电池电动势和内阻

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简介

为了深入了解电力电池的工作原理，你需要掌握构成电池的基本材料特性，即电池和电解质。能量转换和存储设备是所有电气工程和电子应用中最强大和最重要的设备。尽管它们的使用方式可能大不相同，但它们通常将一种形式的能量转换为另一种形式的能量，或存储稍后可以检索以执行工作的能量。

什么是电池？

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我们所有人都在日常生活中使用过或遇到过电池。无论是我们的手机还是笔记本电脑，我们都遇到过电池。电池是一种将化学能转化为电能的电化学装置。

为了更好地理解它，让我们首先探讨什么是电以及电是如何产生的。要回答这些问题，需要了解原子，原子由原子核中的质子和中子以及围绕它们运行的电子组成。原子中存在的质子数量决定了它的类型。

这些类型可以是离子型（例如：NaCl），金属型（例如：Cu）或共价型（例如：O₂）。这些不同类型的原子形成分子，分别构成固体、液体和气体。

电池的类型

• 一次电池：一次电池是一种不可充电电池。使用时，这些电池会从内部的氧化反应中产生能量。一次电池通常用于无法充电的设备，例如手电筒或烟雾探测器。

• 二次电池：二次电池中的电化学电池与一次电池中的不同。在铅酸或镍镉等二次电池中，能量存储不是在电极上进行，而是在一个单独的隔室中实现。

• 原电池：原电池是在电解质溶液中使用两个不同的电极产生电能的装置。

• 光伏电池：光伏（PV）电池是一种将光能转化为电能的电子元件。PV 电池由半导体材料制成，当暴露在阳光或其他形式的电磁辐射下时，可以产生电流。产生的电流量与每个电池在给定时间段内接收到的光量成正比。

• 燃料电池：在物理学中，燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置。

• 太阳能电池：太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置。太阳能电池有两种类型：硅基光伏（PV）电池和薄膜 PV 电池。

什么是电动势 (EMF)？

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电动势 (EMF) 是出现在所有电路上所有点的电压标量值，这是由于自然电流造成的。电动势通常用 ε（E-M-F）表示，尽管历史上有时用 D 表示差异。因此，它被称为与电流或伏特电（V-M-F）的区别。

电动势以伏特为单位测量。如果电池的端子通过导线连接在一起，并且在没有负载的情况下导线通过 1 安培电流，则该电池的电动势为 1 伏特。

公式

通过以下公式，您可以轻松计算电动势：

emf = I (R + r)

其中：

I = 电流

R = 电阻

r = 内阻

或者：

Emf = E/Q

E = 能量（以焦耳为单位）

Q = 电荷（以库仑为单位）

什么是内阻？

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如前所述，电阻被定义为对电流的阻碍。如果您尝试使用万用表测量电路中的电流，并将探头放在电路路径内的导线上，则测量值会降低。这是因为任何设备中都存在内阻；它是由电子在导体中散射引起的。导体的电阻越大，电子越难以通过它移动。

可以通过使用粗导线或使用较小的电流来最小化这种情况，但这些选项并不总是可用或实用。在某些情况下，尤其是在处理非常大的电流（例如来自发电机的电流）时，我们必须处理高水平的内阻以避免损坏我们的设备。这些情况的解决方案称为欧姆定律。

欧姆定律：V = IR。

使用欧姆定律，我们可以根据电流计算电压，反之亦然，根据电压/电流水平计算。

公式

内阻 (r) = (E – V)/I

其中：

E = 电动势

V = 电压

I = 设备中的电流

常见问题

Q1. 开路时，电动势为 E 的电池两端的电压 (VT) 是多少？

答：当电池开路时，阳极和阴极之间没有电流路径。因此 V0 = 0。

常见的干电池产生 -1.5 V（1.5 伏特）的电压。

Q2. 法拉第定律与电动势之间有什么关系？

答：法拉第定律指出，当穿过线圈的磁通量发生变化时，该线圈中会感应出电动势 (EMF)。换句话说，EMF = n × B，其中 n 是缠绕在磁芯上的线圈匝数；B 是穿过同一横截面积的磁通量；× 表示乘法。

Q3. 电动势和端电压有什么区别？

答：电动势是在电子从电路的带负电部分移动到带正电部分时产生电流的势。端电压定义为：在指定条件下与周围环境处于平衡状态的电化学电池端子上的电压；它等于 Ecell / Q，其中 Ecell 是电化学反应的电势（以 V 为单位），Q 是反应过程中通过的电荷（以库仑为单位）。

例如，如果我们考虑两个具有不同氧化还原反应的半电池（电极）通过盐桥（允许离子通过）连接，则可以使用能斯特方程计算端电压。在原电池（或电池）的情况下，端电压是您使用连接在正负极之间的电压表测量的电压。