電池

人們最初由物體間的摩擦 發現了能夠產生『靜電』。
十七世紀末時,人們發現將 玻璃瓶內外貼上兩不相接金屬片,
    可以儲存產生的電荷,也就是所謂的 來頓瓶。

人們發現儲存的電荷會『電』人體,於是開始以其他動物當實驗品。
1780年時 義大利 Luigi Galvani 發現以不同金屬觸及死去的青蛙時,
    青蛙會 抖動。他認為發現了新的電源—動物電。
另一位義大利人 Volta 則認為 電的來源不是青蛙,
    是不同的金屬接觸所造成,青蛙只是讓我們知道電流通過的『電流計』而已。

由於體認到 舌頭很靈敏,於是將自己的舌頭取代青蛙,
    將兩不同金屬接觸於舌頭兩端,果真感覺由電流流過。
    而且只要金屬一直接觸,則電流會源源不絕的產生。
    (他當時使用 錫和金或銀,但是用鋁和銀效果將更好)。
 



上圖是 伏打 Volta 所自製的 乾式電池單元。
 很多個單元串接一堆後 便形成 所謂的 伏打堆
(如下左圖)。

伏打所製作的 濕式電池,將兩不同金屬置於電解液中。
是現代汽車電池的前身。



電池的工作原理:

    當兩種不同的金屬浸於 電解液中時,便形成一個電池。
        儲存於原子間的化學能 藉由化學反應 轉換為電能。
    在右上圖中:
        硫酸 H2SO4會腐蝕 銅電極,於是銅離子 Cu++會溶入電解液中。
            形成 帶負電的 銅電極 。
        但是 鋅 Zn 比 銅 Cu 更容易腐蝕(溶入更大量的 Zn++)。
            留下帶更多負電的 鋅電極。
        銅電極的電位比電解液H2SO4 低,但是 鋅電極 電位更低很多。
    於是銅與鋅 兩電極間形成電位差。

下表是解離不同金屬所需的電位差(於25℃時)。正負號標示相對於 氫的電位。

元素
電位V -3.0 -2.9 -2.7 -1.7 -0.76 -0.44 -0.14 -0.13 +0.34 +0.80 +0.80 +1.2 +1.3
由上表知 銅的電位是 +0.34V 而鋅的電位是 -0.76V
    於是 銅—鋅 兩電極間所能輸出的最大的電壓便是 +1.1V。
    當沒有電流輸出時 兩電極間的電位差 稱為 兩電極間的電動勢 electromotive force.
        (英文名稱易造成誤解,電動勢並不是『力』)。



 動動手試試看 :

 1. 將 鋅和銅片放置於 鹽水中,當輸出電流約 0.7mA時, 實際輸出電壓約 0.6V。
    若是加些醋 可使得電壓增至約 0.9V(讓更多離子 溶入 電解液中)。
    不妨找個小喇叭,將銅條接於喇叭一端,當鋅片碰觸喇叭另一端時 會發出聲音。
            斷斷續續的接觸,試試看!
2. 將鉛筆插入 檸檬中,同時插入表面鍍 鋅的鐵釘,將可產生約 0.7V (0.5mA)的輸出。
    試試 迴紋針 ,改換 葡萄柚 甚至 酸的泡菜。



電池所採用的元素 決定輸出的電壓,電池的大小則決定輸出的最大電流。
    一般的乾電池的電動勢約 1.5V,水銀電池電動勢約1.4V,一組鉛蓄電池則輸出電動勢為2.0V。
    可以將多組的電池串接以獲得更高的輸出電壓。
 

乾電池
水銀電池

通常 1.5V AA型的電池 能提供 0.6A-hr(安培-小時),D型電池約 3A-hr的輸出。
    也就是D型電池若提供0.3A電流 則約可連續使用 10小時,
    若輸出為 0.1A則可用 30小時。
    但是不可能於 0.01小時內,輸出 300A的電流。
電池不容易在很短時間內提供電荷。
    (電容則容易於短時間內提供電荷,但是卻不容易提供大量電荷)。
由於電池容易產生氫離子,當過量時會形成極化效應 polarization(產生電場)
    不利於電荷的流動。現今的乾電池多加上氧化物以降低 氫離子的濃度。
電池放電的速度取決於 解除極化效應的反應,消除一直產生的氫離子。

是否注意到連續使用的手電筒, 關掉休息一下子後 打開瞬間會更亮。
水銀電池本身具有較良好去除極化效應的能力,因此適用於長時期使用的工具。

汽車用的電池儲存的能量約 0.5kW-hr, 大概可提供 40A-hr的能力(輸出 12V)。

相關網頁: 乾電池的並聯


物理教學示範實驗教室

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作者:國立台灣師範大學物理系 黃福坤
最後修訂時間: 10/13/98 15:05:28 since 2011/06/20