日常的小机器 · 电池与回路

电池怎样让玩具动起来?

电池放进玩具,轮子就一定会转吗?先找开关里的小缺口,再走进电池和马达的放大图,看看能量怎样接力。

01 / 合上这个小缺口

一条完整的路,才能持续供电

只在屏幕探索 · 不拆电池
电池、开关和玩具
蓝点表示金属导线中的电子,放电时沿外电路从负极到正极。它们不是被马达吃掉的燃料,图中速度也不是真实速度。
电池里的两种通路
金色带加号的点代表锂离子。隔膜帮助隔开两极,同时允许离子通行;它不是让电子直接穿过电池的捷径。

合上开关后,点“运行一次”或拖动进度。打开开关会停止供电,并保留已用能量。

来回拖动是在回看模型,不是给真实电池充电。重置只恢复屏幕里的例子。

能量从哪里来,去了哪里?

尚未释放的化学能
已经用于转动等机械作用
已经转为热

能量条只示意去向,不表示真实电量、效率或使用时长。

蓝色:外电路电子金色:电芯中的锂离子

只按屏幕按钮。不要拆开、加热或把电池两端直接接起来。电池由大人保管和更换;按钮电池不能放入口鼻,疑似吞下要立即告诉大人并寻求急救。

01 / 电池不是电子仓库

能量来自化学变化

电极材料发生反应,帮助维持两端的电势差。接成合适的完整回路后,电池的化学能就能持续向外转移。导线里本来就有可移动的电子。

02 / 电流不等于小点速度

不是等一颗电子跑完全程

闭合后,电场变化沿回路传播,使各处的电荷运动发生响应。电荷在金属中的平均漂移较慢;画上的小点只是帮助看清方向。

03 / 马达接着转换能量

线圈与磁场一起工作

通电的线圈在磁场里受到力,带动转轴。真实玩具还会通过齿轮等结构把转动传给轮子;电池和马达也会有热损耗。

02 / 有些能充电,有些不能

外形相似,使用规则未必一样

一次电池

常见的一次碱性电池不是为反复充电设计的。用完由大人按当地要求回收处理,不要尝试充电。

可充电电池

合适的充电器提供外部能量,使设计允许的化学过程向回进行。电池必须明确标注可充电,并使用适配设备;外形和大小不能替代说明。

深入看:闭合回路、电荷输运与化学能

以锂离子电芯放电为例,负极的氧化过程释放电子,正极的还原过程接收电子,锂离子在电解质中迁移并进入相应电极材料。金属外电路导电子,电解质与隔膜中的离子通路共同完成电荷输运;两者不是同一种粒子跑同一条路。图中只强调锂离子的净迁移,电解质中还存在其他离子和扩散过程。

电流的约定方向与电子在金属外电路中的平均运动方向相反。电池保持电势差需要消耗可利用的化学自由能;充电则需要外部做功,不能凭空恢复能量。这里略去内阻、电压平台、反电动势、开关瞬态及自放电,把正常低压玩具回路作为定性模型。示意中的固定机械功与热分配并非实测效率。

资料与插画说明

电池组、教学电芯和马达使用不同尺度,形状与颜色为观察调整。可见粒子、能量条和转速不是测量;每种电池的材料、离子与反应并不相同。画面暂停表示暂停观察时间,断开开关则改变真实的回路条件。