Pile ed energia

Messaggioda ZfreS » 15/05/2019, 17:46

Ho questo dubbio: se io ho una pila carica, significa che può essere utilizzata per far funzionare degli apparecchi elettronici. Ma come si scarica? Voglio dire, gli elettroni rimangono sempre lì, ovvero la carica si conserva, quindi perchè ad un certo punto, dopo l'utilizzo, la pila si scarica ovvero non passa più corrente? Probabilmente la risposta è di natura chimico-fisica, sò che sembra una cosa stupida, ma vorrei capire bene.
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Re: Pile ed energia

Messaggioda dRic » 15/05/2019, 23:21

Comincio io. Sono certo che ci sono persone più competenti tuttavia provo a rispondere perché mi sono posto la tua stessa domanda qualche settimana fa e sono arrivato a una descrizione del fenomeno che mi pare soddisfacente. Non avendo però avuto modo di confrontami con chi ne sa più di me, spero che qualcuno, leggendola, possa apportare correzioni/chiarimenti.

Per "colpa" del mio background triennale in ing industriale preferisco affrontare il fenomeno attraverso una analogia un po' più pratica: quella dell'equivalente idraulico.

Cosa fa una batteria? In sostanza assicura una forma motrice in grado di muovere le cariche elettriche all'interno del circuito generando corrente. Possiamo dunque pensare ad una batteria come ad una casa in cui al primo piano sta una cisterna piena d'acqua e al pian terreno sta una cisterna vuota. Se collegassi le due cisterne con un tubo la forza di gravità (il dislivello) farebbe sì che l'acqua scorra dalla cisterna piena (in alto) a quella vuota (in basso). Il tubo rappresenterebbe i fili conduttori del nostro circuito mentre le due cisterne poste ad un dislivello rappresentano i due "poli" della batteria. L'acqua è la corrente. Sulla tubazione si può poi attaccare un qualsiasi marchingegno capace di estrarre lavoro proprio come faresti con un componente elettrico (es. una lampadina) collegata ad un circuito.

Torniamo al fenomeno fisico: ho detto che l'acqua corrisponde alla corrente, ma che cos'è allora il significato di questo "dislivello" che ho introdotto? Tenendo sempre a mente il parallelo idraulico affermare che esiste un dislivello tra i due poli di una batteria significa che le cariche nel polo "in alto" (il recipiente pieno d'acqua nella nostra analogia) hanno una energia potenziale maggiore e quindi tendono a muoversi verso una configurazione in cui hanno una energia potenziale minore (il serbatoio vuoto verso il basso). Rimane dunque solo da capire cosa sono questi serbatoi e cosa sono queste cariche. Dunque: i serbatoi sono particolari tipi di atomi mentre le cariche sono gli elettroni (di valenza). Cerco di spiegarmi meglio. Ripensiamo un attimo al parallelismo idraulico: l'aqua nel serbatoio superiore, per effetto della gravità, vorrebbe scendere. Ciò significa che gli elettroni nel polo "in alto" vorrebbero andare via, ovvero il polo "in alto" è costituito da atomi che cederebbero volentieri elettroni. Queste elettroni sono "afferrati" dagli atomi "in basso" che invece tendono ad acquisire elettroni. In gergo chimico stiamo parlando di reazioni di ossidoriduzione: un elemento tende ad ossidarsi (ovvero ad aumentare il suo numero di ossidazione perdendo elettroni) mentre un altro elemento tende a ridursi (riducendo il suo numero di ossidazione quindi acquistando elettroni). Ora, dove sta l'ingegno della batteria? Se tu mettessi semplicemente a contato questi due elementi allora avverrebbe una reazione chimica e fine della storia (perché gli atomi si scambierebbero gli elettroni tra orbitali atomici in un modo che sarebbe impossibile da "sfruttare"): è un po' come se avessimo costruito i due serbatoi allo stesso piano... non di certo un lampo di genio. Se invece però riesco a tenere separati i due poli della batteria (composti da elementi diversi) e poi metterli in comunicazione attraverso un materiale conduttore, gli elettrone verrano scambiati in maniera più "ordinata" perché costretti a passare attraverso il conduttore per spostarsi da un polo all'altro.

Spero fin qui di essere stato chiaro.

Una cosa che mi ha lasciato insoddisfatto di questa analogia è che, come avrai fatto sicuramente caso, un serbatoio di acqua si svuota più velocemente quando è pieno rispetto a quando è vuoto e quindi, applicando l'analogia pedissequamente, si constaterebbe che una batteria "fa più corrente" quando è carica rispetto a quando sta per scaricarsi. Sebbene intuito per me va contro l'esperienza comune: il tuo cellulare funzione "bene uguale" al 100% o al 3 % della batteria. Sembrerebbe che la batteria produca corrente "costante" fino ad un certo punto per poi morire all'improvviso. Come spiegare questa cosa? Beh, non so. Googlando un po' qua e là ho appreso che in realtà tutte le batteria si comportano nel modo che ho appena descritto (ovvero erogano più corrente all'inizio della vita che alla fine), soltanto che la variazione durante la vita media è molto piccola che non ce ne accorgiamo ed invece in prossimità della "morte" si scaricano di colpo. Ho letto che questo fenomeno è realizzato inserendo delle resistenze nel circuito. Dal punto di vista del nostro modellino idraulico me lo sono spiegato così: all'uscita del serbatoio in alto l'acqua avrà un valore della velocità $v = v(t)$ dipendente dal tempo; se adesso genero delle forti perdite di carico e rendo la discesa dell'acqua "più difficoltosa" tendo a livellare le differenze nella velocità: all'inizio ho tanta inerzia, ma tante perdite di carico, dopo ho meno inerzia ma anche meno perdite di carico... insomma "poggio e buca fa pari" come dicono i toscani.


Spero che qualche esperto abbia voglia di leggere e di correggere quanto ho detto.
dRic
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Re: Pile ed energia

Messaggioda ZfreS » 16/05/2019, 14:21

Grazie per questa spiegazione, mi piace, vediamo ulteriori commenti!
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