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看到QQ群学生们在讨论城市需要多少只皮卡丘供电时,觉得有点意思。看过《精灵宝可梦》的人都熟悉“皮卡丘10万伏特”的绝招。那么,在已知皮卡丘的电压和城市供电量的情况下,这个换算是完全可以解释的。
作为物理专业背景的人士,我想一一向大家介绍下其背后的知识。欢迎探讨~。
皮卡丘的电是什么电?
交流还是直流?
在研究这个问题之前,我们先来复习一下我们日常所用的电是怎么来的。
主要分三步:
第一步,能量转化,把其它形式的能量转换成动能。
火力发电,就是通过用煤或者石油烧水,然后会产生水蒸气,蒸汽推动汽轮机转动,把内能转换为动能;
水力或者风力,利用流体的能量驱动热机;其实是把势能转换成动能;
核能发电,通过核裂变所释放出能量烧水,产生水蒸气,推动汽轮发电机,把原子能转换为动能
第二步,电磁感应
根据电磁感应定律,线圈在磁场中转动,切割磁感线,就会产生感应电流,第一步产生的功能,就是为了推动发电机,而发电机的主要原理,就可以简化成一个可以在磁场中转动的线圈

第三步,通过变压器之类的方式输送给用户使用。
发电的重点在于电磁感应,而实现电磁感应就必须要有感应线圈或者可以产生磁场的部件,但是通过皮卡丘的解剖图,你会发现,并没有类似感应线圈之类的结构,也没有可以产生磁场的装置。

那么我们可以得出一个结论,皮卡丘的肯定不是交流电,而是直流电。
作为生物的发电
考虑到皮卡丘并不需要燃料,也不需要光照或者核能蓄能的方式,仅仅通过正常的饮食,就能够产生电能并释放。
所以皮卡丘的身上的电应该为生物电。
其实生物电广泛存在于所有的细胞生物,学过中学生物的都知道,我们的神经网络,就是通过电信号来传导的。
简单说明一下:
静息状态时,细胞膜两侧的电位是『内负外正』;
受到刺激后,细胞膜上的钠离子通道开放,导致很多钠离子内流,使得膜内的电位变成『内正外负』;
由于存在电位差,所以就会产生电流不断地向外传导直到神经末梢。

不过,这些电信号的电压不过毫伏级,大多数的细胞静息电位在-10~100mV之间。
但是有种生物,却能提供600-800V瞬时电压,他就是电鳗。

不好意思,放错图了,应该是下边这张

电鳗的放电能力在于它独特的细胞结构,是一种很特别的肌肉组织结构形成的放电体,这种放电体就像是一些小型的叠层电池,每一个『电池』大概能提供0.15V的电压,把这些所有的电池串联起来,就可以产生很高的电压。
由于电鳗的头部是负极,尾部是正极,巨大的电位差在体外就产生足够大的电流,从而放电,电死或者电晕猎物。
如果把电鳗的身体结构抽象一下,那么也许是这个样子。

电鳗的肌肉组织几乎都能放电,占其身长的80%以上。 如何达到10万伏
如果皮卡丘的放电原理与电鳗类似,那么要达到10万伏电压,皮卡丘的体型应该是怎样的?
这很好计算。
算出一个发电体的体积,然后求出需要多少个发电体能够达到10万伏即可。
电鳗的释放的电压与体长有关,体型越大,电压越大(毕竟电池多了嘛),一条可以放电600V的电鳗,通常体长在2m以上,体重20kg,如果按照每个放电体0.15V计算,则需要4000个放电体。
由于我们不知道电鳗的横截面积,所以体积没有办法直接求出来,不过电鳗作为一个淡水生生物,密度应该与水差不多,我们还知道,电鳗的放电组织大约占身长的80%。
根据密度公式,我们很容易算出每一个发电体的体积。
其中,m是电鳗质量,ρ为水的密度。
代入数据,进行计算,每个放电体的体积为0.00625立方米。
如果皮卡丘和电鳗的放电效率一致,至少需要10×10^4/0.15=666666.7个发电体。
根据上述计算结果,则皮卡丘的体积为666666.7×0.00625=4166.67立方米,按照皮卡丘的设定,是一只老鼠,哺乳动物的密度也可以近似为1,那么重量为4000多吨。
4000多吨什么概念,这明显不是什么精灵宝可梦了,这简直一高达啊。
明显与我们既可爱又萌又小巧的宝可梦的形象不符合啊。

所以皮卡丘肯定还有更为高效的充能过程。
从简单串联到直流升压系统。
如果把电池串联起来,电压只是所有电池电压之和,其实还有一种办法,就是直流升压系统。可以在很短的时间内,把一个低电压提升至你所需要的高电压。
直流升压的原理也不难理解,将直流电转换为交流电,这时候就可以使用脉冲变压器把电压升到预定值,然后在整流获得高压直流电。
直流升压的例子其实很常见,比如你的相机闪光灯,虽然你的电池只有5V,但是使闪光灯闪起来有可能需要千伏的电压,就是通过直流升压的方式进行的。
皮卡丘在放电时候,面部会出现电火花。这表明在皮卡丘存在振荡电路的电容。而振荡电路,是直流升压不可缺少的结构。

还有一个猜想是,皮卡丘能够够吸收空气中的电荷。
空气中各种微粒相互碰撞摩擦。因为摩擦生电的原理,空气中的正负电荷就会持续累积。虽然每次的电量微弱,但是累积到一定的程度,电量也是十分惊人的。
听过打雷,见过闪电吧?这就是空气电荷放电的结果,闪电的电压一般在100万伏和1亿伏之间。

所以皮卡丘吸收一点空气中的电荷来达到10万伏,看起来也不是什么困难的事情。
让皮卡丘来提高生产力,是否可行?
不打架的时候存起来?
让皮卡丘自己存起来,有点不利于自己的健康,一旦积蓄大量电力,就会有带电症状

让皮卡丘把电能先放到蓄电池里?
这点也不可行,因为目前没有那种蓄电池结构能够承受住10万伏的高压,技术还有待进步。
照亮一个城市一整年,需要多少个皮卡丘?
按照皮卡丘动画片设定,一次放电攻击3s左右,10万伏,但是问题来啦,电流是多少?
这个并没有给出具体数值,但是我们可以从动画细节中进行简单的推理:
皮卡丘可以把敌人电到浑身发黑,而且无法摆脱;但是只是为了击败对方,并没有一下子电死对方。
所以皮卡丘的电流应该大于摆脱电流,而小于致命电流。
这里解释一下什么是摆脱电流和致命电流:
摆脱电流,就是触电之后,人们能够甩开带电体的最小电流,当电流增大到一定程度,肌肉收缩、产生痉挛而紧抓带电体,就不能自行摆脱带电体;
摆脱电流跟个体的状态,电机的尺寸都有关系,成年男性平均摆脱电流约为16毫安,成年女性约为10.5毫安;成年男性最小摆脱电流约为9毫安,成年女性约为6毫安。
致命电流,这个比较好理解,我们都知道,人体安全电压是36V,安全电流为10mA。
以下是人们对一些电流的反应:
- 8~10mA 手摆脱电极已感到困难,有剧痛感(手指关节).
- 20~25mA 手迅速麻痹,不能自动摆脱电极,呼吸困难.
- 50~80mA 呼吸困难,心房开始震颤.
- 90~100mA 呼吸麻痹,三秒钟后心脏开始麻痹,停止跳动.
这里我们取一个中间值,50mA,让对手无法摆脱,同时也不会致命。
根据
代入数据,每次攻击的功率为5000w。相当于一件大型家用电器了。
动画片并没有明确表示皮卡丘的放电时间,但是我们可以取一个战斗过程中的大概数值,10s。
其中E为电能,U为电压,I为电流,t为时间。
代入数据,那么每次技能释放是的能量是13888.88mhA。
那么回到我们开头的问题,如果要照亮一座城市一整年,需要多少皮卡丘?
我们以上海为例。
根据报道,2020年,上海全社会用电量累计完成1576亿千瓦时。

为了方便计算,皮卡丘每次释放额能量是13888.89mAh,换算成千瓦时,1388.89KWh。
简单地做一下除法,1576×10^9/1388.89,需要1,134,719,092只皮卡丘。
照明用电一般占到社会总用电量的13%,那么,需要147,513,482只,一亿多只了啊!
皮卡丘还是不适合当“打工人”
皮卡丘虽然能够产生的瞬间的高压,但是不能持久,这也就导致了,不用作为一个稳定的能量源就行使用。
而且每次放电后,都会特别虚弱:

皮卡丘的数量特别稀少,在精灵宝可梦中 ,想捕捉到一只皮卡丘,是件特别困难的事情。而且饲养起来也是特别的地难。不但要照顾他的饮食起居,还是时刻关心他的身体健康,一旦体内蓄电量过度的话,还需要到研究所的精灵中心进行放电处理,总之是很累的。
所以,还是不要让皮卡丘来干活发电了,回归本职工作,好好地卖萌吧!

以上。 |
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