有哪些奇奇怪怪的知识刷新了你的认知？

显示全部楼层 · 2022-6-7 07:11:33

谢邀
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。

$V_{单个发电体}=m/ρ/0.8/4000$
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)., h( g7 @1 J/ }2 m/ r
20~25mA 手迅速麻痹,不能自动摆脱电极,呼吸困难.6 t6 Q+ i% W* ~& z
50~80mA 呼吸困难,心房开始震颤.
: P% L# h3 {# [" P& F8 @5 `4 q% O/ X5 H
90~100mA 呼吸麻痹,三秒钟后心脏开始麻痹,停止跳动.
( x' U8 d1 c4 q0 P3 h Y

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

$P=UI$
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。

$E=UIt$
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。