全国高职学生103年度农业群专题暨创意制作竞赛 12页

全國高職學生103年度農業群專題暨創意製作競賽「創意組」決賽說明書群別：農業群參賽作品名稱：植物夜燈關鍵詞：LED燈泡、電位差、鋅銅電池 目錄摘要...................................................................................1壹、創意動機及目的........................................................1貳、作品特色與創意特質................................................1參、研究方法(過程).........................................................2肆、依據理論及原理........................................................2伍、作品功用與操作方式................................................4陸、製作歷程說明............................................................4 全國高職學生103年度農業群專題暨創意製作競賽「創意組」決賽說明書內頁【植物夜燈】摘要本作品運用了綠環保科技概念與日常常見電器用品(微量用電)之結合--利用土壤中的離子，藉由水的游離產生些微的電位差及電流，促使一些簡易的電器運作。此次設計理念朝向綠能愛地球，節能減碳之方向發展，配合綠色植物，在室內可提供環境美化、淨化空氣…等之功能，再利用鋅銅片在土壤中產生之電位差，結合實用之夜燈或時鐘，即可製造出雙重效益；增加綠色植栽之功能性，又可達到省電的效果。現今市售的電池中充滿著許多的有毒物質，如果沒有正確的回收，隨意丟棄於土壤中，會使周遭土地遭受汙染，使在土地上種植的植物、作物有重金屬殘留，造成環境極大的破壞；台灣目前的發電廠所使用的發電方式，主要為火力發電，其所使用燃燒石油、煤…等，易造成大量二氧化碳排放，導致溫室效應加劇；然而我們所使用的發電裝置，是可以被環境所接納的資源，假使日後不需要此裝置，亦可單純作為觀賞植物使用，非常符合當代人重視使用可回收材料、綠色資源及綠化生活環境的觀念。壹、創意動機及目的在我們二年級的育林課中，有關森林土壤的章節，介紹到土壤結構及土壤中所含的物質，當中包含一些離子，讓我們連想到可以利用其中離子游離產生的電力來發電，再嘗試連接至簡易的電器，驅動其運轉。此後隨即上網蒐尋相關的資料，如水果電池、鋅銅電池、馬鈴薯電池以及土壤所含的元素離子…等。利用泥炭土本身的物質，試著朝向自然發電的功能發展，做為夜間照明用，於是我們訂下了「植物夜燈」的主題，希望藉由此項創新的實驗，製作出愛護地球、節能減碳的創意作品，期望可以廣泛的使用於市面上。若能再克服一些技術上的困難，日後亦可朝向路燈、風扇、手機充電…等方向發展，減少對大自然的汙染，維護下一代子孫美好的生活環境以及生存於地球上的權益。貳、作品特色與創意特質植物夜燈與市售的夜燈相互比較之下，所產生的功能相同，雖然亮度無法與使用電池的夜燈相當，不過我們的「植物夜燈」具有以下之優點：1 一、利用金屬的電位差，其產生的離子，藉由土壤游離而產生電流，既可省電、重複使用又環保無汙染。二、日間植物可以行光合作用，促使室內空氣淨化、環境美化。三、夜燈可行照明功能，預防昏暗造成危險。四、可以啟發孩童對於物理及科學的好奇心。參、研究方法(過程)一、蒐集資料，研究自然發電之原理。二、研究各種介質之電壓及電流，選定使用泥炭土；利用串聯，增加電流及電壓量。三、連接至簡易電器，如LED燈泡、LCD液晶顯示時鐘。肆、依據理論及原理生活周遭存在著許多不起眼的物質，而這些物質都蘊含著電解質，某些水果、蔬菜也是有足夠使離子游離的電解質，譬如馬鈴薯、柳丁、香蕉、葡萄柚…等，都可以利用金屬間的電位差，加上本身電解質離子的移動來產生能量，藉此能量可使一些電壓及電流較小的電器運作，例如LCD液晶顯示時鐘或LED的燈泡，此創作不僅使用上容易，材料也容易由生活上取得。一、電壓：(一)電壓的基本概念：(中文百科，2014)電壓是指電路中兩點A、B之間的電位差（簡稱爲電壓），其大小等於單位正電荷因受電場力作用從A點移動到B點所作的功。電壓的方向規定爲從高電位指向低電位的方向。電壓的國際單位爲伏特（V），常用的單位還有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。(二)直流電壓與交流電壓：(中文百科，2014)如果電壓的大小及方向都不隨時間變化，則稱之爲穩恆電壓或恆定電壓，簡稱爲直流電壓，用大寫字母U表示。如果電壓的大小及方向隨時間變化，則稱爲變動電壓。對電路分析來說，一種最爲重要的變動電壓是正弦交流電壓（簡稱交流電壓），其大小及方向均隨時間按正弦規律作周期性變化，交流電壓的瞬時值要用小寫字母u或u（t）表示。在一靜電場中，每一點對指定的參考點有一定的電位，兩點之間的電壓就是它們的電位差。2 二、鋅銅電池：(鋅銅電池，2014)2+2+鋅銅電池Zn（s）|Zn（aq）||Cu（aq）|Cu（s）的陽極與陰極分別是以鋅、銅組成，其中銅浸置於硫酸銅溶液中，而鋅浸置於硫酸鋅溶液中，鋅銅電池產生了的電位差（電壓）。利用鋅的活性高於銅，鋅較銅容易失去電子，電子得以從鋅極經由外部電路轉移置銅極，而產生自發性氧化還原反應。在本實驗中，鋅半電池為陽極，也是電池負極；銅半電池為陰極，也是電池正極。鋅銅電池中，鋅為還原劑，銅離子為氧化劑，兩個半電池的反應式如下所列：2+-(電池負極)陽極：Zn（s）→Zn（aq）+2e2+-(電池正極)陰極：Cu（aq）+2e→Cu（s）三、水果電池：(鄭宇崴，2014)水果電池是利用兩金屬的活性大小不同，其中活性大的一方於像水果的酸性物質中解離出帶正電氫離子，反之活性小的一方則帶負電，藉此電位差來產生電流。其中酸性強的果菜中，其酸性主要來自於果酸及維生素C（抗壞血酸，分子式為C6H8O6），+因其解離產生氫離子（H）與鋅（Zn）金屬反應發生置換作用，其方程式為：鋅+2+2+單位氫離子→氫氣+鋅離子（Zn+2H→H2+Zn），故此果菜電池屬「置換電池」類。(一)發電原理：(余宛蓁，2014)主要原理和鋅銅電池雷同，水果能作為電池，是因為水果中含有檸檬酸、酒石酸等電解質的關係，也就是說與離子的擴散及濃度有關。把鋅銅電池套用於水果電池上，用銅片作為正極、鋅片作為負極，以柳橙（含檸檬酸：C6H8O7．H2O）作為鹽橋。﹢-負極：Zn＋H3C6H5O7→ZnHC6H5O7＋2H＋2e﹢-正極：2H＋2e→H22++Zn失去電子而成為Zn，電子經外電路到正極，H因獲得電子而產生H2。四、影響電流與電壓的因素：(廚房化學—水果電池也瘋狂，2014)水果選擇強酸或強鹼、汁液較多者當電解質，產生的電壓較高、電流也較大。蕃茄、柳丁、檸檬（較昂貴）皆適宜。調味品、飲料中富含酸（醋酸、汽水、可樂）、鹼（洗衣粉、洗碗精、牙膏）、鹽（食鹽、小蘇打粉），皆可為電解質。(一)溶液的濃度對電流、電壓的影響：1.稀釋溶液的濃度對電壓並沒有影響，但是電流則會下降。乃因柳丁為酸性++含有H，稀釋後H濃度變小而電流下降。3 2.有些稀釋的溶液（例：小蘇打）因為稀釋而使得溶液較易解離，電流反而上升。3.在放電的過程中，電壓維持長時間不變，但是電流則持續下降，因此電流大小不固定。(二)電極對電流、電壓的影響：(余宛蓁，2014)1.距離：兩電極的距離越大，溶液中的電阻越大，因此電壓雖然沒有改變（電動勢不改變），但是電流卻明顯下降。2.接觸面積：電池電極面積越大接觸機會越多，反應速率愈快，電流越強。3.串聯：選擇面積大的電極可得較大電流；串聯會使電壓變大。4.正、負極的選擇：選擇活性越大的的金屬當電池負極，活性較小的金屬當電池正極，如此一來可得到較大的電流。離子在溶液中可以自由移動，當形成一迴路時，帶正電離子移向負極，反之帶負電離子移向正極，這些移動離子構成的電流，可以維持僅需少量電力之電器的運作。五、土壤中之水分：測量各介質的電壓時，水能促使土壤中的離子移動較快。土壤中主要的水分為微管水、重力水…等；微管水為土壤於排水後，乃能保持之水分，亦即存在於土壤微管內之水分，幾乎不能因重力而發生流動；重力水為土壤孔隙中之水分，由於重力作用而流出者，稱為重力水(陳毓樑、楊厚基，1988)。然而重力水受地心引力而減少，土壤中的離子移動會變少，以至所測得之電流及電壓會逐漸降低。伍、作品功用與操作方式一、作品功用：本作品可置於室內之桌面或櫥櫃上，其植物於白天可淨化空氣，綠美化環境，使人看了賞心悅目；夜燈則可於夜晚行照明用，避免夜間能見度低時產生的危險。二、操作方式：本作品操作非常簡易，需要開夜燈時只要將電路閥打開，即可形成一通路，使燈泡發亮，不需夜燈時，僅需將電路閥打開，形成斷路，燈泡即熄滅。使用上非常淺顯易懂，老少咸宜。但是需注意最重要的一點，記得給植物澆水，因為只要土乾了，離子就沒辦法游離流動，燈泡就無法發光了。陸、製作歷程說明一、材料與工具4 (一)材料：1.銅片（1*10cm）2.鋅片（1*10cm）3.銅布袋針(預備實驗用)4.鐵布袋針(預備實驗用)5.鱷魚夾電線6.50蕊透明喇叭線7.DIY隔板8.木工邊材9.封填膠10.白色紗網11.盆栽水盤12.開關13.泥炭土14.植物15.鋁箔杯16.LED燈泡（紅、黃、綠、藍）17.LCD液晶顯示時鐘(預備實驗用)(二)工具：1.伏特計(預備實驗用)2.三用電表圖1.材料及工具二、製作過程(一)預備實驗：1.栽培介質電壓、電流量之測定：(1)測量一公升飽和小蘇打溶液及一顆檸檬的電壓。利用銅針、鐵針作為電極，測量一公升飽和小蘇打溶液的電壓為0.7V，一顆檸檬的電壓為0.55V，證實水、檸檬中有電解質，可取代鹽橋之功能，產生電壓。故泥炭土需先行澆水，才能進行離子的交換，產生電位差。5 圖2.測量一公升小蘇打溶液的電壓圖3.測量一顆檸檬的電壓(2)各種介質之電壓與電流測定。但注意需將盆栽先澆水至濕透，為求一致性，故澆水後均靜置1小時，待其重力水排出後，再進行量測。因單盆盆栽所提供之電流與電壓較小，故串聯2~4盆，分別量測其電流與電壓之變化。圖4.測量蛭石的電壓及電流圖5.測量珍珠石的電壓及電流圖6.測量泥炭土的電壓及電流圖7.測量水的電壓及電流量測結果如下：表1.各介質之電壓及電流記錄表電壓（V）/1盆2盆3盆4盆電流（mA）珍珠石0.8100.491.5900.552.3700.553.0000.58蛭石0.8940.151.6570.142.5000.133.0900.12泥炭土0.9030.401.7450.352.2000.393.6700.37水（580g）0.8600.471.6400.452.5500.313.3000.366 由實驗數據得知，珍珠石之電流較大，但電壓不如泥炭土，而驅使電器運轉的前提是有足夠的電壓，故決定用泥炭土當發電的介質。另外，發現介質串聯的結果，串聯盆數越多，則電壓會略成正比增加，但串聯的結果對電流的影響不大。2.連接簡易電器測試：(1)2盆泥炭土之LCD液晶顯示時鐘測試。實驗顯示，LCD液晶顯示時鐘正常運作，證明利用盆栽充當電池，使簡易電器運作確實可行。圖8.盆栽連接至LCD液晶顯示時鐘(2)泥炭土串聯之LED燈泡測試。串聯1~4盆盆栽，分別連接LED燈泡，測試其亮度情形。圖9.串聯三盆盆栽LED燈泡發光情形(二)成品製作：1.串聯：由預備實驗得知，1盆泥炭土的電壓只有0.903V，然而LED燈泡最低需求電壓為紅光的1.5V~2.2V，所以我們至少必須串聯2盆以上之泥炭土（1.745V），才能達到足夠的電壓，使紅光LED燈泡發亮，經測試，4盆泥炭土能提供最適當之電流電壓。2.增加亮度：原先LED燈泡之亮度不夠，所以將兩顆紅光LED燈泡並聯，並利用改造的鋁箔杯增加其聚光的效果，故燈泡之亮度大為提升。7 圖10.LED燈泡與鋁箔杯結合3.組合成品：為了使作品更加美觀，我們購買了收納板和木棒組裝成盆栽的支架。(1)自行製作植物夜燈之外框架。(2)將裝有植物及泥炭土之盆栽，放入框架上，並澆水使之濕透。(3)插入鋅銅片，連接電線，並連結成電極。(4)裝置燈泡，完成「植物夜燈」。圖11.自製之框架圖12.植物夜燈成品圖13.植物夜燈運作(夜晚)8 三、實驗結果與討論(一)將銅布袋針、鐵布袋針改為銅片(1*10cm)、鋅片(1*10cm)的原因：常見的元素活性大小為：鉀＞鈉＞鈣＞鎂＞鋁＞碳＞鋅＞鐵＞錫＞鉛＞氫＞銅＞汞＞銀＞鉑＞金。其中較容易取得的為銅、鐵，所以在預備實驗的測量材料為銅布袋針及鐵布袋針，由於此兩種金屬之活性差不夠大，無法產生足夠的電壓供應LED燈泡發光，所以改用比鐵活性更大的鋅來當作發電的材料，利用銅片、鋅片的電位差並配合串聯泥炭土，即可產生足夠的電量。(二)介質串聯的結果：串聯盆數越多，則電壓會略成正比增加，但串聯的結果對電流的影響不大；並聯盆數越多，則電流會略成正比增加，而不會影響電壓。(三)土壤介質重量與電壓、電流較無關—若電極接觸面積不變，則盆栽大小較不會影響所提供之電流與電壓，故可將盆栽縮小且連結多盆，製成組合式盆栽，可增強電流、電壓，提供更多效能。(四)植物的選擇：此盆栽之發電原理與植物的種類並無太大之關係，而是與盆栽裡所放的介質有關，故建議可採用耐蔭性較強之植物，如：落地生根、發財樹、黛粉葉...等，較適合於室內栽植。四、未來展望—美化、應用(一)利用自然介質，不需耗費電力，即可產生電力，非但省錢、省能源，加上現代人綠美化的概念，可達到雙重效益。(二)利用多盆組合盆栽，提供較大之電壓、電流量，再將外觀精美化，選擇適合室內栽種之植物，再尋找廠商開模量產，必能成為市場上綠環保科技產品的新亮點。(三)藉由此理論，可將其應用於室外，若能克服技術上的困難，將電流及電壓再加大，那麼應用上將不受限於簡易電器，期待能取代成本較高的LED燈，朝道路微照明、小風扇、手機充電、霓虹燈…等方向邁進，創造綠色產品概念的奇蹟，遵守大自然生物共存的法則，留給下一代更好的生活空間。五、參考文獻(一)陳毓樑、楊厚基。實用育林，上冊，第71-72頁(1988)(二)中文百科。2014年2月6日，取自：http://www.zwbk.org/MyLemmaShow.aspx?zh=zh-tw&lid=124246(三)鄭宇崴。自製水果電池溫度與溶液濃度之比較研究。2014年2月6日，取自：http://www.google.com.tw/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ve9 d=0CCoQFjAA&url=http%3A%2F%2Fmails.ptes.tp.edu.tw%2F~t00248%2Fc1%2Freacerh%2F190302p.ppt&ei=y0sXU4vnIo2vkgX0_oDoCQ&usg=AFQjCNE4oGRk-bVi_VfqxYtuImmifu7ueQ&sig2=3bAS3uPdo9zVbe1jvYwHkQ(四)余宛蓁。水果動起來--水果電池。2014年2月7日，取自：http://www.shs.edu.tw/works/essay/2008/10/2008103017570129.pdf(五)鋅銅電池。2014年2月10日，取自：http://www.google.com.tw/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=7&ved=0CEYQFjAG&url=http%3A%2F%2F140.96.179.65%2FLabChem%2Fdownload.aspx%3Fattachtype%3Dshare%255C27%26filename%3D%25E9%258B%2585%25E9%258A%2585%25E9%259B%25BB%25E6%25B1%25A0.pdf&ei=1kgXU5XyDM7OkwXkoIG4BA&usg=AFQjCNFk72kruMPHy6khZdpnifW2fPD4kg&sig2=hkLzWxYnzdxDwPLM_rT1BA&bvm=bv.62286460,d.dGI(六)廚房化學—水果電池也瘋狂。2014年2月10日，取自：http://web.fsjh.ilc.edu.tw:834/ttmmff/%E7%A7%91%E5%B1%95--%E6%B0%B4%E6%9E%9C%E9%9B%BB%E6%B1%A0.htm10