双电层电容的测量

吴 坤,李飞飞,陈 平

(南开大学物理科学学院,天津300071)

双电层电容的测量

吴 坤,李飞飞,陈 平

(南开大学物理科学学院,天津300071)

根据南开大学基础物理实验教学中心的教学与设备状况,开设了设计性实验“双电层电容的测量”.本文包括实验原理、实验设计和数据处理,得到双电层电容的基本现象.

双电层电容;电解质;锁相放大器

1 引 言

综合性、设计性实验的开设,是深化实验教学改革、提高实验教学质量的重要措施,是培养学生综合运用知识能力和创新精神与实践能力的重要实践环节,是培养应用型人才和提高教学质量的重要手段,是实现素质教育的良好途径,是深化实验教学改革,提高实验教学质量,改革实验教学模式,适应人才培养需要的重要举措,是实验教学内容不可缺少的类型.各个高校对开设综合性、设计性实验进行了积极的探索并予以实施,有力地推动了高等学校实验教学改革[1].

从操作层面上看,实验教学必须遵循教学原则和教学规律,在开发设计性实验时应考虑学校的实际条件、学生的接受能力和心理特点.有时虽然某一实验的物理思想很新颖,但超出了学生的知识水平,或者花费较大或者存在安全隐患,也就没没有了教学价值.设计性实验的选题应紧紧围绕学生的综合能力、设计能力及创新意识培养这一目标,注意与课程设计、课外科技活动、实验教学改革协调一致,在不偏离课程教学大纲(实验教学大纲)的同时又能兼顾科学发展现状与趋势[2].

根据基础物理实验教学中心的的教学与设备状况,结合南开大学“百项工程”尝试了设计性实验“双电层电容的测量”.

2 双电层电容的理论与现状

双电层电容器[3]是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器.如果在电解液中同时插入2个电极,并在其间施加一小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,电解质溶液中的电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,并分别在2个电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层.所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离小得多,因而具有比普通电容器更大的容量.双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,可在无负载电阻情况下直接充电.

电化学电容具有优良的脉冲充放电性能以及传统物理电容所不具有的大容量储能性能,因而在高能脉冲激光器中的应用已经引起了人们的广泛注意.同时,因其存储能量大,质量轻,可多次充放电而被人们用作计算机系统的备用电源.随着环保型电动汽车研究的兴起,电化学电容与铅酸电池及其他电池配合使用,组成复合电源系统,用于电动汽车的启动和刹车系统.电化学电容器在电动汽车启动和爬坡时快速提供大功率电流;在正常行驶时由蓄电池快速充电;在刹车时快速储存发电机产生的瞬间大电流.这可以降低电动车辆对蓄电池大功率放电的限制要求,大大延长蓄电池循环使用寿命,提高电动汽车的实用性.

3 实验设计

电容的测量是当前大学物理电磁学实验教学中的一个较为基础和普遍的内容,一般有 RC稳态电路、RC暂态过程、交流桥实验等[4].待测样品一般为购置的商用电容,存在着内容简单单调、实验结果已知等缺点.

选取“双电层电容”作为一个设计性实验题目是基于以下几点原因:a.所需设备为通用设备,容易获得和替代;b.待测样品简单廉价,只需要金属电极和电解质溶液;c.结合了实际应用与前沿的内容;d.实验结果较为复杂,没有完整的解释与结论;e.实验内容可多可少,弹性较大;f.实验安全,所用电压不超过1 V,设备也不易损坏,可放心让学生实验.

3.1 实验方案的选择

教师让学生自己决定实验方案.学生根据所学知识提出用充放电法测量静态电容,用交流桥与RC回路测量动态电容.电极采用不同大小的铜片,电解质溶液选取了NaCl与NaOH水溶液(没有选择强酸溶液以免腐蚀铜片).教师本不同意学生用强碱溶液作为电解质的方案,担心烧伤.有学生表示曾选修过化学实验,保证不会出现安全问题.经考虑,教师同意采用NaOH水溶液,但提醒:不要用玻璃器皿以免腐蚀;用酸中和后方可倒入废液缸.

3.2 实验设备

利用实验室已有设备,同学们准备了Agilent 54622A数字存储示波器、Signalrecovery 7265锁相放大器、keithley2000数字万用表、南京盛普科技的F05信号发生器、交流电阻箱、可变电容箱、直流稳压电源、电子天平、烧杯、塑料杯、导线、开关等(红色为了指明设备型号).设备中包括一些较为贵重的进口设备,但只是因为已有的原因,完全可以用较为便宜的设备代替,对整体实验没有影响.

3.3 实验过程

实验采用了 RC暂态电路、RC稳态电路、交流电容桥,电路见图1～3.

图1 RC暂态电路

图2 RC稳态电路

图3 交流电容桥

用电子天平测量定量蒸馏水作为溶剂,各种质量的无碘食盐和NaCl作为溶质,配置0.001～0.1 mol/L各浓度的NaCl与NaOH溶液.将铜片裁成不同大小浸入溶液作为电极.

3.4 实验结果

交流电容桥很难调平衡,故放弃了此实验方法.以下实验数据由 RC暂态电路和RC稳态电路给出.

图4是对电容充电的 I-t和V-t曲线,所用溶液为1 mol/L的 NaCl溶液,铜片大小分别为13.1 cm2,19.4 cm2,充电过程未串联电阻.由积分可得出电容储能大于300 J.

图5是在10 k Hz下不同溶液浓度中双电层电容的电容值.很明显,电容值随溶液浓度增加而增大.

图4 电容充电曲线

图5 电容值与溶液浓度的关系

4 结束语

学生自己配置溶液,制作电极,分别用RC暂态电路和RC稳态电路对双电层电容进行了测量,得出了电容的储能值以及电容与溶液浓度间的数值关系.通过实验,学生们熟悉了锁相放大器、示波器等仪器的使用,对实验结果进行了一定处理和分析,增强了解决实验问题的能力.当然还有许多不足.例如:没有对原理与机制深入分析,实验数据单薄,等等.而这也正是研究性实验的特点,让不同的学生可以做出不同的内容,发现不同的问题,避免了简单的重复.

[1]黄永莲,赵莉.综合性、设计性实验教学探索[J].实验教学与仪器,2008,(5):19-21.

[2]宋卫星.设计性实验教学过程规范化的思考与探索[J].实验技术与管理,2009,26(7):125-130.

[3]王晓峰,解晶莹,礼祥华,等.“超电容”电化学电容器研究进展[J].电源技术,2001,25(增):166-170.

[4]刘少杰,于健.大学基础物理实验(电磁学分册).天津:南开大学出版社,2008.

[责任编辑:郭 伟]

Measuring double-layer capacitance

WU Kun,L IFei-fei,CHEN Ping
(Institute of Physics,Nankai University,Tianjin 300071,China)

Acco rding to the condition of Fundamental Physics Experiment Teaching Center of Nankan University,the experiment of measurement of double-layer capacitance was designed.The experimental p rincip le,design,basic phenomenon and data p rocessing were introduced.

double-layer capacitance;electrolyte;lock-in amp lifier

G642.423

A

1005-4642(2011)01-0043-03

“第6届全国高等院校物理实验教学研讨会”论文

2010-04-08

国家基础科学人才培养基金(南开大学物理学基地)(No.J0730315)

吴 坤(1990-),男,安徽滁州人,南开大学物理科学学院2006级本科生.

指导教师:李飞飞(1976-),男,河北昌黎人,南开大学物理科学学院副研究员,博士,从事凝聚态物理方面研究.