百科知识

一节干电池什么电压算正常啊

在探讨相关问题时,我们需要首先明确几个核心概念。

第一个核心概念:什么是原电池

第二个核心概念:原电池的定量分析手段以及能斯特方程的应用

原电池的两个极板必须浸没在电解质溶液中。原电池的每一个极板与电解液之间,本质上都是氧化还原反应的发生场所,而氧化还原反应总是伴随着电子的转移过程。我们将每个电极产生的电势差称为电极电位,这实际上就是单个电极的电动势。当我们将两个电极的电位结合在一起时,就能得到原电池整体输出的电动势。

为了定量描述原电池的输出电压,我们借助能斯特方程来实现这一目的。根据百度百科的阐述:

当外电路接通后,随着时间的推移,电解液的浓度会逐渐升高,电极也会发生腐蚀现象,整个原电池的温度也会有所上升,因此原电池的输出电压会持续下降。当原电池的输出电压降低到某个特定值时,其输出的电流已经无法有效地驱动外电路负载正常工作,这时我们就必须更换电解液并对电极进行维修。

图1:氧化还原反应的表达方式

第三个核心概念:干电池与原电池的相似之处与差异,以及干电池的内阻r

干电池虽然没有电解液,但其工作原理与原电池是基本一致的。干电池在使用过程中,其内阻会逐渐增大,尽管干电池的电动势保持不变,但干电池输出的路端电压会随之下降。因此,我们只需要测量干电池的内阻,就可以判断该电池是否还能继续使用。

通常情况下,一节全新的1号干电池内阻大约在0.5到1欧姆之间,其电动势为1.5伏特。当干电池使用一段时间后,其内阻会上升到十几欧姆到几十欧姆,输出电压会降至1伏特左右,此时干电池的使用寿命可能已经接近尾声。

干电池的制造厂家会对电池的使用寿命、内阻阻值及其变化情况提供详细的测试报告,供用户参考。

目前我不清楚初中物理实验课程中是否包含干电池内阻的测量实验。如果有,那么相关的实验电路可以供参考。

在掌握了上述基础知识后,我们就可以针对原问题进行解答了。

在家庭环境中,测量设备和手段相对有限。为此,我们需要准备一台万用表和一只20欧姆的电阻。通常情况下,可以向小区的电工借用这些基本工具。在准备好这些基本工具后,我们就可以开始进行测量了。

建议:在家庭环境中,备用一只万用表是非常必要的。一只普通的数字万用表价格不过数十元,但它能为我们提供极大的维修便利。

首先,如果我们仅仅测量干电池的电压(电动势),是不能准确判断电池的新旧的

为什么?干电池无论是新的还是旧的,其电动势E的变化并不显著。虽然使用时间长了,电池的电动势会略微下降,但这并不能作为判断干电池寿命的标准。

其次,测量干电池的电路和方法

我们来看下图:

图2:测量电路示意图

第一步,将干电池处于空置状态,使用万用表的5V电压档测量其正负极之间的电压,该测量值即为电池的电动势E

说明:当干电池处于空置状态时,由于没有电流流过电池内阻,因此电压降Ur=0。万用表5V电压档的测量值就是电源的电动势E。

注意:在测量前,一定要明确万用表的电压档位。如果误拨到电流档,电池将输出较大的电流,可能会损坏万用表。

我们注意到,当我们将万用表的红、黑表棒连接到电池正、负极后,实际上万用表表头与干电池构成了一个电压测量电路,此时也会有很小的电流流过电池内阻r,因此万用表测得的电压值实际上是路端电压U,见图2。我们用U来代替E,当然存在一定的误差,但在家庭条件下,我们可以忽略这一误差。

第二步,按照图1搭建电路,使用万用表的100毫安电流档测量电流I

在进行此测量时,一定要注意万用表的档位。如果误用电压档,由于万用表的内阻很大,则电流会非常小。虽然不会损坏万用表,但无法获得准确信息。

第三步,我们就可以计算出干电池的内阻了

根据图2,我们可以写出电路的表达式: ,并由此推导出: ,式1

经过测量和计算后,我们发现电池的内阻r在1欧姆左右,这些电池就是新的;如果r在十几欧姆到几十欧姆,则电池已经使用了一段时间,但还可以继续使用;如果r在100欧姆以上,则此电池的使用寿命已经结束,应该丢弃了。

如果实在无法借用万用表和电阻,还有一个简单的方法,就是利用光电鼠标来测量。我们将电池放入鼠标中,如果鼠标在电脑界面上没有光标踪迹,则说明此电池已经失效,需要丢弃。反之,则可以继续使用。

图3:光电鼠标中的干电池

使用鼠标测量电池寿命比使用电视遥控器测量要好,测量灵敏度更高。