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• • 電子學(xué)-第007課：實驗 5：制作電池
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  • 需要的物品
  • 預(yù)備工作
  • 檸檬實驗：第一部分
  • 理論知識：電的本質(zhì)
  • 背景知識：正電與負(fù)電
  • ==理論知識：基本測量==
  • 實際應(yīng)用

電子學(xué)-第007課：實驗 5：制作電池

LED 只要幾毫安的電流通過就能發(fā)光，古老的檸檬電池實驗則更加有趣。

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需要的物品

• 萬用表
• 檸檬、蘋果、醋汁、土豆任選一種
• 銅片（插座、插排、燈口）、鐵釘
• 鍍鋅的鐵釘
• 兩端帶彈簧夾的測試引線 5 條
• LED 1 個

預(yù)備工作

電池是一種電化學(xué)裝置，這意味著化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生電能。自然，只有使用了正確的化學(xué)物質(zhì)，才會產(chǎn)生電能。

廢舊的插座、插排、燈口都可以拆下銅片。你只需確保銅片夠新、夠亮。如果表面的銅氧化了，銅片就會呈暗棕色，實驗也無法正常進(jìn)行。鐵釘比較好找，要確保鐵釘沒有生銹。

鋅好找。你需要一塊鍍鋅的金屬，即表面覆蓋有一層鋅以防止銹蝕。你找鍍鋅鋼支架、鐵釘?shù)?#xff0c;大約 1 英寸長就很好，也可以在網(wǎng)絡(luò)購物平臺搜索“實驗 鋅片”。

檸檬實驗：第一部分

把檸檬切成兩半，在中間插入一枚銅片或鐵釘。在盡可能靠近銅片或鐵釘?shù)牡胤讲迦脲冧\的支架（但是不要碰到它）。現(xiàn)在設(shè)置萬用表，量程 2 V 直流，用一根探針壓緊銅片或鐵釘，另一根探針壓緊支架。你將發(fā)現(xiàn)萬用表檢測到了0.4 V~1 V 的電壓。

為了給一個標(biāo)準(zhǔn)的 LED 供電，你需要更高的電壓。怎么獲取呢？把電池串聯(lián)，也就是說，把更多的土豆連在一起！你要用測試引線把檸檬相互連接，如圖 1-64所示。注意，每根引線都把芯片和銅片連在一起。不要將銅片和銅片相連，也不要將鋅片和鋅片相連。

圖 1-64三個檸檬串聯(lián)成的電池產(chǎn)生的電壓足可以點亮一個 LED

如果你小心設(shè)置了各種材料，保持銅片和鋅片之間的距離較近但不互相接觸，那么把三個（或更多）檸檬汁電池串聯(lián)起來就能把 LED 點亮了。
另一種方法是使用分成了幾個小部分的小零件盒，如圖 1-65 所示。當(dāng)所有材料都準(zhǔn)備好后，擠入一些濃縮檸檬汁。醋或柚子汁也會有效果。

圖 1-65鮮榨檸檬汁或醋汁都會產(chǎn)生可靠的結(jié)果。這是一個零件盒，被改造成了四節(jié)電池

我決定用四塊電池組成檸檬汁電池，因為 LED 多少會使電壓下降一些，而且電池提供的電流也不足以損壞 LED。圖中的裝置立即就開始工作了。

理論知識：電的本質(zhì)

為了理解檸檬汁電池為何能夠工作，你需要首先了解與原子有關(guān)的一些基本知識。每個原子的中心都有一個原子核，其中包含名為質(zhì)子的粒子，質(zhì)子帶正電。原子核被電子包圍，電子帶負(fù)電。

破壞原子核需要很高的能量，同時也會釋放大量能量。核爆炸中發(fā)生的現(xiàn)象由此而來。但是花費很少的能量就可以勸說幾個電子離開原子（或加入原子）。例如，當(dāng)鋅與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，就會放出電子。

如果鍍鋅的部分沒有與任何物品連接，反應(yīng)很快就會停止，因為電極上積累的電子無處可去。電子之間有相互排斥的作用力，你可以把它們想象成一群互相敵對的人，每個人都想讓別人離開，并且拒絕新成員加入，如圖 1-66 所示。

現(xiàn)在考慮一下這種情況：鋅電極上有過剩的電子，而另一個電極由不同材料制成，具有電子能夠占領(lǐng)的“空穴”，用一根導(dǎo)線將這兩個電極連接起來，會發(fā)生什么？電子能從一個原子跳到下一個原子，從而很容易通過導(dǎo)線。這條通路一開啟，電子間相互的斥力就使得電子以最快的速度彼此遠(yuǎn)離，前往它們的新家。這就是電流形成的過程。如圖 1-67 所示。

鋅電極上的電子數(shù)量已經(jīng)減少了，所以鋅—酸反應(yīng)可以繼續(xù)，用新的電子代替流失的電子。這些新的電子很快又模仿它們的前輩，試圖沿著導(dǎo)線跑開而彼此分離。它們在一股推力下移動，我們可以把它們轉(zhuǎn)移到 LED 中去，它們會釋放一些能量，點亮 LED。

這一過程將持續(xù)到鋅—酸反應(yīng)停止，這通常是因為產(chǎn)生了化合物層，例如鋅的氧化物。鋅的氧化物不與酸反應(yīng)，也就阻止了下層的鋅與酸反應(yīng)。（所以，當(dāng)你把鋅電極從酸性電解質(zhì)中拿出來時，會看到鋅電極變得烏黑。）

這番描述也適用于原電池。也就是說，一旦在原電池的兩極之間建立連接，使電子可以從一個電極輸送到另一個電極，它就將發(fā)出電來。原電池產(chǎn)生的電流大小取決于內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放電子的速度。電極中的金屬原料在化學(xué)反應(yīng)中全部用完后，電池就無法繼續(xù)產(chǎn)生任何電能，而變成了死電池。給原電池充電很困難，因為化學(xué)反應(yīng)不容易反向進(jìn)行，而且電極也可能已經(jīng)被氧化了。

在可充電電池（也稱蓄電池）中，電極和電解液經(jīng)過了巧妙的選擇，化學(xué)反應(yīng)比較容易逆轉(zhuǎn)。

背景知識：正電與負(fù)電

電是電子流，帶負(fù)電荷。既然如此，我為什么在已經(jīng)進(jìn)行過的實驗里一直說電流從電池的正極流向負(fù)極呢？

這個故事來源于電學(xué)研究歷史上的一件尷尬事件。本杰明 ? 富蘭克林試圖通過研究雷雨天的雷電現(xiàn)象來理解電流的性質(zhì)，在這個過程中，他相信自己觀測到了一種*“電流體”*從正流向負(fù)。他于1747 年提出了這個概念。實際上，很遺憾，富蘭克林犯了一個錯誤，這個錯誤在1897 年物理學(xué)家約瑟夫 ? 湯姆孫宣布發(fā)現(xiàn)電子之前，一直沒有得到糾正。電實際上是從一個具有較多負(fù)電荷的區(qū)域流向某個“不那么負(fù)”的地方，即“更加正”的地方。在電池中，電子從負(fù)極出發(fā)，流向正極。

你也許會認(rèn)為，以上事實公開以后，人人都應(yīng)該放棄富蘭克林的電流從正極流向負(fù)極的觀點。但是人們 150 年來都是這樣思考的。而且，當(dāng)電子通過一條導(dǎo)線時，你仍然可以認(rèn)為有等量的正電荷沿著相反的方向流動。電子離開原位時，會帶走一個小小的負(fù)電荷，因此原來的位置就會變得更正一些。當(dāng)電子到達(dá)它的目的地時，它的負(fù)電荷使目的地變得不那么正。這跟一個假想的正電荷沿著相反的方向移動時發(fā)生的事情是完全一樣的。不僅如此，所有描述電的行為的數(shù)學(xué)公式應(yīng)用假想的正電荷流動時仍然成立。考慮到傳統(tǒng)，也為了方便，我們?nèi)员Ａ舾惶m克林的電流從正往負(fù)流的錯誤觀念，因為這其實并沒有導(dǎo)致什么差別。

在表示二極管、晶體管等元件的符號中，你會發(fā)現(xiàn)一些箭頭，它們提醒你這些元件應(yīng)該沿著哪個方向放置——這些箭頭都是從正極指向負(fù)極的，盡管這根本不是電子流動的實際方向。富蘭克林研究閃電時，他認(rèn)為電荷從帶正電的區(qū)域（天上的云層）移動到帶負(fù)電的區(qū)域（地球）。確實，云層顯正電性，但是這意味著實際上閃電的電子流是從地面流向天空的。“遭到雷擊”的人很可能是被自己發(fā)出的電子所傷害，而不是由于自己接收了電子，如圖 1-68 所示，這才是正確的觀點。

圖 1-68在某些天氣情況下，雷擊的電子流可能來自地面，通過你的腳，流出頭頂，再上升到云層中。

理論知識：基本測量

現(xiàn)在，我要回溯一下你一般會在電子學(xué)教程開頭看到的各種定義。

電量是將每個電子的電荷相加得到的，其基本單位是庫侖，1 庫侖等于 6241 509 629 152 650 000 個電子的電荷。如果你知道每秒有多少個電子通過一段導(dǎo)線，就可以計算出電流，單位是安培。

1 安培 = 1庫侖 / 秒 （約6.24 × 10^18 個電子 / 秒）

即使你能看見通電導(dǎo)線的內(nèi)部，電子也遠(yuǎn)小于可見光的波長。你無法觀測它們，而且電子的數(shù)目太多，移動速度太快。但是，我們可以用間接方法檢測電子的運(yùn)動。例如，電子的運(yùn)動會產(chǎn)生電磁力。更多的電子會產(chǎn)生更大的電磁力，這個力是可以測量的。我們可以根據(jù)它來計算電流。電力公司在你家中安裝的萬用表就是利用這個原理來工作的。

推動電子通過導(dǎo)體的力就是電壓，它產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生熱，正如你在短路電池時所看到的那樣。（如果你的導(dǎo)線電阻為零，通過它的電流就不會產(chǎn)生任何熱量。）我們可以直接使用這個熱量（電爐就是如此），也可以用其他方式利用電能，例如運(yùn)轉(zhuǎn)電動機(jī)。無論哪種方式，都是從電子中提取能量來做某種功。

1 V 可以定義為產(chǎn)生 1 A 電流來做 1 W 功所需要的壓力。前面曾經(jīng)定義過瓦特 = 伏特 ×安培，但這個定義實際來源于另一個公式，即：
1 V = 1 W/A
這個表述方式更有意義，因為瓦特可以用非電學(xué)術(shù)語來定義。如果你感興趣，我們可以像下文這樣，倒著往回推導(dǎo)國際單位制：

1 W = 1 J/s
1 W等于在1N的力作用下前進(jìn)1m所需的功
1 N等于每秒鐘讓1kg的物體加速1m/s所需的力

對比功率的公式：
$$W=V\times I$$

$$\begin{gathered} W=N\times S,(單位：N?米 \\ N=M\times a(N的單位：千克?米/秒） \\ W=M\times a\times S \end{gathered}$$

$$W=\frac{J}{s}$$
在此基礎(chǔ)上，電學(xué)單位都可以用質(zhì)量、時間以及電子的電荷等物理量來確定。

實際應(yīng)用

根據(jù)圖 1-31 的類比，水從水箱中流出的速度可以看做安培數(shù)，而水箱中的水面高度產(chǎn)生了壓力，可以與電壓類比，孔的大小相當(dāng)于電阻。

以上場景中，功率在哪里呢？假設(shè)你放置一個小水輪，讓孔里流出來的水沖擊這個水輪，如圖 1-69 所示。可以讓這個水輪帶上機(jī)械裝置。現(xiàn)在水流已經(jīng)在做功了。（記住，功率是做功速度的量度。）

這看起來也許有點像無中生有，沒有往系統(tǒng)中加入任何能量，卻從水輪中抽取了功。但請注意，水箱中的水位在下降。只要我加入幾個助手，把廢水搬運(yùn)回水箱的頂部，就能明顯看出，必須輸入功才能得到功。如圖 1-70 所示。

與之類似，電池似乎也只是發(fā)出功率而沒有注入任何功率，但是其中的化學(xué)反應(yīng)正在將純金屬轉(zhuǎn)化成金屬化合物，正是由這種狀態(tài)改變從電池中獲取功率的。如果是可充電電池，我們必須往回輸入功率，使化學(xué)反應(yīng)反向進(jìn)行。
回到水箱的例子，假定我們無法從其中得到足夠的功率來轉(zhuǎn)動水輪。那么一種方案就是上升水面的高度，增大水的壓力，如圖 1-71 所示。

這相當(dāng)于把兩塊電池首尾相連，正極接負(fù)極串聯(lián)（就是我在檸檬電池實驗時建議的連接方法）。兩節(jié)電池串聯(lián)會使電壓加倍，如圖 1-72 所示。只要電路中的阻值保持不變，更大的電壓就會產(chǎn)生更多的電流，因為

$$電流=\frac{電壓}{電阻}$$

回到水箱的例子，如果我們想讓驅(qū)動水輪的時間加倍，而水箱的容量已經(jīng)用盡，怎么辦？也許應(yīng)該再造一個水箱，讓水流從同一個孔流出。同樣，如果將兩塊電池并排并聯(lián)連接，電壓是相同的，但是電池的使用時間會延長一倍。或者，這兩塊電池能比一塊電池提供的電流更大。如圖 1-73所示。

總結(jié)一下。

• 兩塊電池串聯(lián)，電壓是原來的兩倍。
• 兩塊電池并聯(lián)可以在電流不變的情況下讓使用時間加倍，或者在相同使用時間下讓電流增大一倍。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的电子学-第007课：实验 5：制作电池的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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