吳 坤,李飛飛,陳 平

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,天津300071)

雙電層電容的測(cè)量

吳 坤,李飛飛,陳 平

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,天津300071)

根據(jù)南開大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的教學(xué)與設(shè)備狀況,開設(shè)了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“雙電層電容的測(cè)量”.本文包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理,得到雙電層電容的基本現(xiàn)象.

雙電層電容;電解質(zhì);鎖相放大器

1 引 言

綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開設(shè),是深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要措施,是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力和創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的重要實(shí)踐環(huán)節(jié),是培養(yǎng)應(yīng)用型人才和提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段,是實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育的良好途徑,是深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,適應(yīng)人才培養(yǎng)需要的重要舉措,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不可缺少的類型.各個(gè)高校對(duì)開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了積極的探索并予以實(shí)施,有力地推動(dòng)了高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[1].

從操作層面上看,實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須遵循教學(xué)原則和教學(xué)規(guī)律,在開發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮學(xué)校的實(shí)際條件、學(xué)生的接受能力和心理特點(diǎn).有時(shí)雖然某一實(shí)驗(yàn)的物理思想很新穎,但超出了學(xué)生的知識(shí)水平,或者花費(fèi)較大或者存在安全隱患,也就沒沒有了教學(xué)價(jià)值.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的選題應(yīng)緊緊圍繞學(xué)生的綜合能力、設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)這一目標(biāo),注意與課程設(shè)計(jì)、課外科技活動(dòng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革協(xié)調(diào)一致,在不偏離課程教學(xué)大綱(實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱)的同時(shí)又能兼顧科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[2].

根據(jù)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的的教學(xué)與設(shè)備狀況,結(jié)合南開大學(xué)“百項(xiàng)工程”嘗試了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“雙電層電容的測(cè)量”.

2 雙電層電容的理論與現(xiàn)狀

雙電層電容器[3]是建立在德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器.如果在電解液中同時(shí)插入2個(gè)電極,并在其間施加一小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓,這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng),電解質(zhì)溶液中的電極表面與液面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過剩電荷,并分別在2個(gè)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(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的極化電荷相似,從而產(chǎn)生電容效應(yīng),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(nèi)阻較大,可在無負(fù)載電阻情況下直接充電.

電化學(xué)電容具有優(yōu)良的脈沖充放電性能以及傳統(tǒng)物理電容所不具有的大容量?jī)?chǔ)能性能,因而在高能脈沖激光器中的應(yīng)用已經(jīng)引起了人們的廣泛注意.同時(shí),因其存儲(chǔ)能量大,質(zhì)量輕,可多次充放電而被人們用作計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的備用電源.隨著環(huán)保型電動(dòng)汽車研究的興起,電化學(xué)電容與鉛酸電池及其他電池配合使用,組成復(fù)合電源系統(tǒng),用于電動(dòng)汽車的啟動(dòng)和剎車系統(tǒng).電化學(xué)電容器在電動(dòng)汽車啟動(dòng)和爬坡時(shí)快速提供大功率電流;在正常行駛時(shí)由蓄電池快速充電;在剎車時(shí)快速儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的瞬間大電流.這可以降低電動(dòng)車輛對(duì)蓄電池大功率放電的限制要求,大大延長(zhǎng)蓄電池循環(huán)使用壽命,提高電動(dòng)汽車的實(shí)用性.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

電容的測(cè)量是當(dāng)前大學(xué)物理電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)較為基礎(chǔ)和普遍的內(nèi)容,一般有 RC穩(wěn)態(tài)電路、RC暫態(tài)過程、交流橋?qū)嶒?yàn)等[4].待測(cè)樣品一般為購(gòu)置的商用電容,存在著內(nèi)容簡(jiǎn)單單調(diào)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果已知等缺點(diǎn).

選取“雙電層電容”作為一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目是基于以下幾點(diǎn)原因:a.所需設(shè)備為通用設(shè)備,容易獲得和替代;b.待測(cè)樣品簡(jiǎn)單廉價(jià),只需要金屬電極和電解質(zhì)溶液;c.結(jié)合了實(shí)際應(yīng)用與前沿的內(nèi)容;d.實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為復(fù)雜,沒有完整的解釋與結(jié)論;e.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可多可少,彈性較大;f.實(shí)驗(yàn)安全,所用電壓不超過1 V,設(shè)備也不易損壞,可放心讓學(xué)生實(shí)驗(yàn).

3.1 實(shí)驗(yàn)方案的選擇

教師讓學(xué)生自己決定實(shí)驗(yàn)方案.學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)提出用充放電法測(cè)量靜態(tài)電容,用交流橋與RC回路測(cè)量動(dòng)態(tài)電容.電極采用不同大小的銅片,電解質(zhì)溶液選取了NaCl與NaOH水溶液(沒有選擇強(qiáng)酸溶液以免腐蝕銅片).教師本不同意學(xué)生用強(qiáng)堿溶液作為電解質(zhì)的方案,擔(dān)心燒傷.有學(xué)生表示曾選修過化學(xué)實(shí)驗(yàn),保證不會(huì)出現(xiàn)安全問題.經(jīng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備

利用實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備,同學(xué)們準(zhǔn)備了Agilent 54622A數(shù)字存儲(chǔ)示波器、Signalrecovery 7265鎖相放大器、keithley2000數(shù)字萬(wàn)用表、南京盛普科技的F05信號(hào)發(fā)生器、交流電阻箱、可變電容箱、直流穩(wěn)壓電源、電子天平、燒杯、塑料杯、導(dǎo)線、開關(guān)等(紅色為了指明設(shè)備型號(hào)).設(shè)備中包括一些較為貴重的進(jìn)口設(shè)備,但只是因?yàn)橐延械脑?完全可以用較為便宜的設(shè)備代替,對(duì)整體實(shí)驗(yàn)沒有影響.

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)采用了 RC暫態(tài)電路、RC穩(wěn)態(tài)電路、交流電容橋,電路見圖1～3.

圖1 RC暫態(tài)電路

圖2 RC穩(wěn)態(tài)電路

圖3 交流電容橋

用電子天平測(cè)量定量蒸餾水作為溶劑,各種質(zhì)量的無碘食鹽和NaCl作為溶質(zhì),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(shí)驗(yàn)結(jié)果

交流電容橋很難調(diào)平衡,故放棄了此實(shí)驗(yàn)方法.以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由 RC暫態(tài)電路和RC穩(wěn)態(tài)電路給出.

圖4是對(duì)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(lián)電阻.由積分可得出電容儲(chǔ)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(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

學(xué)生自己配置溶液,制作電極,分別用RC暫態(tài)電路和RC穩(wěn)態(tài)電路對(duì)雙電層電容進(jìn)行了測(cè)量,得出了電容的儲(chǔ)能值以及電容與溶液濃度間的數(shù)值關(guān)系.通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生們熟悉了鎖相放大器、示波器等儀器的使用,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了一定處理和分析,增強(qiáng)了解決實(shí)驗(yàn)問題的能力.當(dāng)然還有許多不足.例如:沒有對(duì)原理與機(jī)制深入分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單薄,等等.而這也正是研究性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),讓不同的學(xué)生可以做出不同的內(nèi)容,發(fā)現(xiàn)不同的問題,避免了簡(jiǎn)單的重復(fù).

[1]黃永蓮,趙莉.綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器,2008,(5):19-21.

[2]宋衛(wèi)星.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程規(guī)范化的思考與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(xué)電容器研究進(jìn)展[J].電源技術(shù),2001,25(增):166-170.

[4]劉少杰,于健.大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)(電磁學(xué)分冊(cè)).天津:南開大學(xué)出版社,2008.

[責(zé)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(guó)高等院校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2010-04-08

國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金(南開大學(xué)物理學(xué)基地)(No.J0730315)

吳 坤(1990-),男,安徽滁州人,南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院2006級(jí)本科生.

指導(dǎo)教師:李飛飛(1976-),男,河北昌黎人,南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院副研究員,博士,從事凝聚態(tài)物理方面研究.