学校科学/柠檬电池

柠檬电池是一种简单的电池类型，通常用于学校科学项目，因为它说明了电池的主要组件。通常，一块锌金属和一块铜金属被插入柠檬中。诸如镀锌钉和铜便士之类的日常用品可以分别用作锌和铜。通常使用电表研究单个柠檬。多个柠檬可以连接在一起形成更强大的电池，为发光二极管、蜂鸣器或数字时钟供电。

柠檬电池类似于 1800 年亚历山德罗·伏特在意大利发明的第一个电池。伏特使用盐水（盐水）而不是柠檬汁。一些教科书中描述了柠檬电池，以说明电池中发生的化学反应。锌和铜被称为电池的电极，柠檬内部的汁液被称为电解质。柠檬电池有许多变体，使用不同的水果（或液体）作为电解质，以及除锌和铜以外的金属作为电极。

本文包含有关制作柠檬电池并使用它为发光二极管供电的说明。如果您想更多地了解柠檬电池的科学和历史，您可以从维基百科上的文章开始。

材料和设备

以下是您在开始实验之前需要组装的物品清单。许多学生将需要成人的帮助和金钱来获得它们。

• 发光二极管。它们看起来像塑料块，有两根线插入其中。它们通常简称为 LED，来自三个词 Light Emitting Diode 的首字母。当连接了正确的电池后，LED 会发光。对于柠檬电池实验，红色 LED 很合适；本文的另一节讨论了如何找到 LED。虽然 LED 是这个实验的不错选择，但在下面的“替代设备”一节中给出了其他一些想法。
• 柠檬。您需要 3 或 4 个。任何柑橘类水果，如酸橙、葡萄柚或橙子，甚至土豆都可以使用。
• 锌电极。您需要 3 或 4 个。最有可能的是，您将使用一块涂有锌的金属。这就是“镀锌”一词的含义。直径约一英寸（2-3 厘米）的镀锌金属垫圈效果很好。镀锌屋顶钉、镀锌螺丝和螺栓，甚至回形针也可以使用。如果您能找到一些锌片，以及一些剪刀或坚固的剪刀来剪断它，那将非常有效。如果您这样做，请小心；剪断的金属片边缘很锋利。如果可以，请用锉刀打磨边缘使其不那么锋利。
• 铜电极。您需要 3 或 4 个。铜或镀铜便士效果很好。您可能在五金店的管道区找到一些不错的铜配件。同样，如果您能找到一些铜片，以及一些剪刀或剪刀来剪断它，那将有效。同样，请注意锋利的边缘。
• 引线。您需要 5 或 6 根。最简单的方法是找一包带“鳄鱼夹”的绝缘引线。
• 万用表（可选）。如果您知道如何使用电气万用表，它在让您的电池工作时会有所帮助。

下面有一些这些组件的小图片。如果您点击图片，您可以看到更大的图片。

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  LED（发光二极管）的不同颜色。围绕每个二极管的塑料颜色并不重要，有些 LED 使用透明塑料。右侧有一个厘米尺，告诉您塑料外壳大约 0.8 厘米长。
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  柠檬。葡萄柚、酸橙、橙子和土豆也可以使用。
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  锌电极（镀锌硬件的集合）。中心有孔的扁平圆形垫圈将是柠檬电池的不错选择。
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  铜电极（铜便士的集合）。
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  引线（一包带鳄鱼夹的绝缘引线的全部内容）。
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  万用表（可选）。图片中的万用表设置为 20 V 刻度，这意味着 20 伏。对于这个实验，您将它设置为读取 2000 m，这意味着 2000 毫伏或 2.000 伏。为了测量电流，您将中心开关旋转到读取 200 mA 的刻度，这意味着 200 毫安（或 0.200 安培）。

制作一个柠檬电池

制作第一个柠檬电池。您的电池将至少有 3 个柠檬电池，但每个电池的制作方式相同。

1. 仔细清洁您的电极。您的目标是去除它们上的任何污垢或油脂，以及擦去它们上的薄薄的“氧化物”涂层。如果您以清洁厨房锅的方式清洁它们以使其干净且有光泽，它应该可以正常工作。用钢丝绒或研磨海绵擦洗效果很好；如果您使用镀锌电极，请小心不要完全擦掉锌涂层。
2. 将一个锌电极插入柠檬（或其他水果）中。您可能需要使用一把小刀在柠檬上切一个缝隙。您希望电极尽可能深入柠檬，但您需要电极的一部分伸出水果，以便您可以在上面连接一根引线。稍微晃动电极，以压碎水果内部的膜。
3. 接下来，将铜电极插入同一个柠檬中。您希望此电极靠近锌电极，但它不得接触柠檬内部的锌。如果它们接触，您的电池将无法工作。至于锌电极，您希望将铜电极尽可能地插入水果中，并且您希望稍微晃动它以确保电极附近的膜被破坏。

（可选）如果您使用万用表，您可以进行以下测试以确保您的柠檬电池正在工作。

1. 从您的引线上连接两个鳄鱼夹到两个电极。将两个夹子连接到万用表的引线上。
2. 测量您的柠檬电池的电压。它应该读数约为 0.9 - 1.0 伏。
3. 测量您电池的电流。您应该读数为几分之一毫安培。有些万用表不够灵敏，无法测量小于 1 毫安的电流，在这种情况下，您只会看到 0.0 作为读数。

制作柠檬电池

三个柠檬电池连接在一起，以便它们为发光二极管 (LED) 供电。每个单独的柠檬都有一个锌电极和一个铜电极插入其中；图中锌的颜色为灰色。

当几个柠檬电池连接在一起时，集合被称为电池。我们通常也把单个柠檬电池称为电池。大多数您可能购买用于玩具和电子产品的电池内部只有一个电池。

1. 您需要制作 3 个柠檬电池。如果您使用万用表，请确保每个电池都能产生正确的电压和电流。
2. 使用两根引线，将三个电池连接在一起。将第一个电池的锌电极连接到第二个电池的铜电极。将第二个电池的锌电极连接到第三个柠檬的铜电极。这被称为“串联”连接；三个电池构成了柠檬电池。

连接 LED

将第一個檸檬電池的銅電極上的引線連接到 LED 的較長引線。將第三個電池的鋅電極上的引線連接到 LED 的較短引線。您可能需要輕輕地拉開來自 LED 的引線；連接電池到 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（或其他設備）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，但不要連接到任何東西。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，以查看您是否理解它。

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（集成電路）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。二極管是具有兩層或更多層相似半導體的夾層結構。二極管具有以下特性：只有當電池連接正確時，電流才能流過。如果您反向連接電池，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管，流動的電流就會產生一些光。它與「光電效應」有關。光的顏色由二極管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接到 LED 的地方不能互相接觸。
• LED 必須正確連接。嘗試交換從 LED 外殼出來的兩根電線的連接。
• 三個電池的連接必須正確。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。插圖顯示了如何做到這一點。
• 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添加到您的電池組中，您可能能夠通過這種方式讓 LED 點亮。
• LED 可能已損壞，或者可能不是正確的類型。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

本部分主要針對了解電路知識的人。

• 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。有不同類型的紅色 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。

替代設備

在這些說明中，我們假設您將使用檸檬電池使發光二極管（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接到一些電子鐘和計算器。如果設備需要 9 伏電池，它將無法與您的檸檬電池配合使用。對於其他設備，首先卸下設備內部的電池或電池。然後，使用來自檸檬電池的鱷魚夾連接到設備內部的端子。來自檸檬電池的銅電極需要連接到設備中標有 + 的電池端子。來自檸檬電池的鋅電極需要連接到設備中標有 - 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。