电池中的电流?

电器工程 当前的 电池
2022-01-18 14:14:01

我正在阅读一本基本的电子书:“没有电子:地球人的电子学”,我偶然发现了一篇关于你需要一个闭合电路才能让电流流动这一事实的巧妙段落。这是我很好奇的段落:

“这一直困扰着我:如果电池的负极有过多的电子(负电荷),而电池的正极端的电子太少(正电荷)并且异性相吸,为什么我不能在它们之间挂一根电线?一个电池的负极和不同电池的正极并获得任何电流?事实是它不起作用。没有电流会流动。如果有人能够向我解释这一点,我可能永远不会写这本书。”

有人对这个问题有直接的答案吗?

4个回答

这里的困惑来自最初对电池工作原理的糟糕描述。

电池由三部分组成:正极、负极和中间的电解质。电极由强烈希望相互反应的材料制成;它们被电解质隔开。

电解质就像一个过滤器,可以阻止电子的流动,但允许离子(来自电极的带正电的原子)通过。如果电池没有连接任何东西,化学力会拉动离子,试图将它们拉过电解质以完成反应,但这由静电力 - 电极之间的电压平衡。请记住——两点之间的电压意味着这些点之间存在电场,将带电粒子推向一个方向。

当您在电池的两端之间添加一根电线时,电子可以在电压的驱动下穿过电线。这降低了静电力,因此离子可以通过电解质。随着电池放电,离子从一个电极移动到另一个电极,化学反应继续进行,直到其中一个电极用完。

考虑两个相邻的电池,通过一根电线连接 - 两个电池之间没有电压,因此没有驱动电子的力。在每个电池中,静电力平衡化学力,电池保持稳定状态。

(我有点掩饰了两种材料“想要”相互反应的含义。谷歌“吉布斯自由能”了解更多细节。你也可以谷歌“能斯特方程”。)

暂时忘记电池,这只是您可以用来描述电压/电流的一千个类比中的一个,而没有电流流动的原因与电池的电化学特性无关,它要简单得多。

最简单的想法是这样的:电流只会在回路中流动,即使在非常复杂的电路中,您也可以始终将其分解为电流回路,如果电流没有返回其源头的路径,则会没有电流。

在您的电池示例中,没有返回电流路径,因此不会有电流流动。这显然有一个更深层次的物理原因,但是当问题要求一个简单的答案时,我将跳过数学,谷歌麦克斯韦方程以及它们如何用于推导基尔霍夫电压定律。

电池确实是一个很好的例子,因为它们是具有完全隔离接地的电流源。此示例同样适用于具有完全隔离“接地”的任何其他电源。

但是,这不是一件容易找到的事情,例如使用 2 个长凳电源可能会使其中一个长凳电源非常不高兴,但这并不是因为效果不同,不同之处在于长凳电源可能都接地到建筑物中的电线,因此有一个电流流过的返回路径。

水的比喻对此也有效。以这种方式考虑您的电池示例:

您有一个水泵(电池 A)连接到管道(电线),并且您有另一个水泵(电池 B)连接到同一管道(电线)。现在在您的示例中,系统中没有返回路径,因此想象管道充满水但两端都被封住。

你按下泵上的电源开关,会发生什么?

答案是什么都没有,没有地方可以把水移到哪里,水泵甚至不旋转。(忽略这个类比的水湍流效应)。

现在,如果您将管道连接成一个回路并按下开关,泵会旋转(电压)并且水会流动(电流)。

如果您使用 2 个不同速度的泵(不同电压的电池)并将它们彼此面对,一个会过功率并导致另一个旋转方向错误(就像并联 9V 和 6V 电池一样烧坏)。

如果您连接两个指向同一方向的泵,您将获得更多的水压(电压),因为泵相互帮助(2 个串联电池)。

假设您有 AA 电池,每节 1.5 V。此外,让我们将它们标记为电池 A 和电池 B。如果将 A+ 连接到 B-,则实际得到的是 A- 到 B+ 之间的 3 V 差异。

B+  -------------------
|                     |
B- _ A+  --           | 3V
     |    | 1.5 V     |
     A-  --------------

当您将 B- 连接到 A+ 时,它们都处于相同的电位(毕竟它们是用电线连接的)。B+ 比这个电位高 1.5V,A- 比这个电位低 1.5V。

重要的是要记住电压不是绝对值这是一个相对值。B- _ A+ 线将处于一个电位,B+ 和 A-该电位相关。

我也一直发现,传统外行对电池的描述具有误导性。大多数人将电池描述为电力的存储容器,但这并不能解释为什么您不能将电池中的电力倾倒到地面,或者为什么不能让一个电池为另一个电池供电,就像上面的问题一样.

这可能不是对实际情况的准确描述,但我发现更容易理解的类比是将电池描述为泵。电池中包含的“能量”用于驱动泵;它不会通过网络发送出去。通过这个类比,为什么电池的正极和负极都必须连接在一个电路中就很明显了。例如,如果您仅将负极接地,则没有电流,因为正极上没有可以抽出的电流。