电池工作原理

电池的工作原理

电池，有两个端子。一个端子标记为（+）（正极），另一个端子标记为（-）（负极）。在AA型、C型或D型电池（普通的手电筒电池）中，电池的两端便是端子。在大型的汽车蓄电池中，有两个较重的极柱用作端子。电子聚集在电池的负极端子，如果在负极端子和正极端子之间连接一根金属线，电子便会从负极端子迅速流向正极端子（并且会瞬间击坏电池——这种情况通常比较危险，尤其对于大型电池更是如此，因此切勿执行此操作）。

电池内部的化学反应可生成电子，两个端子之间流动的电子数量取决于此化学反应生成电子的速度（电池的内部电阻）。电子从电池流入金属线，并且必须从负极端子流向正极端子才会发生化学反应。这就是电池在闲置一年以后仍具有大量能量的原因——除非电子从负极端子流向正极端子，否则将不会发生化学反应。当连接金属线后，将开始发生化学反应。

下面开始讲解

其实要了解用于制作电池的电化学反应，可以轻松地在家进行实验。要准确地进行这些实验，需要在当地的电子市场或硬件商店购买一个廉价的伏特-欧姆表。确保伏特-欧姆表可以显示低电压（位于1伏范围内）和低电流（位于5至10毫安范围内）。

首先，可以使用硬币和纸板自制一个伏打电堆。将盐与水混合在一起（尽量达到饱和），并将纸板浸入盐水中。然后将一美分硬币和五美分硬币交替堆叠在一起，查看电堆生成的电压和电流读数是多少。改变电堆的层数，并查看它对电压的影响。节日尝试交替堆叠一美分硬币和十美分硬币，并查看结果如何。也可以交替堆叠十美分硬币和五美分硬币。还可以尝试使用的其他金属包括铝箔和钢，而每个金属组合都会生成略微不同的电压。

另一个可以尝试的实验需要使用婴儿食品罐（如果你的家里没有婴儿，只需在商场购买几个婴儿食品罐，然后将其中的食品全部倒出即可）、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。可以尝试使用镀锌钉和普通的铁钉。然后将伏特表与钉子和铜线连接在一起，测量电压和电流。将柠檬汁替换为盐水，并使用其他硬币和金属，可以查看其对于电压和电流的影响。

你可以制作的最简单的电池或许称作锌碳电池。通过了解该电池内部发生的化学反应，你可以对电池的基本工作原理有所了解。假设有一瓶硫酸（H2SO4），将锌棒放入其中后，硫酸会立即将锌棒溶解。随后会看到锌棒上生成了氢气气泡，此时锌棒和硫酸将开始变热。下面介绍了所发生的化学反应：

●硫酸分子离解为三个离子：两个H+离子和一个SO4--离子。

●锌棒表面上的锌原子失去两个电子（2e-），变为Zn++离子。

●Zn++离子与SO4--离子结合生成ZnSO4，后者溶解于硫酸。

●锌原子失去的电子与硫酸中的氢离子结合生成H2分子（氢气）。因此我们看到锌棒

上产生了氢气泡。

如果此时将一根碳棒放入硫酸中，则硫酸与碳棒之间不会发生任何反应。但如果在锌棒与碳棒之间连接一根金属线，则将发生两个变化：电子流经金属线并与碳棒上的氢结合，因此碳棒上开始产生氢气泡。

热量已经减少。可以使用流经金属线的电子为电灯泡或相似负载供电，并可以测量金属线的电压和电流，而某些热能已转化为电子移动。

1)电子流经金属线并与碳棒上的氢结合，因此碳棒上开始产生氢气泡。

2)热量已经减少。可以使用流经金属线的电子为电灯泡或相似负载供电，并可以测量

金属线的电压和电流，而某些热能已转化为电子移动。

而电子很难移动到碳棒，因为它们更容易与碳棒上的氢结合。该电池将产生0.76伏的特征电压。最终，锌棒将完全溶解，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生相同类型的电化学反应，从而导致电子从一极移动到另一极。电池的电压取决于实际使用的金属和电解液——每个不同的反应都具有一个特征电压。例如，下面介绍了汽车铅酸蓄电池的某个电池单元中发生的电化学反应：

a)该电池单元有两个极板，一个是铅极板，另一个是二氧化铅极板，两个极板浸泡在

强硫酸电解液中。

b)铅与SO4结合生成PbSO4和一个电子。

c)二氧化铅、氢离子和SO4离子以及铅极板中的电子在二氧化铅极板上生成PbSO4和

水。

d)电池放电时，两个极板上均生成PbSO4（硫酸铅），而硫酸中生成水。每个电池单元

的特征电压大约为2伏，因此六个电池单元组合在一起构成了一个12伏蓄电池。

铅酸蓄电池有一个很好的特性，即反应完全可逆。如果在适当的电压下向电池充电，两个极板上将再次生成铅和二氧化铅，从而可以不断地重复使用蓄电池。在锌碳电池中，由于很难使氢气返回到电解液中，因此很难发生逆向反应。

在几乎所有使用电池的设备中，你都不可能一次仅使用一个电池单元。通常需要将电池单元串联在一起形成更高的电压，或将其并联在一起形成更高的电流。使用串联结构可以增加电压。使用并联结构可以增加电流。下图显示了这两种结构：

上面的结构称为“并联”结构

如果假设每个电池单元生成1.5伏电压，则四个并联电池也将生成1.5伏电压，但提供的电流却为单个电池单元的四倍。下面的结构称为“串联”结构。四个电压加在一起将生成6伏电压。通常情况下，当你购买电池包时，包装上会显示电池的额定电压和额定电流，可以将额定的毫安时划分为多种不同的形式，一个500毫安时的电池可以在100小时内生成5毫安电流，在50小时内生成10毫安电流、在20小时内生成25毫安电流，或（在理论上）在1小时内生成500毫安电流，甚至在30分钟内生成1,000毫安电流。

但电池并不具备如此高的线性。首先，所有电池都有一个额定的最大电流——一个500毫安时的电池无法在1秒内生成30,000毫安电流，原因是该电池的化学反应无法在如此短的时间内发生，并且在更高的电流强度下，电池会生成大量热量，从而损失了某些能量。此外，在极低的电流强度下，许多化学电池的寿命可能会比预期的寿命长或短。但在通常的使用范围内，可以对额定毫安时进行一定程度的线性划分。使用额定的毫安时，可以粗略估计电池在给定负载下的持续供电时间。

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