电子学：第007课——实验 5：制作电池

电子学-第007课：实验 5：制作电池

LED 只要几毫安的电流通过就能发光，古老的柠檬电池实验则更加有趣。

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需要的物品

• 万用表
• 柠檬、苹果、醋汁、土豆任选一种
• 铜片（插座、插排、灯口）、铁钉
• 镀锌的铁钉
• 两端带弹簧夹的测试引线 5 条
• LED 1 个

预备工作

电池是一种电化学装置，这意味着化学反应可以产生电能。自然，只有使用了正确的化学物质，才会产生电能。

废旧的插座、插排、灯口都可以拆下铜片。你只需确保铜片够新、够亮。如果表面的铜氧化了，铜片就会呈暗棕色，实验也无法正常进行。铁钉比较好找，要确保铁钉没有生锈。

锌好找。你需要一块镀锌的金属，即表面覆盖有一层锌以防止锈蚀。你找镀锌钢支架、铁钉等，大约 1 英寸长就很好，也可以在网络购物平台搜索“实验 锌片”。

柠檬实验：第一部分

把柠檬切成两半，在中间插入一枚铜片或铁钉。在尽可能靠近铜片或铁钉的地方插入镀锌的支架（但是不要碰到它）。现在设置万用表，量程 2 V 直流，用一根探针压紧铜片或铁钉，另一根探针压紧支架。你将发现万用表检测到了0.4 V~1 V 的电压。

为了给一个标准的 LED 供电，你需要更高的电压。怎么获取呢？把电池串联，也就是说，把更多的土豆连在一起！你要用测试引线把柠檬相互连接，如图 1-64所示。注意，每根引线都把芯片和铜片连在一起。不要将铜片和铜片相连，也不要将锌片和锌片相连。

图 1-64三个柠檬串联成的电池产生的电压足可以点亮一个 LED

如果你小心设置了各种材料，保持铜片和锌片之间的距离较近但不互相接触，那么把三个（或更多）柠檬汁电池串联起来就能把 LED 点亮了。
另一种方法是使用分成了几个小部分的小零件盒，如图 1-65 所示。当所有材料都准备好后，挤入一些浓缩柠檬汁。醋或柚子汁也会有效果。

图 1-65鲜榨柠檬汁或醋汁都会产生可靠的结果。这是一个零件盒，被改造成了四节电池

我决定用四块电池组成柠檬汁电池，因为 LED 多少会使电压下降一些，而且电池提供的电流也不足以损坏 LED。图中的装置立即就开始工作了。

理论知识：电的本质

为了理解柠檬汁电池为何能够工作，你需要首先了解与原子有关的一些基本知识。每个原子的中心都有一个原子核，其中包含名为质子的粒子，质子带正电。原子核被电子包围，电子带负电。

破坏原子核需要很高的能量，同时也会释放大量能量。核爆炸中发生的现象由此而来。但是花费很少的能量就可以劝说几个电子离开原子（或加入原子）。例如，当锌与酸发生化学反应时，就会放出电子。

如果镀锌的部分没有与任何物品连接，反应很快就会停止，因为电极上积累的电子无处可去。电子之间有相互排斥的作用力，你可以把它们想象成一群互相敌对的人，每个人都想让别人离开，并且拒绝新成员加入，如图 1-66 所示。

现在考虑一下这种情况：锌电极上有过剩的电子，而另一个电极由不同材料制成，具有电子能够占领的“空穴”，用一根导线将这两个电极连接起来，会发生什么？电子能从一个原子跳到下一个原子，从而很容易通过导线。这条通路一开启，电子间相互的斥力就使得电子以最快的速度彼此远离，前往它们的新家。这就是电流形成的过程。如图 1-67 所示。

锌电极上的电子数量已经减少了，所以锌—酸反应可以继续，用新的电子代替流失的电子。这些新的电子很快又模仿它们的前辈，试图沿着导线跑开而彼此分离。它们在一股推力下移动，我们可以把它们转移到 LED 中去，它们会释放一些能量，点亮 LED。

这一过程将持续到锌—酸反应停止，这通常是因为产生了化合物层，例如锌的氧化物。锌的氧化物不与酸反应，也就阻止了下层的锌与酸反应。（所以，当你把锌电极从酸性电解质中拿出来时，会看到锌电极变得乌黑。）

这番描述也适用于原电池。也就是说，一旦在原电池的两极之间建立连接，使电子可以从一个电极输送到另一个电极，它就将发出电来。原电池产生的电流大小取决于内部发生化学反应释放电子的速度。电极中的金属原料在化学反应中全部用完后，电池就无法继续产生任何电能，而变成了死电池。给原电池充电很困难，因为化学反应不容易反向进行，而且电极也可能已经被氧化了。

在可充电电池（也称蓄电池）中，电极和电解液经过了巧妙的选择，化学反应比较容易逆转。

背景知识：正电与负电

电是电子流，带负电荷。既然如此，我为什么在已经进行过的实验里一直说电流从电池的正极流向负极呢？

这个故事来源于电学研究历史上的一件尴尬事件。本杰明 • 富兰克林试图通过研究雷雨天的雷电现象来理解电流的性质，在这个过程中，他相信自己观测到了一种*“电流体”*从正流向负。他于1747 年提出了这个概念。实际上，很遗憾，富兰克林犯了一个错误，这个错误在1897 年物理学家约瑟夫 • 汤姆孙宣布发现电子之前，一直没有得到纠正。电实际上是从一个具有较多负电荷的区域流向某个“不那么负”的地方，即“更加正”的地方。在电池中，电子从负极出发，流向正极。

你也许会认为，以上事实公开以后，人人都应该放弃富兰克林的电流从正极流向负极的观点。但是人们 150 年来都是这样思考的。而且，当电子通过一条导线时，你仍然可以认为有等量的正电荷沿着相反的方向流动。电子离开原位时，会带走一个小小的负电荷，因此原来的位置就会变得更正一些。当电子到达它的目的地时，它的负电荷使目的地变得不那么正。这跟一个假想的正电荷沿着相反的方向移动时发生的事情是完全一样的。不仅如此，所有描述电的行为的数学公式应用假想的正电荷流动时仍然成立。考虑到传统，也为了方便，我们仍保留富兰克林的电流从正往负流的错误观念，因为这其实并没有导致什么差别。

在表示二极管、晶体管等元件的符号中，你会发现一些箭头，它们提醒你这些元件应该沿着哪个方向放置——这些箭头都是从正极指向负极的，尽管这根本不是电子流动的实际方向。富兰克林研究闪电时，他认为电荷从带正电的区域（天上的云层）移动到带负电的区域（地球）。确实，云层显正电性，但是这意味着实际上闪电的电子流是从地面流向天空的。“遭到雷击”的人很可能是被自己发出的电子所伤害，而不是由于自己接收了电子，如图 1-68 所示，这才是正确的观点。

图 1-68在某些天气情况下，雷击的电子流可能来自地面，通过你的脚，流出头顶，再上升到云层中。

理论知识：基本测量

现在，我要回溯一下你一般会在电子学教程开头看到的各种定义。

电量是将每个电子的电荷相加得到的，其基本单位是库仑，1 库仑等于 6241 509 629 152 650 000 个电子的电荷。如果你知道每秒有多少个电子通过一段导线，就可以计算出电流，单位是安培。

1 安培 = 1库仑 / 秒 （约6.24 × 10^18 个电子 / 秒）

即使你能看见通电导线的内部，电子也远小于可见光的波长。你无法观测它们，而且电子的数目太多，移动速度太快。但是，我们可以用间接方法检测电子的运动。例如，电子的运动会产生电磁力。更多的电子会产生更大的电磁力，这个力是可以测量的。我们可以根据它来计算电流。电力公司在你家中安装的万用表就是利用这个原理来工作的。

推动电子通过导体的力就是电压，它产生电流，进而产生热，正如你在短路电池时所看到的那样。（如果你的导线电阻为零，通过它的电流就不会产生任何热量。）我们可以直接使用这个热量（电炉就是如此），也可以用其他方式利用电能，例如运转电动机。无论哪种方式，都是从电子中提取能量来做某种功。

1 V 可以定义为产生 1 A 电流来做 1 W 功所需要的压力。前面曾经定义过瓦特 = 伏特 ×安培，但这个定义实际来源于另一个公式，即：
1 V = 1 W/A
这个表述方式更有意义，因为瓦特可以用非电学术语来定义。如果你感兴趣，我们可以像下文这样，倒着往回推导国际单位制：

1 W = 1 J/s
1 W等于在1N的力作用下前进1m所需的功
1 N等于每秒钟让1kg的物体加速1m/s所需的力

对比功率的公式：
$$W=V\times I$$

$$\begin{gathered} W=N\times S,(单位：N\cdot 米 \\ N=M\times a(N的单位：千克\cdot 米/秒） \\ W=M\times a\times S \end{gathered}$$

$$W=\frac{J}{s}$$
在此基础上，电学单位都可以用质量、时间以及电子的电荷等物理量来确定。

实际应用

根据图 1-31 的类比，水从水箱中流出的速度可以看做安培数，而水箱中的水面高度产生了压力，可以与电压类比，孔的大小相当于电阻。

以上场景中，功率在哪里呢？假设你放置一个小水轮，让孔里流出来的水冲击这个水轮，如图 1-69 所示。可以让这个水轮带上机械装置。现在水流已经在做功了。（记住，功率是做功速度的量度。）

这看起来也许有点像无中生有，没有往系统中加入任何能量，却从水轮中抽取了功。但请注意，水箱中的水位在下降。只要我加入几个助手，把废水搬运回水箱的顶部，就能明显看出，必须输入功才能得到功。如图 1-70 所示。

与之类似，电池似乎也只是发出功率而没有注入任何功率，但是其中的化学反应正在将纯金属转化成金属化合物，正是由这种状态改变从电池中获取功率的。如果是可充电电池，我们必须往回输入功率，使化学反应反向进行。
回到水箱的例子，假定我们无法从其中得到足够的功率来转动水轮。那么一种方案就是上升水面的高度，增大水的压力，如图 1-71 所示。

这相当于把两块电池首尾相连，正极接负极串联（就是我在柠檬电池实验时建议的连接方法）。两节电池串联会使电压加倍，如图 1-72 所示。只要电路中的阻值保持不变，更大的电压就会产生更多的电流，因为

$$电流=\frac{电压}{电阻}$$

回到水箱的例子，如果我们想让驱动水轮的时间加倍，而水箱的容量已经用尽，怎么办？也许应该再造一个水箱，让水流从同一个孔流出。同样，如果将两块电池并排并联连接，电压是相同的，但是电池的使用时间会延长一倍。或者，这两块电池能比一块电池提供的电流更大。如图 1-73所示。

总结一下。

• 两块电池串联，电压是原来的两倍。
• 两块电池并联可以在电流不变的情况下让使用时间加倍，或者在相同使用时间下让电流增大一倍。