化学电池电动势及内外电压的实验研究

彭 丽 黄绍书(贵州省黔西第一中学 贵州 黔西 551500)岳国联(六盘水市第三中学 贵州 六盘水 553000)朱丽霞(毕节市民族中学 贵州 毕节 551700)

电动势是衡量非静电力在电源内部移动电荷做功本领的物理量，闭合电路欧姆定律是普通高中物理课程的重要内容，不同版本的高中物理教材[1～4]编写这部分内容时通常都以化学电池作为电源.然而，教学中我们发现，对于化学电池电动势及内外电压的理解是比较困难的.我们结合闭合电路欧姆定律，用可调内电阻化学电池设计了一个探究性实验，以期释惑教学中的疑难问题.

1 实验装置

实验器材：J2365型可调内电阻稀硫酸电池1个(正极A和负极B的附近分别有1根探针D和探针C)，J0408型电压表(-1 V～0～3 V)4只，普通电阻箱1只，开关1只.

实验过程中各有关电压的测量电路如图1所示，相应的电路图如图2所示.

图1 各电极各探针相互间电压测量电路实物图

图2 各电极各探针相互间电压测量电路图

2 实验现象

通过调节电阻箱接入电路的电阻，可测出不同电阻情况下电池正负极之间、两根探针之间以及电池正极或负极与相应附近的探针之间电压值，表1和表2分别记录了电池充电达到饱和状态和未达到饱和即非饱和状态下的实验过程中各电压表的5组测量数据.

表1和表2中的实验数据有两个特点：

采用自制的稀硫酸电池及自制的稀盐酸电池分别进行实验，其测量数据同样具有相同的特点.

表2 电池非饱和状态下正负极与探针的各区间电压

3 实验分析

化学电池的基本原理[5,6]就是在两电极位置发生的化学反应.在化学反应过程中将产生大量正负离子，由于静电吸引和扩散的双重作用，使得在电池两电极及其附近(探针)形成带异种电荷的两个稳定的双电层.这两个双电层将电池内部的两电极之间分成了3个区域，且各个区域的两端之间都具有一定的电势差.

3.1 电场分布与电势

根据实验装置可将整个闭合电路分为2个部分4个区域，即外电路的A-B区域，内电路的B-C区域、C-D区域及D-A区域.从表1和表2的实验数据分析不难得出，电池各电极及各探针的电势的高低情况满足φA>φC>φD>φB，这一关系可形象地用如图3所示的图形表示.分析表1和表2的实验数据，还可得出如图4所示的各区域电场分布的大致情况.

图3 电极探针电势

图4 各区域电场分布

3.2 做功与电势变化及能量转化

化学电池工作过程中，非静电力即由在两电极位置发生的化学反应提供.结合表1实验数据和图4所示的电场分布分析，化学电池的非静电力的作用范围显然仅是两电极及其附近(探针)的两个双电层区域，且不难理解化学电池闭合电路工作过程中电场力与非静电力的做功情况.表3列出了各区域在工作过程中电场力和非静电力及电阻力(电阻效应产生的阻力)做功与电势变化及能量转化的关系.

表3 电场力、电阻力和非静电力做功与电势变化及能量转化的关系

3.3 内电压外电压电动势

另外，从表1和表2中还可看出，电池在充电达到饱和的状态下，电动势是很稳定的；而电池在充电未达到饱和即非饱和的状态下，电动势很不稳定.

4 两点说明

(1)不同电源提供非静电力的渠道不同，化学电池的非静电力由电池内部的化学物质与电极之间发生的化学反应提供.

(2)干电池等其他化学电池，由于其结构有别于可调内电阻化学电池，其内电压和电动势均不能直接测量.