化學(xué)電池電動勢及內(nèi)外電壓的實(shí)驗研究

彭 麗 黃紹書(貴州省黔西第一中學(xué) 貴州 黔西 551500)岳國聯(lián)(六盤水市第三中學(xué) 貴州 六盤水 553000)朱麗霞(畢節(jié)市民族中學(xué) 貴州 畢節(jié) 551700)

電動勢是衡量非靜電力在電源內(nèi)部移動電荷做功本領(lǐng)的物理量，閉合電路歐姆定律是普通高中物理課程的重要內(nèi)容，不同版本的高中物理教材[1～4]編寫這部分內(nèi)容時通常都以化學(xué)電池作為電源.然而，教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，對于化學(xué)電池電動勢及內(nèi)外電壓的理解是比較困難的.我們結(jié)合閉合電路歐姆定律，用可調(diào)內(nèi)電阻化學(xué)電池設(shè)計了一個探究性實(shí)驗，以期釋惑教學(xué)中的疑難問題.

1 實(shí)驗裝置

實(shí)驗器材：J2365型可調(diào)內(nèi)電阻稀硫酸電池1個(正極A和負(fù)極B的附近分別有1根探針D和探針C)，J0408型電壓表(-1 V～0～3 V)4只，普通電阻箱1只，開關(guān)1只.

實(shí)驗過程中各有關(guān)電壓的測量電路如圖1所示，相應(yīng)的電路圖如圖2所示.

圖1 各電極各探針相互間電壓測量電路實(shí)物圖

圖2 各電極各探針相互間電壓測量電路圖

2 實(shí)驗現(xiàn)象

通過調(diào)節(jié)電阻箱接入電路的電阻，可測出不同電阻情況下電池正負(fù)極之間、兩根探針之間以及電池正極或負(fù)極與相應(yīng)附近的探針之間電壓值，表1和表2分別記錄了電池充電達(dá)到飽和狀態(tài)和未達(dá)到飽和即非飽和狀態(tài)下的實(shí)驗過程中各電壓表的5組測量數(shù)據(jù).

表1和表2中的實(shí)驗數(shù)據(jù)有兩個特點(diǎn)：

采用自制的稀硫酸電池及自制的稀鹽酸電池分別進(jìn)行實(shí)驗，其測量數(shù)據(jù)同樣具有相同的特點(diǎn).

表2 電池非飽和狀態(tài)下正負(fù)極與探針的各區(qū)間電壓

3 實(shí)驗分析

化學(xué)電池的基本原理[5,6]就是在兩電極位置發(fā)生的化學(xué)反應(yīng).在化學(xué)反應(yīng)過程中將產(chǎn)生大量正負(fù)離子，由于靜電吸引和擴(kuò)散的雙重作用，使得在電池兩電極及其附近(探針)形成帶異種電荷的兩個穩(wěn)定的雙電層.這兩個雙電層將電池內(nèi)部的兩電極之間分成了3個區(qū)域，且各個區(qū)域的兩端之間都具有一定的電勢差.

3.1 電場分布與電勢

根據(jù)實(shí)驗裝置可將整個閉合電路分為2個部分4個區(qū)域，即外電路的A-B區(qū)域，內(nèi)電路的B-C區(qū)域、C-D區(qū)域及D-A區(qū)域.從表1和表2的實(shí)驗數(shù)據(jù)分析不難得出，電池各電極及各探針的電勢的高低情況滿足φA>φC>φD>φB，這一關(guān)系可形象地用如圖3所示的圖形表示.分析表1和表2的實(shí)驗數(shù)據(jù)，還可得出如圖4所示的各區(qū)域電場分布的大致情況.

圖3 電極探針電勢

圖4 各區(qū)域電場分布

3.2 做功與電勢變化及能量轉(zhuǎn)化

化學(xué)電池工作過程中，非靜電力即由在兩電極位置發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)提供.結(jié)合表1實(shí)驗數(shù)據(jù)和圖4所示的電場分布分析，化學(xué)電池的非靜電力的作用范圍顯然僅是兩電極及其附近(探針)的兩個雙電層區(qū)域，且不難理解化學(xué)電池閉合電路工作過程中電場力與非靜電力的做功情況.表3列出了各區(qū)域在工作過程中電場力和非靜電力及電阻力(電阻效應(yīng)產(chǎn)生的阻力)做功與電勢變化及能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系.

表3 電場力、電阻力和非靜電力做功與電勢變化及能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系

3.3 內(nèi)電壓外電壓電動勢

另外，從表1和表2中還可看出，電池在充電達(dá)到飽和的狀態(tài)下，電動勢是很穩(wěn)定的；而電池在充電未達(dá)到飽和即非飽和的狀態(tài)下，電動勢很不穩(wěn)定.

4 兩點(diǎn)說明

(1)不同電源提供非靜電力的渠道不同，化學(xué)電池的非靜電力由電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)與電極之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)提供.

(2)干電池等其他化學(xué)電池，由于其結(jié)構(gòu)有別于可調(diào)內(nèi)電阻化學(xué)電池，其內(nèi)電壓和電動勢均不能直接測量.