¿Cuál es la diferencia entre una batería y un capacitor cargado?

Una batería genera un voltaje por una reacción química. Hay una clase de reacciones químicas llamadas reacciones redox que involucran el transporte de electrones, y puedes usar la reacción para conducir electrones a través de un circuito externo. Esta es la base de una batería. La batería continuará proporcionando energía hasta que se hayan agotado todos los reactivos y la reacción se detenga. Una batería genera una diferencia de potencial que está relacionada con el cambio de energía libre de la reacción que ocurre en la batería. Tenga en cuenta que no hay separación de carga en una batería hasta que la conecta a algo y fluye la corriente.

Un capacitor es completamente diferente. Tiene potencial solo porque la carga se ha almacenado en él, y cuando conecta el capacitor a un circuito externo, la corriente solo fluye hasta que toda la carga se ha drenado. A diferencia de una batería, el voltaje en un capacitor es variable y es proporcional a la cantidad de carga almacenada en él.

¿Por qué esta diferencia? ¿Cuál es la causa exacta de la diferencia en los tiempos de descarga?

La diferencia se debe a la diferencia en la cantidad de energía almacenada.

Considere, por ejemplo, una pila alcalina típica. En este gráfico , vemos que una nueva célula AAA alcalina de larga duración almacena alrededor de 5 kJ de energía.

Ahora, considere un capacitor electrolítico grande de, digamos, 1000$\mu F$. Cargado al mismo voltaje nominal de la celda, 1.5$V$, la energía almacenada es un poco más de 1 mJ. Eso es 6 órdenes de magnitud menos.

Dicho de otra manera, para almacenar la misma cantidad de energía en 1.5$V$ya que la pila AAA requeriría un condensador de unos 4400$F$(!!!). Esa es una capacitancia enorme .

Entre las placas de una batería hay un mecanismo (generalmente una reacción química de algún tipo) que mantiene una separación de carga entre las placas. No existe tal mecanismo entre las placas de un condensador, por lo que la separación de carga no se puede mantener a medida que la carga se drena de las placas.

Algunas observaciones complementarias:

Vistos como cajas negras, ambos son simplemente fuentes de voltaje. Una batería está diseñada para suministrar, en la medida de lo posible, un voltaje constante mientras que un condensador no tiene tales "capacidades de dosificación".

Desde un punto de vista aplicado, las baterías almacenan mucha carga, pero tardan en cargarse/descargarse. Los condensadores son exactamente lo contrario: bajo almacenamiento, uso rápido. Es por eso que la cámara flash Ina usa una batería para cargar un capacitor.

También hay mucha investigación en supercondensadores, que intentan ofrecer lo mejor de ambos mundos.

En la batería las cargas no están separadas. Es una reacción química de oxidación/reducción que produce los electrones: es decir, la corriente. En los condensadores, los electrones se almacenan previamente antes de su uso durante la carga del condensador.