水果电池中水果性质对开路电压和短路电流的影响

*王冠雄

(江苏省新海高级中学 江苏 222000)

水果电池中水果性质对开路电压和短路电流的影响

*王冠雄

(江苏省新海高级中学 江苏 222000)

水果电池很早就出现在课本中让同学们探究影响水果电池电压和电流的物理因素,但时至今日水果电池依然停留在课本没有走进发电厂.本文以水果为主要研究对象,通过一系列对比实验,探究在既定电路下的水果状态、固形物含量和浓度等水果性质对水果电池开路电压和短路电流的影响.用二极管发光实验检验上述理论,基于此可以利用废弃水果,为水果电池发电提供理论和实验依据.

水果电池;pH;电解质

1.引言

水果电池是伦敦钟表修理工、业余电源研究爱好者东安尼.阿希尔首次发现的,他把两根导线分别接在插进柠檬里的一块铜片和一块锌片上,又把这两根导线焊接在电动台钟的发动机上,获得了水果电源.

后来水果电池成为物理化学教材中的明星实验,它基于原电池原理,通过活泼性不同的两种金属与电解液发生氧化还原反应,电子转移产生电流.其中影响水果电池的电学性能的物理因素方便实验,因此有学者探究.蒋华针对水果电池探究了电路设计和电极之间的距离对电流的影响.杨玉琴研究了不同水果、不同电极和不同电极间距对电流的影响.

但是很少有人关注水果本身的性质对水果电池的影响.而我国是水果生产大国,如果可以将大量废弃的水果用来发电,将会助力解决能源问题.我们发现,韩维和等人讨论了电极和水果或蔬菜的pH对电池的影响,由此启发我们进一步深入思考水果的性质,研究了水果这一电解液的pH和其自身的细胞结构对开路电压和短路电流(以下简称为电压和电流)的影响,以及其在被破坏成果汁和残渣、稀释和加盐的情况下电压和电流的变化.

2.实验部分

(1)样品与仪器

红富士苹果、尤力克柠檬和球形西红柿若干.炫亮1-14PH试纸(Q/GHXC6091-2002),0-1mA直流电流表(中达仪表厂).0-5mA直流电流表(成都永胜电子仪表有限公司),0-3V直流电压表(成都永胜电子仪表有限公司),带夹子导线若干,2cm*4.5cm锌片若干,2cm*4cm铜片若干,榨汁机1个,分度1mm刻度尺1个,2B铅笔1支,发光二极管若干.

(2)实验操作

①对不同水果的检测和不同处理方法

A.测量苹果、柠檬和西红柿的pH:将水果从约1/2处切开,用三支不同的筷子分别插入苹果、柠檬和西红柿,蘸取果汁后滴在ph试纸上,待试纸颜色稳定后与标准比色卡比较.

B.用榨汁机将苹果、柠檬和西红柿打成汁,将各个水果的残渣与果汁分别用干净纸杯盛放(液面高于杯底3cm).

C.取等量的苹果、柠檬和西红柿汁各两份,一份加入1倍体积的蒸馏水稀释,搅拌均匀;另一份各加入一小勺盐(约2g),搅拌均匀.

②不同状态的水果对电压和电流的影响

A.连接电路.从锌片和铜片的底端向上3cm长度处画一条横线,保证铜片和锌片插入水果的深度为3cm,同时间隔为1cm,横线处分别连接导线.

B.测量电压.铜片上导线的另一头连接电压表的正极,锌片上导线的另一头连接电压表的负极,观察电压表示数,待其稳定后,记录在表格中.再重复测两次,取平均值.

(3)测量电流

铜片上导线的另一头连接电流表的正极,锌片上导线的另一头连接电流表的负极,观察电流表示数,待其稳定后,记录在表格中.再重复测两次,取平均值.

3.结果与讨论

(1)不同pH的水果对电压和电流的影响

由表1数据可知,pH值与电压和电流并没有明显的相关关系.实验之前阅读其他学者的相关文章,其提出的结论是:水果电池的pH值越小,电动势越大.但在我们对每种水果测量三次取平均值之后的结果中,出现了特别的现象:西红柿的pH值大于柠檬,其产生的电压和电流均大于柠檬;苹果和西红柿的pH值相同,其产生的电压和电流却有很大差异.我们认为可能的原因是:水果电池的电压和电流不仅和水果自身的pH值有关,还与水果自身的细胞结构(细胞壁、细胞膜、细胞液、胞间连丝等)、所含内容物(果酸、糖分等)以及其他因素有关.

实验中还发现在保持间距不变的情况下,插入苹果的不同部位,电压和电流示数有1%-8%的变化,可能是因为苹果细胞结构局部有差异,可作为解释上述现象的依据之一.

水果电池中水果性质对开路电压和短路电流的影响

表1 苹果、柠檬、西红柿的pH、电压和电流

表2 苹果、柠檬、西红柿在不同状态时的电压和电流

表3 苹果、柠檬、西红柿的果汁和残渣混合后的电压和电流

表4 苹果、柠檬、西红柿的果汁被稀释、加盐后的电压和电流

表5 苹果、西红柿串联使发光二极管发光

(2)不同状态的水果对电压和电流的影响

将表2中不同水果相同状态下的电压和电流进行对比,可以发现,西红柿不论是打成汁还是残渣的状态,其电池的电压和电流都相对较大,与之前学者的研究结果也一致.实验中,我们选用的苹果、柠檬和西红柿体积基本相同,但西红柿榨汁最多,我们推测电压和电流还应该与水果的含水量有关.

将表2中相同水果不同状态下的电压和电流进行对比,可以发现,各种水果电池榨汁后果汁或残渣做成的电池的电压和电流均比用完好水果做成的电池大,由此可得出结论:水果电池的电压和电流与水果本身的细胞结构有关,完好的细胞结构(其中的胞间连丝会调节离子通过)对于水果电池的电压和电流起抑制作用.从中我们还发现,每种水果的不同状态电池的电压,都是在残渣状态时较大,残渣是水果内容物含量最丰富的,说明水果的内容物在产生电压方面起了很大的作用.苹果和柠檬在打成汁的状态下电流最大,可能是含水量在电流方面起的作用较大.

为了充分地和完好细胞结构的水果的电压和电流对比,我们又将苹果和西红柿果汁和残渣混合,得到的结果如表3所示.混合后的电压和电流仍大于完好细胞结构时的数据,因此在将来的实际发电应用中,可以采用将水果压榨后混合果汁和残渣的方法,提高水果电池的能量利用效率,获得较大的电压和电流.

(3)不同溶液的水果汁对电压和电流的影响

为了进一步探究是否电压受残渣的影响更大,电流受水含量的影响大,我们将果汁进行了稀释,由表4中稀释后的数据和表2打成汁的数据对比可得:电压下降不明显,电流下降明显,推测水果电池的电压和电流可能分别和内容物与含水量有关.

因此,我们探究了水果汁在加盐后电压和电流的变化.由表4中加盐后的数据和表2打成汁的数据对比可得:加盐后电压和电流都会增大,此方法可有效增加电池的电流与电压.

(4)水果电池使发光二极管发光

通过实验发现,单个苹果和西红柿,以及2个苹果串联和2个西红柿串联,四种情况都不能使二极管发光.串联3-4个苹果或者西红柿之后,发光二极管发光,并且4个串联比3个串联要亮.由表5可知,4个串联的电压电流大于3个串联时的数据.3个西红柿的电流小于3个苹果串联的电流,而4个西红柿的电流大于4个苹果的电流,说明其电阻不同,因为连接线路相同,说明这主要来源于水果组织产生的内阻.

4.结论

综上所述,水果电池的电压和电流与水果自身的pH值、水果自身的细胞结构、所含内容物等因素有关.

(1)水果电池的电压和电流与水果自身的细胞结构有关,完好细胞结构对于水果电池的电压和电流起抑制作用.(2)将水果榨成汁液可以有效提高水果电池的电流与电压.(3)水果电池电压和电流还受水果的内容物的影响.(4)加入可溶性盐使溶液导电性增强,能有效增加电池的电流与电压.(5)通过水果串联使二极管发光的实验,检验了之前的一些规律,证明水果发电的可行性.

本文首次综合分析了水果pH和其自身的细胞结构对水果电池的电压和电流的影响,为水果电池取代部分非绿色能源发电方式提供依据.通过我们的实验研究发现:在水果电池发电的实际应用中,可在发电前破坏水果自身的细胞结构,适量稀释,加入电解质增强溶液导电性来提高电池的电压和电流;采取固形物与溶液混合的方式可以提高对水果中能量的利用率;水果串联使得二极管发光说明可以将水果电池推广进入发电厂,为千家万户供电.

[1]王瑛.水果电池和蔬菜电池[J].电池,1982,1:007.

[2]蒋华.quot;水果电池的制作与基本参数测定quot;探究实验中的乐与获[J].物理教学探讨,2016,34(1):5-7.

[3]杨玉琴.关于quot;水果电池quot;的实验探究[J].化学教学,2008(1):17-18.

[4]韩维和,胡彬,靖宏伟.几种水果和蔬菜原电池[J].化学教学,2005(1):11-12.

王冠雄(2000-),男,江苏省新海高级中学;研究方向:材料化学.

Effect of Fruit Properties on Open Circuit Voltage and Short Circuit Current in Fruit Battery

Wang Guanxiong
(Xinhai Senior High School of Jiangsu Province, Jiangsu, 222000)

The fruit battery appeared early in the textbook to let students explore the physical factors that affect the voltage and current of the fruit battery, but today the fruit battery remains stuck in the textbook without going into the power plant. In this paper, by making fruit as the main research object, we explore the effects of fruit properties, such as fruit state, solid content and concentration, on the open circuit voltage and short circuit current of fruit battery under the established circuit through a series of comparative experiments. The theory is tested by the diode luminescence experiment, which can be used to provide theoretical and experimental basis for the fruit battery power generation based on utilizing discarded fruit.

fruit battery;pH; electrolyte

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