¿Por qué los electrones fluyen a través de un cable conectado a una batería?

Las baterías usan un tipo de reacción llamada reacción redox que implica el transporte de electrones. En lugar de la batería de zinc y carbón, que es un poco complicada, considere el ejemplo más simple de una batería de cobre y zinc como se enseña en las lecciones de ciencias escolares en todo el mundo. la reacción es:

Entonces, la reacción disuelve el electrodo de zinc y produce metal de cobre en el electrodo de cobre. La reacción es así porque la energía libre total del sistema Zn/Cu se reduce al hacerlo.

Si miramos más de cerca, la reacción implica tres pasos:

1. $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e$

2. transporte de electrones al cobre

3. $Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu$

Entonces, a medida que avanza la reacción, los electrones fluyen desde el zinc a través de la batería hasta el cobre. En efecto, la reacción actúa como una bomba de electrones que bombea electrones desde el extremo de zinc al extremo de cobre. Entonces, si conecta un cable externo del cobre al zinc, los electrones fluyen fuera del cobre, a través del cable y de regreso al zinc, luego completa el ciclo fluyendo del zinc al cobre dentro de la batería. Los electrones fluyen en esa dirección porque la reacción química los obliga a hacerlo.

La batería tradicional de zinc-carbono usa una reacción entre zinc y manganeso; el carbón es en realidad solo un electrodo y no participa en la reacción. Si bien la reacción es más complicada, el principio básico es el mismo. El zinc reacciona para formar$Zn^{2+}$y electrones y el manganeso absorbe los electrones. Entonces, al igual que la batería de zinc-cobre, el flujo de electrones es impulsado por la reacción química.

A través de una serie de reacciones químicas, una batería genera un exceso de electrones en la placa de zinc (negativa) y un déficit de electrones (cargas positivas) en la placa de carbono (positiva) porque es energéticamente favorable hacerlo.
Puede pensar en la reacción como un átomo de zinc que produce un ion de zinc y dos electrones con la liberación de energía.

Suponga que la batería no está conectada a un circuito externo.

En efecto, la reacción química obliga a los electrones a moverse del carbono positivo al zinc negativo.
La acumulación de carga en el carbono y el zinc continuará hasta que el campo eléctrico debido a las cargas en el zinc y el carbono sea tal que la reacción química no pueda mover más electrones del carbono positivo al zinc negativo.
Esto ocurre cuando la diferencia de potencial entre los terminales de la batería es de aproximadamente 1,5 voltios.
La batería es como una bomba que toma electrones del electrodo de carbón y los deposita en el electrodo de zinc, pero como una bomba de agua que solo puede bombear agua a una altura finita, lo mismo ocurre con la bomba de electrones que solo puede mover electrones a través de una distancia finita. diferencia de potencial. Alrededor de 1,5 voltios en el caso de una batería de carbono-zinc.

Ahora, cuando se agrega una ruta de conducción externa entre el electrodo de carbón y el electrodo de zinc, los electrones fluirán desde la placa de zinc a través de la ruta de conducción externa hasta el electrodo de carbón.
Mientras esto ocurre, la reacción química (bomba de electrones) mueve los electrones dentro de la batería desde el electrodo de carbono positivo al electrodo de zinc negativo para mantener una diferencia de potencial de 1,5 V entre los electrodos.

Entonces, la respuesta a su pregunta es que no es energéticamente favorable mover electrones de la placa de zinc a la placa de carbono.
El circuito eléctrico tiene electrones que fluyen continuamente a su alrededor. La energía eléctrica proviene de la energía química de la batería y si el circuito externo es una resistencia, se produce calor a partir de la energía eléctrica.

En realidad, el flujo de electrones no es lo que hace que la luz brille. Los electrones son sólo portadores de energía. Lo dejaré claro. Considere una bombilla conectada a una batería. El alambre es un metal conductor lo que significa que está en estado sólido. Entonces, los espacios interatómicos son muy menores. Entonces los electrones no pueden moverse tan libremente. Surge un no. de colisiones con los átomos en la red. Estas colisiones hacen que los electrones pierdan su energía (ya que la colisión es inelástica) y, por lo tanto, la energía cinética del electrón aparece como calor de red.
Entonces, la velocidad de los electrones se promedia. Teóricamente, cuando una carga como un electrón se coloca en un campo eléctrico, debería acelerarse. Pero la velocidad del electrón se promedia dentro del cable. Entonces, si enciende la corriente, el electrón de la batería tarda lo suficiente en llegar a la bombilla. Pero eso no es lo que sucede en la vida real. La bombilla brilla instantáneamente cuando se enciende. Entonces, eso significa que no es el flujo de electrones lo que hace que la bombilla brille. La explicación es así. Considere un electrón cerca de la batería. Absorbe energía eléctrica de él y por lo tanto se mueve. Cuando llega a las proximidades del electrón vecino, surge una repulsión eléctrica entre ambos. Así que uno esperaría que ambos se separaran. Pero el primer electrón no puede retroceder ya que hay energía continua desde esa dirección. Entonces la configuración tiene algo de energía potencial. Así, el electrón vecino comienza a moverse. esto sucede a través de todo el cable. Aunque los electrones pueden moverse solo a una velocidad promedio, debido a la repulsión, el efecto de la energía eléctrica se transfiere instantáneamente a través del cable.
Ahora en la bombilla, la bombilla tiene algo de resistencia. Entonces, el electrón pierde energía allí, que es captada por la bombilla y la convierte en energía luminosa y térmica.
No hay conducción posible a través de la disposición interna de una batería porque los dos electrodos están separados entre sí.