大学综合实验三(微波,氢氧电池)

1、综合物理实验三 综合物理实验三 实验报告海洋环境学院2010级海洋科学 陆罕芳同组组员 马高峰目录实验二 液晶电光源效应综合实验3【实验数据处理与分析】7【实验心得】10【思 考 题】11实验四 微波综合实验12【实验数据处理与分析】17【思考题】23【实验讨论】24实验六 燃料电池综合特性实验25【实验数据处理与分析】33【实验小结】36实验二 液晶电光源效应综合实验【实验目的】1 在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。2 测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由事件响应曲线得到液晶的上升时间和下降时

2、间。3 测量有液晶光开关矩阵所构成的液晶延时器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。4 了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图像的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。【实验仪器】1静态闪烁/动态清屏切换开关。当仪器工作在静态的时候，此开关可以切换到闪烁和静止两种方式；当仪器工作在动态的时候，此开关可以清除液晶屏幕因按动开关矩阵而产生的斑点；2液晶供电电压显示。显示加在液晶板上的电压，范围在0V6.5V之间；3供电电压调节旋钮。改变加在液晶板上的电压，调节范围在0V6.5V之间；4调100旋钮。在激光接收端处于最大接收

3、的时候（即供电电压为0V时），校准透过率的最大输出为100；5透过率显示。显示光透过液晶板后光强的相对值；6调0旋钮。在激光接收端没有光入射的时候（即捂住接收口时），校准透过率的最小输出为0；7液晶驱动电压输出。接示波器，显示液晶的驱动电压；8光透过率输出。接到数字存储示波器，显示液晶的光开响应曲线，可以根据此曲线来计算液晶的阈值电压和关断电压；9激光发射器。为仪器提供较强的光源；10液晶板。本实验仪器的测量样品；11激光接收装置。将透过液晶板的激光转换为电压输入到透过率显示表；开关矩阵：此为1616的按键矩阵，用于测试液晶的显示功能实验；液晶转盘：承载液晶板一起转动，用于测试液晶的视角特性实

4、验；模式转换开关：切换于液晶的静态和动态两种工作模式；激光开关：开关激光发射器； 电源开关：仪器的总电源开关。【实验原理】TN型光开关的结构如图1所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃 10-10米 ），直径为46埃，液晶层厚度一般为5-8微米。玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦，这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；也可在电极表面涂取向剂），使电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平

5、行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿45度方向排列，整个扭曲了90度。如图1左图所示。理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90。这时

6、光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。在施加足够电压情况下(一般为12伏)，在静电场的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构，如图1右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式。【实验内容】本实验仪可以进行以下几个实验内容：液晶的光开关特性测量实验。其中可以测得液晶

7、的阈值电压和关断电压，以及上升时间和下降时间。液晶的视角特性测量实验。其安装和操作步骤为：将TN型16X16点阵液晶屏金手指1插入转盘上的插槽。插上电源，打开电源总开关和激光器电源开关，使激光器预热1020分钟。模式转换开关置于静态全屏模式。将液晶屏旋转台置于零刻度位置固定住，并以此为基准调节左边的激光发射器，使得准直激光垂直入射到液晶屏上，而且激光光斑要尽可能的照在液晶屏上的其中某个象素单元上，然后调节激光接收的位置，使得激光通过液晶后再经过入射孔垂直照射到接收装置上，（可以在供电电压为0V时，看透过率达到最大时表示接收装置接收效果为最好）。当对调节好激光发射和接收装置后，再校准透过率。方法

8、为：将供电电压置于0伏，此时光开关处于开通状态，遮住激光接收端的激光入光口，调节0旋钮，使得透过率显示为0。再调节100%旋钮使得透过率显示为100。然后用同样的方法再次调0和调100，如此重复几次，直到两个旋钮之间匹配合适为止。当初始的透过率校准后，就可以开始做实验了。【实验步骤】1 液晶的电光特性按下表的数据改变电压，使得电压值从0V到6V变化，记录相应电压下的透射率数值。重复3次并计算相应电压下透射率的平均值，依据实验数据绘制电光特性曲线，可以得出阈值电压和关断电压。2液晶的视角特性水平方向视角特性的测量首先将透过率显示调0和调100，然后再进行实验。在供电电压为0V时，按照表2所列的角

9、度调节液晶屏与入射激光的角度，在每一角度下测量光强透过率最大值TMAX。然后将供电电压置于2V，再次调节液晶屏角度，测量光强透过率最小值TMIN，并计算其对比度。以角度为横坐标，对比度为纵坐标，绘制水平方向对比度随入射光入射角而变化的曲线。垂直方向视角特性的测量关断总电源后，取下液晶显示屏，将液晶显示屏旋转90度，用金手指2插入，如图6所示。重新打开总电源，按照与相同的方法和步骤，可测量垂直方向的视角特性。并记录入下表中。【实验数据处理与分析】1.实验数据记录1).液晶的电光特性表一 液晶光开关电特性测量2).液晶视角特性测量a.表二 水平视角特性测量b.表三 垂直视角特性测量2 数据处理1）

10、液晶电特性测量：由表一数据绘制液晶电特性曲线。图一由图可以看出：阈值电压约为：1.25v关断电压约为：1.76v2）液晶视角特性a.由表二绘制液晶水平视角曲线图二 水平视角曲线由图可以看出（可在较高的显示比例下看清完整光滑的曲线）：1.液晶的水平视角并不严格对称。在偏转相同的角度，正偏转（实验中取向左为正）的视觉效果要较好于负偏转。2.水平视角的可视范围比较大。在- 40 度到 40 度之间的对比度平均达到了17%以上，是比较大的，也就是说，在偏离水平方向 040 度之间，都可以获得良好的观察效果，在 23 度左右观察的视觉效果为最佳；超出这个范围之外的视觉效果则相对会比较差，并且随着视角（绝

11、对值）的增大，可视度将以很大的幅度降低。b.由表三绘制液晶垂直视角曲线图三 垂直视角曲线由图可以看出（可在较高的显示比例下看清完整光滑的曲线）：1.液晶的垂直视角也是不对称的。但正负差异要比水平视角的正负差异小。2.垂直视角的可视范围很小。只有-85 度之间的对比度能达到 17%，是比较的大，也就是说，只有在偏离水平方向很小的角度度（05度），才有良好的观察效果，在-2-3 度左右观察的视觉效果为最佳；超出这个范围之外的视觉效果则相对会比较差，并且随着视角（绝对值）的增大，可视度将以很大的幅度降低，在 40 度左右便下降到极低的水平，角度（绝对值）再增大，则几乎不可见。【实验心得】1、 实验中

12、需要旋转液晶板的转盘来调整度数，此时应该认真仔细，以保证旋转的精度，从而提高实验的精确度；2、 本实验需要用到示波器，实验时记录 和 时可以采取将示波器显示图像放大拉长的方法来更加精确地测量上升与下降时间，这样可以使实验数据更加精确；3、 在实验结束后，我和同组的同学通过仪器上的按钮和电脑中的软件在液晶显示板上呈现出了各种不同的图案，使我对液晶的功能特性有了进一步的了解。【思 考 题】1施加电压的过程中，液晶样品上有时会出现成片状的斑点，说明导致这种现象出现的可能原因？答：首先，我在实验过程中发现了题中所述的现象。并猜测是由于液晶的时间特性：加上（或去掉）驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是

13、因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定的时间，用上升时间 和下降时间 描述。在施加电压的时候，前一组实验的电压产生的效果由于下降时间还未完全失去，这时刚加的电压产生的效果也慢慢体现，在此时间段内，会出现旧的图像与新的图像重叠的效果。为验证此猜测，我尝试认为快速改变驱动电压，看到样品上片状斑点出现的频率变大。从而证实了上述猜想。2 如何确定本实验所使用的液晶样品是常黑型的还是常白型的？答：可以用定性的方法判定：向液晶板凹进面看去，即人眼与液晶板凹进面在同侧，若可以看到液晶板对面的事物则为常白型，若看到有如一般计算器的液晶面的情况，则为常黑型。实验四 微波综合实验【实验目的】1、了解与

14、学习微波产生的基本原理以及传播和接收等基本特性。2、观测微波干涉、衍射、偏振等实验现象。3、通过迈克耳逊实验测量微波波长。4、明确布拉格公式的解释以及用微波分光计验证的方法5、认识微波的光学性质，学习 X 射线晶体结构分析的基本知识【实验仪器】DHMS-1 型微波光学综合实验仪一套，包括：X 波段微波信号源、微波发生器、发射喇叭、接收喇叭、微波检波器、检波信号数字显示器、可旋转载物平台和支架，以及实验用附件（反射板、分束板、单缝板、双缝板、读数机构等）。微波光学实验系统装置如图 1 所示。【实验原理】微波是一种电磁波，它和其他电磁波如光波、X 射线一样，在均匀介质中沿直线传播，都具有反射、折射

15、、衍射、干涉和偏振等现象。波动光学的定律也是电磁波共同遵守的定律，用波长较长的 电磁波同样能够进行波动光学中的各种实验，如衍射、干涉之类的。而且由于微波波长远大于光波波长，因而实验所用器材可以做得很大，从而实现向更加的直观，同时不必要求黑暗条件。1. 微波的反射微波遵从反射定律，如图一图一一束微波以入射角 入射，在反射方向，只有当反射角i=i时，接收到的功率最大。即反射角等于入射角。2 微波的单缝衍射将平面微波垂直地投射到一块开有缝的铝板上，如图二图二根据波动光学的结果，其强度分布为当 =0 时，u=0，此时衍射波强度最大，为 I0，这时中央主极大。其他次级大的位置由下式给出：暗条纹的位置为：

16、3 微波的双缝干涉平面微波垂直投射到双缝的铝板上时，由惠更斯原理可知会发生干涉现。如图三 图三当时为干涉相消（强度为极小），当时为干涉相长（强度为极大）。4 微波的偏振电磁波是横波，它的电场强度矢量 E 和波的传播方向垂直。如果 E 始终在垂直于传播方向的平面内某一确定方向变化，这样的横电磁波叫线极化波，在光学中也叫偏振光。如一线极化电磁波以能量强度 I0发射，而由于接收器的方向性较强（只能吸收某一方向的线极化电磁波，相当于一光学偏振片，发射的微波电场强度矢量 E 如在P1 方向，经接收方向为P 2的接收器后（发射器与接收器类似起偏器和检偏器），其强度 ，其中 a为 P1 和 P2的夹角。这就

17、是光学中的马吕斯（Malus）定律，在微波测量中同样适用。5、微波的迈克尔逊干涉实验在微波前进的方向上放置一个与波传播方向成 角的半透射半反射的分束板（如图 4）。将入射波分成一束向金属板 A 传播，另一束向金属板 B 传播。由于 A、B 金属板的全反射作用，两列波再回到半透射半反射的分束板，回合后到达微波接收器处。这两束微波同频率，在接收器处将发生干涉，干涉叠加的强度由两束波 的光程差（即位相差）决定。当两波的相位差为2k时，干涉加强；当两波的相位差为(2k+1) 时，(其中k=1，2，3 ) 则干涉最弱。当 A、B 板中的一块板固定，另一块板可沿着微波传播方向前后移动，当微波接收信号从极小

18、（或极大）值到又一次极小（或极大）值，则反射板移动了/2 距离。由这个距离就可求得微波波长。图四6.布拉格衍射实验任何的真实晶体，都具有自然外形和各向异性的性质，这和晶体的例子、院子或分子在空间按一定的几何规律排列密切相关。晶体内的离子、原子或分子占据着点阵的结构，两相邻结点的距离叫晶体的晶格常数。真实晶体的晶格常数约在10 8厘米的数量级。X 射线的波长与晶体的常数属于同一数量级。实际上晶体是起着衍射光栅的作用。因此可以利用 X 射线在晶体点阵上的衍射现象来研究晶体点阵的距离和互相位置的排列，以达到对晶体结构的了解。（1）晶体结构晶体中的原子按一定规律形成高度规则的空间排列，称为晶格。最简单

19、的晶格为立方晶格，如图所示，间距 a 为晶格常数，格点排列的平面称为晶面。最常用的晶面为（100）面、（110）面、（111）面，如图。晶面取法不同，则晶面间距不同。（2）布拉格衍射如图所示，从间距为 d 的两个相邻晶面反射的两束波的程差为 2dsin，为入射波与晶面的掠射角，显然，只有满足 2dsin=k （k=1,2,3 ）的才能形成干涉极大。布拉格定律：波长为的平面波入射到间距为 d 的晶面族上，掠射角为，当满足条件2dsin=k时形成衍射极大，衍射线在所考虑的晶面的反射线方向。本实验使用入射方向固定、波长单一的微波和“单晶”模型，采用转动晶体模型和接收喇叭的方法来研究布拉格衍射。【实验

20、内容与步骤】将实验仪器放置在水平桌面上,调整底座四只脚使底盘保持水平。调节保持发射喇叭、接收喇叭、接收臂、活动臂为直线对直状态，并且调节发射喇叭，接收喇叭的高度相同。连接好 X 波段微波信号源、微波发生器间的专用导线，将微波发生器的功率调节旋钮逆时针调到底，即微波功率调至最小，通电并预热 10 分钟。1. 微波的反射实验仪器布置如图将金属反射板安装在支座上，安装时板平面法线应与载物小平台 0位一致,并使固定臂指针、接收臂指针都指向 90,这意味着小平台零度方向即是金属反射板法线方向。打开检波信号数字显示器的按钮开关。接着顺时针转动小平台，使固定臂指针指在某一角度处，这角度读数就是入射角，然后顺

21、时针转动活动臂在电流表上找到一最大值，此时活动臂上的指针所指的小平台刻度就是反射角。做此项实验，入射角最好取 30至 65之间，因为入射角太大接收喇叭有可能直接接收入射波，同时应注意系统的调整和周围环境的影响。2. 微波的单缝衍射实验仪器如图布置按需要调整单缝衍射板的缝宽。将单缝衍射板安置在支座上时，应使衍射板平面与载物圆台上90 指示线一致。转动载物圆台使固定臂的指针在载物圆台的180 处，此时相当于微波从单缝衍射板法线方向入射。这时让活动臂置小平台 0处，调整微波发生器的功率使液晶显示器显示一定值，然后在0 线的两侧，每改变 2读取一次液晶显示器读数，并记录下来。根据记录数据，画出单缝衍射

22、强度与衍射角度的关系曲线。并根据微波衍射强度一级极小角度和一级极大角度。 3. 微波的双缝干涉按需要调整双缝干涉板的缝宽。将双缝缝干射板安置在支座上时，应使双缝板平面与载物圆台上 指示线一致。转动小平台使固定臂的指针在小平台的 90度处。此时相当于微波从双缝干涉板法线方向入射。这时让活动臂置小平台0度 处，调整信号使液晶显示器显示较大，然后在 线的两侧，每改变 1 度读取一次液晶显示器的读数，并记录下来，然后就可以画出双缝干涉强度与角度的关系曲线。并根据微波衍射强度一级极大角度和缝宽，计算微波波长 和其百分误差。4. 微波的偏振干涉实验按实验要求调整喇叭口面相互平行正对共轴。调整信号使显示器显

23、示一定值，然后旋转接收喇叭短波导的轴承环（相当于偏转接收器方向），每隔5 记录液晶显示器的读数。直至90 。就可得到一组微波强度与偏振角度关系数据，验证马吕斯定律。注意，做实验时应尽量减少周围环境的影响。5微波的迈克尔逊干涉实验调节可移动反射板 ，使其从读数机构的一侧向另一侧移动（移动范围070mm）。从某一波强极小值位置开始，使微安表的指示出现 N 次极小值（34 个），利用测微读数机构读出可移动反射板 移动的总距离 。重复测量五次6 . 验证布拉格衍射公式由已知的晶格常数 a 和微波波长，估算出（100）面和（110）面衍射极大的入射角；调整发射喇叭和接收喇叭的天线正对，调节衰减器；将模型

24、固定在载物台上，晶面法线与刻度盘0重合，发射臂指针的读数即为入射角，将接受臂转至 0另一侧同一度数，即得到入射角等于反射角。在理论峰值附近寻找电流最大的入射角。【实验数据处理与分析】1.微波的反射实验2.微波的单缝衍射实验参量值： =30mm =30mm；由表格可做出衍射强度与衍射角的曲线（如图1）图1由实验数据所做曲线（图1 虚线表示）与理论偏差比较大，是因为实验中环境干扰很大。此外衍射板不够大，导致曲线中央凹陷。在可行的近似下（图1实线表示），可缩小偏差。从而可从实线读出一级极小和极大值。计算得：理论值：一级极小 27.2， 一级极大 43.2；实验值：一级极小 26 ， 一级极大34；一

25、级极小值实验值与理论值比较接近。但一级极大值两者相差很大。原因分析如下：3.微波的双缝衍射实验参数值：=40mm b=30mm =32mm;由数据画出双缝干涉曲线4. 微波的偏振干涉实验5. 迈克尔逊干涉实验=33mm;相邻最小间隔（mm）58.7657.8941.0240.4521.989.999.02n=3=2L/N=2/3(68.76-9.02)=33.16(mm)6. 微波的布拉格实验100面测量第一次第二次第三次110面测量：第一次第二次第三次I 由100面求 1，2由表1绘制I-曲线由曲线可确定第一级和第二级的掠射角测量次数1（）2（）14069.523865338.567平均值3

26、8.8367.121=38.832=67.12由布拉格公式 2dsin=k (k=1,2,3n) 计算得1=36.82=66.4百分比误差：1%=38.83-36.8036.80*100%=5.53%2%=67.12-66.466.4*100%=10.84%由于实验中环境干扰很大，在许可范围内可以认为实验值与理论值很接近，所以有此验证了布拉格衍射公式2 d sin =k (k=1、2、3 )此外还可以得出掠射角越大，即发射器与接收器夹角越小，接收器越偏离入射直线，收到环境的干扰也就越大。 由110面逐点测定I、，测出第一级掠射角：实验值：测量次数1（）154255.5355平均值54.831=

27、54.83理论值：1=55.5 110面实验的结果再次证明了上述分析的正确性。【实验讨论与注意事项】1、实验前要先检查电源线是否连接正确；2、电源连接无误后，打开电源使微波源预热 10 分钟左右；3、实验时，先要使两喇叭口正对，可从接收显示器看出（正对时示数最大）；4、为减少接收部分电池消耗，在不需要观测数据时，要把显示开关关闭；5、实验结束后，关闭电源。【思考题】1实验前，为什么必须将两喇叭天线对正？如果不对正，对实验结果将产生什么影响？答：实验前必须将两喇叭天线对正，这样才会使得测量结果正确，并与理论值相符合。若两喇叭天线没对正，即发射喇叭偏离，在双缝干涉实验中，将使衍射曲线中央极大偏离，

28、两边不对称，同时接收信号偏小或接收不到信号；在布拉格衍射实验中，调节的入射角不等于实验入射角，所以测得的数据是错误的。如果接收喇叭天线偏离，则可能使接收信号偏小，甚至接收不到信号。2做反射实验时，为什么要求角度在 3565 之间？入射角为什么不能太大？答：做反射实验时，要求角度在 3565 之间，在这角度之间才能比较正确地验证反射定律。由于发射喇叭天线发出的微波束是一个扇形区域的波束。若入射角度太小，即使想法调节到小角度，则接收喇叭会挡住部分发射喇叭天线发出的微波，测量结果就不正确；若入射角度太大，则发射喇叭天线发出的部分微波没有经过反射板就直接进入了接收喇叭，这样的结果显然是错误的，也就不能

29、验证反射定律。【实验讨论】利用微波模拟电磁波的一系列光学实验，由于微波波长远大于光波波长，因而实验所用的器材也可以做的很大，从而能使实验现象更为直观，而且环境不必很暗，这些都是微波光学实验的优点。然而，简单的实验器材也降低了实验测量的精度。1. 过度的简化导致模拟的失真。从单缝衍射的试验曲线可以明显看出这点，其中央主极大位置出现一定凹陷，并且在本应光滑的曲线位置却出现台阶。而且在实验中，单缝衍射板尺寸不能对微波进行严格的限制，使出射微波从两边绕过衍射板，与原单缝衍射微波发生干涉，导致衍射图样出现严重畸变。2. 环境干扰以及仪器粗糙导致实验的精确性难以控制。这点在各个实验中均能体现出。3. 在做

30、实验的过程中，容易观察到，模拟晶体的位置并不十分精确，而实验要求其形成方形点阵，显然，这一要求是难以达到的。这与实际的晶体晶格是有较大出入的。4. 微波的波长较长，这是选它做本实验的重要原因，但这也同时是其一大不足。当微波发出时，其定向性不是很好，衍射较大，所以实验室内杂波以及仪器发射波可能有部分直接进入接收端，未经反射。而另一方面，这些波相互干涉，对接收也造成了一定干扰，比如，在没有微波时，接收端就有信号，或者接收端接收到的信号相当不稳定，导致无法准确读数，从而影响对极大值点与极小值点的判断。5. 正是由于本实验的简单、直观和便于观察，使其精度不高。刻度盘以及电流表的最小刻度分别为1和2A，

31、是无法与光波实验相比拟的。为尽可能减小这一影响，就对测量和操作提出了相当高的要求，这是比较难达到的。6 建议在试验中为尽量减少环境的干扰，应进行多次测量，并且每次测量中应读取电流表较长时间内不变的示数。需要很强的耐心。实验六 燃料电池综合特性实验引言：燃料电池以氢和氧为燃料，通过电化学反应直接产生电力，能量转换效率高于燃烧燃料的热机。燃料电池的反应生成物为水，对环境无污染，单位体积氢的储能密度远高于现有的其它电池。因此它的应用从最早的宇航等特殊领域，到现在人们积极研究将其应用到电动汽车，手机电池等日常生活的各个方面，各国都投入巨资进行研发。能源为人类社会发展提供动力，长期依赖矿物能源使我们面临

32、环境污染之害，资源枯竭之困。为了人类社会的持续健康发展，各国都致力于研究开发新型能源。未来的能源系统中，太阳能将作为主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然气，而燃料电池将成为取代汽油，柴油和化学电池的清洁能源。【实验目的】1、 了解燃料电池的工作原理2、 观察仪器的能量转换过程：光能太阳能电池电能电解池氢能(能量储存)燃料电池电能3、 测量燃料电池输出特性，作出所测燃料电池的伏安特性（极化）曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。计算燃料电池的最大输出功率及效率4、 测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律5、 测量太阳能电池的特性，作出所测太阳能电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电

33、压的变化曲线。获取太阳能电池的开路电压，短路电流，最大输出功率，填充因子等特性参数【实验原理】1.燃料电池质子交换膜（PEM，Proton Exchange Membrane）燃料电池在常温下工作，具有启动快速，结构紧凑的优点，最适宜作汽车或其它可移动设备的电源，近年来发展很快，其基本结构如图1所示。目前广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜，厚度0.050.1mm，它提供氢离子（质子）从阳极到达阴极的通道，而电子或气体不能通过。催化层是将纳米量级的的铂粒子用化学或物理的方法附着在质子交换膜表面，厚度约0.03mm，对阳极氢的氧化和阴极氧的还原起催化作用。膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸

34、或碳布做成，厚度0.20.5mm，导电性能良好，其上的微孔提供气体进入催化层的通道，又称为扩散层。商品燃料电池为了提供足够的输出电压和功率，需将若干单体电池串连或并联在一起，流场板一般由导电良好的石墨或金属做成，与单体电池的阳极和阴极形成良好的电接触，称为双极板，其上加工有供气体流通的通道。教学用燃料电池为直观起见，采用有机玻璃做流场板。 进入阳极的氢气通过电极上的扩散层到达质子交换膜。氢分子在阳极催化剂的作用下解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子，阳极反应为：H2 = 2H+2e （1）氢离子以水合质子H+（nH2O）的形式，在质子交换膜中从一个璜酸基转移到另一个璜酸基，最后到达阴极，

35、实现质子导电，质子的这种转移导致阳极带负电。在电池的另一端，氧气或空气通过阴极扩散层到达阴极催化层，在阴极催化层的作用下，氧与氢离子和电子反应生成水，阴极反应为：O2+4H+4e = 2H2O （2）阴极反应使阴极缺少电子而带正电，结果在阴阳极间产生电压，在阴阳极间接通外电路，就可以向负载输出电能。总的化学反应如下：2H2O2 = 2H2O （3）（阴极与阳极：在电化学中，失去电子的反应叫氧化，得到电子的反应叫还原。产生氧化反应的电极是阳极，产生还原反应的电极是阴极。对电池而言，阴极是电的正极，阳极是电的负极。）2.水的电解将水电解产生氢气和氧气，与燃料电池中氢气和氧气反应生成水互为逆过程。水

36、电解装置同样因电解质的不同而各异，碱性溶液和质子交换膜是最好的电解质。若以质子交换膜为电解质，可在图1右边电极接电源正极形成电解的阳极，在其上产生氧化反应2H2O = O2+4H+4e。左边电极接电源负极形成电解的阴极，阳极产生的氢离子通过质子交换膜到达阴极后，产生还原反应2H+2e = H2。即在右边电极析出氧，左边电极析出氢。作燃料电池或作电解器的电极在制造上通常有些差别，燃料电池的电极应利于气体吸纳，而电解器需要尽快排出气体。燃料电池阴极产生的水应随时排出，以免阻塞气体通道，而电解器的阳极必须被水淹没。3.太阳能电池太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结

37、构就是一个大面积平面P-N结，图2为P-N结示意图。P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散， P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被

38、势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。【仪器介绍】仪器的构成如图3所示。燃料电池太阳能电池气水塔测试仪电解池风扇可变负载图3 燃料电池综合实验仪燃料电池，电解池，太阳能电池的原理见实验原理部分。质子交换膜必需含有足够的水分，才能保证质子的传导。但水含量又不能过高，否则电极被水淹没，水阻塞气体通道，燃料不能传导到质子交换膜参与反应。如何保持良好的水平衡关系是燃料电池设计的重要课题。为保持水平衡，我们的电池正常工作时排水口打开，在电解电流不变时，燃料供应量是恒定的。若负载选

39、择不当，电池输出电流太小，未参加反应的气体从排水口泄漏，燃料利用率及效率都低。在适当选择负载时，燃料利用率约为90。气水塔为电解池提供纯水（2次蒸馏水），可分别储存电解池产生的氢气和氧气，为燃料电池提供燃料气体。每个气水塔都是上下两层结构，上下层之间通过插入下层的连通管连接，下层顶部有一输气管连接到燃料电池。初始时，下层近似充满水，电解池工作时，产生的气体会汇聚在下层顶部，通过输气管输出。若关闭输气管开关，气体产生的压力会使水从下层进入上层，而将气体储存在下层的顶部，通过管壁上的刻度可知储存气体的体积。两个气水塔之间还有一个水连通管，加水时打开使两塔水位平衡，实验时切记关闭该连通管。风扇作为定

40、性观察时的负载，可变负载作为定量测量时的负载。区域1区域2区域3图4 燃料电池测试仪前面板示意图测试仪面板如图4所示。测试仪可测量电流，电压。若不用太阳能电池作电解池的电源，可从测试仪供电输出端口向电解池供电。实验前需预热15分钟。如图4所示为燃料电池实验仪系统的测试仪前面板图。区域1电流表部分：做为一个独立的电流表使用。其中：两个档位：2A档和200mA档，可通过电流档位切换开关选择合适的电流档位测量电流。两个测量通道：电流测量和电流测量。通过电流测量切换键可以同时测量两条通道的电流。区域2电压表部分：做为一个独立的电压表使用。共有两个档位：20V档和2V档，可通过电压档位切换开关选择合适的

41、电压档位测量电压。区域3恒流源部分：为燃料电池的电解池部分提供一个从0350mA的可变恒流源。【实验内容与步骤】1.质子交换膜电解池的特性测量理论分析表明，若不考虑电解器的能量损失，在电解器上加1.48伏电压就可使水分解为氢气和氧气，实际由于各种损失，输入电压高于1.6伏电解器才开始工作。电解器的效率为： （4）输入电压较低时虽然能量利用率较高，但电流小，电解的速率低，通常使电解器输入电压在2伏左右。根据法拉第电解定律，电解生成物的量与输入电量成正比。在标准状态下（温度为零 C，电解器产生的氢气保持在1个大气压），设电解电流为I，经过时间t生产的氢气体积（氧气体积为氢气体积的一半）的理论值为：

42、 （5）式中F = e N = 9.65104 库仑/摩尔为法拉第常数，e = 1.60210-19库仑为电子电量，N = 6.0221023为阿伏伽德罗常数，It/2F为产生的氢分子的摩尔（克分子）数，22.4升为标准状态下气体的摩尔体积。若实验时的摄氏温度为T，所在地区气压为P，根据理想气体状态方程，可对（5）式作修正： （6）式中P0为标准大气压。自然环境中，大气压受各种因素的影响，如温度和海拔高度等，其中海拔对大气压的影响最为明显.由国家标准GB4797.2-2005可查到，海拔每升高1000米，大气压下降约10。由于水的分子量为18，且每克水的体积为1cm3，故电解池消耗的水的体积为

43、： （7）应当指出，（6），（7）式的计算对燃料电池同样适用，只是其中的I代表燃料电池输出电流，V氢气代表燃料消耗量，V水代表电池中水的生成量。确认气水塔水位在水位上限与下限之间。将测试仪的电压源输出端串连电流表后接入电解池，将电压表并联到电解池两端。将气水塔输气管止水夹关闭，调节恒流源输出到最大（旋钮顺时针旋转到底），让电解池迅速的产生气体。当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候，打开气水塔输气管止水夹，排出气水塔下层的空气。如此反复23次后，气水塔下层的空气基本排尽，剩下的就是纯净的氢气和氧气了。根据表1中的电解池输入电流大小，调节恒流源的输出电流，待电解池输出气体稳定后（约1分钟），关闭

44、气水塔输气管。测量输入电流，电压及产生一定体积的气体的时间，记入表1中。表1 电解池的特性测量输入电流I（A）输入电压（V）时间t（秒）电量It（库仑）氢气产生量测量值（升）氢气产生量理论值0100200302.燃料电池输出特性的测量在一定的温度与气体压力下，改变负载电阻的大小，测量燃料电池的输出电压与输出电流之间的关系，如图5所示。电化学家将其称为极化特性曲线，习惯用电压作纵坐标，电流作横坐标。理论分析表明，如果燃料的所有能量都被转换成电能，则理想电动势为1.48伏。实际燃料的能量不可能全部转换成电能，例如总有一部分能量转换成热能，少量的燃料分子或电子穿过质子交换膜形成内部短路电流等，故燃料

45、电池的开路电压低于理想电动势。随着电流从零增大，输出电压有一段下降较快，主要是因为电极表面的反应速度有限，有电流输出时，电极表面的带电状态改变，驱动电子输出阳极或输入阴极时，产生的部分电压会被损耗掉，这一段被称为电化学极化区。输出电压的线性下降区的电压降，主要是电子通过电极材料及各种连接部件，离子通过电解质的阻力引起的，这种电压降与电流成比例，所以被称为欧姆极化区。输出电流过大时，燃料供应不足，电极表面的反应物浓度下降，使输出电压迅速降低，而输出电流基本不再增加，这一段被称为浓差极化区。综合考虑燃料的利用率（恒流供应燃料时可表示为燃料电池电流与电解电流之比）及输出电压与理想电动势的差异，燃料电池的效率为： （8）某一输出电流时燃料电池的输出功率相当于图5中虚线围出的矩形区，在使用燃料电池时，应根据伏安特性曲线，选择