Лимонная батарея - Lemon battery
А лимонная батарея это простой аккумулятор часто делается с целью обучения. Обычно кусок цинк металл (например, оцинкованный гвоздь) и кусок медь (например, пенни) вставляются в лимон и связаны проводами. Энергия, генерируемая реакцией металлов, используется для питания небольшого устройства, такого как светодиод (ВЕЛ).
Лимонная батарея похожа на первая электрическая батарея изобретен в 1800 году Алессандро Вольта, кто использовал рассол (соленая вода) вместо лимонного сока.[1] Лимонная батарейка показывает тип химическая реакция (Снижение окисления ), что происходит в батареях.[2][3][4] Цинк и медь называют электроды, а сок внутри лимона называется электролит. Существует множество разновидностей лимонной ячейки, в которых в качестве электролитов используются разные фрукты (или жидкости), а в качестве электродов - металлы, кроме цинка и меди.
Использование в школьных проектах
Существует множество инструкций по изготовлению лимонных батарей и по получению таких компонентов, как светодиоды (Светодиоды), электросчетчики (мультиметры ) и оцинкованные (оцинкованный ) гвозди и шурупы.[5][6] Коммерческие научные наборы "картофельные часы" включают электроды и низковольтные цифровые часы. После сборки одной ячейки мультиметр может использоваться для измерения Напряжение или электрический ток от гальванического элемента; типичное напряжение для лимонов составляет 0,9 В. Токи более изменчивы, но составляют примерно до 1 мА (чем больше поверхность электродов, тем больше ток). Для более заметного эффекта клетки лимона можно соединить в серии для питания светодиода (см. рисунок) или других устройств. Последовательное соединение увеличивает доступное для устройств напряжение. Свартлинг и Морган опубликовали список низковольтных устройств вместе с соответствующим количеством лимонных ячеек, необходимых для их питания; они включали светодиоды, пьезоэлектрические зуммеры и небольшие цифровые часы. С цинково-медными электродами для любого из этих устройств требовалось не менее двух лимонных ячеек.[7] Замена цинкового электрода на магниевый электрод делает элемент с большим напряжением (1,5–1,6 В), а один элемент из магния / меди питает некоторые устройства.[7] Обратите внимание, что раскаленный Лампочки от фонарей не используются, потому что лимонная батарейка не рассчитана на выработку электрического тока, достаточного для их зажигания. Умножив средний ток лимона (0,001 А / 1 мА) на среднее (самое низкое) напряжение (разность потенциалов) лимона (0,7 В), мы можем сделать вывод, что потребуется более 6 миллионов лимонов, чтобы дать нам мощность средний автомобильный аккумулятор 4320 Вт.
Вариации
В качестве кислотного электролита можно использовать многие фрукты и жидкости. Fruit удобен тем, что обеспечивает как электролит, так и простой способ поддержки электродов. Кислота цитрусовых (лимоны, апельсины, грейпфруты и т. Д.) лимонная кислота. Кислотность, определяемая измеренным pH, существенно различается.
Картофель имеют фосфорная кислота и работают хорошо; они являются основой для коммерческих наборов "картофельные часы".[8][9] Картофельные батареи с ВЕЛ освещение было предложено для использования в бедных странах или населением, не имеющим электросети. Международное исследование, начатое в 2010 году, показало, что кипячение картофеля в течение восьми минут улучшает их электрическую мощность, как и размещение ломтиков картофеля между несколькими медными и цинковыми пластинами. Вареные и нарезанные подорожник (Стебель) также подходит, по мнению исследователей Шри-Ланки.[10]
Вместо фруктов можно использовать жидкости в различных емкостях. Уксус бытовой (уксусная кислота ) работает хорошо.[11] Квашеная капуста (молочная кислота ) был показан в одном из эпизодов американской телепрограммы Головокружение (ответвление Разрушители легенд программа). Квашеная капуста была консервированной и стала электролитом, а сама банка была одним из электродов.[12]
Цинковые и медные электроды достаточно безопасны и легко доступны. Другие металлы, такие как свинец, железо, магний и т. Д., Также могут быть изучены; они дают другое напряжение, чем пара цинк / медь. В частности, магниево-медные элементы могут генерировать напряжение до 1,6 В в лимонных элементах. Это напряжение больше, чем можно получить с помощью цинко-медных элементов. Это сравнимо со стандартными бытовыми батареями (1,5 В), что полезно для питания устройств с одним элементом вместо использования ячеек последовательно.[7]
Результаты обучения
Для самых маленьких школьников в возрасте 5–9 лет образовательная цель носит утилитарный характер:[13] батареи - это устройства, которые могут питать другие устройства, если они соединены проводящим материалом. Батареи - компоненты в электрических цепях; подключение одного провода между батареей и лампочкой не приведет к питанию лампочки.
Для детей в возрасте от 10 до 13 лет батареи используются, чтобы проиллюстрировать связь между химией и электричеством, а также чтобы углубить концепцию электрической схемы. Тот факт, что используются различные химические элементы, такие как медь и цинк, можно рассматривать в более широком контексте, что элементы не исчезают и не разрушаются, когда они подвергаются химическим реакциям.
Для старшеклассников и студентов колледжей батарейки служат для иллюстрации принципов окислительно-восстановительных реакций.[13][14] Студенты могут обнаружить, что два идентичных электрода не дают напряжения и что разные пары металлов (помимо меди и цинка) дают разные напряжения. Можно исследовать напряжения и токи от последовательных и параллельных комбинаций батарей.[15]
Ток, который выводится батареей через счетчик, будет зависеть от размера электродов, от того, как далеко электроды вставлены в плод и насколько близко друг к другу расположены электроды; напряжение практически не зависит от этих деталей электродов.[16]
Химия
В большинстве учебников представлена следующая модель химических реакций лимонной батареи.[1][3][17] Когда элемент пропускает электрический ток через внешнюю цепь, металлический цинк на поверхности цинкового электрода растворяется в растворе. Атомы цинка растворяются в жидком электролите как электрически заряженные. ионы (Zn2+), оставляя 2 отрицательно заряженных электроны (е−) сзади в металле:
Эта реакция называется окисление. Пока цинк попадает в электролит, два положительно заряженных водород ионы (H+) из электролита соединяются с двумя электронами на поверхности медного электрода и образуют незаряженную молекулу водорода (H2):
Эта реакция называется восстановлением. Электроны, используемые в меди для образования молекул водорода, передаются от цинка через внешний провод, соединяющий медь и цинк. Молекулы водорода, образующиеся на поверхности меди в результате реакции восстановления, в конечном итоге уносятся пузырями в виде газообразного водорода.
Результаты эксперимента
Эта модель химических реакций дает несколько предсказаний, которые были проверены в экспериментах, опубликованных Джерри Гудисманом в 2001 году. Гудисман отмечает, что многие недавние авторы предлагают химические реакции для лимонной батареи, которые включают растворение медного электрода в электролите. Гудисман исключает эту реакцию как несовместимую с экспериментами и отмечает, что правильный химический процесс, который включает выделение водорода на медном электроде, но также может использовать серебро вместо меди, известен уже много лет.[4] Большинство подробных прогнозов модели применимы к напряжению батареи, которое измеряется непосредственно измерителем; к аккумулятору больше ничего не подключено. Когда электролит был модифицирован добавлением сульфат цинка (ZnSO4), напряжение от ячейки было уменьшено, как и было предсказано с использованием Уравнение Нернста для модели. Уравнение Нернста по существу говорит о том, насколько падает напряжение при добавлении сульфата цинка. Добавка сульфата меди (CuSO4) не повлияло на напряжение. Этот результат согласуется с тем фактом, что атомы меди от электрода не участвуют в модели химической реакции для ячейки.
Когда батарея подключена к внешней цепи и протекает значительный электрический ток, цинковый электрод теряет массу, как это и было предсказано приведенной выше реакцией окисления цинка. Точно так же газообразный водород выделяется в виде пузырьков из медного электрода. Наконец, напряжение на ячейке зависело от кислотности электролита, измеренной по его pH; уменьшение кислотности (и увеличение pH) вызывает падение напряжения. Этот эффект также предсказывается уравнением Нернста; конкретная использованная кислота (лимонная, соляная, серная и т. д.) не влияет на напряжение, кроме как через значение pH.
Предсказание уравнения Нернста не удалось для сильнокислых электролитов (pH <3,4), когда цинковый электрод растворяется в электролите, даже когда батарея не обеспечивает ток в цепи. Две перечисленные выше окислительно-восстановительные реакции происходят только тогда, когда электрический заряд может переноситься через внешнюю цепь. Дополнительную реакцию разомкнутой цепи можно наблюдать по образованию пузырьков на цинковом электроде в разомкнутой цепи. Этот эффект в конечном итоге ограничил напряжение ячеек до 1,0 В около комнатной температуры при самых высоких уровнях кислотности.
Энергетический ресурс
Энергия исходит от химического изменения цинка, когда он растворяется в кислоте. Энергия исходит не от лимона или картофеля. Цинк - это окисленный внутри лимона, обмениваясь некоторыми своими электронами с кислотой, чтобы достичь более низкого энергетического состояния, и высвобождаемая энергия обеспечивает энергию.[4]
В настоящее время цинк производится электровыделение из сульфат цинка или пирометаллургическое восстановление цинка углеродом, которое требует затрат энергии. Энергия, вырабатываемая лимонной батареей, возникает в результате обращения этой реакции вспять, восстанавливая часть энергии, потребляемой во время производства цинка.
Сми клетка
С 1840 года до конца 19 века большие гальванические элементы с цинковым электродом и сернокислым электролитом широко использовались в полиграфической промышленности. Хотя иногда использовались медные электроды, подобные тем, что используются в лимонных батареях, в 1840 г. Альфред Сми изобрел усовершенствованную версию этой ячейки, в которой вместо медного электрода использовалось серебро с грубым платиновым покрытием.[18][19] Прилипание газообразного водорода к поверхности серебряного или медного электрода снижает электрический ток, который может вытекать из элемента; это явление называется «поляризацией».[17][20] Шероховатая, «платинированная» поверхность ускоряет выделение газообразного водорода и увеличивает ток от элемента. В отличие от цинкового электрода, медные или платинированные серебряные электроды не расходуются при использовании батареи, и детали этого электрода не влияют на напряжение элемента. Камера Сми была удобна для электротипирование, которая производила медные пластины для высокой печати газет и книг, а также статуи и другие металлические предметы.[19][21][22][23][24]
Используемая ячейка Сми амальгамированный цинк вместо чистого цинка; поверхность амальгамированного цинка обработана ртутью.[23] Очевидно, амальгамированный цинк менее подвержен разложению под действием кислого раствора, чем чистый цинк.[25] Электроды из сплава цинка и простого цинка дают по существу одинаковое напряжение, когда цинк чистый.[26] В лабораториях 19 века с плохо очищенным цинком обычно давали разные напряжения.[25]
В популярной культуре
Эта секция нужны дополнительные цитаты для проверка.Январь 2015) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) ( |
- В видеоигре Портал 2, антагонист ГЛаДОС была встроена в компьютер, работающий от картофельных батарей, на протяжении значительной части игры.[27]
- В Теория большого взрыва В эпизоде 6 сезона «Возрождение протонов», герой детства Леонарда и Шелдона профессор Протон (Боб Ньюхарт) пытается показать группе картофельную батарею, которая поражает Пенни.
- в Кости В эпизоде 6 сезона «Затмение в метели» Анжела и другие «косоглазые» строят массивную батарею из картофеля, пытаясь запитать сотовый телефон. Иллюстрируя печально низкую производительность такой системы, она работает всего несколько секунд при использовании десятков картошек.
- В эпизоде "Лимоны "телепрограммы Красный карлик (десятая серия (Series X) ), экипаж проходит 4000 миль от Британия к Индия в 23 г. н.э., чтобы заставить лимоны построить лимонную батарею, чтобы машина времени Возвращающий пульт.[28]
- В шестой серии заключительного сезона Театр Тайной науки 3000, главный злодей Перл Форрестер пыталась захватить мир, используя картофельные батареи, но ее планы были разрушены Профессор Бобо.
- В NCIS Сезон 7, эпизод 8, "Power Down", Эбби Скиуто использует лимоны в качестве источника питания для своей стереосистемы, когда у нее заканчиваются батареи во время отключения электроэнергии.
- В Терри Пратчетт и Стивен Бакстер с Длинная Земля устройства, используемые для перехода из одной вселенной в другую, похоже, питаются от картофельных батарей.[29]
Смотрите также
- Список типов батарей
- Алессандро Вольта
- Электрохимическая ячейка
- Гальванический элемент
- Гальваническая коррозия
- Ячейка лазаньи
- Пенни аккумулятор
Рекомендации
- ^ а б Декер, Франко (январь 2005 г.). "Вольта и куча"'". Энциклопедия электрохимии. Кейс Вестерн Резервный университет. Архивировано из оригинал на 2012-07-16. В своих первых камерах Вольта использовал серебро, а не медь; химические реакции, происходящие в элементах цинк / медь и цинк / серебро, одинаковы.
- ^ Снайдер, Карл Х. (2004). Необычайная химия обычных вещей с лабораториями Late Nite Labs: издание 4. Джон Вили и сыновья. ISBN 9780471588399.
- ^ а б Оон, Хок Леонг (2007). Выражение химии: исследовательский подход. Panpac Education Pte Ltd. стр. 236. ISBN 978-981-271-162-5.
- ^ а б c Гудисман, Джерри (2001). «Наблюдения за клетками лимона». Журнал химического образования. 78 (4): 516–518. Bibcode:2001JChEd..78..516G. Дои:10.1021 / ed078p516.
- ^ «Лимонная батарея». Пембрук, Онтарио: научный лагерь Хила. Получено 2012-10-02. На этой веб-странице описываются эксперименты, начиная с одной лимонной ячейки, которую изучают с помощью мультиметра, а затем приводят к лимонной батарее, способной зажигать светодиод. Научный лагерь Hila также разместил видео, показывающее, как собрать батарею и зажечь светодиод; видеть Создать лимонную батарею на YouTube.
- ^ «Проект Лимонная батарея». Берлингтон, Айова: как все работает Научные проекты. Получено 2012-10-11. Эта веб-страница содержит инструкции для учителей начальной школы. В проекте используется вольтметр, чтобы показать, что аккумулятор исправен. Ключевым элементом является то, что используется несколько пар электродов (железо / цинк, железо / медь, а также цинк / медь) для получения различных напряжений.
- ^ а б c Swartling, Daniel J .; Морган, Шарлотта (1998). «Возвращение к клеткам лимона - калькулятор на основе лимона» (PDF). Журнал химического образования. 75 (2): 181–182. Bibcode:1998JChEd..75..181S. Дои:10.1021 / ed075p181. Получено 2012-10-15. Эти авторы отмечают, что водород выделяется из цинкового электрода. Как несколько позже описано Гудисманом, этот эффект не связан с выделением водорода, которое происходит, когда ячейка подает электрический ток во внешнюю цепь; водород, связанный с этими токами, выделяется из медного электрода.
- ^ «Картофельная батарея». Архивировано из оригинал 15 апреля 2009 г.
- ^ Лисинская, Г .; Лещинский, В. (1989). Картофельная наука и технология. Springer. п. 286. ISBN 9781851663071.
- ^ Калан, Джонатан. «Сила картофеля: окорочка, которая может осветить мир». BBC - Будущее - Технологии. Получено 2014-01-24.
- ^ Хилинг, Хармджан (12 мая 2012 г.). «Уксусная батарея своими руками зажигает светодиоды на несколько дней».
- ^ Head Rush - Часы с квашеной капустой. Канал Discovery. Квашеная капуста довольно кислая из-за молочной кислоты, вырабатываемой во время брожения. В этом видео часы с квашеной капустой приводят в действие цифровой термометр.
- ^ а б Авраам, Энн; Паленсар, Аттила; Шерсон, Дэниел (осень 2006 г.). «Электрохимия для K-12: часы с картофелем и не только» (PDF). Интерфейс электрохимического общества. 15 (3).
- ^ Шмидт, Ханс-Юрген; Марон, Аннет; Харрисон, Аллан Г. (2007). «Факторы, препятствующие обучению в области электрохимии». Журнал исследований в области преподавания естественных наук. 44 (2): 258–283. Bibcode:2007JRScT..44..258S. Дои:10.1002 / tea.20118. Полный текст только по подписке.
- ^ Сори, Тимоти; Хант, Ванесса; Баландова Евгения; Палмквист, Брюс (2012). "Дилемма Хуана: новый поворот в старой лимонной батарее". В Меце, Стив (ред.). Топливо для размышлений: повышение осведомленности об энергетике в 9–12 классах. NSTA Нажмите. С. 91–98. ISBN 9781936137206. Руководство по экспериментам с лимонной батареей для учителей естественных наук, включая примечания по изготовлению и результаты обучения.
- ^ Ду, Джеймс (2011). «Фруктовые / овощные батарейки». Количественное исследование напряжений и токов, производимых фруктовыми батареями; часть более крупного проекта, включающего «копеечные батарейки».
- ^ а б Naidu, M. S .; Камакшиаих, С. (1995). Введение в электротехнику. Тата Макгроу-Хилл Образование. п. 50. ISBN 9780074622926.
- ^ "Гальваническая батарея мистера Сми". Журнал науки и школа искусств. II: 22. 18 апреля 1840 г.
Раньше гальваническая батарея была громадной и дорогой машиной, занимавшей большое пространство и стоившей немалых денег для поддержания ее кратковременного действия. Теперь гораздо более мощный инструмент можно сделать в табакерке и носить в кармане. Эти замечания навязаны нам удивительными платиновыми батареями мистера Гроува и химико-механическими батареями, изобретенными мистером Сми ...
- ^ а б Боттоне, Селимо Ромео (1902). Гальванические батареи, их теория, конструкция и применение, включая первичные, одно- и двухжидкостные элементы, вторичные и газовые батареи.. Whittaker & Co. стр.88.
Первое настоящее улучшение по сравнению с обычным цинк-медным элементом в кислотной ячейке произошло благодаря доктору Альфреду Сми, который заметил, что газообразный водород, выделяющийся на отрицательной пластине, выделяется из нее гораздо легче, следовательно, поляризация происходит гораздо медленнее, если поверхность пластины были шероховатыми, а не гладкими; и наиболее эффективным средством, которое он нашел, было покрытие серебряного листа или листов мелкодисперсной платиной ...
- ^ Ватт, Чарльз; Ватт, Джон, ред. (1840). "Обзор: Труды Лондонского Электротехнического Общества, сессия 1841-1842 гг.". Химик ; Или "Репортер химических открытий и улучшений", том 1. Лондон: Р. Гастингс.
В применении этой ячейки может быть устроена очень важная модификация, преобразовав ее в ACID. аккумулятор, аналог платинированного серебра мистера Сми. Те, кто знаком с остроумным устройством этого джентльмена, знают, что характерной чертой его устройства является то, что отрицательная пластина, на которой выделяется водород, очень легко расстается с этим водородом. В обычных условиях водород очень сильно прилипает к пластинам кислотной батареи и выводит значительную часть пластин из строя из-за своего присутствия на их поверхностях. Чтобы исправить это, он, как он сам это называет, «платинировал» поверхности.
- ^ Гордон, Джеймс Эдвард Генри (1880). Физический трактат об электричестве и магнетизме, том 1. Д. Эпплтон и компания. п. 207.
- ^ Хэтч, Харрис Б.; Стюарт, Александр А. (1918). «История создания электротипа». Электротипирование и стереотипы. Чикаго: Соединенные типотеты Америки. С. 2–4.
В 1840 году Сми изобрел батарею, которая сделала возможным коммерческое печатание на электротипе. ... Возможно, один из величайших шагов вперед в области электротипирования был сделан с изобретением динамо-машины. Первое применение динамо-машины вместо батареи типа Сми было принято Лесли из Нью-Йорка в 1872 году.
Букварь для учеников полиграфической промышленности. Хорошее краткое введение в историю гальваники. - ^ а б Спраг, Дж. Т. (1 июля 1874 г.). «Электроосаждение металлов». Телеграфный журнал и Обзор электротехники. II (34): 237–239.
Ячейка Smee является наиболее часто используемой ячейкой из-за ее чрезвычайной простоты конструкции и управления.
Подробное обсуждение конструкции и обслуживания ячеек Сми, c. 1874 г. - ^ Скотт, Дэвид А. (2002). Медь и бронза в искусстве: коррозия, красители, консервация. Публикации Getty. п. 22. ISBN 978-0-89236-638-5.
Некоторые чрезвычайно важные заказы были выполнены в электротипах, например, «бронза», украшающая Оперу в Париже, и статуя принца Альберта высотой 320 см и четыре сопровождающих его фигуры, установленная позади Альберт-холла в Лондоне как памятник Великой выставке. 1851 г.
- ^ а б Парк, Бенджамин (1893). Гальваническая ячейка: ее конструкция и емкость. Дж. Вили. п.347. OCLC 7399515.
Уникальное свойство амальгамированного цинка не подвергаться воздействию серной кислоты, разбавленной водой, связано с прилипанием водорода к пластине в растворе кислоты.
- ^ Стандартный потенциал электрода составляет 0,76 В как для чистого цинка, так и для амальгамированного цинка. Видеть Ванисек, Петр (2012). «Электрохимическая серия». В Хейнсе, Уильям М. (ред.). Справочник по химии и физике: 93-е издание. Химическая резиновая компания. С. 5–80. ISBN 9781439880494..
- ^ Благородный, Маккинли (19 декабря 2011 г.). "В Portal 2 Science Kit есть разговор, ГлаДОС злого картофеля". Techhive. Получено 30 января 2015.
- ^ Килинг, Роберт (19 октября 2012 г.). »ТВ-обзор: RED DWARF X Episode 3 'Lemons'". Звездообразование. Получено 30 января 2015.
- ^ Адам, Робертс. "Длинная Земля" Терри Пратчетта и Стивена Бакстера - обзор ". Хранитель. Получено 8 февраля 2017.
дальнейшее чтение
- "Maglab - Простое учебное пособие по электрическим элементам". Национальная лаборатория сильного магнитного поля США. Получено 2012-11-30. Описание кислотной ячейки с цинковыми и медными электродами, включая анимацию на основе JAVA. На анимации показано, как цинк растворяется в электролите, электроны текут от цинка к медным электродам, а маленькие пузырьки водорода выходят из медного электрода. Анимация также предполагает, что одна ячейка может зажечь светодиод, что невозможно для светодиодов, излучающих видимый свет.
- Марглз, Саманта (2011). "Лимонная батарея действительно работает?". Книга о научной ярмарке "Разрушители мифов". Схоластический. С. 104–108. ISBN 9780545237451. Получено 2012-10-07. Только предварительный просмотр онлайн.
внешняя ссылка
- Лимонная батарея видео. Классное и веселое анимационное видео, в котором очень подробно рассказывается, как работает лимонная батарейка изнутри.
- Оранжевый аккумулятор видео. Оранжевая батарейка питает недорогие цифровые часы.
- Картофельный аккумулятор видео на YouTube. Калькулятор питается от трех последовательно соединенных картофельных ячеек.