PILA A LIMONI E PILA CON 5 CENTESIMI

Per comprendere il funzionamento di queste pile (pila a limoni e pila con 5 centesimi), vediamo prima l’estrazione di elettroni da un metallo.

ESTRAZIONE DI ELETTRONI DA UN METALLO

All’interno di un metallo ci sono degli elettroni (detti di conduzione) che vengono utilizzati per il trasporto della corrente elettrica. Normalmente tali elettroni non fuoriescono dal metallo ma si muovono disordinatamente per via della cosiddetta agitazione termica. Per estrarre un elettrone è necessario quindi fornire al metallo una certa quantità di energia. La minima energia necessaria per estrarre un elettrone viene definita lavoro di estrazione del metallo L_min. Il rapporto tra il lavoro di estrazione e la carica di un elettrone e^– è detto potenziale di estrazione V_min:

V_min= L_min/e^–

Il potenziale di estrazione del rame (a temperatura ambiente) è V_Cu = 4,4 V, mentre per lo zinco è V_Zn = 3,4 V.

Il diverso valore del potenziale di estrazione significa che il reticolo cristallino dello zinco, rispetto a quello del rame, esercita una minore attrazione degli elettroni posti in prossimità della superficie esterna. Perciò, mettendo a contatto questi due metalli, alcuni elettroni di conduzione passano dallo zinco al rame generando quello che è noto come effetto Volta:

mettendo a contatto due metalli diversi, come ad es. Zn e Cu, fra essi si stabilisce una differenza  di potenziale che dipende dalla natura dei due metalli ed è indipendente dalla superficie di contatto.

Man mano che gli elettroni fluiscono dallo zinco al rame, questa differenza di potenziale diminuisce sempre più perché lo zinco acquista una carica positiva (si libera di elettroni) ed il rame acquista una carica negativa (assorbe elettroni). Tale flusso di elettroni termina quando la differenza di potenziale di estrazione viene compensata dalla differenza di potenziale generata dal flusso di elettroni (opposta a quella di estrazione). A questo punto il rame non ha più la capacità di attirare altri elettroni e lo zinco di cederli.

Se però si immergono questi due metalli in una determinata soluzione, gli ioni positivi catturano elettroni dal rame e gli ioni negativi reagiscono con lo zinco dandogli la possibilità di liberare altri elettroni. In questo modo il rame non perde questa capacità di attirare elettroni e lo zinco può continuare a cederli.  Questo flusso di elettroni (dallo zinco al rame) termina quando terminano gli ioni nella soluzione o quando lo zinco si sarà consumato.

Per costruire una pila a limone occorre:

• 1 limone;
• 1 piastra di rame (o un filo di rame spesso e battuto con un martello);
• 1 piastra di zinco (in alternativa un filo o un chiodo di ferro zincato);
• 2 pinze a coccodrillo;
• 1 voltmetro (o un multimetro).

Procedimento:

• schiacciare il limone in modo che il succo acido rimanga al suo interno;
• infilare la piastra di rame e quella di zinco in modo tale che non si tocchino ad 1 cm di distanza tra loro;

• attaccare una pinza a coccodrillo al rame (che sarà il polo positivo);
• attaccare una pinza a coccodrillo allo zinco (che sarà il polo negativo);
• collegare le pinze a coccodrillo al multimetro.

In questo modo si otterrà una differenza di potenziale di circa 1 V.

Per ottenere una differenza di potenziale maggiore è necessario collegare più batterie in serie collegando lo zinco di una pila, al rame di un’altra pila. In questo modo i poli della pila sono il rame della prima pila e lo zinco dell’ultima:

I limoni possono essere sostituiti anche da un piccolo contenitore (come quello degli ovetti di cioccolata) con dentro il succo di limone. Il vantaggio è che si riesce meglio a controllare che gli elettrodi (rame e zinco) non siano a contatto tra loro e che siano a contatto con il succo di limone.

Per rendere più stabile la pila è possibile saldare con un po’ di stagno lo zinco e il rame che collega due pile ed incollare con un po’ di colla a caldo i singoli elettrodi al bordo del contenitore per assicurarsi che esse non vengano a contatto.

Per costruire una pila con 5 centesimi occorre:

• 10 monetine da 5 centesimi (si utilizza la moneta da 5 centesimi perché è di rame);
• 10 monetine di alluminio (realizzate con l’alluminio da cucina o meglio con l’alluminio di una lattina di una bibita);
• 10 monetine di scottex (o carta assorbente);
• succo di limone (o acqua e sale);
• un cavetto di rame rosso ed uno nero;
• nastro isolante.

Prendere una lattina di alluminio di una bibita, aprirla con una tronchese o con un apriscatole in modo da ottenere un foglio di alluminio. Utilizzare una monetina da 5 centesimi per disegnare sul foglio di alluminio 10 monete per poi ritagliarle con delle forbici.

Fare le monetine con uno scottex: per fare prima si può piegare la carta su se stessa e tagliare una sola volta ottenendo contemporaneamente tutte le monetine.

Prestare attenzione a realizzare le monete di alluminio della stessa dimensione di quella della moneta di rame e di lasciare, invece, un po’ di margine alle monete di carta; in questo modo si evita di cortocircuitare tra loro le singole unità (tale problema si presenta principalmente quando si utilizza l’alluminio da cucina).

Appoggiare una moneta da 5 centesimi, bagnare con il succo la moneta di carta e poggiarla su quella di rame. Poggiare poi la moneta di allumino. Si realizza in questo modo una singola unità che ha una piccola differenza di potenziale.

Per aumentare la differenza di potenziale, bisogna collegare più pile in serie. Per fare ciò, costruire altre singole unità e collegarle in serie: poggiare sulla moneta di alluminio la moneta di rame di un’altra unità. Continuare utilizzando le varie singole unità costruite.

Al termine di questa operazione, in cui si sono impilate le varie unità (da cui il nome di pila), si collega (con il nastro isolante) alla prima moneta di rame il cavetto rosso (che sarà il nostro polo positivo) e all’ultima moneta di alluminio il cavetto nero (che sarà il nostro polo negativo). Tutte le monete potranno essere tenute insieme da una piccola striscia di nastro isolante. Se si utilizza l’alluminio da cucina, fare attenzione che non ci sia contatto diretto tra l’alluminio di una unità con quello di un’altra unità.

Prof. Vito Egidio Mosca

Imparare la Fisica