3. Батарейки: собираем источник

1. Крючок (10 секунд)

Пульт работает от двух «пальчиковых» батареек по 1.5 В, а выдаёт 3 В. Ноутбук — от одной банки, но на 11 В. Как из кучи одинаковых 1.5-вольтовых кирпичиков собрать и 3 В, и 12 В, и «работает год»? Секрет — в том, как соединить ячейки. Сегодня соберём источник сами.

2. Сквозная метафора урока: этажи водонапорной башни

• Поставил баки друг на друга (последовательно) → башня выше → давление (напряжение) растёт.
• Поставил баки рядом (параллельно) → башня той же высоты, но воды больше → дольше льётся (ёмкость растёт).

Ячейки батарей — это баки. Выбор «в высоту или в ширину» задаёт характер источника.

3. Адаптированное ядро

Блок 1. Ячейка и батарея

Ячейка (cell) — один электрохимический «кирпичик» с «+» (анод) и «–» (катод). Обычная ячейка даёт 1.2 или 1.5 В, литиевая — около 3 В.

Батарея — это несколько ячеек в одном корпусе. «Крона» 9 В внутри — это шесть ячеек по 1.5 В в ряд.

Блок 2. Последовательно — растёт напряжение

Соединяем «+» одной ячейки с «–» следующей. Напряжения складываются:

• $V_T$ — общее напряжение батареи, вольт (В);
• $V_1, V_2, \dots$ — напряжения отдельных ячеек, вольт (В).

Ток (точнее, ёмкость в А·ч) при этом остаётся как у одной ячейки.

Блок 3. Параллельно — растёт ток и время работы

Соединяем «+» с «+», «–» с «–». Напряжение не меняется, а токи (и ёмкости) складываются:

• $I_T$ — суммарный доступный ток, ампер (А);
• $I_1, I_2, \dots$ — токи отдельных ветвей.

Блок 4. Ёмкость: ампер-часы (А·ч)

Ёмкость — сколько тока и как долго батарея может отдавать. Измеряется в А·ч или мА·ч.

• Батарея 1 А·ч отдаёт 1 А в течение 1 часа, или 0.5 А в течение 2 часов (половину тока — вдвое дольше).

Мощность связывает всё: $P = V \cdot I$ (Вт). Больше напряжение (последовательно) или больше ток (параллельно) — больше мощность.

Блок 5. Одноразовые и заряжаемые

• Первичные (primary): пальчиковые, для пульта/фонарика — реакция необратима, сел — выбросил.
• Вторичные (secondary): авто, телефон, ноутбук — реакцию можно обратить зарядкой, много циклов.

Для финала удобны заряжаемые или свежие щелочные AA.

4. Концептуальный чек-ап

5. Разбор задачи (пошагово)

Дано: прибор потребляет $I = 50$ мА. Нужна батарея, чтобы работал $t = 20$ часов. Какая ёмкость нужна?

6. Практика на верстаке

Сборка A — «Собираем 4.5 В» (базовая)

Что собрать: 3 холдера AA последовательно. Что измерить: мультиметром на выходе — около 4.5 В (складываются). Проверь: убери одну ячейку — упало на 1.5 В. Предел: вставь одну батарейку наоборот (переполюсуй) — общее напряжение падает (её вклад вычитается). Живая иллюстрация полярности.

Сборка B — «Параллель против последовательности» (базовая)

Что собрать: те же 3 ячейки — сначала последовательно, потом параллельно, каждый раз с лампочкой-нагрузкой. Что увидеть: последовательно — лампа ярче (выше напряжение); параллельно — тусклее, но горит дольше (больше ёмкость). Предел: засеки время до заметного потускнения в обоих случаях — параллель держится дольше.

Сборка C — «Просадка под нагрузкой» (продвинутая)

Что собрать: батарея + мультиметр (В) на выходе + переменная нагрузка (резистор/лампа). Что измерить: без нагрузки ~4.5 В; под сильной нагрузкой напряжение проседает — виновато внутреннее сопротивление батареи. Предел: нагружай всё сильнее — просадка растёт. Это прямой мостик к уроку 8 (Тевенен: батарея = источник + внутреннее $R$). Можно вывести просадку на осциллограф при включении нагрузки — увидишь «ступеньку».

7. Разноуровневые задания (5 шт.)

8. Итог урока (30 секунд)

Этажи башни. Ставим баки друг на друга (последовательно) — растёт давление (вольты). Ставим рядом (параллельно) — дольше льётся (ёмкость). Источник для финала мы теперь умеем «настраивать» под задачу.

Дополнительные вопросы