Een zonnecel... van bakpoeder!

Voor onderhoudende experimenten heb je niet per se een groot laboratorium nodig. Van bakpoeder bijvoorbeeld, maak je een zonnecel. Alleen de opbrengst, die valt wat tegen.

Zonlicht is gratis, maar als je het wilt gebruiken, heb je een probleem. Het is lastig te oogsten. Om licht om te zetten in een bruikbare huis-tuinen-keukenvorm van energie, heb je op z’n minst een zonnewarmtecollector of een zonnecel nodig. En die zijn duur. En moeilijk te maken.

Tenzij je bakpoeder gebruikt. Met een stuk elektriciteitsdraad met massieve kern en een limonadeglas bakpoederoplossing maak je voor minder dan tien cent een zonnecel. Toegegeven: zo’n bakpoedercel heeft een stroomopbrengst die nogal tegenvalt, maar voor tien cent per stuk kun je er een he-le-boel maken.

Knip de draad in twee stukken van vijftien centimeter, strip de isolatie eraf en maak de stukken roodgloeiend in een gasvlam zodat aan de buitenkant een laagje koperoxide ontstaat. Dit worden de polen. Knutsel vervolgens een manier om één van de polen straks uit het licht te houden; een stukje plastic buis met een gaatje of een kokertje van stevig zwart papier. Vul het glas met kraanwater en een schep bakpoeder, hang beide polen in de oplossing en sluit een voltmeter aan.

De bakpoederzonnecel werkt door het zogeheten foto-elektrisch effect, in 1905 beschreven door Albert Einstein. Simpel gezegd: als een ‘deeltje’ licht op een metalen plaat valt, dan duwt het een elektron van z’n plek. Dat gaat vervolgens aan de wandel door het metaal. Normaal zou dat proces vanzelf ophouden, maar in de zonnecel wandelt het elektron vanzelf richting de verduisterde pool. Omdat bakpoederoplossing (Na+ en HCO3 – in H2O) elektrische stroom geleidt, heb je een gesloten circuit waarin een elektrisch stroompje vloeit.

Einsteins idee dat licht kan bestaan uit pakketjes energie – ook wel ‘quanta’ genoemd, tegenwoordig gewoon ‘fotonen’ – ligt ten grondslag aan een van de grootste welles-nietes discussies van de natuurkunde in de twintigste eeuw: bestaat licht uit golven of uit deeltjes? Bij zo’n grote discussie hoort een fantastisch compromis en dat kwam er in 1927 in de vorm van de Kopenhagen Interpretatie, bedacht door Niels Bohr en Werner Heisenberg: licht is golven én deeltjes.

Simpel zou je zeggen, maar het venijn zit hem in de uitwerking. Wanneer je licht bestudeert als deeltjes, gedraagt het zich als deeltjes en als je het bestudeert als golf, gedraagt het zich als golf. Het chocolade-in-de-magnetron experiment uit aflevering 11 toont dat aan. Leg een chocoladereep in een magnetron zonder draaischijf en geef hem veertig tot zestig tellen vol vermogen. Er ontstaan in de reep punten waar de chocolade gesmolten is. Op die plek is de elektromagnetische golf van de magnetron door de reep gegaan.

Uit de afstand tussen de stipjes gesmolten chocolade, kun je de lichtsnelheid berekenen (licht is niets anders dan een zichtbare vorm van elektromagnetische straling): twee keer de afstand is de golflengte en de golflengte keer de frequentie van de magnetron (meestal 2,45 Ghz) is de snelheid van het licht.

Waarom is dat interessant? Omdat uit de rekensom golflengte × frequentie = lichtsnelheid volgt dat licht met een korte golflengte (blauw, ultraviolet) een hogere frequentie heeft dan licht met een lage golflengte (rood, infrarood). En de frequentie zegt weer iets over de energie die een foton heeft, volgens de formule E = hf (Energie = Planck constante × frequentie).

Om in een bakpoederzonnecel een elektron van z’n plek te duwen, heeft een foton, afhankelijk van het metaal dat je voor de polen gebruikt, een minimumhoeveelheid energie nodig. Dat betekent dat deze proef het beste werkt in licht dat veel UV-straling bevat. Zonlicht dus. Of de UV-lamp in de disco.

Auteur: Ernst Arbouw