¿Cómo determina una batería su voltaje de salida?

Cuando finalmente supe la respuesta, me sorprendió, porque ninguno de mis libros de texto de ingeniería o química lo explicaba. (Solo presentaron ecuaciones que lo describen. Obviamente no lo entendieron ellos mismos, ya que no pudieron explicárselo a la abuela de Einstein).

El voltaje de la batería está determinado por capas microdelgadas en las dos placas de la batería. Todas las baterías siempre contienen dos baterías independientes separadas dentro de ellas (bueno, en realidad se llaman medias celdas, no baterías). Una aparece en la superficie de la placa positiva, mientras que la otra está en la superficie del negativo. Los “terminales” de cada media celda son un cable de metal en un lado y un volumen lleno de electrolitos en el otro (quizás use una manguera en lugar de un cable). Por ejemplo, podemos tener una media celda de plomo con ácido, o una media celda de zinc con solución de cloruro de zinc, media celda de litio, carbono, etc. Cada uno crea su propio voltaje especial y es posible mezclar y combinar las medias celdas. Normalmente las dos medias celdas están conectadas en serie, con los conductores de agua en contacto.

Entonces, en realidad su pregunta es, dentro de una batería, ¿cómo deciden cada una de las dos medias celdas su propio voltaje?

Su voltaje se basa en que el agua disuelve un metal. El agua resulta ser un solvente extremadamente corrosivo. Por lo general, solo notamos esto cuando ponemos un poco de azúcar o sal en el agua. Las moléculas de agua atacan la superficie sólida, extrayendo átomos / moléculas y llevándolos al agua.

Cuando ponemos metales en el agua, sucede lo mismo. El agua disolverá cualquier objeto metálico en segundos, porque las moléculas de agua extraen agresivamente todos los átomos metálicos y se los llevan. Los metales se disuelven tan fácilmente como el azúcar o la sal.

Oye, espera un minuto. Cuando sumerjo un destornillador en agua, seguro, tal vez se corroe después de días o semanas, pero no desaparece en minutos como si estuviera hecho de sal de roca. Sí, tienes razón, y la razón por la que no se disuelve es extraña y fascinante.

Cuando mete un destornillador en el agua, el agua comienza a disolverlo. Los átomos de hierro son arrancados, casi tan rápido como la disolución de los dulces de roca. Pero los metales son raros. Todos sus átomos habían perdido originalmente un electrón cuando el metal se formó por primera vez. El destornillador está hecho de átomos de hierro cargados positivamente inmersos en un “mar de carga” hecho de electrones móviles. Entonces, cada vez que el agua disuelve el hierro, quita los átomos con carga positiva. Cuando esto sucede, el agua se carga positivamente y el destornillador se vuelve negativo. Aparece un voltaje entre el agua y el metal, y crece rápidamente más grande.

Luego, cuando el voltaje ha aumentado a un cierto valor, la disolución se detiene.

Si los átomos que se disuelven tienen carga positiva, ¡entonces el agua no puede disolver un metal con carga negativa! Una atracción electrostática muy fuerte crecerá entre el destornillador negativo y sus átomos de hierro con carga positiva. La atracción se hace más y más grande a medida que el agua elimina más y más átomos positivos. Rápidamente gana la atracción entre el metal negativo y los iones positivos. El agua agresiva es temporalmente derrotada. Si el agua toma demasiados átomos de hierro, la mayor atracción los atrae nuevamente. O, si algunos átomos de hierro vuelven al destornillador, entonces la carga total del agua y el metal disminuye, y esto permite que el agua robe más átomos de hierro. . Finalmente, las cosas se equilibran, el voltaje entre el metal y el agua se vuelve constante, y la placa de metal no crece ni se contrae. (O, de hecho, crece y se contrae simultáneamente, con un poco de disolución combinada con algo de disolución).

Como esta atracción de voltaje impide que el metal se disuelva, existe un valor particular de voltaje entre el agua y el metal. Este voltaje fue creado por la eliminación de átomos positivos de la superficie del metal. Este voltaje solo existe a través de una capa microdelgada; en la superficie donde el agua toca el metal. Después de todo, el agua llena de iones es un buen conductor, y también lo es el metal. El agua forma una “placa de media celda”, y el metal es la otra placa. Es muy parecido a un condensador cargado (es un condensador autocargado, alimentado por metal en disolución).

Observe que la “batería” tiene solo unas pocas moléculas de espesor. Pero también es muy muy ancho, ya que está compuesto por toda la superficie de la placa de metal dentro de la batería. Dentro de la capa de batería, los pocos voltios se concentran en nanómetros, produciendo campos titánicos y fuerzas eléctricas (fuerzas de campo de millones de voltios / metro, cerca del voltaje de ruptura donde pueden ocurrir rayos y descargas luminosas). Pueden ocurrir cosas exóticas. en el interior hay. Para más investigación, vaya a buscar en la ‘doble capa de Helmholtz’. Esa es la película micro-delgada donde está sucediendo toda la química de la batería y la física de los condensadores.

Como puede suponer, diferentes metales tienen diferentes atracciones entre sus átomos internos. Los diferentes metales tienen sus átomos unidos en redes cristalinas, y la fuerza de los enlaces cristalinos depende del tipo de metal. Resisten el ataque agresivo del agua en diferentes cantidades. Cuando se disuelven con agua, se elevan a varios voltajes diferentes antes de detener la corrosión. El voltaje exacto depende del tipo de metal que se disuelve.

Cada voltaje de media celda fue creado por corrosión química; por el agua atacando agresivamente la superficie metálica y disolviéndola. Las desagradables moléculas de agua arrancan los átomos de metal con carga positiva y los transportan al agua. El agua termina cargada positivamente, mientras que el metal se vuelve igualmente negativo. ¿Qué pasaría si pudiéramos reducir ese voltaje entre el agua y el metal? ¿Y si pudiéramos hacerlo cero? En ese caso, el agua volvería a corroer el metal. El agua se oscurecería con el metal disuelto, se calentaría rápidamente hasta hervir, y la superficie del metal podría incluso derretirse o comenzar a arder. La energía liberada cuando el agua disuelve metales es muy grande, casi tan grande como cuando los metales se queman en oxígeno. Y podemos activar instantáneamente esta producción de energía al reducir el voltaje.

Puedes ver a dónde va esto. Una batería disuelve las placas de metal. Pero entonces no se calienta. En cambio, utiliza esta corrosión para producir un voltaje entre el metal y el agua. Y, si algún tipo de dispositivo eléctrico está conectado a la batería, entonces, en lugar de calentar el agua, la energía fluye hacia ese dispositivo externo y lo alimenta. Conecte una bombilla a la batería, y la bombilla se enciende. La batería todavía está “quemándose” internamente: su metal se está corroyendo. Pero, en lugar de calentar la batería, la energía se está utilizando para producir un voltaje y una corriente: fuerza y ​​movimiento eléctricos, donde casi toda la energía entra en la bombilla, y se desperdicia muy poco en el calentamiento del agua. o las placas de la batería. (¡La bombilla incandescente se calienta, pero los productos de combustión en la batería se mantienen fríos! Bastante sorprendente, ¿no?)

Je, ¿y si pudiéramos convertir algunas llamas directamente en energía eléctrica? Bueno, eso es lo que las baterías siempre han estado haciendo, desde que se inventaron. Pero lo hacen lentamente, y el fuego interno se mantiene frío, de modo que nunca nos daremos cuenta de que las placas de la batería están realmente “encendidas”. Por ejemplo, dentro de las celdas D de zinc de estilo antiguo, la placa de zinc está ‘oxidada’ en cloruro de zinc, exactamente como si el metal de zinc hubiera sido colocado en un tanque lleno de cloro gaseoso y luego encendido. La energía almacenada en los metales es bastante enorme (similar a la energía almacenada en la madera no quemada o la gasolina). Pero cuando el zinc bajo el agua se convierte silenciosamente en cloruro de zinc disuelto, tenemos poca intuición intuitiva para la enorme energía liberada. No como el polvo de zinc en llamas que explota en una atmósfera de cloro.

OK, volviendo a la pregunta original: ¿cómo determinan su voltaje las baterías enteras ? Hasta ahora solo hemos explicado cómo las medias celdas pueden hacer esto. Siempre hay un cierto voltaje de zinc / agua, o un mayor voltaje de litio / agua, etc.

Desafortunadamente, no hay forma de conectar terminales de metal wto a una media celda dentro de una batería.

Claro, podemos conectar un cable a la placa de zinc. Pero, ¿cómo conectamos nuestro segundo cable al agua? Hay un voltaje genuino hacia abajo entre el agua y la superficie de zinc. Pero no tenemos una manera simple de llegar a eso. El problema es que si tocamos cualquier cable de metal con el agua, creamos una segunda media celda no deseada , y su voltaje es al revés. Tome una media celda de zinc / agua, luego toque un alambre de zinc contra el agua. Ahora tenemos dos medias celdas de zinc / agua. Apuntan en direcciones opuestas (agua positiva, zinc negativo). Aparece un voltaje significativo entre el agua y el zinc. Pero entre los dos contactos de zinc, el voltaje se cancela a cero.

Para resolver este problema, simplemente hacemos lo que Luigi Galvani hizo originalmente (también Alessandro Volta). Usaron dos metales diferentes. Toque el cobre y el hierro con la misma rana salada mojada y muerta, la humedad corroe los metales y los dos metales crean dos voltajes diferentes. Ahora toque los dos metales juntos. Esto reduce en gran medida el voltaje de agua / metal en las dos superficies metálicas, y una superficie comienza a corroerse rápidamente. Los átomos de metal positivo inundan el limo conductor de la rana. Este flujo de carga positiva es una corriente eléctrica. Ahora tenemos una batería genuina. Pero está en corto, ya que las dos placas de metal se tocan. Dentro de la rana húmeda, aparecen corrientes y voltajes, lo que desencadena los nervios medio muertos y hace que los músculos se contraigan.

Aquí hay algo que mis textos nunca mencionaron. Tenga en cuenta que, cuando dos metales tocan la misma agua, uno se disuelve, pero el otro se “impulsa hacia atrás”. Sí, no se disuelve o se ‘electrochapa’, y consume parte de la energía liberada por la disolución. plato. En otras palabras, ambas placas de batería no están suministrando energía. En cambio, la placa corroída siempre emite energía, ¡y la otra placa siempre intercepta una cantidad significativa! Afortunadamente, los dos voltajes en las medias celdas no son exactamente iguales. Eso significa que una placa emite energía, mientras que la placa de “química hacia atrás” consume menos energía. La energía química se mueve de una placa de batería a otra, mientras que el resto puede ser utilizado por cualquier dispositivo fuera de la batería.

Y finalmente, cada vez que conectamos dos metales diferentes a un poco de agua, sus voltajes se restan. Su diferencia aparece en los terminales de la batería. Y de ahí proviene el voltaje de salida de una batería. No medimos los voltajes reales de agua / metal. En cambio, solo vemos la diferencia entre el par de voltajes de agua / metal que habían sido creados por las dos superficies metálicas dentro de la batería.

¿Quieren más? Pruebe este, sobre electrodos metálicos, energía y conceptos erróneos: la respuesta de William Beaty a ¿Qué es el potencial de un solo electrodo y su determinación?

Primero, uno tiene que definir la batería. Es un término militar que describe una disposición de armas capaces de actuar juntas de manera coordinada. Se ha adaptado para describir una disposición de celdas eléctricas idénticas dispuestas para actuar juntas de manera coordinada. Luego se ha utilizado incorrectamente para referirse solo a una de las celdas eléctricas (como decir que un cañón es una batería).

El voltaje de salida de una batería es (a) la suma de todos los voltajes de las celdas individuales (si están dispuestos en secuencia, es decir, de ánodo a cátodo a lo largo de la línea. También se conoce como “pila”, de ahí la palabra para “baterías” en lugares como Francia e Italia. O (b) lo mismo que solo una de las celdas (si está dispuesta en paralelo, es decir, todos los ánodos conectados entre sí y todos los cátodos conectados entre sí). La ventaja de esto es que puede obtener una corriente más intensa extraiga del último (b), o un voltaje más alto del anterior (a). Por ejemplo, si desmonta una batería AA, encontrará que es solo una celda de aproximadamente 1,5 voltios. Si desmonta una batería de alarma de incendio, encontrará que son 6 de estas celdas unidas en serie de manera compacta para proporcionar 6 x 1.5 voltios = los 9 voltios necesarios para activar la función del detector de humo.

Para las células basadas en reacciones químicas en un entorno acuoso, el voltaje máximo está teóricamente restringido a 2 voltios porque en ese punto la energía se consume dentro de la célula convirtiendo el agua en hidrógeno y oxígeno gaseoso y su vida útil es cero. Por razones prácticas, tales celdas comerciales generalmente funcionan a un máximo de 1,5 voltios.

Las celdas basadas en otros entornos no acuosos pueden tener diferentes voltajes máximos, pero a menudo están restringidas por un límite de densidad de corriente debido a la movilidad de los iones en medios restrictivos.

Incluso las células acuosas alcanzan un límite de corriente debido a la “polarización” donde los productos de reacción no pueden salir del electrodo lo suficientemente rápido como para mantener la reacción al nivel de energía teórico. Esta es la razón por la cual una linterna en vivo podría apagarse como si las células estuvieran agotadas, pero se recuperará lentamente y funcionará nuevamente tal vez media hora más tarde.

Existen muchos aspectos en el funcionamiento de las celdas eléctricas (baterías), pero fundamentalmente todos se basan en la Energía Libre disponible de alguna reacción / proceso químico u otro. Cuanto mayor es la energía, mayor es el voltaje por celda. La derivación de los voltajes de “media celda” (es decir, contribución por electrodo) debe basarse en un voltaje CERO arbitrario, por lo que no tiene una existencia real independiente. Para la mayoría de los propósitos, el Marcador Cero conveniente es el Electrodo de Hidrógeno, el voltaje para la interconversión de hidrógeno estándar a ion de hidrógeno estándar, y todos los otros voltajes de ionización (en agua) son relativos a eso. Una tabla de potenciales de media celda hace que sea más fácil elegir electrodos que puedan darle el voltaje que necesita, sujeto a las limitaciones de los medios (véase más arriba).

Podría usar cualquier proceso de ionización como cero y cuando suma los potenciales de media celda, obtendrá el mismo voltaje de celda general, pero en un mundo acuático, uno de los dos átomos componentes del agua es una opción obvia.

Una batería (celda realmente) constará de dos electrodos en un material conductor: el electrolito.

En el electrodo positivo, la celda tiende a querer ‘aspirar’ electrones del circuito exterior. Aquí los iones positivos como H + ganan electrones y se vuelven neutrales. Solo pueden ‘chupar tan fuerte’ y la diferencia potencial es una medida de esto. Por lo tanto, este electrodo contribuye a una cierta PD o voltaje al ‘succionar’ electrones.

En el electrodo negativo se producen otras reacciones que tienden a producir electrones en exceso, que son empujados hacia arriba por el cable hacia el circuito externo. De manera similar: la PG o la volatilidad a la que contribuye este electrodo miden la intensidad de la expulsión de los electrones. El tipo de reacción que hace que estos electrones en exceso sean

Esto se debe a que se produce una reacción en la que los iones negativos del electrolito (como los iones OH-) reaccionan con el electrodo y absorben electrones; en el caso de OH, es probable que obtenga agua + [O]. Es probable que este oxígeno reaccione con el material del electrodo. La naturaleza de esta reacción decide parte del voltaje de la celda. El proceso puede expulsar los electrones podría ser algo así como los iones OH que se convierten en agua y oxígeno; el oxígeno puede reaccionar con el material del electrodo.

La volatilidad general de la celda es la suma de las dos diferencias potenciales: los electrones son empujados desde un extremo y succionados por el otro.

Tenga en cuenta que si no hay un circuito completo, al final donde se expulsan los electrones, el exceso no puede escapar y comenzar a repeler, eventualmente los iones OH (u otros) ya no pueden expulsar más electrones y la reacción se detiene . En el extremo opuesto, algunos electrones se succionan, pero si el circuito está incompleto, estos electrones no se reemplazan, el cable se carga positivamente y atrae a los electrones hacia atrás para que no se succionen más. Nuevamente, la reacción se detiene. La detención de la reacción explica por qué la batería no se “agota” mientras no se está utilizando. Mientras más corriente consumas, más flujo de electrones y más rápidamente se agotan los químicos.

¡El lenguaje en esta respuesta no es para puristas!

Cuando dos materiales conductivos diferentes se tocan, se produce una diferencia de potencial. Se llama efecto VOLTA, de donde se deriva la palabra VOLT para honrar al descubridor.

Para la experimentación, uno puede tomar una papa, un limón, un electrolito, etc. y sumergir un cable de cobre o zinc en la papa / limón antes mencionada, y conectar dos sondas de un voltímetro. Se leerá un voltaje en el voltímetro.

Así es como lo entiendo, la batería en realidad significa un grupo de células. Una batería AA es en realidad una celda. Ciertas disposiciones químicas producen un voltaje natural, como una batería alcalina (celda) de aproximadamente 1.5 voltios, el plomo / ácido es de 2 voltios por celda, una celda de tipo níquel cadmio o hidruro metálico de níquel produce 1.2 voltios naturalmente, el litio tiene un voltaje más alto alrededor 3.6 por lo general, dependiendo de si se trata de litio, cobalto, fosfato, etc., el voltaje de una batería se determina multiplicando el número de celdas que se usan y se conectan en serie (positivo conectado a las siguientes baterías negativo, etc.). Por lo tanto, 6 celdas de ácido de plomo conectadas en cadena producen una batería de automóvil de 12 voltios (es por eso que hay 6 tapas). Para obtener un mayor amperaje, puede hacer que las celdas sean más grandes o cablear las celdas en paralelo.
Eso es lo que hace que las baterías tengan voltaje y amperios. Química y cableado.
¡Bueno! Entonces, me alegro de poder ayudar si lo hiciera.

Mecánica cuántica. Es una mezcla de microscópico y macrosópico. A la escala de átomos y electrones, la química es tal que los electrones quieren acumularse en el cátodo y lo harán hasta que se desarrolle un Voltaje y el cátodo esté en un estado dinámicamente estable donde, para cualquier electrón agregado, salga un número igual. La conexión externa del ánodo y el cátodo reduce el voltaje y permite que más electrones salgan del eletrolito para unirse al cátodo a medida que otros salen a través de la conexión externa.

El voltaje de la batería suele ser la suma de los voltajes entre el ánodo y el electrolito y el cátodo y el electrolito, por lo que desea una reacción repelente de electrones en el ánodo. La reacción que mantiene funcionando la batería es que los iones viajan del cátodo al ánodo después de perder sus electrones.

Las baterías de flujo tienen dos electrolitos separados por una barrera que solo pasa los iones y no deja que los electrolitos se mezclen, y el voltaje de la batería se determina por la química cuántica entre los electrolitos.

Dado que las reacciones químicas suceden en una interfaz, cambiar el tamaño de la batería no cambia el voltaje de una química determinada.

Esto está determinado por los efectos de ingeniería de las reacciones químicas específicas internas, cosechadas a través de áreas de superficie y volúmenes de materiales para cumplir con las especificaciones deseadas.

Hay muchos tipos de composiciones que almacenan energía y producen una corriente, cada una se construye a su manera.

No es una decisión o un cálculo o por diseño. Es una función de la química, el material y la construcción.

Otro camino alrededor. Comienza con la necesidad de electricidad, determina quién es y construye una batería según la demanda.

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