A nivel atómico, ¿qué sucede cuando conecta dos baterías en serie para que se agreguen sus voltajes?

Question

Yo no puedo por la vida de esta figura. Me siento como que me falta algo crucial detalle acerca de cómo baterías trabajo.

Imaginemos dos baterías conectadas en serie, como esta:

Circuit <= -(Battery A)+ <= -(Battery B)+ <= Circuit

Como he estudiado, esto es lo que sucede:

1. El lado negativo de la Batería B tiene un excedente de electrones, mientras que el lado positivo de la Batería tiene un "normal" de la concentración de electrones. Dado que los electrones se repelen entre sí, algo que los empuja a la Batería A. (estoy imaginando un tubo con una cara llena de "elástica" bolas apretadas y el otro lado con la elástica de las pelotas, pero no apretadas. Las bolas son empujados hasta que todos estén en igualdad de "presión").
2. Un número de electrones constantemente alcanzar el extremo positivo de la Batería con una "fuerza" de x Voltios. En términos prácticos, los electrones chocan con los de la batería con una mayor intensidad. Por alguna razón, esto hace que los electrones que viene del extremo negativo de la Batería a tener una "fuerza" de 2x Voltios. No entiendo por qué.

Es porque ahora hay dos veces más electrones libres en el extremo negativo de la Batería? Y así, la diferencia entre este extremo y la Batería B es dos veces el normal?

3. Los electrones son empujados de nuevo hacia el extremo positivo de la Batería B. por lo que entiendo, el material de la batería "absorbe" y libera un electrón libre en el extremo negativo de la Batería B.

Por favor, evite el uso de agua de analogías. Específicamente desea saber lo que ocurre en la atómica, por-electrónica nivel.

No me importa mucho acerca de las diferencias entre cada batería. Si es posible, elija un tipo de batería que usted prefiere o simplemente hablar acerca de las baterías en general (características compartidas por todas las baterías).

Answer 1

Lo que ocurre a nivel atómico dentro de una batería a la hora de poner dos baterías en serie?

• Respuesta:
  1) el Doble de la velocidad de reacción en el ánodo y el cátodo,
  2) el Doble de la tasa de la migración de los iones en el electrolito para mantener la carga de la neutralidad en el ánodo y el cátodo,
  3) el Doble de la corriente de flujo,
  4) el Doble de la tasa de carga de la batería de agotamiento.

Ejemplo de la Química de la Batería: (una sola célula)

• Circuito con una carga resistiva y una batería de Plomo-Ácido, de circuito abierto.
• El voltaje de una sola célula es $2.05V = 1.60V_{anode} + .36V_{cathode}$
• El ánodo de media celda de reacción de oxidación es: $Pb + SO_4^{2-} \to PbSO_4 + 2e^-$
• El cátodo de media celda de la reacción de reducción es: $PbO_2 + SO_4^{2-} + 2e^- \to PbSO_4$
• $H^+$ $SO_4^{2-}$ iones en el electrolito migrar como sea necesario para mantener la carga de la neutralidad en el ánodo y el cátodo.

Ejemplo de cálculo #1: (batería)

• Circuito: batería de Plomo-Ácido, $10$ amp-hr capacidad de almacenamiento de carga, conectado a $4.1 \Omega$ de la carga
• Carga en $= R = 4.1 \Omega$
• Tensión de $= V = 2.05V$
• Total De La Carga Almacenada = $q_{total} = 10amp-hr =10coul/sec \times 3600 sec/hr \times 1hr= 36000 C$
• El flujo de corriente a $=I = V/R = 2.05V/4.1 \Omega = .5A$
• Tiempo de funcionamiento = $q_{total}/I = 36000/.5 = 72000 sec = 72000/3600 = 20 hrs$
• Consumo de energía: $P=IV = .5A \times 2.05V = 1.025W$
• Total De Almacenamiento De Energía: $\Delta E=P \times \Delta t = 1.025 \times 20 = 20.5 watt-hours$
• Total de almacenamiento de Energía: $\Delta E = IV \times \Delta t = V \times (I \cdot \Delta t) = 2.05V \times 10Ah = 20.5Wh$

Ejemplo de Cálculo #2: (dos baterías en serie)

• Carga = R = $4.1 \Omega$
• Voltaje = V = $2.05V + 2.05V = 4.1V$
• Total de Almacenamiento de Carga = $q_{total} = 10$ amp-hr $= 36,000 amp-sec= 36,000 coulombs$
• El flujo de corriente: $I = V/R = 4.1V/4.1 \Omega = 1A$
• Tiempo de funcionamiento = $q_{total}/I = 36000/1 = 36000/3600 = 10Hr$
• Consumo de energía: $P=IV = 1A \times 4.1V = 4.1W$
• Total De Almacenamiento De Energía: $\Delta E=P \times \Delta t = 4.1V \times 10Ah = 41.0Wh$
• Total De Almacenamiento De Energía: $\Delta E = IV \times \Delta t = V \times (I \cdot \Delta t) = 4.1V \times 10Ah = 41.0Wh$

Conservación de la carga: La de arriba solo de batería contiene 10Amp-horas de carga, lo que equivale a 36000 coulombs. Esta batería puede suministrar un total de 36000 coulombs de carga. En el ánodo, los reactivos reaccionan y generar un exceso de electrones. En el cátodo, los reactivos reaccionan con los electrones y producir una deficiencia de electrones. Cuando todos los reactivos han reaccionado y se convierten en productos, la batería se gasta y puede suministrar no más electrones para el flujo de corriente a través de una carga. Las baterías de la serie agregar sus tensiones, lo que resulta en un aumento de la corriente, y más rápido de carga de agotamiento de la batería de cada uno, por lo tanto una reducción de la vida.

Conservación de la energía La energía total disponible para las baterías de la serie es la suma de la energía almacenada en las baterías individuales. Según el ejemplo anterior: un solo de batería con 10Amp-horas de carga ha $2.05V \times 10Ah = 20.5Wh$ de la energía potencial eléctrica almacenada, y dos baterías en serie ha $41Wh$ de la energía potencial eléctrica almacenada. La descarga de la batería convierte la energía eléctrica en la carga en, a) calor b) la energía cinética, o 3) la energía potencial. La conversión a un tipo de energía que satisface el principio de conservación de la energía.
* El aumento de la corriente y el voltaje de las baterías en serie aumenta el consumo de energía y aumenta la tasa de agotamiento de la energía, por lo tanto reduce la vida útil de las baterías.

El Terminal de la batería Reacciones: En la batería de Plomo-Ácido, antes de la reacción, la energía se almacena como energía potencial de la carga de la atracción entre la química de los reactivos en cada uno de los terminales.

• En el ánodo: $Pb_{(s)}$ $SO_4{^{2-}}_{(aq)}$ son de metal-electrolito en contacto, y espontáneamente reaccionan para formar $PbS{O_4}_{(s)}$ $2$ extra de electrones. El potencial de oxidación positivo de esta media-reacción de las células es $+1.69V$. El potencial positivo indica que la reacción procederá de forma espontánea a temperatura ambiente. Los reactivos son atraídos a reaccionar debido a las fuerzas electrostáticas, tales como disponible (energéticamente favorable) la vinculación de los orbitales. Después de reaccionar, el exceso de electrones se acumulan en el ánodo, la creación de una $E$ campo. La reacción se detiene muy rápidamente a medida que el exceso de electrones se acumulan (debido a la formación de una capa de $H^+$ iones junto a la $Pb$ blindaje de las $SO_4^{2+}$, la prevención de la migración lo suficientemente cerca como reaccionar). Por lo tanto, para que la reacción tenga lugar en el ánodo, los electrones adicionales que debe ser eliminado. Cuando el conductor se conecta a la carga y el cátodo, los electrones dejar y permitir que la reacción tenga lugar. Antes de la reacción de los reactivos, la energía se almacena en forma de energía potencial como una fuerza electrostática entre los reactivos. Después de que el ánodo de la reacción se completa, la energía se mueve y almacena como una alta concentración de electrones. La carga diferencial entre el ánodo y el cátodo se crea una $E$ campo que impulsa la electrónica actual.
• En el Cátodo, el equivalente, pero el proceso inverso de la reacción es de continuar. La energía libre es positiva para la unión de $PbO_2$ $SO_4^{2-}$ $2e^-$ a producir $PbSO_4$, lo que significa que esta reacción procederá de forma espontánea, en STP. Nota, esta reacción requiere de electrones para continuar. La deficiencia de electrones en el cátodo es la otra mitad de la batería, lo que crea una carga positiva neta y se añade a la dirección de E campo creado por la carga negativa en el ánodo. Reacciones químicas y EMF dentro de la batería en un circuito cerrado: Cuando el circuito de la batería está cerrado, el director de terminales de conexión lleva a cabo permite que los electrones fluyan bajo la influencia de la E campo de Cátodo (Positivas) al Ánodo (negativo). El $E$ campo ejerce una fuerza sobre los electrones, la aceleración de ellos, la conversión de la $E$ campo de energía potencial en energía cinética. Que se transfiere la energía a una carga, como una resistencia (energía térmica), motor (energía cinética), inductor - ($B$ campo de la energía potencial, el condensador ($E$ campo de energía potencial)...

Las Reacciones químicas en las Baterías de la Serie: el aumento de La corriente debido a la mayor tensión de las baterías en serie de las unidades más electrones desde el exterior ánodo y el cátodo, pero la misma corriente que fluye entre los ánodos y cátodos conectados a las baterías en serie. El $E$ campo en el medio de ánodos y cátodos en baterías de la serie es de la misma magnitud y dirección de la $E$ campo en el exterior de ánodos y cátodos. Por lo tanto, la corriente en el interior de la serie de los conductores es idéntica a la de la corriente en la carga. Asimismo, la tasa de reacción en cada ánodo y el cátodo para todas las celdas en serie es idéntico.

Resumen: Todos los electrones en un circuito en serie ir a través de todos los ánodos y los cátodos de todas las células. Todos los cátodos de aceptar electrones para completar el $PbO_2 + S0_4^{2-}$ reacción. Y, todos los ánodos generar electrones en el $Pb + S0_4^{2-}$ reacción. La reducción de la vida útil de la batería y el aumento de flujo de corriente, cuando en la serie contra un solo de batería de configuración, resultado debido a que el voltaje es mayor, la corriente es mayor, y todas las células de carga y llevan la misma corriente más grande. El voltaje mayor (mayor $E$ campo) elimina electrones desde el ánodo a un ritmo más rápido y suministros de ellos hacia el cátodo a un ritmo más rápido. La fuerza impulsora de la producción de la más actual es el aumento de la $E_{total}$ campo producido por la adición de la $E_{cell}$ campos de las baterías individuales. (Nota: la Prueba de que el aditivo de la naturaleza de la $E$ campos de las células individuales se requiere que las ecuaciones de Maxwell. Esta $E$ campo es la fuerza motriz más electrones de cada ánodo en cada cátodo de cada una de las baterías en serie). Extra-electrones de cada ánodo de suministro de la deficiencia de electrones en cada cátodo, para cada una de las baterías en serie, todos impulsados por el mayor $E$ campo. El conductor proporciona una alta permitividad eléctrica $\epsilon_{conductor}$ ruta de acceso para la $E$ campo. El conductor permite que el $E$ de la fuerza de campo a de la unidad de migración de electrones desde el ánodo hacia el cátodo. Mientras que en la serie, la más actual, dejando el ánodo permite un aumento en la tasa de reacción en el ánodo, y el aumento de la corriente de cátodo permite que los reactivos para hacer más productos. El aumento de la tensión producida por las baterías en serie es la fuerza impulsora detrás del aumento de la corriente, el aumento de flujo de potencia, y el aumento de la tasa de agotamiento de las células de la batería. Las baterías se pueden añadir en serie para aumentar el voltaje total arbitrariamente alta. Pero, como el voltaje y la corriente de subida, la tensión frente a la actual relación se convierte en no-lineal, como otros factores importantes, tales como el aislamiento y la resistencia interna.

Answer 2

Una manera de pensar en esto es como sigue: para los dos-sistema de batería de las baterías en serie, el terminal positivo de la batería "A" no sabe ni le importa lo que el voltaje de la terminal negativa de la batería "B" está planteando. Todos los de la batería "A" se va a hacer es arrancar electrones de su terminal positivo, ascensor a un potencial que es N voltios mayor que este (donde N es la duración de la batería tensión nominal) y presentarlos para su terminal negativo. En la práctica, esto significa que los voltajes de las baterías de la serie son linealmente aditivo.

Answer 3

Creo que tu analogía de "excedente" de electrones que está mal en un sentido, e incompleta en otro sentido. En primer lugar, lo que considera una "normal" y un "excedente" de los electrones? En segundo lugar, si usted tiene un "excedente" en un lado, en el otro no es normal, tiene un déficit.

Pensar en un clásico de la batería de Plomo-Ácido. Cuando está completamente cargada tiene plomo en la placa negativa, y dióxido de plomo en la positiva. En tanto que las placas de inicio tiene la costumbre cantidad de electrones (82 e por Pb en el átomo de negativo, y el 98 por PbO2 molécula).

Pero son sumergidos en una solución acuosa de ácido sulfúrico, dada la posibilidad a la siguiente reacción redox:

• En el ánodo (negativo): Pb (s) + HSO₄⁻ (aq) → PbSO₄ (s) + H⁺ (aq) + 2 e⁻
• En el cátodo (positivo): PbO₂ (s) + HSO₄⁻ (aq) + 3 H⁺ (aq) + 2 e⁻ → PbSO₄ (s) + 2 H₂O (l)

Como se puede ver, para este hemireacctions ocurrir, usted tiene que hacer tomar los electrones en el ánodo y poner una cantidad equivalente en el cátodo. No funciona si lo haces solo, ya que es necesario equilibrar la carga y de la materia: H₂SO₄⁰ se transforma en H⁺ y HSO₄^-, usted no puede tener uno sin el otro (ni positivas negativas, ni la transformación completa de una molécula de 98 g de H₂SO₄ en 1 g de H⁺.

El voltaje es la medida del potencial de trabajo de diferencia. Si usted tiene 2 voltios entre los electrodos de la célula significa que la célula es capaz de hacer un 2 J de trabajo en movimiento a 1 C de carga negativa desde el ánodo hacia el cátodo. Si pones dos celdas en serie, el trabajo, cada uno con 2 v, entre tanto que son capaces de hacer un 4 J de trabajo en movimiento a 1 C de carga negativa de la libre ánodo de uno a la libre cátodo de la otra.

Editar 3/8: Alguien pregunta "de Modo que si se conectan dos, se puede conseguir un estado neutro en el medio?". Inicialmente, no.

Vamos a empezar desconectado del circuito. Los electrones no puede fluir si el hemireaction no sucede. El hemireaction no puede suceder por su propia cuenta, sin su contraparte. Y la contraparte no puede suceder sin su propio flujo de electrones.

Así que, cuando se conecta, la carges van a empezar a neutralizar, como el flujo de electrones a través del circuito y ambos hemireactions suceder. Y que la neutralización es que va a pasar en todos los cuatro electrodos, la descarga de las baterías; porque algunos hemireaction sucede en todos los cuatro electrodos. Cuando la neutralización, las baterías están completamente descargadas.

Answer 4

Considere dos primeros acusados de condensadores conectados en serie.

El potencial de la placa de $A$ con relación a la placa de $B$ $V_{\rm AB}$ y el potencial de la placa de $C$ con relación a la placa de $D$ $V_{\rm CD}$ por lo que el potencial de la placa de $A$ con relación a la placa de $D$$V_{\rm AB} + V_{\rm CD}$.

Dentro de cada condensador hay un campo eléctrico y el trabajo realizado por una fuerza externa en la toma de la unidad de carga positiva desde el plato ($B$ a de la placa de $A$$\int_B^A E_{\rm AB} \,d s$) y de la placa de $D$ a de la placa de $C$$\int_D^C E_{\rm CD} \,d s$.
El trabajo total realizado es $D$ a de la placa de $\int_B^A E_{\rm AB} \,d s + \int_D^CE_{\rm CD} \,d s$.
Este es el mismo resultado que la suma de las diferencias de potencial.

Lo que sobre el conductor entre las placas de $C$ $D$ como podría parecer que las cargas negativas en la placa de $B$ debe neutralizar la carga positiva en la placa de $C$ y debido a esos cargos hay un campo eléctrico en el conductor entre las placas de $B$$C$.
Así que no hay campo eléctrico dentro del conductor y las cargas en las placas de $B$ $C$ se mantienen en su lugar por las cargas en las placas de $A$ $D$ respectivamente.

Entonces, ¿qué acerca de ideal células conectadas en serie?

Si el efecto de las células tienen dos placas que incluyen los terminales.
Estos terminales/placas cobrarán hasta por un proceso electroquímico que puede ser pensado de una bomba de carga (lo siento por el agua de la analogía).
Inicialmente las placas terminales sin carga y la carga de la bomba se mueve cargos de una terminal a la otra terminal de la fabricación de un terminal con una carga neta positiva y el otro terminal a tener una carga neta negativa.
Los cargos netos en los terminales de producir un campo eléctrico dentro de la célula que se opone a la extracción de los cargos de una terminal a la otra por el de la bomba de carga (proceso electroquímico).
Finalmente, que el campo eléctrico es suficiente para detener la migración de cargas entre los dos terminales.
Cada celda tiene una cierta diferencia de potencial a través de sus terminales y la adición de estas diferencias de potencial es la misma que para el ejemplo con los condensadores.

Entonces, ¿qué es diferente acerca de las células en comparación con los condensadores.
La diferencia clave es que tan pronto como los terminales de una célula están conectados entre sí con un conductor de cargos de flujo de una terminal a la otra en el circuito externo.
La reducción de la carga en los terminales resultaría en una reducción en el campo eléctrico entre las terminales, sino que el campo eléctrico no es ya lo suficientemente fuerte como para detener la bomba de carga de bombeo cargos provocando una migración de cargas entre las dos placas dentro de la célula.
La bomba de carga se mueve cargos dentro de la célula para compensar los gastos que se derivaban de una terminal a la otra terminal a través de la externa la realización del circuito.
En efecto, la bomba de carga mantiene la diferencia de potencial entre las terminales, mientras que con un condensador no hay ningún mecanismo para mantener la cantidad de carga almacenada en las placas.

La eliminación de los cargos de los terminales de $D$ $A$ resultaría en una migración de cargas entre los terminales de $C$$B$, es decir, una corriente eléctrica fluye entre las dos células.

Answer 5

Primero de todo gracias a @ESL y @niels nielsen por sus respuestas.

Sin embargo, aquí lo que estaba buscando (me tuvieron que reconstruirla a partir de diferentes fuentes):

Cuando conecte el postive final de una batería para el extremo negativo de otra batería, ocurre lo siguiente:

• El "superávit" de electrones dejar el lado negativo, lo que es "menos negativo"
• Van para el lado positivo, lo que es "menos positivo"

Esto sucede de forma casi instantánea y, a continuación, se detiene. Echemos un vistazo a lo que las baterías están haciendo durante este período:

• La batería cuyo lado negativo perdido electrones ahora puede bombear MÁS electrones desde su lado positivo para el lado negativo.
• La batería cuyo lado positivo ganado electrones ahora puede bombear MÁS electrones desde su lado positivo para el lado negativo.

Ahora observe que una de las baterías tiene un lado positivo (muy pocos electrones) y el otro, un lado negativo (un montón de electrones).

La reacción se detiene, porque no hay electrones llegar/salir y el sistema se estabiliza.

Sin embargo, si usted pone una carga entre ellos... los electrones a comenzar a fluir :)