¿Flujo de corriente en baterías?

Estoy leyendo un libro básico de electrónica: "No hay electrones: electrónica para los terrícolas" y me encontré con un pasaje inteligente sobre el hecho de que necesita un circuito cerrado para que la corriente fluya. Aquí está el pasaje que tengo curiosidad:

"Esto siempre me ha molestado: si los terminales negativos de las baterías tienen electrones en exceso (una carga negativa) y los terminales positivos de las baterías tienen muy pocos electrones (una carga positiva) y los opuestos se atraen, ¿por qué no puedo conectar un cable entre lado negativo de una batería y el lado positivo de una batería diferente y obtener corriente? Esta verdad es que no funcionará. No fluirá corriente. Si alguien hubiera podido explicarme eso, probablemente nunca hubiera escrito este libro ".

¿Alguien tiene una respuesta directa a esta pregunta?

La confusión aquí es de la pobre descripción inicial de cómo funciona una batería.

Una batería consta de tres cosas: un electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito en el medio. Los electrodos están hechos de materiales que desean reaccionar entre ellos; son mantenidos separados por el electrolito.

El electrolito actúa como un filtro que bloquea el flujo de electrones, pero permite el paso de iones (átomos cargados positivamente de los electrodos). Si la batería no está conectada a nada, la fuerza química está tirando de los iones, tratando de atraerlos a través del electrolito para completar la reacción, pero esto se equilibra con la fuerza electrostática: el voltaje entre los electrodos. Recuerde: un voltaje entre dos puntos significa que hay un campo eléctrico entre esos puntos que empuja las partículas cargadas en una dirección.

Cuando agrega un cable entre los extremos de las baterías, los electrones pueden pasar a través del cable, impulsados ​​por el voltaje. Esto reduce la fuerza electrostática, por lo que los iones pueden pasar a través del electrolito. A medida que se descarga la batería, los iones se mueven de un electrodo a otro, y la reacción química continúa hasta que uno de los electrodos se agota.

Pensando en dos baterías una al lado de la otra, unidas por un cable, no hay voltaje entre las dos baterías, por lo que no hay fuerza para conducir electrones. En cada batería, la fuerza electrostática equilibra la fuerza química, y la batería permanece en estado estable.

(De alguna manera pasé por alto lo que significa que dos materiales "quieran" reaccionar entre sí. Google "energía libre de Gibbs" para obtener más detalles al respecto. También puede buscar en Google la "ecuación de Nernst").

Olvide las baterías por un segundo, esa es solo una de las mil analogías que podría usar para describir el voltaje / corriente y la razón por la que no fluye corriente no tiene nada que ver con las propiedades electroquímicas de las baterías, es mucho más simple.

La forma más fácil de pensar en esto es: la corriente solo fluirá en un bucle, incluso en circuitos muy complejos, siempre puede descomponerse en bucles de corriente, si no hay un camino para que la corriente regrese a su fuente, habrá No hay flujo de corriente.

En el ejemplo de su batería, no hay una ruta de corriente de retorno, por lo que no fluirá corriente. Obviamente, hay una razón física más profunda de por qué esto funciona, pero como la pregunta pedía una respuesta simple, omitiré las matemáticas, las ecuaciones de Google Maxwell y cómo se usan en la derivación de la ley de voltaje de Kirchhoff.

Las baterías son un buen ejemplo de esto simplemente porque son fuentes actuales con tierras completamente aisladas. Este ejemplo sería igualmente cierto para cualquier otra fuente de energía con un "terreno" completamente aislado.

Sin embargo, esto no es algo fácil de encontrar, por ejemplo, hacer esto con 2 suministros de banco probablemente haría que uno de los suministros de banco fuera muy infeliz, pero eso no es porque el efecto sea diferente, la diferencia es que los suministros de banco probablemente estén puestos a tierra al cableado eléctrico en el edificio y, como tal, hay una ruta de retorno para que la corriente fluya a través.

La analogía del agua para esto también es efectiva. Piense en su ejemplo de batería de esta manera:

Tiene una bomba de agua (batería A) conectada a una tubería (el cable) y otra bomba de agua (batería B) conectada a la misma tubería (el cable). Ahora, en su ejemplo, no hay una ruta de retorno en el sistema, así que imagine que la tubería está llena de agua pero tapada en ambos extremos.

Presiona el interruptor de encendido de las bombas, ¿qué sucede?

La respuesta es nada, no hay dónde mover el agua, las bombas ni siquiera giran. (ignore la turbulencia del agua como efectos para esta analogía).

Ahora, si tuviera que conectar la tubería en un bucle y presionar el interruptor, las bombas girarían (voltaje) y el agua fluiría (corriente).

Si usó 2 bombas de velocidad de diferencia (baterías de diferente voltaje) y las enfrentó una hacia la otra, se sobrecargará y hará que la otra gire en la dirección incorrecta (se quemaría como si conectara una batería de 9V y 6V en paralelo).

Si conectó ambas bombas apuntando en la misma dirección, obtendría más presión de agua (voltaje) porque las bombas se están ayudando entre sí (2 baterías en serie).

Digamos que tiene baterías AA, con 1.5 V cada una. Además, etiquetemos la batería A y la batería B. Si conecta A + a B-, lo que realmente obtiene es una diferencia de 3 V entre A- y B +.

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

Cuando conectas B- a A +, ambos tienen el mismo potencial (después de todo, están conectados con un cable). B + es 1.5V más alto que este potencial, y A- es 1.5V más bajo.

Es importante recordar que un voltaje no es un valor absoluto . Es un valor relativo . El cable B- _ A + estará en un potencial, y B + y A- son relativos a ese potencial.

Yo también siempre he encontrado que la descripción tradicional de una batería es engañosa. La mayoría de las personas describen una batería como un contenedor de almacenamiento de electricidad, pero eso no explica por qué no puede descargar la electricidad de una batería al suelo, o por qué no puede hacer que una batería alimente a otra, como en su pregunta anterior. .

Puede que esta no sea una descripción precisa de lo que realmente está sucediendo, pero creo que una analogía más comprensible es describir una batería como una bomba. La "energía" contenida en la batería se utiliza para conducir la bomba; No se envía por cable. Con esta analogía, es claramente obvio por qué los extremos positivo y negativo de una batería deben conectarse en un circuito. Si, por ejemplo, conecta solo el electrodo negativo a tierra, no hay corriente porque no hay electricidad entrando en el electrodo positivo que pueda bombearse.

Técnicamente, la corriente puede o no fluir cuando un cable está conectado de esa manera. Todo depende de si existe o no una diferencia potencial en los cargos entre esos dos terminales. Si la diferencia es pequeña, fluirá poca o ninguna corriente. Esto es válido para cualquier cable conectado entre dos terminales, en cualquier lugar.

Sin embargo, es probable que la corriente no lo haga (dependiendo de la edad / uso de la batería) La razón es porque la diferencia de potencial de voltaje - el "exceso de agujeros en el extremo positivo" y el "exceso de electrones en el extremo negativo" - es relativa a una batería dada . Hay electrones / agujeros en exceso en los extremos de una batería dada entre sí. Esa relación puede o no ser cierta entre el terminal negativo de una batería y el terminal positivo de otra.

La corriente que fluye hacia una unión siempre es igual a la corriente que fluye fuera de la unión. Por lo tanto, la corriente siempre debe fluir en un bucle.

Primero. FLUIRÁ una corriente muy pequeña durante un tiempo muy corto ... pero solo necesita pasar una pequeña cantidad de carga eléctrica (estática) para generar suficiente voltaje hacia atrás para anular el voltaje hacia adelante. Recuerde que cualquier electricidad estática notable como frotar globos en el cabello generalmente involucra GRANDES voltajes como (decenas de) miles de voltios, lo cual es necesario para hacer una chispa. La celda simple típica de 1.5 voltios no puede hacer una chispa (sin ayuda especial). En realidad, si suspendió cuidadosamente un par de celdas simples (baterías) en el espacio o colgando de una cuerda, tendrían una pequeña interacción dipolo y se girarían como un par de imanes y luego se atraerían entre sí. Desafortunadamente, esto resulta ser fuerzas muy pequeñas aunque calculables y finitas. Quizás este expt se ha hecho con sensibilidad para mostrar esto. Promover, El problema original es un poco como cargar un condensador si lo piensa. Con los terminales no conectados son solo las placas del condensador. La pequeñez de los terminales y la separación es numéricamente muy diferente de un buen condensador que tiene un área grande y una separación pequeña que hace toda la diferencia y es por eso que la corriente es minúscula (pero finita) en el problema original.

Creo que otra cosa que podría confundirte es que decimos que el voltaje en un conductor siempre es constante. Si bien esto es principalmente cierto, es una especie de mentira. Todos los conductores aún tienen una resistencia finita. Debido a esto, si conecta un cable entre los dos terminales de una batería, un extremo del cable tendrá un potencial diferente al otro y la corriente en el cable seguirá la ley de ohmios. No sé si alguna vez has intentado poner en cortocircuito los dos terminales de una batería como esta, pero debido a que la resistencia del cable es tan baja, la ley de ohmios produce una corriente muy grande que calentará el cable y te quemará.

Ahora, la razón por la que generalmente decimos que el potencial en un cable es constante es porque generalmente hay otros componentes en nuestro circuito cuya resistencia es mucho mayor que los cables. Debido a esto, la mayor parte del voltaje terminará cayendo a través de los otros componentes en el circuito y solo habrá una caída de voltaje muy pequeña de un extremo de un cable al otro. Entonces podemos simplificar nuestros problemas diciendo que el voltaje es constante en los cables.