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酸酸甜甜还能发光——告诉你制作水果电池

www.sirhui.com 2024-10-12 16:25 生活

还记得童年故事中的小桔灯吗?

除去放进蜡烛外,

香香甜甜的水果

也可以直接点亮小灯泡。

通过简单的装置,

水果就能提供电力,充当电池,

点亮一个个的小灯。

这种将水果中的

化学能转化为电能的神奇装置,

就叫做水果电池。

第一大家先来认识一下

水果为何能构成电池?

水果电池是怎么样制作的?

水果电池的原理第一,水果中含有很多糖类、蛋白质、生物酸等物质,在水果的汁液中,较高含量的生物酸可以较为顺畅地移动,与连接体系的导线中的电子一同用途,达成导电。同时,不一样的金属具备不一样的电位特点,即具备不一样的氧化还原能力。向水果中插入具备电位差的金属电极,比如铜电极和锌电极,分别充当水果电池的阴极和阳极,并用导线连接起来。在电势差的驱动下,产生电压,驱动带有电荷的粒子移动,形成电流。这个过程中,电子从阳极(锌)释放出来,然后通过外电路到达阴极(铜)。水果等于盛有电解液的电解池,提供离子电流通道。在金属和水果组成的界面处,发生电子转移反应,衔接电解池内部的离子电流和外电路的电子电流,构成电流回路,将化学能转化成电能输出,系统中连接的小灯泡就被点亮了。

水果电池是一个很简单的原电池。原电池是一类借用某些特定化学反应,将化学能转变成电能的装置。

构成原电池的基本条件:

1.电极材料由两种活泼性不一样的金属或金属与其他导电的材料(如非金属或某些氧化物等)组成。

2.存在电解质。

3.两电极之间形成闭合回路。原电池示意图

标准氢电极(SHE)概念为:在任何温度下氢气分压为1大方压(100 kPa)且溶液中的氢离子活度为1 mol/L时的氢电极电势。铂电极一般用作工作电极或辅助电极,在电化学反应中用于促进电子转移。以标准氢电极为0 V标准值,容易见到的金属电极电位差如下:

标准锂电极,-3.04 V.

标准钠电极,-2.71 V.

标准镁电极,-2.37 V.

标准铝电极,-1.66 V.

标准锌电极,-0.76 V.

标准铁电极,-0.44 V.

标准铂电极,0.00 V.

标准铜电极,0.34 V.

标准银电极,0.80 V.

电池串联电路示意图水果电池中,金属电极的电位差越大,形成的电压就越大,小灯泡也就越亮。与普通的串联电池的原理一样,将多个水果电池串联起来组成电池组,体系的供电能力会增强,即提升输出电压和电流。

电化学半电池仪表显示图:从样品半电池(即铜)到参考半电池(如标准氢电极(SHE))的电子流,与相应的e°电池值[1]

在水果电池中,果汁充当了电解质的角色。依据欧姆定律:通过某段导体的电流与这段导体两端的电压成正比,与这段导体的电阻成反比。为了提升导电性能,可以将普通水果榨成就汁,降低果肉纤维;或进一步将果汁替换为导电能力更好的物质,比如盐水。因为盐水中不具备果皮、果肉等部分,电极片与盐水的接触阻抗较小,电池内阻更低,电流传输更顺畅,同时,带电粒子的移动能力、与电极片的接触条件都有提高,可测量的电压差更大,即供电能力更强,整体功率已经可以驱动简单的玩具小车。盐水小车的搭建

成功运转的盐水小车

水果电池的制作第一,筹备汁水较多、个头较大的水果,比如柠檬、橙子等,保障电池的发电水平。另外,大家还需要筹备一些金属电极(譬如铜片和锌片)、一个额定功率很小的小灯泡(比如二极管灯泡,一般在0.6-0.7V之间)和一些导线(有鲨鱼夹的导线可以便捷组装)。如此的材料包可以便捷搜索购买到。

基本材料

制作的具体步骤如下:

1. 将水果筹备好,若是有较厚外皮的水果,应当切成两半,用汁水充盈的果肉,较生的水果可以事先揉搓,释放果汁。

2. 将铜片和锌片分别插入到水果中,同一块水果上应有且仅有两个不一样的电极片,电极片之间不可以相互接触;确保电极片与水果内部果肉接触好;

3. 用导线将不同水果上电极片连接起来。

4.将小灯泡接入由水果电池供电的电路。

5.察看小灯泡有没在发光。

总结剖析理论上,影响水果电池电压的原因有不少,譬如所选水果的类型、水果的状况、电极片的材料和距离与连接方法等。可以通过灵敏电压计、灵敏电流计对这类参数进行定量剖析。比如,现在有少量研究结果表示,电极片插入水果的深度越深,电极面积越大,水果电池的输出电流就越大;两个金属电极之间的电势差越大,水果电池的输出电压就越大,产生的电流就越大。

除此之外,有研究表明,果肉组织在研磨后会释放出更多的离子,电导率显著增加,榨成汁后的电流电压会明显提升。果汁的导电成效优于果肉组织,由于果肉组织存在细胞壁和细胞膜的妨碍用途,致使电池的内阻大。在此首要条件下,使用果汁对部分问题进行实验。

在用铜-锌电极对、电极对间距为2cm的条件时,研究者对八种水果了进行测定。结果显示,制作的水果电池产生的电流大小排序为:柠檬香蕉猕猴桃橘子西红柿橙子柿子苹果。这八种水果产生的电势大小相当[2],但电流大小与水果能产生汁液的多少并无势必关系。这八种水果的电导率排序为:柠檬香蕉猕猴桃橘子西红柿橙子柿子苹果,与电流大小分布一致。可以初步得到结论:较高的电导率代表着较高的离子浓度,这类离子可以更有效地携带电荷,便于传导电流,而与电势的关系不大。另外,所制得的水果电池的性能不只与酸度有关,还与细胞结构、有机酸含量等有关。[3]

水果电池供电能力大小

应该注意的是,定量研究所用的设施比较精密,测量电压电流与pH等数据都使用了传感器。在普通电压电流计或万用表测量时,因为水果电池电阻较大,仪器测量精度不够等问题,电流变化非常难测定,电压数值基本类似。所以,假如感兴趣设计探讨和定性实验,可以使用串联电池组形式供电,仅以小灯泡的亮度为目测标准。

【参考文献】[1] Arnold, N. A.; Kyasa, S. K. Electronic Half-Cell Module to Demonstrate an Electrochemical Series and a Citrus Fruit Battery for Remote Students. Journal of Chemical Education 2023, 100 (9), 3739-3743. DOI: 10.1021/acs.jchemed.3c00239.

[2] ENSMAN R,HACKER T R,WENTWORK R A D.Vegetable voltage and fruit juice:An electrochemical demonstration[J].JournalofChemicalEducation,1988,65(8):727.

[3] 范晶露,丁伟,张世勇,刘美玭.基于传感器的水果电池的实验探究[J].教育与装备研究,2024(08):65-69.

Tags:电流

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