電池電動勢和內阻

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簡介

為了深入瞭解電力電池的工作原理，你需要掌握構成電池的基本材料特性，即電池和電解質。能量轉換和儲存裝置是所有電氣工程和電子應用中最強大和最重要的裝置。儘管它們的使用方式可能大不相同，但它們通常將一種形式的能量轉換為另一種形式的能量，或儲存稍後可以檢索以執行工作的能量。

什麼是電池？

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我們所有人都在日常生活中使用過或遇到過電池。無論是我們的手機還是筆記型電腦，我們都遇到過電池。電池是一種將化學能轉化為電能的電化學裝置。

為了更好地理解它，讓我們首先探討什麼是電以及電是如何產生的。要回答這些問題，需要了解原子，原子由原子核中的質子和中子以及圍繞它們執行的電子組成。原子中存在的質子數量決定了它的型別。

這些型別可以是離子型（例如：NaCl），金屬型（例如：Cu）或共價型（例如：O₂）。這些不同型別的原子形成分子，分別構成固體、液體和氣體。

電池的型別

• 一次電池：一次電池是一種不可充電電池。使用時，這些電池會從內部的氧化反應中產生能量。一次電池通常用於無法充電的裝置，例如手電筒或煙霧探測器。

• 二次電池：二次電池中的電化學電池與一次電池中的不同。在鉛酸或鎳鎘等二次電池中，能量儲存不是在電極上進行，而是在一個單獨的隔室中實現。

• 原電池：原電池是在電解質溶液中使用兩個不同的電極產生電能的裝置。

• 光伏電池：光伏（PV）電池是一種將光能轉化為電能的電子元件。PV 電池由半導體材料製成，當暴露在陽光或其他形式的電磁輻射下時，可以產生電流。產生的電流量與每個電池在給定時間段內接收到的光量成正比。

• 燃料電池：在物理學中，燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的裝置。

• 太陽能電池：太陽能電池是將太陽能轉化為電能的裝置。太陽能電池有兩種型別：矽基光伏（PV）電池和薄膜 PV 電池。

什麼是電動勢 (EMF)？

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電動勢 (EMF) 是出現在所有電路上所有點的電壓標量值，這是由於自然電流造成的。電動勢通常用 ε（E-M-F）表示，儘管歷史上有時用 D 表示差異。因此，它被稱為與電流或伏特電（V-M-F）的區別。

電動勢以伏特為單位測量。如果電池的端子透過導線連線在一起，並且在沒有負載的情況下導線透過 1 安培電流，則該電池的電動勢為 1 伏特。

公式

透過以下公式，您可以輕鬆計算電動勢：

emf = I (R + r)

其中：

I = 電流

R = 電阻

r = 內阻

或者：

Emf = E/Q

E = 能量（以焦耳為單位）

Q = 電荷（以庫侖為單位）

什麼是內阻？

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如前所述，電阻被定義為對電流的阻礙。如果您嘗試使用萬用表測量電路中的電流，並將探頭放在電路路徑內的導線上，則測量值會降低。這是因為任何裝置中都存在內阻；它是由電子在導體中散射引起的。導體的電阻越大，電子越難以透過它移動。

可以透過使用粗導線或使用較小的電流來最小化這種情況，但這些選項並不總是可用或實用。在某些情況下，尤其是在處理非常大的電流（例如來自發電機的電流）時，我們必須處理高水平的內阻以避免損壞我們的裝置。這些情況的解決方案稱為歐姆定律。

歐姆定律：V = IR。

使用歐姆定律，我們可以根據電流計算電壓，反之亦然，根據電壓/電流水平計算。

公式

內阻 (r) = (E – V)/I

其中：

E = 電動勢

V = 電壓

I = 裝置中的電流

常見問題

Q1. 開路時，電動勢為 E 的電池兩端的電壓 (VT) 是多少？

答：當電池開路時，陽極和陰極之間沒有電流路徑。因此 V0 = 0。

常見的乾電池產生 -1.5 V（1.5 伏特）的電壓。

Q2. 法拉第定律與電動勢之間有什麼關係？

答：法拉第定律指出，當穿過線圈的磁通量發生變化時，該線圈中會感應出電動勢 (EMF)。換句話說，EMF = n × B，其中 n 是纏繞在磁芯上的線圈匝數；B 是穿過同一橫截面積的磁通量；× 表示乘法。

Q3. 電動勢和端電壓有什麼區別？

答：電動勢是在電子從電路的帶負電部分移動到帶正電部分時產生電流的勢。端電壓定義為：在指定條件下與周圍環境處於平衡狀態的電化學電池端子上的電壓；它等於 Ecell / Q，其中 Ecell 是電化學反應的電勢（以 V 為單位），Q 是反應過程中透過的電荷（以庫侖為單位）。

例如，如果我們考慮兩個具有不同氧化還原反應的半電池（電極）透過鹽橋（允許離子透過）連線，則可以使用能斯特方程計算端電壓。在原電池（或電池）的情況下，端電壓是您使用連線在正負極之間的電壓表測量的電壓。