Батарейка не хранит внутри электричество. Она создаёт его благодаря химической реакции: одни вещества отдают электроны, другие их принимают. Когда цепь замкнута, электроны начинают двигаться по проводнику — и устройство получает энергию. Так химическая энергия превращается в электрическую. Разберёмся, что происходит внутри обычной пальчиковой батарейки и почему она однажды перестаёт работать.
Что находится внутри батарейки
Внутри источника тока есть три главных элемента: два электрода и электролит между ними.
Анод и катод: два электрода с разными задачами
Электроды — это материалы, между которыми происходит химическая реакция. Один из них отдаёт электроны — его называют анодом, это отрицательный полюс, знак «минус» на корпусе. Другой электрод принимает электроны — это катод, положительный полюс, знак «плюс».
В обычной пальчиковой батарейке типа AA или AAA анодом служит цинковый корпус, а катодом — графитовый стержень, окружённый смесью на основе диоксида марганца.
Главная задача электродов — создать разницу в количестве электронов на двух полюсах источника тока.
Электролит: как заряд переходит между электродами
Электролитом выступает раствор хлорида аммония — попросту нашатыря. Он заполняет пространство между электродами и позволяет заряженным частицам — ионам — перемещаться внутри батарейки.
Если бы электроны могли проходить через него напрямую, они бы просто перетекали с анода на катод внутри самого элемента — и наружу, в провод и лампочку, ничего бы не доставалось. Именно поэтому электролит не пропускает электроны, а ток идёт через внешнюю цепь.
Как химия создаёт напряжение
Когда внутри батарейки начинается реакция, цинк на аноде теряет электроны. Они скапливаются на аноде и создают избыток отрицательного заряда. На катоде происходит обратный процесс: вещества принимают электроны. Из-за разницы между двумя полюсами возникает электрическое напряжение.
Именно это напряжение заставляет электроны двигаться по внешней цепи, когда к батарейке подключают устройство.
Обычная пальчиковая батарейка создаёт напряжение около 1,5 вольта.
Почему электроны идут от минуса к плюсу
Когда батарейка подключена к цепи, электроны движутся от анода к катоду — от минуса к плюсу. Именно движение электронов создаёт электрический ток в металлическом проводнике. Но в учебниках часто говорят, что ток идёт наоборот — от плюса к минусу.
Это не ошибка. Такое направление называют условным направлением тока. Его установили раньше, чем учёные поняли, что в металлах электричество переносится электронами. Менять договорённость не стали, потому что для расчётов она по-прежнему работает.
Получается, есть два разных понятия:
- электроны физически движутся от минуса к плюсу;
- направление тока в схемах принято считать от плюса к минусу.
Почему батарейке нужна замкнутая цепь
Даже новая батарейка не заставляет электроны двигаться сама по себе. Она только создаёт условия для этого движения. Чтобы появился ток, нужен замкнутый путь: батарейка, проводники и устройство, которое получает энергию.
Например, в фонарике батарейка создаёт напряжение, провода передают электроны к лампе, а лампа превращает электрическую энергию в свет и тепло. Сила тока при этом зависит от напряжения батарейки и сопротивления устройства — чем оно выше, тем меньше ток при том же напряжении. Если цепь разорвать, движение электронов прекратится.
Что происходит при коротком замыкании
Если напрямую соединить плюс и минус батарейки проводником, сопротивление цепи станет очень маленьким. Электроны начнут двигаться с большой скоростью, а батарейка будет быстро выделять энергию в виде тепла. Корпус может нагреться, а батарейка — испортиться или потечь.
Особенно опасны короткие замыкания для литиевых элементов — как одноразовых батареек, так и литий-ионных аккумуляторов: они могут привести к перегреву и возгоранию.
Почему батарейка разряжается
Батарейка перестаёт работать, потому что вещества внутри постепенно расходуются.
Цинк на аноде участвует в реакции и изменяет свой состав, материалы катода тоже постепенно истощаются.
Скорость разряда зависит от нагрузки. Пульт от телевизора потребляет мало энергии, поэтому батарейка может работать месяцами. Мощный фонарик расходует её гораздо быстрее.
Чем батарейка отличается от аккумулятора
Обычная батарейка — это одноразовый источник энергии. Химические реакции внутри неё практически необратимы, поэтому вернуть её в исходное состояние нельзя.
Аккумулятор устроен иначе. Когда он разряжается, внутри него, как и в батарейке, идёт химическая реакция — вещества на электродах меняют состав.
Это и называется зарядкой. Именно поэтому аккумулятор можно разряжать и заряжать сотни раз, а батарейку — нет: её реакция необратима.
Вот почему батарейки используют в пультах, часах и простых устройствах, а аккумуляторы — в смартфонах, ноутбуках и электромобилях.
Главное
Батарейка работает не потому, что внутри неё хранится электричество. Она создаёт его с помощью химической реакции.
Анод отдаёт электроны, катод их принимает, а электролит между ними пропускает ионы, но не электроны — поэтому ток идёт через внешнюю цепь, а не внутри самой батарейки. Пока внутри есть вещества для реакции, батарейка может питать устройство.
Тот же принцип можно увидеть своими глазами: если воткнуть в лимон медную проволоку и железный гвоздь, получится маленький источник тока — лимонная кислота сработает как электролит. Собери такую цепь — и абстрактная схема из учебника станет вполне осязаемой.
