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Au niveau atomique, que se passe-t-il lorsque vous connectez deux batteries en série de façon à ce que leurs tensions s'additionnent ?

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Solution :

Une façon de penser à cela est la suivante : pour votre système à deux batteries avec les batteries en série, la borne positive de la batterie " A " ne sait pas ou ne se soucie pas de la tension que la borne négative de la batterie " B " lui présente. Tout ce que la batterie "A" va faire, c'est extraire des électrons de sa borne positive, les élever à un potentiel supérieur de N volts (où N est la tension nominale de la batterie) et les présenter à sa borne négative. En pratique, cela signifie que les tensions des batteries en série s'additionnent linéairement.

Chimie et physique des batteries en série.

Que se passe-t-il au niveau atomique à l'intérieur d'une pile lorsqu'on met deux piles en série ?

Réponse courte :

Caractéristiques d'une seule pile par rapport à deux piles en série : (c'est-à-dire, comparer la tension, le courant, $E$ champ, l'énergie stockée, la puissance, la charge et le temps de fonctionnement dans un circuit avec la même charge résistive) :

  • Deux fois la tension, en raison de la sommation des tensions avec deux cellules en série (c'est-à-dire deux fois les $E$ champ agissant sur une charge résistive à travers le conducteur).
  • Un courant deux fois plus important avec la même charge, du fait de la tension doublée.
  • Doublement de la vitesse de réaction à l'anode et à la cathode dans toutes les cellules en série.
  • Deux fois le taux de $mathrm{H^+}$ migration des ions de l'anode vers la cathode pour maintenir la neutralité de la charge à l'anode et à la cathode.
  • Le taux d'épuisement de la charge de la batterie est doublé. Lorsque le courant double et que la capacité de charge de chaque cellule est inchangée, la durée de l'écoulement est réduite de moitié.
  • A l'intérieur du circuit avec des batteries en série : le même courant circule dans tous les éléments de courant. (Le courant d'électrons circule à travers les éléments du circuit : il prend naissance dans l'anode extérieure, traverse le conducteur, la charge, la cathode extérieure, l'anode intérieure et est finalement neutralisé par la réaction de la cathode intérieure).
  • A l'intérieur des électrolytes des cellules en série, l'ampleur du débit d'ions est la même que le débit de courant à travers les électrolytes des deux cellules, ($text{cell}_1$ et $text{cell}_2$).

Quelle force fait passer le courant dans l'électrolyte et le conducteur entre les cellules en série ?

  • En définitive, la somme des tensions des cellules de la batterie conduit le courant à travers les cellules, mais son action est indirecte. Les tensions des batteries terminales conduisent le courant à travers la charge, mais les potentiels de migration et de réaction des ions sont responsables de la conduite du courant à l'intérieur des batteries.
  • La tension doublée de deux batteries en série conduit deux fois le courant à travers la charge.
  • Ce courant accru attire plus d'électrons de l'anode extérieure et les conduit à travers la charge vers la cathode extérieure. (Note : l'anode externe et la cathode externe font référence aux électrodes externes des deux piles en série. Et évidemment, les termes "anode interne" et "cathode interne" font référence aux bornes connectées entre les piles en série).
  • L'augmentation du taux d'enlèvement des électrons de l'anode externe, et de leur livraison à la cathode externe, perturbe l'état d'équilibre des réactions dans l'anode externe et la cathode externe, ce qui entraîne la production de plus d'électrons par la réaction de l'anode, et la consommation de plus d'électrons par la réaction de la cathode.
  • La perturbation de l'état d'équilibre de l'anode extérieure et de la cathode extérieure est communiquée à l'anode intérieure et à la cathode intérieure des cellules en série par l'accumulation de charges autour des bornes. L'attraction des charges entre les ions dans l'électrolyte entraîne une migration des ions entre les bornes. L'augmentation du courant et du flux d'ions entraîne l'ajustement de la vitesse de réaction. Finalement, le transitoire de courant s'amortit, et le même courant circule dans tout le circuit (conducteurs, charge et cellules en série), rejoignant et adaptant ainsi le flux de courant à travers la charge.

Réponse longue :

Exemple de chimie de la batterie : (cellule unique)

  • Circuit : charge résistive, une cellule, batterie au plomb, circuit ouvert.
  • La tension d'une seule cellule est de 2,05 Nmathrm V=1,60 Nmathrm V+0,36 Nmathrm V$.
  • La réaction d'oxydation de la demi-cellule anodique est : $mathrm{Pb+SO_4^{2-}to PbSO_4+2e^-}$
  • La réaction de réduction de la demi-cellule de la cathode est : $mathrm{PbO_2+SO_4^{2-}+2e^-+4H^+to PbSO_4+H_2O}$
  • Réaction de l'électrolyte anodique :$mathrm{H^+}$ et $mathrm{SO_4^{2-}}$ les ions migrent selon les besoins pour maintenir la neutralité de la charge. ${mathrm{SO_4^{2-}}$ sont retirés de l'électrolyte par la réaction de l'anode avec les ions suivants $mathrm{Pb}$. Deux électrons restent sur l'anode, ce qui entraîne une charge positive nette dans l'électrolyte autour de l'anode. L'excès $mathrm{H^+}$. migrent vers la cathode, où $mathrm{O_2^{2-}$ réagissent avec {{i1}mathrm{i}{{i1}H^+}}$, les ions réagissent avec pour produire ${Mathrm{H_2O}}$., ce qui neutralise la charge nette dans l'électrolyte.
  • Pourquoi la réaction anodique s'arrête-t-elle dans un circuit ouvert ? La réaction anodique se déroule spontanément et libère des électrons, qui s'accumulent à la surface de l'anode. $mathrm{H^+}$. Les ions en solution sont attirés par les électrons sur l'anode, créant effectivement une couche nette d'ions chargés positivement couvrant toute l'anode. Cette couche positive de ${mathrm{H^+}$ . ions attire $mathrm{SO_4^{2-}}$ ions de l'électrolyte, mais ils ne peuvent pas pénétrer dans le ${mathrm{H^+}}$ pour réagir avec la couche d'ions $mathrm{Pb}$. Lorsque le circuit de la batterie est fermé, le courant circule et les électrons en excès sur la plaque se déplacent vers la cathode, le $mathrm{H^+}$. se disperse, et la couche d'ions < migrent vers la couche d'ions $mathrm{Pb}$ . et réagissent.
  • Réaction de l'électrolyte de la cathode : la réaction globale est : $mathrm{4H^+O^{2-}to2H_2O}$. Cette réaction neutralise, a) ${mathrm{2H^+}$ de l'anode, b) {{i1}mathrm{i}{i1}2H^+}}$. de la cathode, avec c) ${mathrm{O^{2-}}$ de la cathode, d) résultant en $mathrm{H2O}$.
  • Courant d'électrolyte : Les électrons circulent de l'anode à la cathode à travers un conducteur, mais il y a aussi un mouvement de charge dans l'électrolyte par migration d'ions où.$mathrm{H^+}$. migrent de l'anode vers la cathode. Une vue d'ensemble du mouvement de la charge de la batterie est la suivante : 1) les électrons se déplacent de l'anode à la cathode à travers un conducteur, et 2) ces électrons se combinent avec les ions suivants $mathrm{H^+}$$. à la cathode. La batterie maintient une neutralité globale de la charge électrique nette, mais en interne, l'anode et la cathode sont des réservoirs de charges positives et négatives séparées, à la fois sur les bornes et dans l'électrolyte. Le différentiel de charge entre les bornes produit l'effet associé $E$ gradient d'énergie potentielle de champ, qui est utilisé pour effectuer un travail. La batterie convertit l'énergie de liaison électrostatique d'une espèce atomique/moléculaire en une autre espèce de plus faible énergie. L'énergie est convertie en un $E$ en créant un scénario de séparation des charges, ce qui produit la neutralité de la charge électrique dans l'électrolyte. Cependant, la séquence de réaction est plus complexe que cela. La cathode libère ${mathrm{O^{2-}}$ de la $mathrm{PbO_2+SO_4^{2-}+2e^-}$ réaction, la ${{mathrm{{H^+}}$ . réagissent avec les ions et le convertissent en eau. Si le {{i1}mathrm{i}{{i1}H^+}$} avait réagi avec un électron libre à la cathode, il se serait formé ${mathrm{H_2}}. du gaz.
  • Electrostatique et électrochimie des cellules de série : Les mêmes réactions chimiques se produisent dans les cellules individuelles, que ce soit dans un circuit en tant que cellule unique ou en série. La différence est la quantité de courant tiré par les piles en série par rapport à la cellule unique à travers la même charge résistive. Un potentiel électrique est généré par les réactions des demi-cellules composant une batterie.
    Les réactions de l'anode et de la cathode génèrent un potentiel de circuit ouvert, qui se traduit par un flux de courant proportionnel à la tension lorsque le circuit est fermé. Lorsque les cellules sont placées en série, la tension des deux cellules s'additionne, ce qui entraîne un doublement de la tension. $E$ champ dans l'espace entourant les piles. En conséquence, la tension plus élevée à travers la charge tire deux fois le courant. Ce courant/taux d'élimination des électrons double le taux de réaction dans les piles. Ainsi, comme la tension est (essentiellement) constante à partir d'une seule batterie, le facteur de contrôle du flux de courant est la charge (résistance plus faible, courant plus élevé). Mais, si des piles étaient placées en série et que la charge était maintenue constante, le courant doublerait et le taux de réaction doublerait parce que la tension a doublé.

Exemple de cellule unique : La batterie plomb-acide, $10 mathrm{Ah}$ charge

  • Charge $R=4.1 N- N-mega$
  • Tension V=2.05 mathrm V$
  • Charge totale stockée $q_text{total} = 10 mathrm{Ah} =10 mathrm{C/s}times3,600 mathrm{s/h}times1 mathrm h=36,000 mathrm C$
  • Flux de courant I=V/R=2,05 mathrm V/4,1 mathrmOmega=0,5 mathrm A$
  • Temps de fonctionnement $q_text{total}/I=36,000\mathrm C/0.5mathrm A=72,000mathrm s=72,000/3,600=20mathrm h$
  • Consommation électrique : P=IV=0,5 mathrm Atimes2,05 mathrm V=1,025 mathrm W$
  • Stockage total de l'énergie : Delta E=PtimesDelta t=1.025\mathrm Wtimes20mathrm h=20.5mathrm{Wh}$
  • Stockage total de l'énergie : Delta E=IVtimesDelta t=Vtimes(IcdotDelta t)=2.05 mathrm Vtimes10 mathrm{Ah}=20.5mathrm{Wh}$

Exemple de cellule en série : Batterie au plomb-acide, par cellule, même charge

  • Charge $R=4.1 N- N-mega$ (c'est à dire le même circuit, mais avec deux cellules en série)
  • Tension V=2.05 mathrm V+2.05 mathrm V=4.1 mathrm V$
  • Stockage total de la charge = q_text{total}=10 mathrm{Ah}=36,000 mathrm{As}=36,000 mathrm C$ (Note : La décharge complète après l'accouchement 36 N000NNNNNNNNN - C$ de charge. Les deux batteries ont stocké 36 000$.C$. chacune, mais la décharge d'une pile fait passer ses électrons de l'anode de l'une à la cathode de la seconde. Ainsi, la décharge de 36K coulombs épuise les deux piles en même temps).
  • Flux de courant : $I=V/R=4.1 mathrm V/4.1 mathrmOmega=1 mathrm A$
  • Durée de fonctionnement = q_text{total}/I=36,000\ mathrm C/1 mathrm A=36,000 mathrm s=10mathrm h$
  • Puissance délivrée/consommée : P=IV=1\NNNNNNNNN- Temps 4.1NNNNNN - V=4.1NNNNNN - W$
  • Stockage total de l'énergie : Delta E=PtimesDelta t=4.1\\mathrm Vtimes10\mathrm{Ah}=41.0mathrm{Wh}$
  • Stockage total de l'énergie : Delta E=IVtimesDelta t=Vtimes(IcdotDelta t)=4.1\ mathrm Vtimes10 mathrm{Ah}=41.0 mathrm{Wh}$

Principes de la batterie :

Conservation de la charge : La batterie simple ci-dessus contient $10 mathrm{Ah}$ de charge, ce qui équivaut à 36000$ C$. C'est la quantité totale de charge que la batterie peut délivrer sous forme de courant. Les batteries en série, épuisent toutes deux leurs réserves d'électrons en même temps car tout le courant passe par les deux batteries. Dans un circuit fermé, à l'anode, les réactifs réagissent et génèrent des électrons en excès. À la cathode, les réactifs réagissent avec les électrons pour créer des produits. Cette réaction se produit spontanément et génère un état de manque d'électrons à la cathode. La réaction ne peut pas avoir lieu sans une source extérieure d'électrons. Lorsque les électrons passent de l'anode à la cathode, ils satisfont le besoin en électrons de la cathode, ce qui permet à la réaction de la cathode de se dérouler aussi vite que les électrons sont fournis (avec des limites supérieures qui entrent en concurrence avec la vitesse de réaction maximale). Lorsque tous les réactifs à l'anode ou à la cathode ont réagi pour devenir des produits, la batterie est épuisée, car elle ne peut plus fournir d'électrons à la charge, ni en accepter de celle-ci. Le courant accru provenant d'une source de batterie en série épuise le stock de charge de la batterie deux fois plus vite. L'avantage d'une tension plus élevée est une résistance plus chaude, une lampe à incandescence plus brillante, un moteur à courant continu plus rapide.

La conservation de l'énergie L'énergie totale disponible à délivrer par les cellules en série est la somme de l'énergie stockée des cellules individuelles. Selon les exemples ci-dessus : une seule cellule avec.$10\ mathrm{Ah}$ de charge a $2.05 mathrm Vtimes10 mathrm{Ah}=20.5 mathrm{Wh}$ d'énergie potentielle électrique stockée. Deux cellules identiques en série ont 41 mathrm{Wh}$. d'énergie potentielle électrique stockée. Si l'on compare les deux circuits : une pile en série double la tension et le courant, ce qui entraîne une consommation électrique 4 fois plus importante. Ainsi, même si un circuit avec deux piles en série contient deux fois l'énergie stockée, la consommation d'énergie est multipliée par quatre, ce qui réduit de moitié la durée de vie de la pile. La conversion en toute autre forme d'énergie satisfait au principe de conservation de l'énergie.

Conversion de l'énergie : Lorsqu'une batterie se décharge, elle convertit l'énergie potentielle électrique en divers types d'énergie dans la charge. Les conversions courantes de l'énergie électrique comprennent la chaleur, l'énergie cinétique, ou l'énergie potentielle gravitationnelle, électrique et magnétique. Les exemples de types de charges de circuit comprennent une résistance (énergie thermique), un moteur (énergie cinétique, potentiel gravitationnel, potentiel électrique, potentiel magnétique), un inducteur/électroaimant ($B$ énergie potentielle de champ), ou un condensateur ( $E$ énergie potentielle de champ).

Réactions aux bornes de la batterie : Dans la batterie Plomb-Acide, avant la réaction, l'énergie est stockée sous forme d'énergie potentielle par l'attraction de charge entre les réactifs chimiques à chacune des bornes.

  • Anode ${mathrm{e^-}$ libération :$mathrm{Pb_{{s)}}$ et $mathrm{SO_4{^{2-}}_{(aq)}}$ sont en contact métal-électrolyte, et vont réagir spontanément pour former $mathrm{PbS{O_4}_{(s)}}$ et $2$ électrons supplémentaires. Le potentiel d'oxydation positif de cette réaction de demi-cellule est de 1,69 mathrm V$. Le potentiel positif indique que la réaction se déroule spontanément à température ambiante. Les réactifs s'attirent et réagissent à cause des forces électrostatiques, comme la liaison orbitale énergétiquement favorable.
  • Anode $mathrm{H^+}$$. Blindage : Après $mathrm{Pb}$$. et ${{mathrm{{SO_4^{2-}}$ réagissent, les électrons libérés s'accumulent sur l'anode, créant un signal négatif. $E$ négatif. Les électrons de surface attirent une couche de $mathrm{H^+}$ d'ions. Cela arrête l'anode $mathrm{Pb+SO_4^{2-}}$ réaction très rapidement. Le site ${mathrm{H^+}}$ couche d'ions se lie avec le ${{mathrm{SO_4^{2-}}$ . les empêchant de migrer suffisamment près de la couche d'ions ${mathrm{Pb}$ pour réagir. Pour que la réaction ait lieu sur l'anode, les électrons doivent être retirés. Lorsqu'un conducteur relie l'anode et la cathode, les électrons circulent d'un endroit en excès vers un endroit en déficit. Lorsque les électrons quittent l'anode, la réaction anodique reprend.
  • Séquence de transfert d'énergie de l'anode : Toute énergie commence sous forme d'énergie de liaison du réactif et est convertie en une autre forme d'énergie par la charge :
    1) Les batteries stockent l'énergie sous forme d'énergie de liaison des réactifs. Les réactifs ont plus d'énergie de liaison que les produits, donc casser les liaisons les plus fortes et refaire les liaisons les plus faibles mobilise de l'énergie. Cette énergie peut être utilisée pour être convertie en d'autres types d'énergie. Une force électrostatique entre les réactifs les attire pour réagir.
    2) Dans une pile à circuit ouvert, un petit nombre de réactions de la demi-cellule de l'anode se déroulent spontanément jusqu'à leur terme à tout moment, ce qui entraîne la production d'électrons en excès, qui donnent à la pile sa tension caractéristique (en combinaison avec son autre demi-réaction à la cathode.
    3) A l'anode, le différentiel d'énergie entre les anciennes liaisons des réactifs et les nouvelles liaisons des produits est converti en une concentration d'électrons libres et une tension associée. $E$ associé.
    4) Le champ de l'anode $E$ de l'anode s'ajoute à celui de la cathode $E$ de la cathode (avec son déficit en électrons), créant ainsi un champ total net $E$ qui imprègne l'espace autour de la batterie. Le site $E$ champ entraîne les électrons sous forme de courant à travers le conducteur à haute permittivité vers une charge.
    5) Le passage du courant à travers une charge convertit le courant en une autre forme d'énergie.
  • Réaction de la cathode : le processus de réaction équivalent mais opposé se déroule à la cathode (c'est-à-dire la réduction des réactifs). L'énergie libre est positive pour la liaison de.$mathrm{PbO_2+SO_4^{2-}+H^++2e^-}$ pour produire $mathrm{PbSO_4+H_2O}$ ce qui signifie que cette réaction se déroulera spontanément à STP. Le réactif a besoin d'électrons pour se dérouler, et il le fait dans une faible mesure, créant un positif. $E$ puisque la cathode est maintenant déficiente en électrons après que la conversion des réactifs en produits ait consommé des électrons. Notez que cette réaction nécessite des électrons pour se terminer. Même lorsque le circuit est ouvert, un petit nombre de réactifs récupèrent des électrons faiblement liés à d'autres atomes ou ions. La réaction séquestre ces électrons dans les produits finaux neutres, ce qui entraîne un déficit d'électrons, une charge positive nette sur la cathode et une charge positive associée. $E$ positif associé. Le déficit d'électrons à la cathode est l'autre moitié de la pile, ce qui crée une charge positive nette et ajoute au champ positif $E$ . $E$ champ créé par la charge négative de l'anode.

Flux de courant à travers les batteries en série : Les piles en série augmentent la tension et le courant traversant la charge. Le courant qui passe par la charge passe aussi par chaque cellule en série. Chaque cellule contribue à un $E$ au champ total $E$ champ des batteries en série. Et, la somme des champs individuels $E$ champs conduit le courant à travers la charge. L'anode et la cathode extérieures fournissent initialement la source et le puits d'électrons. Mais, après une période transitoire, le taux de réaction à chaque anode et cathode en série s'équilibre, et le même courant circule dans toutes les cellules en série.

Migration des ions dans l'électrolyte d'une batterie plomb-acide : Dans la batterie plomb-acide, les réactions de l'anode et de la cathode produisent le même composé neutre, $mathrm{PbSO_4}$. Au cours de ce processus, l'anode et la cathode consomment toutes deux.{mathrm{SO_4^{2-}}$ de la solution. À l'anode, la réaction laisse une charge positive nette dans l'électrolyte, qui est transportée par les ions de l'électrolyte. N-{H^+}}$ . ions.
- A la cathode, la consommation/liaison de $mathrm{SO_4^{2-}$ avec ${{mathrm{PbO_2}}$ entraîne l'accumulation d'une charge négative dans l'électrolyte. Ceci est dû au fait que la réaction de ${{mathrm{PbO_2}$ avec ${{mathrm{{SO_4^{2-}}$ et ${{mathrm{2e^-}}$ entraîne la libération de $mathrm{O_2^{2-}}$. La charge négative de l'électrolyte autour de la cathode attire les $mathrm{H^+}$. ions, provenant de l'anode, ce qui entraîne la réaction de ${{mathrm{4H^+}$ avec un $mathrm{O_2^{2-}}$. pour produire $mathrm{2H_2O}$. Ainsi, dans les batteries au plomb, la neutralité de la charge dans la solution électrolytique qui l'entoure est maintenue par la migration d'ions non appariés ${{mathrm{H^+}$ non appariés de l'anode vers la cathode.

La batterie comme condensateur : La batterie se comporte comme un condensateur lorsqu'elle est en circuit ouvert. Des charges opposées peuplent l'anode et la cathode, et ce différentiel de charge est séparé par une fine couche diélectrique de.$mathrm{H^+}$ et $mathrm{SO_4^{2-}}$ entourant l'anode. Cette couche diélectrique se disperse lorsque le courant circule dans un conducteur de l'anode à la cathode. La conduction élimine les électrons en excès de l'anode, rompant ainsi la liaison ionique entre les ions $mathrm{H^+}$. et $mathrm{SO_4^{2-}}$ ions. La dispersion des ions $mathrm{H^+}$ autour de l'anode permet $mathrm{SO_4^{2-}$ de s'écouler au-delà de la couche précédemment imperméable couche d'ions.

  • Différence entre une batterie et un condensateur : La comparaison entre un condensateur et une batterie est incomplète. En circuit ouvert, les deux se comportent comme des dispositifs de stockage de charge, les deux stockant la charge de part et d'autre d'un diélectrique. La batterie a deux modes : 1) en circuit ouvert : la configuration du condensateur et de la batterie est comparable, et 2) en circuit fermé, le diélectrique se disperse, et la batterie devient un générateur de différence de charge, utilisant la libération d'énergie de liaison des réactifs pour créer des produits avec une concentration différentielle de charge.
  • Effets capacitifs, de champ et de flux d'énergie : dans l'air autour d'une batterie et d'un conducteur. La tension en circuit ouvert entre les bornes d'une batterie agit comme un condensateur diélectrique de l'air. La charge entre les bornes polarise le diélectrique de l'air/espace, produisant un petit courant de déplacement jusqu'à ce qu'il soit chargé. Cependant, un conducteur est également un condensateur (au sens le plus général du terme) puisqu'il possède une constante diélectrique. Placer un conducteur entre les bornes d'une batterie produit un courant de déplacement important. Le champ électrique de déplacement est un effet capacitif, provoquant la polarisation du diélectrique métallique. Le courant qui circule dans le conducteur est une tentative de la tension de la batterie de charger le diélectrique du métal. Comme la constante diélectrique est très grande, le champ de déplacement électrique est essentiellement illimité. Par conséquent, le courant dans le circuit est limité par la résistance de la charge, plutôt que par la permittivité électrique du conducteur.
  • Permittivité électrique et conductivité : Le conducteur présente une permittivité électrique élevée. $epsilon_text{conducteur}$. chemin pour le $E$ agisse. Le circuit équivalent au conducteur est un énorme condensateur en série avec une minuscule résistance. La permittivité électrique massive $epsilon_text{conducteur}$ du conducteur métallique fournit une impédance capacitive insignifiante. Le flux de courant d'un conducteur n'est pas similaire à la trajectoire à haute vitesse d'un accélérateur de particules. Au contraire, le flux de courant à travers un conducteur est comme un pendule exécutif atomique, le mouvement microscopique des électrons individuels à l'anode transmettant la force répulsive de leur changement incrémental de proximité d'électron à électron de l'anode à la cathode. Le conducteur est un condensateur dont la constante diélectrique est si élevée que la taille du condensateur est infinie (à des fins pratiques), car les effets capacitifs d'un conducteur ne sont significatifs qu'à des fréquences élevées. Aux basses fréquences/DC, la taille équivalente du conducteur-condensateur est si grande qu'il ne se chargera jamais complètement.
  • Champ de déplacement électrique $D$: Un conducteur fournit un chemin à haute permittivité électrique dans lequel le champ électrique.$E$ (unités : volt/mètre = newton/coulomb) agissent sur la charge pour exercer une force sur la charge électrique. Le site $E$ d'une batterie polarise le diélectrique entre les plaques d'un condensateur. La permittivité électrique du vide spatial est une mesure de la capacité de l'espace et est notée comme suit . $epsilon_0$ et est $8.85times10^{-12} mathrm{F/m}$ ). Le vide est la plus petite permittivité électrique possible et tous les autres matériaux sont exprimés sous la forme d'un rapport, d'un multiple de.$epsilon_0$. Un $E$ agissant dans un espace avec $epsilon_0)$ aura un champ de déplacement électrique $D=epsilon_0E$ qui a pour unité $mathrm{C/m^2}$. Le site $epsilon_text{air}$ est approximativement égale à la permittivité du vide, et cette permittivité est très faible, donc une charge minimale est stockée sur les bornes. Cependant, dans un conducteur, la $epsilon_text{conducteur}$ est grande, ce qui signifie que pour toute $E$ le champ de déplacement électrique (en $mathrm{C/m^2}$) sera important, et le courant en circuit fermé à travers un conducteur seul est très élevé. Dans un montage en série de deux cellules, le $E_text{series}$ champ est le double du potentiel électrique d'une cellule seule, donc entraîne et double le courant.

Forces agissant à l'intérieur des cellules en série : Placer deux cellules plomb-acide en série double la tension, et donc double le courant à travers la charge. Ce même courant passera par le conducteur entre les deux cellules en série, et les ions dans l'électrolyte des deux cellules conduiront également la charge au même rythme. Toutes les cathodes acceptent des électrons pour compléter le processus d'électrolyse. $mathrm{PbO_2+SO_4^{2-}+2e^-+4H^+toPbSO_4+2H_2O}$ réaction. Et, toutes les anodes génèrent des électrons dans la réaction de $mathrm{Pb+SO_4^{2-}toPbSO_4+2e^-}$ réaction.

  • Deux batteries en série consommeront deux fois plus de courant à travers la même charge. Le courant plus élevé augmente la demande d'électrons de l'anode et augmente l'offre d'électrons à la cathode.
  • La demande accrue d'électrons à l'anode enlève des électrons du côté des produits de la réaction, accélérant la réaction de l'anode, ce qui fait qu'elle libère plus d'électrons à un taux proportionnel à la demande. L'anode fournit du courant au taux demandé par le taux de consommation d'énergie à l'anode pour la tension de réaction.
  • L'augmentation de l'offre d'électrons à la cathode fournit plus d'électrons au côté réactif de la réaction, lui permettant d'augmenter sa vitesse de réaction en produisant plus de produits. L'augmentation du courant fait que la réaction à la cathode augmente son taux de consommation.
  • Considérons les réactions chimiques agissant à l'anode interne et à la cathode interne des batteries en série. (Remarque : les termes "anode interne" et "cathode interne" désignent les bornes qui établissent le contact entre les éléments).
  • En plaçant une deuxième cellule en série, la tension aux bornes de la charge augmente, ce qui double le courant à travers la charge. L'augmentation du courant aspire les électrons en excès, ce qui disperse le.$mathrm{H^+}$. couche d'ions, ce qui permet $mathrm{SO_4^{2-}}$ de réagir avec le $mathrm{Pb}$ à un taux plus élevé, et augmente la concentration de $H^+$ ions. La charge positive autour de l'anode attire $mathrm{O_2^{2-}}$ les ions à migrer de la cathode interne vers l'anode externe. En augmentant la concentration des réactifs, par le principe de Le Chatlier, la réaction de la cathode est entraînée vers les produits, ce qui rend la cathode interne plus positive, et attire les électrons de l'anode interne, ce qui augmente sa vitesse de réaction, et attire.$mathrm{O_2^{2-}}$ ions de la cathode externe de la même manière que l'anode externe.
  • Et, à la cathode externe, les électrons arrivent de l'anode externe à travers la charge, ce qui entraîne un courant d'électrons qui fournit à la cathode externe des électrons pour sa réaction.
  • En séquence, l'augmentation de la tension augmente le flux de courant à travers la charge, ce qui attire les électrons de l'anode externe et les fournit à la cathode, ce qui augmente le taux de réaction à la fois à l'anode externe et à la cathode externe. A son tour, l'anode extérieure affecte la réaction de la cathode intérieure, et la cathode extérieure affecte l'anode intérieure, toutes deux via la modification de la vitesse de migration des ions, qui modifie à son tour la vitesse de réaction au niveau de l'anode et de la cathode intérieures.

Résumé : Avec la tension plus élevée fournie par les cellules en série, la charge tire un courant plus important. Le taux de réaction à l'anode augmente le courant fourni en réponse. Lorsque le courant arrive à la cathode, le taux de réaction de la cathode augmente. L'anode intérieure et la cathode intérieure suivent l'exemple de l'anode et de la cathode extérieures, en augmentant leur taux de réaction - influencé par la migration des ions dans les électrolytes des deux cellules. Après un court transitoire, les systèmes atteignent un état stable où les taux de réaction à toutes les anodes et cathodes correspondent à la demande de courant à la charge.

Je pense que votre analogie de "surplus" d'électrons est fausse dans un sens, et incomplète dans un autre sens. Premièrement, que considérez-vous comme une "normale" et un "surplus" d'électrons ? Deuxièmement, si vous avez un "surplus" d'un côté, de l'autre vous n'avez pas une normale, vous avez un déficit.

Pensez à une batterie classique de type plomb-acide. A pleine charge, vous avez du plomb dans la plaque négative, et du dioxyde de plomb dans la positive. Dans les deux plaques au départ vous avez la quantité habituelle d'électrons (82 e par atome de Pb au négatif, et 98 par molécule de PbO2).

Mais elles sont immergées dans une solution aqueuse d'acide sulfurique, donnée. la possibilité à la réaction d'oxydoréduction suivante :

  • A l'anode (négative) : Pb (s) + HSO 4- (aq) → PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2 e -
  • A la cathode (possitive) : PbO 2 (s) + HSO 4- (aq) + 3 H + (aq) + 2 e - → PbSO 4 (s) + 2 H 2 O (l)

Comme vous pouvez le voir, pour que cette hémi-réaction se produise, vous devez prendre les électrons dans l'anode et en mettre une quantité équivalente dans la cathode. Cela ne fonctionne pas si vous n'en faites qu'un, car vous devez équilibrer la charge et la matière : Un H 2 SO 40 se transforme en H + et HSO 4-, on ne peut pas avoir l'un sans l'autre (ni avoir du positif sans du négatif, ni transformer une molécule complète 98 g de H 2 SO 4 en 1 g de H +.

La tension est la mesure de la différence de potentiel de travail. Si vous avez 2 volts entre les électrodes de la cellule signifie que la cellule est capable de faire un travail de 2 J en déplaçant une charge négative de 1 C de l'anode à la cathode. Si vous mettez deux cellules en série, le travail, chacun avec 2 v, parmi les deux sont capables de faire un travail de 4 J déplacer une charge négative de 1 C de l'anode libre de l'un à la cathode libre de l'autre.

Edit 3/8 : Quelqu'un demande "Donc si on en connecte deux, est-ce qu'on obtient un état neutre au milieu ?". Initialement, non.

Commençons par être déconnecté du circuit. Les électrons ne peuvent pas circuler si l'hémiréaction ne se produit pas. L'hémiréaction ne peut pas se produire toute seule, sans sa contrepartie. Et la contrepartie ne peut pas se produire sans son propre flux d'électrons.

Donc, lorsqu'elles sont connectées, les carges vont commencer à se neutraliser au fur et à mesure que les électrons circulent dans le circuit et que les deux hémiréactions se produisent. Et cette neutralisation va se produire dans les quatre électrodes, déchargeant les batteries ; parce qu'une certaine hémiréaction se produit dans les quatre électrodes. Lorsque la neutralisation est terminée, les piles sont complètement déchargées.

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