电池工作原理

  电池无处不正在——正在汽车、筹算机、札记本电脑、便携式MP3播放器以及手机中都有它的身影。电池实践上是一个由巨额能够天生电子的化学物质构成的装配,天生电子的化学反映称为“电化学反映”。本文从电池的根基管事道理、电池内部发作的实践化学反映、电池异日的起色远景以及可以会庖代电池的能量源等方面临电池实行了周至先容。

  倘若你留心一下电池,便会觉察它有两个端子。一个端子符号为(+)(正极),另一个端子符号为(-)(负极)。正在AA型、C型或D型电池(一般的手电筒电池)中,电池的两头便是端子。正在大型的汽车蓄电池中,有两个较重的极柱用作端子。

  电子蚁集正在电池的负极度子,倘若正在负极度子和正极度子之间衔尾一根金属线,电子便会从负极度子缓慢流向正极度子(而且会霎时击坏电池——这种状况寻常比拟危机,更加对待大型电池更是如许,以是切勿履行此操作)。寻常状况下,应应用金属线将某品种型的负载衔尾到电池,负载能够是灯胆、电动机或近似无线电如此的电途。

  电池内部的化学反映可天生电子,两个端子之间滚动的电子数目取决于此化学反映天生电子的速率(电池的内部电阻)。电子从电池流入金属线,而且务必从负极度子流向正极度子才会发作化学反映。这即是电池正在闲置一年此后仍拥有巨额能量的因由——除非电子从负极度子流向正极度子,不然将不会发作化学反映。当衔尾金属线后,将起初发作化学反映。

  1800年,Alessandro Volta(伏特)发通晓第一块电池。为了造造这块电池,他将锌片、用盐水浸泡过的吸墨纸和银片瓜代堆叠正在一齐,如图所示:

  正在十八世纪发电机降生之前(发电机于十八世纪70年代降生并取得美满),Daniell电池(另有三部分名:因锌电极的模范样子而得名的“Crowfoot电池”,因重力使两种硫酸盐隔离而得名的“重力电池”,以及由于应用液体电解质而得名的“湿电池”,它与新颖“干电池”正相反)是极为普通的电报和门铃供电装配。Daniell电池是由铜极板和锌极板以及硫酸铜和硫酸锌构成的湿电池。

  要造造Daniell电池,请将铜极板置于玻璃瓶的底部。向铜极板上倒入半瓶硫酸铜溶液。然后将锌极板悬于瓶中(如图所示),并缓慢将硫酸锌溶液倒入瓶中。因为硫酸铜的密度大于硫酸锌,以是硫酸锌将“悬浮于”硫酸铜之上。显而易见,这种方式并不实用于手电筒,但对待固定配置却比拟适合。倘若你能够应用硫酸锌和硫酸铜,则能够考试自造一个Daniell电池。

  倘若要懂得用于造造电池的电化学反映,能够轻松地正在家实行试验,以考试差其它组合。要切确地实行这些试验,万和城,您必要正在表地的电子商场或硬件店肆采办一个低价(10美元至20美元)的伏特-欧姆表。确保伏特-欧姆表能够显示低电压(位于1伏畛域内)和低电流(位于5至10毫安畛域内)。如此,您便能够凿凿看到电池发作的反映。

  最初,能够应用硬币和纸板自造一个伏打电堆。将盐与水同化正在一齐(尽量抵达饱和),并将纸板浸入盐水中。然后将一美分硬币和五美分硬币瓜代堆叠正在一齐,查看电堆天生的电压和电流读数是多少。变革电堆的层数,并查看它对电压的影响。节日考试瓜代堆叠一美分硬币和十美分硬币,并查看结果怎样。也能够瓜代堆叠十美分硬币和五美分硬币。还能够考试应用的其他金属席卷铝箔和钢,而每个金属组合都邑天生略微差其它电压。

  另一个能够考试的试验必要应用婴儿食物罐(倘若你的家里没有婴儿,只需正在市场采办几个婴儿食物罐,然后将个中的食物统共倒出即可)、稀酸、金属线和钉子。向罐中倒满柠檬汁或醋(稀酸),然后将一根钉子和一根铜线放入罐中,使其互不接触。能够考试应用镀锌钉和一般的铁钉。然后将伏特表与钉子和铜线衔尾正在一齐,丈量电压和电流。将柠檬汁更换为盐水,并应用其他硬币和金属,能够查看其对待电压和电流的影响。

  你能够造造的最浅易的电池可能称作锌碳电池。通过懂得该电池内部发作的化学反映,你能够对电池的根基管事道理有所懂得。

  假设有一瓶硫酸(H2SO4),将锌棒放入个中后,硫酸会随即将锌棒消融。随后会看到锌棒上天生了氢气气泡,此时锌棒和硫酸将起初变热。下面先容了所发作的化学反映:

  而电子很难搬动到碳棒,由于它们更容易与碳棒上的氢联合。该电池将发作0.76伏的特质电压。最终,锌棒将全体消融,或硫酸中的氢离子被耗光,从而使电池“耗尽”。

  任何电池的内部均发作好像类型的电化学反映,从而导致电子从一极搬动到另一极。电池的电压取决于实践应用的金属和电解液——每个差其它反映都拥有一个特质电压。比方,下面先容了汽车铅酸蓄电池的某个电池单位中发作的电化学反映:

  铅酸蓄电池有一个很好的性格,即反映全体可逆。倘若正在恰当的电压下向电池充电,两个极板大将再次天生铅和二氧化铅,从而能够连续地反复应用蓄电池。正在锌碳电池中,因为很难使氢气返回到电解液中,以是很难发作逆向反映。

  正在简直整个应用电池的配置中,你都弗成以一次仅应用一个电池单位。寻常必要将电池单位串联正在一齐酿成更高的电压,或将其并联正在一齐酿成更高的电流。应用串通合构能够减少电压。应用并连合构能够减少电流。下图显示了这两种布局:

  上面的布局称为“并联”布局。倘若假设每个电池单位天生1.5伏电压,则四个并联电池也将天生1.5伏电压,但供应的电流却为单个电池单位的四倍。下面的布局称为“串联”布局。四个电压加正在一齐将天生6伏电压。

  寻常状况下,当你采办电池包时,包装上会显示电池的额定电压和额定电流。比方,我的数码相机应用四节镍镉电池,每个电池单位的额定电压为1.25伏,额定电流为500毫安时,额定毫安时吐露电池表面上能够正在一幼时内天生500毫安的电流。您能够将额定的毫安时划分为多种差其它局势,一个500毫安时的电池能够正在100幼时内天生5毫安电流,正在50幼时内天生10毫安电流、正在20幼时内天生25毫安电流,或(正在表面上)正在1幼时内天生500毫安电流,以至正在30分钟内天生1,000毫安电流。

  但电池并不具备如许高的线性。最初,整个电池都有一个额定的最大电流——一个500毫安时的电池无法正在1秒内天生30,000毫安电流,因由是该电池的化学反映无法正在如许短的韶华内发作,而且正在更高的电流强度下,电池会天生巨额热量,从而失掉了某些能量。另表,正在极低的电流强度下,很多化学电池的寿命可以会比预期的寿命长或短。但正在寻常的应用畛域内,能够对额定毫安时实行必定水准的线性划分。应用额定的毫安时,能够简单推断电池正在给定负载下的连续供电韶华。

  倘若将四个1.25伏、500毫安时的电池串联正在一齐,则最终的电压为5伏(1.25x4),电流为500毫安时;倘若将这四个电池并联正在一齐,则最终的电压将为1.25伏,电流为2,000(500x4)毫安时。