學校科學/檸檬電池

檸檬電池是一種簡單的電池型別，通常用於學校科學專案，因為它說明了電池的主要元件。通常，一塊鋅金屬和一塊銅金屬被插入檸檬中。諸如鍍鋅釘和銅便士之類的日常用品可以分別用作鋅和銅。通常使用電錶研究單個檸檬。多個檸檬可以連線在一起形成更強大的電池，為發光二極體、蜂鳴器或數字時鐘供電。

檸檬電池類似於 1800 年亞歷山德羅·伏特在義大利發明的第一個電池。伏特使用鹽水（鹽水）而不是檸檬汁。一些教科書中描述了檸檬電池，以說明電池中發生的化學反應。鋅和銅被稱為電池的電極，檸檬內部的汁液被稱為電解質。檸檬電池有許多變體，使用不同的水果（或液體）作為電解質，以及除鋅和銅以外的金屬作為電極。

本文包含有關製作檸檬電池並使用它為發光二極體供電的說明。如果您想更多地瞭解檸檬電池的科學和歷史，您可以從維基百科上的文章開始。

材料和裝置

以下是您在開始實驗之前需要組裝的物品清單。許多學生將需要成人的幫助和金錢來獲得它們。

• 發光二極體。它們看起來像塑膠塊，有兩根線插入其中。它們通常簡稱為 LED，來自三個詞 Light Emitting Diode 的首字母。當連線了正確的電池後，LED 會發光。對於檸檬電池實驗，紅色 LED 很合適；本文的另一節討論瞭如何找到 LED。雖然 LED 是這個實驗的不錯選擇，但在下面的“替代裝置”一節中給出了其他一些想法。
• 檸檬。您需要 3 或 4 個。任何柑橘類水果，如酸橙、葡萄柚或橙子，甚至土豆都可以使用。
• 鋅電極。您需要 3 或 4 個。最有可能的是，您將使用一塊塗有鋅的金屬。這就是“鍍鋅”一詞的含義。直徑約一英寸（2-3 釐米）的鍍鋅金屬墊圈效果很好。鍍鋅屋頂釘、鍍鋅螺絲和螺栓，甚至回形針也可以使用。如果您能找到一些鋅片，以及一些剪刀或堅固的剪刀來剪斷它，那將非常有效。如果您這樣做，請小心；剪斷的金屬片邊緣很鋒利。如果可以，請用銼刀打磨邊緣使其不那麼鋒利。
• 銅電極。您需要 3 或 4 個。銅或鍍銅便士效果很好。您可能在五金店的管道區找到一些不錯的銅配件。同樣，如果您能找到一些銅片，以及一些剪刀或剪刀來剪斷它，那將有效。同樣，請注意鋒利的邊緣。
• 引線。您需要 5 或 6 根。最簡單的方法是找一包帶“鱷魚夾”的絕緣引線。
• 萬用表（可選）。如果您知道如何使用電氣萬用表，它在讓您的電池工作時會有所幫助。

下面有一些這些元件的小圖片。如果您點選圖片，您可以看到更大的圖片。

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  LED（發光二極體）的不同顏色。圍繞每個二極體的塑膠顏色並不重要，有些 LED 使用透明塑膠。右側有一個釐米尺，告訴您塑膠外殼大約 0.8 釐米長。
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  檸檬。葡萄柚、酸橙、橙子和土豆也可以使用。
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  鋅電極（鍍鋅硬體的集合）。中心有孔的扁平圓形墊圈將是檸檬電池的不錯選擇。
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  銅電極（銅便士的集合）。
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  引線（一包帶鱷魚夾的絕緣引線的全部內容）。
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  萬用表（可選）。圖片中的萬用表設定為 20 V 刻度，這意味著 20 伏。對於這個實驗，您將它設定為讀取 2000 m，這意味著 2000 毫伏或 2.000 伏。為了測量電流，您將中心開關旋轉到讀取 200 mA 的刻度，這意味著 200 毫安（或 0.200 安培）。

製作一個檸檬電池

製作第一個檸檬電池。您的電池將至少有 3 個檸檬電池，但每個電池的製作方式相同。

1. 仔細清潔您的電極。您的目標是去除它們上的任何汙垢或油脂，以及擦去它們上的薄薄的“氧化物”塗層。如果您以清潔廚房鍋的方式清潔它們以使其乾淨且有光澤，它應該可以正常工作。用鋼絲絨或研磨海綿擦洗效果很好；如果您使用鍍鋅電極，請小心不要完全擦掉鋅塗層。
2. 將一個鋅電極插入檸檬（或其他水果）中。您可能需要使用一把小刀在檸檬上切一個縫隙。您希望電極儘可能深入檸檬，但您需要電極的一部分伸出水果，以便您可以在上面連線一根引線。稍微晃動電極，以壓碎水果內部的膜。
3. 接下來，將銅電極插入同一個檸檬中。您希望此電極靠近鋅電極，但它不得接觸檸檬內部的鋅。如果它們接觸，您的電池將無法工作。至於鋅電極，您希望將銅電極儘可能地插入水果中，並且您希望稍微晃動它以確保電極附近的膜被破壞。

（可選）如果您使用萬用表，您可以進行以下測試以確保您的檸檬電池正在工作。

1. 從您的引線上連線兩個鱷魚夾到兩個電極。將兩個夾子連線到萬用表的引線上。
2. 測量您的檸檬電池的電壓。它應該讀數約為 0.9 - 1.0 伏。
3. 測量您電池的電流。您應該讀數為幾分之一毫安培。有些萬用表不夠靈敏，無法測量小於 1 毫安的電流，在這種情況下，您只會看到 0.0 作為讀數。

製作檸檬電池

三個檸檬電池連線在一起，以便它們為發光二極體 (LED) 供電。每個單獨的檸檬都有一個鋅電極和一個銅電極插入其中；圖中鋅的顏色為灰色。

當幾個檸檬電池連線在一起時，集合被稱為電池。我們通常也把單個檸檬電池稱為電池。大多數您可能購買用於玩具和電子產品的電池內部只有一個電池。

1. 您需要製作 3 個檸檬電池。如果您使用萬用表，請確保每個電池都能產生正確的電壓和電流。
2. 使用兩根引線，將三個電池連線在一起。將第一個電池的鋅電極連線到第二個電池的銅電極。將第二個電池的鋅電極連線到第三個檸檬的銅電極。這被稱為“串聯”連線；三個電池構成了檸檬電池。

連線 LED

將第一個檸檬電池的銅電極上的引線連線到 LED 的較長引線。將第三個電池的鋅電極上的引線連線到 LED 的較短引線。您可能需要輕輕地拉開來自 LED 的引線；連線電池到 LED 的兩根引線末端的鱷魚夾不能互相接觸。

如果所有細節都正確，LED 現在應該會很微弱地發光。如果您看不到它發光，請調暗房間的燈光以確保它正在工作。如果它仍然無法工作，下面有一個故障排除指南。

LED 亮起後

如果您成功地讓 LED（或其他裝置）工作，您還可以嘗試一些其他實驗。

• 如果您交換 LED 上的兩根引線會發生什麼？
• 如果您交換中間檸檬上的兩根引線會發生什麼？
• 將第二個鋅電極插入其中一個檸檬中，但不要連線到任何東西。LED 有任何影響嗎？
  • 現在將電線從銅電極移動到鋅電極。這個檸檬現在有 2 個鋅電極而不是一個銅電極和一個鋅電極。會發生什麼？

如果您使用的是萬用表，您可以記錄每個實驗中 LED 兩端的電壓，以檢視您是否理解它。

關於 LED

LED 由稱為半導體的材料製成。您電子玩具、電視機和電腦內部的晶片（積體電路）主要由矽製成，矽是一種半導體。但是，矽不適用於 LED。相反，它們是由「磷化鎵」等材料製成的，這種材料比矽更能發光。LED 中的三個字母分別代表Light Emitting Diode。二極體是具有兩層或更多層相似半導體的夾層結構。二極體具有以下特性：只有當電池連線正確時，電流才能流過。如果您反向連線電池，電路中不會流過電流，LED 也不會發光。一旦來自檸檬電池的電流流過二極體，流動的電流就會產生一些光。它與「光電效應」有關。光的顏色由二極體中的特定半導體決定。您可能對此感興趣：愛因斯坦是一位偉大的科學家，以他的相對論而聞名，他實際上因其在光電效應方面的研究而獲得了諾貝爾物理學獎。

故障排除

• 一個典型問題是電極或引線的裸露金屬部分意外接觸。鋅電極和銅電極不能在水果內部互相接觸。鱷魚夾在您將它們連線到 LED 的地方不能互相接觸。
• LED 必須正確連線。嘗試交換從 LED 外殼出來的兩根電線的連線。
• 三個電池的連線必須正確。每個檸檬都有一個鋅電極和一個銅電極。從一個檸檬跑到另一個檸檬的電線必須從鋅電極跑到銅電極。插圖顯示瞭如何做到這一點。
• 柑橘類水果內部應該多汁。要分解未成熟水果的內部膜，請在向下壓的同時滾動它。
• 三個檸檬是點亮 LED 所需的最小數量。如果您能製作第四個檸檬電池並將其新增到您的電池組中，您可能能夠透過這種方式讓 LED 點亮。
• LED 可能已損壞，或者可能不是正確的型別。下面有一個 LED 選擇指南，但對於年輕人來說，選擇正確的 LED 很難。如果您認為 LED 選擇是您的問題，請向成年人尋求幫助。

LED 選擇指南

本部分主要針對瞭解電路知識的人。

• 許多 LED 都可以使用。通常使用紅色 LED，因為紅色 LED 通常比橙色、黃色、綠色或藍色 LED 需要更低的電壓才能發光。一些紅色 LED 在低至 1.6 - 1.8 V 的電壓下工作；使用 2 個電池可能會觀察到非常微弱的光芒，但通常使用 3 個電池。有不同型別的紅色 LED，它們在不同的波長下發光，並且需要略高的電壓。
• 一些 LED 包含串聯電阻，並且設計用於與 12 V 電池配合使用。這些包裝不適用於檸檬電池，檸檬電池提供的電壓低得多。
• 最適合檸檬電池的 LED 旨在以約 1 mA 的電流（在 1.6 V 的電壓下）發光。一個例子是：Avago Technologies 的 HLMP-D155 型號，它是一款紅色 LED（637 nm 波長），正向偏置電壓為 1.6 V。 一些用於製作檸檬電池的商業套裝中包含 LED。 在美國，科學教師經常使用 Radio Shack 公司的部件，該公司擁有許多商店。1998 年的一篇論文列出了該公司的幾款產品，但其中大部分已不再供應。

替代裝置

在這些說明中，我們假設您將使用檸檬電池使發光二極體（LED）發光。LED 有一些替代品。一些低功率蜂鳴器可以使用， 商業套裝中還包含一個。 您也可以將檸檬電池連線到一些電子鐘和計算器。如果裝置需要 9 伏電池，它將無法與您的檸檬電池配合使用。對於其他裝置，首先卸下裝置內部的電池或電池。然後，使用來自檸檬電池的鱷魚夾連線到裝置內部的端子。來自檸檬電池的銅電極需要連線到裝置中標有 + 的電池端子。來自檸檬電池的鋅電極需要連線到裝置中標有 - 的端子。商業化的「馬鈴薯鐘」和其他電池科學套裝為實驗提供了廉價的電子鐘。