He estado tratando de visualizar lo que sucede dentro de las baterías cuando las conecta, digamos dos baterías de 1 y 5 V, y por qué el voltaje se agrega a 3 V.
Varias buenas explicaciones han tratado de explicarlo de diferentes maneras, baterías como bombas, etc. Pero nunca he tenido una buena idea de lo que hacen los electrones que crean el efecto de voltaje aditivo (¿te gusta mi jerga?). Hasta ahora. Presentamos: la teoría súper explicativa del comportamiento de los electrones en baterías conectadas en serie. Bueno, tal vez no, pero me gustaría recibir algunos comentarios para ver si estoy en el camino correcto para comprender este fenómeno místico. Aquí va:
Permite que esta batería, por ejemplo:
Ánodo:
cátodo:
Cuando la batería está desconectada, tendrá lugar parte de la reacción redox anterior, creando electrones libres en el ánodo y eliminando electrones del cátodo, hasta que la energía necesaria para desalojar electrones del cátodo sea demasiado grande y la reacción se detenga. Esto crea el voltaje (potencial eléctrico) para la batería. Más electrones en el ánodo, más quieren ir al cátodo, lo que significa un voltaje más alto.
Cuando completa un circuito, cada electrón que se mueve del ánodo al cátodo facilita una nueva reacción química que reemplaza al electrón en el ánodo, manteniendo la reacción con un voltaje uniforme hasta que se agotan los materiales.
Si conecta dos baterías en serie sin completar el circuito, los electrones en el ánodo de la batería 1 se precipitan hacia el cátodo de la batería 2, que a su vez impulsa la reacción química en la batería 2. Por lo tanto, tiene el doble de electrones que el ánodo de la batería. 2 y la cantidad original de electrones en el cátodo de la batería 1. Oye, listo, doble voltaje.
¿Estoy en lo cierto en mi impresión de lo que está pasando?
El voltaje es análogo a establecer el potencial químico del electrón en el material. La analogía no se trata de electrones "corriendo" para crear voltaje. La analogía se trata de combinar potenciales electroquímicos por los que los electrones tienen que subir o pueden caer.
Imagina que tienes dos baterías de exactamente el mismo voltaje en serie usando la secuencia (+ -)(+ -). Para pasar a través de esta conexión, los electrones deben atravesar dos pozos de potencial electroquímico (o dos colinas de potencial). Estos pozos o colinas existen independientemente de si los electrones se mueven a través de ellos o no.
La diferencia de energía potencial electroquímica es la diferencia entre los potenciales químicos absolutos de los productos y los reactivos. Es sentido por los electrones; no es "impartido al sistema".
Considere que el trabajo necesario para una carga pasar por una diferencia de voltaje es (eV/electrón o J/electrón). Un electrón que atraviesa una batería requiere (o emite la energía equivalente a) trabajo . Pasar por una segunda batería desprende o requiere esa misma energía.
¿Estoy en lo cierto en mi impresión de lo que está pasando?
No está demasiado lejos, pero está demasiado enfocado en la cantidad de electrones y no lo suficientemente enfocado en el electrolito. Una batería tiene dos electrodos y cada electrodo tiene un metal y un electrolito. No puedes entender las baterías sin ambas.
Los electrones no pueden moverse en el electrolito y los iones no pueden moverse en el metal. Pero en la superficie del electrodo ocurre la reacción redox que crea o consume portadores de carga en cada lado. Esto cambia los portadores de carga de electrones a iones y viceversa, de modo que la corriente puede atravesar la interfaz aunque los portadores de carga individuales no puedan hacerlo.
Como cualquier reacción química, a medida que avanza consume reactivos y produce productos. Con la mayoría de las reacciones químicas, a medida que aumenta la concentración de productos, la reacción se ralentiza y eventualmente se detiene, y esto podría dar la impresión de que una cierta cantidad de electrones que quedan en la interfaz detendrían la reacción.
Sin embargo, en los rangos de concentraciones que se dan en las baterías normales, ese no es el caso. No es la concentración de electrones en el electrodo lo que importa, sino la diferencia de potencial eléctrico a través de la interfaz. La reacción puede continuar incluso con una gran cantidad de electrones en el electrodo si también hay un exceso de iones negativos en el electrolito. Por el contrario, la reacción puede cesar incluso con pocos electrones en el electrodo si también hay pocos iones negativos en el electrolito.
Entonces, la función del electrodo es producir un potencial eléctrico a través de la interfaz. La reacción química es energéticamente favorable, por lo que puede impulsar la reacción contra un potencial eléctrico (es decir, en la dirección opuesta a la que esperaría de la ley de Ohm). Esto solo procede hasta cierto punto, donde la diferencia de potencial eléctrico opuesto coincide con el potencial químico impulsor.
Es esta diferencia de potencial la que determina si la reacción procede o no. No importa si la diferencia de potencial se debe a unos pocos electrones en un lado y unos pocos cationes en el otro o si se debe a muchos electrones en un lado y algunos aniones en el otro.
Por lo tanto, puede conectar a tierra cualquier punto del circuito y agregar más baterías no cambiará la cantidad de electrones en ese punto. Pero en otros lugares tendrá interfaces de metal/electrolito que aumentan el potencial eléctrico debido a las reacciones químicas adicionales, independientemente de la cantidad de electrones presentes.
Poutnik