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伏打电池原理、正负极及特性介绍

519 2022-06-02 来源: IC先生 作者: IC先生

随着各种新型消费电子设备、电动汽车、可再生能源存储需求、太空和军事应用的发明,如今的电池电力作为食物被消耗。如果环顾生活四周,会发现几乎所有设备中都隐藏着一堆电池,挂钟、手机、笔记本电脑、手表、计算器、逆变器、吹风机、修剪器、玩具等等。

当代生活中离不开电池,而电池的种类也是多种多样,为咱们生活带来极大便利,例如蓄电池、原电池、干电池、太阳电池得等。但不管怎么划分,它们的使用原理都离不开世界上第一块电池——伏打电池

伏打电池也叫做伏打电堆,是意大利物理学家亚历山德罗·伏打(电压单位伏特即是以他名命名的)于1800年发明。本文就伏打电池原理、正负极及特性进行简单的介绍。

简单的伏打电池

一个简单的伏打电池是通过将一块锌板和一块铜板浸入水稀释的硫酸溶液中制成的,如下图所示,如果铜板和锌板外接有电负载,则电流开始通过负载从铜板流向锌板。这意味着铜板和锌板之间会产生一些电位差。当电流从铜流向锌时,很明显铜板带正电,锌板带负电。

简单的伏打电池

伏打电池工作原理

伏打电池的工作过程取决于以下原理,每当两种不同的金属浸入电解质溶液中时,活性较高的金属将倾向于溶解在电解质中作为正金属离子,将电子留在金属板上。这种现象使反应性更强的金属板带负电。

伏打电池工作原理

活性较低的金属会吸引电解质中存在的正离子,因此这些正离子会沉积在板上,使板带正电。在这个简单的伏打电池的例子中,锌作为正离子从硫酸溶液中出来,然后与溶液中的负SO4 - -离子反应形成硫酸锌(ZnSO4)。由于铜是较不活泼的金属,硫酸溶液的正氢离子有沉积在铜板上的趋势。更多的锌离子出现在溶液中意味着更多的电子留在锌板中,然后这些电子通过连接在锌板和铜板之间的外部导体。

在到达铜板上时,这些电子与沉积在板上的氢原子结合并形成中性氢原子。然后这些原子成对结合形成氢气分子,气体最后以氢气气泡的形式沿着铜板上升。伏打电池内部发生的化学作用如下:

伏打电池化学反应

然而,当锌和稀硫酸之间的接触电势达到0.62伏特时,该作用停止。在伏打电池运行期间,锌酸盐相对于与其相邻的溶液膜处于较低的电位,如下图所示:

伏打电池的特点

类似地,当铜板与电解液接触时,溶液中的正氢离子倾向于沉积在其上,直到其电位上升到溶液上方接近0.46伏特。因此,伏打电池中产生的电势差为0.62 - (- 0.46) = 1.08伏特。

简单伏打电池的缺点

在简单的伏打电池中,主要有两个缺点,称之为极化和局部作用。

1、伏打电池的极化

据观察,在伏打电池中,电流逐渐减小,并且在其运行一定时间后,电流可能完全停止,电流的这种降低是由于铜板上的氢沉积。虽然氢气以气泡的形式从电池中排出,但在极板表面仍会形成一层薄薄的氢气。该层起到电绝缘的作用,从而增加了电池的内阻。由于这个绝缘层,更多的氢离子不能从铜板上获得电子并以离子形式沉积。铜板上的这层正氢离子对接近铜板的其他氢离子施加排斥力。因此电流减小,这种现象被称为极化。

2、伏打电池的局部作用

通过试验发现,即使在伏打电池不提供任何电流的情况下,锌也会不断地溶解在电解液中。这是因为商业锌中的一些微量杂质如铁和铅会形成微小的局部短路,从而导致锌降解,也就是会浪费一些锌,这种现象被称为局部作用。

总结

尽管简单的伏打电池致命缺点电池寿命短(最多一个小时),但伏打电池提供了比莱顿罐更稳定的电流,并且使许多新的实验和发现成为可能,同时为现代各类型电池技术实现奠定了基础。

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