Pourquoi la tension des batteries au vinaigre en série n'est-elle pas égale à la somme des tensions individuelles?

Je travaille sur une démo / pratique en classe pour la classe d'école primaire de mon fils, et j'ai fabriqué de petites piles avec des pièces de monnaie néo-zélandaises de 10 cents (recouvertes de cuivre), des rondelles en zinc et du carton imbibé de vinaigre. Chaque cellule individuelle mesure environ 0,96 volts, mais lorsque j'en rassemble 4, je n'en sors qu'environ 2,6 volts. Je me demande s'il y a quelque chose que je ne connais pas dans la nature de ces batteries qui les empêche de s'additionner.

De plus, même à 2,6 volts, la même tension que celle que je sors d'une paire d'eneloop AA, la LED n'est pas très brillante du tout - par rapport à la connexion aux eneloop AA, où la LED est assez lumineuse. Est-ce à cause du faible ampérage de la batterie au vinaigre? Est-ce que mettre plus en série le rendrait meilleur (ou dois-je en faire un second et les connecter en parallèle?).

Je suis un peu un noob avec l'électronique, l'apprenant principalement maintenant car mon fils est très intéressé, donc s'amuser à l'apprendre avec lui.

Merci pour tous les conseils.

J'ai joint une photo ci-dessous montrant le produit final prévu (je serre le haut et le bas des fils led pour terminer le circuit, comme un simple interrupteur). À droite, ce que j'utilise pour mes cellules (moins le vinaigre et sans que le carton ne soit coupé pour s'adapter à la pièce).

En plus de démontrer une production électrique de base, vous montrerez pourquoi nous ne produisons pas d'électricité commerciale en utilisant la monnaie et le vinaigre néo-zélandais!

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Figure 1. Chaque batterie a une résistance interne qui provoque une chute de tension lorsque le courant augmente.

L'effet de la résistance interne est de provoquer une chute de tension lorsque le courant augmente. Une démonstration simple de cela sera de raccorder comme indiqué avec le multimètre réglé sur mA lorsqu'il est en position AM1 (assurez-vous que vous avez les fils dans les bonnes prises) et réglé sur DC V dans la position VM1.

• Débranchez la LED. Mesurer la tension en circuit ouvert. Il n'est pas nécessaire de mesurer le courant en circuit ouvert. Ce sera zéro.
• Rebranchez la LED. Mesurez le courant et la tension. En utilisant ces informations, vous devriez pouvoir calculer la résistance interne totale de votre batterie. .$R = \frac {V_{OC} - V_{LOADED}}{I}$

Il est difficile de dire pourquoi vous n'obtenez pas quatre fois 0,96 V lorsque vous êtes connecté en série, mais une photo peut nous en dire plus.

En regardant la photo, je soupçonne que vous pourriez avoir une fuite dans vos cellules individuelles. Si les côtés des rondelles ou des pièces sont mouillés, il y aura un court-circuit partiel sur la cellule. Pour tester cela, faites quatre cellules distinctes connectées par fil plutôt que par la pile.

Lorsqu'une batterie est connectée à une charge, sa tension de sortie diminue un peu en raison de la résistance interne de la batterie.

Si vous construisez une batterie, vous pouvez faire quatre choses simples pour réduire la résistance interne de la batterie:

1. Rendez les électrodes plus larges.

   • La résistance de l'électrolyte va être inversement proportionnelle à la section d'électrolyte traversée par le courant. Généralement, la majeure partie du courant se déplacera en ligne droite directement entre les électrodes.
   • La vitesse à laquelle les réactions chimiques peuvent se produire est proportionnelle à la surface des électrodes.
   • Cela équivaut à câbler plusieurs batteries en parallèle.

2. Réduisez l'espacement entre les électrodes. La résistance de l'électrolyte va être proportionnelle à la distance que le courant doit parcourir.

   • L'utilisation de carton plus fin ou de serviettes en papier devrait réduire la résistance.

3. Augmentez la concentration d'ions dans l'électrolyte. La conductivité sera quelque peu proportionnelle à la concentration d'ions.

   • Par exemple, le vinaigre contient de l'acide acétique. L'utilisation d'une autre marque de vinaigre avec un pourcentage plus élevé d'acide acétique pourrait aider.
   • Si vous utilisez de l'acide citrique plutôt que du vinaigre, vous pouvez acheter de la poudre d'acide citrique pure dans votre épicerie locale. C'est généralement dans l'île de cuisson.

4. Utilisez un électrolyte qui a une mobilité ionique plus élevée. La résistance de l'électrolyte va être inversement proportionnelle à la mobilité ionique.

   • L'acide citrique (présent dans le jus de citron) et le bicarbonate de sodium (bicarbonate de soude) font tous deux de bons électrolytes.

En plus du phénomène de résistance interne qui abaisse la tension de la batterie sous charge, vous devez prêter une attention particulière aux commentaires @Jasen sur les courts-circuits internes. Jetez un œil aux batteries de qualité industrielle et vous remarquerez que les cellules individuelles ne partagent jamais d'électrolyte .

Je vous suggère d'essayer de mettre un film non mouillable (comme des morceaux d'un sac en plastique ou un emballage de bonbons) entre chaque pièce d'une cellule et la rondelle de la cellule suivante. Comme vous avez toujours besoin qu'ils soient connectés électriquement, placez un petit fil sur votre couche d'isolation. Cela devrait améliorer la puissance de votre batterie et rapprocher la tension totale de la somme des tensions des cellules individuelles, au moins sans charge.