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• • 電子學-第007課：實驗 5：制作電池
  • 視頻
  • 需要的物品
  • 預備工作
  • 檸檬實驗：第一部分
  • 理論知識：電的本質
  • 背景知識：正電與負電
  • ==理論知識：基本測量==
  • 實際應用

電子學-第007課：實驗 5：制作電池

LED 只要幾毫安的電流通過就能發光，古老的檸檬電池實驗則更加有趣。

視頻

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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

預備工作

電池是一種電化學裝置，這意味著化學反應可以產生電能。自然，只有使用了正確的化學物質，才會產生電能。

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、鐵釘等，大約 1 英寸長就很好，也可以在網絡購物平臺搜索“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的地方插入鍍鋅的支架（但是不要碰到它）。現在設置萬用表，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。你將發現萬用表檢測到了0.4 V~1 V 的電壓。

為了給一個標準的 LED 供電，你需要更高的電壓。怎么獲取呢？把電池串聯，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 1-64三個檸檬串聯成的電池產生的電壓足可以點亮一個 LED

如果你小心設置了各種材料，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。當所有材料都準備好后，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生可靠的結果。這是一個零件盒，被改造成了四節電池

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

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，其中包含名為質子的粒子，質子帶正電。原子核被電子包圍，電子帶負電。

破壞原子核需要很高的能量，同時也會釋放大量能量。核爆炸中發生的現象由此而來。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，當鋅與酸發生化學反應時，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，具有電子能夠占領的“空穴”，用一根導線將這兩個電極連接起來，會發生什么？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。

鋅電極上的電子數量已經減少了，所以鋅—酸反應可以繼續，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，我們可以把它們轉移到 LED 中去，它們會釋放一些能量，點亮 LED。

這一過程將持續到鋅—酸反應停止，這通常是因為產生了化合物層，例如鋅的氧化物。鋅的氧化物不與酸反應，也就阻止了下層的鋅與酸反應。（所以，當你把鋅電極從酸性電解質中拿出來時，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，它就將發出電來。原電池產生的電流大小取決于內部發生化學反應釋放電子的速度。電極中的金屬原料在化學反應中全部用完后，電池就無法繼續產生任何電能，而變成了死電池。給原電池充電很困難，因為化學反應不容易反向進行，而且電極也可能已經被氧化了。

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

背景知識：正電與負電

電是電子流，帶負電荷。既然如此，我為什么在已經進行過的實驗里一直說電流從電池的正極流向負極呢？

這個故事來源于電學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象來理解電流的性質，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。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 年物理學家約瑟夫 ? 湯姆孫宣布發現電子之前，一直沒有得到糾正。電實際上是從一個具有較多負電荷的區域流向某個“不那么負”的地方，即“更加正”的地方。在電池中，電子從負極出發，流向正極。

你也許會認為，以上事實公開以后，人人都應該放棄富蘭克林的電流從正極流向負極的觀點。但是人們 150 年來都是這樣思考的。而且，當電子通過一條導線時，你仍然可以認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電荷，因此原來的位置就會變得更正一些。當電子到達它的目的地時，它的負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生的事情是完全一樣的。不僅如此，所有描述電的行為的數學公式應用假想的正電荷流動時仍然成立。考慮到傳統，也為了方便，我們仍保留富蘭克林的電流從正往負流的錯誤觀念，因為這其實并沒有導致什么差別。

在表示二極管、晶體管等元件的符號中，你會發現一些箭頭，它們提醒你這些元件應該沿著哪個方向放置——這些箭頭都是從正極指向負極的，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，他認為電荷從帶正電的區域（天上的云層）移動到帶負電的區域（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

現在，我要回溯一下你一般會在電子學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線的內部，電子也遠小于可見光的波長。你無法觀測它們，而且電子的數目太多，移動速度太快。但是，我們可以用間接方法檢測電子的運動。例如，電子的運動會產生電磁力。更多的電子會產生更大的電磁力，這個力是可以測量的。我們可以根據它來計算電流。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。

推動電子通過導體的力就是電壓，它產生電流，進而產生熱，正如你在短路電池時所看到的那樣。（如果你的導線電阻為零，通過它的電流就不會產生任何熱量。）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，例如運轉電動機。無論哪種方式，都是從電子中提取能量來做某種功。

1 V 可以定義為產生 1 A 電流來做 1 W 功所需要的壓力。前面曾經定義過瓦特 = 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術語來定義。如果你感興趣，我們可以像下文這樣，倒著往回推導國際單位制：

1 W = 1 J/s
1 W等于在1N的力作用下前進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：
$$W=V\times I$$

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

$$W=\frac{J}{s}$$
在此基礎上，電學單位都可以用質量、時間以及電子的電荷等物理量來確定。

實際應用

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

以上場景中，功率在哪里呢？假設你放置一個小水輪，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械裝置。現在水流已經在做功了。（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，電池似乎也只是發出功率而沒有注入任何功率，但是其中的化學反應正在將純金屬轉化成金屬化合物，正是由這種狀態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，使化學反應反向進行。
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。

這相當于把兩塊電池首尾相連，正極接負極串聯（就是我在檸檬電池實驗時建議的連接方法）。兩節電池串聯會使電壓加倍，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，如果我們想讓驅動水輪的時間加倍，而水箱的容量已經用盡，怎么辦？也許應該再造一個水箱，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。

總結一下。

• 兩塊電池串聯，電壓是原來的兩倍。
• 兩塊電池并聯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

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

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