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.
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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.
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