Anatoly Vorobey (avva) wrote,
Anatoly Vorobey
avva

Category:

как работает батарейка

Где-то год назад я понял, что не вполне понимаю, как работают батарейки и аккумуляторы. Попытался разобраться. Прочитал десяток-два популярных объяснений на разных образовательных сайтах, и пришел к выводу, что они часто объясняют только половину процесса, и создают ложное впечатление. Опросил друзей и знакомых и пришел к выводу, что у них, как и у меня, было это ложное впечатление. Написал следующий текст в качестве попытки его исправить и объяснить себе лучше. Поправки и уточнения от физиков, химиков, инженеров итд. принимаются с благодарностью.

1. У батарейки есть два электрода, положительный и отрицательный. На отрицательном электроде происходит химическая реакция, производящая свободные электроны. На положительном электроде происходит химическая реакция, поглощающая свободные электроны. Для разных видов батареек используют разные реакции.

2. Вместе с тем обе реакции нейтральны по отношению к заряду. Та, которая производит электроны, балансирует это тем, что также производит катионы (положительно заряженные ионы, т.е. атомы с недостающими электронами) или поглощает анионы (атомы с лишними электронами). Та, которая поглощает электроны, либо производит анионы, либо поглощает катионы.

3. Ионы (положительные катионы или отрицательные анионы), которые участвуют в этих реакциях, приходят из/уходят в электролит. Электролит - это жидкое или сухое вещество, окружающее оба электрода и заполняющее все батарейку. У разных видов батареек электролит состоит из разных соединений. Главное для электролита - следующие его свойства: 1) его молекулы очень легко расщепляются в "суп" из катионов/анионов; 2) свободные электроны не могут легко в нем передвигаться; 3) катионы/анионы, наоборот, могут в нем легко передвигаться (иногда только один из видов, иногда только в одном направлении). Реакции на электродах происходят на границе электрода и электролита.

4. Из-за разного устройства электронной оболочки разных элементов - это сильное упрощение - у каждой из двух химических реакций есть свой электрический потенциал (т.е. энергия, которая освобождается/потребляется при каждой реакции). Эти потенциалы противоположны по знаку, но они неодинаковы, и разница между ними определяет напряжение батарейки, т.е. насколько сильно она "хочет" толкать электроны. Количество самого материала для реакции не влияет на напряжение, а только на емкость батарейки.

5. Когда цепь между полюсами батарейки не замкнута, реакции на электродах не протекают (точнее, протекают очень медленно). Почему? Даже очень маленький избыток разряда создает очень мощную электростатическую силу (закон Кулона), стремящуюся его сбалансировать. Например, возьмем реакцию, которая берет отрицательные ионы из электролита и производит свободные электроны. Свободные электроны остаются на электроде, им некуда уйти (электролит не пропускает их). Даже крохотный избыток электронов на электроде и дефицит отрицательных ионов в электролите создает электростатические силы (между ними и соседними атомами в электроде/электролите), которые не дают реакции продолжаться.

6. Когда цепь замкнута, электроны текут по цепи от отрицательного электрода к положительному, и одновременно ионы текут внутри электролита, поддерживая нейтральность заряда. Внешняя цепь переносит такой-то заряд от отрицательного электрода к положительному и одновременно поток ионов внутри электролита (либо положительных в том же направлении, либо отрицательных в обратном, иногда и то и другое) переносит ровно тот же заряд в обратном направлении. Без этого потока ионов через электролит, т.е. без тока *внутри* батарейки, ничего бы не работало.

7. В дополнение к тому, что электролит сам по себе плохо пропускает электроны, внутри батарейки обычно есть "сепаратор" - пористая ткань или пластик, пропитанные электролитом. Сепаратор пропускает сквозь себя электролит, так что ионы могут проходить, но еще более затрудняет проход свободных электронов.

8. В конце концов у реакций кончается исходный материал (например, металл полностью превращается в оксид) и батарейка перестает работать. Иногда реакции так подобраны, что положительные/отрицательные ионы в них на двух электродах симметричны, и тогда электролит не разрушается со временем. В других типах батареек сам электролит тоже ухудшается со временем.

9. Если это не просто батарейка, а аккумулятор, то происходит следующее. Когда он разряжается, электроны двигаются по внешней цепи, а положительные ионы двигаются внутри электролита, и потом они соединяются заново (в другой реакции и в другое соединение) на противоположном электроде. Когда аккумулятор заряжает, внешний потенциал, который больше потенциала самого аккумулятора и действует в обратном направлении, заставляет реакции происходит в обратном направлении, и все происходит "наоборот", как будто время пустили назад: второе соединение расщепляется на электроны и позитивные ионы, позитивные ионы движутся сквозь электролит, электроны по внешней цепи, и они соединяются опять в то, что было в самом начале.

P.S. Главное, что я во всем этом не понимал, и что по-моему обычно не объясняют в научно-популярных статьях и что не понимают "чайники" типа меня, это роль электролита как проводника ионов, точно балансирующих по заряду поток электронов по внешней цепи. Когда я прошу образованных людей, но не физиков-химиков-инженеров, объяснить мне на пальцах, как работает батарейка, обычно это звучит примерно так: "из-за химических реакций один полюс батарейки заряжен отрицательно, другой положительно, но между полюсами изолирующий материал и поэтому разница зарядов остается, пока не замкнут цепь, и тогда электроны будут течь из-за этой разницы зарядов". Я примерно так тоже это представлял, пока не попытался лучше понять.
Tags: физика, хочу все знать
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 71 comments