Guinguette Marais Poitevin

Schlüsselbegriffe
Elektrizität
Batterien
Elektrochemische Reaktion
Elektrischer Leiter

Einführung
Können Sie sich vorstellen, wie sich Ihr Leben verändern würde, wenn es keine Batterien gäbe? Ohne diese praktische Art, elektrische Energie zu speichern, wären wir nicht in der Lage, all unsere tragbaren elektronischen Geräte wie Telefone, Tablets und Laptops zu haben. Auch viele andere Gegenstände – von ferngesteuerten Autos über Taschenlampen bis hin zu Hörgeräten – müssten an eine Steckdose angeschlossen werden, um zu funktionieren.

Im Jahr 1800 erfand Alessandro Volta die erste Batterie, und seitdem haben Wissenschaftler hart daran gearbeitet, frühere Designs zu verbessern. Bei all der Arbeit, die in Batterien gesteckt wird, und all der Frustration, die Sie vielleicht schon mit leeren Batterien hatten, könnte es Sie überraschen, dass Sie ganz einfach eine aus Haushaltsmaterialien herstellen können.

Hintergrund
Batterien sind Behälter, die chemische Energie speichern, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann – oder was wir Elektrizität nennen. Dazu sind sie auf eine elektrochemische Reaktion angewiesen. Die Reaktion findet typischerweise zwischen zwei Metallstücken, den sogenannten Elektroden, und einer Flüssigkeit oder Paste, dem Elektrolyt, statt. Damit eine Batterie gut funktioniert, müssen die Elektroden aus zwei verschiedenen Arten von Materialien bestehen. Dadurch wird sichergestellt, dass die eine mit dem Elektrolyt anders reagiert als die andere. Dieser Unterschied ist es, der Strom erzeugt. Verbinden Sie die beiden Elektroden mit einem Material, das Elektrizität gut transportieren kann (ein sogenannter Leiter), und die chemischen Reaktionen setzen sich in Gang; die Batterie erzeugt Elektrizität! Beachten Sie beim Herstellen von Verbindungen, dass Elektrizität gerne den Weg des geringsten Widerstands nimmt. Wenn es mehrere Möglichkeiten gibt, von einer Elektrode zur anderen zu gelangen, wird die Elektrizität den Weg nehmen, der sie am leichtesten fließen lässt.

Nun, da Sie die Grundlagen einer Batterie kennen, lassen Sie uns einige Haushaltsmaterialien untersuchen. Alufolie ist ein guter Leiter – Strom fließt leicht durch sie hindurch. Auch der menschliche Körper leitet Strom, aber nicht so gut wie Alufolie. Elektroden sind so alltäglich wie Kupferpfennige, die Sie vielleicht in Ihrem Sparschwein aufbewahrt haben. Elektrolyte finden sich überall in der Küche; Zitronensaft ist nur ein Beispiel. Eine einfache Haushaltsbatterie ist vielleicht einfacher herzustellen, als Sie sich vorstellen!

Materialien

• Mindestens zwei Pfennige
• Wasser
• Ein paar Tropfen Spülmittel
• Papierhandtücher
• Aluminiumfolie (mindestens neun mal 60 Zentimeter)
• Schere
• Lineal
• Mindestens eine Zitrone (möglichst mit dünner Schale)
• Teller
• Messer (und die Hilfe eines Erwachsenen bei der Verwendung)
• Mindestens zwei plastik-beschichtete Büroklammern

Vorbereitung

• Waschen Sie Ihre Pfennige in Seifenwasser, spülen Sie sie dann ab und trocknen Sie sie mit einem Papiertuch ab. Dadurch wird jeglicher Schmutz, der an ihnen haftet, entfernt.
• Schneiden Sie vorsichtig drei Rechtecke aus Alufolie, jedes drei Zentimeter mal 20 Zentimeter groß.
• Falten Sie jeden Streifen der Länge nach auf ein Drittel, um drei stabile Aluminiumstreifen von einem Zentimeter mal 20 Zentimeter zu erhalten.
• Hinweis: Bei dieser Aktivität werden Sie eine Batterie mit sehr niedriger Spannung herstellen. Die von dieser selbstgebauten Batterie erzeugte Strommenge ist ungefährlich, und Sie können sie sogar testen, indem Sie sie mit dem Finger berühren und den schwachen Strom spüren. Höhere Spannungen können jedoch sehr gefährlich und sogar tödlich sein; Sie sollten nicht mit handelsüblichen Batterien oder Steckdosen experimentieren.

Vorgehensweise

• Legen Sie die Zitrone auf der Seite auf einen Teller und lassen Sie einen Erwachsenen vorsichtig mit dem Messer einen kleinen Schnitt in der Nähe der Mitte der Zitrone machen (weg von beiden Enden). Machen Sie den Schnitt etwa zwei Zentimeter lang und einen Zentimeter tief.
• Machen Sie einen zweiten, ähnlichen Schnitt etwa einen Zentimeter entfernt und parallel zum ersten Schnitt.
• Schieben Sie einen Penny in den ersten Schnitt, bis er nur noch zur Hälfte aus der Zitronenschale herausschaut. Ein Teil des Pennys sollte mit dem Zitronensaft in Berührung kommen, denn das ist es, was als Elektrolyt dient. Dieser Kupferpfennig in Kontakt mit dem Zitronensaft dient als Ihre erste Elektrode. Hinweis: Wenn Ihre Zitrone eine sehr dicke Schale hat, brauchen Sie vielleicht einen Erwachsenen, der vorsichtig etwas Zitronenschale wegschneidet. Warum denkst du, ist es wichtig, dass ein Teil des Pennys in Kontakt mit dem Zitronensaft ist?
• Schiebe einen der Aluminiumstreifen in den zweiten Schnitt, bis du sicher bist, dass ein Teil des Aluminiums in Kontakt mit dem Zitronensaft ist. Kannst du erraten, welcher Teil einer Batterie der Aluminiumstreifen ist, der im Inneren der Zitrone sitzt? Denkst du, dass es wichtig ist, dass das Aluminium in Kontakt mit dem Zitronensaft ist?
• Du hast gerade eine Batterie gebaut! Sie hat zwei Elektroden aus verschiedenen Metallen und einen Elektrolyten, der sie trennt. Glaubst du, dass diese Batterie Strom erzeugt oder fehlt da noch etwas?
• Ihre Batterie kann Strom erzeugen, aber nur, wenn die Elektroden mit etwas verbunden sind, das Strom leitet. Um eine Verbindung herzustellen, befestige den zweiten Aluminiumstreifen mit einer kunststoffbeschichteten Büroklammer an dem Teil des Pennys, der aus der Zitrone herausragt. Achten Sie darauf, dass das Aluminium den Penny berührt, damit Strom zwischen dem Kupfer und dem Aluminium fließen kann. Sie haben einen Aluminiumstreifen verwendet, um eine Verbindung herzustellen; würden Sie erwarten, dass ein Kunststoffstreifen genauso gut funktioniert? Wissen Sie, warum Sie bei dieser speziellen Batterie keine Verbindung zur zweiten Elektrode herstellen müssen?
• Sobald sich die beiden Aluminiumstreifen berühren, wird Strom in der Batterie erzeugt und fließt durch die Streifen, von einer Elektrode zur anderen. Da du den fließenden Strom nicht sehen kannst, kannst du versuchen, ihn zu fühlen. Halten Sie die beiden Streifen etwa einen Zentimeter voneinander entfernt und berühren Sie sie mit der Fingerspitze. Spüren Sie ein Kribbeln, das dadurch entsteht, dass eine kleine Menge Strom von einem Aluminiumstreifen zum anderen durch Ihren Körper fließt?
• Für mehr elektrischen Saft (und ein etwas stärkeres Kribbeln) können Sie eine zweite Batterie bauen, die mit der ersten identisch ist. Sie können eine andere Stelle auf der Zitrone wählen, die Sie gerade benutzt haben, oder eine zweite Zitrone verwenden, um eine zweite Batterie zu bauen. Beachten Sie, dass Sie nur einen Aluminiumstreifen benötigen, um eine zweite Batterie zu bauen. Um die zweite mit dem Original zu verbinden, suchen Sie den Aluminiumstreifen der ersten Batterie, der als Elektrode dient. (Er steckt mit seinem Ende in der Zitrone.) Verwenden Sie eine kunststoffbeschichtete Büroklammer, um das andere Ende dieses Aluminiumstreifens am Penny der zweiten Batterie zu befestigen. Dadurch wird die Aluminiumelektrode der ersten Batterie mit der Kupferelektrode der zweiten Batterie verbunden.
• Testen Sie diesen Satz verbundener Batterien auf ähnliche Weise, wie Sie die einzelne Batterie getestet haben, indem Sie die Enden der beiden Aluminiumfolienstreifen, die aus Ihrem Batteriesatz herausragen (diejenigen, die ein freies Ende haben), in Kontakt mit Ihrer Fingerspitze bringen. Spüren Sie, dass Strom fließt? Wenn Sie es beim ersten Mal gut fühlen konnten, ist es jetzt anders? (Hinweis: Wenn Sie das Kribbeln nicht spüren können, überprüfen Sie, ob die einzelnen Elektroden – die Pennys und die in die Zitrone gesteckten Aluminiumstreifen – tief genug eingesteckt sind, so dass sie mit dem Zitronensaft in Berührung kommen; vergewissern Sie sich, dass zwischen dem Penny und dem daran befestigten Aluminiumstreifen ein fester Kontakt besteht; und dass die Aluminiumstreifen sich nicht gegenseitig berühren. Wenn alles korrekt ist, brauchen Sie vielleicht etwas mehr Strom, um ein Kribbeln zu spüren. Sie können eine andere Person testen, um zu sehen, ob sie die Elektrizität fühlen kann, oder Sie können sich entscheiden, eine weitere Zitronenbatterie zu Ihrem Set hinzuzufügen.)
• Extra: Nachdem Sie nun feststellen können, ob Strom erzeugt wird oder nicht, probieren Sie einige verschiedene Konfigurationen aus. Was passiert, wenn Sie die Aluminiumstreifen sich berühren lassen? Was passiert, wenn du einen Aluminiumstreifen durch ein Plastikstück, eine aufgeklappte Metall-Büroklammer oder einen Zahnstocher ersetzt?
• Extra: Wissenschaftler nennen die Art und Weise, wie du deine Batterien in dieser Aktivität verbunden hast, „Batterien in Reihe schalten.“ Glaubst du, dass die Art und Weise, wie du zwei Batterien verbindest, einen Unterschied in der gefühlten Strommenge macht? Probieren Sie es aus, indem Sie die beiden Kupferelektroden miteinander verbinden und die beiden Aluminiumelektroden auf die gleiche Weise anbringen. (Hinweis: Sie benötigen dazu einen zusätzlichen Streifen Aluminium.) Wissenschaftler nennen dies „Batterien parallel anschließen“. Testen Sie beide Arten, Batterien zu verbinden, und vergleichen Sie. Fühlst du einen Unterschied?
• Extra: Probieren Sie verschiedene Metallsorten als Elektroden für Ihre Batterien aus. Glaubst du, dass eine Batterie mit zwei Pfennigen als Elektroden Strom erzeugen würde? Was ist mit einer Batterie mit einem Pfennig und einem Nickel? Beachten Sie, dass einige Kombinationen vielleicht Strom erzeugen, aber die erzeugte Menge könnte unter Ihrer Fähigkeit liegen, sie zu fühlen. Das Verbinden von zwei oder mehr dieser Batterien könnte dir helfen, gute Kombinationen zu identifizieren.
• Extra: Sie haben eine Zitrone verwendet, um den Elektrolyt für Ihre Batterie bereitzustellen. Glauben Sie, dass andere Gemüse oder Früchte genauso gut funktionieren würden? Würde eine Kartoffel-, Apfel- oder Zwiebelbatterie funktionieren? Probieren Sie ein paar aus Ihrer Küche aus (natürlich mit Erlaubnis). Ist eine bestimmte Frucht oder ein bestimmtes Gemüse besser als die anderen? Mit dem, was Sie darüber gelernt haben, wie Batterien Elektrizität erzeugen, warum denken Sie, dass eine bestimmte Art von Gemüse eine stärkere Batterie ergibt?
• Extra: Wenn du eine LED (Leuchtdiode) zur Verfügung hast, untersuche, wie viele Zitronenbatterien benötigt werden, um sie zum Leuchten zu bringen.

Beobachtungen und Ergebnisse
Hast du das Kribbeln in deiner Fingerspitze gespürt?

Die Batterie, die du gerade gemacht hast, hat eine Kupfer- und eine Aluminiumelektrode, die durch das Elektrolyt Zitronensaft getrennt sind. Sie wird Strom erzeugen, sobald der Strom einen Weg hat, von einer Elektrode zur anderen zu fließen. Du hast diesen Weg mit Aluminiumstreifen geschaffen, einem Material, das Elektrizität gut leitet.

Indem du deine Batterie mit deiner Fingerspitze verbunden hast, hast du die kleine Menge an Elektrizität, die sie erzeugt, durch deinen Körper fließen lassen. Diese Menge an Elektrizität kann ein kribbelndes Gefühl in der Fingerkuppe erzeugen. Die Erfahrungen werden sich von Person zu Person unterscheiden. Manche Menschen spüren vielleicht nur das größere Signal, das durch das Verbinden mehrerer Batterien auf eine bestimmte Weise erzeugt wird. Wenn Sie die Aluminiumstreifen sich berühren lassen, kann der Strom sehr leicht von einer Elektrode zur anderen fließen, so dass fast kein Strom durch Ihren Körper fließt und das Kribbeln verschwindet. Plastik und Holz leiten Elektrizität nicht gut; bei der Verwendung dieser Materialien als Verbindung wird nichts zu spüren sein. Metalle hingegen leiten Elektrizität gut. Unterschiedliche Kombinationen von Metallen als Elektroden beeinflussen die Menge des erzeugten Stroms. Bei der Verwendung gleicher Metalle als Elektroden wird jedoch kein Strom erzeugt.

In dieser Aktivität haben Sie eine selbstgebaute Batterie mit sehr niedriger Spannung hergestellt. Aber die Verwendung kommerzieller Batterien kann gefährlich sein – und experimentieren Sie niemals mit Steckdosen!

Mehr zum Erforschen
Batterien, von ExplainThatStuff!
Wie funktionieren Batterien?, von LiveScience
A Battery That Makes Cents, von Science Buddies
Potato Batteries: How to Turn Produce into Veggie Power!, von Science Buddies