สอนวิทย์มัธยม 1: คลิปฝึกสมอง และทดลองสร้างแบตเตอรี่กัน

สัปดาห์นี้เราทำกิจกรรมสร้างแบตเตอรี่กันครับ ทำแล้วลองวัดแรงดันไฟฟ้าเป็นโวลท์ และกระแสที่จ่ายได้เป็นแอมป์

แต่ก่อนที่จะคุยเรื่องแบตเตอรี่ เราดูคลิปวิดีโอสองคลิปครับ คลิปแรกเป็นการระเบิดของจรวด Falcon 9 เด็กๆดูคลิปกันแล้วพยายามคิดว่าจรวดอยู่ห่างจากกล้องเท่าไร:

ผมถามเด็กๆว่าจำได้ไหมว่าเวลาเห็นฟ้าแลบก่อนได้ยินเสียงแสดงว่าแสงเดินทางได้เร็วกว่าเสียง จริงๆแสงเดินทางเร็วกว่าเสียงร่วมๆล้านเท่า ดังนั้นช่วงเวลาระหว่างการเห็นแสงและการได้ยินเสียงก็คือเวลาที่เสียงใช้เดินทางมาถึงเรานั่นเอง

ในคลิปวิดีโอข้างบน เราเห็นแสงระเบิดที่เวลา 1:11 นาที และได้ยินเสียงเมื่อ 1:24 นาที ดังนั้นเสียงใช้เวลาเดินทางประมาณ 13 วินาทีด้วยความเร็วประมาณ 340 เมตรต่อวินาที ระยะทางที่เสียงเดินทางมาก็เท่ากับประมาณ (13 วินาที) x ( 340 เมตร/วินาที) = 4,420 เมตร หรือประมาณ 4 กิโลเมตร

อีกคลิปที่เด็กๆดูคือกลอันนี้ครับ ให้ดูครึ่งแรกก่อนแล้วให้คิดเสนอไอเดียกันว่าทำอย่างไรก่อนจะดูครึ่งหลังที่เป็นการเฉลย:

อันนี้เป็นการฝึกให้เด็กๆกล้าคิดกล้าเดาแล้วตรวจสอบคำตอบครับ จะได้ค้นพบความจริงต่างๆได้เองในอนาคต

ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าแบตเตอรี่เป็นแหล่งปล่อยไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมี มีส่วนประกอบคือ ขั้วบวก (Cathode) ขั้วบวก (Anode) และอิเล็กโตรไลท์ (Electrolytes) ขั้วไฟฟ้าทั้งสองเรียกรวมๆกันว่า Electrodes ความจริงคำว่า Cathode และ Anode มีความหมายกว้างกว่านี้ แต่สำหรับแบตเตอรี่เราเรียกขั้วบวกและขั้วลบว่า Cathode และ Anode ได้

แบตเตอรี่ถูกประดิษฐ์เมื่อประมาณปีค.ศ. 1800 โดย Alessandro Volta เราจึงตั้งชื่อหน่วยแรงดันไฟฟ้าว่าโวลท์ตามชื่อเขาครับ

เราทดลองสร้างแบตเตอรี่แบบง่ายๆโดยเอาตัวนำไฟฟ้าสองชนิดมาเป็นขั้วไฟฟ้า แล้วจุ่มลงไปในน้ำอิเล็กโตรไลท์แบบต่างๆแล้วลองวัดแรงดันไฟฟ้าว่าได้กี่โวลท์ครับ อิเล็กโตรไลท์ที่ใช้ก็มีแอลกอฮอลล้างแผล (Alcohol) ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซ์ด 3% (H₂O₂) น้ำเกลือ (เกลือ 1 ช้อนโต๊ะ+น้ำหนึ่งถ้วย) น้ำเกลือ x 2 (เกลือ 2 ช้อนโต๊ะ+น้ำหนึ่งถ้วย) น้ำส้มสายชูกลั่น 5% ส่วนตัวนำที่มาทำเป็นขั้วก็มีอลูมิเนียม (Al) ทองแดง (Cu) สังกะสี (Zn) ตะปูเคลือบสังกะสี ไส้ดินสอดำมาก (4B) และไส้ดินสอสีอ่อน ได้ผลดังนี้ครับ:

Electrolyte	Cathode	Anode	Voltage (V)
Alcohol	Al	Al	0.044
Alcohol	Cu	Zn	0.66
Alcohol	Cu	ตะปู	0.71
Alcohol	ตะปู	ไส้ดินสอ (สีอ่อน)	0.73
Alcohol	ไส้ดินสอ (4B)	Al	0.58
Alcohol	ไส้ดินสอ (4B)	ตะปู	0.75
H₂O₂	Cu	Al	0.7
H₂O₂	Cu	Zn	1.03
H₂O₂	Cu	Zn	1.032
H₂O₂	Cu	Zn	1.04
H₂O₂	Cu	ตะปู	0.95
H₂O₂	Cu	ตะปู	0.996
H₂O₂	Cu	ไส้ดินสอ (4B)	0.11
H₂O₂	ตะปู	Zn	0.07
H₂O₂	ไส้ดินสอ (4B)	ตะปู	0.77
น้ำเกลือ	Al	ตะปู	0.22
น้ำเกลือ	Cu	Al	0.52
น้ำเกลือ	Cu	Zn	0.77
น้ำเกลือ	CU	ตะปู	0.75
น้ำเกลือ	Zn	ตะปู	0.02
น้ำเกลือ	ไส้ดินสอ (สีอ่อน)	Zn	0.92
น้ำเกลือ x 2	Cu	Al	0.5
น้ำเกลือ x 2	Cu	Zn	0.75
น้ำเกลือ x 2	Cu	ตะปู	0.73
น้ำเกลือ x 2	ไส้ดินสอ (สีอ่อน)	ตะปู	1.05
น้ำส้มสายชู	Cu	Al	0.483
น้ำส้มสายชู	Cu	Zn	1.005
น้ำส้มสายชู	Cu	ตะปู	0.96
น้ำส้มสายชู	Cu	ตะปู	0.994
น้ำส้มสายชู	ไส้ดินสอ (2B)	Cu	0.232

เราวัดกระแสไฟฟ้าเป็นไมโครแอมป์ (μA) สำหรับแบ็ตเตอรี่ที่ใช้น้ำเกลือเป็นอิเล็กโตรไลท์ด้วยครับ พบว่าทองแดง+สังกะสีให้กระแสมากสุดที่ 700 ไมโครแอมป์:

Electrolyte	Cathode	Anode	Voltage (V)	Current (μA)
น้ำเกลือ	Cu	Zn	0.77	700
น้ำเกลือ	ไส้ดินสอ (สีอ่อน)	Cu	0.2	3
น้ำเกลือ	ไส้ดินสอ (4B)	Cu	0.4	0.7
น้ำเกลือ	Cu	Al	0.51	300
น้ำเกลือ	ไส้ดินสอ (สีอ่อน)	Al	0.818	40
น้ำเกลือ	Al	Zn	0.26	130

เราเรียนรู้เรื่องการต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรมที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นแต่กระแสไฟฟ้าไม่เพิ่ม และการต่อแบบขนานที่แรงดันไฟฟ้าไม่เพิ่มแต่กระแสไฟฟ้าเพิ่ม เราเอาแบต Cu-Zn-น้ำเกลือมาต่ออนุกรมกันสามอันได้แรงดัน 2.31 โวลท์ทำให้ LED เปล่งแสงได้ครับ:

แบตเตอรี่ Cu-Zn-น้ำเกลือต่ออนุกรมกัน 3 อันได้ไฟ 2.31 V ทำให้ LED สว่างได้ครับ

นอกจากนี้เราลองเปลี่ยนอิเล็กโตรไลท์แต่ใช้ขั้ว Cu และ Zn คงเดิม แล้วลองวัดแรงดันไฟฟ้าและกระแสดูครับ:

Electrolyte	Cathode	Anode	Voltage (V)	Current (μA)
น้ำเกลือ x 3	Cu	Zn	0.74	200
H₂O₂	Cu	Zn	0.88	130
น้ำส้มสายชู	Cu	Zn	0.97	450
Alcohol	Cu	Zn	0.94	30
น้ำเกลือ	Cu	Zn	0.77	700