日常生活离不开电池,电池最重要的参数是电动势。每种电池都有一个固定的电动势,锌锰干电池是1.5伏,镍镉纽扣电池是1.2伏,锂离子手机电池是3.6伏,铅酸蓄电池单节2伏。
用多用表可以方便的粗略测量电池的电动势。电池的包装上也都会标注电动势,它是一个很靠谱的重要参数。
电池的第二个参数是电池的容量,也就是电池能够输出的总电荷量。在可充电电池的标签上也有标注。注意它的单位是毫安小时。因为电量等于电流乘以时间,通常习惯用恒定的放电电流与放电时间的乘积来表示。这个参数不太可靠,因为它是在温度和工作方式有严格要求的情况下的理论数据,实际使用锂电池时,电池的输出电压会随时间逐渐降低,低于截止电压时,为了保护电池,就停止放电了。那么为什么电池的输出电压会随时间降低呢?原因就是电池的第三个参数:电池的内电阻。
一般来说,电池是由两种不同活泼性的电极材料和电解质溶液组成,电池的正极与负极自发的发生氧化和还原反应,在外电路上发生有序的电子转移形成电流,在电池内部,电极材料、电解质溶液、隔离膜等对离子运动的阻碍,加上电极的极化形成了电池的内电阻。
我们可以设计这样一个电路,通过测量外电路的电压、电流来测算电池的内电阻,按照电路图,连接好电路,检查没有错误后,我们可以开始实验采集数据。将外电阻调到最大,闭合开关,迅速读出电压、电流对应的数据后打开开关;再逐步减小外电阻,闭合开关,读取另一组数据。注意,实验中外电阻不能太小,开关也不要长时间闭合,引起电池发热,导致内阻增大。
通过我们采集的多组数据,在坐标中画出电池的伏安特性图线,用直线来拟合这些数据,直线的纵截距就是电池的电动势,横截距就是短路电流,直线与横坐标轴夹角的正切值就是电池此时的内电阻了。