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如何測量普通幹電池的電量?

2014-02-13科學

這個問題的回答需要先建立幾個基本概念。

第一個概念:什麽叫做原電池

關於原電池,可以看我的貼文:

電池的正負極聚集了大量的正負電荷嗎? - Patrick Zhang的回答 - 知乎

第二個概念:原電池的定量分析方法和能斯特方程式式

從貼文中我們看到,原電池的兩個極板必須浸泡在電解液中。原電池的每一個極板和電解液之間,實質就是氧化還原反應,而氧化還原反應是伴隨著電子的轉移的。我們把每個電極產生的電壓叫做電極電位,其實就是單個電極的電動勢。我們把兩個極的電極電位結合起來,就得到原電池輸出的電動勢。

描述原電池輸出電壓的定量分析依靠能斯特方程式式來實作。我們看百度百科怎麽說:

當外電路接通後,隨著時間的推移,電解液的濃度越來越高,電極也被腐蝕,整個原電池的溫度也上升,於是原電池的輸出電壓也持續下降。等到原電池的輸出電壓降低到某個值後,它輸出的電流已經無法有效地讓外電路負載工作,我們就必須更換電解液,維修電極。

圖1:氧化還原反應運算式

第三個概念:幹電池與原電池的異同,幹電池的內阻r

幹電池雖然沒有電解液,但它的工作原理與原電池是類似的。幹電池用久後,它的內阻會上升,雖然幹電池的電動勢依然不變,但幹電池輸出的路端電壓會下降。所以,我們只需要測量幹電池的內阻,即可判定此幹電池還能否繼續使用。

一般地,一節新的1號幹電池內阻一般是0.5到1歐左右,它的電動勢是1.5V。當幹電池用久了,它的內阻會上升到十幾歐到數十歐,輸出電壓會下降到1V左右,此時幹電池的壽命應當就到期了。

幹電池的制造廠家,對電池的使用壽命,以及它的內阻阻值及變化,有詳細的測試報告,可供參考。

我不知道現在的初中物理實驗課是否有幹電池內阻的測量實驗。如果有,則試驗電路可供參考。

有了上述基礎知識,我們就可以來回答題主的問題了。

在居家情況下,測量器材和手段很受限。為此,我們需要一台萬用表,以及一只20歐的電阻。一般地,找小區的電工就可以借到。準備好這些基本工具後,我們就可以開始測量了。

給個建議:對於居家來說,備用一只萬用表還是必要的。一只普通數碼萬用表不過數十元,但會給我們帶來維修方便。

第一:如果我們僅僅測量幹電池的電壓(電動勢),是不能判定電池的新舊的

為何?幹電池是新的也好,是舊的也好,它的電動勢E變化不大。雖然用久了,電池電動勢會略微下降,但不能用作幹電池壽命的準則。

第二:測量幹電池的電路和方法

我們看下圖:

圖2:測量電路

第一步,把幹電池空置,用萬用表的5V電壓檔測量它正負極間電壓,此測量值就是電池電動勢E

說明:當幹電池空置後,電池內阻因為沒有電流流過,所以它的電壓降Ur=0。萬用表5V電壓檔的測量值就是電源電動勢E。

註意:一定要辨別清楚萬用表的電壓檔後再測量。如果撥到電流檔,電池會輸出較大的電流沖擊萬用表,萬用表可能損壞。

註意到我們把萬用表的紅、黑表棒搭接到電池正、負極後,其實萬用表表頭與幹電池構成了電壓測量電路,也會有很小的電流流過電池內阻r,所以萬用表測得的電壓值其實就是路端電壓U,見圖2。我們用U來代替E,這裏當然存在誤差,但誤差很小,在居家的條件下,我們把誤差忽略不計。

第二步,按圖1搭建電路,用萬用表的100毫安電流檔測量電流I

在進行此測量時,一定要註意萬用表的檔位。如果錯用電壓檔,此時萬用表的內阻很大,則電流很小。雖然不會毀壞萬用表,但無法獲得準確資訊。

第三步,我們就可以計算幹電池內阻了

由圖2,我們寫出電路運算式: I=\frac{E}{r+R} ,並由此推得: r=\frac{E}{I}-R ,式1

測量和計算後,發現電池的內阻r在1歐上下,這些電池就是新的;如果r在十幾歐到幾十歐,則電池已經用了一段時間了,但還可以用;如果r在100歐以上,則此電池壽命已到,該丟棄了。

如果實在借不到萬用表和電阻,還有一個簡單的方法,就是利用光電滑鼠來測量。 我們把電池置入滑鼠,若滑鼠在電腦界面上不見光標蹤影,則此電池肯定要丟棄。反之,則可以繼續使用。

圖3:光電滑鼠裏的幹電池

用滑鼠測量電池壽命比用電視遙控器測量要好,測量靈敏度更高。