Perché le batterie creano un flusso di corrente in un circuito scambiando elettroni in reazioni chimiche ioniche, e c’è un numero limitato di molecole in qualsiasi batteria carica disponibili per reagire, ci deve essere una quantità limitata di carica totale che qualsiasi batteria può motivare attraverso un circuito prima che le sue riserve di energia siano esaurite. La capacità della batteria potrebbe essere misurata in termini di un numero totale di elettroni, ma questo sarebbe un numero enorme. Potremmo usare l’unità del coulomb (pari a 6,25 x 1018 elettroni, o 6.250.000.000.000.000.000.000 di elettroni) per rendere le quantità più pratiche da lavorare, ma invece è stata creata una nuova unità, l’ampere-ora, per questo scopo. Poiché 1 amp è in realtà un flusso di 1 coulomb di elettroni al secondo, e ci sono 3600 secondi in un’ora, possiamo stabilire una proporzione diretta tra coulomb e amp-ora: 1 ampora = 3600 coulombs. Perché inventare una nuova unità di misura quando una vecchia sarebbe andata bene? Per rendere più difficile la vostra vita di studenti e tecnici, naturalmente!
Applicazione Amp-ora per misurare la capacità della batteria
Una batteria con una capacità di 1 amp-ora dovrebbe essere in grado di fornire continuamente una corrente di 1 amp a un carico per esattamente 1 ora, o 2 amp per 1/2 ora, o 1/3 di amp per 3 ore, ecc, prima di scaricarsi completamente. In una batteria ideale, questa relazione tra corrente continua e tempo di scarica è stabile e assoluta, ma le batterie reali non si comportano esattamente come questa semplice formula lineare indicherebbe. Pertanto, quando la capacità in ampere-ora è data per una batteria, essa è specificata ad una data corrente, un dato tempo, o si presume che sia valutata per un periodo di tempo di 8 ore (se non è dato alcun fattore limitante).
Per esempio, una batteria automobilistica media potrebbe avere una capacità di circa 70 ampere-ora, specificata ad una corrente di 3,5 amp. Ciò significa che la quantità di tempo in cui questa batteria potrebbe fornire continuamente una corrente di 3,5 ampere a un carico sarebbe di 20 ore (70 ampere/ 3,5 ampere). Ma supponiamo che un carico di resistenza inferiore sia collegato a quella batteria, che assorbe continuamente 70 ampere. La nostra equazione amp-ora ci dice che la batteria dovrebbe resistere esattamente per 1 ora (70 amp-ore / 70 ampere), ma questo potrebbe non essere vero nella vita reale. Con correnti più alte, la batteria dissiperà più calore attraverso la sua resistenza interna, che ha l’effetto di alterare le reazioni chimiche che avvengono all’interno. È probabile che la batteria si scarichi completamente qualche tempo prima del tempo calcolato di 1 ora sotto questo carico maggiore.
Inversamente, se un carico molto leggero (1 mA) fosse collegato alla batteria, la nostra equazione ci direbbe che la batteria dovrebbe fornire energia per 70.000 ore, o poco meno di 8 anni (70 amp/ora / 1 milliampere), ma le probabilità sono che gran parte dell’energia chimica in una batteria reale sarebbe stata prosciugata a causa di altri fattori (evaporazione dell’elettrolita, deterioramento degli elettrodi, corrente di perdita all’interno della batteria) molto prima che fossero trascorsi 8 anni. Pertanto, dobbiamo prendere il rapporto amp-ora come un’approssimazione ideale della vita della batteria, la valutazione amp-ora è affidabile solo vicino alla corrente specificata o alla durata data dal produttore. Alcuni produttori forniranno fattori di declassamento amp-ora che specificano le riduzioni della capacità totale a diversi livelli di corrente e/o temperatura.
Per le celle secondarie, la valutazione amp-ora fornisce una regola per il tempo di carica necessario a qualsiasi livello di corrente di carica. Per esempio, la batteria automobilistica da 70 ampère nell’esempio precedente dovrebbe impiegare 10 ore per caricarsi da uno stato completamente scarico a una corrente di carica costante di 7 ampère (70 ampère / 7 ampère).
Capacità ampère approssimative di alcune batterie comuni sono date qui:
- Batteria automobilistica tipica: 70 ampère @ 3,5 A (cella secondaria)
- Batteria al carbonio-zinco formato D: 4. 5 ampère @ 100 mA (cella secondaria).5 amp-ora @ 100 mA (cella primaria)
- Batteria 9 volt carbonio-zinco: 400 milliamp-ora @ 8 mA (cella primaria)
Come controllare lo stato della batteria – con e senza carico?
Quando una batteria si scarica, non solo diminuisce la sua riserva interna di energia, ma anche la sua resistenza interna aumenta (poiché l’elettrolita diventa sempre meno conduttivo), e la sua tensione di cella a circuito aperto diminuisce (poiché le sostanze chimiche diventano sempre più diluite). Il cambiamento più ingannevole che una batteria che si scarica mostra è l’aumento della resistenza. Il miglior controllo delle condizioni di una batteria è una misurazione della tensione sotto carico, mentre la batteria sta fornendo una corrente sostanziale attraverso un circuito. Altrimenti, un semplice controllo del voltmetro attraverso i terminali può indicare falsamente una batteria sana (tensione adeguata) anche se la resistenza interna è aumentata considerevolmente. Ciò che costituisce una “corrente sostanziale” è determinato dai parametri di progettazione della batteria. Un controllo del voltmetro che riveli una tensione troppo bassa, naturalmente, indicherebbe positivamente una batteria scarica:
Batteria completamente carica:
Ora, se la batteria si scarica un po’ . .
. . . e si scarica ancora un po’ . . .
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Nota come la vera condizione della batteria si rivela molto meglio quando la sua tensione viene controllata sotto carico rispetto a quella senza carico. Questo significa che è inutile controllare una batteria solo con un voltmetro (senza carico)? Beh, no. Se un semplice controllo con il voltmetro rivela solo 7,5 volt per una batteria da 13,2 volt, allora sai senza dubbio che è morta. Tuttavia, se il voltmetro dovesse indicare 12,5 volt, potrebbe essere vicino alla piena carica o in qualche modo esaurito – non si può dire senza un controllo del carico. Tenete anche presente che la resistenza usata per mettere una batteria sotto carico deve essere valutata per la quantità di potenza che si prevede di dissipare. Per il controllo di grandi batterie come una batteria al piombo-acido per automobili (12 volt nominali), questo può significare una resistenza con una potenza nominale di diverse centinaia di watt.
RIASSUNTO:
- L’ampora è un’unità di capacità energetica della batteria, pari alla quantità di corrente continua moltiplicata per il tempo di scarica, che una batteria può fornire prima di esaurire la sua riserva interna di energia chimica.
- Il valore in ampere/ora della batteria è solo un’approssimazione della capacità di carica della batteria e dovrebbe essere considerato affidabile solo al livello di corrente o al tempo specificato dal produttore. Tale valore non può essere estrapolato con precisione per correnti molto alte o tempi molto lunghi.
- Le batterie scariche perdono tensione e aumentano la resistenza. Il miglior controllo per una batteria scarica è un test di tensione sotto carico.
Fogli di lavoro correlati:
- Foglio di lavoro sulle batterie
- Foglio di lavoro sull’uso del voltmetro di base