Tại sao pin được xếp cạnh nhau theo hướng ngược nhau?

Hãy nghĩ lại thời thơ ấu của bạn và niềm vui mà bạn cảm thấy khi mở một món đồ chơi hoàn toàn mới—một chiếc ô tô điều khiển từ xa, những mô hình siêu nhân có thể cử động, nháy đèn phát nhạc hay thậm chí là một chiếc điện thoại đồ chơi. Sau khi xé giấy gói, thứ quan trọng nhất mà bạn cần phải tìm chính là pin để bạn có thể bật nó lên và bắt đầu vui chơi. Tuy nhiên, có một điều bạn chắc chắn bạn đã nhận thấy và đã nhìn thấy hàng trăm lần kể từ đó, đó là hướng dẫn trực quan về pin yêu cầu bạn phải gắn pin theo các hướng ngược nhau.

Tất nhiên, việc đặt các cục pin thành một hàng theo hướng ngược nhau không khó, nhưng nó đặt ra câu hỏi - tại sao pin lại được thiết kế như vậy?

Trước khi có thể hiểu được các sắc thái của việc tích hợp pin và thiết kế sản phẩm, chúng ta nên có một cái nhìn nhanh về pin. Pin, khá đơn giản, là một tập hợp các tế bào điện hóa với các kết nối bên ngoài cho phép nó cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử. Từ những cục pin nhỏ dành cho máy trợ thính và điện thoại thông minh cho đến những cục pin khổng lồ cho những chiếc ô tô điện, có một số thành phần cơ bản của pin vẫn được giữ nguyên.

Khi sử dụng pin, cực dương sẽ nối với cực âm và cực âm sẽ nối với cực dương. Các electron chạy từ mạch ngoài vào cực dương và di chuyển đến cực âm. Phản ứng oxi hóa khử xảy ra sẽ chuyển hóa chất phản ứng có năng lượng cao thành sản phẩm có năng lượng thấp; năng lượng còn lại sau đó sẽ có sẵn để thiết bị hoặc sản phẩm sử dụng dưới dạng năng lượng điện, cung cấp năng lượng cho thiết bị.

Về cơ bản, năng lượng hóa học trong pin được chuyển đổi thành năng lượng điện dưới dạng dòng điện một chiều (DC). Các hóa chất chứa trong pin thường là axit và được gọi là chất điện phân. Bản thân pin có thể được làm từ niken, lithium, cadmium, chì, thủy ngân và kiềm, tất cả đều có những ưu và nhược điểm khác nhau. Ngày nay, pin lithium ion đã trở nên cực kỳ phổ biến do mật độ năng lượng cao, cho phép chúng cung cấp nhiều năng lượng từ một nguồn nhỏ và có khả năng sạc lại cao.

Trước đây, pin truyền thống có nhiều ô được kết nối với nhau, nhưng pin hiện đại giờ đây có thể chứa nhiều ô bên trong chính nó. Tuy nhiên, khi nhiều pin được sử dụng cùng nhau, chúng thường được sắp xếp nối tiếp, cho phép chúng tăng gấp đôi cả điện áp và Ampe giờ (lượng năng lượng sạc trong pin sẽ cho phép một ampe dòng điện chạy trong một giờ). Tùy chọn khác cho pin là được bố trí song song (tăng Ampe giờ nhưng giữ nguyên điện áp), nhưng tùy chọn này không phù hợp với các thiết bị có thể yêu cầu mức điện áp cao hơn.

Khi nhiều pin được sắp xếp nối tiếp, các cực dương và cực âm của các cực liền kề phải được kết nối; đó là cách dòng điện có thể chạy qua, hoàn thiện mạch điện và cấp nguồn cho thiết bị. Với ý nghĩ đó, việc sắp xếp pin theo mô hình xen kẽ—bộ pin có cực (+) hướng lên trên, tiếp theo là pin có cực (-) hướng lên trên—là hiệu quả.

Nếu các pin được bố trí với các cực giống nhau, tất cả đều hướng về cùng một hướng, thì cần phải đưa vào thiết kế một dây nối giữa cực dương và cực âm của các pin lân cận, gây ra tiêu tốn nhiều vật liệu hơn. Tuy nhiên, với các pin thay đổi theo hướng đầu cực của chúng, một tấm kim loại nhỏ ở hai đầu của pin có thể thiết lập kết nối thiết yếu này - giữa các cực (+) và (-).

Tùy thuộc vào thiết kế của sản phẩm, các pin có thể phải được sắp xếp cạnh nhau hoặc thành một hàng. Trong cách sắp xếp thứ hai, thường thấy ở đèn pin, cực dương và cực âm được nén và giữ sát vào nhau, cho phép dòng điện chạy êm. Trong các sản phẩm khác, chẳng hạn như máy chơi điện tử cầm tay, việc nén chặt nhiều pin cạnh nhau theo các hướng luân phiên là thiết kế hiệu quả nhất về mặt hoàn thiện mạch điện.

Khi thiết kế một sản phẩm, cần phải tính đến từng milimet; ngay cả việc thêm một dây phụ cũng được coi là lãng phí và có thể làm tăng thêm chi phí sản xuất cuối cùng. Các nhà sản xuất và nhà thiết kế không ngừng tìm kiếm hiệu quả chi phí mà không ảnh hưởng đến chức năng. Việc sắp xếp pin theo kiểu hướng lên trên này và liên kết các cực dương và cực âm bằng một thanh kim loại, thay vì bằng dây, sẽ cải thiện hiệu suất và hiệu suất của thiết kế. Xét về hướng của pin (trong một hàng hoặc liền kề), điều đó phụ thuộc vào hình dạng tổng thể và các thành phần vật lý khác của sản phẩm.