¿Cómo es y cómo se comporta el campo eléctrico producido por una pila?

Question

Me llamo Amin y soy estudiante de secundaria. Llevo meses luchando con el concepto del campo eléctrico producido por una pila; así que agradecería mucho que me ayudaran a entender las respuestas a las preguntas que aparecen a continuación (Sólo para aclarar, mis conocimientos en este tema son muy limitados: Sin embargo, conozco y entiendo las ecuaciones de Maxwell en un grado aceptable):

Q(1): ¿Sería razonable decir que una pila se comporta como un dipolo eléctrico?

Q(2): ¿Es correcta mi representación del campo eléctrico producido por una pila? (La pila no está conectada a un cable)

Q(3): Si la respuesta a la pregunta anterior es SÍ, ¿cómo se relaciona la ilustración anterior con la química que subyace al funcionamiento de una pila?

Para entenderlo, he estudiado el tema de las células electroquímicas. Utilizando como ejemplo una célula electroquímica formada por dos semicélulas que contienen un electrodo de zinc y otro de cobre, mi comprensión de este tema podría resumirse en la ilustración que se muestra a continuación:

(Según tengo entendido, dado que el Zinc favorece la oxidación, la posición de equilibrio para la reacción reversible mostrada a la izquierda se desplazará hacia la derecha. Del mismo modo, dado que el Cobre favorece la reducción, la posición de equilibrio para la reacción reversible mostrada a la derecha se desplazará hacia la izquierda. Esto implicaría que la densidad de carga de electrones en el electrodo de Zinc sería mayor que la del electrodo de cobre.)

Q(3)": ¿No significa esto que el campo eléctrico producido por la pila debería parecerse a la ilustración que se muestra a continuación, en lugar de parecerse a un dipolo?

(Lo siento si la imagen no es clara; sólo pude mostrar una dirección general para las líneas de campo en la imagen).

Q(4): Ahora, cualquiera que haya sido la respuesta a las preguntas anteriores, entiendo que cuando una batería se conecta a través de los extremos de un circuito los electrones serían empujados lejos de su polo negativo y atraídos hacia el polo positivo (Tiene sentido que los electrones dejaran el electrodo con el potencial eléctrico más bajo y se movieran hacia el que tiene un potencial eléctrico más alto).

Mi pregunta es la siguiente: "¿Se mantiene constante la diferencia de potencial eléctrico entre los extremos de la pila a medida que los electrones abandonan un electrodo y se desplazan al otro? (En otras palabras, ¿la densidad de carga de electrones en ambos electrodos permanece invariable cuando hay corriente? Por lo tanto, ¿hay el mismo número de electrones presentes en cada electrodo en todo momento)?

Q(5): Si la respuesta a la pregunta anterior es SÍ (es decir, que la densidad de carga de electrones en los electrodos no cambia cuando hay una corriente), ¿significa eso que los electrones que atravesarán el circuito son los que estaban presentes en el circuito en primer lugar y no proceden de la pila? (¿Sería razonable decir que los electrones que se han acumulado en cada electrodo sólo proporcionan una fuerza que dirige a los electrones en el circuito y que no participan en la producción de una corriente por sí mismos)?

Q(6): Si la carga eléctrica en los electrodos se comporta de la manera descrita en la pregunta anterior, ¿sería correcto el siguiente argumento?:

"Dado que el circuito está abierto (mostrado arriba) no habrá corriente que lo atraviese. Sin embargo, cuando se dispone tal montaje habrá una breve corriente durante un instante de tiempo hasta que los extremos de los dos hilos se carguen. Esta carga continuará hasta que el potencial eléctrico de cada uno de los extremos de los dos cables sea igual al potencial eléctrico del terminal de la batería al que está conectado (la densidad de carga de electrones en el extremo de cada cable se hace igual a la densidad de carga de electrones del terminal al que está conectado)".

Si el argumento anterior es incorrecto, ¿cuál es el comportamiento correcto de la carga en un cable en el mismo instante en que se conecta a una batería (en una disposición como la mostrada anteriormente)? y ¿por qué?

Q(7): ¿Qué causa que la corriente en el circuito abierto mostrado arriba se detenga después de un corto instante de tiempo (Si la densidad de carga eléctrica de , digamos el polo negativo, ha permanecido constante qué se opone al empuje adicional de los electrones fuera del terminal negativo)?

Eso es todo. Te agradecería mucho si me pudieras ayudar con alguna de las preguntas anteriores.

Gracias

Answer 1

Esta respuesta ha sido tomada casi en su totalidad de esta entrada del blog de COMSOL: https://www.comsol.com/blogs/does-the-current-flow-backwards-inside-a-battery/

Una pila es un objeto electroquímico y, en general, no puede tratarse como un dipolo eléctrico. Por eso te cuesta conciliar la imagen eléctrica-dipolar con la imagen electroquímica: la imagen dipolar no es en absoluto realista.

El potencial dentro de una pila (y, por tanto, el campo eléctrico) tiene un aspecto diferente dependiendo de si circula o no corriente. Si la pila está desconectada de cualquier circuito, el potencial eléctrico en su interior tiene este aspecto*:

Como puedes ver, el potencial eléctrico es plano en casi toda la pila; esto significa que no hay campo eléctrico en ninguna parte excepto en una pequeña región del electrolito que está cerca de cada electrodo. En esta región, la doble capa (marcada con DL en el diagrama) en la superficie del electrodo es el único lugar que tiene campo eléctrico, y eso es porque, para el electrodo negativo, la doble capa consiste en una capa de iones negativos en la superficie del electrodo, y luego una capa de iones positivos atraídos por los iones negativos (al revés para la doble capa en el electrodo positivo). Esta doble capa es extremadamente fina, en la escala nanométrica para la mayoría de las baterías.

Cuando la batería se está descargando (produciendo corriente), su potencial tiene este aspecto:

Hay varias cosas que son diferentes aquí. La más importante es que hay un electrodo de referencia insertado en este diagrama; ignórelo, ya que no cambia nada del potencial mostrado. La primera cosa importante que es diferente: ahora hay un campo eléctrico a través del electrolito que permite que una corriente fluya dentro de la batería (tenga en cuenta que este diagrama utiliza la convención de ingeniería eléctrica de corriente como el flujo de carga positiva; como tal, describe el movimiento de electrones dentro de la batería desde el terminal positivo al terminal negativo, "al revés" de la dirección habitual de flujo fuera de la batería, pero coherente con el flujo de electrones en un bucle alrededor del circuito).

El hecho de que el potencial tenga una pendiente a través del electrodo significa que los potenciales de los electrodos también estarán a diferentes niveles. Las diferencias de potencial de la doble capa también son ligeramente más débiles, debido a que la carga que se mueve a través de la doble capa interfiere con la separación de carga entre las dos capas. El potencial dentro de cada electrodo también está ligeramente inclinado, porque hay una pequeña resistencia asociada al paso de corriente a través del electrodo. Así que ahora hay un campo eléctrico en todas partes de la pila, pero la magnitud depende de dónde te encuentres exactamente, y definitivamente no parece un dipolo.

*La mayoría de las pilas actuales tienen electrodos porosos, en lugar de los sólidos que utilizo aquí. La entrada del blog a la que se hace referencia cubre el caso de los electrodos porosos, pero es conceptualmente más complicado, así que he utilizado los diagramas de electrodos sólidos para evitar confusiones.