể hoặc không chảy khi dây được kết nối theo cách đó. Tất cả phụ thuộc vào việc có hay không có sự khác biệt tiềm năng về phí giữa hai thiết bị đầu cuối đó. Nếu sự khác biệt là nhỏ, ít / không có dòng điện sẽ chảy. Điều này đúng cho bất kỳ dây kết nối giữa bất kỳ hai thiết bị đầu cuối, bất cứ nơi nào.

Tuy nhiên, hiện tại nhiều khả năng sẽ không xảy ra (tùy thuộc vào độ tuổi / việc sử dụng pin). Lý do là vì sự khác biệt tiềm năng điện áp - "các lỗ thừa ở đầu dương" và "các electron thừa ở đầu âm" - có liên quan đến một pin nhất định . Có các electron / lỗ dư thừa ở hai đầu của một pin nhất định đối với nhau. Mối quan hệ đó có thể đúng hoặc không đúng giữa thiết bị đầu cuối âm của pin này và thiết bị đầu cuối tích cực của pin khác.

Dòng điện chạy vào một điểm nối luôn bằng với dòng chảy ra khỏi điểm nối. Do đó, hiện tại phải luôn luôn chảy trong một vòng lặp.

Đầu tiên. Một dòng điện SILL rất nhỏ chảy trong một thời gian rất ngắn ... nhưng nó chỉ cần một lượng điện tích nhỏ (tĩnh) để vượt qua để xây dựng đủ điện áp ngược để vô hiệu hóa điện áp chuyển tiếp. Hãy nhớ lại rằng bất kỳ tĩnh điện đáng chú ý nào như bóng bay cọ xát vào tóc thường liên quan đến điện áp LỚN như (hàng chục) hàng nghìn volt cần thiết để tạo ra tia lửa. Điển hình đơn giản 1,5 volt tế bào không thể tạo ra tia lửa (không có sự giúp đỡ đặc biệt). Trên thực tế nếu bạn cẩn thận treo một cặp tế bào đơn giản (pin) trong không gian hoặc treo trên dây, chúng sẽ có một tương tác lưỡng cực nhỏ và xoắn lại như một cặp nam châm và sau đó thu hút lẫn nhau. Thật không may, điều này chỉ là rất nhỏ mặc dù lực lượng có thể tính toán và hữu hạn. Có lẽ expt này đã được thực hiện một cách nhạy cảm để thể hiện điều này. Thêm nữa, một vấn đề ban đầu giống như sạc tụ điện nếu bạn nghĩ về nó. Với các thiết bị đầu cuối không bị ảnh hưởng chỉ là các tấm tụ điện. Độ nhỏ của các thiết bị đầu cuối và phân tách rất khác nhau về số lượng so với một tụ điện tốt có diện tích lớn và phân tách nhỏ tạo ra tất cả sự khác biệt và đó là lý do tại sao dòng điện rất nhỏ (nhưng hữu hạn) trong vấn đề ban đầu.

Tôi nghĩ một điều khác có thể làm bạn bối rối là chúng tôi nói rằng điện áp trong một dây dẫn luôn không đổi. Trong khi điều này chủ yếu là sự thật thì đó là một lời nói dối. Tất cả các dây dẫn vẫn có một điện trở hữu hạn. Bởi vì điều này nếu bạn nối một dây giữa hai cực của pin, một đầu của dây sẽ thực sự ở một tiềm năng khác thì đầu kia và dòng điện trong dây sẽ tuân theo định luật ohms. Tôi không biết bạn đã bao giờ thử rút ngắn hai cực của pin như thế này chưa nhưng vì điện trở của dây quá thấp nên luật ohms tạo ra dòng điện rất lớn sẽ làm nóng dây và làm bạn bị bỏng.

Bây giờ lý do mà chúng ta thường nói rằng điện thế trong dây là không đổi là vì thường có các thành phần khác trong mạch của chúng ta có điện trở lớn hơn nhiều so với dây. Bởi vì điều này phần lớn điện áp cuối cùng sẽ bị rơi trên các thành phần khác trong mạch và sẽ chỉ có một sự sụt giảm điện áp rất nhỏ từ đầu này sang đầu dây khác. Vì vậy, chúng ta có thể đơn giản hóa các vấn đề của mình bằng cách nói rằng điện áp không đổi trong các dây dẫn.