Batterijconstructie

Het woord batterij betekent eenvoudig een groep van vergelijkbare componenten. In militaire woordenschat verwijst een 'batterij' naar een cluster van wapens. In elektriciteit is een "batterij" een reeks voltaïsche cellen die zijn ontworpen om meer spanning en/of stroom te leveren dan mogelijk is met één cel alleen.

Het symbool voor een cel is heel eenvoudig, bestaande uit een lange lijn en een korte lijn, evenwijdig aan elkaar, met verbindingsdraden:

Het symbool voor een batterij is niets meer dan een paar celsymbolen die in serie zijn gestapeld:

Zoals eerder vermeld, wordt de spanning die door een bepaald soort cel wordt geproduceerd strikt bepaald door de chemie van dat celtype. De grootte van de cel is niet relevant voor de spanning. Om een ​​grotere spanning te krijgen dan de uitgang van een enkele cel, moeten meerdere cellen in serie worden geschakeld. De totale spanning van een batterij is de som van alle celspanningen. Een typische auto-loodzuuraccu heeft zes cellen, voor een nominale uitgangsspanning van 6 x 2,0 of 12,0 volt:

De cellen in een auto-accu bevinden zich in dezelfde harde rubberen behuizing, aan elkaar verbonden met dikke loden staven in plaats van draden. De elektroden en elektrolytoplossingen voor elke cel bevinden zich in afzonderlijke, gepartitioneerde secties van de batterijbehuizing. In grote batterijen hebben de elektroden gewoonlijk de vorm van dunne metalen roosters of platen en worden vaak platen genoemd. in plaats van elektroden.

Gemakshalve zijn batterijsymbolen meestal beperkt tot vier regels, afwisselend lang/kort, hoewel de echte batterij die het vertegenwoordigt veel meer cellen kan hebben dan dat. Soms kom je echter een symbool tegen voor een batterij met een ongewoon hoge spanning, opzettelijk getekend met extra lijnen. De lijnen zijn natuurlijk representatief voor de afzonderlijke celplaten:

Hoe is de grootte van de batterij relevant?

Als de fysieke grootte van een cel geen invloed heeft op de spanning, wat heeft dit dan invloed op? Het antwoord is weerstand, die op zijn beurt invloed heeft op de maximale hoeveelheid stroom die een cel kan leveren. Elke voltaïsche cel bevat een bepaalde hoeveelheid interne weerstand vanwege de elektroden en de elektrolyt. Hoe groter een cel is geconstrueerd, hoe groter het contactoppervlak van de elektrode met de elektrolyt, en dus hoe minder interne weerstand deze zal hebben.

Hoewel we een cel of batterij in een circuit over het algemeen beschouwen als een perfecte spanningsbron (absoluut constant), wordt de stroom erdoor uitsluitend bepaald door de externe weerstand van het circuit waaraan het is bevestigd, is dit in het echte leven niet helemaal waar. Aangezien elke cel of batterij enige interne weerstand bevat, moet die weerstand de stroom in een bepaald circuit beïnvloeden:

De echte batterij die hierboven binnen de stippellijnen wordt weergegeven, heeft een interne weerstand van 0,2 , wat van invloed is op het vermogen om stroom te leveren aan de belastingsweerstand van 1 . De ideale batterij aan de linkerkant heeft geen interne weerstand, en dus geven onze berekeningen van de wet van Ohm voor stroom (I=E/R) ons een perfecte waarde van 10 ampère voor stroom met de belasting van 1 ohm en 10 volt voeding. De echte batterij, met zijn ingebouwde weerstand, die de stroom verder belemmert, kan slechts 8,333 ampère leveren aan dezelfde weerstandsbelasting.

De ideale batterij zou in een kortsluiting met een weerstand van 0 een oneindige hoeveelheid stroom kunnen leveren. De echte batterij kan daarentegen slechts 50 ampère (10 volt / 0,2 ) leveren aan een kortsluiting van 0 Ω weerstand, vanwege zijn interne weerstand. De chemische reactie in de cel levert misschien nog steeds precies 10 volt, maar de spanning daalt over die interne weerstand als er stroom door de batterij vloeit, waardoor de hoeveelheid beschikbare spanning op de batterijpolen voor de belasting vermindert.

Hoe cellen aan te sluiten om de interne weerstand van de batterij te minimaliseren?

Aangezien we in een onvolmaakte wereld leven, met onvolmaakte batterijen, moeten we de implicaties begrijpen van factoren zoals interne weerstand. Gewoonlijk worden batterijen geplaatst in toepassingen waar hun interne weerstand verwaarloosbaar is in vergelijking met die van de circuitbelasting (waar hun kortsluitstroom veel groter is dan hun gebruikelijke belastingsstroom), en dus zijn de prestaties zeer dicht bij die van een ideale spanningsbron.

Als we een batterij moeten bouwen met een lagere weerstand dan wat één cel kan leveren (voor een grotere stroomcapaciteit), zullen we de cellen parallel moeten verbinden:

In wezen hebben we hier het Thevenin-equivalent van de vijf cellen in parallel bepaald (een equivalent netwerk van één spanningsbron en één serieweerstand). Het equivalente netwerk heeft dezelfde bronspanning maar een fractie van de weerstand van elke afzonderlijke cel in het oorspronkelijke netwerk. Het algemene effect van het parallel aansluiten van cellen is om de equivalente interne weerstand te verminderen, net zoals weerstanden in parallel de totale weerstand verminderen. De equivalente interne weerstand van deze batterij van 5 cellen is 1/5 van die van elke afzonderlijke cel. De totale spanning blijft hetzelfde:2,0 volt. Als deze batterij cellen een circuit zou voeden, zou de stroom door elke cel 1/5 van de totale circuitstroom zijn, vanwege de gelijke stroomverdeling door parallelle takken met gelijke weerstand.

BEOORDELING:

• Een batterij is een cluster van cellen die met elkaar zijn verbonden voor een grotere spanning en/of stroomcapaciteit.
• Cellen die in serie met elkaar zijn verbonden (hulp aan polariteit) resulteert in een grotere totale spanning.
• Fysieke celgrootte heeft invloed op de celweerstand, wat op zijn beurt van invloed is op het vermogen van de cel om stroom te leveren aan een circuit. Over het algemeen geldt:hoe groter de cel, hoe minder interne weerstand.
• Cellen die parallel met elkaar zijn verbonden, resulteren in minder totale weerstand en mogelijk een grotere totale stroom.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Batterijen
• Werkblad Thevenin's, Norton's en Maximum Power Transfer Stellingen