میوه و باتری

در قرن بیستم, روز به روز استفاده از الکتریسیته در زندگی ما بیشتر شده است, تا جایی که امروز میزان مصرف انرژی الکتریکی جهان حدودا شش برابر انرژی حاصل از مصرف مواد غذایی است این نشان دهنده نقش موثر برق در زندگی کنونی بشر است

در قرن بیستم، روز به روز استفاده از الکتریسیته در زندگی ما بیشتر شده است، تا جایی که امروز میزان مصرف انرژی الکتریکی جهان حدودا شش برابر انرژی حاصل از مصرف مواد غذایی است. این نشان دهنده نقش موثر برق در زندگی کنونی بشر است.

یک گام مهم در درک الکتریسیته، کشف باتری بود. باتری‌ها باعث ایجاد جریان پیوسته بار می‌شوند و به همین دلیل دانشمندان توانستند با استفاده از آنها بسیاری از پدیده هایی را که تا آن زمان فقط به صورت لحظه ای روی می‌داد، در زمان بیشتری مشاهده کنند.

● اولین باتری چگونه ساخته شد؟

در اواخر قرن هیجدهم یک دانشمند ایتالیایی به نام لوییجی گالوانی متوجه شد که وقتی پای قورباغه ای را با دو فلز مختلف لمس کند، ماهیچه پا تحریک شده و جمع می‌شود. قبلا کشف شده بود که الکتریسیته می‌تواند ماهیچه را تحریک کند و باعث جمع شدن آنها شود. اندکی بعد یک دانشمند دیگر ایتالیایی به نام الساندرو ولتا از کشف گالوانی با خبر شد. او آزمایش های زیادی با الکتروسکوپ های حساس انجام داد تا صحت گفته های گالوانی را بررسی کند و پس از مدتی دریافت که منشاء الکتریسیته در پای قورباغه نبوده، بلکه الکتریسیته از تماس دست با دو فلز حاصل می‌شود. ولتا آزمایش های فراوانی با مواد مختلف انجام داد و متوجه شد که دو فلز ( در شرایطی خاص ) می‌توانند اختلاف پتانسیل به وجود آورند. یکی از آزمایش های او به این صورت بود که دو تکه فلز از جنس روی و نقره را بر روی طرفین زبان قرار می‌داد؛ سپس آنها را با یک سیم به هم متصل می‌نمود. با این عمل الکتریسیته به جریان می‌افتاد و باعث سوزش زبان می‌گردید. او نتیجه کار خود را به این صورت بیان نمود:

برخی مواد شیمیایی باعث می‌شوند که دو فلز مختلف بتوانند اختلاف پتانسیل الکتریکی به وجود آورند.

او از این کشف استفاده نمود و در سال ۱۸۰۰ اولین باتری را ساخت. وی ابتدا یک کاغذ را در آب نمک خیس کرد. سپس آن را بین دو تکه فلز روی و نقره قرار داد. پس از آن تعداد زیادی از این قطعات ساخت و آنها را پشت سرهم قرار داد. به این ترتیب، ولتا توانست یک باتری قوی درست کند. اختلاف پتانسیل باتری به جنس فلزات به کار رفته در آن بستگی دارد. معمولا اختلاف پتانسیل این باتری‌ها ۰.۵ الی ۲ ولت است. اندازه صفحات فلزی ( یا به عبارت دیگر، ابعاد باتری ) تاثیری در ولتاژ آن ندارد. ابعاد باتری فقط نشان دهنده مقدار ماده شیمیایی به کار رفته در آن است و لذا مقدار کل بار قابل انتقال را تعیین می‌کند. پس باتری بزرگتر فقط عمر بیشتری دارد ( و نه لزوما ولتاژ بیشتری! )

● ساختمان باتری

عملکرد کلیه باتری‌ها تقریبا مشابه یکدیگر است. پس با فهم آنچه درون یکی از آنها رخ می‌دهد، می‌توان به درک مناسبی از شیوه کار کلیه باتری‌ها دست یافت. ما طرز کار یک باتری روی - کربن را تشریح می‌کنیم. این باتری یکی از ساده ترین باتری هایی است که می‌توان ساخت و گاهی آن را "باتری استاندارد کربنی" نیز می‌نامند.

فرض کنید ظرفی حاوی اسید سولفوریک داریم. اگر میله ای از جنس روی را در این محلول قرار دهید، اسید شروع به خوردن روی می‌کند. حبابهای هیدروژن بر روی میله ظاهر می‌شود و محلول در اثر حرارت حاصل از واکنش شیمیایی گرم خواهد شد. آنچه روی می‌دهد، تقریبا به ترتیب زیر است:

▪ مولکولهای اسید به سه یون تفکیک می‌شوند: دو یون +H و یک یون SO۴۲- .

▪ اتمهای روی دو الکترون از دست می‌دهند و به یونهای Zn۲+ تبدیل می‌شوند.

▪ یونهایZn۲+ با یونهایSO۴۲- ترکیب شده و به صورت ZnSO۴ درمی آید، که در اسید حل می‌شود.

▪ یونهای هیدروژن الکترونهایی را که اتمهای روی از دست داده اند، جذب می‌کنند و به صورت مولکول H۲ ( گاز هیدروژن ) در می‌آیند. این همان حبابهایی است که روی میله ظاهر می‌شود. حال اگر میله ای از جنس کربن نیز در محلول قرار دهید ( اسید بر روی این میله اثری ندارد. ) و آن را با سیم به میله اول متصل کنید، شرایط تغییر می‌کند و به صورت زیر درمی آید:

▪ الکترونها از طریق سیم به سمت میله کربنی می‌روند و در آن جا جذب یونهای هیدروژن می‌شوند. این بار حبابهای گاز هیدروژن بر روی میله کربنی تشکیل می‌شود.

▪ در این حالت گرمای کمتری آزاد می‌شود، زیرا بخشی از انرژی شیمیایی حاصل از واکنش صرف جریان الکترونها شده است؛ یعنی در حالت اول انرژی شیمیایی فقط به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود، ولی در حالت دوم بخشی از آن به انرژی الکتریکی و بخشی دیگر به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

با گذشت زمان، میله روی کم کم در اسید حل می‌شود و یونهای هیدروژن موجود در محلول نیز به تدریج مصرف می‌شوند، تا اینکه سرانجام باتری تمام می‌شود. به دو میله به کار رفته در باتری، اصطلاحا " الکترود " می‌گویند.

محلول حاوی یون ( در مثال بالا اسید سولفوریک ) نیز " الکترولیت " نامیده می‌شود.

● باتری میوه ای

برای ساختن این باتری فقط به کمک مادرتان نیاز دارید. اگر می‌پرسید چرا، کافی است نگاهی به لیست مواد لازم بیندازید.

مواد لازم:

ـ چند عدد لیموترش ( می‌توانید به جای لیمو، از نوشابه یا آبلیمو هم استفاده کنید. )

ـ مقداری سیم مسی

ـ تعدادی سکه

ـ چند عدد گیره کاغذ

ـ چاقو

ـ قیچی

ـ لامپ کوچک، ساعت دیجیتالی یا هر وسیله الکتریکی کم مصرف دیگری که با استفاده از آن بتوان باتری را امتحان کرد.

روند کار:

۱) ابتدا یک تکه از سیم جدا کنید و یک سر آن را دور گیره کاغذ بپیچید.

۲) یک تکه دیگر از سیم جدا کنید و این بار، یک طرف آن را دور سکه بپیچید. ( اگر سکه کثیف است، آن را با آب و صابون بشویید تا تمیز شود. )

۳) تکه دیگری نیز از سیم جدا کنید. یک سمت آن را به دور سکه دوم و طرف دیگر را به دور یکی از گیره های کاغذ باقیمانده بپیچید.

۴) دو لیمو ترش بردارید و آنها را کمی فشار دهید. لیموها را باید آنقدر فشار دهید که بافت درون آنها نرم شود، اما مواظب باشید که پوست آنها پاره نشود. ( اگر لیمو ترش ندارید، می‌توانید دو لیوان بردارید و در آنها مقداری آبلیمو یا مقداری نوشابه بریزید. )

۵) روی پوست هر یک از لیموها با چاقو دو برش کوچک ایجاد کنید.

۶) سه قطعه سیمی را که در ابتدای کار درست کردید، مطابق شکل زیر درون شکاف‌ها قرار دهید. ( اگر در منزل گیره کاغذ نداشتید، می‌توانید سیم را به همان صورتی که هست در شکاف‌ها بگذارید. ضمنا در صورتی که به جای لیمو از آبلیمو یا نوشابه استفاده می‌کنید، سیم‌ها را طوری داخل ظرف قرار دهید که با هم تماس نداشته باشند. در این حالت هر یک از لیوانها مانند یک لیمو ترش عمل می‌کند. ) دقت کنید که سیمها را آنقدر فشار دهید که سکه و گیره کاغذ به گوشت درون لیمو برسد

۷) حالا دو سر آزاد سیمها را به دو سمت لامپ یا ساعت کوچک خود وصل کنید. ( اگر همه مراحل را درست انجام داده اید ولی لامپ روشن نمی شود، جای دو سر سیم را با هم عوض کنید. این مرحله دقیقا شبیه قرار دادن باتری در دستگاه است. اگر باتری را برعکس بگذارید، دستگاه کار نخواهد کرد. )

در باتری میوه ای شما، دو واکنش شیمیایی روی می‌دهد. واکنش اول بین فلز گیره کاغذ و آب لیمو ( یا نوشابه ) و واکنش دوم بین فلز سکه و آب لیمو انجام می‌شود. چون جنس این دو فلز متفاوت است، الکترونها بیشتر به یک سمت ( نسبت به سمت مخالف ) رانده می‌شوند. این همان چیزی است که "جریان الکتریکی" نامیده می‌شود. اگر هر دو فلز از یک جنس بودند، جریانی نیز وجود نداشت. در مدار ما، الکترونها از یک سمت شروع به حرکت می‌کنند و پس از طی یک مسیر دایره ای به نقطه اول بازمی گردند. عبور آنها از درون ساعت ( یا لامپ ) باعث می‌شود که ساعت به کار افتد.

۸) زمان کار کردن باتری خود را اندازه بگیرید و روی کاغذ یادداشت کنید. اگر مایل بودید می‌توانید نتیجه کار خود را به آدرس [e-mail] ارسال کنید.

۹) آب لیمو یک اسید است. برای همین گفتیم که می‌توانید به جای آن از آبلیمو یا نوشابه استفاده کنید. ( اگر پشت شیشه های نوشابه را خوانده باشید، حتما دیده اید که یکی از محتویات آن اسید فسفریک است. ) آب لیمو را با مواد اسیدی دیگر ( مثلا محلول رقیق سرکه در آب، یا آب پرتقال یا ... ) جایگزین کنید و ببینید که آیا باز هم باتری شما کار می‌کند. زمان کار کردن آن بیشتر شده است یا کمتر؟

۱۰) فکر می‌کنید اگر به جای اسید از آب نمک یا یک محلول قلیایی ( مثلاً محلول آب و صابون ) استفاده کنید، چه می‌شود؟ این کار را هم امتحان کنید و نتیجه را بنویسید. هر بار سعی کنید پیش از انجام آزمایش، حدس بزنید چه اتفاقی می‌افتد.

۱۱) این بار، جای لیمو را با یک میوه دیگر ( مثلا سیب، سیب زمینی، موز، کیوی، پرتغال یا هر میوه دیگری که دوست دارید ) عوض کنید. فکر می‌کنید باتری قوی تر شود یا ضعیف تر؟ حدس خود و نتیجه نهایی کار را برای میوه های مختلف یادداشت کنید. قوی ترین و ضعیف ترین باتری که ساخته اید، کدام است؟

۱۲) برای انجام این مرحله باید از دوستان یا سایر اعضای خانواده خود کمک بگیرید. لیمو ( یا هر میوه دیگری که استفاده کرده اید ) را از وسط قاچ کنید به طوری که سکه در یک نیمه و گیره کاغذ در نیمه دیگر باشد. طبیعتا لامپ (یا ساعت) از کار می‌افتد، چون مدار قطع شده است و الکترون‌ها نمی توانند جریان پیدا کنند. دستهای خود را روی دو نیمه قرار دهید. آیا لامپ روشن می‌شود؟

سپس یک دست خود را به دست دوستتان بدهید و از او بخواهید که دست دیگرش را روی نیمه دوم میوه بگذارد. آیا باز هم لامپ روشن می‌شود؟ تعداد نفرات را بیشتر کنید. آیا لامپ هم چنان روشن باقی می‌ماند؟

توانایی باتری شما چقدر بود؟ جریان حاصل از آن، از بدن چند نفر عبور کرد؟

۱۳) زمان کار تمام باتری هایی را که ساخته اید، یادداشت کنید. کدام یک بیشتر از همه کار کرده است؟ آیا رابطه ای بین اندازه یا طعم میوه با این زمان وجود دارد؟ اگر تعداد میوه‌ها را بیشتر کنید، چه می‌شود؟

صادق بهداد