《磁場中的電化學反應》的實驗報告範文
一、前言
現有製造電池、蓄電池的原理是電化學反應。電極是不同種元素、不同種化合物構成,產生電流不需要磁場的參與。
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沒有外加磁場的參與。
透過數次實驗證明,在磁場中是可以發生電化學反應的。本實驗報告是研究電化學反應發生在磁場中,電極是用同種元素、同種化合物。
《磁場中的電化學反應》不同於燃料電池、磁流體發電。
二、實驗方法和觀察結果
1、所用器材及材料
(1):長方形塑膠容器一個。約長100毫米、寬40毫米、高50毫米。
(2):磁體一塊,上面有一根棉線,棉線是作為掛在牆上的釘子上用。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):塑膠瓶一個,內裝硫酸亞鐵,分析純。
(4):鐵片兩片。(對鐵片要進行除鏽處理,用砂紙除鏽、或用刀片除鏽、或用酸清洗。)用的罐頭鐵皮,長110毫米、寬20毫米。表面用砂紙處理。
2、 電流表,0至200微安。
用微安表,由於要讓指標能向左右移動,用表頭上的調0螺絲將指標向右的方向調節一定位置。即通電前指標在50微安的位置作為0,或者不調節。
3、 "磁場中的電化學反應"裝置是直流電源,本實驗由於要使用電流表,一般的電流表指標的偏轉方向是按照電流流動方向來設計的,(也有隨電流流動方向改變,電流表指標可以左右偏轉的電流表。本實驗報告示意圖就是畫的隨電流流動方向改變,電流表指標可以向左或向右偏轉的電流表)。因此本演示所講的是電流流動方向,電流由"磁場中的電化學反應"裝置的正極流向"磁場中的電化學反應"裝置的負極,透過電流表指標的偏轉方向,可以判斷出"磁場中的電化學反應"裝置的正極、負極。
4、 手拿磁體,靠近塑膠瓶,明顯感到有吸引力,這是由於塑膠瓶中裝了硫酸亞鐵,說明硫酸亞鐵是鐵磁性物質。
5、 將塑膠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,這時有一部分硫酸亞鐵被吸引在磁體上,進一步說明硫酸亞鐵是鐵磁性物質。
6、 將磁體用棉線掛在牆上一個釘子上讓磁體懸空垂直不動,用裝有硫酸亞鐵的塑膠瓶靠近磁體,當還未接觸到懸空磁體時,可以看到懸空磁體已開始運動,此事更進一步說明硫酸亞鐵是鐵磁性物質。(注:用另一個塑膠瓶裝入硫酸亞鐵飽和溶液產生的現象同樣)
7、 透過步驟4、5、6我們得到這樣的共識,硫酸亞鐵是鐵磁性物質。
8、 將塑膠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,然後倒入一個長方形的塑膠容器中。實驗是用的飽和硫酸亞鐵溶液。裝入長方形容器中的液麵高度為40毫米。
9、 將鐵片分別放在塑膠容器中的硫酸亞鐵溶液兩端中,但要留大部分在溶液之上,以便用電流表測量電流。由於兩個電極是用的同種金屬鐵,沒有電流的產生。
10、 然後,在塑膠容器的外面,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。用電流表測量兩片鐵片之間的電流,可以看到有電流的產生。(如果用單方向移動的電流表,注意電流表的正極應接在放磁體的那一端),測量出電流強度為70微安。為什麼同種金屬作電極在酸、鹼、鹽溶液中有電流的產生?電位差是怎樣形成的?我是這樣看這個問題的:由於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量少於處在磁埸中的鐵片的帶正電荷的鐵離子數量,這兩片鐵片之間有電位差的存在,當用導線接通時,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)這樣就有電流產生。可以用化學上氧化-還原反應定律來看這個問題。處在磁埸這一端的鐵片的表面由於有大量帶正電荷的鐵離子聚集在表面, 而沒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量沒有處在磁埸中的一端多,當接通電路後,處在磁埸這一端的鐵片表面上的鐵離子得到電子(還原)變為鐵原子沉澱在鐵片表面,而沒有處在磁埸那一端的鐵片失去電子(氧化)變為鐵離子進入硫酸亞鐵溶液中。因為在外接的電流表顯示,有電流的流動,可以證明有電子的轉移,而電子流動方向是由電源的負極流向電源的正極,負極鐵片上鐵原子失去電子後,就變成了鐵離子,進入了硫酸亞鐵溶液中。下圖所示。
11、 確定"磁場中的.電化學反應"的正、負極,確認正極是處在磁體的位置這一端。這是透過電流表指標移動方向來確定的。
12、 改變電流表指標移動方向的實驗,移動鐵氧體磁體實驗,將第10步驟中的磁體從某一片上移開(某一片鐵片可以退磁處理,如放在交變磁埸中退磁,產生的電流要大一些)然後放到另一片鐵片附近,同樣有電流的產生,注意這時正極的位置發生了變化,電流表的指標移動方向產生了變化。
如果用稀土磁體,由於產生的電流強度較大,電流表就沒有必要調整0為50毫安處。而用改變接線的方式來讓電流表移動。
改變磁體位置:如果用磁體直接吸引鐵片電極沒有浸在液體中的部份的方式來改變磁體位置,鐵片電極不退磁處理也行。
下圖所示磁體位置改變,電流表指標偏轉方向改變。證明電流流動方向改變,《磁場中電化學反應》成立。電流流動方向說明了磁體在電極的正極位置。
三、實驗結果討論
此演示實驗產生的電流是微不足道的,我認為此演示的重點不在於產生電流的強度的大小,而重點是演示出產生電流流動的方向隨磁體的位置變動而發生方向性的改變,這就是說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,"磁場中的電化學反應"是成立的,此電化學反應是隨磁體位置發生變化而產生的可逆的電化學反應。請特別注意"可逆"二字,這是本物理現象的重點所在。
透過磁場中的電化學反應證實:物理學上原電池的定律在恆定磁場中是不適用的(原電池兩極是用不同種金屬,而本實驗兩極是用相同的金屬)。
透過磁場中的電化學反應證實:物理學上的洛侖茲力(洛倫茲力)定律應修正,洛侖茲力對磁性運動電荷是吸引力,而不是偏轉力。並且洛侖茲力要做功。
透過實驗證實,產生電流與磁場有關,電流流流動的方向與磁體的位置有關。電極的兩極是用的同種金屬,當負極消耗後又補充到正極,由於兩極是同種金屬,所以總體來說,電極沒有發生消耗。這是與以往的電池的區別所在。而且,正極與負極可以隨磁體位置的改變而改變,這也是與以往的電池區別所在。
《磁場中電化學反應》電源的正極與負極可以迴圈使用。
產生的電能大小所用的計算公式應是法拉弟電解定律,法拉第電解第一定律指出,在電解過程中,電極上析出產物的質量,和電解中通入電流的量成正比,法拉第電解第二定律指出:各電極上析出產物的量,與各該物質的當量成正比。法拉第常數是1克當量的任何物質產生(或所需) 的電量為96493庫侖。而移動磁體或移動電極所消耗的功應等於移動磁體或移動電極所用的力乘以移動磁體或移動電極的距離。
四、進一步實驗的方向
1、 在多大的鐵片面積下,產生多大的電流?具體數字還要進一步實驗,從目前實驗來看,鐵片面積及磁場強度大的條件下,產生的電流強度大。如鐵片浸入硫酸亞鐵溶液20毫米時要比浸入10毫米時的電流強度大。
2、 產生電流與磁場有關,還要作進一步的定量實驗及進一步的理論分析。如用稀土磁體比鐵氧體磁體的電流強度大,在實驗中,最大電流強度為200微安。可以超過200微安,由於電流表有限,沒有讓實驗電流超過200微安。
3、 產生的電流值隨時間變化的曲線圖A-T(電流-時間),還要透過進一步實驗畫出。
4、 電解液的濃度及用什麼樣電解液較好?還需進一步實驗。
五、新學科
由於《磁場中的電化學反應》在書本及因特網上查不到現成的資料,可以說是一門新學科,因此,還需要進一步的實驗驗證。此文起拋磚引玉之用。我希望與有識之士共同進行進一步的實驗。
我的觀點是,一項新實驗,需要不同的時間、不同的人、不同的地點重複實驗成功才行。
參考文獻
注1、《蓄電池的使用和維護》一書中講到鹼性鐵鎳蓄電池的內容。
1979年北京第2版,統一書號:15045 總2031-有514湖南省郵電管理局《蓄電池的使用和維護》編寫組,人民郵電出版社