Flux de courant dans les batteries?

Je lis un livre électronique de base: "Il n'y a pas d'électrons: l'électronique pour les terriens" et je suis tombé sur un passage intelligent sur le fait que vous avez besoin d'un circuit fermé pour que le courant circule. Voici le passage qui m'intéresse:

"Cela m'a toujours dérangé: si les bornes négatives des batteries ont un excès d'électrons (une charge négative) et les bornes positives des batteries ont trop peu d'électrons (une charge positive) et que les opposés s'attirent, pourquoi ne puis-je pas accrocher un fil entre le côté négatif d'une batterie et le côté positif d'une batterie différente et obtenir du courant? Cette vérité est que cela ne fonctionnera pas. Aucun courant ne circulera. Si quelqu'un avait pu m'expliquer cela, je n'aurais probablement jamais écrit ce livre . "

Quelqu'un at-il une réponse simple à cette question?

La confusion vient de la mauvaise description initiale du fonctionnement d'une batterie.

Une batterie se compose de trois éléments: une électrode positive, une électrode négative et un électrolyte entre les deux. Les électrodes sont faites de matériaux qui veulent fortement réagir les uns avec les autres; ils sont séparés par l'électrolyte.

L'électrolyte agit comme un filtre qui bloque le flux d'électrons, mais laisse passer les ions (atomes chargés positivement des électrodes). Si la batterie n'est connectée à rien, la force chimique tire sur les ions, essayant de les attirer à travers l'électrolyte pour terminer la réaction, mais cela est équilibré par la force électrostatique - la tension entre les électrodes. Rappelez-vous - une tension entre deux points signifie qu'il y a un champ électrique entre ces points qui pousse les particules chargées dans une direction.

Lorsque vous ajoutez un fil entre les extrémités des piles, les électrons peuvent passer à travers le fil, entraînés par la tension. Cela réduit la force électrostatique, de sorte que les ions peuvent traverser l'électrolyte. Lorsque la batterie est déchargée, les ions se déplacent d'une électrode à l'autre et la réaction chimique se poursuit jusqu'à ce qu'une des électrodes soit épuisée.

En pensant à deux batteries côte à côte, liées par un fil - il n'y a pas de tension entre les deux batteries, donc il n'y a pas de force pour entraîner les électrons. Dans chaque batterie, la force électrostatique équilibre la force chimique et la batterie reste à l'état stable.

(J'ai en quelque sorte passé sous silence ce que cela signifie pour deux matériaux de "vouloir" réagir l'un avec l'autre. Google "Gibbs free energy" pour plus de détails à ce sujet. Vous pouvez également google "Nernst equation.")

Oubliez les batteries pendant une seconde, c'est juste une des mille analogies que vous pourriez utiliser pour décrire la tension / le courant et la raison pour laquelle aucun courant ne circule n'a rien à voir avec les propriétés électrochimiques des batteries, c'est beaucoup plus simple.

La façon la plus simple d'y penser est la suivante: le courant ne circulera jamais que dans une boucle, même dans des circuits très complexes, vous pouvez toujours le décomposer en boucles de courant, s'il n'y a pas de chemin pour que le courant retourne à sa source, il y aura pas de flux de courant.

Dans votre exemple de batterie, il n'y a pas de chemin de courant de retour, donc aucun courant ne circule. Il y a évidemment une raison physique plus profonde pour laquelle cela fonctionne, mais comme la question demandait une réponse simple, je vais sauter les calculs, google Maxwell's Equations et comment ils sont utilisés dans la dérivation de la loi de tension de Kirchhoff.

Les batteries en sont un bon exemple simplement parce qu'elles sont des sources de courant avec des terres complètement isolées. Cet exemple serait également vrai pour toute autre source d'alimentation avec une "masse" complètement isolée.

Cependant, ce n'est pas une chose facile à trouver, par exemple, le faire avec 2 fournitures de banc rendrait probablement l'une des fournitures de banc très malheureuse, mais ce n'est pas parce que l'effet est différent, la différence est que les fournitures de banc sont probablement à la fois à la terre au câblage électrique dans le bâtiment et en tant que tel, il existe un chemin de retour pour le courant à traverser.

L'analogie de l'eau pour cela est également efficace. Pensez à votre exemple de batterie de cette façon:

Vous avez une pompe à eau (batterie A) connectée à un tuyau (le fil) et vous avez une autre pompe à eau (batterie B) connectée au même tuyau (le fil). Maintenant, dans votre exemple, il n'y a pas de chemin de retour dans le système, alors imaginez que le tuyau est plein d'eau mais bouché aux deux extrémités.

Vous avez appuyé sur l'interrupteur d'alimentation des pompes, que se passe-t-il?

La réponse est rien, il n'y a aucun endroit où déplacer l'eau, les pompes ne tournent même pas. (ignorez les effets de turbulence de l'eau pour cette analogie).

Maintenant, si vous deviez connecter le tuyau en boucle et appuyer sur l'interrupteur, les pompes tourneraient (tension) et l'eau coulerait (courant).

Si vous avez utilisé 2 pompes à vitesse différente (batteries de tension différente) et que vous les faites face l'une à l'autre, la puissance sera trop élevée et l'autre tournera dans la mauvaise direction (brûler, tout comme la connexion d'une batterie 9V et 6V en parallèle).

Si vous connectez les deux pompes pointant dans la même direction, vous obtiendrez plus de pression d'eau (tension) car les pompes s'entraident (2 batteries en série).

Disons que vous avez des piles AA de 1,5 V chacune. De plus, étiquetons-les batterie A et batterie B. Si vous connectez A + à B-, ce que vous obtenez réellement est une différence de 3 V entre A- et B +.

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

Lorsque vous raccordez B- à A +, ils sont tous les deux au même potentiel (ils sont finalement reliés par un fil). B + est 1,5 V supérieur à ce potentiel et A- 1,5 V inférieur.

Il est important de se rappeler qu'une tension n'est pas une valeur absolue . C'est une valeur relative . Le fil B- _ A + sera à un potentiel, et B + et A- sont relatifs à ce potentiel.

Moi aussi, j'ai toujours trouvé que la description traditionnelle d'une profane d'une batterie était trompeuse. La plupart des gens décrivent une batterie comme un conteneur de stockage pour l'électricité, mais cela n'explique pas pourquoi vous ne pouvez pas décharger l'électricité d'une batterie au sol, ou pourquoi vous ne pouvez pas avoir une batterie pour en alimenter une autre, comme dans votre question ci-dessus .

Ce n'est peut-être pas une description précise de ce qui se passe réellement, mais je trouve qu'une analogie plus compréhensible consiste à décrire une batterie comme une pompe à la place. L '"énergie" contenue dans la batterie est utilisée pour entraîner la pompe; il n'est pas envoyé sur le fil. Avec cette analogie, il est évident que les extrémités positive et négative d'une batterie doivent être connectées dans un circuit. Si, par exemple, vous ne connectez que l'électrode négative à la terre, il n'y a pas de courant car il n'y a pas d'électricité entrant sur l'électrode positive qui peut être pompée.

Techniquement, le courant peut ou non circuler lorsqu'un fil est connecté de cette façon. Tout dépend s'il existe ou non une différence potentielle de charges entre ces deux terminaux. Si la différence est faible, peu / pas de courant circulera. Cela est vrai pour tout fil connecté entre deux bornes, n'importe où.

Cependant, le courant ne le sera probablement pas (en fonction de l'âge / de l'utilisation de la batterie). La raison en est que la différence de potentiel de tension - les "trous en excès à l'extrémité positive" et les "électrons en excès à l'extrémité négative" - est relative à une batterie donnée . Il y a des électrons / trous en excès aux extrémités d'une batterie donnée les uns par rapport aux autres. Cette relation peut être vraie ou non entre la borne négative d'une batterie et la borne positive d'une autre.

Le courant qui circule dans une jonction est toujours égal au courant qui sort de la jonction. Par conséquent, le courant doit toujours circuler en boucle.

Première. Un très petit courant circulera pendant un temps très court ... mais il n'a besoin que d'une petite quantité de charge électrique (statique) pour passer pour créer une tension arrière suffisante pour annuler la tension directe. Rappelez-vous que toute électricité statique notable comme le frottement de ballons sur les cheveux implique généralement de GRANDES tensions comme (des dizaines de) milliers de volts, ce qui est nécessaire pour faire une étincelle. Une cellule simple typique de 1,5 volt ne peut pas faire d'étincelle (sans aide particulière). En fait, si vous suspendiez soigneusement une paire de cellules simples (piles) dans l'espace ou si vous vous accrochiez à une chaîne, elles auraient une petite interaction dipolaire et se tordraient comme une paire d'aimants, puis s'attireraient les unes les autres. Malheureusement, cela se révèle être très petit, bien que des forces calculables et finies. Peut-être que cet exemple a été fait avec sensibilité pour le montrer. Plus loin, a le problème d'origine est un peu comme charger un condensateur si vous y pensez. Les bornes non connectées ne sont que les plaques de condensateur. La petitesse des bornes et la séparation sont très différentes numériquement d'un bon condensateur qui a une grande surface et une petite séparation qui fait toute la différence et c'est pourquoi le courant est minuscule (mais fini) dans le problème d'origine.

Je pense qu'une autre chose qui pourrait vous dérouter est que nous disons que la tension dans un conducteur est toujours constante. Bien que cela soit principalement vrai, c'est une sorte de mensonge. Tous les conducteurs ont toujours une résistance finie. Pour cette raison, si vous connectez un fil entre les deux bornes d'une batterie, une extrémité du fil sera en fait à un potentiel différent, puis l'autre et le courant dans le fil suivra la loi ohms. Je ne sais pas si vous avez déjà essayé de court-circuiter les deux bornes d'une batterie comme celle-ci, mais parce que la résistance du fil est si faible, la loi des ohms donne un très grand courant qui chauffera le fil et vous brûlera.

Maintenant, la raison pour laquelle nous disons généralement que le potentiel d'un fil est constant est qu'il y a généralement d'autres composants dans notre circuit dont la résistance est beaucoup plus grande que les fils. De ce fait, la plupart de la tension finira par chuter entre les autres composants du circuit et il n'y aura qu'une très faible chute de tension d'une extrémité d'un fil à l'autre. On peut donc simplifier nos problèmes en disant que la tension est constante dans les fils.