¿Por qué no puedo alimentarlo todo con una pila de 9 V CC?

Question

Soy estudiante y tengo conocimientos muy básicos de voltios, amperios, vatios, cargas, etc.

Mi pregunta es bastante sencilla: ¿Por qué no podemos usar pilas de 9 V CC para hacer funcionar todo en el mundo?

1. Porque es corriente continua y necesitamos corriente alterna para hacer funcionar los electrodomésticos.

Respuesta: Utiliza un inversor para convertirlo en corriente alterna.

2. Porque sólo tienen 9 V para suministrar.

Respuesta: Podemos utilizar un transformador elevador para aumentar su tensión y amperios.

Así que mi pregunta y algunas contrapreguntas están ahí. Por favor, explíqueme lo que me estoy perdiendo aquí.

Mi objetivo con esta pregunta es aprender la ciencia que hay detrás y no producir una fuente de alimentación eficiente. Además, en mi pregunta, "una pila de 9 V" significa una sola pila, no más de una.

Answer 1

Hay dos factores limitantes. Uno es la capacidad de una pila de 9V. Cada pila tiene un límite de energía almacenada, que se mide canónicamente en julios (1 W de potencia durante 1 segundo), pero que a menudo se escribe en Wh, vatios-hora, porque así los números tienen más sentido para los humanos. Una pila normal de 9V tiene unos 5 Wh de energía. Eso significa que puede alimentar un dispositivo de 1 vatio durante 5 horas, un dispositivo de 5 vatios durante 1 hora o cualquier otra combinación que se multiplique por 5. Arrancar un coche consume unos 2,4 Wh, por lo que arrancarlo dos veces agotaría la batería de 9V. Tendrías que comprar una nueva para cada viaje al trabajo.

La otra cuestión es más sutil. Una pila de 9V no siempre produce exactamente 9V. La reacción química que empuja los electrones del cátodo al ánodo sólo puede progresar hasta cierto punto. Si los electrones se agotan más rápido de lo que pueden reponerse, las fuerzas electrostáticas que forman la base del voltaje se debilitan. Esto se debilita cada vez más hasta que la batería y la carga alcanzan un cierto "acuerdo", un nivel de tensión en el que la batería apenas puede reponer las cargas tan rápido como las consume la carga. Yo lo llamo "acuerdo", pero no es nada del otro mundo: es sólo un punto estable en las ecuaciones.

En la mayoría de las baterías prácticas, esto se modela como una "resistencia interna". Para la mayoría de las pilas, este efecto es lo suficientemente lineal como para que podamos modelarlo como si hubiera una resistencia adicional en serie con una fuente perfecta de 9 V y la carga. En este modelo, es fácil ver que una carga hambrienta de energía tendrá una resistencia muy baja, y la corriente pronto se verá limitada por esta "resistencia interna". Esto se puede remediar poniendo más pilas en paralelo, pero tu pregunta se centra explícitamente en una sola pila.

Al final, si quiero hacer funcionar mi soldador de arco de 90 amperios, necesitará unos 3000W . 3000W a 9V son unos 333 amperios. Los pobres reactivos químicos del interior de la batería nunca podrán seguir ese ritmo.

Si quieres ver lo que ocurre cuando el generador no mantiene la carga, busca lo que ocurre durante una caída de tensión. Es la versión para toda la red de este escenario.

Answer 2

Ya que lo ha restringido a un solo pila de 9v, la respuesta es porque es demasiado bajo Potencia (término físico) para muchas aplicaciones. Como analogía, un motor diminuto podría, si se le da el tiempo suficiente, hacer tanto trabajo como un motor gigante, pero el motor gigante puede hacer el trabajo más rápido, por lo que decimos que tiene más Potencia. Esto va a ser un problema:

Una pila de 9v de verdad sólo puede producir un máximo de 350mA a 9v, lo que equivale a unos 3 vatios. Piensa en un helicóptero intentando despegar. No puede simplemente girar las aspas 1000 rotaciones en el transcurso de una hora y esperar despegar. Tiene que lograr una rotación tarifa . O considera la posibilidad de tostar pan.

Si se te permite usar condensadores De este modo, puedes almacenar esa energía y gastarla en mucho menos tiempo para conseguir la potencia necesaria, pero en ese punto, sólo estás cargando una batería diferente lo que sin duda viola el principio de la pregunta.

Si tu hipotética pila de 9v no estuviera restringida a una potencia de salida, entonces este límite no se aplicaría, pero eso no es una pila de 9v, es un dispositivo mágico, y de hecho podrías alimentar todo con esto.

Answer 3

¿Por qué no podemos utilizar pilas de 9V CC para hacer funcionar todo en el mundo?

La respuesta más sencilla es que fabricar una batería e insuflarle energía es una forma muy ineficiente de suministrar energía a una carga. Luego está la eliminación de la megamultitud de baterías en vertederos o quizá en alguna planta de recuperación. No es una forma rentable de hacer las cosas, ni tampoco ecológica.

Answer 4

El material del electrodo que proporciona la energía es sólo una parte del coste, peso y volumen de una pila. Hay muchos otros componentes, por ejemplo envases sellados para mantener los electrolitos, contactos, etc.

En un formato de batería de menor capacidad, se ahorra en material de electrodo, pero no mucho en todo lo demás. Por ejemplo, una AA alcalina contiene unos 2500 mAh y una AAA unos 1000 mAh, pero el precio de ambas no es tan diferente. La cantidad de materiales en la carcasa, los contactos, etc., no es proporcional a la capacidad.

La pila de 9 V contiene 6 minúsculas celdas, por lo que tiene aún más materiales de embalaje que no participan en la capacidad de la pila, y muy poca pila real en su interior. La capacidad es baja y, como las celdas son pequeñas, no pueden suministrar mucha corriente.

La filosofía opuesta sería una pila más grande como la AA o la 18650 que contiene mucho más material de batería y menos "piel", lo que se traduce en un menor coste por unidad de energía almacenada, y una potencia y capacidad de corriente mucho mayores.

Así pues, la pila de 9 V solía ser práctica y de pequeño tamaño, muy adecuada para los circuitos analógicos de baja corriente de décadas pasadas. Ahora, los circuitos analógicos más modernos pueden funcionar con voltajes mucho más bajos, y los convertidores CC-CC se han vuelto omnipresentes y baratos, lo que significa que más dispositivos tienden a utilizar pilas AA como opción más barata. Dos pilas alcalinas AA ofrecen unos 3 Wh, mientras que una pila de 9V ofrece unos 4 Wh, por lo que la energía almacenada es similar, pero dos AA son mucho más baratas y cómodas.

Answer 5

En teoría, se podría, pero se perdería tanta energía en calor y en la conversión CA/CC que sería terriblemente rentable y un despilfarro. La cantidad de baterías que se necesitarían para obtener la cantidad correcta de amperios es ridícula (cada una hace unos 500milliaps durante una hora hasta que se mueren). Además, habría que sustituirlas rápidamente. Incluso un simple cargador de teléfono que funcione con pilas de 9V necesitaría (aproximadamente) tres pilas para llegar a los 14,5W (los iPhones sólo pueden funcionar a 15W). Si esto se amplía a dispositivos más grandes y que consumen más energía, se nos va de las manos muy rápidamente.