¿Por qué no aumenta el voltaje cuando las baterías están conectadas en paralelo?

tl;dr Las baterías no crean campos eléctricos para mover las cargas. Mueven cargas, lo que crea campos eléctricos.

una batería [...] emite un campo eléctrico que se mueve a través del circuito y ejerce una fuerza sobre los electrones en el conductor para producir corriente.

Esta descripción es, si no completamente incorrecta, al menos engañosa. Una batería no es una fuente de campo eléctrico , es una fuente de potencial eléctrico . Imagine una batería con terminales en forma de un par de placas conductoras paralelas con un espacio de aire en el medio (esto es un capacitor): a medida que mueve las placas una hacia la otra, la intensidad del campo (entre las placas) aumenta y a medida que sepárelos, la intensidad del campo disminuye. No hay un límite superior de cuán fuerte puede ser el campo (bueno, hasta que alcanza el voltaje de ruptura y comienza a formar un arco), y tampoco hay un límite inferior: la fuerza del campo no está determinada por la batería. Entonces, la batería en sí misma no crea directamente un campo eléctrico entre sus terminales.

Además, el campo eléctrico no "se mueve a través" de un circuito; los cargos sí. En una configuración de CC simple, como una batería que conduce corriente a través de una resistencia, todos los campos eléctricos son estables a lo largo del tiempo: las cargas se mueven a través del circuito, pero el campo en sí no lo hace. Decir que el campo eléctrico se mueve a través de un circuito es un poco como decir que la gravedad se mueve a través de una montaña rusa. Los campos eléctricos en movimiento entran en juego con los circuitos de CA y los dispositivos con partes móviles, como los motores eléctricos; pero incluso un campo eléctrico inmóvil hace que las cargas se muevan a través de un conductor (después de todo, esta es esencialmente la definición de "conductor").

Entonces, ¿cómo funciona la corriente? Las baterías son una fuente de potencial eléctrico , que se mide en voltios. El potencial es un tipo de presión y en una batería típica esta presión es causada por reacciones químicas dentro de la batería que bombean electrones desde una terminal (+) a la opuesta (-). La diferencia de potencial entre los terminales crea un campo eléctrico. En el experimento anterior donde los terminales de la batería son placas planas paralelas separadas por una distancia$d$, podría calcular la intensidad de campo entre ellos simplemente$E = {V \over d}$. Pero el campo es solo una forma de observar la diferencia de potencial entre los terminales: no es la razón por la que las cargas se mueven en primer lugar (que es, nuevamente, las reacciones químicas que ocurren dentro de la batería).

La presión es relativa y el potencial eléctrico no es diferente. Para ser estrictamente exactos, lo que proporciona una batería es una diferencia de potencial eléctrico ("voltaje") entre sus dos terminales. Esta es básicamente una medida de qué tan fuerte es la bomba de electrones que tiene la batería en su interior. Esta es la razón por la que conectar dos baterías idénticas en paralelo no suma sus voltajes: debido a que ambas proporcionan la misma diferencia de potencial entre los terminales (+) y (-), esencialmente no hay diferencia entre dos baterías conectadas en paralelo y dos baterías aisladas y desconectadas. pilas El potencial eléctrico entre los terminales (+) y (-) es el mismo, y ambas baterías "están de acuerdo", por lo que no hay motivo para que fluya corriente entre ellas. (Conectando dos no coincidenteslas baterías en paralelo harán que la corriente fluya, en una dirección determinada por qué batería tiene mayor voltaje).

Qué hace conectar dos baterías en paralelohacer es cambiar el comportamiento del sistema cuando está bajo carga. Si conecta una carga, digamos una resistencia de 1 kΩ, a través de los terminales de una sola batería de 1,5 voltios, la corriente a través de la resistencia será de 1,5 mA, todo lo cual es suministrado por la misma batería. Si conecta la misma carga a los terminales de dos baterías de 1,5 voltios conectadas en paralelo, la corriente a través de la resistencia seguirá siendo de 1,5 mA, pero ahora cada batería solo tiene que suministrar 0,75 mA de corriente. Esto significa que cada batería individual tiene menos carga que antes, porque las bombas electroquímicas en su interior solo tienen que mover la mitad de electrones para mantener el mismo voltaje. Estas baterías pueden durar más y comportarse mejor bajo una variedad de condiciones de carga. (Esto supone condiciones ideales y baterías perfectamente combinadas. En escenarios del mundo real, las baterías nunca se combinan perfectamente,

Piense en una batería como una escalera mecánica (la energía gravitacional potencial y la energía/voltaje eléctrico potencial son análogas aquí).

Si tiene dos escaleras mecánicas una al lado de la otra, tomar cualquiera de ellas lo llevará a la misma altura. Si tienes dos escaleras mecánicas seguidas, tendrás que tomarlas por las dos y por lo tanto llegar al doble de altura. La ventaja de las escaleras mecánicas una al lado de la otra es que es menos exigente para sus motores.

Una batería eleva el voltaje en un cable en una cantidad determinada. Dos baterías en serie elevarán el voltaje el doble, dos baterías en paralelo harán que las baterías duren el doble.

Editar : OP ha pedido una explicación sin analogía. Una batería elevará el voltaje de una corriente en una cantidad determinada. Es por eso que tenemos cosas llamadas "baterías de 12 voltios" y no "baterías de 12 newtons/colomb". Si una corriente es de 0 V cuando se divide en paralelo y pasa a dos baterías separadas, entonces los electrones en cada circuito subirán 12 V y luego se volverán a unir exactamente a 12 V. Si tiene las baterías en serie, los electrones pasará de 0 a 12 después de la primera batería, luego de 12 V a 24 V a través de la segunda batería.

Usted menciona que el flujo de campo E es un punto conflictivo para usted, pero el flujo de campo E no define el potencial. Y, por cierto, el flujo de campo E a través de cada cable separado en paralelo será idéntico. El flujo de campo E a través del cable en serie será el doble de lo que sería un cable en paralelo.

Como pareces estar ansioso por una respuesta sin analogías, intentaré intentarlo. Creo que esta pregunta es en realidad un poco más profunda de lo que le dan crédito algunas de las respuestas, y hasta ahora creo que trentcl responde mejor a su pregunta: la causa raíz de su confusión es que está asumiendo que las baterías actúan como fuentes de energía fija. campos, en lugar de potenciales fijos. Pero voy a tratar de entrar en un poco más de detalle en cuanto a por qué es eso.

Ahora, su pregunta parece ser más o menos la siguiente: digamos que tengo una batería, con algunos cables conectados a ella, como en el diagrama a continuación. En general, se generará un campo eléctrico irregular entre los dos conductores cuya estructura está dictada por las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, dado que todo acerca de este problema es estático, sabemos que si integramos el campo eléctrico en cualquier camino entre los conductores, obtendremos el mismo voltaje, y es este voltaje el que puede funcionar si colocamos algún dispositivo de elementos agrupados como una resistencia entre los conductores.

Ahora, a la carne de su pregunta. Como todos aprendemos, las ecuaciones de Maxwell son lineales: podemos tomar cualquier solución y sumar los campos y tendremos otra solución. Entonces, si tomamos otra batería y conectamos los cables a la primera, deberíamos generar aproximadamente el doble de campos entre los cables y, por lo tanto, el doble de voltaje, ¿verdad? Equivocado.

El problema es que estás ignorando la mecánica de la batería. Las baterías funcionan a través de reacciones químicas que preferentemente mueven la carga en una dirección determinada, y solo empujan estas cargas con tanta fuerza. Cuando comienza a conectar baterías en paralelo, los campos generados por una batería empujan hacia atrás las cargas de la otra hasta que termina con un sistema equilibrado donde el potencial entre los cables es el mismo que para una sola batería.

De hecho, el funcionamiento de una batería se ve afectado por la presencia de campos eléctricos y resulta que no puedes superponer los campos de dos baterías cuando las conectas en paralelo. Las ecuaciones de Maxwell son lineales, pero cuando las acoplas a la materia en un sistema de partículas múltiples (como el de una batería) no lo son; un ejemplo simple es que un solo electrón viajará en línea recta, mientras que si tienes dos de ellos inicialmente uno al lado del otro se curvarán uno hacia el otro.

Ahora, en realidad, nadie toma este enfoque de "fuerza similar" de observar la dinámica de las baterías; es demasiado complicado y resulta inútil de todos modos. Un enfoque mucho mejor es un enfoque "similar a la energía". Cada reacción química individual dentro de la batería solo produce cierta cantidad de energía, y puede llegar bastante lejos simplemente controlando esto. Dado que el voltaje es básicamente una medida de energía potencial, cuando hace esto es bastante fácil argumentar que las baterías (salvo en condiciones extremas) deberían actuar como fuentes de voltaje constante, en lugar de fuentes de campo eléctrico constante. Pero ayuda jugar primero con el fango de un enfoque basado en la fuerza para obtener una explicación más intuitiva de lo que está pasando.

Si una batería se define como un dispositivo que mantiene un voltaje constante en sus extremos, automáticamente se resuelve el problema. Cuando se conecta en serie, cada batería mantiene ese voltaje constante en sus extremos y, por lo tanto, se suman. Pero si se conectan en paralelo, siguen siendo los mismos por definición.

Pero esta no es una respuesta a menos que explique por qué el voltaje en los extremos de una batería sigue siendo el mismo.

Y para eso necesitamos mirar dentro de una batería.

Dentro de una batería hay dos cámaras: una a la que le encanta perder electrones y otra a la que le encanta ganar electrones. Y el afán por perder o ganar electrones depende de la concentración de reactivos dentro de cada cámara. Una declaración más precisa: la energía ganada al mover una carga de una cámara a la otra ($~$voltaje) depende de la concentración .

Las Cámaras son como se muestra en la figura 1. Cuando hacemos un circuito, estamos conectando estas Cámaras entre sí. Los electrones fluyen a través del circuito externo bajo la diferencia de potencial.

cuando se conecta en paralelo, como puede ver en la figura, nada ha cambiado. Dos cámaras conectadas en paralelo equivalen a que cada cámara se haga más grande. Ahora tenemos más químicos en la célula, pero la concentración es la misma. Entonces, el voltaje, que podemos definir como la energía ganada al mover una carga de una cámara a la otra, permanece igual.

cuando se conecta en serie,
espero que ya esté claro ... la concentración sigue siendo la misma. cada batería mantiene su voltaje a través de ella. Entonces, el voltaje total es la suma de los voltajes individuales.

Piensa en esto en la analogía del agua. Los cables están representados por canales, la altura del nivel del agua es el voltaje y el caudal es la corriente. Una batería, por definición, eleva el voltaje en uno de sus terminales en una cantidad determinada en comparación con su otro terminal. Entonces, en la analogía del agua, es como una bomba que mantiene el nivel del agua en un extremo 2 metros más alto que en el otro extremo. Aquí 2 metros es solo un número arbitrario.

Si conecta dos baterías en paralelo en algún punto, debe crear una unión donde se unen 3 cables. Cualquier par de puntos en un circuito que están conectados por un cable sin una resistencia en el medio tienen el mismo voltaje. Entonces, cada uno de los 3 cables conectados a la unión tiene el mismo voltaje. En la imagen de abajo, cada parte del cable que toca el punto$A$está al mismo voltaje y de manera similar cualquier cable conectado directamente al punto$B$está al mismo voltaje. La diferencia de voltaje entre$A$y$B$se puede ver como el voltaje de salida de las dos baterías combinadas, por eso el voltaje no aumenta cuando combina baterías en paralelo.

Para ver por qué cada parte del cable tiene el mismo voltaje, podemos observar la analogía del agua. Conectar dos cables es como unir dos canales. Si el nivel del agua en uno de los canales era más alto que en el otro antes de unirse, tan pronto como se unan, el agua comenzará a correr hacia la parte con el nivel de agua más bajo. Después de que todo se haya asentado, te queda un gran canal con un nivel de agua que es el mismo en todas partes. Puede tener una diferencia de voltaje sobre componentes como resistencias o baterías. Las resistencias son comparables a las presas que dejan pasar una pequeña cantidad de agua y que pueden tener diferentes niveles de agua a cada lado.

Recuerde que este 'asentamiento' que mencioné ocurre extremadamente rápido en los circuitos eléctricos. En los circuitos de agua, podría ver que el agua se asienta, pero en el circuito eléctrico esto sucede casi instantáneamente.

Entonces, finalmente, podría preguntarse por qué el voltaje es tan similar a la altura del agua. El voltaje es la energía (por carga) en un circuito. Entonces, si cualquier parte de un cable tiene un voltaje más alto que su entorno, generará un campo eléctrico. Este campo eléctrico siempre actuará de tal manera que reordenará las cargas en el alambre hasta que el voltaje sea completamente uniforme. De manera similar a cómo un nivel de agua más alto significa más energía potencial para el agua.

Bien, aquí hay muchas respuestas, pero todas son largas, realmente no me gusta ninguna de ellas, y la respuesta es simple, así que aquí hay otra...

Por sí sola en el espacio, una batería empujará electrones desde su terminal positivo a su terminal negativo. Esto creará un campo tal que mover un electrón a lo largo de cualquier camino desde su terminal positivo a su terminal negativo requerirá 1,5 eV de energía (aproximadamente, suponiendo una batería de 1,5 V).

Si coloca dos de estas baterías una al lado de la otra, sus campos interactúan y algunos de los electrones en sus terminales negativos serán forzados a regresar al interior y algunos regresarán a sus terminales positivos. Los electrones se redistribuyen y cambian sus campos para garantizar que aún se necesiten 1,5 eV de energía para mover un electrón desde el terminal positivo de una batería hasta su terminal negativo.

Si realmente conecta estas baterías en paralelo, los electrones se redistribuyen nuevamente, y ahora se necesitan 1,5 eV de energía para mover un electrón desde cualquier parte del cable positivo común a cualquier parte del cable negativo común.

Cada electrón se extrae individualmente (¿aleatoriamente?) de la terminal de menor potencial (terminal negativa del ánodo) de una de las dos baterías y se abre paso a través del dispositivo de carga para finalmente regresar a la terminal de mayor potencial (terminal positiva del cátodo) de la misma batería. (Los signos positivo y negativo de los terminales se refieren a sus voltajes relativos, NO a su carga).

El electrón tiene que volver a la misma batería para mantener la neutralidad de la carga y la continuidad de la corriente en todo el circuito y la batería. Cada bucle se produce independientemente de la otra batería, ya que las dos baterías están en paralelo. Recuerde también que la definición de una batería es un conjunto de materiales que mantiene una diferencia de voltaje constante entre las dos terminales.

La diferencia de voltaje entre los terminales de cualquier batería surge de un tira y afloja termodinámico de electrones entre los productos químicos de los dos electrodos. El cátodo gana el tira y afloja extrayendo electrones del ánodo, a través de cables en el dispositivo de carga. La diferencia de voltaje entre los terminales es el trabajo para mover un electrón de bajo voltaje a alto voltaje (o una carga positiva convencional de alto voltaje a bajo voltaje). Para mantener la neutralidad de la carga, existe una forma de puente salino a contracorriente dentro de la batería.

También podría considerar 2 baterías de 1.5 V de diferentes tamaños, como AAA vs D con la misma química. En cierto sentido, la celda D funciona como un conjunto de baterías AAA en paralelo. La batería de celda D almacena más energía total (mA·hr) que la AAA porque contiene una mayor masa de productos químicos en el ánodo y el cátodo y, por lo tanto, durará más que la AAA cuando se extrae la misma corriente de ambas. Pero son del mismo voltaje.

(Si las baterías estuvieran conectadas en serie, sería diferente porque ahora cada electrón está pasando a través de ambas baterías, por lo que los voltajes se suman. Esto es lo que sucede dentro de una batería de 9V, que en realidad contiene 6 baterías AAAA de 1,5 V en serie) .)

Voy a tratar de explicar en 1000 palabras.

Sea B = Batería

B+B = 2B,

pero no sucede así con los potenciales eléctricos. Hay algo mas. Suponga 2 baterías como cañones de riel, con energía total disponible 2E y el electrón como una bala. El cañón de riel dispara electrones con velocidad V.

Pero si los cañones de riel están conectados en serie, la velocidad del electrón no será de 2V, sino de √2V, ya que la energía se duplica. Y en serie se pueden disparar N electrones, ya que se gastan 2 unidades de energía para aumentar la velocidad del electrón.

En el caso de cañones de riel conectados en paralelo, se pueden disparar 2N electrones con velocidad V, por lo tanto, la cantidad de electrones se duplica en comparación con una serie, ya que solo se gasta 1 unidad de energía en un electrón cuando el electrón sale del cañón.

Esta tasa de flujo constante de electrones se debe a la naturaleza de corriente constante de las baterías electroquímicas, ya que X equivalente molar de cátodo y ánodo debe redox para producir electricidad, y la tasa de reacción permanece bastante constante.

Términos clave: el cañón de riel no es más que una bobina, un acelerador de partículas similar a una bobina electromagnética larga. La batería es su batería AA normal (por ejemplo, dur@cell). ¡No asumiremos fuentes de alimentación ya que su naturaleza es diferente, y no conectamos fuentes de alimentación en serie!

Las baterías son fuentes de voltaje que utilizan reacciones químicas para proporcionar una fuerza electromotriz , es decir, una fuerza aplicada a las cargas eléctricas (por ejemplo, electrones) que da como resultado el aumento de la energía potencial eléctrica de esas cargas. Esto es lo que da como resultado una diferencia de potencial eléctrico en la batería, es decir, los electrones en el terminal positivo tienen menos energía potencial eléctrica que los electrones en el terminal negativo. La diferencia de energía potencial (medida en julios) por unidad de carga eléctrica (medida en culombios) se denomina diferencia de potencial eléctrico . Se mide en voltios (equivalente a julios por coulomb), de ahí el término equivalente voltaje .

Fundamentalmente, cuando las baterías se colocan en serie, los electrones necesariamente se moverán a través de una batería, adquiriendo algo de energía potencial eléctrica, y luego a través de la segunda batería, adquiriendo más energía potencial eléctrica. Sin embargo, cuando las baterías se colocan en paralelo, los electrones solo se moverán a través de una de las dos baterías, no en ambas, y por lo tanto, la cantidad total de energía potencial eléctrica adquirida por cada electrón es menor. Específicamente, en el caso de que las dos baterías tengan el mismo voltaje, tener las baterías en serie dará como resultado que cada uno de los electrones adquiera el doble de energía potencial eléctrica que si las baterías estuvieran en paralelo o si solo una de las baterías estuviera presente.

Ya hay tanta buena teoría aquí que solo agregaré una analogía simple, que en realidad es decente, porque todavía estamos hablando de potencial, que es solo una función de la posición, no del camino. Como el voltaje es una función de dos puntos independientemente de la ruta (supongamos que aquí no hay campos magnéticos cambiantes para simplificar), tener otra ruta disponible no cambia nada.

Si estás en la cima de una colina, ¿esperas que las cosas rueden más rápido y ganen más energía solo porque hay otra pendiente alternativa (que no estás usando) en alguna otra dirección, que sin embargo termina en la misma altitud?

Internamente, una celda de batería crea un potencial de voltaje fijo entre los lados positivo y negativo. Entonces, una celda de 5 V tendría una diferencia de cinco voltios entre el extremo positivo y el negativo de la celda.

Cuando coloca dos baterías en serie, generalmente llamamos 0 al extremo negativo de la primera celda por convención. El extremo positivo de la primera batería tiene entonces +5 V. Dado que el extremo positivo está unido al extremo negativo de la segunda, también tendrá +5 V. Dado que el extremo positivo de la segunda está 5 V por encima del extremo negativo (ahora a +5 V), ahora está a +10 V.

Comparar con dos baterías en paralelo. Los extremos negativos de las baterías están conectados, por lo que ambos están en 0 (nuevamente, por convención). Para la primera batería, obtenemos 5 V por encima del extremo negativo (0 V) para un total de +5 V en el extremo positivo. Para la segunda batería, también obtenemos 5 V por encima del extremo negativo (0 V) para un total de +5 V en el extremo positivo.

Puede notar que parece una contradicción si las baterías tienen voltajes diferentes, por ejemplo, 5 V y 8 V. Los extremos negativos se tocan, por lo que son iguales a 0 V, pero los extremos positivos se tocan y son diferentes a 5 V y 8 V. V. En realidad, habrá cierta resistencia interna, por lo que habrá un potencial creciente a medida que se mueva a lo largo de los cables que conectan las baterías (por cierto, esto carga la batería de 5 V). Sin embargo, en general, esta resistencia es lo suficientemente pequeña como para ignorarla.

Mira dos cargas opuestas a una distancia fija entre sí. El campo eléctrico a su alrededor se expresa en voltios por metro ($\frac{V}{m}$). O Newton por unidad de carga ($\frac{N}{C}$), donde una carga unitaria se refiere a una carga de prueba que se coloca en el campo.

Entonces digamos que estas cargas constituyen una batería (aunque siendo rigurosos, el campo total de una batería no es lo mismo que un dipolo, pero el campo exterior sí lo es):

Los polos de la batería contienen muchas cargas, por lo que el campo eléctrico será mucho mayor que el de dos cargas individuales (como se muestra en la imagen anterior). Si hay el doble de cargas en los polos de la batería, el campo será el doble de grande, al igual que el voltaje (porque el campo se define como voltios por metro y newton por unidad de carga). Si las dos baterías se colocan en paralelo en el circuito, el campo eléctrico que rodea a las baterías se sumará. Pero el campo en los polos seguirá siendo el mismo (excepto si los polos coinciden, en cuyo caso tiene una batería nueva de mayor voltaje). El voltaje de una batería es el voltaje entre los polos. Este voltaje se envía a los cables. Entonces, mientras que el campo circundante puede aumentar, el campo dentro de los cables es el de los polos. Cuando coloca un cable suelto alrededor de las baterías, Inicialmente, el campo superpuesto de ambas baterías estará presente (que es más alto que el campo en los polos), después de lo cual las cargas dentro del cable generan un contracampo que cancela el campo de las baterías). Si los polos coinciden (que no es el caso cuando las baterías se colocan en paralelo) tienes una batería nueva de mayor voltaje. Esto se logra colocando dos baterías en serie en cuyo caso se duplicarán las cargas en los polos que conectes al circuito.

En resumen: mientras aumenta el campo que rodea las baterías paralelas, es el campo en los polosEso importa. Este campo se envía al circuito y no al campo a una distancia de los polos (que de hecho es la suma de los campos de ambas baterías). El campo dentro de los alambres es el de un polo individual, no el de ambos sumados. Este campo durará más porque las baterías paralelas contienen más electrones que una sola batería. Es decir, las baterías en paralelo tienen más capacidad y el mismo voltaje. Ahora podría pensar que si ambos polos envían el mismo campo al circuito, ¿por qué el campo en el circuito no será el doble que en los polos? Sin embargo, este solo sería el caso si los polos positivos de las baterías paralelas coincidieran, así como los polos negativos (y las cargas en los polos permanecerían iguales), lo que significa que tendría una batería nueva de mayor voltaje.
Asimismo, si coloca dos baterías en serie, el campo en los polos que están conectados al circuito es la suma de los campos de las dos baterías individuales. Ese campo se envía al circuito. Hay el doble de cargas en los polos conectados al circuito. Es decir, el voltaje de las baterías en serie es la suma de las baterías individuales.