レモンで電球に火をつけます！

複雑：

危険：

この実験を自宅でやってみよう

安全性

実験を開始する前に、保護手袋とゴーグルを着用してください。

実験はトレイの上で行います。

一般的な安全規則

• 化学薬品が目や口に触れないようにしてください。
• 保護メガネを着用していない人や小さな子供、動物を実験現場に近づけないでください。
• 実験キットは 12 歳未満のお子様の手の届かないところに保管してください。
• 使用後はすべての機器と備品を洗浄または清掃してください。
• 使用後はすべての試薬容器がしっかりと密閉され、適切に保管されていることを確認してください。
• すべての使い捨て容器が正しく廃棄されていることを確認してください。
• キットに付属しているか、現在の説明書で推奨されている機器および試薬のみを使用してください。
• 食品容器やガラス器具を実験に使用した場合は、すぐに捨ててください。 もはや食品の保存には適していません。

応急処置情報

• 試薬が目に入った場合は、必要に応じて目を開けたまま、水でよく洗い流してください。 すぐに医師に連絡してください。
• 飲み込んだ場合は、水で口をすすぎ、きれいな水を飲ませてください。 嘔吐を誘発しないでください。 すぐに医師に連絡してください。
• 試薬を吸い込んだ場合は、被害者を新鮮な空気の場所に移してください。
• 皮膚についた場合や火傷した場合は、多量の水で10分以上洗い流してください。
• 疑問がある場合は、すぐに医師に相談してください。 試薬とその容器はご持参ください。
• 怪我をした場合は、必ず医師の診察を受けてください。

• 化学物質を不適切に使用すると、怪我や健康被害を引き起こす可能性があります。 指示に指定されている実験のみを実行してください。
• この一連の体験は 12 歳以上のお子様のみを対象としています。
• 子どもの能力は、同じ年齢層であっても大きく異なります。 したがって、子供と一緒に実験を行う親は、どの実験が子供にとって適切で安全であるかを自身の裁量で決定する必要があります。
• 実験する前に、保護者は安全規則について子供たちと話し合う必要があります。 酸、アルカリ、引火性液体の安全な取り扱いには特に注意を払う必要があります。
• 実験を開始する前に、実験場所から邪魔になる可能性のある物体を取り除いてください。 試験会場の近くに食品を保管しないでください。 試験エリアは換気がよく、水道やその他の水源の近くにある必要があります。 実験を行うには安定したテーブルが必要です。
• 使い捨て包装内の物質は、完全に使用するか、1 回の実験後に廃棄する必要があります。 パッケージを開けた後。

よくある質問

LEDが点灯していない。 何をするか？

まず、レモンのスライスが互いに接触していないことを確認します。

次に、ワニ口クリップと金属プレート間の接続の品質を確認します。

第三に、LED が正しく接続されていることを確認します。黒いワニは短い「脚」に、赤いワニは長い「脚」に取り付けられています。 この場合、ワニはもう一方の「脚」に触れるべきではありません。そうしないと回路が閉じてしまいます。

マグネシウムプレートの近くのジュースがシューシューと音を立てます。 これでいいですか？

すべて順調。 マグネシウムは反応性金属であり、クエン酸と反応してクエン酸マグネシウムを形成し、水素を放出します。

その他の実験

段階的な説明

1. 「Mg」とラベルが貼られた瓶からマグネシウムプレートを 2 枚取り出します。
2. ワニ口クリップを黒と白の2つ用意します。 マグネシウムプレートを白黒のワニに接続します。
3. 「Cu」と書かれた瓶から銅板を2枚取り出します。
4. 銅ストリップを白いワニの自由端に接続します。 銅板を赤いワニに接続します。
5. レモンを半分に切ります。 銅とマグネシウムのストリップをレモンの半分に、互いに短い距離（約1 cm）を置いて挿入します。 残りの半分のレモンを使用して、残りの2つのスライスで同じことを繰り返します。 プレート同士が接触していないことを確認してください。
6. LEDを手に取ります。 赤いワニの自由端を LED の長い脚に接続します。 黒いワニの自由端を LED の短い脚に接続します。 LEDが光ります！

廃棄

実験で出た固形廃棄物は家庭廃棄物と一緒に処分してください。 溶液をシンクに排出し、水で十分に洗い流します。

どうしたの

なぜダイオードが光り始めるのでしょうか?

実験条件下では、化学反応が発生します。マグネシウム Mg からの電子が銅 Cu に移動します。 この電子の動きは電流です。 LEDを通過すると、光ります。 したがって、この実験で組み立てられた設備は、化学電流源であるバッテリーのように機能します。

詳しく知ることができ

この実験の参加者である銅 Cu とマグネシウム Mg は非常に似ています。 どちらも金属です。 これは、非常に展性があり、光沢があり、電気と熱をよく伝導することを意味します。 これらすべての特性は、金属の内部構造の結果です。 これは、金属全体に共通の電子を使用して結合された、特定の順序で配置された陽イオンと考えることができます。 この共通性のおかげで、電子は金属の体積全体を「歩く」ことができます。

構造上の共通のモチーフにもかかわらず、銅とマグネシウムは互いに異なります。 電子の全体的な「パック」は、マグネシウムの場合よりも銅の中に強く保持されます。 したがって、純粋に理論的には、マグネシウムから銅へ電子が「逃げる」プロセスを想像できます。 ただし、これにより電荷が増加します。マグネシウムではプラス、銅ではマイナスになります。 これは長く続くことはできません。相互反発のため、マイナスに帯電した電子が銅の中にさらに移動することは有益ではありません。 したがって、電荷は 2 つの異なる金属の接触表面に収集されます。

興味深いことに、ある金属から別の金属に電子が移動する程度は温度に依存します。 この接続は、温度を測定する電子機器で使用されます。 この効果を使用する最も単純なデバイスは次のとおりです。 熱電対。 熱電対の使用は現在広く普及しており、電子体温計の基礎となっています。

私たちの経験に戻りましょう。 電子が常にマグネシウムから銅に移動し、そのプロセスが不可逆的になるためには、マグネシウムから正電荷を除去し、銅から負電荷を除去する必要があります。 ここでレモンが活躍します。 そこに刺さる銅板やマグネシウム板がどのような環境になるかが重要です。 レモンの酸味は主に含まれるクエン酸によるものであることは誰もが知っています。 当然、水も入っています。 クエン酸溶液は電気を通すことができます。クエン酸が解離すると、正に帯電した水素イオン H + と負に帯電したクエン酸残基が現れます。 この環境は、マグネシウムから正電荷を除去し、銅から負電荷を除去するのに理想的です。 最初のプロセスは非常に単純です。正に帯電したマグネシウム イオン Mg 2+ が、マグネシウム プレートの表面から溶液 (レモン汁) に入ります。

Mg 0 – 2e - → Mg 2+ 溶液

2 番目のプロセスは銅板上で行われます。 マイナス電荷を蓄積するため、水素イオン H + を引き付けます。 それらは銅板から電子を受け取ることができ、最初に H 原子に変化し、次にほぼ即座に H 2 分子に変化して飛び去ります。

2H + + 2e - → H 2

なぜ銅とマグネシウムのペアだけではうまくいかないのでしょうか?

「銅板 - レモン - マグネシウム板」システムに最も近いものは、通常の単三電池です。 同じ原理で動作します。内部で化学反応が起こり、電子の流れ、つまり電気が発生します。 おそらく、一部のデバイスでは単 3 形電池が一列に配置されている (つまり、一方の電池のマイナス極が他方のプラス極と接触している) ことに気づいた方もいるでしょう。 多くの場合、これは直接ではなく、ワイヤーまたは小さな金属プレートを介して行われます。 しかし、本質は同じです。これは、電子に作用する力を増加させ、したがって電流を増加させるために必要です。

同様に、あるレモンの銅板は別のレモンのマグネシウム板に接続されています。 銅とマグネシウムのペアを 1 つだけ使用してダイオードを接続した場合は発光しませんが、2 つのペアを使用すると望ましい結果が得られます。

詳しく知ることができ

電荷を移動させる、つまり発電につながる力を説明するには、次の概念が使用されます。 電圧。 たとえば、バッテリーは、それに接続されているデバイスまたは導体で生成できる電圧値を示します。

1 つのマグネシウムと銅のペアによって生成される電圧はこの実験には十分ではありませんが、2 つのペアはすでに十分です。

なぜ銅とマグネシウムを使用するのでしょうか? 他の金属ペアを使用することは可能ですか?

すべての金属は電子を保持する能力が異なります。 これにより、いわゆる 電気化学シリーズ。 この列の左側にある金属は電子の保持力が悪く、右側にある金属は電子の保持力が高くなります。 私たちの経験では、まさに銅とマグネシウムの電子保持能力の違いにより、電流が発生します。 電気化学系列では、銅はマグネシウムよりもかなり右側にあります。

他の 2 つの金属を簡単に選択できます。電子を保持したいという欲求の間に十分な差があることだけが必要です。 たとえば、この実験では、銅の代わりに銀 Ag を使用でき、マグネシウムの代わりに亜鉛 Zn を使用できます。

ただし、マグネシウムと銅を選択しました。 なぜ？

まず、シルバーとは異なり、非常に手頃な価格です。 第二に、マグネシウムは十分な活性と安定性を同時に兼ね備えた金属です。 アルカリ金属（ナトリウム Na、カリウム K、リチウム Li）と同様に、簡単に酸化され、電子を放出します。 一方、マグネシウムの表面は酸化物MgOの薄膜で覆われており、600℃まで加熱しても破壊されません。この膜は金属を空気中でのさらなる酸化から保護するため、用途に非常に便利です。練習する。

レモンの代わりに使える果物や野菜は何ですか?

多くの果物や野菜がこの実験に適しています。 ジューシーな果肉だけで十分です。 たとえば、レモンの代わりに、リンゴ、バナナ、トマト、ジャガイモを使用することもできます。 大粒のブドウでも大丈夫！

これらすべての野菜、果物、ベリーには十分な水分と、水中で解離する（荷電粒子 - イオンに分解する）物質が含まれています。 したがって、電流も流れる可能性があります。

ダイオードとは何ですか?またどのように機能しますか?

ダイオードは、それ自体に電流を流し、いくつかの有用な仕事を実行できる小さなデバイスです。 この場合、LED について話しています。電流が流れると、LED が光ります。

最新のダイオードはすべて、その中心に半導体を含んでいます。半導体は、その導電率はそれほど高くありませんが、たとえば加熱すると増加する可能性がある特殊な材料です。 電気伝導率とは何ですか? これは、材料自体に電流を流す能力です。

単純な半導体とは異なり、ダイオードには 2 つの「グレード」が含まれています。 「ダイオード」（ギリシャ語の「δίς」に由来）という名前そのものは、2 つの要素が含まれていることを意味します。それらは通常、次のように呼ばれます。 アノードそして 陰極.

ダイオードのアノードは、いわゆる「ホール」、つまり電子で満たされる領域（実際には電子専用の空の棚）を含む半導体で構成されています。 これらの「棚」は、アノード全体で非常に自由に移動できます。 ダイオードのカソードも半導体で構成されていますが、別のものです。 内部には電子が含まれており、電子も内部を比較的自由に移動できます。

このダイオードの構成により、電子はダイオード内を一方向に容易に移動できますが、実際には逆方向には移動できないことがわかります。 電子がカソードからアノードに移動するとき、それらの間の境界では、カソードの「自由」電子とアノードの電子空孔（棚）の出会いが存在します。 電子はこれらの空孔を喜んで占有し、電流が進みます。

電子が逆方向に移動していると想像してみましょう。電子は居心地の良い棚から降りて、そのような棚のない物質に入る必要があります。 明らかに、これは彼らにとって有益ではなく、電流はこの方向には流れません。

したがって、ダイオードは、電気がその中を一方向に流れ、逆方向には流れない一種のバルブとして機能します。 ダイオードのこの特性により、ダイオードをコンピュータ技術の基礎として使用することが可能になりました。どのコンピュータ、スマートフォン、ラップトップ、タブレットにも、何百万もの微細なダイオードをベースにしたプロセッサが搭載されています。

もちろん、LED には照明とディスプレイという別の用途もあります。 光の出現という事実そのものが、ダイオードを構成する半導体材料の特別な選択に関連しています。 場合によっては、カソード空孔からアノード空孔への電子の同じ遷移が光の放出を伴うこともあります。 半導体が異なれば、異なる色の発光が起こります。 他の電気光源と比較したダイオードの重要な利点は、その安全性と高効率、つまり電気エネルギーから光への変換の程度です。

緊急にエネルギー源が必要なときに、困難な生活状況に陥ることがあります。 たとえば、携帯電話を充電したり、ラジオをつけたりする必要があります。 物理学と化学の基本的な知識があれば、そのような状況から抜け出す方法を見つけることができます。 多くの人にとって、リンゴやレモンからラジオに「電力を供給」したり、携帯電話を充電したりできることを知るのは興味深いでしょう。

これらの目的のためには、以下が必要になります。
- 鋼製接触物（釘、クリップ、鋼線、鋼コインなど）。
- 銅接点（銅貨、銅線、任意の銅板など）。
- レモン、リンゴを使用する場合は、できるだけ酸味のあるものを選ぶ必要があります。
- 「バッテリー」に接続するための 2 本のワイヤー。

手順：

ステージ1. 適切な「エネルギー源」を探す
最も簡単な方法は、田舎の家や村にいるとき、または単に森で迷ったときにリンゴを見つけることです。 酸はバッテリーの動作に重要な要素であるため、最良の選択肢は酸っぱいリンゴです。 レモンがあればこれが最適です。 オレンジ、キウイ、その他同様の果物を使用することもできます。

ステージ 2. 連絡先の確立
コンタクトをレモンやリンゴに挿入する必要があります。まず、サンドペーパーやヤスリで徹底的にきれいにするか、石でこする必要があります。 コンタクトは互いに2〜3センチメートルの距離で挿入されます。 挿入された電極の幅が広く、長ければ長いほど、バッテリーが生成する電圧は高くなります。 コインが接点として機能する場合は、コインを並行して挿入する必要があります。

ステージ 3. バッテリーを接続する
あとは、2 本のワイヤを取り付けられた接点に接続するだけです。 コンタクトごとレモンやリンゴに慎重に差し込むだけです。 以上で、バッテリーを使用する準備が整いました。 銅電極にはプラスがあり、鋼電極にはマイナスがあります。 電圧は、電極の面積とリンゴまたはレモンの酸性度によって異なります。

このようなバッテリーの 1 つは、約 0.5 ～ 0.8 ボルトを供給できます。 単純な受信機が動作したり、携帯電話を充電したりするには、少なくとも 3 ～ 5 ボルトの電圧が必要です。 このような電力を得るには、この「電池」をいくつか作り、直列に接続する必要があります。 私たちの場合、3 ボルトを得るには、これらの「バッテリー」が約 5 ～ 6 個必要になります。

ステージ 4. レモンを充電する
興味深いのは、このようにして作成された「バッテリー」は充電できることです。 このような目的には、携帯電話の充電器を使用できます。 著者はこれらの目的のためにクローナバッテリーを使用することにしました。

赤いプラスのワイヤは銅の電極に接続され、黒いマイナスのワイヤは鋼の電極に接続されます。 充電後、「レモン」接点に 1 ～ 1.3 ボルトの電圧が表示されます。

あらゆる種類の実験や実験が好きな人のために、私たちは珍しいアイデアを提供します - 自分の手で酸っぱいレモンから原始的なバッテリーを構築してみてください。 私たちは、安価なエネルギー源がたくさんあり、そこから経済的で簡単なガルバニ電池を自分の手で組み立てることができるということをまったく考えずに、電話、時計、おもちゃに電力を供給するための電池や蓄電池に多額のお金を費やしています。いつでも。 私たちの周りにはどれほど興味深いものがたくさんあるのか、想像することさえできません。

実験を行うには、上で述べたように、レモン (8 個)、クランプ付きの細いワイヤー 9 本、小さな銅線 8 本と同数の亜鉛メッキ釘、電池付きの時計が必要です。 、私たちが作ったバッテリーの能力（電圧）をテストするための電圧計。

レモンを手で軽くこねた後、銅線と亜鉛メッキ釘をそれぞれに差し込みます。 時計を取り出し、電池を取り外し、ワイヤーを使って図のような電気回路を作成します。 1番目と8番目のレモンからのワイヤーの自由端を、バッテリーが以前に配置されていた場所の時計に接続し、閉回路を作成します。 実験の最後に、時計がどのように進むかを確認します。 ワイヤの端を電圧計に接続すると、0.49 V の電圧を観測できます。

フルーツバッテリーの仕組みを簡単に説明します。 銅と亜鉛がクエン酸と接触すると化学反応が起こり、銅はプラスに帯電し、亜鉛はマイナスに帯電します。 銅線と小さな亜鉛メッキ釘を使用して閉回路を作成すると、電流が流れ始めます。 亜鉛（電子源）は陰極です フルーツバッテリー、銅 – プラス。 バッテリーの電圧は、亜鉛と銅が電子を放出する能力に関係しています。 電流は、化学反応中に放出される電子の数に依存します。

家にレモンがない場合は、他の柑橘類、キウイ、バナナ、リンゴ、梨、ジャガイモ、トマト、キュウリ、タマネギを実験の主材料として使用できます。 これらの野菜や果物も電池として機能しますが、電圧はレモン電流源とは若干異なります。 梨は最も高い電圧を与え、キウイは最も低い電圧を与えます。 作成されるバッテリーの電気的特性は、使用される製品の酸性度の影響を受けます。 複数のフルーツ電池を直列に接続することで、使用するフルーツの数に比例した電圧の増加を実現します。

銅と亜鉛のペアは、銅とアルミニウム、アルミニウムと亜鉛など、他の成分で置き換えることができます。 確かに、後者の場合、バッテリーは「元の」レモンのバッテリーよりも多少弱くなることがわかります。

上で説明した実験は、人々がエネルギー需要を満たすために天然の再生可能な材料を自由に使用できることを直接確認するものです。 すでに工業規模の多くの企業が、バナナやオレンジの皮の加工品を使った珍しい電池の開発を始めている。 ソニー社は少し前に、電解液の代わりにフルーツジュースを使用した電池を一般に発表しました。 バッテリーに 8 ml のジュースを入れると、小型ポータブル電子機器に 1 時間電力を供給できます。 英国の科学者は、IPte1 386 プロセッサを搭載した低電力コンピュータ用のバッテリーと同様のバージョンを作成し、12 個のジャガイモが 12 日間コンピュータの本格的なエネルギー源になることが実験的に証明されました。

ジューシーな果物や新ジャガイモなどの食品は、人間だけでなく家電製品の食料としても利用できます。 それらから電気を生成するには、亜鉛メッキされた釘またはネジ (つまり、ほとんどすべての釘またはネジ) と銅線が必要です。 電気の存在を検出するには、家庭用マルチメーターが必要です。また、LED ランプや電池で動くファンさえも、成功をより明確に示すのに役立ちます。

レモンを手で潰して内部の膜を破壊しますが、皮を傷つけないように注意してください。 電極ができるだけ近くなるように釘（ネジ）と銅線を挿入しますが、接触しないようにします。 電極が近づくほど、果物の内部の隔壁によって電極が分離される可能性が低くなります。 同様に、バッテリー内の電極間のイオン交換が良好であればあるほど、その出力は大きくなります。

この実験の本質は、銅と亜鉛の電極をレモンや酢の入った酸性環境に置くことです。 釘は負極または陽極として機能します。 銅線を正極または陰極として割り当てます。

酸性環境では、アノードの表面で酸化反応が発生し、その間に自由電子が放出されます。 各亜鉛原子は 2 つの電子を失います。 銅は強力な酸化剤であり、亜鉛が放出する電子を引き寄せる可能性があります。 電気回路を閉じると（電球またはマルチメーターを即席のバッテリーに接続すると）、電子が陽極から陰極に流れ、回路内に電気が発生します。

ジャガイモは本来、ガルバニ電池の優れたケーシングおよび電解質です。 ジャガイモでは一貫してセルあたり 0.5 V 以上の電圧が得られましたが、レモンでは約 0.4 V の結果が示されました。電圧のチャンピオンは酢で、セルあたり 0.8 V です。 より高い電圧を得るには、素子を直列に接続します。 より強力な消費者 (ファン) に電力を供給するために - 並行して。

マイナスに帯電した陰極の表面では還元反応が起こり、酸に含まれる水素のカチオン（プラスの電荷を帯びたイオン）が不足した電子を受け取り水素となり、泡となって出てきます。 陰極近くでは酸性陰イオン (負に荷電したイオン) の集中が発生し、陽極近くでは亜鉛陽イオンが発生します。 電解液内の電荷のバランスを保つには、バッテリー内の電極間でイオン交換を確実に行う必要があります。

土壌の酸性度の増加は農学者にとっては問題ですが、電気技術者にとっては嬉しいことです。 土壌中の水素とアルミニウムイオンの含有量により、文字通り2本の棒（通常どおり、亜鉛と銅）を鍋に刺して発電することができます。 結果は 0.2 V です。結果を改善するには、土壌に水をやる必要があります。

理解することが重要です。電気はレモンやジャガイモから生成されるものではありません。 これは、食物摂取の結果として私たちの体に吸収される有機分子の化学結合のエネルギーではありません。 電気は亜鉛、銅、酸の化学反応によって発生しますが、バッテリーでは消耗品として機能するのが釘です。