雙電層電容的測量

吳 坤,李飛飛,陳 平

(南開大學物理科學學院,天津300071)

雙電層電容的測量

吳 坤,李飛飛,陳 平

(南開大學物理科學學院,天津300071)

根據南開大學基礎物理實驗教學中心的教學與設備狀況,開設了設計性實驗“雙電層電容的測量”.本文包括實驗原理、實驗設計和數據處理,得到雙電層電容的基本現象.

雙電層電容;電解質;鎖相放大器

1 引 言

綜合性、設計性實驗的開設,是深化實驗教學改革、提高實驗教學質量的重要措施,是培養學生綜合運用知識能力和創新精神與實踐能力的重要實踐環節,是培養應用型人才和提高教學質量的重要手段,是實現素質教育的良好途徑,是深化實驗教學改革,提高實驗教學質量,改革實驗教學模式,適應人才培養需要的重要舉措,是實驗教學內容不可缺少的類型.各個高校對開設綜合性、設計性實驗進行了積極的探索并予以實施,有力地推動了高等學校實驗教學改革[1].

從操作層面上看,實驗教學必須遵循教學原則和教學規律,在開發設計性實驗時應考慮學校的實際條件、學生的接受能力和心理特點.有時雖然某一實驗的物理思想很新穎,但超出了學生的知識水平,或者花費較大或者存在安全隱患,也就沒沒有了教學價值.設計性實驗的選題應緊緊圍繞學生的綜合能力、設計能力及創新意識培養這一目標,注意與課程設計、課外科技活動、實驗教學改革協調一致,在不偏離課程教學大綱(實驗教學大綱)的同時又能兼顧科學發展現狀與趨勢[2].

根據基礎物理實驗教學中心的的教學與設備狀況,結合南開大學“百項工程”嘗試了設計性實驗“雙電層電容的測量”.

2 雙電層電容的理論與現狀

雙電層電容器[3]是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器.如果在電解液中同時插入2個電極,并在其間施加一小于電解質溶液分解電壓的電壓,這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動,電解質溶液中的電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷,并分別在2個電極的表面形成緊密的電荷層,即雙電層.所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似,從而產生電容效應,緊密的雙電層近似于平板電容器,但是,由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離小得多,因而具有比普通電容器更大的容量.雙電層電容器與鋁電解電容器相比內阻較大,可在無負載電阻情況下直接充電.

電化學電容具有優良的脈沖充放電性能以及傳統物理電容所不具有的大容量儲能性能,因而在高能脈沖激光器中的應用已經引起了人們的廣泛注意.同時,因其存儲能量大,質量輕,可多次充放電而被人們用作計算機系統的備用電源.隨著環保型電動汽車研究的興起,電化學電容與鉛酸電池及其他電池配合使用,組成復合電源系統,用于電動汽車的啟動和剎車系統.電化學電容器在電動汽車啟動和爬坡時快速提供大功率電流;在正常行駛時由蓄電池快速充電;在剎車時快速儲存發電機產生的瞬間大電流.這可以降低電動車輛對蓄電池大功率放電的限制要求,大大延長蓄電池循環使用壽命,提高電動汽車的實用性.

3 實驗設計

電容的測量是當前大學物理電磁學實驗教學中的一個較為基礎和普遍的內容,一般有 RC穩態電路、RC暫態過程、交流橋實驗等[4].待測樣品一般為購置的商用電容,存在著內容簡單單調、實驗結果已知等缺點.

選取“雙電層電容”作為一個設計性實驗題目是基于以下幾點原因:a.所需設備為通用設備,容易獲得和替代;b.待測樣品簡單廉價,只需要金屬電極和電解質溶液;c.結合了實際應用與前沿的內容;d.實驗結果較為復雜,沒有完整的解釋與結論;e.實驗內容可多可少,彈性較大;f.實驗安全,所用電壓不超過1 V,設備也不易損壞,可放心讓學生實驗.

3.1 實驗方案的選擇

教師讓學生自己決定實驗方案.學生根據所學知識提出用充放電法測量靜態電容,用交流橋與RC回路測量動態電容.電極采用不同大小的銅片,電解質溶液選取了NaCl與NaOH水溶液(沒有選擇強酸溶液以免腐蝕銅片).教師本不同意學生用強堿溶液作為電解質的方案,擔心燒傷.有學生表示曾選修過化學實驗,保證不會出現安全問題.經考慮,教師同意采用NaOH水溶液,但提醒:不要用玻璃器皿以免腐蝕;用酸中和后方可倒入廢液缸.

3.2 實驗設備

利用實驗室已有設備,同學們準備了Agilent 54622A數字存儲示波器、Signalrecovery 7265鎖相放大器、keithley2000數字萬用表、南京盛普科技的F05信號發生器、交流電阻箱、可變電容箱、直流穩壓電源、電子天平、燒杯、塑料杯、導線、開關等(紅色為了指明設備型號).設備中包括一些較為貴重的進口設備,但只是因為已有的原因,完全可以用較為便宜的設備代替,對整體實驗沒有影響.

3.3 實驗過程

實驗采用了 RC暫態電路、RC穩態電路、交流電容橋,電路見圖1～3.

圖1 RC暫態電路

圖2 RC穩態電路

圖3 交流電容橋

用電子天平測量定量蒸餾水作為溶劑,各種質量的無碘食鹽和NaCl作為溶質,配置0.001～0.1 mol/L各濃度的NaCl與NaOH溶液.將銅片裁成不同大小浸入溶液作為電極.

3.4 實驗結果

交流電容橋很難調平衡,故放棄了此實驗方法.以下實驗數據由 RC暫態電路和RC穩態電路給出.

圖4是對電容充電的 I-t和V-t曲線,所用溶液為1 mol/L的 NaCl溶液,銅片大小分別為13.1 cm2,19.4 cm2,充電過程未串聯電阻.由積分可得出電容儲能大于300 J.

圖5是在10 k Hz下不同溶液濃度中雙電層電容的電容值.很明顯,電容值隨溶液濃度增加而增大.

圖4 電容充電曲線

圖5 電容值與溶液濃度的關系

4 結束語

學生自己配置溶液,制作電極,分別用RC暫態電路和RC穩態電路對雙電層電容進行了測量,得出了電容的儲能值以及電容與溶液濃度間的數值關系.通過實驗,學生們熟悉了鎖相放大器、示波器等儀器的使用,對實驗結果進行了一定處理和分析,增強了解決實驗問題的能力.當然還有許多不足.例如:沒有對原理與機制深入分析,實驗數據單薄,等等.而這也正是研究性實驗的特點,讓不同的學生可以做出不同的內容,發現不同的問題,避免了簡單的重復.

[1]黃永蓮,趙莉.綜合性、設計性實驗教學探索[J].實驗教學與儀器,2008,(5):19-21.

[2]宋衛星.設計性實驗教學過程規范化的思考與探索[J].實驗技術與管理,2009,26(7):125-130.

[3]王曉峰,解晶瑩,禮祥華,等.“超電容”電化學電容器研究進展[J].電源技術,2001,25(增):166-170.

[4]劉少杰,于健.大學基礎物理實驗(電磁學分冊).天津:南開大學出版社,2008.

[責任編輯:郭 偉]

Measuring double-layer capacitance

WU Kun,L IFei-fei,CHEN Ping
(Institute of Physics,Nankai University,Tianjin 300071,China)

Acco rding to the condition of Fundamental Physics Experiment Teaching Center of Nankan University,the experiment of measurement of double-layer capacitance was designed.The experimental p rincip le,design,basic phenomenon and data p rocessing were introduced.

double-layer capacitance;electrolyte;lock-in amp lifier

G642.423

A

1005-4642(2011)01-0043-03

“第6屆全國高等院校物理實驗教學研討會”論文

2010-04-08

國家基礎科學人才培養基金(南開大學物理學基地)(No.J0730315)

吳 坤(1990-),男,安徽滁州人,南開大學物理科學學院2006級本科生.

指導教師:李飛飛(1976-),男,河北昌黎人,南開大學物理科學學院副研究員,博士,從事凝聚態物理方面研究.