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A livello atomico, cosa succede quando si collegano due batterie in serie in modo che le loro tensioni si sommino?

Ciao, abbiamo trovato la soluzione a quello che stavi cercando, scorri e lo vedrai di seguito.

Soluzione:

Un modo per pensare a questo è il seguente: per il sistema a due batterie con le batterie in serie, il terminale positivo della batteria "A" non sa o non si preoccupa della tensione che il terminale negativo della batteria "B" gli presenta. Tutto ciò che la batteria "A" farà è estrarre gli elettroni dal suo terminale positivo, portarli a un potenziale superiore di N volt (dove N è la tensione nominale della batteria) e presentarli al suo terminale negativo. In pratica, ciò significa che le tensioni delle batterie in serie sono linearmente additive.

Chimica e fisica delle batterie in serie

Cosa succede a livello atomico all'interno di una cella quando si mettono in serie due batterie?

Risposta breve:

Caratteristiche di una singola cella rispetto a due celle in serie: (cioè, confrontare la tensione e la corrente, $E$ campo, energia immagazzinata, potenza, carica e tempo di funzionamento in un circuito con lo stesso carico resistivo):

  • Il doppio della tensione, dovuta alla somma delle tensioni di due celle in serie (cioè il doppio della tensione di una cella). $E$ che agisce su un carico resistivo attraverso il conduttore).
  • Corrente doppia con lo stesso carico, grazie al raddoppio della tensione.
  • Velocità di reazione doppia sia all'anodo che al catodo in tutte le celle in serie.
  • Il doppio della velocità di $mathrm{H^+}$ migrazione di ioni dall'anodo al catodo per mantenere la neutralità di carica sia all'anodo che al catodo.
  • Il doppio della velocità di esaurimento della carica della batteria. Quando la corrente raddoppia e la capacità di carica di ciascuna cella rimane invariata, la durata del flusso si riduce alla metà.
  • Nel circuito con batterie in serie: la stessa corrente scorre attraverso tutti gli elementi di corrente. (La corrente di elettroni scorre attraverso gli elementi del circuito: ha origine nell'anodo esterno, viaggia attraverso il conduttore, il carico, il catodo esterno, l'anodo interno e infine viene neutralizzata dalla reazione del catodo interno).
  • All'interno degli elettroliti delle celle in serie, l'entità della portata di ioni è uguale alla portata di corrente attraverso gli elettroliti di entrambe le celle, ($testo{cell}_1$ e $testo{cell}_2$).

Quale forza spinge la corrente attraverso l'elettrolita e il conduttore tra le celle in serie?

  • In definitiva, la somma delle tensioni delle celle della batteria determina la corrente attraverso le celle, ma la sua azione è indiretta. Le tensioni delle batterie terminali determinano la corrente attraverso il carico, ma la migrazione degli ioni e i potenziali di reazione sono responsabili della corrente all'interno delle batterie.
  • La tensione raddoppiata di due batterie in serie determina il doppio della corrente attraverso il carico.
  • L'aumento di corrente attira più elettroni dall'anodo esterno e li conduce attraverso il carico al catodo esterno. (Nota: l'anodo esterno e il catodo esterno si riferiscono agli elettrodi esterni delle due celle in serie. E ovviamente, i termini "anodo interno" e "catodo interno" si riferiscono ai terminali collegati tra le batterie in serie).
  • L'aumento della velocità di rimozione degli elettroni dall'anodo esterno e di consegna al catodo esterno disturba lo stato di equilibrio delle reazioni sia nell'anodo esterno che nel catodo esterno, con conseguente produzione di più elettroni da parte della reazione anodica e consumo di più elettroni da parte della reazione catodica.
  • La perturbazione dello stato di equilibrio dell'anodo esterno e del catodo esterno viene comunicata all'anodo interno e al catodo interno delle celle in serie mediante l'accumulo di carica intorno ai terminali. L'attrazione di carica tra gli ioni nell'elettrolita provoca una migrazione di ioni tra i terminali. L'aumento della corrente e del flusso di ioni determina una regolazione della velocità di reazione. Alla fine, il transitorio di corrente si smorza e la stessa corrente scorre attraverso l'intero circuito (conduttori, carico e celle in serie), soddisfacendo così il flusso di corrente attraverso il carico.

Risposta lunga:

Esempio di chimica della batteria: (cella singola)

  • Circuito: carico resistivo, una cella, batteria al piombo, circuito aperto.
  • La tensione di una singola cella è $2,05 mathrm V=1,60 mathrm V+0,36mathrm V$
  • La reazione di ossidazione della semicella anodica è: $mathrm{Pb+SO_4^{2-}to PbSO_4+2e^-}$
  • La reazione di riduzione dell'emicella catodica è: $mathrm{PbO_2+SO_4^{2-}+2e^-+4H^+to PbSO_4+H_2O}$
  • Reazione dell'elettrolita anodico:$mathrm{H^+}$ e $Mathrm{SO_4^{2-}$ migrano come necessario per mantenere la neutralità della carica. $mathrm{SO_4^{2-}}$ vengono rimossi dall'elettrolita tramite la reazione dell'anodo con $mathrm{Pb}$. Due elettroni vengono lasciati sull'anodo, dando luogo a una carica netta positiva nell'elettrolita intorno all'anodo. L'eccesso $mathrm{H^+}$ migrano verso il catodo, dove $mathrm{O_2^{2-}}$ reagiscono con $Mathrm{H^+}$ per produrre $mathrm{H_2O}$ che neutralizza la carica netta dell'elettrolita.
  • Perché la reazione anodica si arresta in un circuito aperto? La reazione anodica procede spontaneamente e libera elettroni, che si accumulano sulla superficie dell'anodo. $mathrm{H^+}$ Gli ioni in soluzione sono attratti dagli elettroni sull'anodo, creando di fatto uno strato netto di ioni con carica positiva che copre l'intero anodo. Questo strato positivo di $mathrm{H^+}$ attira $$$mathrm{SO_4^{2-}}$ ioni dall'elettrolita, ma non riescono a penetrare nel $mathrm{H^+}$ per reagire con lo strato di ioni $mathrm{Pb}$. Quando il circuito della batteria è chiuso, la corrente fluisce e gli elettroni in eccesso sulla piastra si spostano verso il catodo, il $mathrm{H^+}$ si disperde e lo strato di ioni $mathrm{SO_4^{2-}}$ migrano verso lo strato $mathrm{Pb}$ e reagiscono.
  • Reazione dell'elettrolita al catodo: la reazione complessiva è: $mathrm{4H^+O^{2-}to2H_2O}$. Questa reazione neutralizza, a) $mathrm{2H^+}$ dall'anodo, b) $mathrm{2H^+}$ dal catodo, con c) $mathrm{O^{2-}}$ dal catodo, d) risultante in $mathrm{H2O}$.
  • Corrente elettrolitica: Gli elettroni fluiscono dall'anodo al catodo attraverso un conduttore, ma c'è anche un movimento di carica nell'elettrolita per migrazione di ioni dove $mathrm{H^+}$ migrano dall'anodo al catodo. Una visione d'insieme del movimento di carica della batteria è: 1) gli elettroni si spostano dall'anodo al catodo attraverso un conduttore, e 2) questi elettroni si combinano con $mathrm{H^+}$ ioni al catodo. La batteria mantiene la neutralità complessiva della carica elettrica netta, ma internamente l'anodo e il catodo sono serbatoi di carica positiva e negativa separati, sia sui terminali che nell'elettrolita. Il differenziale di carica tra i terminali produce l'associato $E$ potenziale di campo, che viene utilizzato per compiere lavoro. La batteria converte l'energia del legame elettrostatico di una specie atomica/molecolare in un'altra specie di energia inferiore. L'energia viene convertita in un $E$ creando uno scenario di separazione di carica, che produce la neutralità della carica elettrica nell'elettrolita. Tuttavia, la sequenza di reazione è più complessa. Il catodo rilascia $mathrm{O^{2-}}$ dal $mathrm{PbO_2+SO_4^{2-}+2e^-}$ reazione, la $mathrm{H^+}$ reagiscono con gli ioni $mathrm{O^{2-}}$ e lo convertono in acqua. Se il $mathrm{H^+}$ avesse reagito con un elettrone libero al catodo, avrebbe formato $mathrm{H_2}$ gas.
  • Elettrostatica ed elettrochimica delle celle in serie: Le stesse reazioni chimiche avvengono nelle singole celle, sia in un circuito a cella singola che in serie. La differenza è la quantità di corrente assorbita dalle batterie in serie rispetto alle singole celle attraverso lo stesso carico resistivo. Le reazioni delle semicelle che compongono una batteria generano un potenziale elettrico.
    Le reazioni dell'anodo e del catodo generano un potenziale a circuito aperto, che si traduce in un flusso di corrente proporzionale alla tensione quando il circuito è chiuso. Quando le celle sono poste in serie, la tensione delle due celle si somma, dando luogo a una tensione raddoppiata. $E$ nello spazio circostante le batterie. Di conseguenza, la tensione più alta sul carico assorbe il doppio della corrente. Questa corrente/velocità di rimozione degli elettroni raddoppia la velocità di reazione nelle celle. Pertanto, poiché la tensione è (essenzialmente) costante da una singola batteria, il fattore che controlla il flusso di corrente è il carico (minore resistenza, maggiore corrente). Ma se le batterie fossero poste in serie e il carico fosse mantenuto costante, la corrente raddoppierebbe e il tasso di reazione raddoppierebbe perché la tensione è raddoppiata.

Esempio di cella singola: Batteria al piombo-acido, $10 ´mathrm{Ah}$ carica

  • Carico $R=4.1\mathrmOmega$
  • Tensione $V=2,05 mathrm V$
  • Carica totale immagazzinata $q_testo{totale} = 10 ´mathrm{Ah} =10 ´mathrm{C/s}´times3´, 600 ´mathrm{s/h}´times1´ ´mathrm h=36´, 000 ´mathrm C$
  • Flusso di corrente $I=V/R=2,05i} mathrm V/4,1i} mathrmOmega=0,5i} mathrm A$
  • Tempo di funzionamento $q_text{total}/I=36.000\\code(0144)mathrm C/0,5\code(0144)mathrm A=72.000\code(0144)mathrm s=72.000/3.600=20\code(0144)mathrm h$
  • Consumo di energia: $P=IV=0,5 ´mathrm A´times2,05 ´mathrm V=1,025 ´mathrm W$
  • Accumulo totale di energia: $Delta E=P´times'Delta t=1,025 ´mathrm W´times20 ´mathrm h=20,5 ´mathrm{Wh}$
  • Accumulo totale di energia: $Delta E=IV'timesDelta t=Vtimes(IcdotDelta t)=2,05 mathrm Vtimes10 mathrm{Ah}=20,5 mathrm{Wh}$

Esempio di cella in serie: Batteria al piombo-acido, $10 ´mathrm{Ah}$ per cella, stesso carico

  • Carico $R=4.1\mathrmOmega$ (cioè lo stesso circuito, ma con due celle in serie)
  • Tensione $V=2,05 mathrm V+2,05 mathrm V=4,1 mathrm V$
  • Accumulo totale di carica = $q_testo{totale}=10 mathrm{Ah}=36.000 mathrm{As}=36.000 mathrm C$ (Nota: scarico completo dopo la consegna $36,000 ´mathrm C$ di carica. Entrambe le batterie hanno immagazzinato $36,000 ´mathrm C$ ma la scarica di una cella fa passare i suoi elettroni dall'anodo di una al catodo della seconda. Pertanto, la scarica di 36K coulomb esaurisce entrambe le batterie nello stesso momento).
  • Flusso di corrente: $I=V/R=4,1 mathrm V/4,1 mathrmOmega=1 mathrm A$
  • Tempo di funzionamento = $q_testo{totale}/I=36,000 mathrm C/1 mathrm A=36,000 mathrm s=10 mathrm h$
  • Potenza erogata/consumo: $P=IV=1 mathrm Atimes4.1 mathrm V=4.1 mathrm W$
  • Accumulo totale di energia: $Delta E=P´times'Delta t=4,1 ´mathrm V'times10 ´mathrm{Ah}=41,0 ´mathrm{Wh}$
  • Accumulo totale di energia: $Delta E=IV'timesDelta t=Vtimes(IcdotDelta t)=4.1mathrm Vtimes10 mathrm{Ah}=41.0mathrm{Wh}$

Principi della batteria:

Conservazione della carica: La batteria singola di cui sopra contiene $10 mathrm{Ah}$ di carica, che equivale a $36,000 mathrm C$. Questa è la quantità totale di carica che la batteria può erogare come corrente. Le batterie in serie esauriscono le loro riserve di elettroni nello stesso momento, perché tutta la corrente passa attraverso entrambe le batterie. In un circuito chiuso, all'anodo i reagenti reagiscono e generano elettroni in eccesso. Al catodo, i reagenti reagiscono con gli elettroni per creare prodotti. Ciò avviene spontaneamente e genera uno stato di carenza di elettroni al catodo. La reazione non può procedere senza una fonte esterna di elettroni. Quando gli elettroni conducono dall'anodo al catodo, soddisfano il bisogno di elettroni del catodo, consentendo alla reazione catodica di procedere alla stessa velocità con cui vengono forniti gli elettroni (con dei limiti superiori che competono con la velocità massima di reazione). Quando tutti i reagenti all'anodo o al catodo hanno reagito per diventare prodotti, la batteria è esaurita, poiché non può più fornire elettroni al carico o accettarne. L'aumento della corrente proveniente da una batteria in serie esaurisce la riserva di carica della batteria due volte più velocemente. Il vantaggio di una tensione più elevata è un resistore più caldo, una lampada a incandescenza più luminosa, un motore a corrente continua più veloce.

Conservazione dell'energia L'energia totale erogata dalle celle in serie è la somma dell'energia immagazzinata dalle singole celle. Come da esempi precedenti: una singola cella con $10 mathrm{Ah}$ di carica ha $2.05\mathrm Vs10mathrm{Ah}=20.5mathrm{Wh}$ di energia potenziale elettrica immagazzinata. Due celle identiche in serie hanno $41 mathrm{Wh}$ di energia potenziale elettrica immagazzinata. Confrontando i due circuiti: una batteria in serie raddoppia la tensione e la corrente, con un consumo di energia 4 volte superiore. Pertanto, anche se un circuito con due celle in serie contiene due volte l'energia immagazzinata, il consumo di energia aumenta di quattro volte, con conseguente dimezzamento della durata della batteria. La conversione in qualsiasi altra forma di energia soddisfa il principio di conservazione dell'energia.

Conversione di energia: Quando una batteria si scarica, converte l'energia potenziale elettrica in vari tipi di energia nel carico. Le conversioni più comuni di energia elettrica includono il calore, l'energia cinetica o l'energia potenziale gravitazionale, elettrica e magnetica. Esempi di tipi di carico del circuito sono un resistore (energia termica), un motore (energia cinetica, potenziale gravitazionale, potenziale elettrico, potenziale magnetico), un induttore/elettromagnete ($B$ energia potenziale di campo), o un condensatore ( $E$ energia potenziale di campo).

Reazioni del terminale della batteria: Nella batteria al piombo, prima della reazione, l'energia è immagazzinata come energia potenziale dall'attrazione di carica tra i reagenti chimici in ciascuno dei terminali.

  • Anodo $mathrm{e^-}$ liberazione:$mathrm{Pb_{(s)}$ e $mathrm{SO_4{^{2-}}_{(aq)}}$ sono in contatto metallo-elettrolita e reagiranno spontaneamente per formare $mathrm{PbS{O_4}_{(s)}}$ e $2$ elettroni extra. Il potenziale di ossidazione positivo di questa reazione a metà cella è $+1,69 mathrm V$. Il potenziale positivo indica che la reazione avviene spontaneamente a temperatura ambiente. I reagenti si attraggono e reagiscono grazie a forze elettrostatiche, come il legame orbitale energeticamente favorevole.
  • Anodo $mathrm{H^+}$ Schermatura: Dopo $mathrm{Pb}$ e $Mathrm{SO_4^{2-}$ reagiscono, gli elettroni liberati si accumulano sull'anodo, creando un'immagine negativa $E$ negativo. Gli elettroni di superficie attraggono uno strato di $mathrm{H^+}$ ioni. Questo blocca l'anodo $mathrm{Pb+SO_4^{2-}}$ reazione molto rapidamente. La $mathrm{H^+}$ si lega allo strato di ioni $mathrm{SO_4^{2-}$ impedendo loro di migrare abbastanza vicino agli ioni $mathrm{Pb}$ per reagire. Affinché la reazione proceda sull'anodo, gli elettroni devono essere rimossi. Quando un conduttore collega anodo e catodo, gli elettroni fluiscono da un luogo di eccesso a un luogo di carenza. Quando gli elettroni lasciano l'anodo, la reazione anodica riprende.
  • Sequenza di trasferimento di energia all'anodo: Tutta l'energia inizia come energia di legame del reagente e viene convertita in un'altra forma di energia dal carico:
    1) Le batterie immagazzinano energia come energia di legame dei reagenti. I reagenti hanno più energia di legame dei prodotti, quindi la rottura dei legami più forti e la ricostruzione di quelli più deboli mobilita energia. Questa energia può essere utilizzata per convertire in altri tipi di energia. Una forza elettrostatica tra i reagenti li attira a reagire.
    2) In una batteria a circuito aperto, un piccolo numero di reazioni della semicella anodica procede spontaneamente fino al completamento in qualsiasi momento, con conseguente produzione di elettroni in eccesso, che danno alla batteria la sua tensione caratteristica (in combinazione con l'altra semireazione al catodo.
    3) All'anodo, il differenziale energetico tra i vecchi legami dei reagenti e i nuovi legami dei prodotti viene convertito in una concentrazione di elettroni liberi e in una tensione associata. $E$ campo.
    4) L'anodo $E$ si aggiunge a quello del catodo $E$ del catodo (con la sua carenza di elettroni), creando un totale netto di $E$ che permea lo spazio intorno alla batteria. Il campo $E$ spinge gli elettroni sotto forma di corrente attraverso il conduttore ad alta permittività verso un carico.
    5) Il passaggio della corrente attraverso un carico converte la corrente in un'altra forma di energia.
  • Reazione del catodo: al catodo avviene un processo di reazione equivalente ma opposto (cioè la riduzione dei reagenti). L'energia libera è positiva per il legame di $mathrm{PbO_2+SO_4^{2-}+H^++2e^-}$ per produrre $mathrm{PbSO_4+H_2O}$, il che significa che questa reazione procederà spontaneamente a STP. I reagenti hanno bisogno di elettroni per procedere, e ciò avviene in piccola parte, creando un'energia positiva $E$ poiché il catodo è ora carente di elettroni dopo che la conversione dei reagenti in prodotti ha consumato elettroni. Si noti che questa reazione richiede elettroni per essere completata. Anche quando il circuito è aperto, un piccolo numero di reagenti recupera gli elettroni non legati da altri atomi o ioni. La reazione sequestra questi elettroni nei prodotti finali neutri, il che comporta un deficit di elettroni, una carica netta positiva sul catodo e una carica positiva associata. $E$ campo. La carenza di elettroni al catodo è l'altra metà della batteria, che crea una carica positiva netta e si aggiunge al campo $E$ . $E$ campo creato dalla carica negativa sull'anodo.

Flusso di corrente attraverso le batterie in serie: Le batterie in serie aumentano la tensione e la corrente attraverso il carico. La corrente che passa attraverso il carico passa anche attraverso ogni cella in serie. Ogni cella contribuisce con una $E$ al campo totale $E$ delle batterie in serie. E la somma dei singoli campi $E$ guida la corrente attraverso il carico. L'anodo e il catodo esterni forniscono inizialmente la sorgente e il pozzo di elettroni. Tuttavia, dopo un periodo transitorio, il tasso di reazione di ogni anodo e catodo in serie si equilibra e la stessa corrente scorre attraverso tutte le celle in serie.

Migrazione degli ioni nell'elettrolita di una batteria al piombo: Nella batteria al piombo-acido, entrambe le reazioni di anodo e catodo producono lo stesso composto neutro, $PbSO_4}$. Nel processo, sia l'anodo che il catodo consumano $mathrm{SO_4^{2-}}$ ioni dalla soluzione. All'anodo, la reazione lascia una carica positiva netta nell'elettrolita, che viene trasportata dagli ioni di $mathrm{SO_4^{2-}$. $mathrm{H^+}$ ioni.
- Al catodo, il consumo/il legame di $mathrm{SO_4^{2-}$ con $mathrm{PbO_2}$ si verifica l'accumulo di una carica negativa nell'elettrolita. Questo perché la reazione di $mathrm{PbO_2}$ con $Mathrm{SO_4^{2-}$ e $mathrm{2e^-}$ risulta nella liberazione di $mathrm{O_2^{2-}}$. La carica negativa dell'elettrolita intorno al catodo attrae la carica di $mathrm{H^+}$ ioni, provenienti dall'anodo, dando luogo alla reazione di $mathrm{4H^+}$ con uno ione $mathrm{O_2^{2-}}$ per produrre $mathrm{2H_2O}$. Pertanto, nelle batterie al piombo-acido, la neutralità della carica nella soluzione elettrolitica circostante è mantenuta dalla migrazione di ioni non accoppiati $mathrm{H^+}$ ioni dall'anodo al catodo.

Batteria come condensatore: La batteria agisce come un condensatore quando è in un circuito aperto. Cariche opposte popolano l'anodo e il catodo, e questo differenziale di carica è separato da un sottile strato dielettrico di $mathrm{H^+}$ e $Mathrm{SO_4^{2-}$ ioni che circondano l'anodo. Questo strato dielettrico si disperde quando la corrente scorre attraverso un conduttore dall'anodo al catodo. La conduzione rimuove gli elettroni in eccesso dall'anodo, rompendo così il legame ionico tra i due ioni. $mathrm{H^+}$ e $Mathrm{SO_4^{2-}$ ioni. La dispersione degli ioni $mathrm{H^+}$ intorno all'anodo consente $Mathrm{SO_4^{2-}$ ioni di fluire oltre la zona precedentemente impermeabile $mathrm{H^+}$ strato di ioni.

  • Differenza tra batteria e condensatore: Il confronto tra condensatore e batteria è incompleto. Quando si trovano in un circuito aperto, si comportano come dispositivi di immagazzinamento della carica, con entrambi che immagazzinano la carica su entrambi i lati di un dielettrico. La batteria ha due modalità: 1) circuito aperto: la configurazione del condensatore e della batteria sono paragonabili; 2) circuito chiuso: il dielettrico si disperde e la batteria diventa un generatore di carica differenziale, utilizzando la liberazione di energia di legame dai reagenti per creare prodotti con una concentrazione di carica differenziale.
  • Effetti capacitivi, di campo e di flusso di potenza: nell'aria intorno a una batteria e a un conduttore. La tensione a circuito aperto attraverso i terminali di una batteria agisce come un condensatore dielettrico dell'aria. La carica tra i terminali polarizza il dielettrico dell'aria/spazio, producendo una piccola corrente di spostamento finché non viene caricata. Tuttavia, anche un conduttore è un condensatore (nel senso più generale del termine), poiché un conduttore ha una costante dielettrica. Posizionando un conduttore tra i terminali di una batteria si produce una grande corrente di spostamento. Il campo di spostamento elettrico è un effetto capacitivo che provoca la polarizzazione del dielettrico metallico. La corrente che attraversa il conduttore è un tentativo della tensione della batteria di caricare il dielettrico del metallo. Poiché la costante dielettrica è così grande, il campo di spostamento elettrico è essenzialmente illimitato. Pertanto, la corrente nel circuito è limitata dalla resistenza del carico, piuttosto che dalla permittività elettrica del conduttore.
  • Permittività elettrica e conduttività: Il conduttore presenta un'elevata permittività elettrica $epsilon_testo{conduttore}$. per il percorso del $E$ per agire sul campo. Il circuito equivalente al conduttore è un enorme condensatore in serie con un minuscolo resistore. L'enorme permittività elettrica $epsilon_testo{conduttore}$ del conduttore metallico fornisce un'impedenza capacitiva insignificante. Il flusso di corrente di un conduttore non è simile alla traiettoria ad alta velocità dell'acceleratore di particelle. Piuttosto, il flusso di corrente attraverso un conduttore è come un pendolo esecutivo atomico, con il movimento microscopico dei singoli elettroni all'anodo che trasmettono la forza repulsiva del loro cambiamento incrementale di prossimità da elettrone a elettrone dall'anodo al catodo. Il conduttore è un condensatore con una costante dielettrica così alta che le dimensioni del condensatore sono infinite (per scopi pratici), poiché gli effetti capacitivi di un conduttore sono significativi solo alle alte frequenze. A basse frequenze/DC, la dimensione equivalente del conduttore-condensatore è così grande che non si caricherà mai completamente.
  • Campo di spostamento elettrico $D$: Un conduttore fornisce un percorso ad alta permittività elettrica in cui il campo elettrico $E$ Le azioni (unità: volt/metro = newton/coulomb) agiscono sulla carica per esercitare una forza sulla carica elettrica. Il $E$ di una batteria polarizza il dielettrico tra le piastre di un condensatore. La permittività elettrica del vuoto dello spazio è una misura della capacità dello spazio ed è indicata come $epsilon_0$ ed è $8.85times10^{-12} mathrm{F/m}$ ). Il vuoto è la più piccola permittività elettrica possibile e tutti gli altri materiali sono espressi come un rapporto, un multiplo di $epsilon_0$. Una $E$ che agisce in uno spazio con $epsilon_0)$ avrà un campo di spostamento elettrico $D=epsilon_0E$ che ha unità di misura di $mathrm{C/m^2}$. Il $epsilon_testo{aria}$ è approssimativamente uguale alla permittività del vuoto e questa permittività è molto bassa, quindi la carica immagazzinata sui terminali è minima. Tuttavia, in un conduttore, la $epsilon_testo_conduttore}$ è grande, il che significa che per qualsiasi dato $E$ il campo di spostamento elettrico (in $mathrm{C/m^2}$ ) sarà grande, e la corrente di circuito chiuso attraverso un conduttore da solo è molto alta. In un collegamento in serie di due celle, la $E_testo{serie}$ è doppio rispetto al potenziale elettrico di una singola cella, e quindi determina e raddoppia la corrente.

Forze che agiscono all'interno delle celle in serie: Posizionando due celle al piombo in serie si raddoppia la tensione e quindi la corrente attraverso il carico. La stessa corrente passerà attraverso il conduttore tra le due celle in serie e gli ioni nell'elettrolita di entrambe le celle condurranno la carica alla stessa velocità. Tutti i catodi accettano gli elettroni per completare la $mathrm{PbO_2+SO_4^{2-}+2e^-+4H^+toPbSO_4+2H_2O}$ reazione. Inoltre, tutti gli anodi generano elettroni nella reazione di $mathrm{Pb+SO_4^{2-}toPbSO_4+2e^-}$ reazione.

  • Due batterie in serie assorbono il doppio della corrente attraverso lo stesso carico. La maggiore corrente aumenta la richiesta di elettroni da parte dell'anodo e aumenta la fornitura di elettroni al catodo.
  • L'aumento della richiesta di elettroni all'anodo rimuove gli elettroni dal lato prodotti della reazione, accelerando la reazione anodica e facendole liberare più elettroni a una velocità commisurata alla richiesta. L'anodo fornisce corrente alla velocità richiesta dal tasso di consumo di energia all'anodo per la tensione di reazione.
  • La maggiore disponibilità di elettroni al catodo fornisce più elettroni al lato reagente della reazione, consentendogli di aumentare la velocità di reazione producendo più prodotti. L'aumento della corrente fa sì che la reazione al catodo aumenti la sua velocità di consumo.
  • Consideriamo le reazioni chimiche che agiscono all'anodo interno e al catodo interno delle batterie in serie. (Nota: i termini "anodo interno" e "catodo interno" si riferiscono ai terminali di contatto tra le celle).
  • Mettendo in serie una seconda cella, la tensione attraverso il carico aumenta, raddoppiando la corrente attraverso il carico. L'aumento di corrente allontana gli elettroni in eccesso, disperdendo così gli elettroni in eccesso. $mathrm{H^+}$ strato di ioni, il che consente $$$mathrm{SO_4^{2-}}$ di reagire con il $mathrm{Pb}$ ad una velocità maggiore e aumenta la concentrazione di $H^+$ ioni. La carica positiva intorno all'anodo attira $mathrm{O_2^{2-}}$ ioni a migrare dal catodo interno all'anodo esterno. Aumentando la concentrazione dei reagenti, in base al principio di Le Chatlier, la reazione al catodo viene spinta verso i prodotti, rendendo il catodo interno più positivo e attirando elettroni dall'anodo interno, che aumenta la sua velocità di reazione e attira $mathrm{O_2^{2-}}$ ioni dal catodo esterno allo stesso modo dell'anodo esterno.
  • Inoltre, al catodo esterno, gli elettroni arrivano dall'anodo esterno attraverso il carico, dando luogo a una corrente di elettroni che fornisce al catodo esterno gli elettroni per la sua reazione.
  • In sequenza, l'aumento della tensione aumenta il flusso di corrente attraverso il carico, che sottrae elettroni all'anodo esterno e li fornisce al catodo, aumentando la velocità di reazione sia all'anodo esterno che al catodo esterno. A sua volta, l'anodo esterno influisce sulla reazione del catodo interno e il catodo esterno influisce sull'anodo interno, entrambi modificando la velocità di migrazione degli ioni, che a sua volta modifica la velocità di reazione dell'anodo interno e del catodo.

Sintesi: Con la tensione più elevata erogata dalle celle in serie, il carico assorbe una corrente maggiore. Il tasso di reazione all'anodo aumenta la corrente erogata in risposta. Quando la corrente arriva al catodo, la velocità di reazione del catodo aumenta. L'anodo interno e il catodo interno seguono l'esempio dell'anodo e del catodo esterni, aumentando le loro velocità di reazione, influenzate dalla migrazione degli ioni negli elettroliti delle due celle. Dopo un breve transitorio, i sistemi raggiungono uno stato stazionario in cui le velocità di reazione di tutti gli anodi e catodi corrispondono alla richiesta di corrente al carico.

Credo che la sua analogia di "eccesso" di elettroni sia sbagliata in un senso e incompleta in un altro. In primo luogo, cosa considera un "normale" e un "eccesso" di elettroni? In secondo luogo, se si ha un "surplus" in una parte, nell'altra non si ha una normalità, ma un deficit.

Pensate a una classica batteria al piombo. A piena carica si ha piombo nella piastra negativa e biossido di piombo in quella positiva. In entrambe le piastre, all'inizio, c'è la solita quantità di elettroni (82 e per atomo di Pb nel negativo, e 98 per molecola di PbO2).

Ma sono immerse in una soluzione acquosa di acido solforico, data la possibilità alla seguente reazione redox:

  • All'anodo (negativo): Pb (s) + HSO 4- (aq) → PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2 e -
  • Al catodo (possitivo): PbO 2 (s) + HSO 4- (aq) + 3 H + (aq) + 2 e - → PbSO 4 (s) + 2 H 2 O (l)

Come si può vedere, perché si verifichi questa emireazione, è necessario prendere gli elettroni nell'anodo e metterne una quantità equivalente nel catodo. Non funziona se si fa una sola operazione, perché è necessario equilibrare carica e materia: Un H 2 SO 40 si trasforma in H + e HSO 4- non si può avere l'uno senza l'altro (né avere il positivo senza il negativo, né trasformare una molecola completa in 98 g di H 2 SO 4 in 1 g di H +.

La tensione è la misura della differenza di potenziale. Se si hanno 2 volt tra gli elettrodi della cella significa che la cella è in grado di fare un lavoro di 2 J spostando una carica negativa di 1 C dall'anodo al catodo. Se si mettono due celle in serie, il lavoro, ciascuna con 2 v, tra entrambe è in grado di fare un lavoro di 4 J spostando una carica negativa di 1 C dall'anodo libero di una al catodo libero dell'altra.

Edit 3/8: Qualcuno chiede: "Quindi se ne colleghi due, ottieni uno stato neutro nel mezzo?". Inizialmente, no.

Iniziamo scollegati dal circuito. Gli elettroni non possono fluire se non avviene l'emireazione. L'emireazione non può avvenire da sola, senza la sua controparte. E la controparte non può avvenire senza il proprio flusso di elettroni.

Quindi, quando sono collegate, le cariche inizieranno a neutralizzarsi mentre gli elettroni fluiscono attraverso il circuito e si verificano entrambe le emireazioni. La neutralizzazione avverrà in tutti e quattro gli elettrodi, scaricando le batterie, perché l'emireazione avviene in tutti e quattro gli elettrodi. Quando la neutralizzazione è completa, le batterie sono completamente scariche.

Se hai qualche obiezione e modo per far progredire la nostra recensione, puoi eseguire un gloss e lo leggeremo con piacere.



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