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电池，我们每天都在世界各地使用，但它们是如何工作的？

电池

电池是一种用于在我们需要时储存能量的装置。我们用它们为手电筒等小型电子设备供电。能量以化学能的形式储存，当我们需要时，它可以转化为电能。我们稍后会在本文中看到它是如何工作的。

电池和灯电路

如果我们看一个简单的电池和灯电路。为了照亮灯，我们需要电子流过它。电池将提供推动力，使电子流过灯。我们只需要将灯连接在电池的正负极两端即可完成电路。电池只能在一定时间内推动电子，这个时间取决于电池内部存储了多少能量以及负载需要多少能量。

负载示例

当我们谈论电路中的负载时，我们指的是任何需要电力才能工作的组件，这些组件可能是电阻器、LED、直流电机甚至整个电路板。有些电池是可以充电的，它会在侧面清楚地说明这一点，但典型的家用碱性电池不能，所以当电量耗尽时，只需将其丢弃即可。这些可以回收利用，因此请确保负责任地处理它们。

典型的 1.5V 碱性电池看起来像这样，但颜色会因制造商而异。当我们查看电池时，我们通常会在外面紧紧地贴上一个塑料包装，这可以使电池绝缘，但也会告诉我们重要信息，例如容量和电压以及哪一端是正极和负极。

碱性电池

正极称为阴极，并将具有向外突出的延伸表面。

正端

负端将是平的，负端称为阳极。这两个端子彼此电隔离。

负端

在包装纸下面，我们找到了主外壳，它通常由镀镍钢制成。这将所有内部组件固定到位，并阻止它们与空气和水等大气元素相互作用。

下包装

在外壳内，我们有多层不同的材料，这些材料是特别选择的，因为它们的化学反应会产生一定水平的电压和电流。第一层是阴极，它是氧化锰 (MnO2) 和石墨的混合物。这种材料与正极端子的金属接触。添加石墨是为了提高混合物的导电性并增加能量密度。

第一层

接下来，我们找到一层多孔材料，通常是形成屏障的纤维纸。屏障防止阳极和阴极材料彼此直接接触，这有助于电池在不使用时持续更长时间。如果没有屏障，那么电池就会短路。材料内的微孔允许离子原子穿过它。我们将在本文后面更详细地讨论这一点。

障碍

然后在制造过程中将氢氧化钾电解液喷洒到隔膜上，浸泡隔膜并将被吸收到阳极材料中。使用的电解液是碱性的，这就是为什么我们将这种类型的电池称为碱性电池。

电解液喷涂

在屏障的另一侧，我们有阳极，它是由锌粉 (Zn) 和胶凝剂制成的糊状物。胶凝剂只是使锌保持悬浮，因此它不会聚集在一个地方。锌呈粉末状以增加材料的表面积，从而降低内阻，从而改善电子转移。

电池内部

钢制胶囊用尼龙塑料盖密封。然后将黄铜销插入锌中，并在其上盖上钢帽。这给了我们负极端子。请注意，正极和负极端子由塑料盖隔开。这确保它们彼此电气隔离，否则电子可能会流过外壳到达正极并使电池短路。

正负分离

在我们了解电池之前，我们需要了解电是如何工作的一些基础知识。

首先，电是电子在电路中的流动。电池可以提供推动电子通过电路的推力。电子想要回到它们的源头，它们会立即采取任何可能实现这一目标的路径。通过将灯之类的东西挡在电子的前面，我们可以强迫它们为我们做功，例如点亮灯。

电力基础知识

电池产生直流电或直流电。这意味着电子仅沿一个方向从负极流向正极。示波器将在正区将 DC 显示为一条平坦的线。你可以把直流电想象成一条只向一个方向流动的河流。

直流电流

在这些动画中，我们展示了从负到正的电子流，但您可能习惯于看到从正到负的常规电流。电子流是实际发生的事情，但传统电流是原始理论，至今仍被广泛使用和教授。请注意这两种以及我们使用的是哪一种。

交流电

您从家中的电源插座获得的电力提供交流电或交流电，这与电池提供的电力不同。有了交流电，电子就会不断地前后流动，就像潮汐在涨潮和退潮之间进出一样。示波器将 AC 显示为通过正区和负区的波，因为它向前流动，即为正，向后流动，即为负。

交流电

如果我们观察一段铜线，我们会在其中找到铜原子。在原子的中心，我们有质子和中子，质子带正电，中子被认为是中性的，所以它们不带电。围绕这些轨道的是电子，电子带负电。

铜线

其中一些电子可以自由移动到其他原子。它们会自然地在其他原子之间移动，但方向是随机的，这对我们没有用。我们需要大量的电子以相同的方向流动，我们可以通过提供来自电源（例如电池）的电压差来做到这一点。

当我们谈论原子时，您会经常听到使用的术语离子。离子只是具有不等量电子或质子的原子。当一个原子具有相同数量的质子和电子时，它具有中性电荷，因为质子带正电而电子带负电，所以它们平衡。如果原子的电子比质子多，那么它就是负离子。如果原子的质子多于电子，则它是正离子。

离子

电压就像水箱中的压力。要知道我们有多少压力，我们必须将管道内部的压力与外部的压力进行比较，然后我们使用压力表来做到这一点。说到电压，我们用电压表来测量两个不同点之间的电压差。如果我们测量电池两端的差异，我们会得到 1.5V，但是如果我们测量相同的一端，那么我们会得到 0V，因为它是相同的一端，所以没有区别。

电压一样的压力

一些材料允许电子轻松通过，这些材料被称为导体。铜和大多数金属就是这样的例子。其他材料不允许电子通过，这些材料被称为绝缘体。橡胶和大多数塑料就是这样的例子。这就是我们使用带有橡胶绝缘层的铜线的原因。铜将电力输送到我们需要的地方，而橡胶则保证我们的安全。

通过将某些材料混合在一起，我们可以引起化学反应。这是当一种材料的原子与另一种材料的原子相互作用时，在这种相互作用中，原子会结合在一起或分开，电子也可以在化学反应过程中被原子捕获或释放。

好的，现在我们已经了解了基础知识，让我们看看电池内部，看看它是如何工作的。

请记住，我们简要讨论了原子。好吧，电池内的所有这些材料都是由许多不同的原子紧密堆积在一起制成的。对于我们非常简化的示例，这些由彩色球表示，每种颜色代表不同的材料，因此代表不同的原子。当我们在胶囊内将所有这些材料组合在一起时，我们将发生一个小的化学反应，原子开始相互作用。

电池内部

首先，电解质中的氢氧根离子原子将与阳极部分中的锌原子结合。这种化学反应被称为氧化，会产生氢氧化锌，因为锌和氢氧化物结合会释放电子。这些电子现在可以自由移动，它们将收集在黄铜销上。

同时，氧化锰原子将与电解质中的水分子以及自由电子在称为还原的化学反应中结合。在化学反应过程中，氧化锰变成了略有不同的氧化锰版本，这个版本不再需要氢氧根离子原子，因此它会将其喷射到电解液中。水原子被从氧化反应中喷出的一个取代。氢氧根离子现在是自由的并且能够通过分离器。但目前不会，因为阳极部分没有空间。

电子的积累

因此，正如您所看到的，我们在负极端子处积累了大量电子。由于电子带负电，现在与正极相比，负极端子上的电子更多，这意味着两端之间存在电压差，我们可以用万用表测量该差值。

请记住，我们只能测量两个不同点之间的电压差。如果我们测量相同的点，我们会得到零伏特，因为没有区别。

电子相互排斥，想移动到电子较少的区域。正极区域的电子较少，因此它们会尝试到达该终端。隔板可防止它们流入电池内部到达正极。

因此，电子需要另一条路线。如果我们为电子提供外部路径，例如电线，电子将流过它到达正极端子。通过将诸如灯之类的东西放置在电子的路径上，电子将不得不通过它，因此我们让它们为我们做功，例如点亮一盏灯。

点亮一盏灯

只要我们在端子之间有一个完整的电路，化学反应就会不断发生，电子就会从负极流出。如果我们移除电线或断开电路，那么化学反应就会停止。

所以让我们回顾一下正在发生的化学反应。自由电子通过正极进入电池。这与锰氧化物和阴极处的水分子结合，将氢氧根离子释放到电解质中。

氢氧根离子穿过分离器并与锌原子结合形成氢氧化锌，同时释放出电子和水分子。电子想要到达电子较少的区域，正极端子的电子较少，因此它们将流过电线到达该区域，因此化学反应一次又一次地不断重复。

然而，电池内部只有一定数量的材料，所以随着时间的推移，化学反应会越来越难继续，最终不会有更多的电子流动。电池现在将不再使用，需要处理掉。

我们可以使用电池为某些组件供电，但通常单个电池不足以为我们的设备供电，因此我们需要组合电池。

我们可以通过两种方式连接电池。串联或并联。我们之前已经详细介绍了这些电路类型，请查看串联和并联相关的文章。

串联

当我们将电池串联起来时，每个电池的电压是加在一起的。所以两节1.5V电池给我们3V，3节电池给我们4.5V等等。实际电压在现实世界中可能略有不同。电压增加是因为每个电池都在提升进入它的电子，所以我们得到更高的电压。

并联

如果我们并联连接电池，那么无论连接多少，我们都只会得到 1.5V。那是因为路径在供应处合并但在返回处分开，因此电子不会被提升。但是，这种配置类型将能够提供更大的电流，并且容量也更大，因此我们可以为某些设备供电更长时间。例如，如果电池的容量为 1,200mAh，而我们将两个并联，则容量为 2,400 mAh，但电压为 1.5V。如果我们将它们串联起来，我们的容量为 1,200mAh，但电压为 3V。

串联和并联

我们使用电池为我们的电路供电。但是电池可以为我们的电路供电多长时间？当我们查看电池的包装或数据表时，我们会看到旁边带有字母 mAh 的值。这是毫安时额定值。

电池示例

例如，这个的额定值为 2500 毫安。这意味着它理论上可以提供一小时 2500 毫安的电流，或 2 小时 1250 毫安或 125 小时 20 毫安的电流。然而，在现实生活中，它实际上可能不会持续这么长时间，因为化学反应变慢，所以电池的内阻会随着电量的耗尽而变化。还有很多其他因素会影响这一点，例如年龄和温度。

没有真正的方法来精确计算寿命，最好的方法是简单地测试它。但是，我们可以使用以下公式估算寿命：

电池寿命=容量（mAh）/电路电流（mA）。

我们在我们的网站上构建了一个免费的简单计算器，您可以在其中估算电池的运行时间以及所需的容量。

例如，在这个电路中，我们计算了19ma的需求，电池的容量为3000mAh。所以 3000 / 19 给了我们 157.9 小时。虽然这确实是最好的情况，但实际上它几乎肯定不会实现这一点。

电池寿命

要测量电压，我们只需在万用表上选择 DC 功能，然后将红色表笔连接到正极端子，将黑色表笔连接到负极。这将为我们提供电压读数。

电池额定值

您可以看到该电池的额定电压为 1.5V，但是当我们对其进行测试时，我们得到了 1.593V

电池没电

当电池没电时，我们会得到较低的电压，这个读数为 1.07V，所以它完全没电了。

但是，有时即使电池没电了，我们仍然可以获得1.5V左右的电压。

要对电池进行全面测试，我们需要在负载条件下对其进行测试，以检查它是否仍然有用。为此，我们需要一个电阻器。

测试电池

所以我们使用一个大约 100 欧姆的电阻器，虽然它不一定是这个值，但我们将电阻器连接在两个探头之间。在这种情况下，我们只是使用了一些鳄鱼夹来连接探针之间的电阻，就像这样。

这样电流将流过电阻器，我们可以在发生这种情况时获取电压读数。如果电池仍然良好，那么电压水平只会略有下降。

电池示例

比如这个电池的额定电压为1.5V，空载时为1.593V，接上电阻时为1.547V，所以还是不错的。

电池示例

该电池的额定电压也为 1.5V，当我们在空载的情况下对其进行测量时，它的读数正好为 1.5V，但是当我们连接电阻器时，它会降至 0.863V，因此我们知道它的电量已耗尽。

电池没电

但是现在你们都已经充满电了。