Pila di limoni che accende un LED

Cosa imparerà

• Che due metalli diversi in un liquido acido formano una pila: lo zinco cede elettroni e il rame li raccoglie.
• Che collegando le pile in serie (+ con −) le loro tensioni si sommano: 4 × 0,9 V ≈ 3,6 V.
• Che un LED si accende solo in un verso e ha bisogno di una tensione minima (≈ 1,8 V quello rosso).
• Che avere tensione non basta: il limone dà pochissima corrente, per questo la luce è debole.

Prepara prima

• Spela 4 pezzi di filo di rame da 6 cm e piega ciascuno a L lasciando 1 cm per la pinza.
• Se usi le monete, lasciale 5 minuti in aceto con sale, sciacquale e asciugale: devono diventare color rame brillante.
• Togli i limoni dal frigorifero 1 ora prima: freddi danno meno corrente.
• Prova il LED con una pila da 3 V (gamba lunga al +) per sapere che funziona e qual è la gamba lunga.
• Stampa la base A e prepara una stanza che si possa oscurare.

Materiali e attrezzi

• Limoni — 4 (+1 di scorta)
  succosi, con la buccia sottile, a temperatura ambiente
• Viti o chiodi zincati — 4 da comprare
  zincati (grigio argento opaco), da 4 × 40 mm a 5 × 50 mm
• Filo elettrico di rame — 4 pezzi da 6 cm
  filo rigido da 1,5–2,5 mm² spelato (avanzo di impianto)
• Cavetti con pinze a coccodrillo — 5 da comprare
  da 30–50 cm, pinze di metallo
• LED rosso da 5 mm — 1 (+1 di scorta) da comprare
  rosso diffuso o ad alta luminosità, tensione di soglia ≈ 1,8 V
• Cartone ondulato — 1 pezzo da 10 × 30 cm
  base di montaggio perché i limoni non rotolino
• Plastilina — 4 palline grandi come una nocciola
  perché i limoni sdraiati non rotolino sulla base
• Aceto e sale — 1 bicchiere con 100 ml di aceto e 1 cucchiaino di sale
  per pulire le monete o il rame ossidato
• Multimetro (tester) — 1 (facoltativo ma molto consigliato)
  portata 20 V in continua e 2 mA o 20 mA

Attrezzi

• Coltello appuntito — fare un taglio di 1 cm se usi le monete adulto
• Spelafili o forbici — spelare il filo di rame adulto
• Pinze — piegare il rame a L e tagliarlo a 6 cm
• Pennarello — segnare + e − su ogni limone

Pezzi e sagome

• A · Base di montaggio ×1 — cartone ondulato 3–4 mm
• B · Elettrodo di rame ×4 — filo di rame rigido 1,5–2,5 mm² spelato
• C · Elettrodo di zinco ×4 — vite o chiodo zincato 4–5 mm

Passo passo

1. Ammorbidisci i limoni

   Appoggia ogni limone sul tavolo e fallo rotolare 10 volte premendo con il palmo, senza rompere la buccia. Così si rompono le cellette interne e il succo resta libero attorno agli elettrodi.

   Verifica: Il limone risulta morbido quando lo premi.

2. Metti i limoni sulla base

   Metti ogni limone sul suo cerchio della base A, sdraiato e con una pallina di plastilina sotto perché non rotoli. Lascia circa 10 mm di spazio tra un limone e l'altro.

3. Infila il rame

   In ogni limone infila un elettrodo di rame B per 3–4 cm di profondità sul lato segnato «Cu +». Lascia fuori la parte piegata a L. Se usi una moneta, chiedi a un adulto di fare prima un taglio di 1 cm con il coltello; poi tu infili la moneta fino a metà.

   Trucco: Segna con il pennarello un «+» sulla buccia accanto al rame.

4. Infila lo zinco

   Sul lato segnato «Zn −», a 2–3 cm dal rame, infila una vite zincata C per circa 2–3 cm. I due metalli non devono toccarsi né dentro né fuori dal limone.

   Verifica: Tra il rame e lo zinco ci sono almeno 2 cm di buccia.

5. Misura un limone

   Se hai un multimetro, mettilo su 20 V in continua. Puntale rosso sul rame e nero sullo zinco di un limone. Deve segnare tra 0,85 e 1,0 V. Ripeti con tutti e quattro e annota ogni valore.

   Verifica: Se un limone dà meno di 0,7 V, cambia quella vite o avvicina di più gli elettrodi.

6. Collega i limoni in serie

   Con una pinza a coccodrillo collega lo zinco del limone 1 con il rame del limone 2. Poi lo zinco del 2 con il rame del 3, e lo zinco del 3 con il rame del 4. Usa 3 cavetti e non chiudere il cerchio.

   Verifica: Restano liberi solo il rame del limone 1 (+) e lo zinco del limone 4 (−). Con il multimetro tra i due: 3,4–4,0 V.

7. Prepara il LED

   Aggancia un cavetto a coccodrillo alla gamba lunga del LED e un altro alla gamba corta, facendo attenzione che le due pinze non si tocchino. Apri un po' le gambe del LED per separarle.

8. Collega il LED

   Collega il cavetto della gamba lunga del LED al rame libero del limone 1 e quello della gamba corta allo zinco libero del limone 4. Spegni la luce della stanza e aspetta 30 secondi che gli occhi si abituino.

   Verifica: Il LED brilla di un rosso tenue, visibile al buio.

9. Se non si accende

   Per prima cosa gira il LED (scambia i suoi due cavetti). Se resta spento, controlla con il multimetro che la catena dia più di 3 V e che ogni pinza morda il metallo, non la buccia né succo secco.

10. Riordina in sicurezza adulto

    Scollega i cavetti, togli gli elettrodi e lavali con acqua. Butta i limoni nell'umido: un po' di zinco si è sciolto nel succo e non si devono più mangiare.

Funziona? La prova

Con la catena di 4 limoni collegata al LED rosso, al buio. Se hai un multimetro: misura la tensione di ogni limone, della catena senza LED e con il LED collegato, e la corrente sulla portata 2 mA (puntali del multimetro in serie con il LED).

Cosa deve succedere: Ogni limone: 0,85–1,0 V. Catena di 4 senza LED: 3,4–4,0 V. Con il LED collegato la tensione scende a ≈ 1,8–2 V e circolano circa 0,1–0,5 mA (meno che in cortocircuito, perché il LED si prende quasi 2 V): il LED rosso brilla debolmente, visibile al buio. Con 3 limoni a volte brilla ancora; con 1 limone, mai.

Se qualcosa non va

• Il LED non si accende per niente — LED al contrario, catena collegata male o LED verde/blu/bianco. Soluzione: Gira il LED. Verifica che ogni cavetto vada dallo Zn al Cu del successivo. Usa un LED rosso.
• Ogni limone dà 0,3–0,5 V — La vite non è di zinco (inox o ferro) o la moneta è ossidata. Soluzione: Usa viti zincate grigio opaco e rame spelato brillante o monete pulite con aceto e sale.
• La catena dà 0 V o meno del previsto — Un limone collegato al contrario (Cu con Cu) o un cavetto che non fa contatto. Soluzione: Misura limone per limone con il multimetro e segui l'ordine Cu+ → Zn− in ognuno.
• La tensione è buona ma il LED si vede appena — I limoni danno pochissima corrente. Soluzione: Fallo al buio totale, infila gli elettrodi più a fondo, avvicinali a 2 cm o aggiungi un quinto limone. Aiuta anche mettere due catene uguali in parallelo.
• Funzionava e si sta spegnendo — Lo zinco si copre di bolle di idrogeno (polarizzazione) e il succo vicino agli elettrodi si esaurisce. Soluzione: Togli e infila di nuovo gli elettrodi in un punto nuovo del limone, oppure aspetta 5 minuti.
• Le pinze si toccano — Cortocircuito tra le gambe del LED o tra gli elettrodi. Soluzione: Separa le gambe del LED e metti le pinze in direzioni opposte.

Sicurezza

• Non mangiare i limoni né il succo dopo l'esperimento: contengono zinco disciolto.
• Le viti e il rame spelato pungono: infilali con il palmo protetto da uno straccio.
• Il coltello per il taglio delle monete lo usa un adulto.
• Il succo di limone brucia sulle ferite e negli occhi: lavati le mani alla fine e non strofinarti gli occhi.
• Questo esperimento è sicuro perché la corrente è minuscola; non fare mai esperimenti con le prese di casa.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Dentro il limone succede qualcosa di invisibile: la vite di zinco libera delle particelle minuscole chiamate elettroni, che vogliono andare verso il rame. Non possono attraversare il limone, così fanno la strada lunga: lungo il filo. Quella corsa di elettroni nel filo è l'elettricità! Un limone spinge pochino, quindi ne mettiamo quattro in fila, uno dietro l'altro, perché le loro spinte si sommino, come quattro amici che spingono una macchina. Anche così è una lucina piccola: per questo bisogna guardarla al buio.

Per l'adulto

Ogni limone è una pila galvanica: lo zinco (anodo, polo −) si ossida, Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻, e gli elettroni circolano nel circuito esterno fino al rame (catodo, polo +), dove riducono gli ioni H⁺ dell'acido citrico: 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂ (le bollicine del disegno). Il rame non si consuma: è solo una superficie dove avviene la riduzione. La forza elettromotrice teorica della coppia Zn/H⁺ in queste condizioni è ≈ 0,9–1,0 V. Ma la resistenza interna di ogni limone è alta (≈ 1–5 kΩ) perché l'elettrolita è poco conduttivo e la superficie degli elettrodi è piccola, quindi la corrente di cortocircuito è solo di 0,2–1 mA. In serie le tensioni si sommano (4 × 0,95 ≈ 3,8 V), ma anche le resistenze interne. Un LED rosso ha bisogno di ≈ 1,7–1,8 V per cominciare a condurre e a 0,5 mA dà già una luce visibile al buio; un LED verde o blu ha bisogno di 2,2–3,2 V e di molta più corrente per vedersi. Aumentare la superficie degli elettrodi (infilarli di più) e accorciare la distanza tra loro riduce la resistenza interna e aumenta la corrente. L'energia non viene dal limone come alimento ma dall'ossidazione dello zinco: l'acido serve solo da elettrolita.

• elettrodo: il metallo che si mette nel liquido di una pila (qui, rame e zinco).
• elettrolita: liquido che lascia passare le cariche elettriche: il succo di limone.
• volt (V): unità che misura quanto una pila «spinge» l'elettricità.
• in serie: collegare le pile una dietro l'altra (+ con −) per sommare i loro volt.
• polarità: quale lato è + e quale è −; un LED funziona solo in un verso.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto infila gli elettrodi e collega i cavetti. Il bambino ammorbidisce i limoni, verifica con il dito che zinco e rame non si tocchino e guarda il LED al buio. Concentrati su «quattro limoni spingono insieme».
• 8–10 anni: Fanno tutto il montaggio seguendo la base A e misurano con il multimetro limone per limone. Lasciali scoprire da soli cosa succede se girano un limone al contrario.
• 11–12 anni: Falli misurare tensione e corrente, calcolare la resistenza interna di un limone (r = V a vuoto / I di cortocircuito) e disegnare lo schema con il simbolo della pila per ogni limone.

In gruppo o in classe

Squadre di 4, ogni bambino prepara un limone e poi la squadra li collega (≈ 1,5 € per squadra tra limoni, viti e LED; 5 cavetti a coccodrillo per squadra). Prima della sessione: spelare e tagliare il rame, comprare le viti zincate e provare i LED. Sessione di 50 min: 10 min di spiegazione, 20 min di montaggio e misure, 10 min a luce spenta per vedere i LED, 10 min per collegare le catene di tutta la classe in un'unica grande batteria e vedere se accende più LED. Un multimetro ogni 2 squadre.

Sfide

• Accendi una calcolatrice a pile LR44 (1,5 V) con 2 limoni in serie.
• Ottieni il massimo voltaggio possibile con un solo frutto tagliato in pezzi separati.
• Progetta una batteria con 4 bicchieri di aceto con sale al posto dei limoni e confronta.
• Fai in modo che il LED si veda con la luce della stanza accesa (suggerimento: più limoni in serie e in parallelo).

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