Zitronenbatterie, die eine LED leuchten lässt

Was das Kind lernt

• Dass zwei verschiedene Metalle in einer sauren Flüssigkeit eine Batterie bilden: Das Zink gibt Elektronen ab und das Kupfer nimmt sie auf.
• Dass sich die Spannungen addieren, wenn man Batterien in Reihe schaltet (+ an −): 4 × 0,9 V ≈ 3,6 V.
• Dass eine LED nur in einer Richtung leuchtet und eine Mindestspannung braucht (≈ 1,8 V bei Rot).
• Dass Spannung allein nicht reicht: Die Zitrone liefert sehr wenig Strom, deshalb ist das Licht schwach.

Vorher vorbereiten

• Isoliere 4 Stücke Kupferdraht von 6 cm ab und biege jedes zu einem L, sodass 1 cm für die Klemme bleibt.
• Wenn du Münzen nimmst, leg sie 5 Minuten in Essig mit Salz, spül sie ab und trockne sie: Sie sollen glänzend kupferfarben sein.
• Nimm die Zitronen 1 Stunde vorher aus dem Kühlschrank: Kalte liefern weniger Strom.
• Teste die LED mit einer 3-V-Batterie (langes Bein an +), damit du weißt, dass sie funktioniert und welches das lange Bein ist.
• Drucke die Grundplatte A aus und bereite ein Zimmer vor, das sich abdunkeln lässt.

Materialien und Werkzeuge

• Zitronen — 4 (+1 als Reserve)
  saftig, dünnschalig, mit Raumtemperatur
• Verzinkte Schrauben oder Nägel — 4 kaufen
  verzinkt (mattes Silbergrau), von 4 × 40 mm bis 5 × 50 mm
• Elektrisches Kupferkabel — 4 Stücke à 6 cm
  starrer Draht 1,5–2,5 mm², abisoliert (Reststück aus der Hausinstallation)
• Kabel mit Krokodilklemmen — 5 kaufen
  30–50 cm lang, Metallklemmen
• Rote LED, 5 mm — 1 (+1 als Reserve) kaufen
  rot diffus oder hell, Schwellenspannung ≈ 1,8 V
• Wellpappe — 1 Stück 10 × 30 cm
  Grundplatte, damit die Zitronen nicht wegrollen
• Knete — 4 Klümpchen in Haselnussgröße
  damit die liegenden Zitronen nicht von der Grundplatte rollen
• Essig und Salz — 1 Glas mit 100 ml Essig und 1 Teelöffel Salz
  zum Reinigen der Münzen oder von oxidiertem Kupfer
• Multimeter — 1 (optional, aber sehr empfehlenswert)
  Bereich 20 V Gleichspannung und 2 mA oder 20 mA

Werkzeuge

• Spitzes Messer — einen 1-cm-Schnitt machen, wenn du Münzen nimmst Erwachsene
• Abisolierzange oder Schere — den Kupferdraht abisolieren Erwachsene
• Zange — das Kupfer L-förmig biegen und auf 6 cm kürzen
• Filzstift — + und − auf jeder Zitrone markieren

Teile und Vorlagen

• A · Grundplatte ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Kupferelektrode ×4 — starrer Kupferdraht 1,5–2,5 mm², abisoliert
• C · Zinkelektrode ×4 — verzinkte Schraube oder Nagel 4–5 mm

Schritt für Schritt

1. Mach die Zitronen weich

   Leg jede Zitrone auf den Tisch und roll sie 10-mal unter festem Druck mit der Handfläche hin und her, ohne dass die Schale reißt. So platzen die Zellen innen auf und der Saft verteilt sich frei um die Elektroden.

   Prüfe: Die Zitrone fühlt sich beim Drücken weich an.

2. Leg die Zitronen auf die Grundplatte

   Leg jede Zitrone liegend auf ihren Kreis der Grundplatte A, mit einem Klümpchen Knete darunter, damit sie nicht wegrollt. Lass etwa 10 mm Abstand zwischen den Zitronen.

3. Steck das Kupfer hinein

   Steck in jede Zitrone eine Kupferelektrode B 3 bis 4 cm tief auf der mit „Cu +“ markierten Seite. Lass den L-förmig gebogenen Teil draußen. Wenn du eine Münze nimmst, bitte einen Erwachsenen, vorher mit dem Messer einen 1-cm-Schnitt zu machen; dann steckst du die Münze bis zur Hälfte hinein.

   Tipp: Markiere mit dem Filzstift ein „+“ auf der Schale neben dem Kupfer.

4. Steck das Zink hinein

   Steck auf der mit „Zn −“ markierten Seite, 2–3 cm vom Kupfer entfernt, eine verzinkte Schraube C etwa 2–3 cm tief hinein. Die beiden Metalle dürfen sich weder innen noch außen an der Zitrone berühren.

   Prüfe: Zwischen Kupfer und Zink liegen mindestens 2 cm Schale.

5. Miss eine Zitrone

   Wenn du ein Multimeter hast, stell es auf 20 V Gleichspannung. Rote Messspitze ans Kupfer, schwarze ans Zink einer Zitrone. Es sollte zwischen 0,85 und 1,0 V anzeigen. Wiederhole das bei allen vier und notiere jeden Wert.

   Prüfe: Liefert eine Zitrone weniger als 0,7 V, tausch die Schraube aus oder setz die Elektroden näher zusammen.

6. Schalte die Zitronen in Reihe

   Verbinde mit einer Krokodilklemme das Zink von Zitrone 1 mit dem Kupfer von Zitrone 2. Dann das Zink der 2 mit dem Kupfer der 3 und das Zink der 3 mit dem Kupfer der 4. Nimm 3 Kabel und schließ den Kreis nicht.

   Prüfe: Frei bleiben nur das Kupfer von Zitrone 1 (+) und das Zink von Zitrone 4 (−). Mit dem Multimeter dazwischen: 3,4–4,0 V.

7. Bereite die LED vor

   Klemm ein Krokodilkabel an das lange Bein der LED und ein anderes an das kurze Bein. Achte darauf, dass sich die beiden Klemmen nicht berühren. Bieg die Beine der LED etwas auseinander.

8. Schließ die LED an

   Verbinde das Kabel vom langen Bein der LED mit dem freien Kupfer von Zitrone 1 und das vom kurzen Bein mit dem freien Zink von Zitrone 4. Mach das Licht im Zimmer aus und warte 30 Sekunden, bis sich deine Augen gewöhnt haben.

   Prüfe: Die LED leuchtet schwach rot, im Dunkeln sichtbar.

9. Wenn sie nicht leuchtet

   Dreh zuerst die LED um (tausch ihre beiden Kabel). Bleibt sie aus, prüfe mit dem Multimeter, ob die Kette mehr als 3 V liefert und ob jede Klemme Metall greift und nicht Schale oder eingetrockneten Saft.

10. Sicher aufräumen Erwachsene

    Trenn die Kabel, zieh die Elektroden heraus und wasch sie mit Wasser ab. Wirf die Zitronen in den Biomüll: Etwas Zink hat sich im Saft gelöst, deshalb darf man sie nicht mehr essen.

Funktioniert es? Der Test

Mit der Kette aus 4 Zitronen an der roten LED, im Dunkeln. Wenn du ein Multimeter hast: Miss die Spannung jeder Zitrone, die der Kette ohne LED und mit angeschlossener LED sowie den Strom im 2-mA-Bereich (Messspitzen in Reihe mit der LED).

Was passieren soll: Jede Zitrone: 0,85–1,0 V. Kette aus 4 ohne LED: 3,4–4,0 V. Mit angeschlossener LED sinkt die Spannung auf ≈ 1,8–2 V und es fließen etwa 0,1–0,5 mA (weniger als im Kurzschluss, weil die LED fast 2 V beansprucht): Die rote LED leuchtet schwach, im Dunkeln sichtbar. Mit 3 Zitronen leuchtet sie manchmal noch; mit 1 Zitrone nie.

Wenn etwas nicht klappt

• Die LED leuchtet gar nicht — LED verkehrt herum, Kette falsch verbunden oder LED grün/blau/weiß. Lösung: Dreh die LED um. Prüfe, ob jedes Kabel von Zn zum Cu der nächsten geht. Nimm eine rote LED.
• Jede Zitrone liefert nur 0,3–0,5 V — Die Schraube ist nicht aus Zink (Edelstahl oder Eisen) oder die Münze ist oxidiert. Lösung: Nimm mattgraue verzinkte Schrauben und blank abisoliertes Kupfer oder mit Essig und Salz gereinigte Münzen.
• Die Kette liefert 0 V oder weniger als erwartet — Eine Zitrone verkehrt herum angeschlossen (Cu an Cu) oder ein Kabel ohne Kontakt. Lösung: Miss mit dem Multimeter Zitrone für Zitrone und halte bei jeder die Reihenfolge Cu+ → Zn− ein.
• Die Spannung stimmt, aber die LED ist kaum zu sehen — Die Zitronen liefern sehr wenig Strom. Lösung: Mach es völlig dunkel, steck die Elektroden tiefer, rück sie auf 2 cm zusammen oder nimm eine fünfte Zitrone dazu. Es hilft auch, zwei gleiche Ketten parallel zu schalten.
• Es hat funktioniert und wird immer schwächer — Das Zink überzieht sich mit Wasserstoffbläschen (Polarisation) und der Saft um die Elektroden verbraucht sich. Lösung: Zieh die Elektroden heraus und steck sie an einer neuen Stelle der Zitrone wieder ein, oder warte 5 Minuten.
• Die Klemmen berühren sich — Kurzschluss zwischen den Beinen der LED oder zwischen den Elektroden. Lösung: Bieg die Beine der LED auseinander und setz die Klemmen in entgegengesetzte Richtungen.

Sicherheit

• Iss die Zitronen und den Saft nach dem Experiment nicht: Sie enthalten gelöstes Zink.
• Schrauben und abisoliertes Kupfer pieksen: Steck sie mit einem Tuch über der Handfläche hinein.
• Das Messer für den Münzschnitt benutzt ein Erwachsener.
• Zitronensaft brennt in Wunden und Augen: Wasch dir am Ende die Hände und reib dir nicht die Augen.
• Dieses Experiment ist sicher, weil der Strom winzig ist; experimentiere niemals mit den Steckdosen zu Hause.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

In der Zitrone passiert etwas Unsichtbares: Die Zinkschraube gibt winzige Teilchen ab, die Elektronen heißen und zum Kupfer wollen. Durch die Zitrone kommen sie nicht, also nehmen sie den langen Weg: durch das Kabel. Dieses Wettrennen der Elektronen durch das Kabel ist der Strom! Eine Zitrone schiebt nur ein bisschen, deshalb stellen wir vier in eine Reihe, eine hinter der anderen, damit sich ihr Schieben addiert, wie vier Freunde, die ein Auto anschieben. Trotzdem ist es nur ein winziges Licht: Darum musst du es im Dunkeln anschauen.

Für Erwachsene

Jede Zitrone ist eine galvanische Zelle: Das Zink (Anode, Minuspol) wird oxidiert, Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻, und die Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis zum Kupfer (Kathode, Pluspol), wo sie die H⁺-Ionen der Zitronensäure reduzieren: 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂ (die Bläschen im Diagramm). Das Kupfer wird nicht verbraucht: Es ist nur eine Oberfläche, an der die Reduktion stattfindet. Die theoretische elektromotorische Kraft des Paares Zn/H⁺ liegt unter diesen Bedingungen bei ≈ 0,9–1,0 V. Der Innenwiderstand jeder Zitrone ist aber hoch (≈ 1–5 kΩ), weil der Elektrolyt schlecht leitet und die Elektrodenoberfläche klein ist; der Kurzschlussstrom beträgt daher nur 0,2–1 mA. In Reihe addieren sich die Spannungen (4 × 0,95 ≈ 3,8 V), aber auch die Innenwiderstände. Eine rote LED braucht ≈ 1,7–1,8 V, um zu leiten, und gibt bei 0,5 mA schon ein im Dunkeln sichtbares Licht; eine grüne oder blaue LED braucht 2,2–3,2 V und viel mehr Strom, um sichtbar zu leuchten. Eine größere Elektrodenoberfläche (tiefer einstecken) und ein kürzerer Abstand zwischen den Elektroden senken den Innenwiderstand und erhöhen den Strom. Die Energie kommt nicht aus der Zitrone als Nahrungsmittel, sondern aus der Oxidation des Zinks: Die Säure dient nur als Elektrolyt.

• Elektrode: das Metall, das in die Flüssigkeit einer Batterie gesteckt wird (hier Kupfer und Zink).
• Elektrolyt: Flüssigkeit, die elektrische Ladungen durchlässt: der Zitronensaft.
• Volt (V): Einheit dafür, wie stark eine Batterie den Strom „schiebt“.
• in Reihe: Batterien hintereinander verbinden (+ an −), um ihre Volt zu addieren.
• Polarität: welche Seite + und welche − ist; eine LED funktioniert nur in einer Richtung.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene steckt die Elektroden ein und schließt die Kabel an. Das Kind rollt die Zitronen weich, prüft mit dem Finger, dass sich Zink und Kupfer nicht berühren, und schaut sich die LED im Dunkeln an. Konzentriere dich auf „vier Zitronen schieben zusammen“.
• 8–10 Jahre: Sie bauen alles anhand der Grundplatte A auf und messen Zitrone für Zitrone mit dem Multimeter. Lass sie selbst herausfinden, was passiert, wenn sie eine Zitrone umdrehen.
• 11–12 Jahre: Lass sie Spannung und Strom messen, den Innenwiderstand einer Zitrone berechnen (r = Leerlaufspannung / Kurzschlussstrom) und den Schaltplan mit dem Batteriesymbol für jede Zitrone zeichnen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams zu 4, jedes Kind bereitet eine Zitrone vor und dann verbindet das Team sie (≈ 1,5 € pro Team für Zitronen, Schrauben und LED; 5 Krokodilkabel pro Team). Vor der Einheit: das Kupfer abisolieren und zuschneiden, verzinkte Schrauben kaufen und die LEDs testen. Einheit von 50 min: 10 min Erklärung, 20 min Aufbau und Messen, 10 min bei ausgeschaltetem Licht, um die LEDs anzusehen, 10 min, um die Ketten der ganzen Klasse zu einer einzigen großen Batterie zu verbinden und zu sehen, ob sie mehr LEDs zum Leuchten bringt. Ein Multimeter für je 2 Teams.

Challenges

• Bring einen Taschenrechner mit LR44-Batterien (1,5 V) mit 2 Zitronen in Reihe zum Laufen.
• Hol die höchstmögliche Spannung aus einer einzigen Frucht, die in getrennte Stücke geschnitten ist.
• Entwirf eine Batterie aus 4 Gläsern mit Salzessig statt Zitronen und vergleiche.
• Bring die LED bei eingeschaltetem Zimmerlicht sichtbar zum Leuchten (Tipp: mehr Zitronen in Reihe und parallel).

Weitere kostenlose Projekte

• Schwebendes Gespenst mit statischer Elektrizität
• Kürbislaterne mit flackerndem Licht
• Röhren-Taschenlampe mit Schalter
• Stromkreise aus leitfähiger Knete
• Tischventilator mit Motor
• Türalarm mit Summer
• Ampel mit drei Lichtern
• Haus mit LED-Licht in jedem Zimmer
• Spukhaus mit leuchtenden Augen
• Taster-Telegraf

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