Τι είναι η εσωτερική αντίσταση; Πώς λειτουργεί μια μπαταρία;

Η εσωτερική αντίσταση μπορεί να οριστεί ως η ικανότητα ενός αντικειμένου να εμποδίζει τη ροή ηλεκτρονίων που διέρχονται από έναν αγωγό. Οι αντιστάσεις είναι κατασκευασμένες από μονωτήρες, όπως άνθρακας ή πλαστικά, υλικά που απαγορεύουν τη ροή ηλεκτρονίων μέσω αυτών. Αυτή η ικανότητα πιστώνεται στη δομή τους.

Μια μπαταρία είναι ανάλογη με δύο φρεάτια ηλεκτρονίων που συνδέονται μεταξύ τους, όπου ο όγκος των ηλεκτρονίων στο ένα φρεάτιο είναι μεγαλύτερος από τον άλλο. Όταν συνδεθεί, μια ώθηση θα ωθήσει φυσικά τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια στο δεύτερο φρεάτιο στο πρώτο φρεάτιο έως ότου οι όγκοι τους γίνουν ίσοι.

Ωστόσο, για κάποιο λόγο, αυτή η παράδοση δεν επιτυγχάνει απόλυτη πιστότητα. δεν μεταναστεύει κάθε ηλεκτρόνιο στην άλλη πλευρά. Φαίνεται ότι κάποια ηλεκτρική ενέργεια χάνεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Στην περίπτωση των πραγματικών μπαταριών, αυτή η χαμένη ενέργεια μεταφράζεται σε αύξηση της θερμοκρασίας της ίδιας της μπαταρίας.

Αυτό το εγγενές θερμαντικό στοιχείο συμπεριφέρεται σαν μια συμβατική αντίσταση, η οποία διαχέει την ισχύ με τη μορφή θερμότητας όταν ένα κύμα ρεύματος διέρχεται από αυτό. Ονομάζουμε αυτό το στοιχείο εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας. Για να κατανοήσουμε γιατί οι μπαταρίες δεν μπορούν παρά να προκαλέσουν τη δική τους αναίρεση, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν οι μπαταρίες και κατανέμουν την ισχύ σε ένα κύκλωμα.

Πώς λειτουργεί μια μπαταρία;

Μια μπαταρία έχει δύο ακροδέκτες που αποτελούνται από διαφορετικά μέταλλα και έναν ηλεκτρολύτη που επιπλέει ανάμεσά τους. Ένας ηλεκτρολύτης είναι ένα χημικό διάλυμα που επιτρέπει τη ροή ηλεκτρονίων μέσω αυτού. Για να το θέσω απλά, ένας ηλεκτρολύτης άγει ηλεκτρισμό. Ένας ηλεκτρολύτης είναι ένα διάλυμα που αντιδρά διαχυτικά με μέταλλα, διαχωρίζοντάς τα στα συστατικά τους ιόντα.

Το ένα τερματικό είναι μια κάθοδος, κατά προτίμηση ένα οξείδιο μετάλλου που περιέχει μια πληθώρα θετικά φορτισμένων οντοτήτων ή μεταλλικά ιόντα με έλλειψη ηλεκτρονίων. Το άλλο τερματικό είναι μια άνοδος, ένα μέταλλο που περιέχει περίσσεια αρνητικά φορτισμένων ιόντων ή μεταλλικά ιόντα με περίσσεια ηλεκτρονίων.

Η χημική αντίδραση μέσα στον ηλεκτρολύτη οξειδώνει την κάθοδο, με αποτέλεσμα να χάσει ηλεκτρόνια, τα οποία ταξιδεύουν μέσα στο κύκλωμα και κατά συνέπεια μειώνουν την άνοδο όταν τα κληρονομήσει. Αυτή η συσκευή σχηματίζει τα δύο φρεάτια ή δυναμικά μας που συνδέονται με ένα μέσο μέσω του οποίου ταξιδεύουν τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια.

Το σύστημα μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια έως ότου δεν υπάρχουν αντιδρώντα που να υποστούν μια αντίδραση οξειδοαναγωγής. Σε αυτό το σημείο, η μπαταρία έχει σβήσει. Ωστόσο, μπορούμε να επιτύχουμε το αντίστροφο μέσω εξωτερικών μέσων, έτσι ώστε η ηλεκτρική ενέργεια από μια ξένη πηγή να μπορεί να μετατραπεί σε χημική ενέργεια.

Τώρα η συσκευή ξαναγεμίζει με νέα αντιδρώντα και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή την ανανεωμένη χημική ενέργεια μετατρέποντάς την σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μπαταρία είναι τώρα επαναφορτισμένη .

Αυτή η εξήγηση είναι πώς μια μπαταρία ιδανικά λειτουργεί.

Εσωτερική αντίσταση

Η αντίσταση μπορεί να οριστεί ως η ικανότητα ενός αντικειμένου να εμποδίζει τη ροή ηλεκτρονίων που διέρχονται από έναν αγωγό. Οι αντιστάσεις είναι κατασκευασμένες από μονωτήρες, όπως άνθρακας ή πλαστικά, υλικά που απαγορεύουν τη ροή ηλεκτρονίων μέσω αυτών. Αυτή η ικανότητα πιστώνεται στη δομή τους.

Οι αγωγοί έχουν μια κρυσταλλική δομή που έχει μερικά ηλεκτρόνια προσκολλημένα σε ορισμένα κενά, ενώ πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια σμήνος γύρω χωρίς αρθρώσεις. Οι μονωτές όπως τα πλαστικά, από την άλλη πλευρά, έχουν μια κρυσταλλική δομή που πιέζει τα ηλεκτρόνια τους σε θέσεις έτσι ώστε να είναι πλήρως κατειλημμένα. Δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια για να περιφέρονται ελεύθερα και να μεταφέρουν ρεύμα.

Η κρυσταλλική δομή ενός αγωγού, όπου λίγα ηλεκτρόνια περιφέρονται ελεύθερα. Δεξιά:Δομή ενός μονωτή όπου τα ηλεκτρόνια είναι κολλημένα μεταξύ τους.

Ομοίως, οι μπαταρίες κατασκευάζονται από υλικά που έχουν μη μηδενική ειδική αντίσταση. Η εσωτερική αντίσταση ενός εξαρτήματος προκύπτει από δομικές ατέλειες ή ανωμαλίες. Οι φαινομενικά ανεπαίσθητες αντιστάσεις όλων των στοιχείων αθροίζονται σε μια συνολική αντίσταση πεπερασμένου, αντιληπτού μεγέθους.

Καμία κρυσταλλική δομή δεν είναι τέλεια. Ακόμη και ένα μέταλλο τείνει να έχει κάποια αντίσταση λόγω διαφόρων παραγόντων, όπως οι ακαθαρσίες ή η σύγκρουση ηλεκτρονίων στον κύριο όγκο ενός αγωγού λόγω τυχαίας θέρμανσης. Μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι δεν υπάρχει πραγματικό Η μπαταρία είναι μια καθαρή πηγή τάσης.

Για να ληφθεί υπόψη αυτό το αναπόφευκτο εμπόδιο, μια πηγή τάσης αντιπροσωπεύεται από μια τάση ε σε σειρά με μικρή εσωτερική αντίσταση r .

Αυτή η τάση είναι επίσημα γνωστή ως ηλεκτροκινητική δύναμη. Παρέχει τη δύναμη που βυθίζει τα ηλεκτρόνια σε κίνηση. Αν συνδέσουμε μια εξωτερική αντίσταση R, ένα φορτίο, σε σειρά για να ολοκληρωθεί αυτό το κύκλωμα, σύμφωνα με το νόμο του Ohm, βρίσκουμε:

Εδώ V είναι η πτώση τάσης στο φορτίο R . Επίσης, το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αντληθεί από μια μπαταρία είναι τώρα μειωμένο λόγω αυτής της εσωτερικής αντίστασης.

Εάν η τιμή του I> I(0), τότε η τιμή του V γίνεται αρνητική, πράγμα που σημαίνει αρνητικό R. Αυτό είναι ουσιαστικά αδύνατο. Μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι εάν αυτό το κύκλωμα βραχυκυκλωθεί συνδέοντας απευθείας τους δύο ακροδέκτες με ένα καλώδιο, το μέγιστο ρεύμα που θα αντληθεί περιορίζεται τώρα στο I(0).

Κάποιος μπορεί να βρει την αξία αυτών των ποσοτήτων χαραγμένη ή τυπωμένη στην μπαταρία, ώστε οι χρήστες να τους προειδοποιήσουν ώστε να μην τις χειριστούν σωστά. Για παράδειγμα, μια ξηρή κυψέλη "βαθμολογείται" στα 1,5 V και 0,1 A. Φυσικά, μια βραχυκυκλωμένη ξηρή κυψέλη όπως αυτή δεν θα ήταν επικίνδυνη, αλλά μια μεγαλύτερη πηγή ισχύος με ονομαστική τιμή 20V και 200A, για παράδειγμα, είναι δυνητικά θανατηφόρα .

Διαρρόφηση ενέργειας

Μια αντίσταση διαχέει ενέργεια με τη μορφή θερμότητας. Μπορούμε να το παρατηρήσουμε και με εσωτερική αντίσταση. Κάποιος μπορεί να δείξει ότι ένα μικρό ποσό της ισχύος του ε ξοδεύεται στην εσωτερική αντίσταση r , ενώ το υπόλοιπο μεταφέρεται στο φορτίο R .

Η παρουσία μιας εγγενούς αντίστασης υποδηλώνει ότι καμία πηγή τάσης δεν είναι τέλειες . Δηλαδή, δεν είναι τέλειες με την έννοια ότι οι μπαταρίες δεν είναι πλήρως αποδοτικές όταν μεταφέρουν την ηλεκτρική τους ισχύ σε εξωτερικό κύκλωμα. Όσο μικρή κι αν είναι, μια κλασματική ποσότητα ισχύος θα διαχέεται πάντα και θα σπαταλάται σε αυτήν την αντίσταση.

Υπάρχει μια απίστευτη ομοιότητα εδώ με τους νόμους της θερμοδυναμικής, σύμφωνα με τους οποίους καμία μηχανική μηχανή δεν μπορεί να μετατρέψει και να χρησιμοποιήσει το σύνολο μιας ενέργειας εισόδου για να εκτελέσει εργασία, χωρίς να ξοδέψει ένα οριακό ποσό για τον εαυτό της. Αυτή η ενέργεια μεταφράζεται ως θερμότητα — μια αύξηση στη θερμοκρασία του ίδιου του μηχανήματος.

Αυτός είναι ένας από τους πιο θεμελιώδεις νόμους του Σύμπαντος, είτε εφαρμόζεται σε έναν βρυχηθμό κινητήρα αυτοκινήτου είτε σε ένα λακωνικό φως LED 5V.