Specificaties meten van een batterij

FramboosM

Hallo iedereen! Wij zijn Tom en Jesen en wij hebben een organische variant gebouwd van een daniellcel. (zink en methaanzuur als red en ox, laat het weten als er betere opties zijn!) We willen nu graag zo veel mogelijk weten over de batterij, zoals de spanning, de capaciteit, de energie, etc. Is het volgende een goed plan?

Neem een batterij A waarvan je de capaciteit en de spanning weet, en sluit het aan op een klok, een multimeter en een hele grote weerstand. Na een tijdje stopt hij ermee, noteer de tijd die je op de klok ziet. Herhaal met de zelfgebouwde batterij B en noteer de tijd en de spanning.
energie A/tijd A = energie B/tijd B. Met de multimeter lees je de spanning af, en energie (Wh) / spanning = capaciteit (Ah).

Enkele dingetjes:
De spanning die we kunnen aflezen, zal de klemspanning zijn en niet de bronspanning. Welke spanning wordt gebruikt voor de formule? Als er op een batterij 1,5 V staat, heeft het dan een klem- of een bronspanning van 1,5 V?
De spanning zal niet constant zijn en steeds blijven dalen (wet van nernst). Welke spanning pakken we dan?
We zouden ook de stroomsterkte kunnen aflezen, maar dat is niet van belang toch? De stroomsterkte zegt meer over de belasting dan over de batterij, voor zover ik weet. Klopt dat?

Alvast bedankt!

Tadjiro

Beste @FramboosM,

De keuze tussen het aflezen van spanning en stroom is alleen relevant wanneer de limiet van de een de ander uit balans trekt.
Wanneer je een kortsluitnigscircuit hebt, kan je de maximale stroom meten die een batterij kan leveren, maar hieruit is geen spanning te meten.
Wanneer je wilt kijken naar de maximale spanning die een bron opwekt, gebruik je een dusdanig grote weerstand dat de stroom niet relevant is.

Wanneer je een weerstand gebruikt, waarbij de meetbare stroom natuurkundig relevant is en niet tegen de limiet van de batterij aanloopt, zijn spannings- en stroommetingen equivalent.

De markering op de batterij is iets dergelijks als de klemspanning op het laatste moment dat de batterij de stroom kan leveren die op de capaciteitsmarkering staat.
Veel leveranciers defineren het echter als de 'nominale spanning'. Wat hun vreemde terminologie ook is, het is in ieder geval met betrekking tot klemspanning.

Ik zou eerst een keer meten hoelang het in totaal duurt. Daarna zou ik de meting herhalen en intervalsgewijs de spanning meten en hier een curve fit van maken.
Hierna kan je de integraal nemen van de spanningscurvefit en deze delen door de gehele tijd, om een goede approximatie van de spanning gedurende het experiment te krijgen.
Is dit voor jullie logisch? Of kan ik het beter met wat meer detail uitleggen?

Tadjiro Velzel

FramboosM

Tadjiro Velzel
"Wanneer je een weerstand gebruikt, waarbij de meetbare stroom natuurkundig relevant is en niet tegen de limiet van de batterij aanloopt, zijn spannings- en stroommetingen equivalent." Deze zin snap ik niet helemaal. Is de 'meetbare stroom' 'natuurkundig relevant' als het groot genoeg is? (groter dan 0,01 mA bijvoorbeeld) 'zijn spannings- en stroommetingen equivalent' Dit snap ik helemaal niet.

"De markering op de batterij is iets dergelijks als de klemspanning op het laatste moment dat de batterij de stroom kan leveren die op de capaciteitsmarkering staat." Als alles klemspanning is, hoeven we dus nooit de interne weerstand van de batterij te berekenen voor de bronspanning, toch? Dat zou fijn zijn.
Als de spanning van onze batterij vergeleken wordt met een AAA batterij bijvoorbeeld, moeten we dus wachten totdat onze batterij het bijna niet meer kan (zink elektrode bijna helemaal opgelost bijvoorbeeld) en dan de spanning meten, toch?

Een curve fit is een trendlijn, neem ik aan, en dan de spanning op de y-as en tijd op x-as. Wat zou een goede tijdsinterval zijn, vijf of tien keer gedurende de proef bijvoorbeeld? Elke vijf minuten?
De integraal nemen en deze delen door tijd is gewoon een horizontale lijn nemen die ongeveer evenveel oppervlakte heeft onder zichzelf als de trendlijn, en dan de spanning aflezen, toch?

Heel erg bedankt!

Tadjiro

Beste @FramboosM,

De meetbare stroom is inderdaad natuurkundig relevant wanneer hij groot genoeg is. Hierbij is 0,01mA erg laag, omdat deze range niet altijd accuraat gemeten kan worden m.b.v. een multimeter. Voor een commerciele huishoudelijke batterij zou ik zelf inzetten op een weerstand waarbij de stroom tussen de 5 en 25mA ligt.
De stroom en spanningsmetingen zijn dan equivalent, omdat de een met betrouwbare wijze tot de ander omgerekend kan worden via de wet van Ohm.
Hierbij kom je voor het vermogen uit op P=I^2 * R = V^2 / R, omdat I = V/R

Of je de bronspanning wilt berekenen is afhankelijk van je onderzoeksvraag. Voor de toepassing van de batterij in elektrische circuits is gewoonlijk alleen de klemspanning relevant. Als je geinteresseerd bent in de hitte-efficientie van de batterij, zou de interne spanning misschien interessant zijn.

Ik heb vandaag een artikel gelezen waarin gewerkt werd met batterijen waarbij de voltagemarkering de nominale spanning is, wat in dit geval verwees naar de gemiddelde spanning van een volgeladen batterij.
Ik denk dat dit voor jullie momenteel de nuttigste definitie is. Deze definitie is hier terug te vinden link

Een curve fit is een potentieel non-lineaire trendlijn. Het tijdsinterval hangt af van de totale ontladingstijd, maar ik zou minstens 10 datapunten nemen tijdens de proef.
Een integraal is een wiskundige operatie die gebruikt kan worden om het oppervlak onder een lijn te vinden. Met behulp hiervan kan je een wiskundig precies gemiddelde vinden.
Het vinden van een horizontale lijn met ongeveer evenveel oppervlak is ook een goede manier om het gemiddelde te vinden. Wiskundig gezien is dit minder gecompliceerd.

Heb ik hiermee jullie vragen beantwoord?
Ik zou natuurlijk nog graag het een en ander verduidelijken, als dat wenselijk is.
Tadjiro Velzel

FramboosM

Beste Tadjiro Velzel,
Ten eerste is ons plan helemaal veranderd. We zullen om de vijf of tien minuten niet alleen de spanning meten, maar ook de stroomsterkte. Dus onze accu zal dan aangesloten worden op een multimeter en een weerstand van 20 ohm bijvoorbeeld. De multimeter zal uit staan, en om de paar minuten zullen we de spanning en stroomsterkte noteren. Maar 1. blijft de stroom lopen terwijl de multimeter uit staat?

Hoe kan de wet van Ohm worden toegepast in onze proef? De weerstand van de weerstand is bekend, maar volgens mij zijn de stroomdraden, of misschien de multimeter die uit staat ook een weerstand. Is het dan niet veel handiger om U en I allebei te meten?

Nu we resultaten hebben, zullen we I(gem) en U(gem) bepalen met behulp van een curve fit. 3. Deze U(gem) en de berekende mAh is dan vergelijkbaar met die getallen op een AAA batterij toch? Zo ja, dan zal ik jouw link gebruiken voor de bronvermelding.

Tadjiro

Beste @FramboosM,

Dat klinkt als een goed plan!
De makkelijkste manier om te kijken of de stroom blijft lopen terwijl de multimeter aanstaat, is door er twee in serie te zettenbinnen het circuit.
Hiervan zet je er een uit en de ander aan. Als degene die aanstaat 0 Ampere uitleest, dan blokkeert de multimeter die aanstaat dus de stroom.
Hierna zet je ze allebei aan en kijk je of ze dezelfde hoeveelheid meten en of de stroom verandert wanneer je er een aan of uitzet.
Zo heb je een beter idee van hoeveel impact de multimeter op de nauwkeurigheid van de meting heeft.

Je kan ervanuit gaan dat de weerstand van de stroomdraden geen rol speelt.
Ook dit kan je bekijken door eerst te meten met eenmaal de draadlengte en vervolgens met twee keer zo lang draad.
Je zult hierbij waarschijnlijk zien dat er nauwelijks verschil is in stroom en spanning over de weerstand.

Voor de rest klinkt jullie plan erg goed! Ook met betrekking tot de berekening van Ugem, mAh etc klinkt het als een goed plan. Als jullie nog vragen hebben, beantwoord ik deze graag.
Tadjiro Velzel

FramboosM

Beste Tadjiro Velzel,
Top! Het practicum zal maandag worden uitgevoerd, dan laat ik je weten hoe het ging. Dan zijn er alleen nog maar twee vragen:

Is het zo dat een spanning 'vast' is en de stroomsterkte veranderd wordt door de belasting? Bijv: met alleen een multimeter aangesloten geeft onze batterij 0,80 mA (R = inwendige weerstand). Maar als de accu een lampje moet laten branden, dan R = inwendig + lampje, en toen lukte het niet om een lampje van 0,40 mA te laten branden. Komt dat doordat de belasting groter is geworden, en dus de stroomsterkte kleiner is geworden?
We willen graag jou als bron gebruiken via APA. Telt dit als een interview? En zo ja, is de datum dan 28 november, toen ik mijn eerste vraag stelde?

Tom en Jesen

FramboosM

Toch nog maar een vraag:
Is het verschil in elektrodepotentiaal (hoe erg de elektronen gewild zijn) exact hetzelfde als spanning (J/C)? Want volgens een watermetafoor van wikipedia is spanning hetzelfde als waterdruk (hoe erg water wilt stromen, dus delta elektrodepotentiaal). Is J/C dan een gevolg daarvan? I.e. omdat de elektronen willen stromen, is er meer energie per elektron.

Tadjiro

Beste @FramboosM,

In de werkelijkheid is spanning zeker niet vast, naarmate er meer stroom gevraagd wordt van een spanningsbron, zal de spanning afnemen, totdat de spanning gelijk is aan de weerstand vermenigvuldigd met de maximale stroomsterkte van de batterij. De geleverde spanning varieert dus tussen de maximale klemspanning en de I*R waarbij I=Imax, naarmate R omlaag gaat.

Ik denk dat jullie met LEDs werken, waarbij je een LED gewoonlijk benadert als een voltage-clipping device in plaats van een weerstand. Als de batterij minder dan 2.5V kan opbrengen, zal het geen LED kunnen oplichten met een Vclip van 3V.
LEDs exciteren elektronen met spanning, opdat ze fotonen uitzenden binnen het zichtbare lichtspectrum. Wanneer de spanning hiervoor te laag is, lukt dat niet. Ik denk dus eerder dat dit een probleem over maximale spanning is.

Ik denk dat je voor de APA style het beste de "Email format" kan gebruiken, daarin gebruik je de datum van mijn laatste antwoord op het forum.

De analogie is wat onduidelijk, maar jullie conclusie eruit is juist. Spanning is een verschil in elektrische potentiaal tussen twee punten. In het geval van de anode en kathode is het elektrodepotentiaal inderdaad hetzelfde als de spanning.

Ik hoop dat jullie hiermee verder kunnen,
Tadjiro Velzel