แบตเตอรี่มะนาวเป็นแบตเตอรี่อย่างง่ายที่มักทำขึ้นเพื่อการศึกษา โดยทั่วไปแล้ว จะ นำโลหะ สังกะสี (เช่น ตะปู ชุบสังกะสี ) และโลหะทองแดง (เช่น เหรียญเพนนี) มาเสียบเข้าไปในมะนาวแล้วเชื่อมต่อด้วยสายไฟ พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาของโลหะจะถูกนำไปใช้ในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ขนาดเล็ก เช่นหลอดไฟ LED

แบตเตอรี่มะนาวมีความคล้ายคลึงกับแบตเตอรี่ไฟฟ้าชนิดแรกที่คิดค้นขึ้นในปี ค.ศ. 1800 โดยอเลสซานโดร โวลตาซึ่งใช้น้ำเกลือแทนน้ำมะนาว^{[ 1 ]}แบตเตอรี่มะนาวแสดงให้เห็นถึงปฏิกิริยาเคมี ( ออกซิเดชัน-รีดักชัน ) ที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}สังกะสีและทองแดงเป็นอิเล็กโทรดและน้ำมะนาวเป็นอิเล็กโทรไลต์มีแบตเตอรี่มะนาวหลายแบบที่ใช้ผลไม้ (หรือของเหลว) อื่นๆ เป็นอิเล็กโทรไลต์ และใช้โลหะอื่นๆ นอกเหนือจากสังกะสีและทองแดงเป็นอิเล็กโทรด

มีคำแนะนำมากมายสำหรับการทำแบตเตอรี่มะนาวและการจัดหาส่วนประกอบต่างๆ เช่นไดโอดเปล่งแสง (LED) มิเตอร์ไฟฟ้า ( มัลติมิเตอร์ ) และตะปูและสกรู ชุบ สังกะสี^{[ 5 ] [ 6 ]} ชุดอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ "นาฬิกามันฝรั่ง" เชิงพาณิชย์ประกอบด้วยอิเล็กโทรดและ นาฬิกาดิจิทัลแรงดันต่ำหลังจากประกอบเซลล์หนึ่งเซลล์แล้วสามารถใช้มัลติมิเตอร์ วัด แรงดัน ไฟฟ้า หรือกระแสไฟฟ้าจากเซลล์โวลตาอิกได้ โดยทั่วไปแรงดันไฟฟ้าจากมะนาวจะอยู่ที่ 0.9 V กระแสไฟฟ้าจะแปรผันได้มากกว่า แต่มีค่าสูงสุดประมาณ 1 mA (ยิ่งพื้นผิวอิเล็กโทรดใหญ่ กระแสไฟฟ้าก็จะยิ่งมาก) เพื่อให้เห็นผลชัดเจนยิ่งขึ้น สามารถต่อเซลล์มะนาวแบบอนุกรมเพื่อจ่ายไฟให้กับ LED (ดูภาพประกอบ) หรืออุปกรณ์อื่นๆ การต่อแบบอนุกรมจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ได้สำหรับอุปกรณ์ต่างๆ Swartling และ Morgan ได้เผยแพร่รายชื่ออุปกรณ์แรงดันต่ำพร้อมกับจำนวนเซลล์มะนาวที่จำเป็นในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์เหล่านั้น ซึ่งรวมถึง LED, บัซเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริก และนาฬิกาดิจิทัลขนาดเล็ก ด้วยอิเล็กโทรดสังกะสี/ทองแดง จำเป็นต้องใช้เซลล์มะนาวอย่างน้อยสองเซลล์สำหรับอุปกรณ์เหล่านี้^{[ 7 ]}การแทนที่อิเล็กโทรดสังกะสีด้วยอิเล็กโทรดแมกนีเซียมจะทำให้ได้เซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น (1.5−1.6 V) และเซลล์แมกนีเซียม/ทองแดงเพียงเซลล์เดียวก็สามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์บางอย่างได้^{[ 7 ]}โปรดทราบว่าไม่ได้ ใช้หลอดไฟ ไส้จากไฟฉาย เนื่องจากแบตเตอรี่มะนาวไม่ได้ออกแบบมาเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเพียงพอที่จะให้แสงสว่างแก่หลอดไฟเหล่านั้น แบตเตอรี่ดังกล่าวโดยทั่วไปจะผลิตกระแสไฟฟ้า 0.001 A (1 mA) ที่ความต่างศักย์ 0.7 V ค่าเหล่านี้จะถูกคูณเข้าด้วยกันเพื่อกำหนดกำลังไฟฟ้ารวม 0.0007 W (0.7 mW)

ผลไม้และของเหลวหลายชนิดสามารถใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรดได้ ผลไม้มีความสะดวกเพราะให้ทั้งอิเล็กโทรไลต์และวิธีที่ง่ายในการรองรับอิเล็กโทรด กรดที่พบใน ผลไม้ ตระกูลส้ม (มะนาว ส้ม เกรปฟรุต ฯลฯ) คือกรดซิตริก ความเป็นกรดซึ่งบ่งชี้ได้จาก ค่า pHที่วัดได้นั้นมีความแตกต่างกันอย่างมาก

มันฝรั่งมีกรดฟอสฟอริกและใช้งานได้ดี พวกมันเป็นพื้นฐานสำหรับชุด "นาฬิกามันฝรั่ง" เชิงพาณิชย์^{[ 8 ] [ 9 ]} มีการเสนอให้ใช้ แบตเตอรี่มันฝรั่งที่มี ไฟ LEDในประเทศยากจนหรือประชากรที่อยู่นอกระบบไฟฟ้า การวิจัยระดับนานาชาติที่เริ่มต้นในปี 2010 แสดงให้เห็นว่าการต้มมันฝรั่งเป็นเวลาแปดนาทีช่วยเพิ่มผลผลิตไฟฟ้า เช่นเดียวกับการวางชิ้นมันฝรั่งระหว่างแผ่นทองแดงและสังกะสีหลายแผ่น นักวิจัยชาวศรีลังการะบุว่า แกนกลาง (ลำต้น) ของต้นกล้วย ที่ต้มและสับ ก็เหมาะสมเช่นกัน^{[ 10 ]}

แทนที่จะใช้ผลไม้ สามารถใช้ของเหลวในภาชนะต่างๆ ได้ น้ำส้มสายชูในครัวเรือน (ที่มีกรดอะซิติก ) ก็ใช้ได้ดี^{[ 11 ]}กะหล่ำปลีดอง (ที่มีกรดแลคติก ) ถูกนำมาใช้ในตอนหนึ่งของรายการโทรทัศน์ของสหรัฐอเมริกาชื่อHead Rush (ซึ่งเป็นรายการแยกย่อยจาก รายการ MythBusters ) กะหล่ำปลีดองถูกบรรจุกระป๋องและกลายเป็นอิเล็กโทรไลต์ ในขณะที่กระป๋องนั้นเป็นหนึ่งในอิเล็กโทรด^{[ 12 ]}

อิเล็กโทรดสังกะสีและทองแดงค่อนข้างปลอดภัยและหาได้ง่าย โลหะอื่นๆ เช่น ตะกั่ว เหล็ก แมกนีเซียม ฯลฯ ก็สามารถศึกษาได้เช่นกัน โดยจะให้แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างจากคู่สังกะสี/ทองแดง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อิเล็กโทรดแมกนีเซียม/ทองแดงสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึง 1.6 V ในเซลล์มะนาว แรงดันไฟฟ้านี้สูงกว่าที่ได้จากการใช้เซลล์สังกะสี/ทองแดง เทียบได้กับแบตเตอรี่ในครัวเรือนมาตรฐาน (1.5 V) ซึ่งมีประโยชน์ในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ด้วยเซลล์เดียวแทนที่จะใช้เซลล์แบบอนุกรม^{[ 7 ]}

สำหรับนักเรียนที่อายุน้อยที่สุด ประมาณอายุ 5–9 ปี เป้าหมายทางการศึกษาคือประโยชน์ใช้สอย: ^{[ 13 ]}แบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์ที่สามารถจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อื่นๆ ได้ ตราบใดที่เชื่อมต่อกันด้วยวัสดุที่เป็นตัวนำ แบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบในวงจรไฟฟ้า การต่อสายไฟเส้นเดียวระหว่างแบตเตอรี่กับหลอดไฟจะไม่สามารถจ่ายไฟให้กับหลอดไฟได้

สำหรับเด็กอายุ 10-13 ปี แบตเตอรี่ถูกนำมาใช้เพื่อแสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงระหว่างเคมีและไฟฟ้า รวมถึงเพื่อเสริมสร้างความเข้าใจในแนวคิดวงจรไฟฟ้าให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น การใช้ธาตุเคมีต่างๆ เช่น ทองแดงและสังกะสี สามารถนำมาอธิบายในบริบทที่กว้างขึ้นได้ว่า ธาตุเหล่านี้ไม่หายไปหรือสลายตัวเมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมี

สำหรับนักเรียนที่โตกว่าและนักศึกษาวิทยาลัย แบตเตอรี่ใช้เพื่ออธิบายหลักการของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน^{[ 13 ] [ 14 ]}นักเรียนสามารถค้นพบว่าขั้วไฟฟ้าที่เหมือนกันสองขั้วจะไม่ก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้า และโลหะคู่ต่าง ๆ (นอกเหนือจากทองแดงและสังกะสี) จะก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน สามารถตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าจากการต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรมและแบบขนานได้^{[ 15 ]}

กระแสไฟฟ้าที่ส่งออกจากแบตเตอรี่ผ่านมิเตอร์จะขึ้นอยู่กับขนาดของอิเล็กโทรด ระยะทางที่อิเล็กโทรดถูกเสียบเข้าไปในผลไม้ และระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด ส่วนแรงดันไฟฟ้านั้นค่อนข้างเป็นอิสระจากรายละเอียดเหล่านี้ของอิเล็กโทรด^{[ 16 ]}

ตำราส่วนใหญ่นำเสนอแบบจำลองต่อไปนี้สำหรับปฏิกิริยาเคมีของแบตเตอรี่มะนาว^{[ 1 ] [ 3 ] [ 17 ]}เมื่อเซลล์จ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านวงจรภายนอก สังกะสีโลหะที่ผิวของอิเล็กโทรดสังกะสีจะละลายลงในสารละลาย อะตอมของสังกะสีละลายลงในอิเล็กโทรไลต์เหลวในรูปของไอออน ที่มีประจุไฟฟ้า (Zn ^{2+ ) โดยทิ้ง} อิเล็กตรอนที่มีประจุลบ 2 ตัว(e ⁻ ) ไว้ในโลหะ:

ปฏิกิริยานี้เรียกว่าปฏิกิริยาออกซิเดชันขณะที่สังกะสีเคลื่อนตัวเข้าสู่สารละลาย อิเล็กโทรไลต์ ไอออน ไฮโดรเจน ที่มีประจุบวกสองตัว (H ⁺ ) จากสารละลายอิเล็กโทรไลต์จะรวมกับอิเล็กตรอนสองตัวที่ผิวของขั้วไฟฟ้าทองแดงและก่อตัวเป็นโมเลกุล ไฮโดรเจนที่ไม่มีประจุ (H2 ₎ :

ปฏิกิริยานี้เรียกว่าปฏิกิริยารีดักชัน อิเล็กตรอนที่ใช้ในทองแดงเพื่อสร้างโมเลกุลของไฮโดรเจนจะถูกถ่ายโอนจากสังกะสีผ่านสายไฟภายนอกที่เชื่อมต่อระหว่างทองแดงและสังกะสี โมเลกุลของไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของทองแดงจากปฏิกิริยารีดักชันจะระเหยกลายเป็นก๊าซไฮโดรเจนในที่สุด

แบบจำลองปฏิกิริยาเคมีนี้ทำนายผลลัพธ์หลายประการที่ได้รับการตรวจสอบในการทดลองที่ตีพิมพ์โดย Jerry Goodisman ในปี 2001 Goodisman ตั้งข้อสังเกตว่าผู้เขียนหลายคนในปัจจุบันเสนอปฏิกิริยาเคมีสำหรับแบตเตอรี่มะนาวที่เกี่ยวข้องกับการละลายของอิเล็กโทรดทองแดงลงในอิเล็กโทรไลต์ Goodisman ปฏิเสธปฏิกิริยานี้เนื่องจากไม่สอดคล้องกับการทดลอง และตั้งข้อสังเกตว่าเคมีที่ถูกต้องซึ่งเกี่ยวข้องกับการเกิดไฮโดรเจนที่อิเล็กโทรดทองแดง แต่ยังสามารถใช้เงินแทนทองแดงได้นั้น เป็นที่รู้จักกันมานานหลายปีแล้ว^{[ 4 ]}การทำนายโดยละเอียดส่วนใหญ่ของแบบจำลองนี้ใช้กับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่วัดโดยตรงด้วยมิเตอร์ที่วงจรเปิด (ไม่มีสิ่งอื่นใดเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่) เมื่ออิเล็กโทรไลต์ถูกปรับเปลี่ยนโดยการเพิ่มซิงค์ซัลเฟต (ZnSO ₄ ) แรงดันไฟฟ้าจากเซลล์จะลดลงตามที่ทำนายไว้โดยใช้สมการ Nernstสำหรับแบบจำลอง สมการ Nernst โดยพื้นฐานแล้วบอกว่าแรงดันไฟฟ้าลดลงมากน้อยเพียงใดเมื่อเพิ่มซิงค์ซัลเฟตมากขึ้น การเพิ่มคอปเปอร์ซัลเฟต (CuSO ₄ ) ไม่ส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้า ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าอะตอมทองแดงจากอิเล็กโทรดไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องในแบบจำลองปฏิกิริยาเคมีของเซลล์

เมื่อต่อแบตเตอรี่เข้ากับวงจรภายนอกและมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมากพอสมควร ขั้วไฟฟ้าสังกะสีจะสูญเสียมวลไปตามที่คาดการณ์ไว้จากปฏิกิริยาออกซิเดชันของสังกะสีข้างต้น ในทำนองเดียวกัน ก๊าซไฮโดรเจนจะเกิดเป็นฟองจากขั้วไฟฟ้าทองแดง สุดท้าย แรงดันไฟฟ้าจากเซลล์ขึ้นอยู่กับความเป็นกรดของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งวัดได้จากค่า pH การลดลงของความเป็นกรด (และค่า pH ที่เพิ่มขึ้น) ทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลง ผลกระทบนี้ยังคาดการณ์ได้จากสมการเนิร์นสต์ กรดที่ใช้ (กรดซิตริก กรดไฮโดรคลอริก กรดซัลฟิวริก ฯลฯ) ไม่มีผลต่อแรงดันไฟฟ้า ยกเว้นผ่านค่า pH

สมการเนิร์นสต์ทำนายได้ไม่ถูกต้องสำหรับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรดจัด (pH < 3.4) เนื่องจากขั้วไฟฟ้าสังกะสีละลายลงในอิเล็กโทรไลต์แม้ว่าแบตเตอรี่จะไม่ได้จ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับวงจรก็ตาม ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันสองปฏิกิริยาที่กล่าวมาข้างต้นจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อประจุไฟฟ้าสามารถส่งผ่านวงจรภายนอกได้เท่านั้น ปฏิกิริยาเพิ่มเติมในวงจรเปิดสามารถสังเกตได้จากการเกิดฟองที่ขั้วไฟฟ้าสังกะสีในสภาวะวงจรเปิด ผลกระทบนี้จำกัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ไว้ที่ 1.0 โวลต์ใกล้กับอุณหภูมิห้องในระดับความเป็นกรดสูงสุด

พลังงานมาจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในสังกะสีเมื่อละลายในกรด พลังงานไม่ได้มาจากมะนาวหรือมันฝรั่ง สังกะสีจะถูกออก ซิไดซ์ ภายในมะนาว โดยแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนบางส่วนกับกรดเพื่อให้ได้สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า และพลังงานที่ปล่อยออกมาจะให้พลังงาน^{[ 4 ]}

ในทางปฏิบัติปัจจุบัน สังกะสีผลิตได้โดยการแยกสังกะสีซัลเฟตด้วย ไฟฟ้า หรือ การลดสังกะสีด้วยคาร์บอนโดยใช้กระบวนการทาง ความร้อนซึ่งต้องใช้พลังงานในการผลิต พลังงานที่ผลิตได้ในแบตเตอรี่มะนาวมาจากการย้อนกลับปฏิกิริยานี้ ทำให้สามารถนำพลังงานที่ใช้ไปในการผลิตสังกะสีบางส่วนกลับคืนมาได้

ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1840 จนถึงปลายศตวรรษที่ 19 เซลล์ไฟฟ้าเคมีขนาดใหญ่ที่ใช้ขั้วไฟฟ้าสังกะสีและ อิเล็ก โทรไลต์กรดซัล ฟิวริกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการพิมพ์ ในขณะที่บางครั้งมีการใช้ขั้วไฟฟ้าทองแดงเช่นเดียวกับที่ใช้ในแบตเตอรี่มะนาว แต่ในปี ค.ศ. 1840 อัลเฟรด สมีได้คิดค้นเซลล์รุ่นปรับปรุงที่ใช้เงิน เคลือบ แพลทินัม หยาบ แทนขั้วไฟฟ้าทองแดง^{[ 18 ] [ 19 ]}ก๊าซไฮโดรเจนที่เกาะอยู่บนพื้นผิวของขั้วไฟฟ้าเงินหรือทองแดงจะลดกระแสไฟฟ้าที่สามารถดึงออกมาจากเซลล์ได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "โพลาไรเซชัน" ^{[ 17 ] [ 20 ]}พื้นผิวที่หยาบและ "เคลือบแพลทินัม" จะเร่งการเกิดฟองของก๊าซไฮโดรเจนและเพิ่มกระแสไฟฟ้าจากเซลล์ ต่างจากขั้วไฟฟ้าสังกะสี ขั้วไฟฟ้าทองแดงหรือเงินเคลือบแพลทินัมจะไม่ถูกใช้หมดไปเมื่อใช้แบตเตอรี่ และรายละเอียดของขั้วไฟฟ้านี้ไม่มีผลต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ เซลล์ Smee สะดวกสำหรับการทำอิเล็กโทรไทป์ซึ่งผลิตแผ่นทองแดงสำหรับการพิมพ์แบบเลตเตอร์เพรสของหนังสือพิมพ์และหนังสือ รวมถึงรูปปั้นและวัตถุโลหะอื่นๆ^{[ 19 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

เซลล์ Smee ใช้สังกะสีอะมัลกัมแทนสังกะสีบริสุทธิ์ โดยพื้นผิวของสังกะสีอะมัลกัมได้รับการบำบัดด้วยปรอท[ ^{23 ] เห็น}ได้ชัดว่าสังกะสีอะมัลกัมมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพจากสารละลายกรดน้อยกว่าสังกะสีบริสุทธิ์^{[ 25 ]}ขั้วไฟฟ้าสังกะสีอะมัลกัมและสังกะสีธรรมดาให้แรงดันไฟฟ้าที่ใกล้เคียงกันเมื่อสังกะสีบริสุทธิ์^{[ 26 ]}แต่เมื่อใช้สังกะสีที่ยังไม่ผ่านการกลั่นอย่างสมบูรณ์ในห้องปฏิบัติการในศตวรรษที่ 19 แรงดันไฟฟ้าที่ได้มักจะแตกต่างกัน^{[ 25 ]}

• รายการประเภทแบตเตอรี่
• อเลสซานโดร โวลตา
• เซลล์ไฟฟ้าเคมี
• เซลล์กัลวานิก
• การกัดกร่อนแบบกัลวานิก
• ลาซานญ่าเซลล์
• แบตเตอรี่เพนนี

• "Maglab - บทช่วยสอนการสร้างเซลล์ไฟฟ้าอย่างง่าย" . ห้องปฏิบัติการสนามแม่เหล็กสูงแห่งชาติสหรัฐอเมริกา. สืบค้นเมื่อ30 พฤศจิกายน 2012 .คำอธิบายเกี่ยวกับเซลล์กรดที่มีขั้วไฟฟ้าสังกะสีและทองแดง รวมถึงภาพเคลื่อนไหวที่สร้างด้วยภาษา JAVA ภาพเคลื่อนไหวแสดงให้เห็นสังกะสีละลายลงในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กตรอนไหลจากสังกะสีไปยังขั้วไฟฟ้าทองแดง และฟองไฮโดรเจนเล็กๆ เกิดขึ้นจากขั้วไฟฟ้าทองแดง ภาพเคลื่อนไหวยังแสดงให้เห็นว่าเซลล์เดียวสามารถให้แสงสว่างแก่ LED ได้ ซึ่งเป็นไปไม่ได้สำหรับ LED ที่เปล่งแสงที่มองเห็นได้
• มาร์เกิลส์, ซาแมนธา (2011). "แบตเตอรี่มะนาวใช้งานได้จริงหรือไม่?" . หนังสือวิทยาศาสตร์ Mythbusters . Scholastic. หน้า  104–108 . ISBN 9780545237451สืบค้นเมื่อ7 ตุลาคม 2555ดูตัวอย่างออนไลน์เท่านั้น

• วิดีโอแบตเตอรี่มะนาววิดีโอแอนิเมชั่นสุดเจ๋งและสนุกสนานที่อธิบายรายละเอียดอย่างครบถ้วนว่าแบตเตอรี่มะนาวทำงานอย่างไรจากภายใน
• วิดีโอแบตเตอรี่สีส้มแบตเตอรี่สีส้มใช้เป็นแหล่งพลังงานให้กับนาฬิกาดิจิทัลราคาประหยัด
• วิดีโอแบตเตอรี่จากมันฝรั่งบน YouTubeเซลล์มันฝรั่งสามเซลล์ต่ออนุกรมกันสามารถให้พลังงานแก่เครื่องคิดเลขได้