Làm thế nào để một pin (tế bào chính) hoạt động? [đóng cửa]

Tôi đang có một thời gian khó khăn để hiểu các tế bào chính.
Có rất nhiều video và giải thích về các phản ứng xảy ra bên trong pin, nhưng bạn phải có một nền tảng vững chắc về hóa học để thực sự hiểu chúng.
Thay vào đó, tôi rất thích có một mô tả tóm tắt từ các chi tiết hóa chất, và vẫn cố gắng giải thích các hoàng tử làm việc cơ bản của nó!
Tôi muốn nó giải quyết các câu hỏi / nghi ngờ sau đây:

• Dòng điện tử hình thành tiềm năng cao hơn đến tiềm năng thấp hơn, vì vậy, khi bạn mua pin, điện trường đã có ở đó chưa, trước khi kết nối nó với dây? (Tôi đoán là có)

• Vì vậy, lĩnh vực này được tạo ra như thế nào? Là các electron ở phía trên và các proton ở phía dưới, hay chỉ là các electron ở phía trên và phía dưới là trung tính? Làm thế nào các electron được giữ cùng một chỗ trước khi kết nối pin với dây? Điều gì ngăn cản chúng chảy bên trong pin?

• Làm thế nào để pin bơm lên các điện tử? và ở mức nào?
  Điều gì làm cho nó cháy hết? và sau nhiều chu kỳ nó có bị cháy không?

Tôi biết có rất nhiều câu hỏi nhưng tâm trí tôi đang bùng nổ. Tôi không hy vọng mọi thứ sẽ được trừu tượng hóa từ các hóa chất nhưng miễn là bạn có thể thông qua các phép tương tự, hoặc các nguyên tắc trực quan, tôi sẽ thích điều đó. Dù sao, mục đích chính của câu trả lời phải được giải quyết những nghi ngờ được liệt kê.

là một điện trường đã có, trước khi kết nối nó với một dây?

Có, nếu không, dòng điện sẽ không thể chạy qua tải được kết nối với các tiếp điểm pin. Điện trường là thứ làm cho các electron chuyển động và sự di chuyển của các electron là thứ chứa năng lượng.

Các điện tử có điện tích âm, do đó, có quá nhiều điện tử xuất hiện trên kết nối âm hoặc Cathode (-) của pin. Trên cực dương hoặc cực dương (+), có một điện tích bằng nhau nhưng dương (do thiếu electron).

Lưu ý rằng tổng điện tích bằng 0 , do đó lượng electron dư ở tiếp điểm (-) bằng với lượng thiếu ở tiếp điểm (+).

Điện tích này (điện tử hoặc những điện tử bị thiếu ) thực sự không đáng kể , nó không chứa nhiều năng lượng. Phần quan trọng là nếu bạn kết nối các tiếp điểm (+) và (-), một dòng điện có thể chảy vì các điện tích muốn trung hòa.

Tuy nhiên, hóa học đi xung quanh trong pin sau đó bắt đầu "di chuyển" ** ion * (có thể có một hoặc nhiều electron bị thiếu hoặc thiếu) từ tiếp điểm (+) đến tiếp điểm (-). Quá trình này tiêu thụ một số chất hóa học và hình thành các chất khác trong khi các electron được "tạo ra tự do" và kết thúc tại tiếp điểm (-) (Cathode).

Các electron làm chảy bên trong pin; chúng được vận chuyển bởi các ion từ cực dương (+) đến cực âm (-), hoàn thành vòng lặp hiện tại. Để làm cho chúng chảy theo cách này, năng lượng là cần thiết. Năng lượng này đến từ phản ứng hóa học đang diễn ra trong pin.

Nếu không có tải kết nối với pin, các electron vẫn bị kẹt ở Cathode. Chúng tích lũy ở đó cho đến khi đạt được một điện áp nhất định, khi phản ứng hóa học (tạo ra các electron) chậm lại và dừng lại. Phản ứng hóa học dừng lại vì nó không thể "cung cấp" các electron "tự do" nữa. Nó không thể cung cấp các electron tự do nữa vì nó đòi hỏi ngày càng nhiều năng lượng hơn khi tiềm năng tăng lên. Khi đạt được một tiềm năng nhất định, quá trình dừng lại. Khi tải được kết nối, nó sẽ làm giảm điện thế (hơi), cho phép nhiều electron hơn được "giải phóng", bắt đầu lại quá trình.

Tốc độ của các electron được tạo ra phụ thuộc vào dòng điện qua tải. Tra cứu các định nghĩa của dòng điện, mối quan hệ của nó với điện tích và điện tích của một điện tử. Sau đó, bạn có thể tính toán có bao nhiêu electron tham gia vào việc tạo ra dòng điện 1 Ampe chẳng hạn (1 Ampe tương ứng với 6,25 × 10 ¹⁸ electron mỗi giây).

Pin không nên cháy hết ; nếu chúng bị cháy, bạn đang sử dụng chúng sai. Chúng được sử dụng hết hoặc cạn kiệt . Đó là bởi vì phản ứng hóa học cần sử dụng hết Hóa chất bên trong sau đó là pin và thay thế chúng bằng một thứ khác giống như bất kỳ phản ứng hóa học nào.

Trong pin tiểu, không có cách nào trở lại; khi các hóa chất cần thiết được sử dụng hết, pin đã trở nên vô dụng.

Trong pin sạc, quá trình hóa học có thể được đảo ngược bằng cách buộc các electron (ở mặt sau của các ion) chảy theo chiều ngược lại (từ Cathode đến Anode) bên trong pin.

Pin kéo dài bao lâu tùy thuộc vào cách bạn sử dụng. Một tình huống làm cạn kiệt pin nhanh chóng sử dụng tổng năng lượng ít hơn so với trường hợp tải cần một dòng điện nhỏ. Nhìn vào bảng dữ liệu pin để thấy sự khác biệt; có thể có tới 5 yếu tố khác biệt về năng lượng sẵn có!

Lưu ý rằng tôi không phải là chuyên gia về pin, nếu có bất kỳ sai sót nào trong lý luận của tôi, vui lòng đề cập đến chúng trong một bình luận.

Thông thường tôi sẽ nói "bỏ qua các điện tử" trong khi cố gắng hiểu điện tử, nhưng đây là một trong những trường hợp chúng thực sự quan trọng.

Tôi sẽ sử dụng pin kiềm tiêu chuẩn làm ví dụ của tôi. Hóa học:

Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− [Eoxidation° = +1.28 V]
2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq) [Ereduction° = +0.15 V] 

Có ba yếu tố. Một cực dương (kẽm), kết nối với cực âm của pin; một cực âm (mangan oxit) kết nối với pin dương tính và một chất điện phân (kali hydroxit, là "kiềm" của tên). Chất điện phân trong pin bất kỳ là chất lỏng nằm giữa các điện cực.

"Độ âm điện" là xu hướng hóa chất thu hút hoặc làm mất điện tử. Phản ứng hàng đầu khá nhạy bén để làm rơi hai electron của nó và ném chúng vào cực dương. Nó thực hiện điều này cho đến khi một trường khoảng 1,28V tích tụ giữa điện cực và dung dịch, tại thời điểm đó, phản ứng không còn đủ năng lượng để vượt qua trường và đẩy các electron lên cực dương. Tương tự đầu kia xây dựng một trường nhỏ.

Lưu ý rằng chất điện phân không dẫn điện, ít nhất là không giống như kim loại. Không có các electron trôi nổi tự do trong chất điện phân. Tuy nhiên, có các ion, mang điện tích dương (kali) hoặc âm (hydroxit). Các ion được tự do di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác.

Khi nào nó hết? Khi tất cả kẽm đã bị oxy hóa thành oxit kẽm, hoặc mangan dioxide đã hết.

Đã có câu trả lời kỹ thuật tuyệt vời cho câu hỏi này vì vậy tôi sẽ chỉ cần so sánh với hệ thống nước.

Hãy xem xét hệ thống sau với hai thùng chứa nước:

Bình chứa bên trái chứa nước có tiềm năng cao hơn nước (không tồn tại) trong bình chứa bên phải.

Không có trường (điện) giữa các thùng chứa (hoặc các điện cực trong pin) nhưng có một sự khác biệt tiềm năng.

Những gì chúng ta làm khi chúng ta rút một dòng điện ra khỏi pin về cơ bản là cung cấp một cách để các electron chảy từ phía tiềm năng cao sang phía tiềm năng thấp.

Nếu chúng tôi kết nối hai thùng chứa nước, chúng tôi cho phép nước chảy từ khu vực tiềm năng cao đến khu vực tiềm năng thấp và có thể sử dụng sự khác biệt tiềm năng để thực hiện công việc (bằng cách đặt một bánh xe nước như trong một nhà máy nước) giữa các công cụ chứa nước.

Tốc độ của các electron / nước chảy giữa các container được xác định bởi sự khác biệt tiềm năng cũng như điện trở của đầu nối giữa các container.

Điện trở trong trường hợp nước được xác định bởi đường kính của đường ống cũng như ma sát với thành ống.

Khi chúng ta làm cạn kiệt hệ thống, các electron / nước trong cả hai container đều có cùng tiềm năng và không còn bất kỳ dòng chảy nào giữa các container.

Lưu ý: Loại tương tự này không phải lúc nào cũng hoạt động. Ví dụ, chúng tôi không nghĩ về dải phân cách / màng mà hệ thống pin cần.

Một nhận xét về việc xả thải. Pin không đột nhiên hết pin và hỏng. Sự suy giảm năng lượng có sẵn là dần dần. Phản ứng có thể được coi là tương tự như ăn mòn hoặc rỉ sét, và các sản phẩm phụ được chi tiêu từ các phản ứng hóa học trước đó sẽ tích tụ và cản trở các phản ứng bổ sung, làm chậm phản ứng tổng thể.

Khi phản ứng hóa học chậm lại về cuối đời, sự chênh lệch điện áp ở các cực sẽ giảm. Do công thức Volts x Amps = Watts, vì điện áp giảm độ rút điện từ pin sẽ tăng lên để bù lại.

Có giới hạn rút ampe do độ dày của các cực pin, dây cực của thiết bị và diện tích bề mặt phản ứng có sẵn của cực dương và cực âm. Một trong những điều này cuối cùng sẽ hạn chế cường độ dòng điện có sẵn, và tại thời điểm đó, điện áp sẽ giảm nhanh chóng, dẫn đến tình trạng mất điện khiến thiết bị gặp trục trặc hoặc hỏng.

Pin được sử dụng trong ứng dụng dòng điện cao và dường như đã hết sau một thời gian ngắn có thể tiếp tục hoạt động bình thường nếu được sử dụng lại cho ứng dụng dòng điện thấp, vì phản ứng tế bào bị chậm vẫn có thể duy trì điện áp cao đủ hữu ích nếu cường độ dòng điện vẽ là thấp.

,

Ngoài ra nhiệt độ rất lạnh có thể ảnh hưởng đến điện áp có sẵn, vì các phản ứng hóa học bị chậm lại. Ắc quy của xe được làm lạnh đến -40C / F chỉ có thể chiếu sáng bảng điều khiển và làm chậm động cơ khởi động, vì tốc độ phản ứng hóa học quá chậm để duy trì chênh lệch điện áp cao trên các cực của pin. Tuy nhiên, ắc quy xe thường có diện tích bề mặt rất lớn và xốp cho phép rút ra cường độ dòng điện cao ngay cả khi phản ứng hóa học bị chậm lại.

Hãy xem xét một động cơ khởi động xe điển hình được đánh giá cho khoảng 1500 watt:

• Ở nhiệt độ phòng bình thường, pin xe axit chì sáu cell được sạc đầy có thể cung cấp 13,6 volt ở 110 ampe để sản xuất 1500 watt.
• Ở -40C, chênh lệch điện áp có sẵn của pin được sạc đầy có thể giảm xuống mức 6 volt. Độ rút ampe sau đó tăng 250 ampe để bù cho điện áp thấp, đó là cái được gọi là "ampe lạnh quây lạnh" trên ắc quy xe.

Đây cũng là lý do tại sao dây khởi động xe và các cực ắc quy thường rất dày và nặng, để vượt qua dòng điện lớn bất thường này trong điều kiện lạnh khắc nghiệt.