¿Flujo de corriente en baterías?

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Estoy leyendo un libro básico de electrónica: "No hay electrones: electrónica para los terrícolas" y me encontré con un pasaje inteligente sobre el hecho de que necesita un circuito cerrado para que la corriente fluya. Aquí está el pasaje que tengo curiosidad:

"Esto siempre me ha molestado: si los terminales negativos de las baterías tienen electrones en exceso (una carga negativa) y los terminales positivos de las baterías tienen muy pocos electrones (una carga positiva) y los opuestos se atraen, ¿por qué no puedo conectar un cable entre lado negativo de una batería y el lado positivo de una batería diferente y obtener corriente? Esta verdad es que no funcionará. No fluirá corriente. Si alguien hubiera podido explicarme eso, probablemente nunca hubiera escrito este libro ".

¿Alguien tiene una respuesta directa a esta pregunta?


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Este es probablemente el mejor foro para hacer esta pregunta, que yo sepa. Bienvenido a CH!
J. Polfer
@mike: ¿Podría editar el título de esta pregunta para que sea más descriptivo? Tal vez algo como "¿Flujo de corriente en baterías?"
pingswept
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En realidad, fluirá una corriente si conecta un conductor a cualquier voltaje, a través de electrostática simple. No es notable en la mayoría de los voltajes, pero vea lo que sucede cuando toca un pedazo de metal a una línea de 100,000kV, incluso en un vacío sin tierra, fluirá una corriente considerable para llevar el metal a la misma carga electrostática. El problema con la educación eléctrica en estos días es que la electrostática se ignora cuando se trata de circuitos y, por lo tanto, las personas no pueden entender cosas como las baterías, o peor, se les enseña que la electricidad tiene que involucrar el flujo de electrones.
Myforwik
Relacionado con el punto de @ Myforwik: electronics.stackexchange.com/questions/75743/…
Phil Frost

Respuestas:

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La confusión aquí es de la pobre 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 desean reaccionar entre ellos; son mantenidos separados por el electrolito.

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

(De alguna manera pasé por alto lo que significa que dos materiales "quieran" reaccionar entre sí. Google "energía libre de Gibbs" para obtener más detalles al respecto. También puede buscar en Google la "ecuación de Nernst").

pingswept
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Olvide las baterías por un segundo, esa es solo una de las mil analogías que podría usar para describir el 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 pensar en esto es: la corriente solo fluirá en un bucle, incluso en circuitos muy complejos, siempre puede descomponerse en bucles de corriente, si no hay un camino para que la corriente regrese a su fuente, habrá No hay flujo de corriente.

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

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 es porque el efecto sea diferente, la diferencia es que los suministros de banco probablemente estén puestos a tierra al cableado eléctrico en el edificio y, como tal, hay una ruta de retorno para que la corriente fluya a través.

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

Tiene una bomba de agua (batería A) conectada a una tubería (el cable) y 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.

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

La respuesta es nada, no hay dónde mover el agua, las bombas ni siquiera giran. (ignore la turbulencia del agua como efectos para esta analogía).

Ahora, si tuviera que conectar la tubería en un bucle y presionar el interruptor, las bombas girarían (voltaje) y el agua fluiría (corriente).

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

Si conectó ambas bombas apuntando en la misma dirección, obtendría más presión de agua (voltaje) porque las bombas se están ayudando entre sí (2 baterías en serie).

marca
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Las bombas y los bucles no son una forma de describir un circuito eléctrico a menos que esté tratando de describir el proceso a un niño de 5 años. Se trata de una diferencia potencial. No se trata de bombeo o bucle. Dos puntos con una diferencia de potencial> 0 entre ellos harán que la corriente fluya a través de un conductor. No es necesario que haya un "bucle".
Aryan Duntley
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Digamos que tiene baterías AA, con 1.5 V cada una. Además, etiquetemos la batería A y la 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 conectas B- a A +, ambos tienen el mismo potencial (después de todo, están conectados con un cable). B + es 1.5V más alto que este potencial, y A- es 1.5V más bajo.

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.

ajs410
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ajs410, no tengo idea de por qué alguien te rechazó. Su respuesta es, con mucho, mi favorita, la electricidad se puede simplificar, pero se requiere una sólida comprensión de lo que está explicando para que un profesional crezca.
Kortuk
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Probablemente me rechazaron porque parecía que estaba diciendo 1.5 + 1.5 = 3. Sin embargo, lo que quería enfatizar era cómo cada terminal es relativa a las otras a lo largo del eje Y. B- y A + tienen el mismo potencial porque están conectados por un cable. Sin diferencia de potencial, no hay flujo de corriente.
ajs410
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ajs410, todavía no lo entiendo con tu ejemplo. Dijiste que B- y A + tienen el mismo potencial porque están conectados por un cable. Si lo piensa, B + y A- están conectados por un cable que debería hacer que tengan el mismo potencial, pero ¿por qué tiene flujo de corriente en ese caso y no cuando B- está conectado a A +? Siempre me he preguntado sobre este problema, pero nadie me lo ha podido explicar. Supongo que soy lento. Jajaja
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Yo también siempre he encontrado que la descripción tradicional de una batería 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 conducir la bomba; No se envía por cable. Con esta analogía, es claramente obvio por qué los extremos positivo y negativo de una batería deben conectarse en un circuito. Si, por ejemplo, conecta solo el electrodo negativo a tierra, no hay corriente porque no hay electricidad entrando en el electrodo positivo que pueda bombearse.

Mike Hobbs
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Técnicamente, la corriente puede o no fluir cuando un cable está conectado de esa manera. Todo depende de si existe o no una diferencia potencial en los cargos 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, es probable que la corriente no lo haga (dependiendo de la edad / uso de la batería) La razón es porque 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 dada . Hay electrones / agujeros en exceso en los extremos de una batería dada entre sí. Esa relación puede o no ser cierta entre el terminal negativo de una batería y el terminal positivo de otra.

J. Polfer
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Si hay un voltaje en una batería en relación con la otra, entonces tienen diferentes cargas eléctricas estáticas, que se igualarán después de conectarlas.
endolito
@endolith: cierto ... eso significa que mi respuesta es incorrecta, ¿no? ¿Qué se podría decir para corregir mi respuesta?
J. Polfer
En su ejemplo, todo se detiene en la configuración ya que no hay una ruta de retorno para la corriente, por lo que nunca fluirá corriente, lo que en realidad se indica en la primera línea del artículo que vinculó "Como se mencionó anteriormente, necesitamos más que solo un continuo camino (circuito) antes de que ocurra un flujo continuo de electrones "y cubierto con más profundidad en la sección anterior.
Mark
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La corriente que fluye hacia una unión siempre es igual a la corriente que fluye fuera de la unión. Por lo tanto, la corriente siempre debe fluir en un bucle.

Pk D
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la corriente es dq / dt. Puede tener corriente sin bucle
usuario 5419
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Primero. FLUIRÁ una corriente muy pequeña durante un tiempo muy corto ... pero solo necesita pasar una pequeña cantidad de carga eléctrica (estática) para generar suficiente voltaje hacia atrás para anular el voltaje hacia adelante. Recuerde que cualquier electricidad estática notable como frotar globos en el cabello generalmente involucra GRANDES voltajes como (decenas de) miles de voltios, lo cual es necesario para hacer una chispa. La celda simple típica de 1.5 voltios no puede hacer una chispa (sin ayuda especial). En realidad, si suspendió cuidadosamente un par de celdas simples (baterías) en el espacio o colgando de una cuerda, tendrían una pequeña interacción dipolo y se girarían como un par de imanes y luego se atraerían entre sí. Desafortunadamente, esto resulta ser fuerzas muy pequeñas aunque calculables y finitas. Quizás este expt se ha hecho con sensibilidad para mostrar esto. Promover, El problema original es un poco como cargar un condensador si lo piensa. Con los terminales no conectados son solo las placas del condensador. La pequeñez de los terminales y la separación es numéricamente muy diferente de un buen condensador que tiene un área grande y una separación pequeña que hace toda la diferencia y es por eso que la corriente es minúscula (pero finita) en el problema original.

blanci
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Al responder, responda completamente la pregunta y explique las diferencias entre los dos escenarios (batería conectada vs no conectada).
Voltaje pico el
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Creo que otra cosa que podría confundirte es que decimos que el voltaje en un conductor siempre es constante. Si bien esto es principalmente cierto, es una especie de mentira. Todos los conductores aún tienen 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 has intentado poner en cortocircuito los dos terminales de una batería como esta, pero debido a que la resistencia del cable es tan baja, la ley de ohmios produce una corriente muy grande que calentará el cable y te 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 a través de los otros componentes en el circuito y solo habrá una caída de voltaje muy pequeña de un extremo de un cable al otro. Entonces podemos simplificar nuestros problemas diciendo que el voltaje es constante en los cables.

Justin
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Excepto que la pregunta del OP involucra dos baterías con un solo cable entre ellas y sin circuito completo. Por lo tanto, no fluye corriente, la resistencia del cable es irrelevante y no hay caída de voltaje a lo largo del cable. En resumen, su respuesta es sobre casos que son diferentes a la pregunta del OP.
gwideman