干电池的电学模型(精)
自组电位差计测干电池电动势-梁也凡
基础物理实验研究性报告自组电位差计测干电池电动势第一作者：软件学院梁也凡摘要：本研究性报告选取了基础物理实验A09中的必做实验——自组电位差计测干电池电动势作为深入研究的课题。
重点探讨自组电位差计的构造电路及实验原理（补偿原理）以及运用自组电位差计测电源电动势中实验误差的来源并进行了定量分析，还结合箱式电位差计测干电池电动势的实验一并讨论了两者的异同，最后尝试分析了提高该实验精度的可能性。
关键词：自组电位差计原理步骤详解误差分析实验目的：一：了解电位差计的结构，练习正确使用电位差计。
二：理解电位差计的工作原理－－补偿原理以及零元法。
三：培养电学实验的初步设计能力与分析能力。
四：熟悉指针式检流计的使用方法。
五：熟悉仪器误差限以及相关不确定度的计算。
实验原理：电源的电动势在数值上等于电源内部没有净电流通过时两极间的电压。
如果直接用电压表测量电源电动势，其实测量结果是端电压，而不是电动势。
因为将电压表并联到电源两端，就有电流通过电源的内部，由于电源有内阻，在电源内部不可避免地存在电位降，因而电压表的指示值只是电源的端电压（）的大小，它小于电源电动势。
显然，为了能够准确地测量电源的电动势，必须使通过电源的电流为零。
此时，电源的端电压才等于其电动势。
自组电位差计利用补偿原理以及零元法来使得通过电源的电流为零，从而能够比较准确地测得未知电源的电动势。
补偿原理：补偿原理就是利用一个电压或电动势去抵消另一个电压或电动势，其原理可用右图来说明 两个电源E 和E x 正极对正极，负极对负极，中间串联一个检流计G接成闭合回路。
如果要测电源E x 的电动势，可通过调节电源E ，使电路没有电流，此时两电源电动势相等，进而表明E x =E ，这时电路处于补偿状态。
若已知补偿状态下E 的大小，就可确定E x ，这种利用补偿原理测电位差的方法叫补偿法。
零元法：依次将辅助回路与补偿回路连接完毕，为确认补偿电路中没有电流通过（即达到完全补偿状态），应当在补偿回路中接入一个具有足够灵敏度的检流计G ，这种用检流计来判断电流是否为零的方法，称为零元法。
干电池原理及结构
干电池原理及结构
干电池是一种常见的电池类型，它是利用化学能转化为电能的装置。
干电池的
原理和结构对于我们理解它的工作原理和使用方式非常重要。
首先，让我们来了解一下干电池的结构。
干电池通常由一个外壳、正极、负极、电解质和隔膜组成。
外壳通常由金属或塑料制成，用来固定电池内部的结构并防止电解质泄漏。
正极和负极通常由不同的金属制成，它们之间通过电解质和隔膜相互隔离，以防止短路和电解质混合。
电解质是连接正负极的重要媒介，它能够让离子在正负极之间传递，从而产生电流。
接下来，让我们来了解一下干电池的工作原理。
当我们连接干电池的正负极时，化学反应就会发生。
在正极，金属会释放出电子，变成离子溶解在电解质中；而在负极，离子会接受电子，还原成金属。
这样，正负极之间就产生了电流。
同时，电解质和隔膜的存在保证了这一化学反应能够持续进行，从而保持了电池的电能输出。
干电池的原理和结构决定了它的一些特点和使用注意事项。
首先，干电池一般
不可充电，因为它的化学反应是一次性的，无法逆转。
其次，干电池的电压和容量会随着使用时间逐渐下降，最终耗尽。
因此，在使用干电池时，我们需要定期检查电池的电量，并及时更换。
另外，干电池在长时间不使用时，也会出现自放电现象，因此需要储存在干燥通风的地方，避免电解质泄漏和金属腐蚀。
总的来说，干电池是一种常见的化学能转化为电能的装置，它的原理和结构决
定了它的工作方式和使用特点。
了解干电池的原理和结构，有助于我们正确、安全地使用它，并且在需要时能够做出正确的维护和处理。
希望本文对您有所帮助，谢谢阅读！。
干电池工作原理解析
干电池工作原理解析引言概述：干电池是一种常见的电池类型，广泛应用于各种电子设备和日常生活中。
了解干电池的工作原理对于我们正确使用和维护电池具有重要意义。
本文将详细解析干电池的工作原理，包括电池结构、电化学反应、电流产生和电池寿命等方面。
一、电池结构1.1 电池外壳：干电池的外壳通常由金属材料制成，如锌、铁等。
外壳起到保护电池内部结构的作用，并且可以作为电池的负极。
1.2 正极材料：干电池的正极通常由二氧化锰等化学物质构成，它们具有良好的导电性和电化学反应性能。
1.3 负极材料：干电池的负极通常由锌等金属材料构成，锌具有良好的电化学反应性能，可以提供电子流动的通道。
二、电化学反应2.1 正极反应：在干电池中，正极材料（如二氧化锰）会与电解质发生化学反应，释放出氧气和金属离子。
这个反应是通过吸收电子来进行的。
2.2 负极反应：在干电池中，负极材料（如锌）会与电解质发生化学反应，释放出电子和金属离子。
这个反应是通过释放电子来进行的。
2.3 电解质：干电池中的电解质是指连接正负极的介质，通常是一种导电性能良好的溶液。
它在电化学反应中起到传递离子的作用。
三、电流产生3.1 电子流动：在干电池中，正极的化学反应会释放出电子，而负极的化学反应会接收这些电子。
这样，电子就会在电池内部形成一个电流。
3.2 电路连接：为了利用干电池产生的电流，我们需要将正负极连接到一个电路中，使电流能够流动。
这样，我们就可以给电子设备供电。
3.3 电流稳定性：干电池的电流产生是有限的，随着化学反应的进行，电池内部的化学物质逐渐消耗，电流会逐渐减小，直到电池无法继续供电。
四、电池寿命4.1 使用时间：干电池的寿命取决于其内部化学物质的消耗速度。
普通来说，干电池的使用时间在几个小时到几个月之间。
4.2 储存条件：干电池的寿命还受储存条件的影响。
如果干电池长期暴露在高温或者潮湿的环境中，化学反应会加速，导致电池寿命缩短。
4.3 回收与处理：干电池在使用完毕后需要正确回收和处理。
电池SOC／SOH
1.2 电池模型的研究现状对锂离子电池的建模有两种途径，一种是对电池进行大量的实验，积累实验数据，对采集到的数据进行模拟，总结得出锂离子电池的变化规律；另一种是对锂离子电池的微观行为进行研究，通过对微观行为的描述，借助计算机手段，建立具有理论基础的模型。
常用的电池模型主要有内阻模型，等效电路模型，遗传算法模型，神经网络模型以及电化学模型。
1.2.1 内阻模型内阻模型是最简单的电池模型，通常用来预测电池的容量[5]。
一般说来，电池容量随着电压和内阻变化。
由于电压在不同放电电流下会有不同的变化，研究者们就试图建立内阻与容量之间的关系。
然而内阻并非一个本征的数值，内阻模型需要大量的实验数据。
例如电池的最大容量在不同温度下的变化规律，电池输出端电压在不同电流倍率下的变化规律，电池内阻在不同温度下的变化规律。
根据实验得到的数据，根据电池使用环境的不同，依靠电池内阻来判定电池的容量，因此该模型更接近于一个数据库。
1.2.2 等效电路模型由于电池在电流的作用下会体现电阻以及电容的部分特征，v.Johsonl [6-7]等人提出可以用等效电路来建立电池模型，模拟电池的动态与静态性能。
基本的锂离子电池等效电路如图1所示，其中和分别代表电池的开路电压和输出o V V 电压，为电池内阻，并联电路模拟电池的外特性。
R 1R 1C oV 1C 1R RV 图1.1 电池等效电路模型1.2.3 遗传算法模型文献[8]研究了基于遗传算法的锂离子电池模型，一般情况下可以分析实验数据，求解方程等方法建立模型，模拟电池的特性。
但是由于电池内部的化学反应非常复杂，很难找到合适的函数来描述电池模型。
遗传算法计算方便，输出函数形式十分灵活，可以用来建立锂离子电池的模型。
1.2.4 神经网络模型Shen WX[9-10]等人研究了使用神经网络算法建立电池模型的可行性，建立了锂离子电池的模型，并且成功地预测电动汽车中电池的剩余电量。
K.T.Chau[11]将神经网络算法与模糊算法联合使用，取长补短，弥补两个算法各自的不足，用来估计锂离子电池的剩余容量，提高了单一算法的估计精度。
干电池介绍
电池常识及干电池选购前言：电池是指能将化学能、内能、光能、原子能等形式的能直接转化为电能的装置。
最早的电池我们可以追溯到两百年以前意大利物理学家伏打发明的伏打电池，它使人们第一次获得了比较稳定而持续的电流,具有划时代的意义。
在伏打电池原理和研发精神的指引下，人们通过不断努力，开发了一代又一代的新型电池，从人们普遍使用的干电池到新型的太阳能电池、锂聚合物电池（Li-polymer）和燃料电池等等，不仅在电池容量、体积、使用方便程度等方面有很大突破，更重要的是在这些新型电池的研发过程中，渗透着人们强烈的绿色环保意识，电池的开发、发展正以绿色环保作为重要的指导精神。
电池种类及特性依材质区分■碳锌电池Heavy Duty Battery亦称为锌锰电池，是目前最普遍之干电池，它有价格低廉和使用安全可靠的特点，基于环保因素的考量，由于仍含有镉之成份，因此必须回收，以免对地球环境造成破坏。
■碱性电池Alkaline Battery亦称为碱性干电池，适用于需放电量大及长时间使用。
电池内阻较低，因此产生之电流较一般锰电池为大，而环保型含汞量只有0.025%，无须回收。
■水银电池Silver Oxide Button Cell水银电池，因为污染和电容量之故线已逐渐被锂-锰配方取代■锂电池■镍镉充电电池Ni-Cd (Nickel Cadmium Battery)已为大众早期广泛使用，可重覆约500次之充放电，但约10次充放电后即会产生记忆效应；另一个缺点是，在充放电时，阴极会长出镉的针状结晶，有时会穿透分隔物而引起内部枝状晶体式的短路。
由于含有镉之成份，因此必须回收。
■镍氢充电电池Ni-MH (Nickel Metal Hyoride Battery)为目前市场主流之充电电池，它是使用氧化镍作为阳极，以及吸收了氢的金属合金作为阴极，一般可进行500次以上的充放电循环。
由于不含汞及镉之原料，不必回收。
■锂充电电池Rechargeable Lithium ion Battery■铅酸电池Sealed Lead-Acid Battery■太阳能电池在化学电池中，根据能否用充电方式恢复电池存储电能的特性，可以分为一次电池（也称原电池）和二次电池（又名蓄电池，俗称可充电电池，可以多次重复使用）两大类。
第二章 锌锰干电池
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2. 锌锰干电池的工作原理
二氧化锰阴极还原的控制步骤：
研究表明，在 MnO2 的阴极还原过程中国，初级过程 MnOOH 的生成反应即电化学反应的速度是较快的，而二次过程 M OOH 的转移速度相对是比较慢的，因此， MnOOH 的转移速度相对是比较慢的 因此 MnOOH M OOH 转移步骤 即次级过程是整个 MnO2 阴极还原的控制步骤。 在不同 pH H 的介质中水锰石的转移方式不同，因此相应的控 的介质中水锰石的转移方式不同 因此相应的控 制步骤也有所不同。在酸性溶液中水锰石的歧化反应是 MnO2 阴 极还原的控制步骤，在碱性溶液中质子的固相扩散过程是 MnO2 阴极还原的控制步骤，在中性水溶液中水锰石的歧化反应和质子 的固相扩散过程共同构成了 MnO2 阴极还原的控制步骤。
MnO
2
RT ln( M OH ) F
(2 3)
11
由该式可知，电池放电时，正极附近溶液中PH值增加，会导致 二氧化锰电极电位的下降。但是若对实验结果，图（ 2－1）进行分 析可知：利用（2－3）式进行计算，因PH值上升而引起的正极电位 的下降值还不到二氧化锰电极电位的总值的1/3。故可以说电解液PH 值的变化还不是引起二氧化锰电极电势下降的主要因素。进一步的研 究表明 电化学极化和电阻极化亦不是主要因素 而是产生了特殊的 究表明，电化学极化和电阻极化亦不是主要因素。而是产生了特殊的 二氧化锰放电机理—固相浓差极化（也叫电子-质子机理）。
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2. 锌锰干电池的工作原理
二. 负极的工作原理 干电池的电解质 PH=5。锌极开始放电时的电极反应为：
Zn 2e Zn
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2. 锌锰干电池的工作原理
双电层的形成
干电池的命名
干电池容量测定一、干电池的命名在国际标准中，干电池的命名由一下部分组成：表示电化学体系的字母+形状尺寸标号形状标号用字母R 、F 和S ，分别表示圆柱形、扁形和方形(矩形)；尺寸标号用数字表示，03、6、14、20分别对应我们常说的的7、5、2、1号电池，后者是中国的型号。
电化学体系比较复杂，我在下一节中细说。
二、常见的干电池种类这里所说的种类主要只电化学体系，都以R6也就是最常见的5号电池为例。
型号商品名 正极负极填充剂备注 R6酸性锌锰电池、碳性电池 MnO 2ZnZnCl/NH 4Cl末尾带字母分别表示：C 高容量/P 大功率/S 糊式LR6 碱性电池、碱性锌锰电池 MnO 2 Zn KOH/NaOH NR6 镍干电池 Ni(OH)/NiOOHZn KOH/NaOH FR6锂铁电池FeS 2Li非水有机溶剂/导电盐以上四种电池，我们采购到了前三种，并购买了多个品牌进行测试。
三、国家标准国家标准：GB/T 8897.1-2003和GB 8897.2-2005 测试的主要项目有：放电电阻Ω 放电方式 模拟情景 43 每天放电4小时 收音机10 每天放电1小时 磁带录音机和卡式放音机 3.9 每天放电1小时 电动马达、电动玩具 24 每分钟放电15s ，每天8h 遥控器 1000mA放电10s ，停放50s ，每天1h闪光灯由于测量方式限制，我们采用恒定电阻长时间放电，虽然和国家标准里的测试方法有差别，但也能从某些方面反映电池的性能。
四、实验方案采用恒定电阻为9.4Ω的电阻长时间不间断放电，电路非常简单：只需实时监控两侧的电压，记录时间点和电压值。
本实验利用LabJack 配合内置软件读取时间和电压，每0.02秒记录一次数据。
做出“电压—时间”图，求出曲线下面的面积S ，用S/R 就是在该放电条件下的电池实测电量。
R 测量电压五、实测结果Labjack的度数有噪音，我们可以从下图看到，红线是smooth以后的结果。
干货锂电池研究中的电导率测试分析方法
干货锂电池研究中的电导率测试分析方法导读：锂离子电池充放电过程中，电池极片内部存在锂离子和电子的传输，其中锂离子通过电极孔隙内填充的电解液传输，而电子主要通过固体颗粒，特别是导电剂组成的三维网络传导至活物质颗粒/电解液界面参与电极反应。
电子的传导特性对电池性能影响大，主要影响电池的倍率性能。
而电池极片中，影响电导率的主要因素包括箔基材与涂层的结合界面情况，导电剂分布状态，颗粒之间的接触状态等。
通过电池极片的电导率能够判断极片中微观结构的均匀性，预测电池的性能。
本文根据自己的经验和文献资料对电池极片的电导率测试方法进行简单总结，并列举极片电导率的部分影响因素。
01电导率测试方法1.1 测试装置的构建和电极选择最常规的测试装置将测试材料夹在两片测试电极之间，构成一个三明治结构，如图1 所示。
而对于薄膜材料，则必须设计合适的微电极，一般分为两种：三明治结构和面内电极结构（叉指电极、平行条状电极）。
图1 测试电极示意图构成测试装置的极片有 3 类，可逆电极（reversible electrode）、全阻塞电极（blocking electrode）和半阻塞电极（semi-blocking electrode）。
可逆电极和全阻塞电极对应于传统电化学中交换电流很大的理想不极化电极和交换电流接近于零的理想极化电极，半阻塞电极常用于混合导体中离子电导率和电子电导率的区分。
利用这些电极可以组成不同类型的测试装置，以满足不同导电特性材料的不同测试需要。
不同类型电极的特点列于表1。
表1 不同电极类型及特点1.2 离子电导率和电子电导率的测试方法3 种测试离子电导率和电子电导率的电极构筑方式。
BUSCHMANN 等分别用金属锂可逆电极和Au 离子阻塞电极作为测试电极进行交流阻抗谱测试[图2(a)]，得到材料的离子电导率和电子电导率之和；图2(b)用金属锂作为测试电极（170 ℃退火处理，保证测试电极和测试材料之间的良好接触）进行四电极直流法测试，得到总电导率和交流阻抗谱的结果基本一致；图2(c)一侧用Au电极，一侧用金属锂电极，通过Hebb-Wagner 直流极化，混合离子和电子的高瞬态电流很快下降，并最终达到稳定的电子电流，从而确定电子和空穴的电导率；之后，由交流阻抗谱得到的总电导率和直流极化法得到的电子电导率，用迁移数的定义计算电子迁移数。
神奇的干电池——幼儿园实验教案设计
神奇的干电池——幼儿园实验教案设计幼儿期是人类认识世界的重要时期，通过有趣的实验活动，可以增强幼儿的手能力、观察能力和探究精神，这不仅可以激发幼儿的兴趣，而且可以在玩乐中提高幼儿的学习成绩。
作为一种普遍应用在生活中的电池，许多幼儿都很熟悉干电池，但很少有人知道干电池为什么能发出电流并为我们提供电能。
因此，幼儿园的老师应该通过实验来让幼儿更好地了解干电池。
实验目的：通过干电池实验让幼儿了解干电池的基本原理，学习电池与电路的相关知识，提高幼儿动手能力、观察能力、探究精神，培养幼儿积极、主动、乐观和创造性思维。
实验步骤：1.实验材料：铜箔、镁条、石墨电极、白醋、铁丝、指南针、灯泡、开关、卡纸等。
2.制作“干电池”：取两根铜箔和一根镁条，分别插入一部分铁丝中，重合并固定，然后将其浸泡在白醋中几分钟，取出后晾干。
使用卡纸夹在铜箔和镁条之间，使其分离并且与周围空气隔开，即可制成一个石墨电极和镁条的干电池。
3.制作基本电路：将制作好的“干电池”与灯泡连接，再加上开关和铁丝等，就可以制作出一个基本电路。
4.使用指南针观察电路运作：将指南针放在电路周围，在打开开关之前记录指南针的指向，然后打开开关，观察指南针的指向变化，进行简单分析说明。
实验分析：干电池的基本原理是利用镁作为负极，铜箔作为正极，白醋（稀醋）发挥腐蚀作用，形成一种化学反应，从而产生电流，为电器提供电量。
当镁和铜箔相连后，因为反应方式不同，负电荷会从铜箔移动到镁中，形成电流流动。
与此同时，石墨棒和卡纸之间的空气可以起到隔离分界的作用。
通过制作电路并进行指南针实验，幼儿们可以体验到电路电流的产生和导体的磁场作用。
当电路关闭时，指南针的指向不随电流而改变；而当开关关闭时，指南针的指向受电流的影响而改变。
因此，幼儿园的老师可以询问幼儿们的发现和想法，并引导幼儿通过简单分析得出电流的原理，这可以在培养幼儿“观察能力”的同时，增加幼儿的“探究精神”。
实验注意事项：1.幼儿应该根据实验要求着装，类似实验室服的衣服是不错的选择。
干电池原理搞清楚：幼儿园教案设计
干电池原理搞清楚：幼儿园教案设计导言：干电池是我们日常生活中使用最为频繁的电类型之一，它具有使用简单、便携等特点，广泛应用于各个领域。
在幼儿园阶段，对于干电池的认知与了解，不仅可以帮助孩子们更好地了解科技领域，还能为他们日后的学习与生活带来益处。
本文将介绍干电池的原理和幼儿园教案设计，帮助教师们更好地授课和引导孩子们的学习。
一、干电池的原理干电池是一种常见的直流电池，由氧化锌、二氧化锰、黏土和铜等材料制成，它主要由负极、正极和隔膜三部分组成。
（一）负极干电池的负极是由氧化锌构成的，它是干电池中的活性物质，以一定的比例加入到电解液中。
在干电池正常工作的时候，氧化锌会向外释放出电子，经过电路产生电势差。
（二）正极干电池的正极由二氧化锰构成，二氧化锰是一种高活性物种。
当氧化锌释放电子到负极柱时，二氧化锰便会接受这些电子，将它们作为还原电子来固定在自己的表面上。
（三）隔膜干电池的隔膜具有隔离正负电极施工的作用，它由黏土材料制成，可以通过微孔和通道让电解液在电池中流动。
二、幼儿园教案设计在幼儿园教学中，干电池的原理和使用应用可以分别作为两个不同的教学内容来展开。
下面是两个相关教学的具体设计方案：（一）干电池原理的教学1.目标：了解干电池的构造和原理。
2.方法：小组互动讨论与图示解释相结合。
具体教学:老师辅助每组孩子们进行讨论，引导孩子们用语言讲述干电池的结构和工作原理，再辅以图示讲解，帮助孩子们更加形象和直观地理解干电池的构成和原理。
（二）干电池的使用和应用1.目标：了解干电池的使用方式并能使用干电池构建电路。
2.方法：现场使用实验和合作相互配合。
具体教学：老师准备电池、电视遥控器、闹钟等物品，现场进行实验展示，让孩子们了解干电池的应用，讲解如何使用电池进行变化后，老师给每个小组准备小轮车模型，让孩子们自己搭建出简单的电路，并通过小车运行了解了电流的概念和电路的基本构成元素。
总结：对于幼儿园阶段的孩子们来说，通过对干电池原理和使用的了解，能培养他们的科学创造性思维和学习动机。
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U
r V
通过测量外电路中的电学量，用串联电路规律和欧姆 定律计算干电池的内电阻。
（3）提示： 电路中的理想电源U 和内阻r 都是不可直接测量的未 知量，要研究的问题中包含两个未知数，求解需要列两个 方程。
U
r V
应如何设计实验步骤，取得所需要的两组数据？
电流表有较小的电阻；
电压表有较大的电阻
……
表有内阻： A Rx V
RA
A
Rx
V
RA RV
A
Rx
RV
A
Rx
V
V
5. 如何测量干电池的内电阻？
r
U
r
U
V
V
（1） 不能用电压表直接测量干电池的理想电源的电压 和内电阻两端电压：
（2）解决方案 将电路看作理想电源U和内阻r 、灯泡L 连成的串联 电路。
1. 建立电学模型方法：
对现象进行归纳 抽象 简化
2. 干电池的电学模型：
有内阻
理想电源+内电阻
3. 电路中的电池模型：
U r
U
r V
V
4. 理想电路和实际电路 ：
理想电路
电源电压保持不变； 灯丝电阻不随温度改变；
实际电路
电源有内阻，电压有变化；
导体电阻随温度变化；
导线有电阻；
导线电阻不计；
电流表相当于导线； 电压表相当于断路 ……