Amperio hora y voltaje

Para explicarte esto a ti mismo, primero tienes que rechazar un concepto erróneo común.

¿Las baterías almacenan Amperios-Hora? No. Equivocado.

Las baterías no almacenan ninguna carga eléctrica. En cambio, las baterías son bombas de carga que funcionan químicamente. El camino para los amperios es de entrada a través de una terminal, a través de la batería y luego de salida a través de la otra terminal. Las baterías son "bombas de electricidad" y no acumulan culombios ni AH ni electrones en su interior.

En otras palabras, una batería ideal no bloquea el flujo de cargas. En cambio, es un cortocircuito. Cuando se conecta a una carga, una batería proporciona un circuito completo, sin principio ni fin.

¡¿No significa esto que, durante las corrientes eléctricas, la batería NO proporciona ningún flujo de carga?! Sí, exactamente correcto. Las cargas son proporcionadas por los conductores. Dentro del electrolito (muy conductor) de la batería, los iones disueltos son las cargas eléctricas (y en las baterías de plomo-ácido, las cargas son los protones móviles del ácido. ¡Protones que fluyen!) Luego, en los cables de cobre, las cargas son los electrones móviles. del metal cobre.

Entonces, ¿qué significa realmente "amperio-hora"? Es una manera conveniente de expresar la cantidad total de culombios que una batería completamente cargada puede bombear por sí misma antes de agotarse. Cuando la batería está agotada y se agota el AH, significa que el combustible químico dentro de la batería se ha consumido, por lo que el proceso de bombeo se detiene. El amperio-hora en realidad se usa como una medida de combustible químico, en lugar de una medida de amperios, culombios o carga eléctrica. Afortunadamente, el total de "combustible químico" que se consume dentro de la batería está directamente relacionado con la cantidad de coulombs bombeados. No necesitamos pesar de alguna manera el combustible restante. En su lugar, podemos simplemente observar el flujo de culombios.

Entonces, en las baterías recargables , si forzamos las cargas hacia atrás a través de cada celda, entonces la química retrocede y el "escape químico" se convierte nuevamente en combustible. En una batería de linterna, el cloruro de zinc se vuelve a convertir en metal de zinc y se almacena energía química. O en una celda de combustible, el H2O se "descompone" y forma nuevos gases H2 y O2. La batería vuelve a estar lista para alimentar sus dispositivos, convirtiendo los "metales combustibles" nuevamente en "productos de escape" sólidos. La celda de combustible nuevamente puede quemar el hidrógeno en agua, o su celda de litio quema el metal de litio en sales de litio.

Por lo tanto, observe que una batería "cargada" no está completamente cargada. Está lleno de energía química, lleno de julios o KWH de combustible químico. Y una batería "descargada" contiene exactamente la misma cantidad de carga eléctrica que una batería "cargada". confuso si! Con las baterías, la palabra "carga" se refiere a una carga de energía y no a una carga eléctrica de electrones o protones. (Similar: cuando "cargamos" un cañón, le damos una carga de pólvora, no una carga de electricidad).

OK, pregunta original: ¿por qué los amperios-hora siguen siendo los mismos cuando las baterías están conectadas en serie? Es porque cada batería solo tiene suficiente energía química para bombear una cierta cantidad de culombios a través de sí misma. Cuando se conectan en serie, el número total de coulombs no suma, ya que los coulombs que salen de una terminal simplemente regresan a la terminal de la siguiente batería en la cadena. Eso significa que una cierta cantidad de coulombs pasa a través de toda la cadena. ¡No aumenta a medida que avanza! Si una batería pasa 1000 culombios a través de sí misma, bueno, todas las siguientes baterías de la cadena harán lo mismo. El voltaje se acumula, al igual que la energía. Pero las baterías en serie bombean la misma carga total a través de sí mismas que una sola batería.

¿Ayudará una analogía con el agua? En plomería, una "batería" es una bomba de agua de presión constante que funciona con un motor mecánico de cuerda, con algo de energía almacenada en el resorte del motor. ¡La bomba de resorte se puede clasificar en horas de caudal! Cada bomba de agua solo puede bombear una cierta cantidad de galones antes de que su resorte se desenrolle por completo. Apilar muchas bombas no altera el total de galones que los motores de resorte bombearán a través de la cadena. (Apilar muchas bombas sumará las presiones, lo que suma la energía total producida por la cadena de bombas).

Tenga en cuenta que "amperio-hora" en realidad significa "culombios por segundo por horas", lo que significa lo mismo que "culombios por 3600". Un amperio-hora son solo 3600 culombios.

Segunda pregunta: ¿podemos cambiar el voltaje por AH, manteniendo constante el tamaño de la batería? Sí, hasta cierto punto. Pero el voltaje de la celda está determinado por el "voltaje de corrosión" donde el agua toca el conductor en las superficies de las placas. Puede modificar el metal y elegir tipos de batería entre aproximadamente 0,5 V y 4 V, pero eso es todo. El voltaje proviene de la reactividad del metal y de la "agresividad" de la acción solvente del electrolito. Cuando el agua disuelve el metal, el proceso de disolución se detiene por la acumulación de aproximadamente 4 V entre el agua y el metal, donde el metal tiene polaridad negativa y el agua es positiva. Deje caer un poco de metal en el agua y se disuelve furiosamente... pero el metal se carga inmediatamente hasta ~4v negativo y la corrosión se detiene. Una vez que aparece este voltaje, el agua ya no puede arrastrar iones positivos fuera del metal con carga negativa. El propio voltaje de la batería detiene la corrosión de las placas. Diferentes metales dan diferente voltaje, al igual que diferentes electrolitos (como H2O versus sal fundida, azufre fundido, etc.)

Entonces, puede tener unos pocos voltios por celda, hasta unas pocas celdas por voltio, pero nada más. El voltaje de la celda está limitado por la química, que está limitada por los pasos de voltaje entre los orbitales de electrones en las placas conductoras de la batería.

Por otro lado, puede hacer que el área de la placa sea cada vez más grande (de AAAA a D-cell, o mucho más grande) y eso aumenta la cantidad total de "combustible" y aumenta la calificación AH de cada celda. Dos o tres voltios por celda, pero use placas de batería infinitamente anchas para una clasificación de AH infinita. Enrolle las placas en un cilindro para una celda "DDDDDDDDD" con un número infinito de Ds.

Las clasificaciones de Ah se basan todas en un voltaje específico, aunque generalmente no se especifica. Si obtiene una celda o un paquete de batería, se supone que la calificación de Ah está en algún voltaje de salida nominal en los terminales, por ejemplo, 3,7 V para un LiPo. Pero el voltaje de una batería cae durante la descarga, por lo que es difícil comparar las clasificaciones de Ah. Para un paquete de baterías portátil (con regulación de voltaje de salida) es más sencillo. En mi opinión, Wh o la energía total serían mejores formas de especificar la capacidad de la batería.

Pero teniendo en cuenta que Ah siempre debe especificarse a un cierto voltaje, cuando dice que conectar baterías en serie produce la misma clasificación de Ah, esto solo es cierto si aumenta la clasificación de voltaje, por lo que esencialmente no son la misma clasificación de Ah. Por ejemplo, dos baterías de 3,7 1 Ah en paralelo proporcionan 2 Ah a (3,7 V), lo cual es fácil de seguir: el voltaje no ha cambiado. Pero en serie proporcionan 1 Ah a 7,4 V, O 2 Ah a 3,7 V (suponiendo que el voltaje se reduce al 100 % de eficiencia). Es importante recordar el voltaje. Una vez más, es mejor pensar en términos de energía. Dos baterías idénticas almacenarán el doble de energía, independientemente de cómo estén conectadas.

Una batería es algo que mantiene un extremo más positivo eléctricamente que el otro, y lo mantiene así hasta que se agota. Cuánto más positivo se mide en voltios y cuánto tiempo puede mantener esto se mide en amperios-hora.

Suponga que tiene dos baterías de 5V, 3Ah, en serie. El primero mantiene su terminal positivo 5V por encima de su negativo. Su terminal negativo está conectado al terminal positivo del segundo, que el segundo mantiene 5V por encima de su negativo. Por lo tanto, el terminal positivo de la primera batería está 10 V por encima del negativo de la segunda batería, y pueden mantener esto hasta que hayan pasado 3 Ah por ambas baterías.

En paralelo, ambos mantienen su terminal positivo compartido 5V por encima de su terminal negativo compartido. Pero dado que la corriente se divide a la mitad entre ellos, la batería combinada no se agota hasta que han pasado 6 Ah.

Las "baterías" con gran Ah y bajo voltaje o al revés son comunes. Un cable mantiene un extremo 0 V más alto que el otro y puede mantenerlo indefinidamente. Entonces, un cable es una "batería" con 0V y Ah infinitos.

La carrocería de un automóvil con carga estática en un día seco puede causarle una descarga, pero solo la primera vez que la toca. Esa es una "batería" con unos pocos miles de voltios, pero tan poco Ah que se agota después de una chispa.