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電池的歷史與原理

文 / 陳鐘誠(國立金門大學資工系助理教授)

電池,一般狹義上的定義是將本身儲存的化學能轉成電能的裝置,廣義的定義為將預先儲存起的能量轉化為可供外用電能的裝置。因此,像太陽能電池只有轉化而無儲存功能的裝置不算是電池。其他名稱有電瓶、電芯,而中文池及瓶也有儲存作用之意。

萊頓瓶

萊頓瓶(英語:Leyden jar)是一種用以儲存靜電的裝置,最先由 Pieter van Musschenbroek(1692年-1761年)在荷蘭的萊頓試用。 作為原始形式的電容器,萊頓瓶曾被用來作為電學實驗的供電來源,也是電學研究的重大基礎。萊頓瓶的發明,標誌著對電的本質和特性進行研究的開始。

典型的萊頓瓶是一個玻璃容器,內外包覆著導電金屬箔作為極板。瓶口上端接一個球形電極,下端利用導體(通常是金屬鎖鏈)與內側金屬箔連接。萊頓瓶的充電方式是將電極接上靜電產生器等來源,外部金屬箔接地;內部與外部的金屬將會攜帶相等但極性相反的電荷。

嚴格來說,萊頓瓶並不屬於電池,而是一種電容,但早期還沒有電池的時候,常被事先充好電之後,拿來當一次性的放電體使用,所以可以說是最早的「電池」。

圖、萊頓瓶的實體與結構

圖、萊頓瓶的實體與結構

以下有個關於萊頓瓶如何被用在早期電學實驗上的故事,相信大家會有興趣,故事如下:

Jean-Antoine Nollet 是一個對電學特別有興趣的法國神父,1746 年時、他想要測試電流到底跑得多快,所以請兩百位修道士每個人手池金屬條 連接成總長一英哩 (1.6 公里) 的環狀迴路,然後他手持一只特大的萊頓瓶,連接上兩端的電極,結果這些修道士幾乎同時因被電極而癱軟在地。

後來他還想再做這類的實驗,但是修道士們都避之唯恐不及,拒絕再當一次實驗品,後來他只好去找法皇路易十五,讓皇帝命令一百八十名御林軍在凡爾賽宮當實驗品。

在萊頓瓶剛發明不久的那個年代,很多王公貴族對這些新奇的小玩意都很有興趣,甚這後來在酒吧裏,還流行用小的萊頓瓶去「電吻」, 也就是「觸碰一下萊頓瓶、感受被電到的感覺」。

伏打電堆與伽伐尼電池

在1780年,路易吉·伽伐尼 (義大利文:Luigi Galvani) 發現,兩種不同的金屬(例如,銅和鋅)連接後,如果同一時間觸摸青蛙腿的兩處神經,青蛙腿會發生收縮。 他稱這是「動物電」(animal electricity)。

伏打電堆(Voltaic pile),又名伏打堆,是最早出現的化學電池,是在1800年由義大利物理學家亞歷山卓·伏打伯爵發明。

伏打電堆由很多個單元堆積而成,每一單元有鋅板與銅板各一,其中夾著浸有鹽水的布或紙板以作為電解質。如下所示:

VoltaBattery

圖、伏打電堆的結構與實體

後來、這類由兩種不同的金屬與一種電解質組成的電池,通常被稱為「伽伐尼電池」,其結構通常改由兩個半電池間以鹽橋或多孔物相連而成。 其電路與反應式如下:

圖、鋅-銅 伽凡尼電池的電路圖與反應式

圖、鋅-銅 伽凡尼電池的電路圖與反應式

碳鋅電池

碳鋅電池 (zinc–carbon battery) 的容器是一個鋅罐。裡面有一層由 NH4Cl 和 ZnCl2 所構成的糊狀液體, 這個糊狀液體通過一個紙層與粉末狀的碳和二氧化錳隔開。這些粉末填充在一個碳棒的周圍。

此電池正極的碳棒與二氧化錳中所混合的碳只負責引出電流,並不參與反應,正極實際參與還原反應並提供 正電的是二氧化錳,因此,又稱為錳鋅電池、鋅錳電池或鋅-二氧化錳電池,也有簡稱錳乾電池的。

碳鋅電池的電動勢大約是1.5V。電動勢的不確定是由於陰極反應十分複雜,相比來說,陽極反應(鋅端)則有一個已知的電勢。 副反應及活性反應物的消耗直接導致電池的內阻增加,電池電動勢降低。

ZincCarbonBattery

圖、碳鋅電池的反應式、實體與結構

鉛酸蓄電池

蓄電池的原理是通過將化學能和直流電能相互轉化,在放電後經充電後能復原,從而達到重複使用效果。

鉛酸蓄電池 (Lead–acid battery) 的氧化還原總反應電壓為 2 V (伏特) ,所以一顆由 K 的電磁單元所組成的 鉛蓄電池之電壓通常為 2K 伏特。

LeadAcidBattery

圖、鉛酸蓄電池的反應式、實體與用途

電池 DIY : 檸檬電池

看了以上這麼多電池,雖然感覺原理並不難,但是要自己動手做一顆,卻還是不知如何下手。

不過還好、我們可以用檸檬!

YouTube 上已經有人做了詳細的示範,告訴我們「如何用檸檬做出電池」,請參考以下影片:

所以、我們應該也可以用「50 元或 1 元的銅板」,加上鐵釘去做出檸檬電池,其中銅板是正極,而鐵釘因為表面通常會 鍍鋅以防止生鏽,再加上檸檬所含的電解質可以扮演鹽橋的功能,所以就可以組合成標準的「銅-鋅、伽凡尼」電池。

LemonBattery

圖、檸檬電池的做法

「銅-鋅反應」釋放的電壓大約是 1.1 伏特,而點亮一顆 LED 需要 3 伏特以上的電壓,所以必須要用三顆以上的檸檬電池 串連,就可以點亮 LED 燈了。

結語

電池通常是由「化學反應」所供電的,而這些化學反應釋放的電壓經常是固定的,假如該電池的化學反應釋放的電壓是 n 伏特,那麼這類電池所釋放的電壓通常是 n*k 伏特,因為一顆電池通常是由 k 個電池單元 (Battery Cell) 所組成的。

參考文獻

【本文由陳鍾誠取材並修改自 維基百科 與 OpenStax College 的 College Physics 一書,採用創作共用的 姓名標示、相同方式分享 授權】

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