
レモン電池は、教育目的で作られることが多いシンプルな電池です。通常、亜鉛メッキの釘などの金属片と銅片(1セント硬貨など)をレモンの中に挿入し、電線で接続します。金属の反応によって発生する電力は、発光ダイオード(LED) などの小型デバイスに電力を供給します。
レモン電池は、1800年にアレッサンドロ・ボルタが発明した最初の電池に似ています。ボルタはレモン汁の代わりに塩水を使用しました。 [1]レモン電池は、電池内で起こる化学反応(酸化還元反応)の種類を示しています。 [2] [3] [4]亜鉛と銅が電極であり、レモンの果汁が電解質です。レモン電池には、様々な果物(または液体)を電解質として使用し、亜鉛と銅以外の金属を電極として使用する多くのバリエーションがあります。
学校のプロジェクトでの使用
レモン電池の作り方や、発光ダイオード(LED)、電気メーター(マルチメーター)、亜鉛メッキされた釘やネジなどの部品の入手方法については、数多くの説明書が存在します。[5] [6]市販の「ポテトクロック」科学キットには、電極と低電圧デジタル時計が含まれています。セルを1つ組み立てたら、マルチメーターを使ってボルタ電池の電圧または電流を測定できます。レモン電池の場合、典型的な電圧は0.9Vです。電流はより変動しますが、最大約1mAまでの範囲です(電極面積が大きいほど、電流が大きくなります)。より目に見える効果を得るには、レモン電池を直列に接続してLED(図参照)などのデバイスに電力を供給することができます。直列接続により、デバイスに供給される電圧が増加します。スワートリングとモーガンは、低電圧デバイスのリストと、それらに電力を供給するために必要なレモン電池の数を公開しています。リストには、LED、圧電ブザー、小型デジタル時計などが含まれています。亜鉛/銅電極では、これらのデバイスには少なくとも2つのレモン電池が必要でした。[7]亜鉛電極をマグネシウム電極に置き換えると、より高い電圧(1.5〜1.6 V)の電池が得られ、マグネシウム/銅電池1つでいくつかのデバイスに電力を供給できます。[7]懐中電灯の白熱電球は使用されないことに注意してください。レモン電池は白熱電球を点灯させるのに十分な電流を生成するように設計されていないためです。このような電池は通常、電位差0.7 Vで0.001 A(1 mA)の電流を生成します。これらの値を掛け合わせると、全体の電力は0.0007 W(0.7 mW)になります。
バリエーション

酸性電解液には、多くの果物や液体を使用できます。果物は、電解液としてだけでなく、電極を固定するための簡便な手段でもあるため、便利です。柑橘類(レモン、オレンジ、グレープフルーツなど)に含まれる酸はクエン酸です。pH測定値で示される酸度は、大きく変動します。
ジャガイモにはリン酸が含まれており、優れた発電効果を発揮します。市販の「ジャガイモ時計」キットの原料として利用されています。[8] [9] LED照明付きのジャガイモ電池は、貧困国や電力網の整備されていない地域での使用が提案されています。2010年に開始された国際研究では、ジャガイモを8分間茹でると発電量が向上することが示されました。また、ジャガイモのスライスを複数の銅板と亜鉛板の間に挟むと発電量が向上することも示されています。スリランカの研究者によると、プランテンの茎を茹でて刻むのも効果的です。 [10]
果物の代わりに、様々な容器に入った液体を使うことができます。家庭用酢(酢酸を含む)も効果的です。[11] ザワークラウト(乳酸を含む)は、アメリカのテレビ番組「ヘッド・ラッシュ」 (怪しい伝説の番組「ミスバスターズ」の派生番組)のあるエピソードで取り上げられました。缶詰のザワークラウトが電解質となり、缶自体が電極の一つとなりました。[12]
亜鉛と銅の電極は比較的安全で入手しやすい。鉛、鉄、マグネシウムなどの他の金属も研究対象となり得るが、これらの金属は亜鉛/銅の電極とは異なる電圧を発生する。特に、マグネシウム/銅の電極はレモン電池で最大1.6Vの電圧を発生することができる。この電圧は亜鉛/銅電池で得られる電圧よりも高く、一般的な家庭用電池(1.5V)の電圧に匹敵するため、直列接続された電池ではなく、単一の電池で機器に電力を供給するのに有用である。[7]
学習成果
5歳から9歳くらいの最も幼い生徒にとって、教育目標は実利的なものです。[13]電池は、導電性の材料で接続されている限り、他の機器に電力を供給できる装置です。電池は電気回路を構成する部品であり、電池と電球の間に1本の電線を接続しても電球に電力は供給されません。
10歳から13歳までの子どもたちにとって、電池は化学と電気のつながりを示すだけでなく、電気の回路概念を深める教材として用いられます。銅や亜鉛といった異なる化学元素が使われているという事実は、それらの元素が化学反応を起こしても消滅したり分解したりしないという、より大きな文脈の中で捉えることができます。
高学年の生徒や大学生にとって、電池は酸化還元反応の原理を説明するのに役立ちます。[13] [14]生徒は、同一の電極2つでは電圧が生じないこと、また異なる金属の組み合わせ(銅と亜鉛以外)では電圧が異なることを発見できます。電池を直列接続および並列接続した場合の電圧と電流を調べることもできます。[15]
電池からメーターを通して出力される電流は、電極の大きさ、果物に電極が挿入される距離、電極同士がどれだけ近いかによって異なりますが、電圧はこれらの電極の詳細とはほとんど関係ありません。[16]
化学

ほとんどの教科書では、レモン電池の化学反応について、以下のモデルが示されています。[1] [3] [17]電池が外部回路を通して電流を流すと、亜鉛電極表面の金属亜鉛が溶液に溶解します。亜鉛原子は電荷を帯びたイオン(Zn 2+ )として液体電解質に溶解し、金属内に 2つの負に帯電した電子(e − )を残します。
この反応は酸化と呼ばれます。亜鉛が電解液に入ると、電解液中の2つの正電荷を帯びた水素イオン(H +)が銅電極表面の2つの電子と結合し、電荷を持たない水素分子(H 2)を形成します。
この反応は還元と呼ばれます。銅の中で水素分子を形成するために使われた電子は、銅と亜鉛を結ぶ外部配線を介して亜鉛から伝達されます。還元反応によって銅表面に形成された水素分子は、最終的に水素ガスとして泡立ちます。
実験結果
この化学反応モデルは、2001年にジェリー・グッディスマンが発表した実験で検証されたいくつかの予測を立てています。グッディスマンは、レモン電池について銅電極が電解液に溶解する化学反応が最近多くの著者によって提案されていると指摘しています。グッディスマンは、この反応は実験と矛盾するとして除外し、銅電極での水素の発生を伴い銅の代わりに銀も使用できる正しい化学反応は長年知られていると述べています。[4]モデルの詳細な予測のほとんどは、開回路(電池には他に何も接続されていない)でメーターによって直接測定される電池の電圧に適用されます。電解液に硫酸亜鉛(ZnSO 4 )を追加して変更した場合、モデルのネルンストの式を使用して予測されたように、セルからの電圧が低下しました。ネルンストの式は基本的に、硫酸亜鉛をさらに追加すると電圧がどれだけ低下するかを示しています。硫酸銅(CuSO 4)を追加しても電圧には影響しませんでした。この結果は、電極からの銅原子がセルの化学反応モデルに関与していないという事実と一致しています。
電池を外部回路に接続し、大きな電流が流れると、上記の亜鉛の酸化反応から予測されるように、亜鉛電極の質量が減少します。同様に、銅電極からは水素ガスが泡として発生します。最後に、セルからの電圧は電解液の酸性度(pHで測定)に依存します。酸性度の低下(pHの上昇)は電圧を低下させます。この効果はネルンストの式からも予測されます。つまり、使用した酸(クエン酸、塩酸、硫酸など)は、pH値以外では電圧に影響を与えません。
ネルンスト式の予測は、強酸性電解質(pH < 3.4)では当てはまりませんでした。これは、電池が回路に電流を供給していない場合でも、亜鉛電極が電解質に溶解するためです。上記の2つの酸化還元反応は、外部回路を介して電荷を輸送できる場合にのみ発生します。追加の開回路反応は、開回路時に亜鉛電極に泡が形成されることで観察されます。この効果により、最高酸性度において、セルの電圧は室温付近で1.0 Vに制限されました。
エネルギー源
エネルギーは、亜鉛が酸に溶解する際の化学変化から生じます。レモンやジャガイモからエネルギーが供給されるわけではありません。亜鉛はレモン内部で酸化され、その電子の一部を酸と交換してエネルギーの低い状態になり、その際に放出されるエネルギーが電力となります。[4]
現在、亜鉛は硫酸亜鉛の電解採取、または亜鉛と炭素の乾式冶金還元によって生産されていますが、これらの方法にはエネルギーの投入が必要です。レモン電池で生成されるエネルギーは、この反応を逆転させることで得られ、亜鉛生産時に投入されたエネルギーの一部を回収します。
スミーセル
1840年から19世紀後半にかけて、印刷業界では亜鉛電極と硫酸電解液を用いた大型のボルタ電池が広く使用されていました。レモン電池のような銅電極が使用されることもありましたが、1840年にアルフレッド・スミーはこの電池の改良版を発明しました。銅電極の代わりに、粗い白金コーティングを施した銀電極を使用しました。 [18] [19]銀または銅電極の表面に付着した水素ガスは、電池から取り出せる電流を減少させます。この現象は「分極」と呼ばれます。[17] [20]粗く「白金コーティング」された表面は水素ガスの泡立ちを速め、電池からの電流を増加させます。亜鉛電極とは異なり、銅または白金コーティングされた銀電極は電池の使用によって消費されることはなく、電極の細部が電池の電圧に影響を与えることもありません。スミー電池は、新聞や書籍の活版印刷用の銅版、そして彫像などの金属製品を生産する電鋳に便利でした。 [19] [21] [22] [23] [24]
スミーセルは純粋な亜鉛の代わりにアマルガム亜鉛を使用していました。アマルガム亜鉛の表面は水銀で処理されていました。[23]アマルガム亜鉛は酸性溶液による劣化が純粋な亜鉛よりも少ないようです。[25]アマルガム亜鉛と普通の亜鉛の電極は、亜鉛が純粋である場合、基本的に同じ電圧を発生します。[26] 19世紀の研究室で不完全に精製された亜鉛では、通常、異なる電圧が発生しました。[25]
大衆文化において
- ビデオゲーム「ポータル2」では、敵対者のGLaDOSは、ゲームの大部分でジャガイモの電池で動くコンピュータに組み込まれています。[27]
- ビッグバン・セオリーシーズン 6 のエピソード「プロトンの復活」では、レナードとシェルドンの子供時代のヒーローであるプロトン教授 (ボブ・ニューハート) がグループにジャガイモ電池を見せようとし、ペニーを驚かせます。
- 『 BONES ボーンズ』シーズン6のエピソード「吹雪の中の停電」では、アンジェラと他の「スクインツ」たちが、携帯電話の電源として巨大なジャガイモ電池アレイを組み立てます。しかし、このシステムの出力の悲惨な低さを物語るように、数十個のジャガイモを使いながら、わずか数秒間しか動作しません。
- テレビ番組「レッド・ドワーフ」 (第10シリーズ(シリーズX) )のエピソード「レモンズ」では、乗組員はタイムマシンのリターナーリモコンに電力を供給するレモン電池を作るためにレモンを手に入れるために、西暦23年にイギリスからインドまで4,000マイルを旅します。[28]
- ミステリー・サイエンス・シアター 3000の最終シーズンの第 6 話では、主な悪役であるパール・フォレスターがジャガイモ電池を使って世界征服を企てましたが、その計画はボボ教授によって台無しにされました。
- NCISシーズン7エピソード8「パワーダウン」では、停電中に電池が切れたアビー・シュートがステレオの電源としてレモンを使う。[29]
- マグナムPIシーズン3、エピソード2「Easy Money」では、マグナムはレモン電池を使ってトランシーバーを充電します。
- テリー・プラチェットとスティーブン・バクスターの『ロング・アース』では、ある宇宙から別の宇宙へ移動するために使われる装置はジャガイモの電池で動いているようだ。[30]
- 『アンという名の少女』シーズン2第10話「成長する世界の宝」では、アンとクラスメイトたちはジャガイモ電池を使って、新しい先生の型破りな教え方からどれだけのことを学んだかを町の人々に証明する。[31]
参照
参考文献
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かつてガルバニ電池は途方もなく大きく高価な機械で、大きな場所を占め、短時間の作動状態を維持するのにかなりの費用がかかりました。今では、嗅ぎタバコ入れの中にはるかに強力な装置を作り、ポケットに入れて持ち運ぶことができます。こうした指摘は、グローブ氏の驚異的な白金電池と、スミー氏が発明した化学機械電池によって私たちに突きつけられました…
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通常の亜鉛銅蓄電池に対する最初の真の改良は、アルフレッド・スミー博士によるものでした。彼は、負極板で放出される水素ガスがはるかに容易に放出され、この板の表面が滑らかではなく粗い場合、分極がはるかに遅くなることに気づきました。そして、彼が最も効果的な方法を発見した方法は、銀板または銀板を細かく分割した白金でコーティングすることでした…
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この電池の用途において、非常に重要な変更を加えることができます。それは、スミー氏の白金めっき銀に類似した、酸性
電池
に改造することです。スミー氏の独創的な装置を知る者なら、彼の考案した電池の特徴は、水素が放出される負極板がこの水素を非常に容易に放出することにあることをご存じでしょう。通常、水素は酸性電池の極板に非常に強く付着し、表面に存在することで極板のかなりの部分を機能不全に陥らせます。これを改善するために、彼は表面を「白金めっき」と名付けました。
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飾る「ブロンズ像」や、1851年の万国博覧会の記念としてロンドンのアルバート・ホールの裏に建てられた、高さ320cmのアルバート王子と4体の従者像など、いくつかの非常に重要な委託作品が電鋳で制作されました。
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さらに読む
- 「Maglab - シンプルな電気セルチュートリアル」米国国立高磁場研究所。 2012年11月30日閲覧。亜鉛と銅の電極を用いた酸性電解セルの説明と、JAVAベースのアニメーション。アニメーションでは、亜鉛が電解液に溶解し、亜鉛から銅電極へ電子が流れ、銅電極から小さな水素の泡が噴出する様子が示されています。また、このアニメーションは、可視光を発するLEDでは不可能な、単一のセルでLEDを点灯できることを示唆しています。
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外部リンク
- レモン電池の動画。レモン電池の内部の仕組みを、クールで楽しいアニメーション動画で詳しく説明しています。
- オレンジ色の電池のビデオ。オレンジ色の電池は安価なデジタル時計に電力を供給します。
- YouTubeのジャガイモ電池の動画。ジャガイモの電池 3 つを直列に接続して電卓に電力を供給します。