Почему напряжение последовательных уксусных батарей не равно сумме отдельных напряжений?

Я работаю над демонстрацией / практическим занятием в классе для моих сыновей в начальной школе, и я сделал несколько маленьких батарей с новозеландскими монетами 10 центов (с медным покрытием), цинковыми шайбами ​​и пропитанным уксусом картоном. Каждая отдельная ячейка измеряет около 0,96 вольт, но когда я соединяю 4 из них, я получаю только около 2,6 вольт. Мне интересно, есть ли что-то, что я не знаю о природе этих батарей, которая заставляет их не складываться.

Кроме того, даже при напряжении 2,6 В, при том же напряжении, которое я получаю от пары Aneloop AA, светодиод не очень яркий - по сравнению с подключением к Aneloop AA, где светодиод довольно яркий. Это из-за низкой силы тока уксусной батареи? Поможет ли это сделать больше последовательно (или мне нужно сделать второй и подключить их параллельно?).

Я немного новичок в электронике, в основном изучаю это сейчас, так как мой сын очень заинтересован, так что развлекаюсь, изучая его вместе с ним.

Спасибо за любые советы.

Я приложил изображение ниже, показывающее предполагаемый конечный продукт (я сжимаю верхнюю и нижнюю части светодиодных проводов, чтобы завершить схему, в качестве простого переключателя). Справа - то, что я использую для своих клеток (за исключением уксуса и без обрезки картона под монету).

Помимо демонстрации базового производства электроэнергии, вы продемонстрируете, почему мы не производим коммерческую электроэнергию с использованием новозеландских монет и уксуса!

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Рисунок 1. Каждая батарея имеет внутреннее сопротивление, которое вызывает падение напряжения при увеличении тока.

Влияние внутреннего сопротивления вызывает падение напряжения при увеличении тока. Простая демонстрация этого заключается в том, чтобы подключить, как показано на мультиметре, установленном на мА, когда он находится в положении AM1 (убедитесь, что у вас есть провода в правильных разъемах) и установить на DC V в положении VM1.

• Отключить светодиод. Измерьте напряжение холостого хода. Нет необходимости измерять ток холостого хода. Это будет ноль.
• Подключите светодиод. Измерьте ток и напряжение. Используя эту информацию, вы сможете рассчитать общее внутреннее сопротивление вашей батареи. .$R = \frac {V_{OC} - V_{LOADED}}{I}$

Трудно сказать, почему вы не получаете четыре раза 0,96 В при последовательном соединении, но фотография может рассказать нам больше.

Глядя на фотографию, я подозреваю, что у вас могут быть некоторые утечки в ваших отдельных камерах. Если стороны шайб или монет промокнут, в ячейке будет частичное короткое замыкание. Чтобы проверить это, сделайте четыре отдельные ячейки, соединенные проводом, а не стеком.

Когда какая-либо батарея подключена к нагрузке, ее выходное напряжение немного падает из-за внутреннего сопротивления батареи.

Если вы строите батарею, есть четыре простых способа уменьшить внутреннее сопротивление батареи:

1. Сделайте электроды шире.

   • Сопротивление электролита будет обратно пропорционально поперечному сечению электролита, через которое проходит ток. Обычно большая часть тока проходит по прямой линии непосредственно между электродами.
   • Скорость, с которой могут происходить химические реакции, пропорциональна площади электродов.
   • Это эквивалентно подключению нескольких батарей параллельно.

2. Уменьшите расстояние между электродами. Сопротивление электролита будет пропорционально расстоянию, которое ток должен пройти через него.

   • Использование более тонкого картона или бумажных полотенец должно снизить сопротивление.

3. Увеличьте концентрацию ионов в электролите. Проводимость будет в некоторой степени пропорциональна концентрации ионов.

   • Например, уксус содержит уксусную кислоту. Может помочь использование другой марки уксуса с более высоким процентным содержанием уксусной кислоты.
   • Если вы используете лимонную кислоту, а не уксус, вы можете купить чистый порошок лимонной кислоты в местном продуктовом магазине. Обычно это на острове выпечки.

4. Используйте электролит с более высокой подвижностью ионов. Сопротивление электролита будет обратно пропорционально подвижности ионов.

   • Лимонная кислота (содержится в лимонном соке) и бикарбонат натрия (пищевая сода) являются хорошими электролитами.

Помимо явления внутреннего сопротивления, которое понижает напряжение батареи под нагрузкой, следует обратить пристальное внимание на комментарий @Jasen о внутренних коротких замыканиях. Посмотрите на аккумуляторы промышленного класса, и вы заметите, что отдельные элементы никогда не разделяют электролит .

Я предлагаю вам попытаться положить не смачиваемую пленку (например, кусочки полиэтиленового пакета или конфетную пленку) между каждой монетой из одной ячейки и шайбой из следующей ячейки. Поскольку вам все еще нужно, чтобы они были подключены электрически, поместите небольшой провод на слой изоляции. Это должно улучшить выход батареи и приблизить общее напряжение к сумме напряжений отдельных элементов, по крайней мере, без нагрузки.