¿Flujo de corriente en las baterías?

La confusión aquí proviene de la mala 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 quieren reaccionar fuertemente entre sí; se mantienen separados por el electrolito.

El electrolito actúa como un filtro que bloquea el flujo de electrones, pero permite el paso de iones (átomos con carga positiva 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 la batería se descarga, los iones se mueven de un electrodo al 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 impulsar los electrones. En cada batería, la fuerza electrostática equilibra la fuerza química y la batería permanece en estado estable.

(Pasé por alto lo que significa que dos materiales "quieran" reaccionar entre sí. Busque en Google "Energía libre de Gibbs" para obtener más detalles al respecto. También puede buscar en Google "Ecuación de Nernst").

Olvídese de las baterías por un segundo, esa es solo una de las mil analogías que podría usar para describir 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 pensarlo es esta: la corriente solo fluirá en un bucle, incluso en circuitos muy complejos, siempre puede dividirla en bucles de corriente, si no hay un camino para que la corriente regrese a su fuente, habrá no hay flujo de corriente.

En su ejemplo de batería, no hay una ruta de corriente de retorno, por lo que no fluirá corriente. Obviamente, hay una razón física más profunda por la que esto funciona, pero como la pregunta pedía una respuesta simple, omitiré las matemáticas, buscaré en Google las ecuaciones de 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 de corriente con tierras completamente aisladas. Este ejemplo sería igualmente válido para cualquier otra fuente de energía con una "tierra" completamente aislada.

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 se debe a que el efecto sea diferente, la diferencia es que los suministros de banco probablemente estén conectados a tierra. al cableado eléctrico del edificio y, como tal, hay un camino de retorno para que fluya la corriente.

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

Tienes una bomba de agua (batería A) conectada a una tubería (el cable), y tienes 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.

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

La respuesta es nada, no hay adónde mover el agua, las bombas ni siquiera giran. (Ignore los efectos similares a la turbulencia del agua para esta analogía).

Ahora, si conectara la tubería en un bucle y presionara el interruptor, las bombas girarían (voltaje) y el agua fluiría (corriente).

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

Si conectara ambas bombas apuntando en la misma dirección, obtendría más presión de agua (voltaje) porque las bombas se ayudan mutuamente (2 baterías en serie).

Digamos que tienes pilas AA, de 1,5 V cada una. Además, etiquetémoslas batería A y 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 conecta B- a A+, ambos tienen el mismo potencial (después de todo, están conectados con un cable). B+ es 1,5 V superior a este potencial y A- es 1,5 V inferior.

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 por parte del lego 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 impulsar la bomba; no se envía por cable. Con esta analogía, es claramente obvio por qué los extremos positivo y negativo de una batería deben estar conectados en un circuito. Si, por ejemplo, conecta solo el electrodo negativo a tierra, no hay corriente porque no entra electricidad en el electrodo positivo que se pueda bombear.

Técnicamente, la corriente puede fluir o no cuando un cable está conectado de esa manera. Todo depende de si existe o no una diferencia de potencial en las cargas 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, lo más probable es que la corriente no lo haga (dependiendo de la edad/uso de la batería). La razón es que 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 determinada . Hay un exceso de electrones/agujeros en los extremos de una batería determinada 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 es siempre igual a la corriente que sale de la unión. Por lo tanto, la corriente siempre debe fluir en un bucle.

Primero. Una corriente muy pequeña FLUYE durante un tiempo muy corto... pero solo necesita pasar una pequeña cantidad de carga eléctrica (estática) para acumular suficiente voltaje hacia atrás para anular el voltaje hacia adelante. Recuerde que cualquier electricidad estática notable, como frotar globos contra el cabello, generalmente implica voltajes GRANDES como (decenas de) miles de voltios, que son necesarios para generar una chispa. La típica celda simple de 1.5 voltios no puede generar una chispa (sin alguna ayuda especial). En realidad, si suspendiera cuidadosamente un par de celdas simples (baterías) en el espacio o las colgara de una cuerda, tendrían una pequeña interacción dipolar y se torcerían como un par de imanes y luego se atraerían entre sí. Desafortunadamente, esto resulta ser fuerzas muy pequeñas, aunque calculables y finitas. Tal vez este experimento se haya hecho con sensibilidad para mostrar esto. Más lejos, a El problema original es un poco como cargar un capacitor si lo piensas bien. Con los terminales no conectados siendo solo las placas del condensador. La pequeñez de los terminales y la separación es muy diferente numéricamente de un buen capacitor que tiene un área grande y una separación pequeña, lo 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 es siempre constante. Si bien esto es mayormente cierto, es una especie de mentira. Todos los conductores siguen teniendo 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 ha intentado cortocircuitar los dos terminales de una batería como esta, pero debido a que la resistencia del cable es tan baja, la ley de ohmios genera una corriente muy grande que calentará el cable y lo 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 en los otros componentes del circuito y solo habrá una caída de voltaje muy pequeña de un extremo al otro del cable. Entonces podemos simplificar nuestros problemas diciendo que el voltaje es constante en los cables.