電池工作原理

2021-03-04 01:20:10 字數 1762 閱讀 6407

你可以製作的最簡單的電池或許稱作鋅碳電池。通過了解該電池內部發生的化學反應,你可以對電池的基本工作原理有所了解。假設有一瓶硫酸(h2so4),將鋅棒放入其中後,硫酸會立即將鋅棒溶解。

隨後會看到鋅棒上生成了氫氣氣泡,此時鋅棒和硫酸將開始變熱。下面介紹了所發生的化學反應:

● 硫酸分子離解為三個離子:兩個h+離子和乙個so4--離子。

● 鋅棒表面上的鋅原子失去兩個電子(2e-),變為zn++ 離子。

● zn++離子與so4--離子結合生成znso4,後者溶解於硫酸。

● 鋅原子失去的電子與硫酸中的氫離子結合生成h2分子(氫氣)。因此我們看到鋅棒上產生了氫氣泡。

如果此時將一根碳棒放入硫酸中,則硫酸與碳棒之間不會發生任何反應。但如果在鋅棒與碳棒之間連線一根金屬線,則將發生兩個變化:電子流經金屬線並與碳棒上的氫結合,因此碳棒上開始產生氫氣泡。

熱量已經減少。可以使用流經金屬線的電子為電燈泡或相似負載供電,並可以測量金屬線的電壓和電流,而某些熱能已轉化為電子移動。

1) 電子流經金屬線並與碳棒上的氫結合,因此碳棒上開始產生氫氣泡。

2) 熱量已經減少。可以使用流經金屬線的電子為電燈泡或相似負載供電,並可以測量金屬線的電壓和電流,而某些熱能已轉化為電子移動。

而電子很難移動到碳棒,因為它們更容易與碳棒上的氫結合。該電池將產生0.76伏的特徵電壓。最終,鋅棒將完全溶解,或硫酸中的氫離子被耗光,從而使電池「耗盡」。

任何電池的內部均發生相同型別的電化學反應,從而導致電子從一極移動到另一極。電池的電壓取決於實際使用的金屬和電解液——每個不同的反應都具有乙個特徵電壓。例如,下面介紹了汽車鉛酸蓄電池的某個電池單元中發生的電化學反應:

a) 該電池單元有兩個極板,乙個是鉛極板,另乙個是二氧化鉛極板,兩個極板浸泡在強硫酸電解液中。

b) 鉛與so4結合生成pbso4和乙個電子。

c) 二氧化鉛、氫離子和so4離子以及鉛極板中的電子在二氧化鉛極板上生成pbso4和水。

d) 電池放電時,兩個極板上均生成pbso4(硫酸鉛),而硫酸中生成水。每個電池單元的特徵電壓大約為2伏,因此六個電池單元組合在一起構成了乙個12伏蓄電池。

鉛酸蓄電池有乙個很好的特性,即反應完全可逆。如果在適當的電壓下向電池充電,兩個極板上將再次生成鉛和二氧化鉛,從而可以不斷地重複使用蓄電池。在鋅碳電池中,由於很難使氫氣返回到電解液中,因此很難發生逆向反應。

在幾乎所有使用電池的裝置中,你都不可能一次僅使用乙個電池單元。通常需要將電池單元串聯在一起形成更高的電壓,或將其併聯在一起形成更高的電流。使用串聯結構可以增加電壓。

使用併聯結構可以增加電流。下圖顯示了這兩種結構:

如果假設每個電池單元生成1.5伏電壓,則四個併聯電池也將生成1.5伏電壓,但提供的電流卻為單個電池單元的四倍。

下面的結構稱為「串聯」結構。四個電壓加在一起將生成6伏電壓。通常情況下,當你購買電池包時,包裝上會顯示電池的額定電壓和額定電流,可以將額定的毫安時劃分為多種不同的形式,乙個500毫安時的電池可以在100小時內生成5毫安電流,在50小時內生成10毫安電流、在20小時內生成25毫安電流,或(在理論上)在1小時內生成500毫安電流,甚至在30分鐘內生成1,000毫安電流。

但電池並不具備如此高的線性。首先,所有電池都有乙個額定的最大電流——乙個500毫安時的電池無法在1秒內生成30,000毫安電流,原因是該電池的化學反應無法在如此短的時間內發生,並且在更高的電流強度下,電池會生成大量熱量,從而損失了某些能量。此外,在極低的電流強度下,許多化學電池的壽命可能會比預期的壽命長或短。

但在通常的使用範圍內,可以對額定毫安時進行一定程度的線性劃分。使用額定的毫安時,可以粗略估計電池在給定負載下的持續供電時間。

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