バッテリーの電流の流れ？

「電子はありません：地球人のための電子」という基本的な電子書籍を読んでいますが、電流を流すためには閉回路が必要であるという事実に気づきました。ここに私が興味を持っている箇所があります：

「これは常に私を悩ませました：バッテリーのマイナス端子に過剰な電子（負電荷）があり、バッテリーのプラス端子にあまりにも少ない電子（正電荷）があり、反対が引き付ける場合、なぜ私は間にワイヤーを引っ掛けることができませんあるバッテリーのマイナス側と別のバッテリーのプラス側に電流を流しますか？この真実は機能しません。電流は流れません。誰かがそれを私に説明することができたら、この本を書いたことはなかっただろう」

誰もこの質問に簡単な答えを持っていますか？

ここでの混乱は、バッテリーがどのように機能するかについての最初の不十分な説明に由来しています。

バッテリーは、正極、負極、およびその間の電解質の3つの要素で構成されています。電極は、互いに強く反応したい材料でできています。それらは電解質によって隔てられています。

電解質は、電子の流れを遮断するフィルターのように機能しますが、イオン（電極からの正に帯電した原子）は通過させます。バッテリーが何にも接続されていない場合、化学力がイオンを引き寄せ、電解質にイオンを引き寄せて反応を完了させようとしますが、これは静電気力（電極間の電圧）によってバランスが取られます。覚えておいてください-2点間の電圧は、それらの点の間に電場があり、荷電粒子を一方向に押すことを意味します。

バッテリーの両端間にワイヤを追加すると、電圧によって駆動されて、電子がワイヤを通過できます。これにより静電力が低下するため、イオンは電解質を通過できます。バッテリーが放電されると、一方の電極から他方の電極にイオンが移動し、一方の電極が使い果たされるまで化学反応が進行します。

1本のワイヤでリンクされた2つのバッテリーを並べて考えてみてください。2つのバッテリー間に電圧がないため、電子を駆動する力はありません。各バッテリーでは、静電気力が化学的力と釣り合い、バッテリーは定常状態に留まります。

（2つの素材が互いに「反応」したいという意味を少し説明しました。詳細については、「Gibbs free energy」をグーグルで検索してください。「Nernst方程式」もグーグルで検索できます。）

電池をちょっと忘れてください。これは、電圧/電流を説明するために使用できる1000の類推のうちの1つに過ぎず、電流が流れない理由は電池の電気化学的性質とは関係ありません。

それを考える最も簡単な方法はこれです：電流はループを流れるだけです。非常に複雑な回路であっても、常に電流のループに分解することができます。電流がそのソースに戻るパスがない場合、電流が流れないようにします。

バッテリーの例では、戻り電流経路がないため、電流は流れません。なぜこれが機能するのかというより深い物理的理由がありますが、質問が簡単な答えを求めたので、数学、Google Maxwellの方程式、およびキルヒホフの電圧則の導出での使用方法をスキップします。

バッテリーは、完全に絶縁されたグランドを備えた電流源であるという理由だけで、良い例となります。この例は、完全に分離された「グランド」を持つ他の電源にも同様に当てはまります。

ただし、これは簡単に見つけることはできません。たとえば、2つのベンチ用品でこれを行うと、おそらくベンチ用品の1つが非常に不幸になりますが、それは効果が異なるためではなく、違いはベンチ用品が両方とも接地されていることです建物内の電気配線に接続されているため、電流が流れるリターンパスがあります。

これに対する水の例えも効果的です。バッテリーの例を次のように考えてください。

パイプ（ワイヤー）に接続されたウォーターポンプ（バッテリーA）があり、同じパイプ（ワイヤー）に接続された別のウォーターポンプ（バッテリーB）があります。さて、あなたの例では、システムに戻り経路がないので、パイプは水で満たされているが、両端がふさがれていると想像してください。

ポンプの電源スイッチを押すと、どうなりますか？

答えは何もありません。水を移動する場所はありません。ポンプは回転しません。（この類推のための効果のような水乱流を無視します）。

パイプをループに接続してスイッチを押すと、ポンプが回転し（電圧）、水が流れます（電流）。

2つの異なる速度のポンプ（異なる電圧のバッテリー）を使用し、互いに向き合うと、1つが電力を消費し、もう一方が間違った方向に回転します（9Vと6Vのバッテリーを並列に接続するように燃え尽きます）。

両方のポンプを同じ方向に向けて接続すると、ポンプが互いに助け合っているため（2つのバッテリーが直列になっているため）、より多くの水圧（電圧）が得られます。

各1.5 Vの単三電池を使用するとします。さらに、バッテリーAとバッテリーBにラベルを付けましょう。A+をB-にフックすると、実際に得られるのは、A-からB +の3 Vの差です。

B+  -------------------
|                     |
B- _ A+  --           | 3V
     |    | 1.5 V     |
     A-  --------------

B-をA +にフックすると、両方とも同じ電位になります（結局、ワイヤで接続されます）。B +はこの電位より1.5V高く、A-は1.5V低くなります。

電圧は絶対値ではないことを覚えておくことが重要です。それはだ相対値。B- _ A +ワイヤは1つの電位になり、B +とA-はその電位に相対的です。

私も、バッテリーに関する従来の素人の説明は誤解を招くものであることが常にわかっています。ほとんどの人は、バッテリーを電気の貯蔵容器として説明していますが、それはなぜあなたがバッテリーから地面に電気を捨てられないのか、または上記の質問のように別のバッテリーに給電できない理由を説明していません。

これは実際に何が起きているかを正確に説明するものではないかもしれませんが、より理解しやすい例えは、代わりにバッテリーをポンプとして説明することです。バッテリーに含まれる「エネルギー」は、ポンプを駆動するために使用されます。有線で送信されることはありません。この類推で、なぜバッテリーのプラスとマイナスの両方の端を回路に接続しなければならないのかは明白です。たとえば、マイナス電極のみをアースに接続した場合、ポンプで排出できるプラス電極には電気が入らないため、電流は流れません。

技術的には、ワイヤがそのように接続されていると、電流が流れる場合と流れない場合があります。それはすべて、これらの2つの端子間で電荷に電位差があるかどうかによって異なります。差が小さい場合、電流はほとんど/まったく流れません。これは、任意の2つの端子間で接続された任意のワイヤに当てはまります。

ただし、電流はおそらくそうではありません（バッテリーの年齢/使用状況によって異なります）。理由は、電圧の電位差-「正の端の過剰なホール」と「負の端の過剰な電子」が、特定のバッテリーに関連しているためです。所定のバッテリーの両端には、互いに過剰な電子/穴があります。この関係は、あるバッテリーのマイナス端子と別のバッテリーのプラス端子の間で当てはまる場合と、当てはまらない場合があります。

接合部に流れる電流は、接合部から流れる電流と常に等しくなります。したがって、電流は常にループを流れる必要があります。

最初。非常に小さな電流が非常に短い時間流れますが、順方向電圧を無効にするのに十分な逆方向電圧を構築するために通過するのに少量の電荷（静的）のみが必要です。髪の毛に風船をこするような顕著な静電気には、通常、火花を作るのに必要な数万ボルトのような大きな電圧が含まれることを思い出してください。典型的な単純な1.5ボルトのセルは、火花を発生させます（特別な助けなしで）。実際、一対の単純なセル（バッテリー）を宇宙空間で慎重に吊り下げたり、ひもにつるしたりすると、双極子相互作用が小さくなり、磁石のようにねじれて互いに引き付けられます。残念ながら、これは計算可能で有限な力であるにもかかわらず非常に小さいことが判明しました。おそらく、このexptはこれを示すために敏感に行われたのでしょう。さらに、元の問題は、考えてみるとコンデンサを充電するようなものです。接続されていない端子は単なるコンデンサプレートです。端子と分離の小ささは、大きな面積と小さな分離を備えた良好なコンデンサとは数値的に大きく異なります。

あなたを混乱させるかもしれないもう一つのことは、導体の電圧が常に一定だということです。これはほとんど真実ですが、それは嘘のようなものです。すべての導体にはまだ有限の抵抗があります。このため、バッテリの2つの端子間にワイヤを接続すると、ワイヤの一端が実際には異なる電位になり、ワイヤの他端と電流はオームの法則に従います。このようにバッテリーの2つの端子を短絡しようとしたことがあるかどうかはわかりませんが、ワイヤの抵抗が非常に低いため、ワイヤを加熱して火傷する非常に大きな電流が法則によって与えられます。

さて、通常、電線の電位は一定であると言う理由は、通常、回路より抵抗が電線よりもはるかに大きい他のコンポーネントがあるためです。このため、ほとんどの電圧は回路内の他のコンポーネント間で降下し、ワイヤの一端から他端への電圧降下は非常にわずかです。したがって、ワイヤの電圧が一定であると言うことで問題を簡素化できます。