Pin lưu trữ năng lượng như thế nào?

Bạn sẽ học được gì

• Chỉ ra pin giữ năng lượng ở đâu khi chưa nối vào mạch.
• Theo dõi đường đi của êlectron và ion khi pin phát điện.
• Giải thích nạp và xả khác nhau thế nào, và vì sao pin cũ yếu đi.

Cần biết trước

Bạn nên biết dòng điện là chuyển động của các hạt mang điện. Nếu chưa, bài này vẫn giải thích các thuật ngữ khi chúng xuất hiện.

Năng lượng nằm ở đâu khi pin được để riêng?

Pin nhận, lưu và trả điện theo nhu cầu. Để lưu được, điện trước hết phải được chuyển thành dạng thế năng hóa học. Khi pin không nối vào mạch, năng lượng vẫn nằm trong vật liệu của pin dưới dạng hóa học.

Một pin gồm hai cực điện gọi là catốt và anốt. Giữa hai cực là một vật liệu hóa học gọi là chất điện phân. Năng lượng được giữ trong các vật liệu này, nên một pin đã sạc có thể được ngắt khỏi mạch để giữ thế năng hóa học cho lần dùng sau.

Cần phân biệt “điện” và “thế năng hóa học”. Điện là thứ chạy trong mạch. Thế năng hóa học là năng lượng cất trong vật liệu, chờ được đổi thành điện.

Êlectron và ion đi đâu?

Để nhận hoặc trả năng lượng, pin được nối với một mạch ngoài. Êlectron chạy qua mạch ngoài. Cùng lúc đó, ion chạy qua chất điện phân bên trong pin. Ion là nguyên tử hoặc phân tử mang điện.

Hai đường này khác nhau. Êlectron đi ngoài pin, qua dây và thiết bị. Ion đi trong pin, giữa hai cực. Một đường không thay được đường kia, và thiếu một đường thì mạch không hoàn chỉnh.

Với pin sạc, êlectron và ion có thể chạy theo cả hai chiều qua mạch và chất điện phân. Chiều chạy quyết định pin đang nạp hay đang xả.

Nạp và xả khác nhau thế nào, và pin có hồi phục hoàn toàn không?

Khi êlectron chạy từ catốt sang anốt, chúng làm tăng thế năng hóa học, tức là nạp pin. Khi chúng chạy chiều ngược lại, thế năng hóa học đổi thành điện trong mạch, tức là xả pin.

Quá trình này không đảo ngược hoàn toàn. Sau nhiều lần nạp và xả, sự thiếu đảo ngược hoàn toàn có thể làm thay đổi thành phần hóa học và cấu trúc vật liệu của pin. Hiệu năng và độ an toàn có thể giảm đi.

Đây là lý do một pin cũ thường yếu hơn pin mới. Nạp đầy không đưa vật liệu về đúng trạng thái ban đầu.

Ví dụ trong đời sống

Hãy theo dõi một bóng đèn nhỏ nối với pin. Khi nối mạch, êlectron chạy từ pin qua dây tới đèn rồi về pin. Trong pin, ion chạy qua chất điện phân. Thế năng hóa học giảm đi khi pin xả, và đèn nhận được điện.

Ngắt mạch thì êlectron ngừng chạy. Năng lượng còn lại nằm trong vật liệu của pin dưới dạng hóa học, sẵn cho lần sau. Với pin sạc, nối pin vào nguồn nạp làm êlectron và ion chạy theo chiều ngược lại, và thế năng hóa học tăng lên.

Hiểu lầm thường gặp

Pin không chứa điện như một bình chứa nước. Nó chứa thế năng hóa học, và điện chỉ xuất hiện khi mạch ngoài nối vào.

Êlectron không chạy qua chất điện phân. Ion mới chạy trong chất điện phân, còn êlectron chạy qua mạch ngoài.

Nạp pin không đưa mọi thứ về như mới. Phần thay đổi hóa học và cấu trúc tích lũy theo thời gian.

Câu hỏi thường gặp

Ion là gì?

Ion là nguyên tử hoặc phân tử mang điện. Trong pin, ion chạy qua chất điện phân.

Pin đã sạc có phải luôn nối với mạch không?

Không. Pin đã sạc có thể được ngắt khỏi mạch để giữ thế năng hóa học dùng sau.

Vì sao pin cũ hoạt động kém hơn?

Các quá trình nạp và xả không đảo ngược hoàn toàn. Theo thời gian, chúng có thể thay đổi hóa học và cấu trúc vật liệu, làm giảm hiệu năng.

Tóm tắt

• Pin lưu năng lượng dưới dạng thế năng hóa học trong vật liệu.
• Êlectron chạy qua mạch ngoài, ion chạy qua chất điện phân.
• Nạp và xả là hai chiều chạy; quá trình không đảo ngược hoàn toàn nên pin xuống cấp dần.