水果也能做电池

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  夏天到了,正是水果上市的时节。面对着琳琅满目的各种水果,普通青年说可以吃,文艺青年说可以吟诗作赋,而技术宅则会说:可以做电池。
  某知名半导体企业发布了一段视频,介绍了一款只需要三颗葡萄就能正常工作的低功耗芯片。方法如下:把一块铜片和一块锌片插入葡萄里,两块金属片连上导线,就形成了一颗电池,其中,铜片为正极、锌片为负极。将三颗葡萄电池按极性串联起来,就能驱动一些低功耗的芯片、二极管、灯泡等器件了。不仅是葡萄,猕猴桃、荔枝、橙子、草莓……各种多汁水果,都是做电池的好材料。
  原理何在?一个简单的实验会给我们解释。取一杯稀硫酸,将铜片插入酸中,由于铜的活泼性排在氢之后,不会有任何反应;将锌片插入酸中,锌会渐渐溶解,锌片表面有气泡冒出,锌片微微发热。这个过程中,化学能被转化为了热能。
  LED(发光二极管)
  LED即Light Emitting Diode。LED是一种能够将电能转化为光能的半导体,通用电气公司于1962年推出。它采用电场发光,改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理。
  同时将锌片和铜片插入硫酸但不接通,仍然是锌片渐渐溶解冒泡,铜片毫无反应。但是如果用导线把铜片锌片接通,情况立刻发生了改变:锌片仍然在慢慢溶解,但是氢气泡却从铜片上冒了出来。用万用表测试的话,会发现铜片和锌片间有电压和电流。这就是铜锌硫酸原电池。
  打个比喻,把锌看成农村,铜看成城市,电子看成农民。锌失去的外层电子变成了自由电子,自由电子就可以随机在铜——导线——锌这条路线上移动,正如改革开放后,从单纯农业生产中解放出来的农民开始进城务工,他们就沿着公路(导线)向城市移动。
  移动的结果是铜带上了负电荷,锌带上了正电荷,铜锌之间渐渐产生了电势差,产生的电场力阻止更多自由电子的到来。就像城市里的工作机会渐渐被先来的农民占据,对于后来的农民来说,找工作变得越来越难,因此选择进城的农民就越来越少。直到某个时刻,城里的工作岗位被完全占据,形成了一种均势,不再有新的农民进入城市(实际上,电子的运动仍然是有的,电势差带来的平衡是动态平衡)。这个完全阻抑电子继续移动的电势差,就是原电池电压的来源。
  那么电流又是怎么来的呢?铜这一极电子过多,就会与溶液中的氢离子结合,变成氢气。就像务工农民劳碌一生,退休回乡了,这就留出了空缺的岗位,从农村(锌)那边赶过来的年轻农民(新的自由电子)就奔向铜这一极,填补前辈留下的空缺。一代又一代自由电子生生不息地补充之下,两极之间的电势差总是能够刚刚好保持住抑制电子继续运动的临界值,直到泡在硫酸内的锌片消耗殆尽。这个过程里不断奔流的自由电子就构成了电流,由于负电荷流入了铜这一极,也就等效于正电荷从铜流到锌,所以铜就成了电池的正极。
  铜锌硫酸原电池产生的电压和电流都不大,很难在实际中应用,一般只有教师会拿它教学生。不过这个原电池有很多变种,稍加改变就可以作为技术宅讨好女生的利器:正极的铜可以由其他不活泼金属或非金属导体取代;锌可以由其他活泼金属取代;最重要的是,硫酸可以用其他酸来取代。
  许多水果都富含有机酸,例如葡萄含酒石酸、苹果含苹果酸、柠檬含柠檬酸。虽然这些酸的酸性没有硫酸来得强,但是只要能电离出氢离子,就一样能当作电池的电解液,不过是电流大小有些差异而已。各位读者,你们还在等什么?赶快买个LED,搞到金属片和导线,抓起你手边的水果,向朋友们展示你的水果电池吧!(欢迎各位Geek高手踊跃尝试,如果用水果就能点亮发光二极管,欢迎给《科学Fans》投稿!)
  电池的发展史
  1780年,意大利解剖学家伽伐尼在做青蛙解剖时,发现了“生物电”。
  1799年,伏打把锌板和银板浸在盐水里,成功制成世界上第一个电池——伏打电堆。
  1836年,英国人丹尼尔使用稀硫酸作电解液,制造出“丹尼尔电池”,解决了电池极化问题。
  1839年,英国人Grove发明了燃料电池,这是以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池。
  1860年,法国人普朗泰发明用铅做电极的蓄电池,这种电池能充电,可反复使用。
  1860年,法国人雷克兰士发明了世界上广受使用的碳锌电池的前身。
  1887年,英国人赫勒森发明了最早的干电池。
  1890年,美国人爱迪生发明可充电的铁镍电池。
  1899年,Waldmar Jungner发明镍镉电池。
  1904年,美国人爱迪生用氢氧化钠(烧碱)溶液代替硫酸,用镍、铁代替铅,制成世界上第一个镍铁碱电池。
  1914年,美国人爱迪生发明碱性电池。
  1954年,第一个太阳能电池诞生在贝尔实验室。
  1961年,锌银扣式电池研制成功,主要用于小型日用电子器具。
  1990年,Sony成功开发出锂离子电池。
  2009年,科研人员成功研制出硬币大小的“核电池”,通过同位素的衰变产生电能。
  ……
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