Arus baterai saat ini?

Saya membaca buku elektronik dasar: "Tidak ada Elektron: Elektronika untuk Penduduk Bumi" dan saya menemukan bagian yang cerdas tentang fakta bahwa Anda memerlukan sirkuit tertutup agar arus dapat mengalir. Inilah bagian yang saya ingin tahu:

"Ini selalu mengganggu saya: Jika terminal negatif baterai memiliki kelebihan elektron (muatan negatif) dan terminal positif baterai memiliki terlalu sedikit elektron (muatan positif) dan berlawanan menarik, mengapa saya tidak bisa menghubungkan kawat di antara sisi negatif dari satu baterai dan sisi positif dari baterai yang berbeda dan mendapatkan arus? Kebenaran ini tidak akan berfungsi. Tidak ada arus akan mengalir. Seandainya seseorang bisa menjelaskan kepada saya, saya mungkin tidak akan pernah menulis buku ini . "

Adakah yang punya jawaban langsung untuk pertanyaan ini?

Kebingungan di sini berasal dari deskripsi awal yang buruk tentang cara kerja baterai.

Baterai terdiri dari tiga hal: elektroda positif, elektroda negatif, dan elektrolit di antaranya. Elektroda terbuat dari bahan yang sangat ingin bereaksi satu sama lain; mereka dipisahkan oleh elektrolit.

Elektrolit bertindak seperti filter yang menghalangi aliran elektron, tetapi memungkinkan ion (atom bermuatan positif dari elektroda) melewatinya. Jika baterai tidak terhubung dengan apa pun, gaya kimia menarik ion-ion, mencoba menarik mereka melintasi elektrolit untuk menyelesaikan reaksi, tetapi ini diimbangi oleh gaya elektrostatik - tegangan antara elektroda. Ingat - tegangan antara dua titik berarti ada medan listrik antara titik-titik yang mendorong partikel bermuatan dalam satu arah.

Saat Anda menambahkan kabel di antara ujung baterai, elektron dapat melewati kabel, digerakkan oleh tegangan. Ini mengurangi gaya elektrostatik, sehingga ion dapat melewati elektrolit. Ketika baterai habis, ion bergerak dari satu elektroda ke yang lain, dan reaksi kimia berlangsung sampai salah satu elektroda habis.

Berpikir tentang dua baterai yang bersebelahan, dihubungkan oleh satu kabel - tidak ada tegangan di antara kedua baterai, sehingga tidak ada kekuatan untuk menggerakkan elektron. Di setiap baterai, gaya elektrostatik menyeimbangkan kekuatan kimia, dan baterai tetap pada kondisi stabil.

(Saya agak menutupi apa artinya bagi dua bahan untuk "ingin" saling bereaksi. Google "Energi bebas Gibbs" untuk perincian lebih lanjut tentang itu. Anda mungkin juga mencari "persamaan Nernst.")

Lupakan baterai sebentar, itu hanya satu dari seribu analogi yang dapat Anda gunakan untuk menggambarkan tegangan / arus dan alasan bahwa tidak ada arus yang mengalir tidak ada hubungannya dengan sifat elektro-kimia baterai, jauh lebih sederhana.

Cara termudah untuk memikirkannya adalah ini: Arus hanya akan pernah mengalir dalam satu lingkaran, bahkan dalam sirkuit yang sangat kompleks Anda selalu dapat memecahnya menjadi loop arus, jika tidak ada jalur untuk arus untuk kembali ke sumbernya, akan ada tidak ada aliran saat ini.

Dalam contoh baterai Anda, tidak ada jalur arus balik sehingga arus tidak akan mengalir. Jelas ada alasan fisika yang lebih mendalam mengapa ini bekerja tetapi karena pertanyaan yang diajukan untuk jawaban sederhana saya akan melewatkan matematika, Persamaan google Maxwell dan bagaimana mereka digunakan dalam derivasi hukum tegangan Kirchhoff.

Baterai memang menjadi contoh yang bagus untuk ini hanya karena mereka adalah sumber saat ini dengan alasan yang sepenuhnya terisolasi. Contoh ini akan sama benarnya dengan sumber daya lain dengan "tanah" yang sepenuhnya terisolasi.

Namun, ini bukan hal yang mudah untuk ditemukan, misalnya melakukan ini dengan 2 persediaan bangku kemungkinan akan membuat salah satu persediaan bangku sangat tidak bahagia, tetapi itu bukan karena efeknya berbeda, perbedaannya adalah bahwa persediaan bangku kemungkinan keduanya membumi ke kabel listrik di gedung dan karena itu ada jalur balik untuk mengalir melalui.

Analogi air untuk ini juga efektif. Pikirkan contoh baterai Anda dengan cara ini:

Anda memiliki pompa air (baterai A) yang terhubung ke pipa (kawat), dan Anda memiliki pompa air lain (baterai B) yang terhubung ke pipa yang sama (kawat). Sekarang dalam contoh Anda, tidak ada jalur balik dalam sistem, jadi bayangkan pipa itu penuh air tetapi ditutup pada kedua ujungnya.

Anda menekan sakelar daya pada pompa, apa yang terjadi?

Jawabannya tidak ada, tidak ada tempat untuk memindahkan air, pompa bahkan tidak berputar. (abaikan turbulensi air seperti efek untuk analogi ini).

Sekarang jika Anda menghubungkan pipa dalam satu lingkaran dan menekan tombol pompa akan berputar (tegangan) dan air akan mengalir (arus).

Jika Anda menggunakan 2 pompa kecepatan perbedaan (baterai voltase berbeda) dan menghadapinya satu sama lain akan kelebihan daya dan menyebabkan yang lain berputar ke arah yang salah (terbakar seperti menghubungkan baterai 9V dan 6V secara paralel).

Jika Anda menghubungkan kedua pompa yang menunjuk ke arah yang sama Anda akan mendapatkan lebih banyak tekanan air (tegangan) karena pompa saling membantu (2 baterai secara seri).

Katakanlah Anda memiliki baterai AA, dengan masing-masing 1,5 V. Selanjutnya, mari beri label baterai A dan baterai B. Jika Anda menghubungkan A + ke B-, apa yang sebenarnya Anda dapatkan adalah perbedaan 3 V di A- ke B +.

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

Ketika Anda menghubungkan B- ke A +, mereka berdua memiliki potensi yang sama (mereka terhubung dengan kawat, setelah semua). B + 1,5V lebih tinggi dari potensi ini, dan A- 1,5V lebih rendah.

Penting untuk diingat bahwa tegangan bukan nilai absolut . Itu nilai relatif . Kawat B- _ A + akan berada pada satu potensial, dan B + dan A- relatif terhadap potensial itu.

Saya juga selalu menemukan bahwa deskripsi orang awam tradisional tentang baterai menjadi menyesatkan. Kebanyakan orang menggambarkan baterai sebagai wadah penyimpanan untuk listrik, tetapi itu tidak menjelaskan mengapa Anda tidak dapat membuang listrik dari baterai ke tanah, atau mengapa Anda tidak dapat memiliki satu baterai untuk mengisi baterai yang lain, seperti dalam pertanyaan Anda di atas .

Ini mungkin bukan deskripsi yang akurat tentang apa yang sebenarnya terjadi, tetapi saya menemukan bahwa analogi yang lebih dimengerti adalah menggambarkan baterai sebagai pompa. "Energi" yang terkandung dalam baterai digunakan untuk menggerakkan pompa; itu tidak dikirim melalui kabel. Dengan analogi ini, jelas sekali mengapa ujung positif dan negatif dari baterai harus dihubungkan dalam suatu rangkaian. Jika, katakanlah, Anda hanya menghubungkan elektroda negatif ke ground, tidak ada arus karena tidak ada listrik yang masuk pada elektroda positif yang dapat dipompa keluar.

Secara teknis, arus mungkin mengalir atau tidak ketika kawat dihubungkan dengan cara itu. Itu semua tergantung pada ada atau tidaknya potensi perbedaan biaya antara kedua terminal tersebut. Jika perbedaannya kecil, arus sedikit / tidak ada akan mengalir. Ini berlaku untuk setiap kabel yang terhubung antara dua terminal, di mana saja.

Namun, saat ini lebih dari mungkin tidak akan (tergantung pada usia / penggunaan baterai). Alasan mengapa karena perbedaan potensial tegangan - "lubang berlebih pada ujung positif" dan "kelebihan elektron pada ujung negatif" - relatif terhadap baterai yang diberikan . Ada kelebihan elektron / lubang di ujung baterai yang diberikan sehubungan satu sama lain. Hubungan itu mungkin benar atau tidak benar antara terminal negatif satu baterai dan terminal positif yang lain.

Arus yang mengalir ke persimpangan selalu sama dengan arus yang mengalir keluar dari persimpangan. Karena itu, arus harus selalu mengalir dalam satu lingkaran.

Pertama. Arus WILL yang sangat kecil untuk waktu yang sangat singkat ... tetapi hanya membutuhkan sedikit muatan listrik (statis) untuk lulus untuk membangun tegangan mundur yang cukup untuk membatalkan tegangan maju. Ingatlah bahwa listrik statis yang terlihat seperti menggosokkan balon pada rambut biasanya melibatkan tegangan BESAR seperti (puluhan) ribuan volt yang diperlukan untuk membuat percikan. Sel sederhana 1,5 volt tidak dapat membuat percikan (tanpa bantuan khusus). Sebenarnya jika Anda dengan hati-hati menangguhkan sepasang sel sederhana (baterai) di ruang angkasa atau menggantung pada tali, mereka akan memiliki interaksi dipol kecil dan memutar seperti sepasang magnet dan kemudian saling menarik. Sayangnya ini hanya menjadi kekuatan yang sangat kecil meskipun dapat dihitung dan terbatas. Mungkin ekspektasi ini dilakukan secara sensitif untuk menunjukkan ini. Lebih lanjut, masalah asli agak seperti pengisian kapasitor jika Anda memikirkannya. Dengan terminal yang tidak terkoneksi menjadi hanya pelat kapasitor. Kecilnya terminal dan pemisahan sangat numerik dari kapasitor yang baik yang memiliki area besar dan pemisahan kecil yang membuat semua perbedaan dan itulah sebabnya saat ini sangat kecil (tapi terbatas) dalam masalah aslinya.

Saya pikir hal lain yang mungkin membingungkan Anda adalah bahwa kita mengatakan tegangan dalam sebuah konduktor selalu konstan. Meskipun ini sebagian besar benar, itu semacam kebohongan. Semua konduktor masih memiliki resistensi yang terbatas. Karena itu, jika Anda menghubungkan kawat di antara dua terminal baterai, salah satu ujung kabel akan berada pada potensi yang berbeda, maka yang lainnya dan arus pada kawat akan mengikuti hukum ohm. Saya tidak tahu apakah Anda pernah mencoba korslet dua terminal baterai seperti ini tetapi karena hambatan kawat sangat rendah ohm hukum memberikan arus yang sangat besar yang akan memanaskan kawat dan membakar Anda.

Sekarang alasan mengapa kita biasanya mengatakan bahwa potensi dalam kawat adalah konstan adalah karena biasanya ada komponen lain di sirkuit kita yang resistansinya jauh lebih besar daripada kabel. Karena ini sebagian besar tegangan pada akhirnya akan jatuh melintasi komponen lain dalam rangkaian dan hanya akan ada penurunan tegangan yang sangat kecil dari satu ujung kawat ke ujung lainnya. Jadi kita dapat menyederhanakan masalah kita dengan mengatakan bahwa tegangan konstan pada kabel.