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  • 伏安法测电压
    2020-12-19 14:50:23

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    1

    伏安法测量实验中的误差分析

    北京新东方学校中学部物理教研组

    夏梦迪

    伏安法是高中物理电学实验中的一种非常重要的方法和实验思想。它以欧姆定律为原理,

    以伏特表(直流电压表)和安培表(直流电流表)为工具,向学生们提供了一种在测量电路中

    的一些重要电器元件的电学性质时的最为广泛使用、

    也最为行之有效的方法。

    同时,

    在高中电

    学中以伏安法为核心方法的一系列的测量实验的教学意义和考试价值也非常重大。

    这一组实验

    不仅在理论上覆盖了了稳恒电流一章中最核心的两个定律:

    部分电路的欧姆定律和全电路的欧

    姆定律,

    同时还涵盖了对电流表和电压表的使用的研究和学习、

    对电路中滑动变阻器的两种连

    接方式的讨论等等极其重要的知识及考点。

    但是在考试里被涉及最多、

    同时也是学生最难以透

    彻理解和记忆的知识点,则是在这些实验中,电流表的内外两种接法给实验结果带来的误差。

    本文便是希望能够通过对这样的一个问题的系统地介绍和分析,

    最终能够用更加直观和透彻的

    方式解释清楚在这些实验中电流表的两种接法所带来的实验误差的规律、特性以及理论原因。

    在高中阶段,

    伏安法的测量实验主要由三个实验组成:

    伏安法测电阻实验、

    绘制小电珠

    (小

    灯泡)

    的伏安特性曲线实验、

    以及伏安法测电源的电动势及内阻实验。

    其中前两个实验的原理

    都是部分电路的欧姆定律

    (

    U=I

    ·

    R

    )

    而最后一

    个实验的原理是全电路的欧姆定律

    (

    E=U+I

    ·

    R

    )

    在只研究本文所关注的

    “电流表的接法问题对实验结果的影响”

    这一问题时,

    前两个实验从实

    质上来说是等价的。因此为了避免重复叙述,本文将只对“伏安法测电阻”和“伏安法测电源

    的电动势及内阻”这两个实验中由电流表的不同接法所产生的误差进行详细的分析与介绍。

    I

    内、外接法的介绍

    在电学实验中利用伏安法测量电阻阻值和电源电动势和内阻的原理都是欧姆定律。

    其区别

    主要在于前者是利用部分电路的欧姆定律,

    只研究单一的电阻两端的电压和其中的电流之间的

    关系,

    从而得到电阻的阻值与伏安特性曲线;

    而后者是利用全电路的欧姆定律,

    来研究整个电

    路的路端电压

    (外电压)

    和干路电流之间的关系,

    从而得到电源的电动势及内阻以及一条关于

    电源的

    UI

    图像。而正是这样的研究目的和研究对象的区别,给两个实验的电路图、电表所接

    位置、

    以及在实验中对电流表的内外接法的定义带来了一定的差异。

    其中,

    对在两个实验中电

    路内、外接法的辨识成为了这块内容的第一个难点和易错点。于是,对“内、外接法”的真实

    概念的分析与介绍,即是本文将要首先解决的问题。

    首先我们应当明白的是在伏安法测量实验中产生

    “内、

    外接”

    两种不同电路的原因。

    在用

    伏安法测量电器元件的电学特性时,

    我们的核心思想都是希望能够直接研究该元件两端的电压

    和其中的电流的关系,

    实现方式都是通过直接对和用电器并联的电压表及和用电器串联的电流

    表的读数进行记录并加以分析。

    在这个时候,

    并联电表和串联电表之间将会出现一个联入电路

    的先后顺序问题。是先将电流表和待测元件串联之后再与电压表并联(图一)

    ,还是先将电压

    表与之并联之后再与电流表串联

    (图二)

    最后产生的电路结构是完全不同的。

    因此我们发现,

    电路的不同接法的产生原因,实质上来自于两个电表接入电路的顺序所造成的电路结构的异

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    千次阅读 2021-07-23 14:23:09
    循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法,可用于电极反应的...)线性伏安测试技术即电位随着时间线性的变化,从而测量电流随电压变化的过程。一般把线性伏安技术分为两类:当扫速足够慢时,电极表面基本处于稳态,这...

    循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法,可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。对于一个新的电化学体系,首选的研究方法往往是循环伏安法。由于受影响因素较多,该法一般用于定性分析,很少用于定量分析。

    1. 极化曲线和循环伏安的区别(什么是循环伏安?)

    线性伏安测试技术即电位随着时间线性的变化,从而测量电流随电压变化的过程。一般把线性伏安技术分为两类:当扫速足够慢时,电极表面基本处于稳态,这时我们把电流随电压的响应称为稳态极化曲线,简称极化曲线,此时的电流为法拉第电流;当扫速较快时,电极表面处于暂态,我们将其称为伏安曲线,此时的电流包括法拉第和非法拉第电流。这两者的响应是不同的(如图1),在电化学测试过程中有着不同的应用。

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    如果把伏安曲线的输入信号改成循环三角波,那么其响应就称为循环伏安曲线(如图2)。得到的电流电压曲线包括两个分支,如果前半部分电位向阴极方向扫描,电活性物质在电极上还原,产生还原波,那么后半部分电位向阳极扫描时,还原产物又会重新再电极上氧化,产生氧化波。因此在一次三角波扫描后,电极完成一个还原和氧化过程的循环,也因此扫描电势范围须使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应,故该法称为循环伏安法(cyclic voltammetry)。采用循环伏安方法,一方面能较快地观测较宽电势范围内发生的电极过程,为电极过程提供丰富的信息;另一方面又能通过对扫描曲线形状的分析,估算电极反应参数。这一方法已成为涉及电化学反应广泛采用的常规实验室手段。

    155467695_2_20190302111320598

    2. 循环伏安为什么会有峰?

    ①  双电层不影响出峰:一般情况下循环伏安测得的电流响应应为法拉第电流和非法拉第电流之和。由于电位持续改变,因此总有电流对双电层充电,非法拉第电流总是存在。在没有电化学反应的电位区间,测得的电流即为用于电极双电层充电的非法拉第电流;当电位变化,电极开始发生电化学反应时,由于加入了法拉第电流,通过电极的电流明显增大。

    ②  若电极反应为O+ze=R

    初始溶液中只含有O而不含有R,且扫描的起始电势比O/R体系的标准平衡电势更正,则开始扫描一段时间内电极上只有不大的充电电流通过。当电极电势接近φ平时,O开始在电极上还原,并随着电势变负出现越来越大的阴极电流;而当阴极电势显著超越φ平后,又因表面层中反应粒子的消耗使电流下降;因而得到具有峰值的曲线。当扫描电势达到三角波的顶点后,又改为反向扫描。随着电极电势的逐渐变正,首先是O的还原电流进一步下降(浓度极化的发展),然后电极附近生成的R又重新在电极上氧化,引起越来越大的阳极电流,随后又由于R的消耗而引起阳极电流的衰减和出现阳极电流的峰值。

    3. 循环伏安测试技术的应用

    A.可逆性的判断

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    从循环伏安图的阴极和阳极两个方向所得地氧化波和还原波的峰高和对称性中可判断电活性物质在电极表面反应的可逆程度。若反应是可逆的,则曲线上下对称;若反应不可逆,则氧化波与还原波的高度就不同,曲线的对称性也较差(如图3).

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    155467695_5_2019030211132135

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    (2) 准可逆反应

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    155467695_8_20190302111321582

    (3) 不可逆反应

    对于不可逆反应的逆反应非常迟缓,电位向负方向扫描时,产物来不及反应就已经扩散到本体溶液中或相互结合生成稳定的第二项,因此在回扫时看不到电流峰,如图6所示。

    155467695_9_20190302111321707

    (4) 多元体系及多步骤电子转移体系

    对于多元体系,若多个反应的反应物及产物的扩散是独立的,即相互不影响,则它们的流量是可加的,因此体系的循环伏安曲线为各独立反应体系循环伏安曲线的加和,如果相互重合,则需要分峰才能区分;若不重合,则表现为多个峰,如图7。

    155467695_10_20190302111321848

    参考文献: Journal of the American Chemical Society, 1992,114(10): 3978-3980.

    B.判断电极表面发生反应的过程

    155467695_11_2019030211132251

    C. 联合原位技术推断反应机理

    155467695_12_20190302111322238

    参考文献:The Journal of Physical Chemistry C, 2010,114(7): 3102-3107.

    D. 电极参数的测量

    155467695_13_20190302111322488

    参考文献:Science, 2015, 350(6267): 1508-1513.

    4. 关于循环伏安曲线中氧化峰和还原峰的一些判断准则(以甲醇电氧化作为例子)

    155467695_14_20190302111322691

    参考文献:Journal ofMaterials Chemistry A, 2016, 4(23): 9038-9043.

    Question: 如图11,正扫时甲醇被氧化为二氧化碳析出,故没有还原峰可以理解。但是负扫时,因为电势逐渐降低,按理说应该发生还原反应,可为什么还会出现一个氧化峰呢?氧化的是谁呢?

    Answer:正扫是氧化反应,负扫也是氧化反应,都是甲醇氧化。正扫氧化,负扫还原只适合于可逆或准可逆反应,不适用于不可逆反应。

    事实上,正扫和负扫与是否发生氧化还原反应并无直接关系,只是正扫趋向于发生氧化反应,因为电位升高,高于平衡电位,就越有利于氧化反应,如果没有反应物氧化,也就没有氧化峰,无论电位怎么高都是如此。同理,如上图,负扫也不一定发生还原反应,因为没有可以还原的。反而由于在负扫的过程中,由于甲醇在Pt表面的重新聚集,进而重新消耗,而再次出现氧化峰。

    总之,发生氧化还原反应取决于电位是否偏离平衡电位,与扫的方向并无决定性关系。扫的方向只决定氧化或还原反应的程度。就像,如果在0.8V给个横电位,它只会发生甲醇的氧化一样,在0.9V它的氧化程度会更高。

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    7. 电化学测试(一):稳态测量方法概述

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    伏安特性曲线图常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U,以此画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图。伏安特性曲线是针对导体的,也就是耗电元件,图像常被用来研究导体电阻的变化规律,是物理学常用的图像法之一。

    中文名

    伏安特性曲线

    外文名

    Variation of positive volt-ampere characteristics

    别    名

    I-U图像所属领域

    物理学

    所属类别

    图像法

    内    容

    研究导体电阻的变化规律

    作    用

    分析导体的物理性质

    伏安特性曲线U-I图像与I-U图像

    编辑

    语音

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    图1用实验研究负载两端电压跟通过负载的电流大小关系是初高中电学实验的重要内容,通过多组实验数据,学生可以得到蕴含丰富物理内涵的U—I图像或者I—U图像(伏安特性曲线)。

    实验电路图如图1所示,图1中有两种电流表的接法。

    对电阻进行实验后,绘制相应的曲线,如图2所示。

    分别将曲线特点归纳如下:

    (1)导体A的U-I图像

    图像特点:过原点,线性单调递增;

    物理意义表示:电路中的电阻R两端的电压随流过的电流I的变化关系;

    隐含物理量:图像的斜率等于定值电阻A的阻值。

    (2)导体A的伏安特性曲线

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    图2图像特点:过原点,线性单调递增(是a的反函数);

    物理意义表示:电路中的电阻R的电流I随着R两端电压U的变化关系;

    隐含物理量:图像斜率的倒数等于定值电阻A的阻值。

    (3)路端电压与总电流关系图像

    图像特点:纵截距大于0,线性单调递减;

    物理意义表示:电路中路端电压随总电流的变化关系;

    隐含物理量:①图像的纵截距为电源电动势E;

    ②图像的横截距表示负载短路时的短路电流I;

    ③图像斜率的绝对值为电源内阻r[1]

    伏安特性曲线小灯泡伏安特性曲线实验

    编辑

    语音

    方法:

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    图3 研究小灯泡伏安特性实验

    【目的和要求】

    通过实验绘制小灯泡的伏安曲线,认识小灯泡的电阻和电功率与外加电压的关系。

    【仪器和器材】

    学生电源(J1202型或J1202-1型),直流电压表(J0408型或J0408-1型),直流电流表(J0407型或J0407-1型),滑动变阻器(J2354-1型),小灯泡(6.3伏、0.3安或6伏、3瓦),小灯座(J2351型),单刀开关(J2352型),导线若干。

    实验方法

    1.连接电路,开始时,滑动变阻器滑片应置于最小分压端,使灯泡上的电压为零。

    2.接通开关,移动滑片C,使小灯泡两端的电压由零开始增大,记录电压表和电流表的示数。

    3.在坐标纸上,以电压U为横坐标,电流强度I为纵坐标,利用数据,作出小灯泡的伏安特性曲线。

    4.由R=U/I计算小灯泡的电阻,将结果填入表中。以电阻R为纵坐标,电压U为横坐标,作出小灯泡的电阻随电压变化的曲线。

    5.由P=IU计算小灯泡的电功率,将结果填入表中。以电功率P为纵坐标,电压U为横坐标,作出小灯泡电功率随电压变化的曲线。

    6,分析以上曲线。

    实验原理

    由于小灯泡钨丝的电阻随温度而变化,因此可利用它的这种特性进行伏安特性研究。实验中小灯泡的电阻等于灯泡两端的电压与通过灯泡电流的比值。改变小灯泡两端的电压,测出相应的电流值,可以得到小灯泡的电阻、电功率与外加电压的关系。

    注意事项:

    1.由于小灯泡电阻为几欧-几十欧,测小灯泡的电阻宜用电流表外接法。由于实验时需要小灯泡两端的电压变化范围大,特别是需要测得在低电压下小灯泡的电流值,故应采用滑动变阻器分压接法。

    2.小灯泡的电阻随温度的升高而增大,而小灯泡在电压较低时,温度随电压的变化比较明显。因此在低电压(小于灯泡的额定电压)区域内,电压、电流数值应多取几组。

    3.小灯泡可以短时间地在高于额定电压下使用,一般可以超过额定电压的10%-20%,所以加在灯泡两端的电压不能过高,以免烧毁灯泡。实验时,应使灯泡两端电压由低向高逐渐增大,决不要一开始就使小灯泡在高于额定电压下工作。因为灯丝电阻随温度的升高而加大,如果灯丝由低温状态,直接超过额定电压使用,会由于灯丝冷电阻过小,瞬间电流过大而烧坏灯泡。

    4. 所用的滑动变阻器的量程范围,变阻器电阻越大则每次测量的改变越大,若想得到精确的图像或所测小灯泡电阻过小则建议使用较小的变阻器,可以更精确的测量。

    结论

    灯泡能发光,是因为在灯丝两端加上了一定的电压,在灯丝中有电流通过,从而使灯丝温度升高而发光的缘故,所以灯丝的电阻与通过它的电流有关。通过导体的电流和导体两端的电压之间的关系可以用图线来表示,称为导体的伏安特性曲线.如果导体的温度不变、其电阻也不变,这条曲线就是直线。当导体被通过它的电流加热时,这条曲线将稍向下弯曲,说明当加大导体两端的电压时,由于其电阻增大,通过它的电流并不是呈线性增大,如图3所示。

    还有一些导体(如碳丝),其电阻随温度的增加而减小,这时它的电阻温度系数为负值,伏安特性曲线将向上弯曲[2]

    伏安特性曲线二极管伏安特性曲线

    编辑

    语音

    某一个金属导体,在温度没有显著变化时,电阻是不变的,它的伏安特性曲线是通过坐标原点的直线,具有这种伏安特性的电学元件叫做线性元件。因为温度可以决定电阻的大小。

    欧姆定律是个实验定律,实验中用的都是金属导体。这个结论对其它导体是否适用,仍然需要实验的检验。实验表明,除金属外,欧姆定律对电解质溶液也适用,但对气态导体(如日光灯管、霓虹灯管中的气体)和半导体元件并不适用。也就是说,在这些情况下电流与电压不成正比,这类电学元件叫做非线性元件。

    二极管伏安特性曲线加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。如图4所示:

    正向特性:u>0的部分称为正向特性。

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    图4反向特性:u<0的部分称为反向特性。

    反向击穿:当反向电压超过一定数值U(BR)后,反向电流急剧增加,称之反向击穿。

    势垒电容:耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。

    变容二极管:当PN结加反向电压时,Cb明显随u的变化而变化,而制成各种变容二极管。如图5所示。

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    图5 PN结的势垒电容平衡少子:PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。

    非平衡少子:PN结处于正向偏置时,从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。

    扩散电容:扩散区内电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过程相同,这种电容效应称为Cd[3]

    词条图册

    更多图册

    参考资料

    1.

    蒋霖峰, 陆建隆. 谈谈U-I图像与伏安特性曲线辨析中的教育价值[J]. 物理教师, 2016, 37(4):91-93.

    2.

    刘彬生. 测绘小灯泡的伏安特性曲线和相关的实验[J]. 物理实验, 2001, 21(5):31-33.

    3.

    连汉丽. 二极管伏安特性曲线的理论分析[J]. 西安邮电大学学报, 2008, 13(5):150-152.

    展开全文
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    什么是循环伏安法?

    循环伏安法(英文名:cyclicvoltammetryCV)对于构建一个新类型的电化学分析体系,大多时候都认为是是目前首选的一个研究方法。它是一种连续观察电极表面电流和电位之间关系的方法。它可以用来描述电极表面的反应,并探索电极反应的机制,可称之为"电化学的谱图"。

    如何利用电化学循环伏安法判断反应机理?

    在电化学分析研究中,循环伏安法是一种简单而又强大的研究方法。通过循环伏安图中曲线的波形、氧化还原峰电流的数值分布及其比值,峰电位分布规律等分析数据就可以初步来初步判断电极的氧化还原反应机理。同时研究者又表示可先考虑并通过定量来推断该反应方法的反应过程产物的生物活化官能数来作为初步依据判断采用该新反应技术方法的具体生物可行性,对其具体生物反应及过程机理问题继续进行研究。

    如何利用电化学循环伏安法判断反应特性? 

    ①改变扫描脉冲速率,检查脉冲峰值电流大小是否能与扫描脉冲速率平方或二次方根成正比。

    A.若是与扫描的速率成正线性关系,就是表面控制

    B.若是与二次方根成某一线性关系,就是扩散控制 

    循环伏安法图中电压波峰的扫描过程通常只须包括一个阴极方向与一个阳极方向阳极的这两个阴极方向,因此仅可以通过从电极扫描过程所得的循环伏安法图表面上的阳极方向氧化电压波峰分布和阳极氧化方向还原电位波峰之间的相对峰高分布情况和对称性关系分析图中便就可大致从中大致判断表示出其电活性的某些物质成分及其它在该电极表面作用下氧化反应中产物的电活性可逆程度。如果反应过程是连续可逆循环的,则上下曲线对称,若连续反应是不可反逆,则反应曲线的上下不对称。

    ②利用循环伏安来确定反应是否转化为可逆反应(一般这两个条件即可) 

    a.氧化峰和氧化还原峰之间的电位差约为59//n(mV),n是电子能量转移(温度一般为293K)

    b.氧化峰电流和氧化还原峰电流的绝对值都要等于1。

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  • 伏安特性曲线

    2021-06-23 04:53:32
    伏安特性曲线图常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U,以此画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图。伏安特性曲线是针对导体的,也就是耗电元件,图像常被用来研究导体电阻的变化规律,是物理学常用的图像之一。...
  • 电阻伏安特性曲线实验报告.docx

    千次阅读 2021-06-28 14:04:55
    电阻伏安特性曲线实验报告实验一 电子元件伏安特性的定 一、实验目的 1.掌握电压表、电流表、直流稳压电源等仪器的使用方法2.学习电阻元件伏安特性曲线的测量方法 3.加深理解欧姆定律,熟悉伏安特性曲线的...
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  • (1)直接测量 直接测量指的是被测量与度量器直接进行比较,或者采用事先刻好刻度数的仪器进行测量,...例如,用伏安法测电阻,就是利用测出的电压与电流的值,用欧姆定律间接算出电阻的值。  (3)组合测量 如果被

空空如也

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伏安法测电压