Spis treści:
Zastanawiając się jak w prosty sposób pozyskać energię elektryczną z niekonwencjonalnych źródeł w warunkach domowych posłużymy się eksperymentem, który każdy może w bezpieczny sposób wykonać u siebie w domu. Spróbujmy wycisnąć prąd elektryczny z cytryny. W tym celu zbudujemy i przeanalizujemy działanie ogniwa Volty.
Na początek trochę teorii.
Co to jest prąd elektryczny?
Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Czynnikiem wywołującymi ten ruch jest istnienie napięcia, czyli różnicy potencjałów. Nośniki prądu (elektrony) poruszają się od potencjału niższego do potencjału wyższego. Urządzenia potrzebują odpowiedniego dla siebie źródła prądu o określonym napięciu. Wielkość napięcia podaje się w woltach i oznacza literą „V”, np. 230 V
Wyróżnia się energię prądu stałego (DC) oraz energię prądu zmiennego (AC).
Podstawową wielkością charakteryzującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego, które definiuje się jako stosunek ładunku przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika do czasu, w jakim on przepłynął.
I – natężenie prądu elektrycznego [A – amper];
q – przenoszony ładunek elektryczny [C – kulomb];
t – czas [s – sekunda].
Prąd elektryczny to wielkość skalarna. Jednostką prądu elektrycznego jest amper [A]. Umowny kierunek przepływu prądu przyjmuje się od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego.
Prawo Ohma
Georg Simon Ohm już w XIX w. stwierdził, że wartość natężenia prądu elektrycznego zależy nie tylko od napięcia między końcówkami przewodnika, ale również od rezystancji. Prawo Ohma stwierdza, że wartość przepływającego prądu I jest wprost proporcjonalna do napięcia U doprowadzonego do końcówek rezystora, a odwrotnie proporcjonalna do rezystancji R.
Ogniwo Volty - ogniwa galwaniczne
Co to jest ogniwo Volty?
Włoski fizyk, Alessandro Giuseppe Volta zanurzył dwie płytki wykonane ze srebra i cynku w słonej wodzie i odkrył, że jeśli połączy się je w obwód elektryczny zaczyna w nim płynąć prąd. Właśnie w taki sposób odkrył jedno z pierwszych ogniw galwanicznych nazwane od jego nazwiska ogniwem Volty.
Ogniwo galwaniczne jest to urządzenie zamieniające bezpośrednio energię chemiczną na energię elektryczną prądu stałego. Ogniwo Volty stanowi źródło napięcia. Napięcie takie ma określoną wartość. Zasada działania ogniwa jest następująca: elektrolit, dysocjując, tworzy grupy jonów, które są przyciągane przez elektrody.
Jedna elektroda przyciąga te o nadmiarze elektronów, czyli naładowane ujemnie aniony, druga te, które wykazują deficyt elektronów, czyli dodatnie kationy. Gdy elektrody połączy się na zewnątrz ogniwa kawałkiem przewodnika, wówczas elektrony przemieszczające się w obwodzie od anody do katody powodują, że w obwodzie płynie prąd elektryczny. Ogniwa mają zastosowanie w przenośnych urządzeniach elektrycznych, takich jak: latarki, małe narzędzia domowe, w akumulatorach samochodowych, a nawet w medycynie, gdzie ogniwo rtęciowe służy np. do zasilania rozrusznika serca.
Baterie zakupione w sklepie posiadają dwa bieguny – jeden dodatni, oznaczony “+” (katoda), drugi ujemny – oznaczony “-” (anoda). W przypadku typowych baterii cylindrycznych, jak R6/AA czy R14/C biegunami są końce baterii. W akumulatorach samochodowych biegunami są ołowiane klemy.
Eksperyment - prąd elektryczny z cytryny
W celu zrozumienia zasady działania ogniwa Volty można zrealizować eksperyment do którego będzie potrzebna: cytryna, blaszka miedziana i cynkowa, miernik (multimetr) z przewodami oraz mały rezystor o rezystancji np. 1 kΩ. Obie blaszki miedzianą i cynkową “wbijamy” w cytrynę tak, aby możliwe było podłączenie przewodów pomiarowych.
Mierząc różnicę potencjałów (napięcie) przykładając przewody (sondy) przyrządu pomiarowego do blaszki miedzianej (jeden przewód), do blaszki cynkowej (drugi przewód) i ustawiając przyrząd na pomiar napięcia DC na najmniejszym zakresie otrzymujemy wartość napięcia około 0,81 [V].
W celu sprawdzenia jaki w układzie płynie prąd należy zamknąć obwód elektryczny. Do tego celu wykorzystujemy rezystor, który umieszczamy pomiędzy blaszką miedzianą i cynkową.
Po zamknięciu obwodu przez rezystor w układzie zaczyna płynąć prąd elektryczny.
Skutkiem przepływu prądu elektrycznego jest spadek napięcia, więc różnica potencjałów ogniwa powinna się zmniejszyć. Mierząc ponownie różnicę potencjałów (napięcie) przykładając przewody (sondy) przyrządu pomiarowego do blaszki miedzianej (jeden przewód), do blaszki cynkowej (drugi przewód) i ustawiając przyrząd na pomiar napięcia DC na najmniejszym zakresie otrzymujemy wartość napięcia już tylko 0,22 V.
W celu określenia jaki dokładnie płynie w układzie prąd elektryczny należy dokonać obliczeń na podstawie Prawo Ohma, które opisuje zależność między napięciem przyłożonym do przewodnika (rezystora), a natężeniem prądu przez ten przewodnik (rezystor) płynącego.
Obliczmy więc płynący w obwodzie prąd:
Nasza cytryna nie daje zbyt dużego prądu. Moc takiego ogniwa wynosi 0,053 mW.
Wniosek po takim eksperymencie nasuwa się sam – prąd z cytryny nie spowoduje obniżenia rachunków domowych, ani nie będziemy mogli zasilać cytrusami naszych urządzeń elektrycznych.
Wyjaśnienie nienaukowe - skąd z cytryny bierze się prąd?
Cytryna nie gromadzi w sobie prądu. Jednak kiedy jej sok wchodzi w kontakt z określonymi metalami, zachodzi reakcja elektrochemiczna, która samoczynnie wprawia w ruch elektrony. Cytryny są elektrolitami – zawierają jony dodatnie i ujemne. Po umieszczeniu elektrod wykonanych z dwóch różnych metali powstaje różnica potencjałów, czyli napięcie elektryczne. Jest to więc naturalne ogniwo. Napięcie ogniwa (siła elektromotoryczna) jest dla tych ogniw niewielka, ogniwa te są nietrwałe, ponieważ elektrolit szybko się wyczerpuje.
Cytrynowa bateria jest przykładem ogniwa galwanicznego: prąd elektryczny powstaje w wyniku reakcji elektrochemicznych. Każde ogniwo można uważać jako dwa półogniwa. Półogniwo zaś to elektroda metaliczna zanurzona do odpowiedniego roztworu. Na elektrodach tych przebiegają reakcje utleniania (na anodzie, czyli elektrodzie ujemnej) oraz redukcji (na katodzie, czyli elektrodzie dodatniej). Półogniwa połączone są ze sobą za pomocą przewodnika prądu elektrycznego, co umożliwia przepływ elektronów z elektrody ujemnej na elektrodę dodatnią. W naszym przypadku elektrolitem jest wodny roztwór kwasu znajdujący się w cytrynie.
Wyjaśnienie naukowe - jak ogniwo produkuje prąd?
W cytrynie znajduje się kwas cytrynowy zdysocjowany na kation H+ i anion reszty kwasowej, który dla kwasu cytrynowego w dużym uproszczeniu możemy zapisać jako R-COO-. Blaszka cynkowa reaguje z kwasem (cynk się utlenia) i do roztworu przechodzi kation cynku Zn2+ w tej reakcji powstają dwa elektrony, które płynąc w obwodzie wzbudzają przepływ prądu elektrycznego.
Elektroda miedziana nie reaguje z roztworem, ale zachodzi na niej inna ważna reakcja redukcji. Tu elektrony spotykają się z kationami wodorowymi i następuje reakcja redukcji do gazowego wodoru H2. Gdybyśmy do cytryny włożyli blaszki miedzianą i cynkową, ale nie zamknęli obwodu to tylko blaszka wykonana z cynku reagowałaby z kwasem wg. poniższego sumarycznego równania:
Zn + 2R-COOH -> (R-COO)2Zn + H2
Dzięki rozdzieleniu reakcji na dwie reakcje połówkowe udało się wymusić przepływ elektronów poza roztworem.
Napięcie pojedynczego ogniwa cytrynowego jest raczej małe. Dlatego, żeby spowodować świecenie diody, należy ogniwa połączyć szeregowo – wtedy napięcia ogniw sumują się i napięcie wzrasta.
Podobne eksperymenty można zrealizować z ziemniakiem. Ziemniak sam w sobie również nie wytwarza prądu, ale zawiera kwas askorbinowy, który w połączeniu z miedzianą elektrodą i cynkiem pobudza elektrony do ruchu. Co ciekawe, okazało się, że gotowane ziemniaki o wiele lepiej nadają się do wytwarzania prądu. Wszystko dzięki temu, że po ugotowaniu zmniejsza się ich opór wewnętrzny i mogą wytworzyć 10 razy więcej prądu niż ziemniaki surowe.
