Batteries and cells , acellin

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Las células eléctricos y baterías Introducción En su forma más sencilla de una batería puede ser considerada como una bomba que proporciona la energía para mover la carga alrededor de un circuito. A fin de proporcionar una diferencia de potencial. o fuerza electromotriz (FEM) se requiere una reserva de energía. Uno de estos métodos es una batería o celda. Los usos comunes de la batería plazo es cualquier dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica. Sin embargo, estrictamente hablando, el término batería se usa cuando varias células eléctricos están conectados entre sí para proporcionar una fuente de una diferencia de potencial en un circuito. Si es sólo una única fuente química entonces se llama una célula. Historia Figura 1. Experimento de la pierna de la rana de Galvani En 1791, Galvani se dio cuenta de que un circuito creado con dos metales diferentes, cuando es tocado en los extremos de la pata de una rana muerta, harían que se contracción. Los dos metales estaban creando una corriente eléctrica dentro de la pata de la rana, haciendo que los músculos se contraigan. baterías tempranas eran una mejora de este método de traslación de la energía química en energía eléctrica. La primera batería fue inventado en 1793 por Alessandro Volta. Al igual que los dos metales diferentes que tocan la piel húmeda de la pierna de una rana, causaron una corriente eléctrica fluya, baterías primeros aumentaron la tensión que podría ser producido por el apilamiento de una pila de discos hechos de plata y zinc intercalada entre papel empapado en una de agua salada solución como se muestra en la Figura 2. en honor a Volta, utilizamos el Volt como la unidad de diferencia de potencial y EMF. Figura 2. batería de Volta de las células. Funcionamiento con batería ¿Por qué esto producir electricidad? El flujo de corriente puede ser entendido como el flujo de iones desde el más metal reactice al metal menos reactivo. Los iones de pasar de un electrodo al otro crea una carga eléctrica que se neutraliza por el flujo de electrones a través del cable. Antes de considerar la reacción de dos metales, considere lo que sucede cuando colocamos un solo electrodo de metal en un electrolito. Algunos de los átomos de metal en el electrolito entrar en solución en forma de iones, mientras que los electrones restantes crear una carga negativa en el metal. La separación de los iones y electrones conduce a una separación de la carga. Sin embargo, esta acumulación de carga no puede continuar indefinidamente debido a que la carga negativa se acumula en el metal se vuelve cada vez más difícil para los iones metálicos positivos a entrar en solución. Una acumulación similares en carga positiva en el electrolito también evita la acumulación de carga. Este grado de acumulación de carga hasta depende del metal y representa el trabajo necesario para separar los electrones de los iones. Esto se conoce como el principio de electroneutralidad Del mismo modo, si una banda de cobre se coloca en un cobre aquaous (II) solución de sulfato de cobre también perderá iones. Estas reacciones se escriben a menudo como Cu | Cu 2 Esta es la reacción de media celda. La tendencia de Zinc para bajar de iones es mayor que la del cobre. Cuando las dos células se unen entre sí (utilizando un alambre de cobre para conectar los electrodos y barrera porosa que permite que los iones pasan conocidos como una sal-puente conectar los elecrolytes, la acumulación de electrones en el zinc fluirá a través del alambre en el cobre. Los iones de cobre en los electrolitos ganan electrones y átomos de cobre convertirse. Así, la reacción puede escribirse, Zn | Zn 2+ | | Cu 2+ | Cu Figura 3. célula Danièle Para continuar la reacción, la carga debe ser eliminado. Esto se puede lograr mediante el acoplamiento de una segunda reacción que utiliza los electrones en el metal para convertir los iones en el electrolito en un metal. Para un ejemplo más específico, consideremos un electrodo de zinc en un electrolito de cobre solución de sulfato de (II). La pérdida de electrones por el zinc se conoce como oxidación. Zn (s) y rarr; Zn 2 + 2 + e -. (1) Un cable que conecta el electrodo de zinc a un electrodo de cobre, permite que los electrones fluyan al electrodo de cobre. Los iones de cobre en la solución de sulfato de cobre ocupan los electrones y se convierten en átomos de cobre en el electrodo de cobre. La obtención de los electrones de los iones se conoce como reducción Cu + 2 + 2e - y rarr; Cu (s). (2) Las reacciones netas es entonces, Zn (s) + Cu 2+ y rarr; Cu (s) + Zn 2+ Cuando los dos electrodos están unidos por un alambre de la carga almacenada puede fluir y los electrones se combinan. Los tipos más simples de la batería tienen dos conductores de diferentes materiales que se sumerge parcialmente en una solución que permite que los electrones y los iones fluyan libremente conocen como un electrolito. En el electrodo de cobre (cátodo), el ácido disuelve el gas de hidrógeno de metal de cobre producir, H +. La reacción continuará hasta que el suministro de zinc se utiliza para arriba. Los electrones, con su carga negativa, son atraídos por el electrodo de cobre que hace que una corriente fluya. Uno de los problemas con esta célula es que la corriente deja de fluir después de un corto período de tiempo debido a que los bubles hidrógeno bloquean la corriente. Las células utilizando electrolitos (agua que contiene) acuosas se limitan en el voltaje a menos de 2 voltios debido a que el oxígeno y el hidrógeno en agua se disocian en presencia de tensiones por encima de este voltaje. Las baterías de litio (véase más adelante) que utilizan electrolitos no acuosos no tienen este problema y están disponibles en voltajes entre 2,7 y 3,7 voltios. Sin embargo, el uso de los resultados electrolitos no acuosos en las células que tienen una relativamente alta impedancia interna. Serie actividad En la escala de actividades, un metal renunciará a los electrones a cualquier otro metal que está debajo de él en la escala de actividades. Los elementos que ganar electrones se denominan planchas negativas. Elementos que pierden electrones se denominan iones positivos. Cualquier metal más activo va a renunciar a los electrones de un metal menos activo. Esto servirá para proteger el metal menos activo de la corrosión. Por ejemplo, buques de acero a menudo tienen barras de zinc unido a los lados de la nave. A medida que el acero se corroe por el oxígeno del agua y el aire, el zinc renunciará electrones al acero y protegerlo de la corrosión. Las baterías en los circuitos Al igual que cualquier otro componente eléctrico, las células individuales pueden ser colocados en serie o en paralelo. En la serie su suma de tensión para crear una batería con un voltaje más alto pero la corriente sigue siendo el mismo que en una sola célula. En paralelo, las baterías tienen la misma tensión, pero la corriente se suman para crear una batería con una corriente más alta. Las pilas y la resistencia interna Figura 4. Una célula real con resistencia interna. Una batería real tiene resistencia interna. r. lo que reduce la tensión cuando la célula es conectar a una carga. Si intenta enviar demasiada corriente a través de una batería, la resistencia interna convertirá propia energía potencial química de la batería en energía térmica. La batería se calentará y electrones dejará el electrodo negativo, con relativamente poca energía. Figura 5. Una célula con resistencia interna en serie con una carga, R. La fem de la batería está dada por E y representa la tensión cuando la batería está en circuito abierto. Si la batería no tenía ninguna resistencia interna, la corriente que circula en el circuito estaría dada por la ley de Ohm. I = E / R, donde R es la resistencia de la carga. La resistencia interna se suma a la resistencia total del circuito. Si llamamos a la nueva resistencia total de la célula y de carga, R eq = r + R Desde R eq es mayor que R se reduce la corriente que fluye en el circuito. Por lo tanto, si estamos haciendo una célula queremos que la resistencia interna para ser un pequeño posible. ¿Cuál es la tensión en la resistencia R. Está claro que no es el mismo que el EMF debido a la resistencia interna. Sabemos que la FEM, E = IR + IR. También sabemos que la tensión en la resistencia R es IR. La reordenación de estas dos ecuaciones nos encontramos con la tensión en términos de E. r y R. Esta ecuación muestra también que si dibujamos una gran cantidad de corriente del circuito vemos la tensión disminuye. Un buen ejemplo de esto es un coche de comenzar con sus luces encendido. Cuando se gira la llave ignitioin, el motor de arranque-motor eléctrico utiliza una gran cantidad de corriente antes de que comience a girar. La corriente para esta es suministrada por la batería del automóvil, que también alimenta las luces. El voltaje disponible para las luces se reduce en este momento y las luces se bajan como se inicia el coche. Se convierten rápidamente en brillante de nuevo una vez que el motor se está convirtiendo más porque menos corriente es requerida por el motor de arranque. (Cuando el coche se ha iniciado no pasa corriente por el motor de arranque, ya que se desenganche del motor). Tabla 1. Reactividad de metal de la serie de más reactivas a menos reactivas. Potencia y Eficiencia La potencia de salida de la batería está dada por P E = I 2 R (5) Del mismo modo, la potencia emitida en forma de calor por la batería que debido a la resistencia interna es P r = I 2 r = E 2 r / (r + R) 2 (7) La eficiencia, y eta; del circuito es la relación de la potencia realmente producida por la batería con su resistencia interna a la potencia suministrada por la fuente, P 0. P 0 = I E La energía generada está dada por I V R. donde V R es la tensión en la resistencia R. Cuanto menor sea la resistencia interna, más cerca de la eficiencia, y eta; será a su valor máximo de 1. Si representamos el poder tranferred a una resistencia de carga R contra la creciente R junto con la eficiencia nos encontramos con que la potencia máxima es transferido por la batería cuando R = r. Este es un resultado muy importante y encontrar aplicaciones en muchos dispositivos eléctricos que se conoce como el teorema de Jacobi Potencia transferida y la eficiencia de una batería contra la resistencia de carga. Para comprobar esto, también podemos diferenciar la expresión de la potencia P contra R y establezca su valor a cero para encontrar el valor máximo de R. Mientras que la potencia transferida puede ser en un máximo, la eficiencia en este ciento es sólo el 50%. Cuanto mayor es la resistencia de carga, mayor es la eficiencia. En la práctica la carga exacta del circuito depende de la aplicación, una buena voltímetro tiene una alta resistencia extremadamente de manera que la potencia transmitida es tan pequeño como sea posible. Tipos de batería Con los años, los avances en la tecnología de baterías ha sido bastante lento, pero la necesidad de pequeñas baterías más potentes en los muchos pequeños artículos eléctricos que llevamos con nosotros ha impulsado la investigación de mayor potencia, baterías de mayor duración. zinc-carbono Esto se conoce comúnmente como el Leclanch y eacute; Celular ya pesar de ser el tipo más antiguo de la batería sigue siendo el más utilizado, ya que es de muy bajo costo. Tradicionales baterías de zinc-carbono no pueden ser reutilizados cuando su energía química ha sido liberado Las células alcalinas química alcalina se utiliza en baterías comunes Duracell y Energizer, los electrodos son el zinc y el manganeso-óxido, con un electrolito alcalino. Las baterías alcalinas pueden ser reutilizados hasta 100 veces con el tipo correcto de cargador de batería. Un cargador de batería normal no debe ser utilizado para cargar estas baterías. Los materiales activos utilizados son los mismos que en la celda Leclanché - zinc y dióxido de manganeso. Sin embargo, el electrolito es hidróxido de potasio, que es muy conductor, resultando en una baja impedancia interna de la celda. Esta vez, el ánodo de zinc no se forma el recipiente; es en forma de un polvo en lugar, dando un área de superficie grande. plata Zinc Ligero, pero caro. Se utiliza en aplicaciones aeronáuticas. Las células recargables o secundarias Las baterías recargables son recargables debido a la reacción química que conduce a la circulación de corriente es reversible haciendo pasar una corriente a través de la batería. La animación muestra una batería de someterse a la carga y descarga. Cuando la batería está cargada, la corriente puede fluir a través de una carga resistiva. animación flash 1. Batería recargable carga que experimenta y ciclo de descarga. Plomo-ácido baterías de plomo acide se utilizan para proporcionar grandes cantidades de corriente durante un tiempo relativamente corto. Se componen de placas de plomo y óxido de plomo en una solución de ácido sulfúrico. El plomo se combina con SO 4 (sulfato) para crear PbSO4 (sulfato de plomo), además de un electrón. dióxido de plomo, los iones de hidrógeno y SO 4 iones, además de electrones de la placa de plomo, crean PbSO4 y el agua en la placa de dióxido de plomo. A medida que la batería se descarga, ambas placas se acumulan PbSO4 y el agua se acumula en el ácido. La característica de tensión es de aproximadamente 2 voltios por celda, por lo que mediante la combinación de seis celdas que consigue una batería de 12 voltios.