从没电的电池中榨取更多能量！

# 从电池耗尽的电池中榨取更多能量！ 来源：https://www.wired.com/story/squeeze-more-juice-out-of-a-dead-battery/ 深夜遛狗时，你的小手电筒越来越暗，最终熄灭了。与其在黑暗中跌跌撞撞地回家，如果能设法从电池里再挤出一点能量来继续使用，岂不是更好？ 这听起来可能不太现实，但确实可行。当电池供电的设备停止工作时，我们常说电池“没电了”，但实际上它并非完全耗尽。电池内部仍储存着化学能，电压也并非为零——只是不足以驱动电流通过灯泡或LED（或其他负载）而已。 但借助一些物理技巧，你确实可以让灯亮得更久，甚至久得多！我将向你展示如何搭建一个简单的电路，利用变压器和晶体管来挖掘这些残余能量。这种电路被戏称为“能量窃贼”（joule thief）。明白这个双关语了吗？ 搭建这样的电路不仅有趣，还能让你惊叹不已，同时它是对法拉第电磁感应定律（该原理同样应用于发电机，乃至电磁炉）的绝佳诠释。让我们开始吧！ ## 基础电池与灯泡 我先从一个非常简单的电路讲起：这是一个1.5伏的AA电池，通过一根铜线连接到一个小白炽灯泡。 摄影：Rhett Allain 这是一个完整的电路。电流从电池一端流出，经过内部有钨丝的灯泡，再回到电池另一端。由于钨丝极其细，电流会将其加热至约4500华氏度，使其白炽发光。（幸运的是，钨是所有纯金属中熔点最高的。） 只要电路闭合——在手电筒中意味着开关保持打开状态——电流就会持续流动，逐渐消耗电池的化学势能。随着电压下降，电流也会减弱。最终，电流将不足以产生任何光线。 从某种意义上说，这个电路也是一个“能量窃贼”。如果你保持开关打开，即使灯熄灭后电流仍会继续流动，并消耗掉电池的剩余能量。但谁会在乎一个耗尽电池却不发光的“能量窃贼”呢？ ## LED与白炽灯 如今大多数设备都使用LED而非白炽灯。LED不通过加热物体来发光，而是一种具有能隙的固态器件。当电流中的电子跃迁到更低的能级时，会以光的形式释放多余能量。这种方式效率高得多，因为没有热能的浪费。唯一的缺点是白色LED需要3伏电压，因此我们现在需要两节AA电池： 摄影：Rhett Allain 随着电池电量消耗，电压最终会低于3伏阈值。即使还有2.8伏电压，灯也可能完全不亮。这时“能量窃贼”的魔力就显现出来了。实际上，我们甚至能让一节1.5伏电池点亮3伏LED！但首先需要两个关键元件：变压器和晶体管。 ## 变压器 产生电流的方式不止一种。电池固然可行，但也可以利用磁场。这就是法拉第定律：如果一个线圈处于变化的磁场区域中，就会在其内部产生感应电压。 变压器正是基于此原理工作。它由绕在同一个磁芯上的两个线圈构成。线圈彼此绝缘，形成两个独立电路。当电流通过其中一个线圈时，会产生磁场；而磁场的变化会在第二个线圈中感应出电流。 这是我将使用的自制变压器。（这里有两组线圈，但都是红色的——我应该用不同颜色区分。）铁环可以增强磁场强度，使变压器更高效。 摄影：Rhett Allain 需要明确的是：在第二个线圈中产生电压的并非磁场本身，而是磁场的变化。当你开启或关闭第一个线圈的电流时，另一个线圈就会产生电压脉冲。如果保持电流接通，电压则会降至零。 实际上，感应电压的强度部分取决于变化速率。缓慢降低磁场强度会产生较低电压；快速关断则产生较高电压。此外，增加次级线圈的匝数也能提高电压。 这正是整个“魔术”的关键。通过变压器，我们可以在连接LED的次级电路中获得比电池初始电压更高的电压。现在我们只需要一种能快速反复开关初级电路的方法——这就是晶体管的用武之地！ ## 晶体管 在最基础的层面，可以将晶体管视为电流的阀门。它能关断电流或允许电流通过。而晶体管的栅极是由...等等...电流控制的。是的，这有点令人费解——就像需要一股水流来打开水龙头，从而产生另一股水流。 但这基本就是“能量窃贼”工作原理的全部奥秘。晶体管以每秒数千次的频率开关电流，本质上产生振荡电流，从而使变压器输出更高电压。 ## 能量窃贼电路 现在我们可以搭建完整电路了。网上有许多制作教程（https://youtu.be/3zs7sY0G0YM?si=FECbLhuHh1dG1E7o），但我将使用最简单的版本。电路图如下： 电路示意图：Rhett Allain 电池的电流通过变压器的初级线圈（蓝色）——产生磁场，进而在次级线圈（红色）中感应出电流脉冲。这个感应电流随后流入晶体管并关闭初级电流——但这又会引起磁场的变化。每次变化都会在次级线圈中产生3伏电压脉冲，点亮LED。由于电池仅有1.5伏电压，无法维持这种状态，晶体管会切换回初始循环。如此往复不息。 以下是我实际制作的“能量窃贼”电路照片。如你所见，它仅使用一节1.5伏电池（仅为LED所需电压的一半）。拍摄时灯光已连续亮了数日。它将持续工作，直到电池彻底耗尽。 摄影：Rhett Allain 当然，遛狗时你不太可能随身携带这样的装置。但你知道吗？高端口袋手电筒通常内置“能量窃贼”电路，使其能在单节电池供电下工作。这种技术已被微型化到名为升压转换器的小型电路板上。 这种利用直流电源产生振荡来升压的方法也用于其他设备。例如，太阳能电池板常与家用电池相连，储存电能供夜间使用。但在阴天，电池板可能只产生10伏电压，不足以给12伏电池充电。因此这些系统通常包含升压转换器。 看到了吗？这不仅仅是实验室里的巧妙技巧。“能量窃贼”就潜伏在我们身边。这确实是件好事！