让我们制作一个电池

在很久以前，没有网络冲浪，没有文件共享，也没有移动电话，小孩子们特别缺乏教育，他们自娱自乐，在厨房的桌子上做起了将钉子和分币插入柠檬中来制作电池之类的实验。可能难以相信，但却是真的。

这虽然很老套，但我却希望你无论如何都要试一下，因为任何希望感觉到电的人都可以看到，从我们周围的日常物品中提取电是一件多么容易的事情。此外，如果你使用足够多的柠檬，就有可能产生足够的电压点亮一个LED。

电池的基本部件是浸入到电解质里的两个金属电极。我这里不对这些术语进行定义（我们将在“理论知识：电的特性”中对其进行解释）。现在你需要知道柠檬汁是你的电解质，铜和锌是你的电极。一个分币可以提供所需的铜，只要它够新、够亮。分币已经不再是整块的铜了，但仍然是镀铜的，用在我们这里已经不错了。

为了找到一些金属锌，你可能必须去一趟五金店，到那里去买瓦楞钉。这种钉子是镀锌的，以防止生锈。小块的金属电极或补漏板通常也是镀锌的。它们应该具有黯淡的银光。如果它们像镜子一样光亮，那就可能是镀镍的。

将一个柠檬切成两半，将万用表设置在2 V 的DC 档，让一个探针靠紧分币，另一个探针靠紧瓦楞钉（或其他镀锌物体）。接下来将分币和钉子插入柠檬暴露的果肉内部，二者尽可能靠近一点，但不要接触到一起。你将发现万用表检测到了0.8 V～1 V 的电压。

你可以试验不同的物品和液体，看哪种东西效果最好。将柠檬榨汁后倒入小玻璃酒杯或蛋杯中，再将钉子和分币浸泡在柠檬汁里，这应该可以增强电池的效果，不过这样的话，你得花点功夫才能使各样东西各就各位。也可以用葡萄汁和醋来代替柠檬汁。

为了驱动一般的LED，你得有超过1 V 的电压。怎样才能产生额外的电压呢？将电池串联起来就可以了！换句话说，就是需要更多的柠檬（或更多的小玻璃酒杯或蛋杯）！你也需要准备更多的导线来连接各个电极，这也许要求你跳到第2章，学习一下如何剥除连接线的绝缘层。图1-71和图1-72给出了试验的配置。

图1-71 3 块柠檬构成的电池。如果LED没有点亮的话，请不要太失望。柠檬具有较高的电阻，因此无法提供太多的电流，当所用的铁钉和分币的表面积相对较小的时候尤其如此。不过，柠檬电池确实能够产生电压，这可以用万用表测量出来

图1-72 瓶装的柠檬汁似乎跟新鲜的柠檬汁一样起作用。我切取了3个纸杯的底部，在每个里面放入了一片镀锌的极板，并使用特别粗的编制铜导线作为正极

如果你小心设置各样东西，并确保电极之间没有接触，那么也许将2～3个柠檬汁电池串联起来就把LED点亮了。（有些LED对低电流更为敏感。稍后我将介绍极低电流的LED。如果你希望你的柠檬汁电池能够顺利工作，可以在网上搜索一下低电流LED并买上几个。）

理论知识

电的特性

要了解电，你必须先掌握一点关于原子的基本信息。每个原子包含一个位于中心的原子核，原子核又包含着带正电荷的质子。原子核周围环绕着电子，电子带负电荷。

图1-73 电极上的电子有个很坏的态度，就是互相排斥

打破原子的原子核需要许多能量，同时也可以释放出许多能量，正如核爆炸那样。但是让几个电子脱离原子（或加入原子）所需的能量却很小。例如，当锌同酸发生化学反应时，就可以释放出电子。这就是实验5中化学电池的锌电极中发生的事情。

由于电子在锌电极上积聚，反应很快就会停止。因为它们会感受到一个相互的排斥力，但却无处可去。你可以将它们想象成一群彼此充满敌意的人，人人都希望别人离开，并拒绝新人加入，如图1-73所示。

下面考虑这种情况：锌电极具有过剩的电子，而另一个电极因采用了不同的材料，出现了电子缺乏，当我们用一根导线将这两个电极连接起来时，会发生什么现象呢？由于电子会从一个原子跳到下一个原子，很容易地通过导线，因此，在彼此远离的强大欲望的驱使下，它们将逃离锌电极，流过导线。见图1-74。这种互相的排斥力就是产生电流的原因。

图1-74 一旦我们在锌电极（其上聚集有电子）与铜电极（其上有为电子保留的“空穴”）之间打开一条通路，电子之间的互相排斥使得它们彼此试图尽可能快地逃离对方而到达它们的新家

锌电极上电子的数量减少了，锌—酸之间的化学反应继续进行，产生出新的电子来取代电极上逃走的电子，而这些新出现的电子将即刻具有它们先辈的特性，试图沿着导线跑开而彼此分离。这个过程一直进行下去，直到锌—酸反应慢慢停止下来，这通常是因为产生了化合物层，如锌的氧化物，而该氧化物是不会与酸发生反应的，也就阻止了下层的锌与酸发生反应（这就是当你将锌电极从酸性电解质中拿出来时，会看到锌电极看起来乌黑的原因）。

这个描述也适用于“原电池”，也就是说，一旦在原电池的端口之间建立连接，使得电子可以从一个电极输送到另外一个电极，那么它就将发出电来。原电池产生电流的大小取决于电池内部化学反应释放电子的速度。当电极中的金属原料在化学反应中被全部用完时，电池就无法继续产生任何的电力，而变成了死电池。它无法充电，因为化学反应不是那么容易反向进行的，而且电极可能已经被氧化了。

在可充电电池（也称蓄电池）中，通过电极和电解液的巧妙选择，使得化学反应的反向比较容易。

你的柠檬电池产生的电流有多大呢？将你的万用表设置在mA档，并将它连接在钉子和分币之间。我测得的是2 mA，不过当我采用10 号的编织铜线来代替分币、用一块大的补漏块来代替瓦楞钉，并将它们浸泡在一杯葡萄汁中以后，我得到了10 mA 的电流。当较大的金属面积与电解液接触良好时，你就会得到较大的电流（不要把你的万用表直接接在真正电池的两个端子之间来测量其电流。这个电流将特别大，会烧掉万用表内的保险丝）。

你的柠檬电池的内阻是多少呢？拿掉铜电极和锌电极，把你的镀镍的万用表探针插入到果汁中去。当两个探针位于同一瓣柠檬中时，我得到的读数大约是30 kΩ。但若探针位于不同的瓣中时，读数是40 kΩ 甚至更高。当你测量杯中的液体时，电阻是不是更低呢？

这里有另外几个问题，你也许愿意去研究一番。你的柠檬电池可以产生多长时间的电？你认为是什么原因使得你的镀锌电极在使用了一会儿之后就失去了颜色？

在电池中，是由于在金属之间的离子或自由电子的交换而产生了电。关于这一点如果你想知道得更多，请阅读之前的“理论知识：电的特性”。

清理与回收

你浸泡在柠檬或柠檬汁中的金属物件可能已经褪色，但它们是可以再利用的。至于要不要吃掉柠檬，那是你自己的事情。

背景知识

正电与负电

如果电是电子流，而电子具有负的电荷，那人们为什么说电是从电池的正端子流向负端子的呢？

答案在于电的研究历史上曾经发生的一次重大的尴尬事件。由于各种原因，在本杰明·富兰克林试图通过研究雷雨天的闪电之类的现象来理解电流的性质的过程中，他相信自己观测到了一种“电流体”从正流向负。他在1747年提出了这个概念。

事实上，富兰克林犯了一个很不幸的错误，这个错误在150年后的1897年物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生声称发现了电子以前，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“负得较少的”地方，即“更加正”的地方。换句话说，电是负的带电粒子的流动。在电池中，它们是从负端出发流向正端的。

你也许会以为，当以上事实公开以后，人人都应该放弃富兰克林的电流从正极到负极的观点。不过，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。当电子离开自己的老地方时，它带走一个小小的负电荷，因此它的老地方就会变得更正一些。当电子到达它的目的地时，它的负电荷使得其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到假想的正电荷的流动时仍然是成立的。

考虑到传统问题以及为了方便，仍然保留了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，你将发现一些用来提醒你的箭头，它们告诉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！尽管大多数的雷击发生在云层中的负电荷放电并中和地面上的正电荷的时候，但有些形式的闪电实际上却是由充有负电荷的地表面的电子往上流向云层并中和云层中的正电荷而形成的。如果富兰克林有机会知道这种情况，他定将十分惊讶。“受到雷击”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1-75所示），这是一个正确的观点。

图1-75 在某些天气情况下，雷击的电子流可能是来自地面，通过你的脚，流出你的头顶，再上到云层中。富兰克林对此可能会感到十分惊讶

理论知识

基本测量

电量是把每个电子的电荷相加得到的，其基本单位是库仑（C），1 C等于大约6 250 000 000 000 000 000个电子的电荷。

如果你知道每秒有多少个电子通过一片金属，你就得到了电流，其单位是安培（A）。实际上，1 A 可以定义为1 C/s。即

1 A=1 C/s=大约6.25×10¹⁸个电子/秒

虽然没有办法“看到”导体中运动的电子的数目（图1-76），但是可以通过间接的方法得到这个信息。例如，当一个电子通过一个导体时，它会在导体的周围产生一种电磁力。这个力是可以测量的，因而我们可以由它来计算电流。电力公司在你家中安装的电表就是利用这个原理来工作的。

图1-76 如果你可以用一个充分强大的放大设备来观测电线的内部，并且当时导线中正好载有1 A的电流，那么你也许希望看到每秒大约有6.25×10¹⁸个电子在快速通过

如果电子只是自由运动，它们不会做任何的功。如果你有一根零电阻的导线环，并且以某种方式使一个电子流启动起来，那么它们将沿着导线永远地运动下去（这几乎就是超导体中发生的事情）。

在通常条件下，即使是铜导线也有一定的电阻。驱使电子通过导线所需要的力就是“电压”，它产生电流，进而产生热，正如你在短路电池时看到的那样（如果你使用的导线具有零电阻，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，也可以用其他的方式来使用电能，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的电流来做1 W的功时所需要的压力。前面曾经定义1 W=1 V×1 A，但这个定义实际上来源于另一个公式，即

1 V=1 W/1 A

这个表述方式更有意义，因为瓦特可以用非电的术语来定义。如果你感兴趣，我们可以像下面这样，倒着往回推导国际单位制。

1 W=1 J/s

1 J=在1 N的力作用下前进1 m

1 N=每秒钟让1 kg的物体的速度增加1 m/s所需要的力

在此基础之下，电气单位都可以用质量、时间以及电子的电荷等物理量来确定。

实用为先

从实用的角度看，对电的直观理解要比理论更为有用。就我个人而言，我比较喜欢水的比方，它已经在电的启蒙课程中使用了数十年。图1-77显示了一个很高的、半满的水箱，在接近底部的地方扎有一个孔。将这个水箱看成是一节电池。水的高度相当于电压。每秒钟从孔中流出水的体积相当于电流。孔的狭窄度相当于电阻。见图1-79。

图1-77 如果你想从一个系统中获取功……

图1-78 ……你必须以这样或那样的方式往里面回送功率

图1-79 如果阻力不变的话，较大的力会产生更大的流量

在以上场景中，功率在哪里呢？假定我们放置一个小水轮，并让孔里流出来的水流冲击这个小水轮。我们可以让这个水轮带上某个机器。现在水流已经在做功了（记住瓦特是功的一个量度）。

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。只要我引入一些助手，来将废水搬运回水箱的顶部（图1-78），你就会看到我们必须往里输入功才能从中得到功。

同样，电池似乎也是只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的化合物，我们从电池中获得的功率正是由这种状态改变得来的。如果是可充电电池，我们必须往回输入功率，来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。那么一个方案就是加入更多的水。水的高度增加，从而会产生更大的力。这跟将两个电池正端对负端地串联起来、使电压翻倍的做法是一样的道理。见图1-80。只要电路的电阻保持不变，较大的电压就将产生较大的电流，因为电流=电压/电阻。

如果我们想转动两个水轮而不是一个，会怎么样呢？我们可以在水箱上打第二个孔，每个孔上的力（电压）将是相同的。然而，水箱中的水位将以两倍的速度下降。确实，最好的方法是建造第二个水箱，这又显示出此比喻很恰当。如果你将两个电池肩并肩地连接，即并联起来，你得到的是同一个电压，但是可以用两倍的时间。两个电池也可以比一个电池发出更多的电流。见图1-81。

图1-80 当你将两节相同的电池串联时，电压就加倍

图1-81 两节相同的电池并联将具有相同的电压和两倍的使用时间

总结出以下两点。

□ 两个电池串联发出两倍的电压。

□ 两个电池并联可以发出两倍的电流。

好啦，现在的理论已经远远够用了。在下一章中，我们将继续做一些建立在电的基础知识之上的实验，并将我们逐步地带向一些有趣且有用的小装置。