金屬在水溶液中的物理電池效應

摘 要：目的 研究不同條件下的物理電池效應。方法 （1）高山上的電子密度與山腳下的電子密度相比較；（2）海洋深處的電子密度與海洋淺處的電子密度相比較；（3）兩個形狀相同的不同金屬放置在水溶液里，所用金屬與水溶液沒有化學反應條件下。（4）兩個形狀不同的同一種金屬放置在水溶液里，所用金屬與水溶液沒有化學反應條件下。結果 （1）高山上的電子密度比山腳下的電子密度大；（2）海洋深處的電子密度比海洋淺處的電子密度大；（3）兩個形狀相同的不同金屬放置在水溶液里，盡管沒有化學反應，但是這些金屬表面有從水溶液中獲取自由電子（或是被獲取自由電子）的能力不同；（4）兩個形狀不同的同一種金屬放置在水溶液里，盡管沒有化學反應，但是由于金屬單位質量在單位時間內獲?。ɑ蚴潜猾@?。╇娮訑盗坎煌?。結論 以上四種情況均可以形成沒有化學反應的物理電池。

關鍵詞：電池 電子 鹽度測量

中圖分類號：O64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0046-04

目前，我們使用的電池不論是一次性電池，鋰離子電池[1]，還是蓄電池，它們的工作原理中都伴隨著化學反應。事實上，電子在自然界物體中的分布并不均衡，只要給電子創造出一個通道，電子就會從密度大的地方流向密度小的地方。這里通過一系列的物理實驗證明制作沒有化學反應物理電池的可行性。從理論上講該文描述了一種新的物理效應。而隨著微電子科學的發展，這種微電流電池必將發揮其應用價值。同時，在更廣闊領域里，電子密度的差別將會更大，比如電子在地球內部熔巖里的密度與電子在地球表面土壤里的密度，可能會有非常大的差別，而這種可能形成一個天然的大發電廠。一些自然現象，例如火山噴發伴隨劇烈的雷電或許已經向我們預示這一潛在應用了。

1 實驗部分

1.1 高山上為負極山腳下為正極形成物理電池效應

實驗器材：

兩塊完全相同的304不銹鋼板，厚度1.97 mm，面積270 mm×330 mm，數字萬用表，導線，海拔表。

不銹鋼的基本情況：不銹鋼板表面光潔，有較高的塑性、韌性和機械強度，耐酸、堿性氣體、溶液和其他介質的腐蝕。它是一種不容易生銹的合金鋼[2]。

實驗過程：

將一塊鋼板埋在山頂上，另一塊鋼板埋在山腳下，山頂到山腳下的高度為100 m，用導線將兩塊鋼板以及數字萬用表連接好，如圖1所示。山上的鋼板為負極，山下的鋼板為正極，電子源源不斷地從山上流到山下，形成穩定的電壓和電流（78.11 mV，0.0525 mA），

1.2 海洋深處為負極海洋淺處為正極形成物理電池效應

實驗器材：

兩塊一模一樣的304不銹鋼板，厚度1.97 mm，面積270 mm×330 mm，數字萬用表，導線。

實驗過程：

將一塊鋼板放入海平面下15 m深處，另一塊鋼板放置在海平面下1 m深處，用導線及數字萬用表將兩塊鋼板連接好，如圖2所示。水下15 m深的鋼板為負極，水下1 m深的鋼板為正極，電子源源不斷地從下面流向上面，形成穩定的電壓和電流（160.5 mV，

1.218 mA）。

1.3 兩個形狀相同的不同金屬放置在鹽水里，在沒有化學反應條件下形成的物理電池效應

實驗器材：

不銹鋼板，鉛板，數字萬用表，塑料桶，鹽水，加熱棒，溫度計。

實驗過程：

（1）在室溫條件下，將一塊不銹鋼板和一塊鉛板放入配制好的飽和鹽水里，由于鹽水有從不銹鋼表面獲取自由電子的能力，而鉛板有從鹽水中獲取自由電子的能力，不銹鋼板里的自由電子密度減小，而鉛板里的自由電子密度增大，自由電子會從鉛板流向不銹鋼板，形成電壓和電流，如圖3所示，穩定后的電流為8.89 mA，開路電壓為483.3 mV。整個過程沒有化學反應。

（2）下面我們把（1）中的實驗裝置作為一個獨立的物理電池，建立四個同樣的物理電池，然后將四個物理電池串聯起來，測量其電壓和電流，如圖4所示，穩定后的電流為6.204 mA，開路電壓1.4471 V，整個過程沒有化學變化，不需要人為做功。

在鹽水中增加一塊不銹鋼板，測得穩定后的電流增加到4.24 mA，在鹽水中再增加一塊鉛板，測得穩定后的電流增加至9.75 mA，如圖5所示，隨著金屬板面積的增大電流增大。

（3）鹽水溫度對電壓的影響：將一塊不銹鋼板和一塊鉛板放置到鹽水中，用加熱棒對鹽水進行加熱，在10.9°～44.3°之間電壓無明顯變化，超過44.3°后，電壓迅速下降，產生放電現象，如圖6所示。根據這些變化數據，繪制折線圖如圖7所示。

1.4 兩個形狀不同的同一種金屬放置在鹽水里，在沒有化學反應的條件下形成的物理電池效應

實驗器材：

不銹鋼板，不銹鋼柱，鉛板，鉛球，數字萬用表，塑料桶，鹽水。

實驗過程：

（1）在室溫條件下，兩個形狀不同的同一種金屬，放置到配制好的飽和鹽水里，由于它們的表面積S與他們的質量M的比值不同，它們從水溶液中獲取自由電子（或是被獲取自由電子）后，兩塊金屬中單位體積內的自由電子密度不同，電子會從電子密度大的金屬流向電子密度小的金屬。例如：一塊304不銹鋼柱和一塊304不銹鋼板放在鹽水里，鹽水有從304不銹鋼表面獲取電子的能力，一塊不銹鋼柱的面積/質量（S/M）小于一塊不銹鋼板的面積/質量（S/m），失去電子后不銹鋼板里的電子密度小于不銹鋼柱里的電子密度，電子會從不銹鋼柱流向不銹鋼板，如圖8所示，形成電流和電壓，穩定后的電流為0.242 mA，開路電壓為300.3 mV。整個過程沒有化學反應，并且是在室溫條件下。不銹鋼板越薄電流和電壓越大。

（2）再例如：一個1.5 kg的鉛球和一塊1.5 kg的鉛板，把它們放置到飽和鹽水里，金屬鉛有從鹽水中獲取自由電子的能力，但是由于同樣質量的鉛球和鉛板與鹽水的接觸面積不同，獲取自由電子的速度也不同，導致鉛板內部的自由電子密度大于鉛球內部的自由電子密度，自由電子從鉛板流向鉛球，如圖9所示，穩定后的電流為0.0302 mA。

2 實驗總結

（1）自然界中自由電子的分布并不均衡，隨著海拔高度的不同，會產生物理電池效應，隨著海洋深度的不同也會產生物理電池現象。陰雨天雷電的產生以及火山噴發伴隨著雷電的爆發也都證明了這一點。如果我們能將地下熔巖與地表用導線連接起來，將會有強大的電流通過，形成一個巨大的取之不盡用之不竭的綠色環保的自然發電廠。

（2）將兩個面積與質量比（S/M）不同的同一種金屬或是兩種不同的金屬放置到某種介質中，由于它們獲取自由電子（或是被獲取自由電子）的能力不同，在兩塊金屬之間會有電壓和電流產生，這種效應暫且稱之為物理電池效應。這種效應不同于塞貝克效應（或溫差效應）[3]，區別1：塞貝克效應必須是兩種不同的金屬，而物理電池效應可以是同一種金屬；區別2：塞貝克效應必須有溫度差，而物理電池效應不需要溫度差。利用物理電池效應，如果選擇兩種合適的金屬，把它們制作的足夠薄，面積足夠大，將其串聯起來，就可以制作出一種永久電池，這種電池會自動地不斷地從周圍環境吸收熱量；利用這一效應也可以測量土壤里電子密度變化，電子密度變大，電流會增大，從而用于地震預測；利用這一效應還可以制作出像熱電偶一樣的探測儀，測量酸堿度，還可以測量海水的含鹽度。

（3）上述實驗從一個側面也反應了，自然界中的電子和質子并不是一一對應的，我們平時所感受到的電流，只不過是電子從密度大的地方向密度小的地方擴散過程，而電能只不過是電子將自身的動能釋放出去所產生的，正像筆者在《宇宙是基本粒子的混合體》[4]中講到的一樣，質子無電，電子無電，電子是靠易子[5]氣壓被束縛在原子核的表面，一個原子核外圍能束縛多少個電子與原子核的表面有關，正因如此，所以大多數原子核所束縛的電子數并不是電子的整數倍，從而使不同元素有了不同的化學性質。

參考文獻

[1] Alias N，Mohamad AA.Advances of aqueous rechargeable lithium-ion battery：A.review[J].Journal of Power Sources，2015，274：237-251.

[2] 梁鵬，徐洪峰，劉明，等.鍍銀-石墨涂層 316L不銹鋼雙極板的電化學性能測試及表征[J].物理化學學報，2010，26（3）：595-600.

[3] Geballe T H， Hull GW. Seebeck effect in silicon[J].Physical Review，1955，98（4）：940.

[4] 李華旺.宇宙是基本粒子的混合體[J].科技資訊，2009（30）：167-168.

[5] 李華旺.大統一理論之一 發現易子[J].中國科技縱橫，2009（78）.