金屬在水溶液中的物理電池效應(yīng)

摘 要：目的 研究不同條件下的物理電池效應(yīng)。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(gè)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(méi)有化學(xué)反應(yīng)條件下。（4）兩個(gè)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(méi)有化學(xué)反應(yīng)條件下。結(jié)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(gè)形狀相同的不同金屬放置在水溶液里，盡管沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，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(gè)形狀不同的同一種金屬放置在水溶液里，盡管沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，但是由于金屬單位質(zhì)量在單位時(shí)間內(nèi)獲取（或是被獲?。╇娮訑?shù)量不同。結(jié)論 以上四種情況均可以形成沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的物理電池。

關(guān)鍵詞：電池 電子 鹽度測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：O64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xué)反應(yīng)。事實(shí)上，電子在自然界物體中的分布并不均衡，只要給電子創(chuàng)造出一個(gè)通道，電子就會(huì)從密度大的地方流向密度小的地方。這里通過(guò)一系列的物理實(shí)驗(yàn)證明制作沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)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(yīng)。而隨著微電子科學(xué)的發(fā)展，這種微電流電池必將發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，在更廣闊領(lǐng)域里，電子密度的差別將會(huì)更大，比如電子在地球內(nèi)部熔巖里的密度與電子在地球表面土壤里的密度，可能會(huì)有非常大的差別，而這種可能形成一個(gè)天然的大發(fā)電廠。一些自然現(xiàn)象，例如火山噴發(fā)伴隨劇烈的雷電或許已經(jīng)向我們預(yù)示這一潛在應(yīng)用了。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 高山上為負(fù)極山腳下為正極形成物理電池效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)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(shù)字萬(wàn)用表，導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度，耐酸、堿性氣體、溶液和其他介質(zhì)的腐蝕。它是一種不容易生銹的合金鋼[2]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

將一塊鋼板埋在山頂上，另一塊鋼板埋在山腳下，山頂?shù)缴侥_下的高度為100 m，用導(dǎo)線將兩塊鋼板以及數(shù)字萬(wàn)用表連接好，如圖1所示。山上的鋼板為負(fù)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(wěn)定的電壓和電流（78.11 mV，0.0525 mA），

1.2 海洋深處為負(fù)極海洋淺處為正極形成物理電池效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)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(shù)字萬(wàn)用表，導(dǎo)線。

實(shí)驗(yàn)過(guò)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(dǎo)線及數(shù)字萬(wàn)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(fù)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(wěn)定的電壓和電流（160.5 mV，

1.218 mA）。

1.3 兩個(gè)形狀相同的不同金屬放置在鹽水里，在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)條件下形成的物理電池效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)器材：

不銹鋼板，鉛板，數(shù)字萬(wàn)用表，塑料桶，鹽水，加熱棒，溫度計(jì)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)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(huì)從鉛板流向不銹鋼板，形成電壓和電流，如圖3所示，穩(wěn)定后的電流為8.89 mA，開(kāi)路電壓為483.3 mV。整個(gè)過(guò)程沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。

（2）下面我們把（1）中的實(shí)驗(yàn)裝置作為一個(gè)獨(dú)立的物理電池，建立四個(gè)同樣的物理電池，然后將四個(gè)物理電池串聯(lián)起來(lái)，測(cè)量其電壓和電流，如圖4所示，穩(wěn)定后的電流為6.204 mA，開(kāi)路電壓1.4471 V，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有化學(xué)變化，不需要人為做功。

在鹽水中增加一塊不銹鋼板，測(cè)得穩(wěn)定后的電流增加到4.24 mA，在鹽水中再增加一塊鉛板，測(cè)得穩(wěn)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(duì)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(duì)鹽水進(jìn)行加熱，在10.9°～44.3°之間電壓無(wú)明顯變化，超過(guò)44.3°后，電壓迅速下降，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，如圖6所示。根據(jù)這些變化數(shù)據(jù)，繪制折線圖如圖7所示。

1.4 兩個(gè)形狀不同的同一種金屬放置在鹽水里，在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的條件下形成的物理電池效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)器材：

不銹鋼板，不銹鋼柱，鉛板，鉛球，數(shù)字萬(wàn)用表，塑料桶，鹽水。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

（1）在室溫條件下，兩個(gè)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(zhì)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(nèi)的自由電子密度不同，電子會(huì)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(zhì)量（S/M）小于一塊不銹鋼板的面積/質(zhì)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(huì)從不銹鋼柱流向不銹鋼板，如圖8所示，形成電流和電壓，穩(wěn)定后的電流為0.242 mA，開(kāi)路電壓為300.3 mV。整個(gè)過(guò)程沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，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(gè)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(zhì)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(dǎo)致鉛板內(nèi)部的自由電子密度大于鉛球內(nèi)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(wěn)定后的電流為0.0302 mA。

2 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

（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(huì)產(chǎn)生物理電池效應(yīng)，隨著海洋深度的不同也會(huì)產(chǎn)生物理電池現(xiàn)象。陰雨天雷電的產(chǎn)生以及火山噴發(fā)伴隨著雷電的爆發(fā)也都證明了這一點(diǎn)。如果我們能將地下熔巖與地表用導(dǎo)線連接起來(lái)，將會(huì)有強(qiáng)大的電流通過(guò)，形成一個(gè)巨大的取之不盡用之不竭的綠色環(huán)保的自然發(fā)電廠。

（2）將兩個(gè)面積與質(zhì)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(zhì)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(huì)有電壓和電流產(chǎn)生，這種效應(yīng)暫且稱(chēng)之為物理電池效應(yīng)。這種效應(yīng)不同于塞貝克效應(yīng)（或溫差效應(yīng)）[3]，區(qū)別1：塞貝克效應(yīng)必須是兩種不同的金屬，而物理電池效應(yīng)可以是同一種金屬；區(qū)別2：塞貝克效應(yīng)必須有溫度差，而物理電池效應(yīng)不需要溫度差。利用物理電池效應(yīng)，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(lián)起來(lái)，就可以制作出一種永久電池，這種電池會(huì)自動(dòng)地不斷地從周?chē)h(huán)境吸收熱量；利用這一效應(yīng)也可以測(cè)量土壤里電子密度變化，電子密度變大，電流會(huì)增大，從而用于地震預(yù)測(cè)；利用這一效應(yīng)還可以制作出像熱電偶一樣的探測(cè)儀，測(cè)量酸堿度，還可以測(cè)量海水的含鹽度。

（3）上述實(shí)驗(yàn)從一個(gè)側(cè)面也反應(yīng)了，自然界中的電子和質(zhì)子并不是一一對(duì)應(yīng)的，我們平時(shí)所感受到的電流，只不過(guò)是電子從密度大的地方向密度小的地方擴(kuò)散過(guò)程，而電能只不過(guò)是電子將自身的動(dòng)能釋放出去所產(chǎn)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(zhì)子無(wú)電，電子無(wú)電，電子是靠易子[5]氣壓被束縛在原子核的表面，一個(gè)原子核外圍能束縛多少個(gè)電子與原子核的表面有關(guān)，正因如此，所以大多數(shù)原子核所束縛的電子數(shù)并不是電子的整數(shù)倍，從而使不同元素有了不同的化學(xué)性質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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[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(tǒng)一理論之一 發(fā)現(xiàn)易子[J].中國(guó)科技縱橫，2009（78）.