这个问题挺好玩的,尝试分析回答一下,
主要涉及的知识点有:
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电流
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化学发电
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物理发电
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生物发电
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皮卡丘自身电压变压机制
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皮卡丘耐电性分析
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皮卡丘自身漏电保护机制
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尖端放电
分析过程为 皮卡丘的发电方式分析 —— 皮卡丘的放电方式分析 —— 皮卡丘的漏电保护机制
一、皮卡丘的发电方式分析:
- 先简介一下皮卡丘的电是什么回事。老夫虽然昨晚木有夜观星象,但好歹童年夜夜观动画片,有木有,高清画质,比几十像素的星象要靠谱的多哇。据说,据动画片说的,内个,皮卡丘的电,一般放电电压达10W伏,爆发的时候高达100WV。考虑到皮卡丘自身并无旋转机制,所以不会产生旋转电场和磁场的作用,所以,皮卡丘放的电为 直流电 。
- 根据1的分析,我们已经推断出皮卡丘用的是直流电:
1,化学发电:燃料电池、锂离子电池等技术。
2,物理发电:受光照刺激造成电子跃迁形成电流(太阳能发电技术的原理)
3,生物发电:比如电鳗的发电[1]。就是很多发电细胞积累膜电位,接到神经系统信号后有些电位反转,就放电了。简单讲就是很多很多细胞,积累了电势,像一堆串联起来的电池,收到信号以后电池被接通了,迅速放电~(据报道,日本水族馆已经可以利用电鳗发电供圣诞树挂着的一些小灯照明使用了)这个过程很好玩,机制跟动物体内运动神经末梢控制肌肉的机制很像,递质都是乙酰胆碱。皮卡丘的发电方式是: 生物发电 。
原因: 根据皮卡丘自身生物特性,如果是化学发电方式,皮卡丘的战斗多在野外,燃料不方便补充,所以,适用性有限,此项排除。如果是物理发电,皮卡丘有夜晚战斗事迹,没有光照的条件下也能发电,so,剩下的最合理性价比最高的方式也就是生物发电了 。
二、皮卡丘的放电系统分析:
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不知道大家有木有注意到皮卡丘放电前后有什么特殊的表现,比如,情绪波动,皱眉毛,浑身带着电晕等。而皮卡丘放电电流的走向也与雷电很像,都是走树状折线线路。大家都知道,如果是生物发电,初始电压要积累到10WV,是一件很难的事情,即使是皮卡丘这类聪明的电气宝贝,产生电流,到放电也需要一个升压过程。所以,皮卡丘的放电是一个产生初始电流、升压、放电的过程。
皮卡丘的自身结构:皮卡丘的发电原理跟电鳗类似,但比它更高级。所以,推测皮卡丘的身体结构也与电鳗不尽相同。为了便于导出皮卡丘身体结构的猜测,我们先看一段放电过程的分析。 -
皮卡丘的自身结构:皮卡丘的发电原理跟电鳗类似,但比它更高级。所以,推测皮卡丘的身体结构也与电鳗不尽相同。为了便于导出皮卡丘身体结构的猜测,我们先看一段放电过程的分析。
于是,关于皮卡丘是如何放电的简化的说明就是: 脸部的两个小红点形成的电容+表皮正电荷富集+折线尾巴负电荷富集,产生高压,然后瞬间放电,最终击倒对手 。
还有一点值得注意,皮卡丘本身导电,有一定的耐电性,但是,它自身肯定也有一套触电保护系统。这个系统的结构,我猜测是皮卡丘肌肉组织中有一个网状良导体结构裹住全身,使得电压高于自身耐电最高值时不被击穿,这个原理可以参考修高压电工人穿的防护服。
计算过程( 可以忽略 ):
1.皮卡丘的肉身发电初始电压、电流、自身电阻的估算:
以电鳗为例,皮卡丘的数据根据1m长500v的电鳗数据为参照,得出一下数据
那么皮卡丘的电压等效为125V。
电鳗电流1A,即电阻500欧。
皮卡丘尾部与电鳗体型相似,电阻200欧。
头+躯干等效为直径4倍于尾巴的圆柱(根据二维图像尾巴与头部的比例测算,有误差也没关系,对结果影响不大),高度相同,则电阻为12.5欧。
当皮卡丘用尾巴和头顶作两极时通过体内的电流就是0.6A左右。
不过这也基于皮卡丘跟电鳗一样,发电器官集中于尾部而不考虑头部……
综上:皮卡丘的自身电阻为12.5欧,发电初始电流为0.6A,初始电压为125V。
2、尾部尖端放电计算分析
假设皮卡丘的尾巴(角度是α的尾巴)是等电势体,其电势都是V0,下面分析为什么电会从尾巴尖出来。
由于编辑器的问题,下标只能用_表示了,例如:A_1就表示A的第一个。
在静电场中,电势V满足下列拉普拉斯方程:▽²V = 0。为了简单,再把它的尾巴当做一个柱体的一部分,如果不考虑z轴,则该方程在柱坐标系下则表示为:
http:// ww2.sinaimg.cn/large/62 71cd3dgw1dog0ila2wwj.jpg
用分离变量法分离r和φ,则可令V(r,φ)=R(r) Φ(φ) ,则上式可分解为:
http:// ww4.sinaimg.cn/large/62 71cd3dgw1dog0uvp0r1j.jpg
其中u为常数,可以取≥0的实数。
两个方程的通解叠加起来,得到V的通解是:
http:// ww2.sinaimg.cn/large/62 71cd3dgw1dog0n7mqkfj.jpg
上式中的各个常量和u的可能值都可以有边界条件确定,在φ=0的面上,V = V0而且与r无关,因此A_0*C_0=V,B_0=0,当u≠0时,C_u=0因为r→0时V有限,得到B_0=B_u=0。
在尾巴的φ=2π-α上V=V0,与r无关,因此,同样的有D0 = 0
sin u(2π-α) = 0 => u_n = n / (2 –α/π) n = 1,2,3…
由以上的条件可知,V的表达式可以重写为:
http:// ww4.sinaimg.cn/large/62 71cd3dtw1dog0wtek3sj.jpg
在尾巴尖角附近,上式的求和主要贡献来自r的最低次幂的项,此时n=1,则在这种情况下V≈V0+A_1 r^(u_1) sin(u_1*φ)。
根据电场与电势的关系E=-▽V,有
E_r ≈ -u_1*A_1*r^(u_1-1)sin(u_1*φ)
E_φ≈ -u_1*A_1*r^(u_1 - 1)cos(u_1*φ)
则尾巴两面的自由电荷的面密度(而且只有两个表面有电荷)为(下式在φ=α时,取+号;φ=2π-α时,取-号。ε_0是真空中的电解质常数。)σ=±ε_0* E_φ≈-ε_0*u_1*A_1*r^(u_1 - 1)
结论:如果α很小,则u_1 = 1/2,尾巴附近的场强和电荷面密度都近似地正比于r^(-1/2)。由此可见,尾巴尖附近存在很强的电场和电荷面密度。
参考资料:
[1]电鳗如何发电:http:// sa.ylib.com/circus/circ usshow.asp?FDocNo=837&CL=8
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以上就是皮卡丘的发电方式,可能会存在谬误,仅仅是从我自己所了解的层面做了一些解答,如果有任何错误欢迎指出。
另外感谢回答之前知乎上很多朋友的帮助:)