Исследование характеристик лимона как источника тока

Исследование характеристик лимона как источника тока

Растегаев Даниил,

ученик 9 класса

МОУ-СОШ №9 г. Аткарска

Введение.

Использование электрической энергии в настоящее время очень тесно связано с комфортностью проживания человека в современном мире. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива – водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде. Человечество ищет альтернативные источники получения электрического тока: ветер, геотермальные воды, энергию приливов и отливов. А может быть,  источники тока создала сама природа? И нам остается лишь найти им применение.

Один из таких источников исследуется в данной работе.

Цель проекта:

Исследовать характеристики  лимона как источника тока.

Задачи:

1. Познакомиться с понятиями ЭДС и  внутреннее сопротивление.
2. Изучить закон Ома для полной цепи.
3. Объяснить процессы, происходящие в лимоне, который используется как источник тока.
4. Экспериментально определить ЭДС и внутреннее сопротивление лимона, рассчитать удельное сопротивление лимона и мощность лимона, как источника тока.
5. Рассмотреть возможность использования данного источника тока в практических целях.

1. ЭДС источника тока.

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создается и может поддерживаться длительное время источниками электрического тока.  Существуют различные виды источников тока:

1. механические (электрофорная машина);
2.  тепловые (термоэлемент);
3. световые (фотоэлемент);
4.  химические (гальванический элемент).

Источники тока бывают различные, но в каждом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением кулоновских сил, называют сторонними силами. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил, а во всей остальной цепи – под действием электрического поля. Природа сторонних сил может быть разнообразна.

Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (ЭДС).

2. Лимон – гальванический элемент.

Лимон — небольшое вечнозеленое плодовое  дерево высотой до 5—8 м, с раскидистой или пирамидальной кроной. Встречаются деревья в возрасте 45 лет.

Плоды лимона содержат лимонную кислоту (C6H8O7). Вещество чрезвычайно распространено в природе: содержится в ягодах, плодах цитрусовых, хвое, стеблях махорки, особенно много её в китайском лимоннике и недозрелых лимонах.

Впервые лимонная кислота была выделена в 1784году из сока недозрелых лимонов шведским аптекарем Карлом Шееле.

В лимоне, как и в гальваническом элементе, природа сторонних сил – химическая.  В результате химической реакции происходит растворение цинка в лимонной кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сама цинковая пластина при этом заряжается отрицательно. Медная пластина заряжается положительно, так как ионы цинка оседают на ней. (см. приложение 1)

Для проведения измерений и эксперимента соберем электрическую цепь по схеме:

3. Закон Ома для полной цепи.

Рассмотрим электрическую цепь для нашего эксперимента.

Источник тока имеет ЭДС ɛ и сопротивление r. Сопротивление источника тока часто называют внутренним сопротивлением, сопротивление внешнего участка цепи обозначают R.

Георг Симон Ом     (16 марта 1787 – 6 июля 1854) — знаменитый немецкий физик. Наиболее известные работы Ома касались вопросов о прохождении электрического тока и привели к знаменитому «закону Ома», связывающему сопротивление цепи электрического тока, внутреннее сопротивление и  ЭДС источника тока,  силу тока.

Закон Ома для полной цепи:

Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей  силе источника тока и обратно пропорциональна сумме электрических сопротивлений внешнего  и  внутреннего участков цепи.

4. Результаты эксперимента.

Соберем экспериментальную цепь для получения необходимых данных. (см. приложение 2)

Измерим ЭДС лимона: ɛ = 0,95В

Измерим силу тока и напряжение на участке цепи при различном внешнем  сопротивлении.

U1=0,515В                                U2=0,586В

I1=196мкА                                I2=160мкА

R1=2кОм        R2=3кОм

По закону Ома для полной цепи рассчитали внутреннее сопротивление лимона: r = 2,1кОм. (см. приложение 3)

Измерим ток короткого замыкания на лимоне: Iкз=460мкА. Ток короткого замыкания имеет максимальное значение в том случае, когда внешнее сопротивление цепи R→0.

С помощью полученных измерений мы вычислили удельное сопротивление лимона ƍ=69*106 Ом*мм2/м. (см. приложение 3)

Также определили КПД и мощность лимона как источника тока

P=108,3*10-6Вт

Ƞ= 60%

Несмотря на достаточно большое значение КПД, мощность лимона как источника тока очень маленькое.

Мы попробовали использовать лимон как источник тока. Собрали электрическую цепь из нескольких последовательно соединенных лимонов и диода. Несколько последовательно соединенных лимонов служат батарей гальванических элементов. При последовательном соединении сила тока, которое выдает такой источник остается неизменной, а напряжение равно сумме напряжений на клемах отдельных источников. С помощью 5 последовательно соединенных лимонов мы смогли зажечь два светодиода.

Заключение.

• Лимон – гальванический элемент, в котором действуют химические сторонние силы.
• Лимон можно использовать как  источник электрического тока.
• В бытовых целях лимон нельзя использовать как источник тока, так как ток, который выдает лимон,  составляет порядка нескольких десятков микроампер, при этом он обладает очень большим внутренним сопротивлением.

Список литературы и других источников:

1. А.В. Перышкин Физика 8 класс. М:«Дрофа»2009г.
2. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский Физика 10 класс, М:«Просвещение»2007г.
3. М.Н. Алексеева Физика – юным. М:«Просвещение»1980г.
4. И.Г. Кириллова Книга для чтения по физике. М: «Просвещение»1986г.
5. http://ru.wikipedia.org

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Мы вычислили, что внутреннее сопротивление лимона r = 2,1 кОм.

Мы вычислили, что длина между пластинами  l = 3,8 см = 0,038 м.

Определили площадь пластин   a=39мм  b= 32мм   S=ab= 1248 мм2

Теперь найдем удельное сопротивление лимона по формуле :

.

Найдем мощность источника тока  по формуле     

Вт

Найдем КПД лимона по формуле  , где , а