Возможности гальванических элементов, собранных в домашних условиях

    МИЩУКОВ Николай Александрович

    Краснодарский край, Белореченский район, с. Великовечное

    МБОУ СОШ 23, 10 класс

    ВОЗМОЖНОСТИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, СОБРАННЫХ В

    ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

    Научный руководитель: Шепилевский Павел Михайлович, учитель

    физики, МБОУ СОШ 23

Возможности гальванических элементов, собранных в домашних условиях.

Введение

На сегодняшний день получение электрического тока составляет задачу огромной отрасли промышленности, в которой заняты многие тысячи квалифицированных людей во всем мире. Сердцем современной электростанции является генератор - устройство, работающее на основе явления электромагнитной индукции, открытого в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Достаточно на 5 минут прекратить подачу электроэнергии от электростанции в дома, как современный человек, привыкший к благам цивилизации, начнет испытывать дискомфорт практически во всех сферах своей деятельности. При этом, сразу возникнет необходимость использования альтернативных источников питания, например, гальванических элементов. Такие элементы были впервые построены итальянским физиком Алессандро Вольта, который установил, что разделение электрических зарядов происходит при соприкосновении различных проводников. Он же показал, что для создания источников питания нужно использовать материалы, претерпевающие химические изменения. Действительно, Вольта погрузив медную и цинковую пластинки в раствор серной кислоты, создал первый гальванический элемент. На практике встречаются другие элементы, отличающиеся от данного элемента иным подбором проводников.

Причиной, по которой гальванические элементы вытеснены генераторами и аккумуляторами, в качестве основных источников питания, очевидно, является исключительно высокая стоимость электрической энергии, получаемой с помощью гальванических элементов. И все же, если человек находится дома, и ему надо запитать маломощное устройство, например радиоприемник или лампу карманного фонаря, то сможет ли он сделать простейший гальванический элемент из подручных средств и, какие особенности ему надо учитывать. Попробуем это выяснить.

Основная часть

1. Выбор материалов пластин

Среди доступных металлов, которые можно найти всегда под рукой,  медь, цинк (точнее оцинкованное железо), алюминий, свинец, железо, а так же графит. Ширина используемых электродов 2 см.

В качестве электролитов я взял то, что всегда есть дома: сок промышленного производства, в моем случае, яблочный, фирмы «Вико», лимон, а так же раствор поваренной соли.

Все  измерения разностей потенциалов и силы тока произведены мультиметром.

Таблица 1

Согласно полученным результатам, можно сделать вывод, что лучшей парой для взятых мной электролитов является цинк-графит, но сразу возникает проблема из-за того, что далее необходимо экспериментировать с размерами электродов, а так как графит не очень распространен, то более разумно работать с парой  цинк-медь.

2. Зависимость разности потенциалов от размеров пластин

          Теперь надо выяснить, как зависит разность потенциалов от площади погруженной части электродов в различные соки фирмы «Вико». Будем брать электроды разной ширины, а глубину погружения установим 2,7 сантиметра.

Таблица 2

Явно видно, что полученные результаты не выявляют большой разницы  в электролитических свойствах соков фирмы «Вико». Также можно сделать предположение, что разность потенциалов не зависит от размеров электродов, но чтобы быть в этом уверенным, надо поменять электролиты и повторить опыт.

Таблица 3

Согласно данным таблицы и построенным по ним графикам, действительно, можно сделать вывод, что разность потенциалов не зависит от площади электродов. Приятно удивила близость результатов для соков промышленного производства и натурального сока лимона.

3. Зависимость разности потенциалов от расстояния между пластинами

Результаты предыдущего опыта удивляют, поэтому надо проверить, есть ли зависимость  разности потенциалов от расстояния между электродами. Поскольку в предыдущих опытах разницы между соками не обнаружено, то имеет смысл работать только с одним из них, например, с яблочным. Солевой раствор пока проигрывает, поэтому в данном опыте я его использовать не буду.

Составим таблицу:

Таблица 4

Из графика видно, что с ростом расстояния между электродами разность потенциалов уменьшается.

4. Зависимость силы тока от времени для различных электролитов

Поскольку мощность определяется еще и силой тока, определю ее для сока «Вико» яблоко, лимона и раствора соли. Для погружения возьму электроды шириной 2 см. Сразу возникает сложность в измерениях связанная с тем,  что сила тока непрерывно уменьшается. Однако, если привести электроды в движение в растворе, или вынуть из раствора и протереть, то при повторном помещении электродов в электролит, можно увидеть, что начальный ток опять высок, а далее происходит его убывание. Очевидно, что на электродах образуется газовый слой водорода, который выделяется в результате химической реакции. Проверю, как изменяется значение силы тока со временем.

Таблица 5

Можно отметить, что активное падение силы тока происходит в течение первых 20 секунд, а далее процесс убыли имеет место, но уже не так заметно. Кроме этого надо  отметить разницу в значениях силы тока: наибольшую для солевого раствора и наименьшую для сока лимона. Если сопоставить значения разностей потенциалов со значениями силы тока, то можно сделать вывод, что из взятых нами электролитов наиболее пригоден солевой раствор.

5. Зависимость силы тока от размеров пластин

Ранее я выяснил, что разность потенциалов не зависит от площади поверхности электродов. Проверю, существует ли связь между силой тока и размерами электродов. При этом необходимо учесть и падение силы тока с течением времени. В качестве электролита буду использовать солевой раствор.

Таблица 6

Согласно полученным результатам, чем больше площадь электрода, погруженного в электролит, тем больше сила тока.

Итак, из проделанной практической части можно сделать вывод, что если взять цинковый и медный электроды и опустить их в солевой раствор, то можно добиться максимальной мощности гальванического элемента, собранного из исходных материалов.

6. Решение проблемы падения силы тока

Проблему, связанную  с падением силы тока из-за газового слоя, можно решить путем механического удаления газа или вынимая электроды из электролита и протирая их, или перемещая электроды в самом растворе. Можно попробовать удалять водород за счет химической реакции с кислородом, и единственный вариант в наших условиях - брать кислород из воздуха. Для осуществления задуманного надо решить, как кислород доставить к электродам. Можно попробовать в качестве пористой, пропускающей воздух среды, использовать песок. Смочив песок раствором соли и взрыхлив его, пронаблюдаю за изменениями силы тока за определенный промежуток времени.

Таблица 7

Согласно этим показаниям можно отметить что, во-первых, возросло значение силы тока, а, во-вторых, нет такого значительного падения тока, как при использовании жидких электролитов.

Заключение

Итак, лучшими сочетаниями материалов для создания гальванических элементов в домашних условиях являются пара электродов цинк- медь и песок, смоченный солевым раствором.

Попробуем собрать действующий источник питания. Так как сила тока в опытах была мала, то необходимо ее увеличивать за счет увеличения площади электродов. Возьмем 8- ми литровое цинковое ведро, наберем в него песок, смочим песок раствором соли и перемешаем, опустим в полученную смесь, за неимением большого количества меди, текстолитовые пластины с медным покрытием. Присоединив к этой системе лампочку, рассчитанную на напряжение 2,5 В и силу тока 0,16 А, можно увидеть, что нить накала светится, но очень тускло. Для увеличения напряжения на лампочке соберем еще один гальванический элемент по ранее приведенной схеме. Соединив источники питания последовательно, и подключив к ним лапочку, можно заметить, что она горит ярче. Измерения показывают, что напряжение, подаваемое на лампочку равно 0,6 В, а сила тока 0,7 А.

Можно заметить, что постепенно лампочка горит тусклее, что говорит об убыли тока. Заменив лампочку электрическим двигателем можно наблюдать, как он работает, причем такого падения силы тока, как для лампочки не наблюдается.

В данной работе я брал только подручные материалы, но если использовать менее распространенные, например в качестве электродов можно взять пару цинк- графит, для которой разность потенциалов равна 1,2 В (таблица 1) , а в качестве электролита морскую воду, то можно получить гальванический элемент с минимумом затрат. Например, система электродов, опущенная в море с лодки, в состоянии питать фонарик в ночное время. Проблема газового слоя в этом случае отпадает, вследствие естественного движения морской воды.

Список литературы

1. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 2. Электричество и магнетизм. – М.:Наука, 1987.
2. Эллиот Л.,УилкоксУ. Физика/Пер. А.И. Китайгородского. – М.:Наука, 1975.
3. Перышкин А.В. Физика. 8 класс. – М.:Дрофа, 2010.
4. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. 10 класс. – М.:Просвещение, 2010.