Соединение гальванических элементов

[wrest]

Iving
Похоже, вы не в курсе значений терминов, которые употребляете, например «напряжённость электрического поля».

[Iving]

wrest в сообщении #1337405 писал(а):

Похоже, вы не в курсе значений терминов, которые употребляете, например «напряжённость электрического поля».

Вероятно я действительно что-то не понимаю, я ведь не просто-так задаю вопрос в этой ветке. Тогда поправьте меня где я не прав:
при подключении батареи к внешней цепи в ней (цепи) возникает электрическое поле, напряженность которого на каждом участке цепи тем выше, чем выше сопротивление на этом участке, на электроны действует сила пропорциональная напряженности, соответственно полем совершается большая работа по перебросу электронов на этом участке, откуда и возникает большая разность потенциалов.

Вопрос с гальваническими элементами у меня возник потому, что я не понимаю каким образом во внешней цепи (где действуют только электрические силы и никакой химии нет) создается элекрическое поле тем большее, чем больше элементов мы соединили, если оно вызвано ни полем внутри батареи элементов, ни зарядом на его концах?

[realeugene]

Iving в сообщении #1337436 писал(а):

если оно вызвано ни полем внутри батареи элементов, ни зарядом на его концах?

Оно вызвано электрохимическими реакциями внутри элементов.

[wrest]

Iving
Не надо вам про заряды и "поле" думать. Потому что выяснится, например, что внутри проводников поля нет и будет конфуз, парадокс и дальнейшее непонимание. Ну или еще что-то такое.

Вот есть закон Ома, $U=IR$, или, если $U$ мы считаем фиксированным, то удобней писать $I=U/R$. Отсюда видно что если сопротивление большое, то ток маленький (и наоборот).
Батарейка создает фиксированное напряжение на своих концах. Как она это делает - неважно. Считайте, что там маленькие зеленые гномики пропихивают заряды с таким расчетом, чтобы разность потенциалов на концах (клеммах батарейки) всегда была скажем 5 вольт.

[Iving]

wrest в сообщении #1337439 писал(а):

Потому что выяснится, например, что внутри проводников поля нет и будет конфуз

Серьезно? А можно на этом моменте поподробнее? Мне всегда казалось, что только в проводниках в электростатическом поле - поле отсутствует, а в проводниках по котрым течет ток - поле есть. Просто может

wrest в сообщении #1337405 писал(а):

вы не в курсе значений терминов, которые употребляете

[realeugene]

Iving,
не на вашем уровне тут шутить и делать замечания.

[Dmitriy40]

Iving
Напряженность электрического поля внутри каждого элемента одинакова и определяется химией. И эта одинаковая напряженность создаёт и одинаковую разность потенциалов на выводах элемента, т.е. напряжение. При последовательном соединении элементов напряженность поля внутри каждого элемента одна и та же (химия же одинакова), как и разность потенциалов на его выводах (т.е. напряжение), но за счёт соединений потенциалы соединённых выводов (B и C в вашей схеме) одинаковы и потому напряжение на выводах всей батареи складывается из напряжений всех элементов как их сумма.

Теперь что происходит в момент соединения B с C. Если их потенциалы различны, то начинается переток электронов (т.е. ток) для выравнивания этих потенциалов. При этом потенциалы обеих точек (и B и C) меняются, что приводит к запусканию химических реакций внутри каждого элемента (ведь меняется напряженность электрического поля внутри них), которые и выравнивают разность потенциалов (т.е. напряжение) на их выводах до исходной. Электронов в металлах и электролитах много (не забываем про число Авогадро), весь процесс происходит очень быстро, потенциалы точек B и C выравниваются, через некоторое время выравниваются до исходного значения разности потенциалов $A-B$ и $C-D$ и напряжённости поля внутри каждого элемента и процесс завершается. Из равенства потенциалов B и C сразу следует $(A-B)+(C-D)=A-D$, а из равенства $A-B=C-D$ сразу следует $A-D=2(A-B)=2(C-D)$.

Электрохимические реакции внутри каждого элемента пытаются сохранить неизменным напряжённость поля внутри и напряжение на его выводах (при нулевом внутреннем сопротивлении). Если заряды выводов по любой внешней причине меняются, то меняются их потенциалы, а значит меняется и напряжённость поля внутри - и баланс электрохимических реакций смещается в сторону компенсации изменения поля. И если действующих веществ хватило, то компенсирует в точности.
Если изменение заряда выводов продолжается (например из-за тока во внешней цепи), то и химические реакции продолжают пытаться это компенсировать, вплоть до израсходования действующих веществ.

[Iving]

realeugene
Я, по-моему, задал конкретный вопрос на научном форуме, и не просил, чтобы мне писали про зеленых гномиков. Если я что-то не знаю или не понимаю, это не повод упражняться в остроумии.

[realeugene]

Iving в сообщении #1337449 писал(а):

Я, по-моему, задал конкретный вопрос на научном форуме

Вы заблуждаетесь. Ваш вопрос показывает, что вы пытаетесь рассуждать о том, в чём не знаете основ. Лучше, прочтите учебник.

[Iving]

Dmitriy40
Спасибо за развернутый ответ! Стало гораздо понятнее.
Я правильно понимаю, что после того как система стабилизирвалась, на выводе A недостаток электронов увеличился, а на выводе D их количество наоборот возросло, по сравнению с системой до того как они были соединены?

-- 08.09.2018, 21:52 --

realeugene в сообщении #1337451 писал(а):

Лучше, прочтите учебник.

К сожалению, я не нашел учебник, в котором подробно описывается процесс соединения гальванических элементов, везде говорится только о том, что при последовательном соединении ЭДС складываются. Чуть поподробнее описано у Ландсберга, но все-равно недостаточно - поэтому я задал вопрос на форуме. Если вы знаете учебник, где этот процесс подробно описан, то посоветуйте. Хотя - нет, они наверное не для моего уровня... Мне только про зеленых гномиков...

[realeugene]

Iving в сообщении #1337454 писал(а):

К сожалению, я не нашел учебник, в котором подробно описывается процесс соединения гальванических элементов, везде говорится только о том, что при последовательном соединении ЭДС складываются.

Если хотите понимать детали - вам нужно изучить электродинамику (и не только) на вузовском уровне. Ландсберг - это школьный учебник, в нём только очень упрощённая физика. На этом уровне предлагавшаяся вам модель ЭДС с зелёными человечками адекватна. Электрохимия в нормальном объёме вам сейчас не под силу.

[Dmitriy40]

Iving в сообщении #1337449 писал(а):

Я, по-моему, задал конкретный вопрос на научном форуме, и не просил, чтобы мне писали про зеленых гномиков.

И зря, для заявленной темы "Соединение гальванических элементов" детали внутреннего строения гальванических элементов несущественны, важнее их внешние параметры, а уж гномики там или химические реакции или магия - не суть, достаточно понимать что при этом происходит на выводах элементов.
А на выводах чем-то (или кем-то) внутри поддерживается постоянное напряжение (т.е. разность потенциалов выводов). Всё, этого достаточно для понимания соединения элементов.

Iving в сообщении #1337454 писал(а):

Я правильно понимаю, что после того как система стабилизирвалась, на выводе A недостаток электронов увеличился, а на выводе D их количество наоборот возросло, по сравнению с системой до того как они были соединены?

Нет, неправильно.
До соединения элементов выполнялось равенство $A-D=(A-B)+(B-C)+(C-D)$. При этом чему было равно $(B-C)$ Вы не знаете (и оно даже могло быть не постоянным). Вы знаете только чему равно $(A-B)$ и $(C-D)$. Соответственно чему было равно $A-D$ до соединения элементов Вы тоже не знаете! Потому говорить об потенциалах (т.е. об недостаче/избытке электронов) A и D бессмысленно - оно может быть любым в зависимости от внешних по отношению к элементам условий (от перемещения элементов в пространстве, от изменения влажности воздуха, от грозы за 10км от Вас, от пробежавшей рядом кошки, условий триллионы). Именно поэтому говорят об напряжении каждого элемента, но не о разнице потенциалов выводов разных элементов без соединения элементов проводами.
Вот когда Вы соедините B и C и уравняете их потенциалы и обнулите выражение $(B-C)$ - вот только тогда появится смысл говорить об величине $A-D$. Но при изменении потенциалов B и C гномики проснутся химические реакции запустятся (точнее сместится их баланс) и изменят потенциалы точек A и D сохраняя разницы $(A-B)$ и $(C-D)$. Это процесс достаточно быстрый и ни в школе, ни в электротехнике не рассматриваемый. Хотя наглядно его увидеть и можно даже в школе/дома, но для этого надо специально ставить опыт и предварительно просчитать его условия (необходимое сопротивление проводника между B и C в зависимости от чувствительности измерительных приборов). А после завершения этого процесса выравнивания всех потенциалов (в идеале конечно на плюс бесконечности по времени, но это уже частности, реально всё очень быстро станет ничтожно мало отличаться от идеала) всё вновь замрёт и законы электростатики вновь станут верными.

Вы могли бы и сами во всём этом убедиться взяв и посчитав прямо по количеству электронов на всех выводах до и после. Например возьмите такие значения электронов: $A=500, B=400, C=150, D=50$ (заметьте, я специально взял $A-B=C-D$ как и должно быть в простейшем случае), соедините точки B и C, после этого посчитайте где сколько будет электронов чтобы выполнялись все условия: $A-B=\operatorname{const}=100,\; C-D=\operatorname{const}=100,\; B=C$ (гномики химические реакции не спят!). И увидите чему равно $A-D$. Потом возьмите и разные разности (т.е. напряжения) для элементов, убедитесь что $A-D$ всё равно будет равно их сумме. Банально же.

[wrest]

Iving в сообщении #1337454 писал(а):

К сожалению, я не нашел учебник, в котором подробно описывается процесс соединения гальванических элементов, везде говорится только о том, что при последовательном соединении ЭДС складываются.

Это потому, что нет никакой разницы, соединяются два гальванических элемента или один гальванический, а второй какой-то другой (например, фотоэлектрический, электрофорная машина и т.п.). Их напряжения складываются, внутренние споротивления тоже складываются.

[Iving]

Dmitriy40 в сообщении #1337462 писал(а):

До соединения элементов выполнялось равенство $A-D=(A-B)+(B-C)+(C-D)$. При этом чему было равно $(B-C)$ Вы не знаете

А-а... Об этом я не подумал :)

Dmitriy40 в сообщении #1337462 писал(а):

Вы могли бы и сами во всём этом убедиться взяв и посчитав прямо по количеству электронов на всех выводах до и после. Например возьмите такие значения электронов: $A=500, B=400, C=150, D=50$

А=375, В=275, С=275, D=175. Так сходится.

Ладно, спасибо всем, я вроде разобрался.

...Но меня все-таки мучает вопрос с изъятием электродов из элементов... Если взять начальный вариант: $A=500, B=400, C=150, D=50$ и не соединяя их просто взять и физически вытащить электроды A и D а потом напрямую соединить их проводом, в начальный момент времени между ними будет существовать разница потенциалов или при вытаскивании элекрода электроны в нем перераспределяются и он становится нейтральным?

[Dmitriy40]

Iving в сообщении #1337493 писал(а):

просто взять и физически вытащить электроды

Тут вопрос как именно вытащить, как расположены элементы друг относительно друга и ещё 100500 разных причин/условий. Вплоть до момента разрыва контакта электрода и электролита гномики химические реакции будут поддерживать разности потенциалов на электродах $A-B$ и $C-D$, но некому поддерживать разность $B-C$ и соответственно $A-D$. И если в процессе вытаскивания электродов будет меняться геометрия всей конструкции из двух элементов, то будет меняться их взаимная ёмкость (конкретно - между A и D), что из-за сохранения полного заряда каждого элемента (ведь тока между элементами нет!) и свойств конденсатора (а конструкция из двух не соединённых элементов это конденсатор с заряженными "пластинами") будет меняться и напряжение этого конденсатора, т.е. разница потенциалов A и D. Вытащить электроды так чтобы не изменилась геометрия всей конструкции ... ну, может и возможно, но это о-о-о-очень хитрый метод. А может и невозможно в принципе.
Так вот, даже если и возможно, то после отрыва электрода от электролита электрод уже совершенно точно будет обладать некоторой ёмкостью до другого электрода и Вы получите не два гальванических элемента и не два отдельных электрода, а заряженный конденсатор (причём его напряжение Вам неизвестно т.к. в него входит неизвестное выражение $B-C$). И что будет дальше с его выводами (вашими электродами) принципиально зависит от действий с электродами. И единственного ответа без детального перечисления этих вот действий и ещё кучи начальных условий дать невозможно.

Это всё очевидным образом следует из факта что электроды после отрыва от электролита становятся изолированными и заряд с них стекать или на них натекать уже не может (тока нет) и значит остаётся постоянным, каков и был в момент отрыва. А до момента отрыва есть гномики (зря Вы на них ругаетесь) химические реакции, которые и таскают электроны внутри каждого элемента. Что не отменяет факта что два гальванических элемента одновременно являются и пластинами большого конденсатора с неизвестным напряжением $B-C$ (точнее там электрическое поле гораздо хитрее и не сводится к одному конденсатору, но приблизительно и на данном уровне понимания так вполне можно считать). И что будет с разностью потенциалов элементов между друг другом зависит и от манипуляций с этим конденсатором (т.к. заряды (не напряжения!) каждого элемента остаются постоянными - не утекают с него и не натекают на него и не зависят от разности зарядов на его выводах). Можете даже прямо представлять что между любыми разорванными проводниками включен конденсатор с неким напряжением на выводах. И сунув руку между элементами Вы фактически суёте руку внутрь этого конденсатора, что очевидным образом меняет его параметры (а уже это может приводить к изменению напряжения на его выводах!). Не говоря уж про касание электродов, у Вас же на руке тоже есть какой-то заряд и касаясь выводов конденсатора (т.е. электродов) Вы перезаряжаете этот конденсатор.