Por que uma bateria possui uma resistência interna?

Uma bateria é análoga a dois poços de elétrons conectados entre si, onde o volume de elétrons em um poço é maior que o outro. Quando conectado, um impulso irá, naturalmente, empurrar o excesso de elétrons no segundo poço para o primeiro poço até que seus volumes se tornem iguais.No entanto, por algum motivo, essa transferência não atinge fidelidade absoluta; nem todos os elétrons migram para o outro lado. Parece que alguma energia elétrica foi perdida durante esse processo. No caso de baterias reais, essa energia perdida é traduzida em um aumento na temperatura da própria bateria.

Este elemento de aquecimento intrínseco se comporta como um resistor convencional, que dissipa o poder na forma de calor quando uma onda de corrente passa por ele. Nós chamamos esse elemento de umaresistência internada bateria.Para entender por que as baterias não podem ajudar, mas causam sua própria destruição, primeiro devemos entender como as baterias funcionam e distribuir energia para um circuito.

Como funciona uma bateria?

Uma bateria possui dois terminais compostos de metais diferentes e um eletrólito flutuando entre eles. Um eletrólito é uma solução química que permite o fluxo de elétrons através dele. Simplificando, um eletrólito conduz a eletricidade. Um eletrólito é uma solução que reage efusivamente com os metais, separando-os em seus íons constituintes.

Um terminal é um cátodo, de preferência um óxido metálico que contém uma infinidade de entidades carregadas positivamente ou íons metálicos com falta de elétrons. O outro terminal é um ânodo, um metal que contém um excesso de íons carregados negativamente ou íons metálicos com excesso de elétrons.

A reação química dentro do eletrólito oxida o cátodo, fazendo com que ele perca elétrons, que percorrem o circuito e conseqüentemente reduzem o ânodo quando os herda. Este aparelho forma nossos dois poços ou potenciais conectados por um meio através do qual o excesso de elétrons viaja.

O sistema converte energia química em energia elétrica até que não haja reagentes para sofrer uma reação de redox. Neste ponto, a bateria está extinta. No entanto, podemos alcançar o inverso através de meios externos, de modo que a energia elétrica de uma fonte alienígena pode ser convertida em energia química.

Agora, o aparelho é reabastecido com novos reagentes e podemos utilizar essa energia química reabastecida convertendo-a em energia elétrica. A bateria agora estárecarregada.

Essa explicação é como uma bateria funcionaidealmente.

Resistencia interna

A resistência pode ser definida como a capacidade de um objeto dificultar o fluxo de elétrons que passam por um condutor. As resistências são feitas de isoladores, como carbono ou plásticos, materiais que proíbem o fluxo de elétrons através deles. Essa habilidade é creditada em sua estrutura.

Os condutores possuem uma estrutura cristalina que tem alguns elétrons afixados em certos vazios, enquanto muitos elétrons livres enxaguam em torno de unhinged. Isoladores como os plásticos, por outro lado, possuem uma estrutura cristalina que coloca seus elétrons em locais para que estejam totalmente ocupados. Não há elétrons para vagar livremente e carregar a corrente.

Da mesma forma, as baterias são construídas a partir de materiais que possuem resistividades não-zero. A resistência interna de um componente surge de imperfeições estruturais ou irregularidades. As resistências aparentemente imperceptíveis de todos os componentes somam uma resistência total de uma magnitude finita e perceptível.

Nenhuma estrutura de cristal éperfeita.Mesmo um metal tende a possuir alguma resistência devido a vários fatores, como impurezas ou a colisão de elétrons na maior parte de um condutor devido a aquecimento aleatório. Pode-se concluir que nenhuma bateriarealé uma fonte de tensãopura.

Para explicar este obstáculo inevitável, uma fonte de tensão é representada por uma tensãoεem série com uma pequena resistência internar.

Esta tensão é formalmente conhecida como força eletromotriz. Fornece a força que mergulha os elétrons em movimento. Se conectamos uma resistência externaR,uma carga, em série para completar este circuito, pela lei de Ohm, encontramos:

AquiVé a queda de tensão através da cargade R. Além disso, a corrente máxima que pode ser extraída de uma bateria agora é reduzida devido a essa resistência interna.

Se o valor deI> I (0),o valor de V se torna negativo, o que implica um R.negativo. Isso é essencialmente impossível. Pode-se concluir que, se este circuito for curto-circuito conectando diretamente os dois terminais com um fio, a corrente máxima que será desenhada agora está limitada aI (0).

Pode-se encontrar o valor dessas quantidades esculpidas ou impressas na bateria para que os usuários os alertem contra erros de manipulação incorreta. Por exemplo, uma célula seca é “avaliada” a 1,5V e 0,1 A. Naturalmente, uma célula seca em curto-circuito como essa não seria perigosa, mas uma fonte de energia maior, classificada em 20V e 200A, por exemplo, é potencialmente fatal .

Dissipação de energia

Um resistor dissipa energia sob a forma de calor. Podemos observar isso com resistência interna também. Pode-se mostrar que uma pequena quantidade de energia de ε é gasto na resistência internaR, enquanto o restante é transferido para a cargade R.

A presença de uma resistência intrínseca sugere que nenhuma fonte de tensão éperfeita. Ou seja, eles não são perfeitos no sentido de que as baterias não são totalmente eficientes quando transferem sua energia elétrica para um circuito externo. Por mais minúsculo que seja, uma quantidade de energia fracionada será sempre dissipada e assim desperdiçada nesse resistor.

Há uma estranha semelhança aqui com as leis da termodinâmica, de acordo com as quais nenhuma máquina mecânica pode converter e utilizar a totalidade de uma energia de entrada para fazer o trabalho, sem gastar uma quantidade marginal em si mesma. Esta energia é traduzida como calor – um aumento na própria temperatura da máquina.

Esta é uma das leis mais fundamentais do Universo, seja aplicada a um motor de carro rugindo ou a uma luz laconica LED de 5V.

Referências:

1. A Universidade do Texas em Austin (Link 1)
2. A Universidade do Texas em Austin (Link 2)
3. universidade de Washington
4. Instituto de Tecnologia de Massachusetts