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2013年3月10日

科學遊戲-電學-空氣電池


每個星期我都會問正在讀小四的兒子一些問題,其中也包含他的社團在這個星期做了哪種實驗,然後我再試著從他的敘述當中還原現場。星期天,他跟我說星期五的社團時間,學校老師教他們使用鋁杯、活性炭以及食鹽水等等做空氣電池的實驗,結果只有一組做出讓LED亮起來的效果。

在我不斷的詰問(這是很恐怖的)下,大概得出社團老師是先放了一段影片,引用名偵探柯南動漫影片裡的一個橋段,將空氣電池的概念引進來。有了引起動機的問題與情境之後,接著就要挑戰場景的重現。老師開始提相關器材,分組操作,至於教師怎麼引導學生的倒是沒有問得很詳細,因為每個人的風格本來就不一樣。不過,只有一件事讓我很納悶,因為兒子說:「社團老師不知道食鹽水、活性炭和不織布的比例,所以不知道為什麼會失敗。」

「來,我做給你看!」職業病又出來了,不過不是真的操作,而是拿出國三下學期的光碟,播放之前幫出版社拍的科學遊戲影片,裡面那個人會做給你看,偏偏那個人就是我。自己的影片放完了,也順便將林宣安老師的燃料電池影片播放一下,不過看過當然不等於會操作,所以我開始從電學教材的收納盒中找出器材包,實際操作一次,也請兒子在旁邊當助手。

本來信心滿滿的我,拿出一個個鋁杯排成圓形,請助手將碳棒包在不織布中再用橡皮筋綁起來,將碳棒電極用鱷魚夾串聯後擺在鋁杯內,最後倒入食鹽水。ㄐㄧㄤ~ㄐㄧㄤ!鱷魚夾上的LED應該放出光芒囉!準備崇拜我吧,兒子!

可是LED並沒有如預期般地發出光芒,怎麼可能?到底哪個環節出了問題?「有問題就要解決,幫我檢查看看。」我當下這麼告訴兒子。正當我思索著「會不會是斷路?」、「有沒有可能LED正負極接錯?」、「倒進鋁杯內的透明液體究竟是不是食鹽水?」……

目光飄到烏黑的碳棒上後,一切的迷霧都變得明朗起來,原來我把所有的鱷魚夾都夾在鋁杯裡的碳棒上了,而且每個鋁杯中竟然放了兩支碳棒!只有連接著充作惰性電極的碳棒怎麼可能驅動電子流動!
親子玩科學,也從做中學
解決小朋友的問題,也同時讓我反省自己該從問題的原點思考

「我怎麼會犯這種錯誤?白痴!」在發現原因後喃喃自語著。兒子在一旁補充:「沒關係啊,人偶爾都會有犯錯的時候,改過來就好啦!」反倒是小孩來安慰大人了。

也對!亡羊補牢,為時不晚。先將鱷魚夾鬆開,拿出多餘的碳棒。保持一個鋁杯配上一組使用不織布包起來的碳棒電極,也讓鋁杯與碳棒不直接接觸。檢查杯內食鹽水的高度,讓不織布充分浸潤。鱷魚夾一端夾著碳棒,另一端夾著鋁杯邊緣,形成串聯線路,最後將LED長短腳接上時,當然這次就毫無意外地通電發光囉!
基本上,一組不行,兩組勉強,三組就可以看到亮光了

基本的串聯電路解釋過後,後來還加碼進行一組至四組空氣電池的LED亮度比較,還有讓小朋友看到碳棒與鋁杯接觸時LED亮度減弱的現象,解釋了為什麼要用不織布隔開碳棒和鋁杯的原因,最後還把電池放置一段時間,觀察鋁杯破洞的現象。兒子!只要你有心想問,我都會給額外的Bonus哪!
鋁杯內側浸有食鹽水的部位會電離出來鋁離子,久了之後表面凹凸不平而失去光澤
如果反應久了以後,甚至可以看到破洞出現

2013年2月9日

科學玩具-電化學-拆解9V電池


這是一顆9V電池,為什麼它會有9V的電壓呢?拆了就知道
最重要的是「No Mercury Added」這句話,是我購買電池的優先選擇

因為可以講的東西實在是太多太多了。一顆9V電池,能做什麼?同樣是沒有答案,因為可以延伸的活動多如牛毛。所以整個電池從拆裝到實作的課程,非得一個早上(四節課)以上,才能做完初步的剖析。而身為理化老師,這一生怎麼可以不拆個電池來瞧瞧呢?不拆,只能聽從、羨慕別人的經驗。

可以先從外表認識它,畢竟第一印象非常重要,光是從它的外觀就可以得到很多資訊,現在就以圖片中這顆電池為例。電池正極為中空的圓柱,可以當作「公」,符號為黑底白字;電池負極為扁平開口的中空圓柱,可以當作「母」,符號為白底黑字。
身為直流電的供應器,當然要標示清楚正負極的位置
最好有防呆設計,不然就真的會裝反

不論是哪一種電池,都會標示上保存期限,讓精明的消費者買之前心裡先有個底
但是每一家廠商,每一種型號的日期標示方法和位置都不一樣

最重要的回收標示在側邊,不管是從外殼到內容物都是有用的資材
所以還是要講一句:千萬別因為便宜而亂丟,這些都是錢哪!

拆封的方法很簡單,只要準備一把尖嘴鉗和一雙工作手套就可以了。使用尖嘴鉗夾住外殼底部的突出部,就可以開始轉動尖嘴鉗了。令人意外的是,外殼並不像想像中的那般堅硬,而是稍稍用力便能將外殼撕裂開來。待底板和外殼分開時就可以將內容物取出。
慢慢地從底部撥開,映入眼簾的是內部閃亮的外殼內層以及內容物
另外還有金屬底板和絕緣用紙條

扒光了就是這副德性,很像層層的盒子疊起來
每一個小電池組合成為電池組,彼此正負極頭尾相連,形成串聯的接法

若每一個電池單元的電壓為1.5V,則六個電池串聯之後,就會形成9V,也就是電壓高的由來。但是最前端的正極與最後端的負極呢?沒有形成正確通路的話,電壓再強也不會有電流啊!所以為了將頭尾的正負極串接起來,在電池殼內就應該採用減小體積的薄鐵片當作導體,而圓柱型的導線則不適用。
整個電池組內有六個單元,然後再用PE外膜包束起來,避免內部的化學物質外漏
側邊有紙片包覆住的金屬片,可以將電池組的電壓發揮到最大

撥開底下的底板,過程中會有點阻力,原因在於黏結用的可導電膠狀物
如果電池放久了,內部的膠狀物乾了,就會有碎屑脫落

將電極及內部的金屬導體剝下來後,可以發現紙片所包覆住的電極為「負」
而紅色塑膠蓋子上的正負極並未相通,而是由正極端子和電池組上端接觸

對於使用者來說,串聯提供的可以提高的電壓,但在裡面的化學物質的數量是固定的情況下,強大的電流意味著化學能轉變成電能的速率加快,也就是化學物質消耗得快。另外,溫度也是決定電池使用壽命的因素之一,當溫度越高,內電阻越大的時候,電流便會逐漸減弱到無法驅動電路元件的地步。
想把它黏回去,發現已經是覆水難收,再也黏不住了
拆下來的「便當盒」用夾鏈袋保存好,以後解說到電池時,就有實物可以參考了

科學玩具-電化學-拆解碳鋅電池


從前思考過國三的電化學的課程該加進去哪些實作的課程,而要切入的第一個點無非就是電池。電池在國中課本裡面有提到但著墨不多,而且接近了基測,所以會讓很多老師在進度的壓力之下,僅帶著學生進行紙筆作業,進行兵推。

很多課程都是在人的問題,制度是死的,但思考是活的。同一件事也因為人的因素而有千千百百種變化,所以產出來的東西也是讓人眼花撩亂。電池就是這樣,到市面3C通路商店中去找找,掛在陳列架上的吊卡上的電池規格足以讓人無所適從,只能看型號來按圖索驥。

就拿最常見的、用途最廣的,就是底下的乾電池。之所以會選用乾電池作為入門,是因為比鋰電池容易拆解,便宜且方便取得,比起鹼性電池來說也較沒有危險性,所以1.5V的圓筒型和9V乾電池是最方便的材料。
乾電池裡面不是乾的,它的名稱來源是相對於濕電池來說
從側邊可以讀取到它的型號與電壓,這是第一眼應該要提醒學生注意的地方

第二個地方就是要看它的標示Dry Battery,的確是乾電池的直接翻譯
Mercury Free則是標榜無汞,並不是續杯免費

最後要注意的是最佳使用期限,2007-02表示最好在20072月之前使用完畢

讀取完重要的資訊之後,其實就好像細細品味完一個人的外表,接下來當來是要把外衣脫掉,伸出貪婪的雙手…咦?我在寫什麼?其實就是預備拆掉外殼罷了。先把外包裝脫去除,很多沒有拆解過電池的人會認為那些有印上品名、標籤的外殼就是鋅殼,其實不是,而且這是蠻常見的迷思。
剝除外殼之後,會發現金屬底板自行脫落,裡面是另一個金屬圓筒
別急,這只是剛開始,還沒拆到重點部位呢

你所需要的工具有鉗子及工作手套,視情況還可能需要美工刀幫忙切開比較密合的部位。工作手套是防止手部與工具間的滑動,並保護皮膚不被銳利的金屬殼邊緣劃傷。使用鉗子夾住金屬圓筒的接縫處,再開始向同一個方向扭轉,慢慢地將金屬殼撕裂下來。
用鉗子即可將外殼剝除,剛開始映入眼簾的有塑膠墊、紙張
隨著拆解的過程,裡面的黑色物質會逐漸迸現

充當負極的殼是因為活性大而容易失去電子,進行的是氧化作用,所以就選擇了鋅,黑色的圓柱碳棒在眾多化學物質裡的作用只是當做惰性電極,正極的反應物是同為黑色的二氧化錳,只是國中課本並不是每一家都講得那麼細,所以並沒有特別強調這一點。
鋅殼的內層因為進行氧化反應,所以裡面的樣子是灰暗的,夾雜著小斑點
包覆在眾多化合物外的紙張有著分隔的效果

打開紙桶上方的塑膠墊,內部是黑漆漆的一片
塑膠墊的功能是隔絕正負極,而黑色的粉末狀(糊狀)則是電解質

逐漸將紙筒撕開,氯化銨等等電解質會以大小不同尺寸的成塊掉落
當撥掉一些之後,有根黑色的棒狀物逐漸出現

剝得漂亮的話,還可以完整的呈現出中空圓孔,圓孔的位置就是碳棒佔去的空間

拆解到最後只剩下正極的構造,在碳棒的周圍包圍著一層圓形的墊片
主要是要讓碳棒固定且附著在正極金屬圓板上

這一層半徑稍小於上方的塑膠墊的固定墊片也可以拆解下來
而正極中央有稍微凸起的圓點,即為乾電池的證明

這個拆解的動作大概需要十五至二十分鐘左右,但是後續可以延伸出很多相關課程。它的好處是隨著逐漸向內部探索,學生可以發現並用手觸摸內部的化學物質,不再只是從圖片中認識電池。這樣的活動也不花多少時間,但肯應讓人印象深刻,有工具和材料時,一定要拆來研究看看。不過要注意的是鹼性電池裡面裝的是強鹼性的電解液,千萬不要去拆它或毀損它哦!