金属在水溶液中的物理电池效应 

      实验部分

1．1 高山上为负极山脚下为正极形成物理电池效应

实验器材：两块完全相同的304不锈钢板，厚度1.97mm，面积270mm×330mm，数字万用表，导线，海拔表。

不锈钢的基本情况：不锈钢板表面光洁，有较高的塑性、韧性和机械强度，耐酸、碱性气体、溶液和其他介质的腐蚀。它是一种不容易生锈的合金钢【2】

实验过程：

1、将一块钢板埋在山顶上，另一块钢板埋在山脚下，山顶到山脚下的高度为100米，用导线将两块钢板以及数字万用表连接好，如图1。山上的钢板为负极，山下的钢板为正极，电子源源不断地从山上流到山下，形成稳定的电压和电流（78.11mV,0.0525mA）。

1．2 海洋深处为负极海洋浅处为正极形成物理电池效应

实验器材：

两块一模一样的304不锈钢板，厚度1.97mm，面积270mmx330mm，数字万用表，导线。

实验过程：

将一块钢板放入海平面下15米深处，另一块钢板放置在海平面下1米深处，用导线及数字万用表将两块钢板连接好，如图2。水下15米深的钢板为负极，水下1米深的钢板为正极，电子源源不断地从下面流向上面，形成稳定的电压和电流（160.5mV,1.218mA）。

1．3两个形状相同的不同金属放置在盐水里，在没有化学反应条件下形成的物理电池效应

实验器材：

不锈钢板，铅板，数字万用表，塑料桶，盐水，加热棒，温度计。

实验过程：

1．3．1在室温条件下，将一块不锈钢板和一块铅板放入配制好的饱和盐水里，由于盐水有从不锈钢表面获取自由电子的能力，而铅板有从盐水中获取自由电子的能力，不锈钢板里的自由电子密度减小，而铅板里的自由电子密度增大，自由电子会从铅板流向不锈钢板，形成电压和电流，如图3所示，稳定后的电流为8.89mA,开路电压为483.3mV。整个过程没有化学反应。

图3

1．3．2下面我们把1.3.1中的实验装置作为一个独立的物理电池，建立四个同样的物理电池，然后将四个物理电池串联起来，测量其电压和电流，如图4所示，稳定后的电流为6.204mA,开路电压1.4471V，整个过程没有化学变化，不需要人为做功。

图4

在盐水中增加一块不锈钢板，测得稳定后的电流增加到4.24mA，在盐水中再增加一块铅板，测得稳定后的电流增加至9.75mA,如图5所示，随着金属板面积的增大电流增大。

图5

1.3.3盐水温度对电压的影响：将一块不锈钢板和一块铅板放置到盐水中，用加热棒对盐水进行加热，在10.9度至44.3度之间电压无明显变化，超过44.3度后，电压迅速下降，产生放电现象，如图6所示。根据这些变化数据，绘制折线图如图7所示。

图6

图7

1．4两个形状不同的同一种金属放置在盐水里，在没有化学反应的条件下形成的物理电池效应

实验器材：

不锈钢板，不锈钢柱，铅板，铅球，数字万用表，塑料桶，盐水。

实验过程：

1.4.1在室温条件下，两个形状不同的同一种金属，放置到配制好的饱和盐水里，由于它们的表面积S与他们的质量M的比值不同，它们从水溶液中获取自由电子（或是被获取自由电子）后，两块金属中单位体积内的自由电子密度不同，电子会从电子密度大的金属流向电子密度小的金属。例如：一块304不锈钢柱和一块304不锈钢板放在盐水里，盐水有从304不锈钢表面获取电子的能力，一块不锈钢柱的面积/质量（s/M）小于一块不锈钢板的面积/质量（S/m）,失去电子后不锈钢板里的电子密度小于不锈钢柱里的电子密度，电子会从不锈钢柱流向不锈钢板，如图8所示，形成电流和电压，稳定后的电流为0.242mA,开路电压为300.3mV。整个过程没有化学反应，并且是在室温条件下。不锈钢板越薄电流和电压越大。

图8

1.4.2再例如：一个1.5KG的铅球和一块1.5KG的铅板，把它们放置到饱和盐水里，金属铅有从盐水中获取自由电子的能力，但是由于同样质量的铅球和铅板与盐水的接触面积不同，获取自由电子的速度也不同，导致铅板内部的自由电子密度大于铅球内部的自由电子密度，自由电子从铅板流向铅球，如图9所示，稳定后的电流为0.0302mA.

图9

2实验总结:

2.1自然界中自由电子的分布并不均衡，随着海拔高度的不同，会产生物理电池效应，随着海洋深度的不同也会产生物理电池现象。阴雨天雷电的产生以及火山喷发伴随着雷电的爆发也都证明了这一点。如果我们能将地下熔岩与地表用导线连接起来，将会有强大的电流通过，形成一个巨大的取之不尽用之不竭的绿色环保的自然发电厂。

2.2将两个面积与质量比（S/M）不同的同一种金属或是两种不同的金属放置到某种介质中，由于它们获取自由电子(或是被获取自由电子)的能力不同，在两块金属之间会有电压和电流产生，这种效应暂且称之为物理电池效应。这种效应不同于塞贝克效应（或温差效应）【3】，区别1：塞贝克效应必须是两种不同的金属，而物理电池效应可以是同一种金属；区别2：塞贝克效应必须有温度差，而物理电池效应不需要温度差。利用物理电池效应，如果我们选择两种合适的金属，把它们制作的足够薄，面积足够大，将其串联起来，就可以制作出一种永久电池，这种电池会自动地不断地从周围环境吸收热量；利用这一效应也可以测量土壤里电子密度变化，电子密度变大，电流会增大，从而用于地震预测；利用这一效应还可以制作出像热电偶一样的探测仪，测量酸碱度，还可以测量海水的含盐度。

2.3 上述实验从一个侧面也反应了，自然界中的电子和质子并不是一一对应的，我们平时所感受到的电流，只不过是电子从密度大的地方向密度小的地方扩散过程，而电能只不过是电子将自身的动能释放出去所产生的，正象我在《宇宙是基本粒子的混合体》【4】中讲到的一样，质子无电，电子无电，电子是靠易子【5】气压被束缚在原子核的表面，一个原子核外围能束缚多少个电子与原子核的表面有关，正因如此，所以大多数原子核所束缚的电子数并不是电子的整数倍，从而使不同元素有了不同的化学性质。

参考文献：

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

【2】梁鹏, 徐洪峰, 刘明, 等. 镀银-石墨涂层 316L 不锈钢双极板的电化学性能测试及表征[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】李华旺. 宇宙是基本粒子的混合体[J]. 科技资讯, 2009 (30): 167-168.