Stromfluss in Batterien?

Ich lese ein grundlegendes Elektronikbuch: "Es gibt keine Elektronen: Elektronik für Erdlinge" und bin auf eine kluge Passage gestoßen, die besagt, dass man einen geschlossenen Stromkreis braucht, damit Strom fließt. Hier ist die Stelle, auf die ich neugierig bin:

"Das hat mich immer gestört: Wenn die Minuspole von Batterien zu wenig Elektronen (eine negative Ladung) und die Pluspole von Batterien zu wenig Elektronen (eine positive Ladung) haben und Gegensätze sich anziehen, warum kann ich dann keinen Draht zwischen den Akkus anschließen? Die negative Seite einer Batterie und die positive Seite einer anderen Batterie, um Strom zu bekommen. Das funktioniert nicht. Es fließt kein Strom. Hätte mir jemand das erklären können, hätte ich dieses Buch wahrscheinlich nie geschrieben . "

Hat jemand eine direkte Antwort auf diese Frage?

Die Verwirrung hier ist von der anfänglichen schlechten Beschreibung, wie eine Batterie funktioniert.

Eine Batterie besteht aus drei Dingen: einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einem dazwischen liegenden Elektrolyten. Die Elektroden bestehen aus Materialien, die stark miteinander reagieren wollen. Sie werden vom Elektrolyten getrennt gehalten.

Der Elektrolyt wirkt wie ein Filter, der den Elektronenfluss blockiert, aber Ionen (positiv geladene Atome von den Elektroden) durchlässt. Wenn die Batterie an nichts angeschlossen ist, zieht die chemische Kraft an den Ionen und versucht, sie über den Elektrolyten zu ziehen, um die Reaktion abzuschließen. Dies wird jedoch durch die elektrostatische Kraft - die Spannung zwischen den Elektroden - ausgeglichen. Denken Sie daran: Eine Spannung zwischen zwei Punkten bedeutet, dass zwischen diesen Punkten ein elektrisches Feld vorhanden ist, das geladene Teilchen in eine Richtung drückt.

Wenn Sie einen Draht zwischen die Enden der Batterien legen, können Elektronen durch den Draht fließen, angetrieben von der Spannung. Dies verringert die elektrostatische Kraft, so dass Ionen durch den Elektrolyten gelangen können. Während die Batterie entladen wird, bewegen sich Ionen von einer Elektrode zur anderen und die chemische Reaktion schreitet fort, bis eine der Elektroden aufgebraucht ist.

Denken Sie an zwei nebeneinander liegende Batterien, die durch einen Draht verbunden sind - zwischen den beiden Batterien liegt keine Spannung an, sodass keine Kraft zum Antreiben von Elektronen vorhanden ist. In jeder Batterie gleicht die elektrostatische Kraft die chemische Kraft aus und die Batterie bleibt im eingeschwungenen Zustand.

(Ich habe ein bisschen darüber nachgedacht, was es bedeutet, dass zwei Materialien miteinander "reagieren" wollen. Google gibt "Gibbs freie Energie", um weitere Einzelheiten dazu zu erfahren. Sie könnten auch die "Nernst-Gleichung" googeln.)

Vergessen Sie die Batterien für eine Sekunde, das ist nur eine von tausend Analogien, mit denen Sie Spannung / Strom beschreiben können, und der Grund, dass kein Strom fließt, hat nichts mit den elektrochemischen Eigenschaften von Batterien zu tun, sondern ist viel einfacher.

Der einfachste Weg, sich das vorzustellen, ist folgender: Strom fließt immer nur in einer Schleife, selbst in sehr komplexen Schaltkreisen kann man ihn immer in Stromschleifen aufteilen, wenn es keinen Weg gibt, auf dem Strom zu seiner Quelle zurückkehren kann sei kein Stromfluss.

In Ihrem Batteriebeispiel gibt es keinen Rückstrompfad, sodass kein Strom fließt. Es gibt offensichtlich einen tieferen physikalischen Grund, warum dies funktioniert, aber da die Frage nach einer einfachen Antwort gestellt wird, überspringe ich die Mathematik, google Maxwells Gleichungen und wie sie bei der Herleitung des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes verwendet werden.

Batterien sind dafür ein gutes Beispiel, einfach weil sie Stromquellen mit vollständig isolierter Erdung sind. Dieses Beispiel gilt auch für jede andere Stromquelle mit einer vollständig isolierten "Masse".

Dies ist jedoch nicht leicht zu finden. Wenn Sie beispielsweise zwei Bankversorgungen verwenden, ist eine der Bankversorgungen wahrscheinlich sehr unglücklich. Dies liegt jedoch nicht daran, dass der Effekt unterschiedlich ist, sondern daran, dass die Bankversorgungen wahrscheinlich beide geerdet sind Zur elektrischen Verkabelung im Gebäude gibt es einen Rückweg, über den der Strom fließen kann.

Die Wasseranalogie hierfür ist ebenfalls wirksam. Stellen Sie sich Ihr Batteriebeispiel folgendermaßen vor:

Sie haben eine Wasserpumpe (Batterie A) an ein Rohr (das Kabel) angeschlossen, und Sie haben eine andere Wasserpumpe (Batterie B) an dasselbe Rohr (das Kabel) angeschlossen. In Ihrem Beispiel gibt es keinen Rückweg im System. Stellen Sie sich vor, das Rohr ist voll mit Wasser, aber an beiden Enden verschlossen.

Sie schalten die Pumpen ein, was passiert?

Die Antwort ist nichts, es gibt keinen Ort, an den man das Wasser bewegen kann, die Pumpen drehen sich nicht einmal. (Ignorieren Sie wasserturbulenzähnliche Effekte für diese Analogie).

Wenn Sie nun das Rohr in einer Schleife anschließen und den Schalter betätigen, drehen sich die Pumpen (Spannung) und Wasser fließt (Strom).

Wenn Sie zwei Differenzdrehzahlpumpen (Batterien mit unterschiedlicher Spannung) verwendet haben und diese gegeneinander gerichtet sind, wird eine übermäßig hohe Leistung erzeugt und die andere dreht sich in die falsche Richtung (Ausbrennen wie beim Parallelschalten einer 9-V- und einer 6-V-Batterie).

Wenn Sie beide Pumpen in die gleiche Richtung anschließen, erhalten Sie einen höheren Wasserdruck (Spannung), da sich die Pumpen gegenseitig helfen (2 Batterien in Reihe).

Angenommen, Sie haben AA-Batterien mit jeweils 1,5 V. Beschriften wir sie weiterhin mit Batterie A und Batterie B. Wenn Sie A + an B- anschließen, erhalten Sie tatsächlich einen Unterschied von 3 V zwischen A- und B +.

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

Wenn Sie B- mit A + verbinden, haben beide dasselbe Potenzial (schließlich sind sie mit einem Draht verbunden). B + ist 1,5 V höher als dieses Potential und A- ist 1,5 V niedriger.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass eine Spannung kein absoluter Wert ist. Es ist ein relativer Wert. Der B-A + -Draht liegt auf einem Potential, und B + und A- sind relativ zu diesem Potential.

Auch ich habe immer festgestellt, dass die traditionelle Laienbeschreibung einer Batterie irreführend ist. Die meisten Leute bezeichnen eine Batterie als einen Speicherbehälter für Strom, aber das erklärt nicht, warum Sie den Strom nicht von einer Batterie auf den Boden leiten können oder warum Sie nicht eine Batterie einer anderen zuführen können, wie in Ihrer obigen Frage .

Dies ist möglicherweise keine genaue Beschreibung dessen, was tatsächlich passiert, aber ich finde, dass eine verständlichere Analogie darin besteht, eine Batterie stattdessen als Pumpe zu beschreiben. Die in der Batterie enthaltene "Energie" wird zum Antreiben der Pumpe verwendet; Es wird nicht über das Kabel gesendet. Mit dieser Analogie wird deutlich, warum sowohl das positive als auch das negative Ende einer Batterie in einem Stromkreis angeschlossen werden müssen. Wenn Sie zum Beispiel nur die negative Elektrode mit Masse verbinden, fließt kein Strom, da an der positiven Elektrode kein Strom anliegt, der abgepumpt werden kann.

Technisch gesehen kann Strom fließen oder nicht, wenn ein Draht auf diese Weise angeschlossen wird. Es hängt alles davon ab, ob zwischen diesen beiden Terminals ein möglicher Gebührenunterschied besteht oder nicht . Wenn der Unterschied gering ist, fließt wenig / kein Strom. Dies gilt für alle Kabel, die an einem beliebigen Ort zwischen zwei Anschlüssen angeschlossen sind.

Allerdings wird der Strom höchstwahrscheinlich nicht (abhängig vom Alter / Gebrauch des Akkus). Der Grund dafür ist, dass die Spannungspotentialdifferenz - die "überschüssigen Löcher am positiven Ende" und die "überschüssigen Elektronen am negativen Ende" - relativ zu einer gegebenen Batterie ist . Es gibt überschüssige Elektronen / Löcher an den Enden einer bestimmten Batterie in Bezug aufeinander. Diese Beziehung kann zwischen dem Minuspol einer Batterie und dem Pluspol einer anderen gelten oder auch nicht.

Der Strom, der in eine Verbindungsstelle fließt, ist immer gleich dem Strom, der aus der Verbindungsstelle fließt. Daher muss der Strom immer in einer Schleife fließen.

Zuerst. Ein sehr kleiner Strom WIRD für eine sehr kurze Zeit fließen ... aber es wird nur eine kleine Menge elektrischer Ladung (statisch) benötigt, um eine ausreichende Rückwärtsspannung aufzubauen, um die Vorwärtsspannung zu annullieren. Denken Sie daran, dass jede merkliche statische Elektrizität wie das Reiben von Luftballons am Haar normalerweise mit GROSSEN Spannungen wie (Zehntausenden) Volt verbunden ist, die zur Erzeugung eines Funkens erforderlich sind. Eine typische einfache 1,5-Volt-Zelle kann keinen Funken erzeugen (ohne besondere Hilfe). Wenn Sie ein Paar einfacher Zellen (Batterien) sorgfältig im Weltraum aufhängen oder an einer Schnur hängen, haben sie eine kleine Dipol-Wechselwirkung und drehen sich wie ein Paar Magnete und ziehen sich dann gegenseitig an. Leider stellt sich heraus, dass dies nur sehr kleine, aber berechenbare und endliche Kräfte sind. Vielleicht wurde dieser Expt mit Feingefühl durchgeführt, um dies zu zeigen. Des Weiteren, Das ursprüngliche Problem ist ein bisschen wie das Laden eines Kondensators, wenn Sie darüber nachdenken. Bei den nicht angeschlossenen Anschlüssen handelt es sich nur um die Kondensatorplatten. Die Kleinheit der Anschlüsse und der Trennung unterscheidet sich numerisch sehr von einem guten Kondensator, der eine große Fläche und eine kleine Trennung aufweist, die den Unterschied ausmacht, und deshalb ist der Strom in dem ursprünglichen Problem winzig (aber endlich).

Ich denke, eine andere Sache, die Sie verwirren könnte, ist, dass wir sagen, dass die Spannung in einem Leiter immer konstant ist. Während dies meistens wahr ist, ist es eine Art Lüge. Alle Leiter haben noch einen endlichen Widerstand. Wenn Sie daher ein Kabel zwischen den beiden Anschlüssen einer Batterie anschließen, liegt das eine Ende des Kabels auf einem anderen Potential als das andere, und der Strom im Kabel folgt dem Ohmschen Gesetz. Ich weiß nicht, ob Sie jemals versucht haben, die beiden Anschlüsse einer Batterie so kurzzuschließen, aber weil der Widerstand des Kabels so niedrig ist, gibt das Ohmsche Gesetz einen sehr großen Strom, der den Draht aufheizt und Sie verbrennt.

Der Grund, warum wir normalerweise sagen, dass das Potential in einem Draht konstant ist, ist, dass es normalerweise andere Komponenten in unserer Schaltung gibt, deren Widerstand viel größer ist als der der Drähte. Aus diesem Grund fällt der größte Teil der Spannung an den anderen Komponenten des Stromkreises ab und es tritt nur ein sehr geringer Spannungsabfall von einem Ende eines Kabels zum anderen auf. Wir können unsere Probleme vereinfachen, indem wir sagen, dass die Spannung in den Drähten konstant ist.