Czym jest elektroda? Czym jest ogniwo? Z czego zbudowana jest bateria? Jaka działa? Jakie są rodzaje baterii? Czym jest pojemność baterii? Ile energii dostarcza bateria? Fundamentalne informacje na temat nieładowalnych ogniw galwanicznych.
Energia elektryczna
Elektryczność to zjawisko ściśle powiązane z ładunkami elektrycznymi. O tym czym one są pisałem w artykule o ładunkach. Dzięki przemieszczającym się ładunkom możliwe jest przesyłanie energii elektrycznej i zasilanie nią przeróżnych urządzeń. W jaki sposób zmusić ładunki do ruchu? Zgodnie z wszelką wiedzą teoretyczną i eksperymentalną ładunki dodatnie i ujemne odczuwają w swojej obecności naturalną siłę przyciągania. Co prawda w przypadku pojedynczych ładunków siła ta jest znikoma. Jeśli jednak udałoby się zebrać i odseparować od siebie sporą liczbę takich ładunków, to w wyniku uzyskalibyśmy niezwykle dużą siłę przyciągania zdolną do przemieszczenia ładunków i wyzwolenia znacznej energii.
Zebranie dużej ilości ładunków i ustawienie ich w taki sposób, by oddziaływały na siebie określoną siłą nie jest zadaniem prostym. Samo w sobie wymaga energii (musimy się najzwyczajniej w świecie sporo przy tym napracować). Na szczęście każdą przekazaną energię możemy później odzyskać. Jej ilość jest łatwa do zmierzenia, gdyż tam gdzie skumulowana jest energia elektryczna, tam pojawia się różnica potencjałów. Różnica ta, zwana napięciem elektrycznym odzwierciedla zarówno zebraną energię jak i siłę z jaką ładunki ,,mają się ku sobie”. Dokładniej pisałem na ten temat w artykule o różnicy potencjałów.
Ładunki ujemne przyciągane są przez potencjał wyższy, a ładunki dodatnie przez potencjał niższy. Gdybyśmy teraz wszystkie ładunki uwolnili (zakładając, że napięcie jest całkiem spore), to powstałby efekt podobny do wyładowania atmosferycznego w czasie burzy. Byłoby to spektakularne, ale niestety krótkotrwałe. Oba skupiska ładunków wystrzeliłyby ku sobie, zderzyły się ze sobą i w ułamku sekundy zmarnowały całą zgromadzoną energię.
A gdyby tak spróbować ten proces kontrolować? Moglibyśmy wytworzyć wąską szczelinę, przez którą tylko część ładunków mogłaby się przedostać. Nie wyzwolilibyśmy tak wiele energii elektrycznej na raz, ale dawkując ją w małych ilościach, moglibyśmy zasilić w ten sposób jakieś małe urządzenie, przez znacznie dłuższy czas.
Podsumowując, wytworzenie i kontrolowany przesył energii elektrycznej wiąże się z dwiema rzeczami:
- Zdobyciem dużej ilości ładunków i wytworzeniem między nimi różnicy potencjałów
- Dawkowaniem zgromadzonej energii przez odpowiedni czas, dzięki kontroli przepływu ładunków.
Jak zdobyć ładunki i je zmagazynować?
Zobaczmy jak możemy poradzić sobie z powyższymi wyzwaniami w praktyce. Podstawowymi cząsteczkami obdarzonymi ładunkiem są protony i elektrony. Protony (ładunek dodatni) to stosunkowo ciężkie cząsteczki ukryte wewnątrz jądra atomowego. Niezwykle trudno się do nich dostać i potrzeba ogromnej siły, by przekonać je, żeby robiły to co chcemy. Natomiast orbitujące wokół tego jądra elektrony (ładunek ujemny) są lekkie, zwinne i często dość ,,luźno” związane z atomem. Oderwanie takiego elektronu od jądra nie stanowi w niektórych pierwiastkach najmniejszego problemu i możemy to zrobić nawet w warunkach domowych. Niewielka siła tarcia w trakcie szczotkowania włosów, czy pocierania kawałkiem futra o szkło sprawia, że elektrony przeskakują z jednej rzeczy na drugą. W wyniku tego jeden obiekt zyskuje nadmiar elektronów i zostaje ujemnie naładowany, zaś drugi z powodu wybrakowania elektronów staje się naładowany dodatnio.
Wykorzystanie siły tarcia posiada dwie istotne wady. Po pierwsze zebrany w ten sposób ładunek jest niewielki, a po drugie efekt naładowania nie utrzymuje się długo. Tak jak z łatwością naładowaliśmy obiekty poprzez tarcie, tak powietrze wokół bombardując je swoimi cząsteczkami, wykorzystuje tę samą siłę rozładowując zgromadzony przez nas ładunek.
Na zebranie większej liczby ładunków znalazłoby się jeszcze kilka sposobów, o których za chwilę. Niestety zmagazynowanie zebranego ładunku to znacznie większy problem. Fizycy nie znaleźli do tej pory zadowalającego sposobu na przechowywanie energii elektrycznej. Umiemy co prawda magazynować ją przy pomocy kondensatorów, ale ilość ta nie będzie nigdy wystarczająca w porównaniu do potrzeb urządzeń elektrycznych. Jedynym wyjściem z tej sytuacji jest wykorzystywanie innej formy energii, znacznie łatwiejszej do przechowania, a następnie zamiana jej na energię elektryczną.
Energia chemiczna
Jeśli nie mamy pomysłu na rozwiązanie jakiegoś problemu, to najlepiej podejrzeć jak poradziła sobie z nim natura. Najpopularniejszym rodzajem zmagazynowanej energii w przyrodzie jest energia chemiczna. Idealnym przykładem są tutaj surowce takie jak węgiel i drewno. Dzięki reakcji spalania jesteśmy w stanie zmagazynowaną w surowcach energię chemiczną zamienić na światło i ciepło. Z kolei energia chemiczna pożywienia napędza nasze organizmy, a energia chemiczna benzyny napędza nasze samochody. Być może energia chemiczna zasili również nasze telefony i zegarki? Jest na to szansa, dzięki tzw. reakcja utleniania i redukcji zwanej również reakcją redoks.
Utlenianie i redukcja
Do zasilenia urządzeń elektrycznych niezbędny jest przepływ ładunków. Redoks jest rodzajem reakcji chemicznej, dzięki której taki przepływ jest możliwy. W jej ramach zachodzą zasadniczo dwa zjawiska:
- Atomy pierwszego pierwiastka są utleniane, przez co oddają swoje elektrony
- Atomy drugiego pierwiastka chętnie przyjmują elektrony, przez co ulegają redukcji
Połączenie ze sobą materiałów z nadmiarem i niedoborem elektronów wygląda na świetny sposób, by zapewnić stały przepływ ładunku. Naturalnie nie wszystkie pierwiastki tak samo łatwo się utleniają lub redukują. Zdecydowanie najczęściej wykorzystywane są metale (takie jak lit, cynk, miedź, ołów) i ich związki. Metale są na tyle przyjazne reakcji redoks, że potrafią podlegać jej nawet w warunkach naturalnych, co powszechnie znane jest jako zjawisko korozji.
Elektrolit
Spontaniczna korozja metalu nie wchodzi rzecz jasna w grę. Aby uzyskać energię elektryczną musimy cały proces przekazywania elektronów kontrolować. Robi się to poprzez zanurzenie metalu w specjalnym roztworze, zwanym elektrolitem. Może nim być sól, kwas lub dowolny inny związek, który po rozpuszczeniu (na przykład w wodzie), rozpadnie się na jony dodatnie oraz ujemne. Jony ujemne to atomy, które posiadają nadmierną liczbę elektronów (aniony), a dodatnie cierpią na ich niedostatek (kationy). Na ten temat również już pisałem, w artykule o ładunkach elektrycznych. Chemicy odkryli ponadto, że metale najchętniej reagują z elektrolitami, w których już znajdują się ich własne jony. Na przykład cynk bardzo chętnie utleni się w elektrolicie, w którym już znajdują się kationy cynku. Zobaczmy co tak naprawdę dzieje się z metalem zanurzonym w elektrolicie, korzystając z dwóch przykładów:
Utlenianie cynku
Jeśli elektrolit zwany siarczanem cynku 
rozpuścimy w wodzie, to rozpadnie się on na dodatnie jony cynku 
i ujemne jony siarczanowe 
. Kiedy w takim roztworze umieścimy cynkową płytkę to zacznie się ona utleniać, lub mówiąc bardziej obrazowo, rozpuszczać. Atomy cynku będą starały się przekształcić w jony dodatnie, by dołączyć do innych jonów cynku znajdujących się w roztworze. Przemiana atomu w jon kosztuje – atom cynku musi pozostawić za sobą dwa elektrony.
Pozostawienie elektronów na płytce i ucieczka jonu dodatniego do roztworu powoduje zaburzenie równowagi ładunku. Na płytce zaczyna narastać ładunek ujemny, a w roztworze znajduje się coraz więcej jonów dodatnich. Sytuacja ta stopniowo utrudnia przenikanie kolejnym jonom do roztworu. Stężenie ładunków dodatnich jest tak duże, że kolejne atomy nie są w stanie do niego przeniknąć. Po pewnym czasie równowaga zostanie ustalona i dopóki w jakiś sposób nie rozładujemy nagromadzonych ładunków, dalsze utlenianie nie będzie możliwe.
Płytkę, na której zebraliśmy w ten sposób ładunek ujemny nazywa się elektrodą ujemną (anodą), a elektroda zanurzona w elektrolicie tworzy półogniwo
Redukcja miedzi
Rozpuszczenie siarczanu miedzi 
w wodzie spowoduje powstanie roztworu wypełnionego dodatnimi jonami miedzi (
) i ujemnymi jonami siarczanowymi (
). Umieszczając w takim roztworze miedzianą płytkę wywołamy masową ucieczkę miedzi z roztworu, fachowo zwaną redukcją. Jony miedzi zaczną osiadać na płytce, korzystając ze wszystkich wolnych elektronów znajdujących się na niej.
Na płytce zacznie wzrastać ładunek dodatni, a w roztworze ujemny. Dodatnim jonom miedzi coraz trudniej będzie zbliżyć się do płytki i po pewnym czasie reakcja zatrzyma się. Jeśli w jakiś sposób nie wyrównamy ładunków, to dalsza redukcja nie będzie możliwa.
Płytkę, na której zebraliśmy w ten sposób ładunek dodatni nazywa się elektrodą dodatnią (katodą), a elektroda zanurzona w elektrolicie tworzy półogniwo
Ogniwo galwaniczne
Zestawiając obok siebie dwa takie półogniwa tworzymy ogniwo galwaniczne zwane też woltaicznym (na cześć dwójki rywalizujących ze sobą naukowców). Jak wspomniałem wcześniej reakcje utleniania i redukcji w pewnym momencie się zatrzymują, ustalając potencjał każdej z elektrod (jedna ma potencjał ujemny, a druga dodatni). Między elektrodami pojawia się zatem różnica potencjałów.
Korzystając z energii chemicznej udało nam się wytworzyć napięcie elektryczne. Tworząc odpowiednią drogę między dwoma potencjałami, spowodujemy przepływ ładunków między nimi:
Dzięki połączeniu elektrod, anoda pozbywa się nadmiarowych elektronów wstrzymujących utlenianie, a do płytki miedzianej dostarczane są nowe elektrony umożliwiające redukcję kolejnych kationów miedzi. W teorii reakcja redoks powinna ruszyć na nowo, lecz po chwili pojawi się kolejny problem, którego wcześniej nie zaznaczyłem. Przepływ elektronów owszem rozładowuje potencjał płytek, ale potencjał powstały w elektrolicie wciąż utrudnia, a w końcu powstrzymuje dalszą reakcję redoks.
Przewodnictwo jonowe
Potencjał powstały w elektrolitach blokuje dalsze przenikanie cynku i ucieczkę miedzi. Aby reakcja redoks mogła trwać, trzeba powstały ładunek nieco wyrównać i da się to zrobić zasadniczo na trzy sposoby.
Oba zbiorniki z elektrolitami można połączyć tzw. kluczem elektrolitycznym. Wypełniony jest on jonami, które przenikają do obu elektrolitów, przywracając równowagę ładunku. Jednym z przykładów mógłby być roztwór wodny soli. Zawarte w nim aniony chloru przyciągane będą do elektrolitu, w którym wzrośnie potencjał dodatni. Po drugiej stronie, kationy sodu przenikną do elektrolitu o potencjale ujemnym.
Jeśli oba elektrolity posiadają wspólną cechę, jak na przykład występowanie w nich ujemnych jonów siarczanu, to można połączyć je specjalną barierą umożliwiającą przepływ siarczanu, ale blokującą cynk i miedź.
Może udałoby się pójść o krok dalej i w taki sposób dobrać elektrody, by podlegały reakcji redoks w jednym, wspólnym elektrolicie? Nie potrzebna byłaby wówczas żadna przegroda, a jony przepływałyby swobodnie gdyby tylko zaszła taka potrzeba.
Przepływ jonów w elektrolicie jest niezbędny do dalszego przebiegu reakcji redoks, a to który z powyższych sposobów wybierzemy zależny jest od rodzaju ogniwa, sposobu jego wykonania oraz jego przeznaczenia.
Napięcie ogniwa
Skoro udało się rozwiązać problem przepływu elektronów oraz jonów i stworzyliśmy w zasadzie samonapędzającą się reakcję redoks, to czas przejść do twardych liczb. Jeśli napięcie bezpośrednio przekłada się na dostępną energię, to sprawdźmy jak dużą różnicę potencjałów możemy uzyskać z takiego ogniwa.
Elektrody wykonywane są z przeróżnych materiałów i związków chemicznych. Aby określić potencjał elektrody, należy zacząć od sprawdzenia jej potencjału normalnego. W przypadku elektrod metalowych możemy odczytać go z szeregu napięciowego metali:
Potencjał normalny to potencjał jaki wytworzy się na elektrodzie, po zanurzeniu jej elektrolicie. Warto zapamiętać, że metale o niskim potencjale bardzo dobrze się utleniają, podczas gdy metale o potencjale wysokim możemy z łatwością redukować.
Dzięki tabeli znamy względny potencjał jaki powstanie na danej elektrodzie przy reakcji utleniania i redukcji. Aby obliczyć napięcie powstałe między dwoma elektrodami należy zsumować wartości potencjałów normalnych z pominięciem znaków minus. W naszym przykładzie elektrod cynkowej i miedzianej otrzymamy:
(1) 
Nie dużo prawda? Pierwiastki poddane reakcji redoks mają niestety swoje granice. Wystarczą one do produkcji baterii zegarkowych czy popularnych ,,paluszków” o napięciu 1,5 V, ale niemożliwe jest wykonanie pojedynczego ogniwa o napięciu 9 V czy 12 V. W jaki sposób uzyskuje się takie napięcie?
Bateria
Słowo bateria stało się na tyle popularne, że dopuszcza się nazywanie w ten sposób pojedynczych ogniw galwanicznych. Właściwa definicja baterii wymaga jednak kilku, połączonych ze sobą ogniw (najczęściej szeregowo, czyli jedno za drugim).
Łączenie ogniw pozwala na znaczne zwiększenie dostępnego napięcia. Całkowite napięcie równe jest sumie napięć każdego z ogniw. W powyższym przypadku:
(2) 
Skoro wyższe napięcie oznacza więcej energii, to dlaczego wciąż produkowane są baterie o napięciu 1,5 V czy 3 V? Zauważmy, że łączenie ze sobą wielu ogniw znacząco wpływa na wagę i rozmiar baterii. Czasami różnica jednego czy dwóch woltów napięcia nie jest warta dwukrotnego zwiększenia masy baterii. Czasami lepiej jest ograniczyć potrzeby energetyczne urządzenia i sprawić by pracowało na niższym napięciu, a zamiast tego skupić się na żywotności ogniw.
Jaką pojemność ma bateria?
Napięcie ogniwa to nie jedyny element układanki. Jednym z największych problemów współczesnych baterii jest ich pojemność. Jak długo dana bateria będzie nam służyć i co wpływa na jej czas pracy?
Energia baterii dostarczana jest do naszych urządzeń z wykorzystaniem elektronów. Pozyskiwanie tychże elektronów na elektrodzie cynkowej możliwe jest dzięki rozpuszczaniu się metalu w roztworze. Jeśli metal rozpuści się całkowicie, magazyn elektronów się wyczerpie. Interesują nas zatem dwie kwestie:
- Jak duży prąd pobieramy (ile ładunków na sekundę przepływa w obwodzie)?
- Jak długo będziemy mogli tak duży prąd pobierać (ile godzin pracy minie, nim wykorzystamy wszystkie ładunki i bateria się rozładuje?)
Powyższe czynniki opisuje tak zwana pojemność baterii wyrażana w amperogodzinach (Ah). Jeśli przykładowa bateria ma pojemność 1 Ah, to będziemy w stanie wyciągnąć z niej 3600 kulombów ładunku, zgodnie z poniższym wyliczeniem:
(3) 
Na jak długo taki ładunek nam wystarczy?. To zależy od tego jak duży prąd będziemy pobierać (ilu ładunków na sekundę potrzebuje zasilane urządzenie). Jeśli bateria ma pojemność 1 Ah, a urządzenie pobiera prąd o natężeniu 0,5 A, to będzie ono pracować przez 2 godziny. Przy poborze prądu na poziomie 0,1 A ładunków wystarczy aż na 10 godzin.
Ilość ładunków znajdujących się w baterii zależy od jej budowy. Im elektrody są większe, tym więcej elektronów będą w stanie oddać/przyjąć i tym dłużej zajmie ich ,,zużycie”. Aby nie wkładać do naszych telefonów baterii wielkości ciegieł producenci poszli inną drogą. Wykorzystując do budowy elektrod materiały o gęstszej strukturze (więcej atomów upakowanych na tej samej przestrzeni) zwiększamy zasób elektronów bez wpływu na rozmiar samej baterii. Wartość określająca ilość amperogodzin jaką możemy pobrać z każdego grama materiału nazywa się równoważnikiem elektrochemicznym. Waga baterii to czynnik równie ważny jak jej rozmiar, dlatego w poniższej tabeli przedstawiono wartość równoważnika również w odniesieniu do objętości. Tabela zawiera dane dla różnych materiałów faktycznie stosowanych do budowy anod i katod:
Pojemności baterii jaką producenci umieszczają na etykietach nie można niestety ufać całkowicie. Wyrażają oni pojemność swoich produktów na podstawie różnych kryteriów, jakie przyjęli podczas testów ogniw. Dodatkowo urządzenia takie jak smartfony pobierają różny prąd w zależności od użytkowania oraz od temperatury pracy, dlatego teoretyczna długość życia baterii może stanowczo odbiegać od rzeczywistości.
Ile energii mają produkowane baterie?
Pojemność baterii jest wielkością niezwykle użyteczną, ale nie należy przy tym zapominać o wspomnianym kilka podrozdziałów wcześnie napięciu ogniwa (różnicy potencjałów między elektrodami). Znając napięcie oraz pojemność baterii jesteśmy w stanie obliczyć teoretyczną energię ogniwa wyrażoną w watogodzinach (Wh):
(4) 
Bateria o pojemności 20 Ah i napięciu 3V (energia równa 60 Wh) będzie mogła przekazać dwukrotnie więcej energii od baterii 20 Ah, 1,5 V (energia równa 30 Wh). W teorii przesyłane są te same elektrony i tyle samo kulombów ładunku, ale dzięki wyższemu napięciu zwiększa się wartość dostarczanej energii.
Napięcie w przypadku zasilania urządzeń elektrycznych może przekładać się na wiele rzeczy. W dużym uproszczeniu odpowiada ono za siłę z jaką bateria jest w stanie ,,tłoczyć” elektrony przez obwód. Im większy opór stawia elektronom nasze urządzenie, tym więcej siły i energii potrzeba, by utrzymać odpowiedni przepływ ładunków.
Doskonałym przykładem może być praca standardowej wkrętarki akumulatorowej. Baterie wkrętarek różnych producentów mogą cechować się napięciem 10 V, 12 V czy 24 V. Wyższe napięcie baterii nie oznacza, że będziemy mogli dłużej pracować na jednym ładowaniu (to wszak zależy od pojemności), Wyższe napięcie umożliwia za to producentowi zwiększenie obrotów silnika lub ogólną poprawę dostępnej mocy.
Kwestia wydajności baterii jest zagadnieniem dalece bardziej złożonym niż byłem w stanie przedstawić to w niniejszym artykule. Warto wiedzieć, że współczesne baterie przeszły niezwykle długą drogę technologiczną. Płynne elektrolity nauczyliśmy się zastępować pastą i suchym proszkiem, odkryliśmy związki metaliczne umożliwiające redukcję i utlenianie z niespotykaną dotąd wydajnością, a same baterie stają się coraz mniejsze i potrafią zasilić coraz bardziej zaawansowane urządzenia. Na koniec artykułu chciałbym porównać ze sobą najpopularniejsze rodzaje baterii pod względem napięcia, pojemności i energii. Polecam zwrócić uwagę na różnicę między wartościami teoretycznymi, a rzeczywistymi. Rozbieżności są naprawdę duże, co pokazuje jak wiele czynników ma wpływ na faktyczną wydajność ogniw galwanicznych.
Słowo na koniec…
Niniejszy artykuł przedstawił ogólną zasadę działania ogniw pierwotnych (baterii nieładowalnych) oraz ich najważniejsze cechy. Zastosowanie, wady i zalety, oraz budowa poszczególnych rodzajów baterii znajdzie się w innym artykule. Jeśli zastanawiasz się gdzie podziały się baterie kwasowe, niklowe i litowo-jonowe to spieszę z wyjaśnieniem. Otóż należą one do grupy akumulatorów (tzw. ogniw wtórnych lub ładowalnych). I choć o akumulatorach niejednokrotnie w tym artykule wspomniałem, to dla nich również przewidziany jest osobny artykuł.
Bibliografia
- Linden’s Handbook of Batteries – T. Reddy, McGraw-Hill, wydanie czwarte,
- Szereg napięciowy metali, ogniwa galwaniczne – K. Moskwa, B. Mazurkiewicz, zasoby internetowe uczelni AGH,
- Lithium Batteries and Other Electrochemical Storage Systems – C. Glaize, S. Genies, ISTE Ltd, Wielka Brytania,
Witam panie Arturze.
Jest sprawa?czy jeżeli nie byłby to problem,umieściłby pan np:Facebooku lub podesłał mi na pocztę dalszą cześć pana konwersji z użytkownikiem Piotr.Bardzo zaciekawiło mnie to zagadnienie i z wielką przyjemnością dowiedziałbym się czegoś więcej w tej sprawie.Chodzi o łączenie biegunów baterii w układzie szeregowym gdzie łączy się plus z minusem.Dziękuję i pozdrawiam.
Wzór na teoretyczną energię ogniwa
Wh= 1Ah*V jest bardzo podobny to tego na pojemność elektryczną W=Q*V
Wh=3600C*V
W=C*V
Czyli Wh=3600W?
Jak można „intuicyjnie” próbować znaleźć podobieństwo między teoretyczną energią ogniwa a pojemnością elektryczną kondensatora?
Czyli pojemność elektrczna kondensatora będzie 3600 razy mniejsza od teoretycznie energi ogniwa przy jakiś ustalonych -identycznych-warunkach? To chyba brzmi trochę filozoficznie 🙂
Panie Arturze, Pana strona to jedna z najlepszych rzeczy jakie kiedykolwiek znalazłem w necie w ciągu ostatnich 20 lat.
Szkoda, że ostatnio nic Pan nie dodaje. Czy to sie zmieni, czy raczej projekt czeka stagnacja?
Ja wiem, że opinia randomowego użytkownika (piszę o sobie), nie musi być istotną, ale ma Pan niewątpliwie dar pedagogiczny, podparty fantastyczną wyobraźnią! Wielki szacun za to co Pan robi. Dzisiaj dotarłem do tego artykułu, i jest on ostatnim, który przeczytałem. Wszystkie poprzednie dokładnie przeanalizowałem. I żeby jeszcze lepiej to utrwalić, zrobiłem sobie notatki – 18 stron A4 ręcznych bazgrołów. Ostatni raz tyle pisałem jak się przygotowywałem do egzaminów na studiach 🙂 Jeżeli mogę prosić o coś, to niech Pan kontynuuje ten projekt!
Ale czemu to zjawisko w ogóle zachodzi. Czemu miedź sobie wymyśliła, że dołączy się do swobodnych elektronów z płytki miedzianej i czemu cynk z płytki cynkowej, wymyślił sobie, że chce dołączyć do cynku w roztworze? Czemu one tak dążą cynk do utlenienia, a miedź do redukcji?
Wszystko rozbija się o podstawowe prawa chemii i fizyki. Nie jestem niestety chemikiem, więc nie udzielę Ci precyzyjnej odpowiedzi. Ogólnie chodzi o to, że po umieszczeniu cynku w odpowiednim roztworze pojawia się siła rozbijająca jego wiązania międzyatomowe. Rozbicie wiązania równoznaczne jest odłączeniem atomu cynku od struktury i uwolnieniu w ten sposób jednego elektronu.
Na tym zresztą polega chemia – niektóre wiązania powstają, niektóre znikają, a my możemy tymi procesami sterować, umieszczając molekuły w odpowiednich warunkach, sprzyjających tym przemianom.
Pingback: Carelectro
Jestem początkujący w tematach elektryczności i nie wiem czy dobrze zrozumiałem. Skoro na płytce cynku zbierają się elektrony nie oznacza, to że ulega ona redukcji (zamiast utleniania)?
Witam początkującego! A więc tak: reakcje utleniania i redukcji nie wywodzą się z fizyki, stąd nie możemy patrzeć na nie fizycznym ,,chłopskim” rozumem. Reakcje te to dziedzina chemii i choć nie jestem chemikiem, to postaram się to choć ogólnie opisać.
W reakcjach redukcji i utleniania nie ma znaczenia co robią elektrony i gdzie się zbierają. Reakcja opisuje sam moment oddawania i przyjmowania elektronów.
I teraz tak:
Oddawanie i przyjmowanie elektronów wiąże się ze zmianą ładunku elektrycznego (chemicy mówią: zmianą stopnia utlenienia). Im wyższy ładunek, tym wyższy stopień utlenienia. Stąd atomy, które oddają elektrony, zyskują ładunek dodatni, a więc i wyższy stopień utlenienia. Innymi słowy: utleniają się. Z kolei stopień utlenienia cząsteczek, które przyjmują elektrony, spada (bo i ładunek spada). A jak coś spada, to logiczne, że mamy do czynienia z redukcją, prawda?.
A więc jeszcze raz: cząstka, która oddaje elektrony ulega utlenieniu (bo ładunek rośnie), a ta, która przyjmuje elektrony ulega redukcji (bo ładunek spada).
Cynk elektrony oddaje, dlatego się utlenia, a miedź przyjmuję, więc redukuje.
I ot cała filozofia 🙂
W tym konkretnym przypadku cynk się utlenia a miedź redukuje . Natomiast mi z miedzią kojarzy się intuicyjnie utlenianie, w wyniku którego powstaje na jej powierzchni patyna. Czyli w zależności od okoliczności miedź może się redukować (w baterii) lub uteleniać (dach kościoła na świeżym powietrzu)?
Nie czuję się mocny w pytaniach z zakresu chemii. Nie chciałbym wprowadzać cię w błąd pisząc co mi się wydaje.
Pytanie dodatkowe. W elektrostatyce „naładowany” przedmiot ,człowiek stykając się np. z metalową powierzchnią natychmiast się rozładuje. Dlaczego nie dochodzi do rozładowania naładowanej ogniwa/baterii, gdy dotknie się takiej powierzchni a nawet uziemionej konstrukcji, dowolnym pojedynczym biegunem tego ogniwa/baterii ? Pomiar miernikiem nie wykazuje żadnego napięcia.
Bateria to nie elektrostatyka, stąd nie rządzi się takimi samymi prawami. To tak w skrócie.
A dłuższa odpowiedź znajduje się również w artykule. Elektrony nie uciekną z jednego bieguna do, na przykład, ziemi, bo żeby elektrony z baterii wypływały, taka sama ich ilość musi być dostarczana do drugiego bieguna. Jeśli ładunek nie jest zbilansowany, przepływ elektronów się zatrzymuje i żadna cząstka nie opuści baterii. Dlatego w elektrotechnice obwód musi być zawsze zamknięty, o czym pisał więcej tutaj: https://teoriaelektryki.pl/dlaczego-elektrony-nie-uciekaja/
1)Czy jest wiedza co się dzieje w ogniwie jakby np. elektroda cynku całkowicie” rozpuściła” się w elektrolicie i co się dzieje z elektronami uwalnianymi w tym procesie ?
2) Jeżeli elektroda jest utleniana czy tzn , że jej fizycznie ubywa?- to gdzie lokują się uwalniane elektrony i w jaki sposób? Mówimy ze ładunki tego samego znaku się odpychają. Musi być jakaś przestrzeń miedzy nimi a nie ma możliwości aby je w jakiś sposób sprężyć/stłoczyć?
3) Skoro bateria jest max naładowana ( na ilustracji: na biegunie jest ładunek dodatni na drugim ujemny )
i dalsze ładowanie ograniczone jest np. przez potencjał powstały w elektrolicie ,co dzieje się w ogniwie (ładunki/elektrony) przez podłączenie drugiej zewnętrznego ogniwa/ baterii szeregowo? W jaki sposób rośnie napięcie a po rozłączeniu wraca do stanu początkowego . Przy połączeniu szeregowym ładunki ujemne z jednego ogniwa łączą się z ładunkami dodatnimi drugiego ogniwa i powinien być stan neutralny, dlaczego napięcie jest większe?
1) Elektroda cynku sama z siebie się nie rozpuści. Rosnący potencjał uniemożliwi wytrącanie się kolejnych elektronów. Musisz na bieżąco usuwać elektrony, by podtrzymać ten proces – pisałem o tym w artykule.
2) Tak, elektrody fizycznie ubywa. Elektrony lokują się w elektrolicie i na samej płytce, ale w bardzo ograniczonej ilości – jak wyżej: musisz je odbierać z elektrody, bo inaczej rozpuszczanie się zatrzyma.
3) O szeregowym i równoległym łączeniu ogniw będzie artykuł i w nim wszystko wytłumaczę.
Czy jest możliwe stworzenie pół ogniwa i połączenie go z ziemią tak aby nadmiar elektronów był oddawany do ziemi lub niedomiar z niej dociągany i prąd płynął miedzy potencjałem pół ogniwa a ziemią. Pytając inaczej dlaczego jak połączę potencjał ujemny baterii z ziemią to to nie będzie współpracować skoro chcemy sie pozbyc elektronów a ziemia mogła by je teoretycznie przygarnąć.
W skrócie: elektrony są wrócić do źródła, a nie do ziemi.
W innym skrócie: bateria nie odda elektronów, jeśli nie uzupełnisz ich z drugiej strony. Pisałem o tym w moim artykule:
https://teoriaelektryki.pl/jak-dziala-bateria/
Tak już po prostu bateria działa.
Oczywiście, że możesz sobie wyciągnąć skądś elektrony, zamknąć w pudełku, a potem pudełko otworzyć i patrzeć jak one uciekają. Ale to nie ma niczego wspólnego z baterią. To elektrostatyka.
„Napięcie w przypadku zasilania urządzeń elektrycznych może przekładać się na wiele rzeczy. W dużym uproszczeniu odpowiada ono za siłę z jaką bateria jest w stanie ,,tłoczyć” elektrony przez obwód. Im większy opór stawia elektronom nasze urządzenie, tym więcej siły i energii potrzeba, by utrzymać odpowiedni przepływ ładunków”. Czy słusznie się domyślam że to wynika ze wzoru na napięcie tzn Vab =Wab/q gdzie Wab=Fxlab
Czyli jeśli mamy fragment obwodu i jest na nim jakieś napięcie, następnie zmieniamy rezystancje tego fragmentu w stosunku do reszty obwodu na większą .To więcej napięcia przerzuca się właśnie na ten fragment a jest ono zabierane z fragmentów o niższej rezystancji . Wtedy nasze napięcie na tym fragmencie jest większe we wzorze nie zmienia sie lab bo odcinek pozostał taki sam ani q bo dalej jest to jeden kulomb zatem wzrosnąć musi F czyli siła działająca na ładunek .Prawda? Bo wzrosła rezystancja a wiec na tym fragmencie musimy sie bardziej napracować aby utrzymać tępo w stosunku do fragmentów o niższej rezystancji .Oczywiście natężenie całego obwodu przy tym samym napieciu w całym obwodzie troche zmaleje bo zwiększyliśmy rezystancje całego obwodu i teraz chcąc żeby nie spadło z prawa ohma musimy zwiększyć napięcie zasilania naszego źródła.
Nie wiem czy nadążam, bo dość złożony problem tu zarysowałeś. Jeśli na danym fragmencie obwodu jest jakieś napięcie, załóżmy 24 V i płynie sobie prąd, załóżmy 1 A, a ty nagle zwiększasz rezystancję to… z napięciem nic się nie dzieje. W tym fragmencie zaczyna po prostu płynąć mniejszy prąd i to tyle.
Też nie wiem co masz na myśli pisząc ,,inne fragmenty obwodu”. Czy to jest układ równoległy? A może szeregowy? To bardzo mocno wpływa na zachowanie napięcia, prądu i rezystancji w obwodzie. Tak naprawdę wszystko co napisałeś w tym komentarzu to czyste Prawa Ohma i Kirchhoffa.
Cześć w artykule o napięciu w jednym komentarzu napisał pan:(O tym dlaczego bateria nie przyjmuje elektronów dopóki nie pozwolimy jednocześnie wypływać im z jej minusa, pisałem w moim artykule pt.: Jak działa bateria.)
jest to gdzieś w tym artykule?
Drugie pytanie jeżeli mamy przykładowo akumulator o 45Ah to znaczy że możemy pobierać ciągle prąd o natężeniu 1A przez 45 godzin dobrze rozumiem?
Opis tego zagadnienia rozpoczyna się w akapicie: ,,Utlenianie cynku”.
A konkretniej od słów: ,, Na płytce zaczyna narastać ładunek ujemny, a w roztworze znajduje się coraz więcej jonów dodatnich. Sytuacja ta stopniowo utrudnia przenikanie kolejnym jonom do roztworu. Stężenie ładunków dodatnich jest tak duże, że kolejne atomy nie są w stanie do niego przeniknąć. Po pewnym czasie równowaga zostanie ustalona i dopóki w jakiś sposób nie rozładujemy nagromadzonych ładunków, dalsze utlenianie nie będzie możliwe.”
Co do pytania to zgadza się, dobrze rozumiesz.
Witam. Czy wytwarza się naładowane lub ładowane półogniwa i wykorzystuje się je gdzieś w praktyce?
Czy można zbudować działający obwód elektryczny np. z żarówką z dwóch osobnych, nie połączonych ze sobą naładowanych różnoimiennych półogniw?
Czy można zbudować działający układ elektryczny np. z żarówką korzystając z półogniwa i z instalacji uziemiającej jako drugiego bieguna. Jak to by działało jeżeli półogniwo naładowane byłoby dodatnio lub ujemnie i drugi biegun osobny punkt uziemiony.
Czy w nawiązaniu z powyższym , człowieka naelektryzowanego można chwilowo „traktować” jako półogniwo i jego rozładowanie ( przepływ prądu) przez dotyk z klamką, zamkiem, czy kranem?
Dlaczego rozładowanie naelektryzowanego człowieka” kopie” przez dotkniecie neutralnego elektrycznie metalowego „dużego” przedmiotu a nie kopie np. dużej mocy naładowany akumulator 12-24 trzymając dłońmi równocześnie za dwa bieguny?
Porównaj sobie także prędkość Prądu (bez ograniczeń ośrodka bliską prędkości światła) i podstawową prędkość z jaką przemieszcza się elektron np. w miedzi – kilka cm na minutę … więc ruch elektronów nie może być prądem
Każdy uporządkowany przepływ ładunków (w tym również elektronów) to prąd elektryczny. Kwestię prędkości poruszam tutaj: https://teoriaelektryki.pl/jak-szybko-plynie-prad/
Witam. Niedawno znalazlem Twoja strone i doksztalcam sie 🙂 pytanie odnosnie rysunku laczenia szeregowego ogniw i sumowaniu sie napięcia…w mysl ze „-” z „+” chca sie spotkac to czy nie powinno dojsc do „wyzerowania” ? Dlaczego zatem roznica napiec przy polaczeniu szeregowym wzrasta?
Masz rację, jeśli spotka się + i – to ich potencjały się wyrównują. Jeśli jednak weźmiemy dowolną baterię, np. ,,paluszka” to znajdziemy na niej informację: 1,5 V. Wartość tę nazywamy napięciem baterii, ale w rzeczywistości oznacza ona, że JEDEN POTENCJAŁ BATERII JEST WYŻSZY O 1,5 V OD DRUGIEGO. Jest to wewnętrzna cecha każdej baterii wynikająca z jej budowy.
Rozpatrzmy teraz dwie baterie połączone ze sobą. Spróbuję je narysować: -|||||+ -|||||+.
Biegun dodatni każdej z nich jest o 1,5 V wyższy od bieguna ujemnego, tak jak pisałem. I teraz punkt, o którym mówimy: Tam gdzie + i – z dwóch różnych baterii się spotykają, mamy wyrównanie potencjałów. Ale to wciąż nie zmienia faktu, że minus pierwszej baterii jest o 1,5 V niższy od punktu wyrównanego, a plus drugiej baterii jest o 1,5 V wyższy od punktu wyrównanego. Stąd obie baterie razem tworzą super-baterię o napięciu 3 V.
Artur dziekuje Ci bardzo za odpowiedz ale dalej cos mi nie gra(pewnie umyka mi jakis istotny szczegol:))..Zalozmy na minusie jest potencjal -0,75V a na plusie +0,75V co daje 1,5V. Teraz jak polaczymy dwie bateria szereogowo czyli + z – to tam mamy 0- nie ma nic( ladunki wyzerowaly swoje potencjaly). To wowczas roznica miedzy biegunem ujemnym a 0 jest 0,75V a nie 1,5V.
Dla każdego układu elektrycznego możesz przyjąć sobie punkt odniesienia. Twoim punktem jest potencjał bieguna ujemnego baterii, którego wartość przyjmujesz równą -0,75 V. Wiemy, że potencjał dodatni tej baterii jest o 1,5 V wyższy, czyli wychodzi +0,75 V. To również jest w porządku. Teraz dokładasz drugą baterię. Dlaczego nagle twój punkt odniesienia zmienia potencjał na 0 V? Nie możesz tak robić. Jeżeli mamy sieć energetyczną dla której ustalamy, że odniesieniem jest ziemia i jej potencjał to 0 V, to cokolwiek do tej ziemi podłączymy nie zmienia potencjału ziemi, tylko przyjmuje JEJ potencjał. Taka jest idea potencjału odniesienia. Cokolwiek wsadzisz w ziemię, ma potencjał 0 V. Tak samo tutaj: cokolwiek podłączysz do ujemnego bieguna baterii, to to coś zyskuje potencjał tego bieguna. W twoim przypadku -0,75 V. Masz więc dwie baterie:
-|||||+ -|||||+
I potencjały twojego układu to kolejno:
Minus dodanej baterii: -2,25 V
Plus dodanej baterii: -0,75 V (połączony z punktem odniesienia)
Minus pierwotnej baterii: -0,75 V (punkt odniesienia)
Plus pierwotnej baterii: +0,75 V.
To o czym myślałeś, że z dwóch potencjałów robi się 0 V, to zasada elektrodynamiki mówiąca, że elektrony starają się zniwelować różnicę potencjałów do zera. Słowo klucz: różnicę. Nie potencjały. Potencjały to tylko taki operator matematyczny. Sam sobie przyjąłeś -0,75 V i żadne zjawisko fizyczne Ci tego twojego założenia nie zabierze. Elektrony robią tylko tak, że podpięty do tego punktu biegun dodatni drugiej baterii przyjmuje ten sam potencjał, czyli -0,75 V.
Jasne, możesz teraz powiedzieć, że PRZYJMUJESZ minus jednej baterii jako -0,75 V, a plus DRUGIEJ baterii jako +1,5 V. Co się dzieje, gdy je połączysz? Nic, powstaje nowy układ i nie możesz mieć dwóch potencjałów odniesienia w jednym układzie. Nie możesz transferować punktów odniesienia starych, całkowicie niezależnych elektrycznie układów, do nowego układu. Tworząc nowy układ musisz wyznaczyć dla niego nowy punkt odniesienia. To jest wszystko czysta matematyka, mająca dać Ci możliwość łatwego wykonywania obliczeń. Potencjał to nie jest coś co ma jakikolwiek fizyczny wpływ na przepływ prądu.
Hm…. sądziłem tak jak opisywałeś to w arytkułach, że elektrony po spotkaniu się z + (nie wiem jak to napisać:)) „wytracają swoją energię..i połaczyły się z + i nie ma nic 🙂 mam tu na myśli że elektrony powędrowały sobie do + na skutek sił przyciągania wynikającej z odmiennych potencjałów (cos jak dwa magnesy :)). Ale skoro niweluje się jak pisałeś różnica potencjałów a nie sam potencjał to rozumiem że te elektrony i „ładunki dodatnie” nie przemieszczają (pomimo, że się ze sobą stykają) się tylko stoją w miejscu.
Plus dodanej baterii: -0,75 V (połączony z punktem odniesienia)- dlaczego? skoro mamy mieć 3V…Pogubiłem się…
Sorry ale ja muszę sobie te rzeczy że tak powiem wyobrazić 🙂 Popraw mnie proszę, jeżeli się mylę…:)
Teraz kolejna niejasna rzecz: Minus dodanej baterii: -2,25 V? Why? 🙂 Na + pierwotnej jest potencjał +0,75V a nie 1,5V(to jest przecież różnica miedzy – a + baterii pierwotnej)… Czy chodzi o to, że przy podłączaniu minusa drugiej baterii (który ma -0,75V) do plusa pierwotnej (+0,75V) to ten + pierwotnej zmienia się na – ..uh zgubiłem się…
Bardzo mnie to wszystko ostatnimi czasy zaciekawiło jak zacząłem wymieniać elektrolity w jednym z moich Radmorów i trafiłem a Twoją stronę która jest naprawdę bardzo fajna 🙂 Jakbym tylko tak w szkole uczyli i tłumaczyli…..:)
Czy możemy przejść na konwersację mailową? Tam mógłbym Ci wszystko narysować, tutaj nie mogę wrzucać obrazków. Napisz do mnie na kontakt@teoriaelektryki.pl
Czesć Artur..napisalem Ci maila na adres który podałeś…
idąc Twoim tokiem rozumowania o kontrolowanym przepływie ładunków elektrycznych bateria traciłaby swoją masę podczas rozładowania a raczej to tak nie działa …
Tok rozumowania z początku artykułu to tylko pewien schemat. Dalej widać, że elektrony nie opuszczają baterii, tylko przepływają na jej drugą stronę.
Napięcie i pojemność to dwie odmienne rzeczy. Wyższe napięcie oznacza, że bateria o danej pojemności jest w stanie dostarczyć więcej energii. W jaki sposób? Tłocząc przez układ większy prąd. Ale skąd bateria wie jaki prąd powinna dostarczyć?
Piszesz o tym, że baterii „używasz z tym samym oporem” ale nie jest to do końca dobre podejście do tematu. Widzisz, sercem wkrętarki jest silnik. Silnik zaprojektowany został na określone napięcie i pobór określonego prądu znamionowego w trakcie pracy. Oznacza to, że to nie bateria decyduje o tym ile prądu płynie w silniku, a sam silnik!
Kiedy ma on lżej, pobierze prąd mniejszy od znamionowego. Jeśli ma bardzo ciężko, to pobierał on będzie prąd znacznie większy niż powinien. Długotrwały przepływ prądu przekraczający normalna wartość jest dla silnika zabójczy.
I dlatego właśnie POD ŻADNYM POZOREM NIE NALEŻY WKŁADAĆ DO WIERTARKI AKUMULATORA O NAPIĘCIU WYŻSZYM NIŻ PRZEWIDZIAŁ PRODUCENT. Owszem, wkrętarka będzie mogła kręcić się szybciej, a w razie większego obciążenia będzie mogła pobrać większy prąd. Ale zarówno zbyt duże napięcie jak i zbyt duży prąd mogą to delikatne urządzenie zniszczyć w mgnieniu oka.
Wkrętarki posiadają rzecz jasna różne zabezpieczenia, ale czy faktycznie chcesz sprawdzać, czy producent twojej zadbał odpowiednio o wszystko?
Dzięki za ciekawe pytanie. Mam nadzieję że pomogłem!
Tak dzięki lecz dalej nie wiem które myślenie lepsze
to.
jak mam 2 baterie 10 v i 20 v i ah mają tyle samo i używam ich z tym samym oporem czyli na przykład używam wkretarek z baterią 10 v i baterią 20 v to szybciej rozładuje sie bateria 20 v bo będzie szedł większy prąd lecz będzie szybciej kręcić ??
czy to.
czy mając 2 baterie 10 i 20 v tyle samo ah to dłużej będę używał bateri 20 v? jeżeli będę wykonywał pracę baterią 20 v to żeby uzyskać moc 20 w bedzie pobierać 1 A a bateria 10 v będzie pobierać 2 A wiec szybciej się rozładuje ??
Pierwszy sposób rozumowania jest prawidłowy. Pomijając kwestię tego co ten silnik napędza, możemy powiedzieć, że:
Większe napięcie silnika DC = Większy prąd płynący przez jego uzwojenia.
To jak zachowa się silnik (o ile przyspieszy i ile momentu obrotowego zyska) zależy od tego jakie jest obciążenie. Jedno jest pewne – będzie się znacznie mocniej nagrzewał. Ale na ten temat rozwinę się jak przyjdzie czas opisywać poszczególne rodzaje silników.
Witam . Jak mam 2 baterie 10 v i 20 v ah mają tyle samo i używam ich z tym samym oporem czyli na przykład używam wkretarek z baterią 10 v i baterią 20 v to szybciej rozładuje sie bateria 20 v bo będzie szedł większy prąd lecz będzie szybciej kręcić ??
czy mając 2 baterie 10 i 20 v tyle samo ah to dłużej będę używał bateri 20 v? jeżeli będę wykonywał pracę baterią 20 v to żeby uzyskać moc 20 w bedzie pobierać 1 A a bateria 10 v będzie pobierać 2 A wiec szybciej się rozładuje ?? dobrze myślę ??
Witam.
Z tego co ja rozumiem będą pracować tyle samo jeżeli pobór mocy w silniku będzie zgodny z przeznaczeniem. Jeżeli masz silnik projektowany na zasilanie 10V to będzie pracować przez tyle Ah na ile bateria powiedzmy 20 Ah pozwoli. I tak samo będzie z baterią 20V o tej samej pojemności czyli pobór mocy będzie 1A przez 20 godzin. Oczywiście jeżeli warunki będą idealne itp. Po prostu wkrętarką o wyższej mocy zrobisz swoją robotę szybciej ale nie znaczy to że bateria szybciej się rozładuje.