Vom construi baterii utilizând diferite tipuri de fructe sau legume și vom testa care dintre acestea produce mai multă energie electrică. În baza testelor pe care le vom efectua în cadrul acestui experiment, vom încerca să determinăm dacă putem utiliza într-adevăr fructe sau legume drept sursă naturală de energie electrică.

Câteva noțiuni teoretice

Așa cum am explicat în descrierea principiului de funcționare a bateriei, atunci când două metale diferite – unul care poate ceda electroni și altul care poate accepta electroni, sunt introduse în anumite soluții chimice, reacțiile chimice care au loc între toate aceste elemente produc energie electrică.

Pentru acest experiment vom utiliza drept electrozi zincul și cuprul, iar electrolitul va fi acidul citric – substanța care se regăsește în compoziția fructelor pe care le denumim, generic, citrice: portocale, lămâi, grapefruit, mandarine, pomelo, ș.a..

Atunci când introducem un electrod din zinc și altul din cupru într-un fruct care conține acid citric, zincul intră rapid în reacție cu acest acid și începe să cedeze electroni. Astfel, are loc un proces de oxidare în interiorul electrodului din zinc și sunt eliberați electroni, care se transformă în ioni de zinc.

În momentul în care conectăm un consumator între electrodul din zinc și cel din cupru, electronii vor începe să se deplaseze dinspre electrodul din zinc către electrodul din cupru, alimentând consumatorul cu energie electrică. În interiorul electrodului din cupru are loc o altă reacție chimică, denumită reacție de reducere, o reacție care presupune adăugare de electroni la un element, și, astfel, ionii de hidrogen din acidul citric al fructului primesc electroni pentru a forma hidrogen în stare gazoasă; dacă veți observa bule în apropierea electrodului din cupru atunci când conectați consumatorul, acestea sunt produse de hidrogenul aflat în stare gazoasă. Am prezentat anterior, mai detaliat, procesul de conversie a energiei chimice în energie electrică. De data aceasta, acidul sulfuric, pe care nici nu îl avem la dispoziție și nici nu este recomandat să îl utilizăm, deoarece este extrem de toxic și periculos atunci când nu este folosit într-un mediu controlat, va fi înlocuit de acidul citric, regăsit în fructele pe care le-am menționat anterior.

Pentru a testa dacă bateria formată din fructe și electrozii din zinc și cupru funcționează vom utiliza, următoarele două elemente: LED-uri de diferite culori și un buzzer, pe care urmează să le descriem, pe scurt, în următoarele paragrafe (le vom descrie amănunțit în articolele următoare).

Ce este un LED?

Până la apariția LED-urilor, sursele de lumină tradiționale erau becurile cu incandescență - denumite cu incandenscență  datorită principiului de funcționare: becul este un bulb de sticlă, în interiorul căruia se află un gaz (gaz inert - adică, un tip de gaz care nu participă la reacții chimice în anumite condiții, precum cele regăsite în interiorul bulbului sau vid) și un fir confecționat, de asemenea, dintr-un material special, denumit filament, care este conectat direct la sursa de energie electrică. Observați în imaginea alăturată structura unui bec cu incandescență obișnuit.

Atunci când filamentul este conectat la sursa de energie electrică, acesta se încălzește, producând astfel, energie termică (căldură) și energie luminoasă. Rolul gazului din interiorul bulbului este de a preveni contactul cu oxigenul din atmosferă (deoarece, filamentul, având o temperatura foarte mare, ar produce aprinderea oxigenului din imediata apropiere) și de a reduce consumarea filamentului din cauza căldurii.

Din păcate, eficiența becurilor cu incandescență este foarte mică, acestea convertind aproximativ 95% din energie în căldură și numai 5% în lumina. În imagine puteți observa ce se întâmplă atunci când filamentul se fisurează și vidul sau gazul din interiorul acestuia începe să fie înlocuit cu oxigenul din atmosferă. 

LED-urile sunt construite utilizând materiale denumite semiconductoare (care, după cu sugerează și numele, nu sunt nici conductoare, nici izolatoare de electricitate, ci o combinație între acestea două; vom discuta acestea într-unul  din articolele următoare). La fel ca și în cazul becului, atunci când LED-ul este alimentat, acesta generează căldură și lumină, însă raportul între lumină și căldură este mult mai bun decât în cazul becului cu incandescență (din punctul de vedere al raportului între lumina emisă de un LED și cea emisă de un bec, atunci când este consumată aceeași cantitate de energie electrică, un LED este de până la opt ori mai eficient).

Trebuie să rețineți câteva aspecte despre LED-uri. În primul rând, cel mai important, este faptul că LED-ul este un dispozitiv care trebuie alimentat într-o anumită direcție (acesta posedă un anod - care va fi conectat la polul pozitiv al sursei de alimentare și un catod - care va fi conectat la polul negativ al sursei de alimentare; conectarea greșită la sursa de alimentare, va conduce la defectarea iremediabilă a LED-ului). Avem câteva metode de a identifica polii LED-ului:

• terminalul pozitiv (anod) este mai lung decât terminalul negativ (catod)

• capsula prezintă o teșitură în dreptul terminalului negativ (catod)

• dacă veți privi în interiorul capsulei LED-ului, veți observa că unul dintre pini are formă de ciocan și celălalt de nicovală. Forma de ciocan este asociată terminalului pozitiv (anod), iar forma de nicovală - terminalului negativ (catod)

În al doilea rand, LED-ul trebuie alimentat la o anumita tensiune: în general, aceasta este cuprinsă între 1.6V și 3V (tensiunea de alimentare, depinde de structura LED-ului și, în cele mai multe cazuri, de culoarea luminii emise). De reținut că LED-urile ce emit lumină de culoare roșie necesită, în general, o tensiune de alimentare mai mică, iar LED-urile care emit lumină albastră necesită o tensiune de alimentare mai mare. Deocamdată, aceste informații sunt suficiente pentru experimentul nostru (trebuie să știm doar cum să asociem terminalele LED-ului cu bornele bateriei pe care o vom construi și ca un LED care emite lumină de culoare roșie va fi primul cu ajutorul căruia vom testa dacă funcționează bateria noastră - având în vedere că necesită o tensiune de alimentare mai mică).

Ce este un buzzer?

Buzzerul este un dispozitiv care poate emite un sunet (continuu, intermitent sau o melodie, în funcție de montajul electronic cu ajutorul căruia este realizat) atunci când este alimentat. La fel ca în cazul LED-ului, și buzzerul trebuie alimentat într-o anumita direcție (adică posedă un terminal pozitiv și unul negativ).

Materiale necesare

♦ diferite fructe: lămâie, portocală, grapefruit, pătlăgea roșie, kiwi

♦ un LED care emite lumină de culoare roșie

♦ două fire cu clești crocodil montați la capete

♦ electrozi din cupru și zinc

♦ opțional, un buzzer care se alimentează la o tensiune cât mai mică (preferabil, 1.5V)

Experimentează, observă și notează 

Cea mai dificilă problemă cu care vă veți confrunta este de a găsi electrozii din cupru și zinc. Există însă cel puțin două soluții de a procura aceste componente pentru proiectul nostru. Cea mai simplă ar fi sa cumpărați tablă de cupru și tabla de zinc (nu tablă zincată, întrucât aceasta are doar un strat foarte subțire de zinc) de la un magazin de materiale de construcții. A doua variantă este să dezizolați un conductor masiv cu sectiunea de 2.5mmp pentru a obține electrodul din cupru și să folosiți învelișul exterior al unui baterii nealcaline (zinc-carbon), după ce ați îndepărtat eticheta, pentru a obține electrodul din zinc. Alternativ, puteti folosi cuie pentru țigla metalica (acestea sunt in general zincate, adică acoperite cu un strat subțire de zinc). Atenție: nu confundați cuprul cu alama - acestea au culori similare însă proprietăți electrice diferite. De exemplu, o monedă de 50 de bani este confecționată din alamă, nu din cupru (totuși, în lipsa altor materiale, o puteți utiliza și pe aceasta).

Pregătiți fructele, rostogolindu-le pe masă și strângându-le ușor în palme, pentru a împrăștia sucul uniform în interiorul acestora. Efectuăm această operație deoarece dorim să reducem la minim posibilitatea de a introduce vreunul dintre electrozi într-o regiune în care nu vom regăsi acid citric. Dacă s-ar întâmpla așa, bateria noastră nu ar funcționa.

Introduceți electrodul de zinc aproximativ doi centimetri în interiorul fructului. Introduceți și electrodul de cupru, tot doi centimetri în interior, și aveți grijă ca distanța dintre cei doi electrozi să fie de cel puțin un centimetru. Este important ca electrozii să nu se atingă unul de celălalt în nicio regiune. Dacă se vor atinge, oricât de puțin, bateria nu va funcționa.

Cu ajutorul firelor ce au clești crocodil montați la capete veți conecta un LED de culoare roșie la cei doi electrozi – pinul mai lung la electrodul din cupru, pinul mai scurt la electrodul din zinc. Dacă LED-ul se va aprinde, notați perioada de timp pentru care rămâne aprins. Îndepărtați electrozii, curățați sucul fructului de pe aceștia și repetați procedura pentru alt fruct.

Ca să avem un rezultat mai concludent, după ce ați terminat de analizat toate fructele, reluați procedurile astfel încât să avem câte trei înregistrări pentru fiecare fruct în parte. Vom desena un tabel pentru a nota informațiile pe care le-am obținut în urma fiecărui experiment. În acest tabel vom nota, pentru fiecare fruct pe care îl utilizăm, perioada de timp pentru care a rămas aprins LED-ul.

În funcție de culoarea luminii emise, există o tensiune minimă de la care LED-urile încep să emită lumină. Tocmai acesta a fost și motivul pentru care, am utilizat până în acest moment, LED-ul care emite lumină de culoare roșie.

Drept urmare, dacă doriți să repetați experimentul, mai întâi verificați dacă se aprinde un LED de culoare roșie, apoi unul de culoare verde și, dacă se aprinde și acesta, testați și unul de culoare albastră. Dacă veți reuși să le aprindeți pe toate cu ajutorul unuia dintre fructe, atunci acesta poate genera o tensiune de aproximativ 3V(Volți).

În plus, cu cât se va aprinde mai intens un LED, înseamnă că bateria generează un curent electric mai mare. Totuși, dacă niciuna dintre bateriile construite nu va reuși să aprindă vreun LED, soluția este să conectăm mai multe baterii. Pentru aceasta vom avea nevoie de mai mulți electrozi și de mai multe fire de legătură. Să presupunem că nu am reușit să aprindem LED-ul și decidem că vom conecta trei baterii din fructe pentru a încerca din nou. Vom construi ceea ce numim conexiune serie. Conexiunea serie are rolul de a mări tensiunea electrică și, în cazul nostru, conectând în serie trei baterii, tensiunea pe care o vom genera va fi egală cu suma tensiunilor generate de fiecare baterie în parte. Pentru a realiza o conexiune serie vom conecta mai întâi electrodul negativ al uneia dintre baterii la pinul mai scurt al LED-ului. Apoi, vom conecta electrodul pozitiv al primei baterii la electrodul negativ al celei de-a doua, electrodul pozitiv al celei de-a doua la electrodul negativ al celei de-a treia și, la final, electrodul pozitiv al celei de-a treia baterii la pinul mai lung al LED-ului. Înainte de a efectua conexiunile electrice, analizați imaginea următoare pentru a le realiza corect.

Această configurație ar trebui să aprindă oricare dintre LED-urile obișnuite însă, dacă nu se întâmplă așa, va trebui să realizați o configurație care să conțină patru baterii conectate în serie. Principiul este același, electrodul negativ al primei baterii se conectează la polul negativ al LED-ului (pinul scurt), electrodul pozitiv al ultimei baterii se conectează la polul pozitiv al LED-ului (pinul lung), iar în cazul celorlalți electrozi – electrodul negativ al unei baterii se va conecta la electrodul pozitiv al bateriei vecine.

Articole din această categorie