《磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)》的實(shí)驗(yàn)報(bào)告范文
一、前言
現(xiàn)有制造電池、蓄電池的原理是電化學(xué)反應(yīng)。電極是不同種元素、不同種化合物構(gòu)成,產(chǎn)生電流不需要磁場(chǎng)的參與。
目前有磁性材料作電極的鐵鎳蓄電池(注1),但鐵鎳蓄電池放電時(shí)沒(méi)有外加磁場(chǎng)的參與。
通過(guò)數(shù)次實(shí)驗(yàn)證明,在磁場(chǎng)中是可以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的。本實(shí)驗(yàn)報(bào)告是研究電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在磁場(chǎng)中,電極是用同種元素、同種化合物。
《磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)》不同于燃料電池、磁流體發(fā)電。
二、實(shí)驗(yàn)方法和觀察結(jié)果
1、所用器材及材料
(1):長(zhǎng)方形塑料容器一個(gè)。約長(zhǎng)100毫米、寬40毫米、高50毫米。
(2):磁體一塊,上面有一根棉線,棉線是作為掛在墻上的釘子上用。還有鐵氧體磁體Φ30*23毫米二塊、稀土磁體Φ12*5毫米二塊、稀土磁體Φ18*5毫米一塊。
(3):塑料瓶一個(gè),內(nèi)裝硫酸亞鐵,分析純。
(4):鐵片兩片。(對(duì)鐵片要進(jìn)行除銹處理,用砂紙除銹、或用刀片除銹、或用酸清洗。)用的罐頭鐵皮,長(zhǎng)110毫米、寬20毫米。表面用砂紙?zhí)幚怼?/p>
2、 電流表,0至200微安。
用微安表,由于要讓指針能向左右移動(dòng),用表頭上的調(diào)0螺絲將指針向右的方向調(diào)節(jié)一定位置。即通電前指針在50微安的位置作為0,或者不調(diào)節(jié)。
3、 "磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)"裝置是直流電源,本實(shí)驗(yàn)由于要使用電流表,一般的電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向是按照電流流動(dòng)方向來(lái)設(shè)計(jì)的,(也有隨電流流動(dòng)方向改變,電流表指針可以左右偏轉(zhuǎn)的電流表。本實(shí)驗(yàn)報(bào)告示意圖就是畫(huà)的隨電流流動(dòng)方向改變,電流表指針可以向左或向右偏轉(zhuǎn)的電流表)。因此本演示所講的是電流流動(dòng)方向,電流由"磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)"裝置的正極流向"磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)"裝置的負(fù)極,通過(guò)電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向,可以判斷出"磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)"裝置的正極、負(fù)極。
4、 手拿磁體,靠近塑料瓶,明顯感到有吸引力,這是由于塑料瓶中裝了硫酸亞鐵,說(shuō)明硫酸亞鐵是鐵磁性物質(zhì)。
5、 將塑料瓶中的硫酸亞鐵倒一些在紙上,壓碎硫酸亞鐵晶體,用磁體靠近硫酸亞鐵,這時(shí)有一部分硫酸亞鐵被吸引在磁體上,進(jìn)一步說(shuō)明硫酸亞鐵是鐵磁性物質(zhì)。
6、 將磁體用棉線掛在墻上一個(gè)釘子上讓磁體懸空垂直不動(dòng),用裝有硫酸亞鐵的塑料瓶靠近磁體,當(dāng)還未接觸到懸空磁體時(shí),可以看到懸空磁體已開(kāi)始運(yùn)動(dòng),此事更進(jìn)一步說(shuō)明硫酸亞鐵是鐵磁性物質(zhì)。(注:用另一個(gè)塑料瓶裝入硫酸亞鐵飽和溶液產(chǎn)生的現(xiàn)象同樣)
7、 通過(guò)步驟4、5、6我們得到這樣的共識(shí),硫酸亞鐵是鐵磁性物質(zhì)。
8、 將塑料瓶中的硫酸亞鐵適量倒在燒杯中,加入蒸溜水溶解硫酸亞鐵。可以用飽和的硫酸亞鐵溶液,然后倒入一個(gè)長(zhǎng)方形的塑料容器中。實(shí)驗(yàn)是用的飽和硫酸亞鐵溶液。裝入長(zhǎng)方形容器中的液面高度為40毫米。
9、 將鐵片分別放在塑料容器中的硫酸亞鐵溶液兩端中,但要留大部分在溶液之上,以便用電流表測(cè)量電流。由于兩個(gè)電極是用的同種金屬鐵,沒(méi)有電流的產(chǎn)生。
10、 然后,在塑料容器的外面,將鐵氧體磁體放在某一片鐵片的附近,讓此鐵片處在磁埸中。用電流表測(cè)量?jī)善F片之間的電流,可以看到有電流的產(chǎn)生。(如果用單方向移動(dòng)的電流表,注意電流表的正極應(yīng)接在放磁體的那一端),測(cè)量出電流強(qiáng)度為70微安。為什么同種金屬作電極在酸、堿、鹽溶液中有電流的產(chǎn)生?電位差是怎樣形成的?我是這樣看這個(gè)問(wèn)題的:由于某一片鐵片處在磁埸中,此鐵片也就成為磁體,因此,在此鐵片的表面吸引了大量的帶正電荷的鐵離子,而在另一片鐵片的表面的帶正電荷的鐵離子的數(shù)量少于處在磁埸中的鐵片的帶正電荷的鐵離子數(shù)量,這兩片鐵片之間有電位差的存在,當(dāng)用導(dǎo)線接通時(shí),電流由鐵離子多的這一端流向鐵離子少的那一端,(電子由鐵離子少的那一端鐵片即電源的負(fù)極流向鐵離子多的那一端鐵片即電源的正極)這樣就有電流產(chǎn)生。可以用化學(xué)上氧化-還原反應(yīng)定律來(lái)看這個(gè)問(wèn)題。處在磁埸這一端的鐵片的表面由于有大量帶正電荷的鐵離子聚集在表面, 而沒(méi)有處在磁埸的那一端的鐵片的表面的帶正電荷的鐵離子數(shù)量沒(méi)有處在磁埸中的一端多,當(dāng)接通電路后,處在磁埸這一端的鐵片表面上的鐵離子得到電子(還原)變?yōu)殍F原子沉淀在鐵片表面,而沒(méi)有處在磁埸那一端的鐵片失去電子(氧化)變?yōu)殍F離子進(jìn)入硫酸亞鐵溶液中。因?yàn)樵谕饨拥碾娏鞅盹@示,有電流的流動(dòng),可以證明有電子的轉(zhuǎn)移,而電子流動(dòng)方向是由電源的負(fù)極流向電源的正極,負(fù)極鐵片上鐵原子失去電子后,就變成了鐵離子,進(jìn)入了硫酸亞鐵溶液中。下圖所示。
11、 確定"磁場(chǎng)中的.電化學(xué)反應(yīng)"的正、負(fù)極,確認(rèn)正極是處在磁體的位置這一端。這是通過(guò)電流表指針移動(dòng)方向來(lái)確定的。
12、 改變電流表指針移動(dòng)方向的實(shí)驗(yàn),移動(dòng)鐵氧體磁體實(shí)驗(yàn),將第10步驟中的磁體從某一片上移開(kāi)(某一片鐵片可以退磁處理,如放在交變磁埸中退磁,產(chǎn)生的電流要大一些)然后放到另一片鐵片附近,同樣有電流的產(chǎn)生,注意這時(shí)正極的位置發(fā)生了變化,電流表的指針移動(dòng)方向產(chǎn)生了變化。
如果用稀土磁體,由于產(chǎn)生的電流強(qiáng)度較大,電流表就沒(méi)有必要調(diào)整0為50毫安處。而用改變接線的方式來(lái)讓電流表移動(dòng)。
改變磁體位置:如果用磁體直接吸引鐵片電極沒(méi)有浸在液體中的部份的方式來(lái)改變磁體位置,鐵片電極不退磁處理也行。
下圖所示磁體位置改變,電流表指針偏轉(zhuǎn)方向改變。證明電流流動(dòng)方向改變,《磁場(chǎng)中電化學(xué)反應(yīng)》成立。電流流動(dòng)方向說(shuō)明了磁體在電極的正極位置。
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
此演示實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的電流是微不足道的,我認(rèn)為此演示的重點(diǎn)不在于產(chǎn)生電流的強(qiáng)度的大小,而重點(diǎn)是演示出產(chǎn)生電流流動(dòng)的方向隨磁體的位置變動(dòng)而發(fā)生方向性的改變,這就是說(shuō)此電源的正極是隨磁體在電源的那一極而正極就在磁體的那一極。因此,可以證明,"磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)"是成立的,此電化學(xué)反應(yīng)是隨磁體位置發(fā)生變化而產(chǎn)生的可逆的電化學(xué)反應(yīng)。請(qǐng)?zhí)貏e注意"可逆"二字,這是本物理現(xiàn)象的重點(diǎn)所在。
通過(guò)磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)證實(shí):物理學(xué)上原電池的定律在恒定磁場(chǎng)中是不適用的(原電池兩極是用不同種金屬,而本實(shí)驗(yàn)兩極是用相同的金屬)。
通過(guò)磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)證實(shí):物理學(xué)上的洛侖茲力(洛倫茲力)定律應(yīng)修正,洛侖茲力對(duì)磁性運(yùn)動(dòng)電荷是吸引力,而不是偏轉(zhuǎn)力。并且洛侖茲力要做功。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí),產(chǎn)生電流與磁場(chǎng)有關(guān),電流流流動(dòng)的方向與磁體的位置有關(guān)。電極的兩極是用的同種金屬,當(dāng)負(fù)極消耗后又補(bǔ)充到正極,由于兩極是同種金屬,所以總體來(lái)說(shuō),電極沒(méi)有發(fā)生消耗。這是與以往的電池的區(qū)別所在。而且,正極與負(fù)極可以隨磁體位置的改變而改變,這也是與以往的電池區(qū)別所在。
《磁場(chǎng)中電化學(xué)反應(yīng)》電源的正極與負(fù)極可以循環(huán)使用。
產(chǎn)生的電能大小所用的計(jì)算公式應(yīng)是法拉弟電解定律,法拉第電解第一定律指出,在電解過(guò)程中,電極上析出產(chǎn)物的質(zhì)量,和電解中通入電流的量成正比,法拉第電解第二定律指出:各電極上析出產(chǎn)物的量,與各該物質(zhì)的當(dāng)量成正比。法拉第常數(shù)是1克當(dāng)量的任何物質(zhì)產(chǎn)生(或所需) 的電量為96493庫(kù)侖。而移動(dòng)磁體或移動(dòng)電極所消耗的功應(yīng)等于移動(dòng)磁體或移動(dòng)電極所用的力乘以移動(dòng)磁體或移動(dòng)電極的距離。
四、進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的方向
1、 在多大的鐵片面積下,產(chǎn)生多大的電流?具體數(shù)字還要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn),從目前實(shí)驗(yàn)來(lái)看,鐵片面積及磁場(chǎng)強(qiáng)度大的條件下,產(chǎn)生的電流強(qiáng)度大。如鐵片浸入硫酸亞鐵溶液20毫米時(shí)要比浸入10毫米時(shí)的電流強(qiáng)度大。
2、 產(chǎn)生電流與磁場(chǎng)有關(guān),還要作進(jìn)一步的定量實(shí)驗(yàn)及進(jìn)一步的理論分析。如用稀土磁體比鐵氧體磁體的電流強(qiáng)度大,在實(shí)驗(yàn)中,最大電流強(qiáng)度為200微安。可以超過(guò)200微安,由于電流表有限,沒(méi)有讓實(shí)驗(yàn)電流超過(guò)200微安。
3、 產(chǎn)生的電流值隨時(shí)間變化的曲線圖A-T(電流-時(shí)間),還要通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)畫(huà)出。
4、 電解液的濃度及用什么樣電解液較好?還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。
五、新學(xué)科
由于《磁場(chǎng)中的電化學(xué)反應(yīng)》在書(shū)本及因特網(wǎng)上查不到現(xiàn)成的資料,可以說(shuō)是一門(mén)新學(xué)科,因此,還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此文起拋磚引玉之用。我希望與有識(shí)之士共同進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。
我的觀點(diǎn)是,一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn),需要不同的時(shí)間、不同的人、不同的地點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)成功才行。
參考文獻(xiàn)
注1、《蓄電池的使用和維護(hù)》一書(shū)中講到堿性鐵鎳蓄電池的內(nèi)容。
1979年北京第2版,統(tǒng)一書(shū)號(hào):15045 總2031-有514湖南省郵電管理局《蓄電池的使用和維護(hù)》編寫(xiě)組,人民郵電出版社
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