ساخت باتری خانگی با استفاده از لیمو
مفاهیم کلیدی: الکتریسیته، باتری، واکنش الکتروشیمیایی، رسانای الکتریکی
مشاهده‌ي علمي ۱۲۵
مقدمه:
به نظر شما اگر باتری‌ها اختراع نشده بودند زندگی ما انسان‌ها به چه شکل بود؟ اگر این اختراع مفید برای ذخیره‌ی انرژی الکتریکی وجود نداشت، ما قادر نبودیم از وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن همراه، تبلت و لپ‌تاپ استفاده کنیم. بسیاری وسایل دیگر از جمله ماشین‌های کنترلی، چراغ‌قوه‌ها و سمعک‌ها نیز باید جهت کار کردن به پریز برق متصل می‌شدند. در سال ۱۸۰۰ فردی به نام Alessandro Volta اولین باتری را اختراع کرد. از آن زمان به بعد نیز دانشمندان تلاش بسیاری به منظور بهبود طراحی باتری‌ها انجام داده‌اند. اما جالب است بدانید که امروزه ساخت یک باتری بسیار آسان است و شما می‌توانید با وسایل خانه‌تان یک باتری بسازید. فعالیت علمی زیر را انجام دهید تا باتری خانگی خود را بسازید!
پيش‌زمينه:
باتری‌ها مخازنی از انرژی شیمیایی هستند که این انرژی شیمیایی می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. برای این کار لازم است واکنش الکتروشیمیایی داخل باتری صورت گیرد. این واکنش به طور معمول بین دو قطعه فلز به نام الکترود و یک مایع یا خمیر به نام الکترولیت صورت می‌گیرد. برای اینکه یک باتری به خوبی کار کند الکترودها باید از دو نوع ماده‌ی مختلف ساخته شوند. این امر باعث واکنش متفاوت یکی از الکترودها با الکترولیت نسبت به الکترود دیگر می‌شود. این تفاوت در واکنش‌ها سبب تولید الکتریسیته می‌شود. دو الکترود را به یک ماده‌ی رسانا (ماده‌ای که توان عبور الکتریسیته را دارد) متصل کنید؛ با این کار واکنش‌های شیمیایی شروع می‌شوند و باتری برق تولید می‌کند!
در زمان متصل کردن اجزای باتری به خاطر داشته باشید که الکتریسیته تمایل به انتخاب مسیری با کمترین مقاومت را دارد. اگر مسیرهای متعددی برای رسیدن از یک الکترود به الکترود دیگر وجود داشته باشد الکتریسیته مسیری را انتخاب می‌کند که حرکت در آن برایش آسان‌تر باشد. حال که با مفاهیم مربوط به باتری آشنا شده‌اید، وقت آن رسیده است که چند وسیله‌ی خانگی را جهت استفاده در باتری‌تان مورد بررسی قرار دهید. ورق‌های آلومینیومی (فویل) رسانای جریان برق هستند و آن را به آسانی از خود عبور می‌دهند. بدن انسان نیز رسانای جریان برق است اما نه به اندازه‌ی فویل‌های آلومینیومی. در ضمن می‌توانید از سکه‌های مسی داخل قلک‌تان بعنوان الکترود باتری استفاده کنید. آب‌لیمو هم گزینه‌ی مناسبی جهت استفاده در باتری بعنوان الکترولیت است. ساخت یک باتری خانگی بسیار ساده‌تر از چیزی است که تا به حال تصور می‌کردید!
مواد و وسایل مورد نیاز:
دو عدد سکه
آب
چند قطره مایع ظرفشویی
حوله برای خشک کردن
فویل آلومینیومی (حداقل در ابعاد ۹ در ۶۰ سانتیمتر)
قیچی
خط‌کش
یک لیمو ترجیحاً با پوست نازک
بشقاب
چاقو (هنگام استفاده از چاقو از یک بزرگتر کمک بگیرید.)
دو گیره‌ی کاغذ با پوشش پلاستیکی
آماده‌سازی:
سکه‌های خود را با آب و مایع ظرفشویی بشویید، سپس آنها را با حوله خشک کنید. با این کار هرگونه آلودگی از سکه جدا می‌شود.
با دقت سه تکه مستطیل به ابعاد ۳ در ۲۰ سانتیمتر از کاغذ آلومینیومی ببرید.
هر کدام از این نوارهای مستطیلی را از قسمت عرض و در جهت طولی طوری تا کنید که در نهایت سه نوار مستطیلی با ابعاد ۱ در ۲۰ سانتیمتر داشته باشید.
توجه داشته باشید که در این فعالیت یک باتری با ولتاژ بسیار پایین خواهید ساخت. میزان الکتریسیته‌ی تولیدی توسط این باتری خانگی بسیار کم است و هیچ خطری ندارد. حتی می‌توانید برای تست میزان الکتریسیته‌ی تولیدی انگشت خود را به آن بزنید. اما ولتاژهای بالا بسیار خطرناک و مرگ‌آور هستند. به همین دلیل نباید آزمایشی با باتری‌های تجاری یا پریزهای برق انجام دهید.
روش کار:
لیمو را در یک بشقاب قرار دهید و از یک بزرگتر بخواهید با چاقو برشی کوچک در وسط لیمو (دور از دو سر آن) ایجاد کند. این برش باید دو سانتیمتر طول و یک سانتیمتر عمق داشته باشد.
یک برش دیگر مشابه با برش اول و موازی با آن در فاصله‌ی یک سانتیمتری از آن ایجاد کنید.
حال یک سکه داخل برش اول فرو کنید به طوری که نیمی از آن بیرون از پوست لیمو قرار بگیرد. قسمتی از سکه باید در تماس با آب داخل لیمو باشد زیرا این ماده بعنوان الکترولیت باتری عمل می‌کند. سکه‌ی مسی در تماس با آب‌لیمو نقش الکترود اول را ایفا می‌کند.
توجه: اگر پوست لیمویی که استفاده می‌کنید کلفت است از یک بزرگتر بخواهید مقداری از آن را ببرد تا پوست لیمو نازک شود. به نظر شما چه اهمیتی دارد که قسمتی از سکه در تماس با آب داخل لیمو باشد؟
یکی از نوارهای آلومینیومی را داخل برش دوم فرو کنید به طوری که قسمتی از آلومینیوم در تماس با آب داخل لیمو قرار بگیرد. به نظر شما این نوار آلومینیومی چه نقشی در باتری دارد؟
با این کارها شما یک باتری ساخته‌اید! این باتری دارای دو الکترود با جنس‌های مختلف و یک الکترولیت که آنها را از هم جدا می‌کند است. به نظر شما این باتری توان تولید الکتریسیته را دارد یا هنوز چیزی در ساختار آن کم است؟
باتری شما زمانی می‌تواند الکتریسیته تولید کند که الکترودها توسط یک ماده‌ی رسانا به هم متصل باشند. به این منظور نوار آلومینیومی دوم را به وسیله‌ی گیره‌ی کاغذ با پوشش پلاستیکی به قسمتی از سکه که بیرون از لیمو قرار دارد وصل کنید. دقت داشته باشید که برای عبور الکتریسیته آلومینیوم و مس باید با هم در تماس باشند. در این مرحله شما با استفاده از نوار آلومینیومی یک اتصال به وجود آوردید. به نظرتان می‌توان با یک نوار پلاستیکی نیز همین کار را انجام داد؟ آیا می‌دانید چرا لازم نیست اتصالی به الکترود دوم در این باتری ایجاد کنید؟
به محض اینکه دو نوار آلومینیومی با همدیگر تماس برقرار کنند، داخل باتری الکتریسیته تولید می‌شود و از طریق این نوارها از یک الکترود به الکترود دیگر جریان پیدا می‌کند. از آنجا که نمی‌توان جریان الکتریسیته را با چشم دید، باید با دست آن را حس کنید. دو نوار را در فاصله‌ی یک سانتیمتری از هم نگه دارید و با نوک انگشتتان آنها را لمس کنید. آیا می‌توانید سوزن سوزن شدن جزئی در اثر عبور مقدار بسیار کم الکتریسیته از انگشتتان را حس کنید؟
برای تولید برق بیشتر می‌توانید یک باتری دیگر مشابه باتری اول بسازید. برای این کار می‌توانید از همان لیمو استفاده کنید و باتری دوم را در قسمت دیگری از آن قرار دهید و یا می‌توانید یک لیموی دیگر برای این کار بردارید. توجه داشته باشید که برای ساخت باتری دوم تنها به یک نوار آلومینیومی نیاز دارید. برای متصل کردن این باتری به باتری اول، نوار آلومینیومی متعلق به باتری اول را که نقش الکترود دارد پیدا کنید. (انتهای این نوار داخل لیمو است) با یک گیره‌ی کاغذ با پوشش پلاستیکی انتهای این نوار آلومینیومی را به سکه‌ی باتری دوم وصل کنید. با این کار الکترود آلومینیومی باتری اول به الکترود مسی باتری دوم متصل می‌شود.
این مجموعه باتری که ساخته‌اید را مشابه قبل تست کنید: انتهای آزاد دو نوار آلومینیومی این مجموعه را با انگشتتان تماس دهید. آیا می‌توانید عبور جریان الکتریسیته را حس کنید؟ این حس نسبت به بار اول چه تفاوتی پیدا کرده است؟
توجه: اگر نمی‌توانید عبور جریان الکتریسیته را حس کنید، بررسی کنید که هر الکترود (سکه و نوار آلومینیومی داخل لیمو) به حد کافی داخل لیمو قرار داشته باشد. مطمئن شوید که تماسی کافی میان سکه و نوار آلومینیومی متصل به آن وجود دارد. همچنین نوارهای آلومینیومی باید با هم در تماس باشند. اگر تمام این‌ها رعایت شده باشد، ممکن است نیاز به تولید برق بیشتری داشته باشید تا بتوانید عبور آن را از انگشتتان حس کنید. از شخص دیگری بخواهید به جای شما باتری را لمس کند. آیا وی متوجه عبور جریان می‌شود؟ می‌توانید برای تولید جریان بیشتر باتری سومی به مجموعه‌تان اضافه کنید.
آزمایش‌های تکمیلی:
حال که توانایی تشخیص اینکه آیا برق تولید شده است یا خیر را دارید، تنظیمات باتری خود را عوض کنید و نتایج را بررسی کنید. اگر دو نوار آلومینیومی با هم تماس داشته باشند چه اتفاقی می‌افتد؟ اگر به جای یکی از نوارهای آلومینیومی از یک قطعه‌ی پلاستیکی، گیره‌ی کاغذ فلزی باز شده یا یک خلال‌دندان استفاده کنید. چه اتفاقی می‌افتد؟
در این فعالیت باتری‌ها را به روش سری به هم متصل کردید. به نظر شما نحوه‌ی اتصال دو باتری به هم در میزان الکتریسیته‌ی حاصل تأثیرگذار است؟ این بار دو الکترود مسی را به هم و دو الکترود آلومینیومی را نیز به هم وصل کنید. (توجه داشته باشید که برای این کار به یک نوار آلومینیومی اضافی نیاز خواهید داشت.) این نحوه‌ی اتصال، موازی نامیده می‌شود. دو نوع اتصال سری و موازی چه تفاوتی با هم دارند؟
از فلزهای مختلف بعنوان الکترود باتری استفاده کنید. به نظر شما یک باتری با دو الکترود از جنس مس قابلیت تولید برق دارد؟ اگر الکترودها از جنس مس و نیکل باشند چطور؟ توجه داشته باشید که بسته به ترکیبی که برای ساخت باتری استفاده می‌کنید، میزان الکتریسیته‌ی تولیدی متفاوت خواهد بود. در صورت کم بودن الکتریسیته‌ی تولیدی می‌توانید دو یا چند باتری را به هم متصل کنید تا برق کلی حاصل بیشتر شود.
شما در این فعالیت از لیمو برای ساخت باتری خود استفاده کردید. به نظرتان می‌توان به جای لیمو از میوه‌ها و سبزیجات دیگر استفاده کرد؟ آیا با یک سیب‌زمینی، سیب یا پیاز می‌توانید باتری بسازید؟ اگر اجازه دارید، چند عدد از این میوه و سبزی‌ها را امتحان کنید. آیا میوه یا سبزی خاصی بهتر از بقیه در باتری عمل می‌کند؟ با توجه به مطالبی که در مورد نحوه‌ی تولید الکتریسیته توسط باتری آموخته‌اید، به نظرتان چرا برخی از این مواد باتری‌های قوی‌تری نسبت به بقیه ایجاد می‌کنند؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا عبور جریان الکتریسیته از انگشتتان را حس کردید؟ باتری‌ای که در این فعالیت ساخته‌اید دارای یک الکترود مسی و یک الکترود آلومینیومی است که توسط الکترولیتی از جنس آب‌لیمو جدا شده‌اند. به محض اینکه مسیری برای جریان از یک الکترود به الکترود دیگر ایجاد شود برق تولید می‌شود. شما در این آزمایش این مسیر را با استفاده از نوارهای آلومینیومی که رسانای برق هستند ایجاد کردید. با اتصال باتری به نوک انگشتتان، الکتریسیته قادر خواهد بود از داخل بدن شما عبور کند. این مقدار برق می‌تواند احساس سوزن سوزن شدن در نوک انگشت شما ایجاد کند؛ این حس در افراد مختلف متفاوت خواهد بود.
برخی افراد تنها جریان برق تولید شده توسط چند باتری متصل به هم را حس می‌کنند. اگر دو نوار آلومینیومی با هم تماس داشته باشند، مسیری بسیار آسان برای عبور الکتریسیته از یک الکترود به الکترود دیگر ایجاد می‌شود. درنتیجه تقریباً هیچ جریانی از داخل بدن شما عبور نخواهد کرد. پلاستیک و چوب رساناهای خوبی برای جریان برق نیستند در نتیجه حس خاصی از الکتریسیته در زمان استفاده از این مواد به شما دست نخواهد داد. در مقابل، فلزها رسانای خوبی برای الکتریسیته هستند. استفاده از انواع مختلف الکترود بر میزان الکتریسیته‌ی تولیدی توسط باتری تأثیرگذار است. درصورت استفاده از دو الکترود با جنس یکسان هیچ جریان الکتریسیته‌ای تولید نخواهد شد. در این فعالیت علمی شما یک باتری خانگی با ولتاژ بسیار پایین ساختید. اما به خاطر داشته باشید که استفاده از باتری‌های تجاری می‌تواند بسیار خطرناک باشد. همچنین هرگز با پریزهای برق آزمایش انجام ندهید!
منبع:
Lemon Battery
منابع مفيد:
پيل الکتروشيميايي
جسم رسانا
Lemon Battery-WIKI
چگونه يک ساعت سيب زميني بسازيم!