Необычные источники тока

своими руками

Миусс, 2024

Содержание

Введение …………………………………………………………………………………………….3

I. Теоретическое исследование проекта…………………………………………………………5

1.1. История изобретения гальванического элемента…………………………………………5

1.2. Современные источники тока………………………………………………………………..9

II. Практическая часть……………………………………………………………………………11

2.1. Проведение анкетирования среди учащихся класса…………………………………………11

2.2. Собственные исследования. Измерение электрического напряжения……………………..12

2.3. Собственные исследования. Измерение силы электрического тока………………………..13

2.4. Оценить экономическую целесообразность использования  овощных и фруктовых источников тока……………………………………………………………………………………..14

Заключение…………………………………………………………………………………………14

Список использованной литературы………………………………………………………………15

Приложения…………………………………………………………………………………………16.

Введение.

Много ли мы знаем о фруктах и овощах, кроме того, что они очень полезные и содержат витамины? Можно ли при помощи лимона, например, выработать электричество?

Выработать электричество помогают не сами по себе овощи и фрукты, а именно их сок. Идея с использованием сока лимона в батареях не нова. Она известна с 1800 года по опытам Алессандро Вольта, придумавшего элемент питания из соединенных между собой цинковой и медной пластин и прокладкой между ними, которую он пропитал лимонным соком. Эту идею часто развивают и в нынешнее время. А раньше, в советское время, так заряжали рации путешественники, которые с экспедициями уходили далеко в тайгу или на Север. Они делали еще проще: выливали на землю солевой раствор, втыкали электроды, изготовленные из разных металлов, и заряжали технику прямо от земли. Овощные батарейки — это для наглядности, как
доказательство того, что из даров природы можно получить электричество. Основная ценность в том, что энергию можно получить не только из плодов, но и из отходов.
Пока что в мире этот вид электроэнергии практически не освоен — случаи применения овощей в качестве ее источника можно перечесть по пальцам. В Великобритании запустили символический web-сервер, источником питания для которого является картошка. А индийские ученые решили использовать фрукты, овощи и отходы от них для питания несложной бытовой техники. Батарейки содержат пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей или фруктов, в которой размещены электроды из цинка и меди. От четырех таких батареек можно запустить настенные часы, пользоваться электронной игрой или карманным калькулятором.

Актуальность

Итак, можно ли при помощи лимона, например, выработать электричество? Чем интересней и полезней батарейка из лимонов, картофеля? Хотя на первый взгляд это звучит немного странно, все же попробуем разобраться. Мне кажется, что эта тема будет интересна не только моим ровесникам, но, даже и взрослым.

Мы живем в мире, немыслимом без батареек, они встречаются нам повсюду. Еще несколько десятилетий назад батарейки намного реже использовались в повседневной жизни, но в последние годы повысилась их востребованность. Игрушки, бытовые приборы и многие другие устройства нуждаются в автономных источниках питания. Раньше использованные батарейки выбрасывались вместе с бытовым мусором, и, так как объём данного класса отходов был достаточно мал, это не представляло острой проблемы. По статистике, каждая семья ежегодно выбрасывает до 500 грамм использованных элементов питания. Представьте, всего одна пальчиковая батарейка способна отравить 20 квадратных метров земли! Переработать батарейки гораздо дороже, чем их произвести. Батарейка, даже отслужившая свой срок, не представляет опасности, при условии, что ее корпус не поврежден, и она хранится при комнатной температуре и минимальной влажности. Попадая же вместе с бытовыми отходами на свалку, и подвергаясь воздействию разнообразных атмосферных факторов, батарейка начинает ржаветь и разрушаться, отравляя внешнюю среду.  Отсюда возникает проблема создания альтернативных источников энергии. Ту батарейку, которой я предлагаю заменить обычную, является экологически чистой и не загрязняет окружающую среду.

Моя  работа посвящена необычным источникам тока. Несмотря на скромность моего исследования, оно одно из тех, что предстоит решать человечеству в ближайшее время.

В ходе своего исследования я решил узнать, можно ли из подручных материалов создать источники тока (в случае отсутствия электричества).

Цель:  Проверить,  могут ли фрукты и овощи выполнять роль источника тока.

Задачи:

- Познакомиться с  историей создания первых источников тока, узнать о наиболее эффективных современных химических источниках тока, ознакомиться с принципом работы батарейки;

-Создать фруктовую и овощную батарейку;

-Провести исследования фруктово-овощных батареек;

-Оценить экономическую целесообразность использования  овощных и фруктовых источников тока.

Объект исследования: фрукты и овощи.

Предмет исследования: изучение овощных и фруктовых  источников тока.

Гипотеза: Фрукты и овощи состоят из различных минеральных веществ (электролитов),  значит из них можно сделать гальванический элемент - химический источник тока(батарейку), предположим, что дорогие батарейки можно заменить самодельными фруктовыми и овощными батарейками.

Методы:

1. Поиск информации по данной теме (книги, энциклопедии, журналы, информация из Интернета);
2. Проведение анкетирования среди учащихся класса;
3. Проведение экспериментов;
4. Анализ результатов.

Практическая значимость работы:

Если бы удалось создать источники питания из экологически чистого материала, такого как овощи и фрукты, мы могли бы использовать их для работы электрических приборов с низким потреблением энергии, и при этом оберегать окружающую среду от загрязнения, так как обычные батарейки при неправильной утилизации очень долго разлагаются.

I. Теоретическое исследование проекта

1.1. История изобретения гальванического элемента
Важнейшим шагом вперед в развитии учения об электрических и магнитных явлениях было изобретение первого источника постоянного тока - гальванического элемента. История этого изобретения начинается с работ итальянского врача Луиджи Гальвани (1737-1798), относящихся к концу XVIII в.

Гальвани интересовался физиологическим действием электрического разряда. Начиная с 80-х гг. XVIII столетия, он предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки. Однажды он обнаружил, что при проскакивании искры в электрической машине или при разряде лейденской банки мускулы лягушки сокращались, если к ним в это время прикасались металлическим скальпелем.

3аинтересовавшись наблюдаемым эффектом, Гальвани решил проверить, не будет ли оказывать такое же действие на лапки лягушки атмосферное электричество. Действительно, соединив один конец нерва лапки лягушки проводником с изолированным шестом, выставленным на крыше, а другой конец нерва с землей, он заметил, что во время грозы время от времени происходило сокращение мускулов лягушки.

Затем Гальвани подвесил препарированных лягушек за медные крюки, зацепленные за их спинной мозг, около железной решетки сада. Он обнаружил, что иногда, когда мышцы лягушки касались железной ограды, происходило сокращение мускулов. Причем эти явления наблюдались и в ясную погоду. Следовательно, решил Гальвани, в данном случае уже не гроза является причиной наблюдаемого явления.

Для подтверждения этого вывода Гальвани проделал подобный опыт в комнате. Он взял лягушку, у которой спинной нерв был соединен с медным крюком, и положил ее на железную дощечку. Оказалось, что когда тело лягушки касалось железа, то происходило сокращение мускулов лягушки. Гальвани решил, что открыл «животное электричество», т. е. электричество, которое вырабатывается в организме лягушки. При замыкании нерва лягушки посредством медного крюка и железной дощечки образуется замкнутая цепь, по которой пробегает

 электрический заряд (электрическая жидкость или материя), что и вызывает сокращение мускулов.

Открытием Гальвани заинтересовались и физики и врачи.

Среди физиков был соотечественник Гальвани Алессандро Вольта. (1745 - 1827). Вольта повторил опыты Гальвани, а затем решил проверить, как будут себя вести мускулы лягушки, если через них пропустить не («животное электричество»), а электричество, полученное каким-либо из известных способов. При этом он обнаружил, что мускулы лягушки так же сокращались, как и в опыте Гальвани. Проделав такого рода исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только («прибором»), регистрирующим протекание электричества, что никакого особого «животного электричества» не существует.

Почему же все-таки в опыте Гальвани мускулы лягушки регистрируют протекание электрического разряда? Что является в данном случае источником электричества? Вольта предположил, что причиной электричества является контакт двух различных металлов.

Нужно отметить, что уже Гальвани заметил зависимость силы судорожного сжатия мускулов лягушки от рода металлов, образующих цепь, по которой протекает электричество. Однако Гальвани не обратил на это серьезного внимания. Вольта же, наоборот, усмотрел в нем возможность построения новой теории. Не согласившись с теорией («животного электричества»,  Вольта выдвинул теорию «металлического электричества». По этой теории причиной гальванического электричества является соприкосновение различных металлов.

В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость (флюид), которая, когда металл не заряжен, находится в покое и себя не проявляет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится: электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого металлы наэлектризуются: один - положительно, другой - отрицательно.

Эти соображения Вольта подтвердил на опыте. Ему удалось показать, что действительно при простом соприкосновении двух металлов один из них приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Таким образом, Вольта открыл так называемую контактную разность потенциалов. Вольта проделывал следующий опыт. На медный диск, прикрепленный к обыкновенному электроскопу вместо шарика, он помещал такой же диск, изготовленный из другого металла и имеющий рукоятку. Диски при наложении в ряде мест приходили в соприкосновение. В результате этого между дисками появлялась контактная разность потенциалов (по терминологии Вольта, между дисками возникала «разность напряжений»).

Для того чтобы обнаружить «разность напряжений», появляющуюся при соприкосновении различных металлов, которая, вообще говоря, мала (порядка 1В), Вольта поднимал верхний диск и тогда листочки электроскопа заметно расходились. Это вызывалось тем, что емкость конденсатора, образованного дисками, уменьшалась, а разность потенциалов между ними во столько же раз увеличивалась.

Но открытие контактной разности потенциалов между различными металлами еще не могло объяснить опытов Гальвани с лягушками. Нужны были дополнительные предположения.

Составим обычную замкнутую цепь проводников из разных металлов. Несмотря на то, что между этими металлами возникает разность потенциалов, постоянного течения электричества по цени не получается. Это сразу понятно для простейшего случая двух металлов. Возьмем, например, два куска медной и цинковой проволоки и соединим их концы. Тогда одна из них (цинковая) зарядится отрицательным электричеством, а медная - положительным. Если теперь соединить и другие концы этих проволок, то и в этом случае второй конец цинковой проволоки будет электризоваться отрицательно, а соответствующий конец медной проволоки положительно. И постоянного течения электричества в цепи не получится.

Но на опыте Гальвани соединялись не только металлы. В цепь включались и мышцы лягушки, содержащие и себе жидкость. Вот в этом и заключается все дело - решил Вольта.

Он предположил, что все проводники следует разбить на два класса: проводники первого рода - металлы и некоторые другие твердые тела и проводники второго рода - жидкости. При этом Вольта решил, что разность потенциалов возникает только при соприкосновении проводников первого рода.

Такое предположение объясняло опыт Гальвани. В результате соприкосновения двух различных металлов нарушается равновесие в них электричества. Это равновесие восстанавливается в результате того, что металлы соединяются через тело лягушки. Таким образом электрическое равновесие все время нарушается и все время восстанавливается, значит, электричество все время движется.

Такое объяснение опыта Гальвани неверно, но оно натолкнуло Вольта на мысль о создании источника постоянного тока - гальванической батареи. И вот в 1800 г. Вольта построил первую гальваническую батарею - Вольтов столб.

Вольтов столб состоял из нескольких десятков круглых серебряных и цинковых пластин, положенных друг на друга. Между парами пластин были проложены картонные кружки, пропитанные соленой водой. Такой прибор служил источником непрерывного электрического тока.

Интересно, что в качестве довода о существовании непрерывного электрического тока Вольта опять-таки привлекал непосредственные ощущения человека. Он писал, что если крайние пластины замкнуты через тело человека, то сначала, как и в случае с лейденской банкой, человек испытывает удар и покалывание. 3атем возникает ощущение непрерывного жжения, «которое не только не утихает, - говорит Вольта, - но делается все сильнее и сильнее, становясь скоро невыносимым, до тех пор пока цепь не разомкнется».

Изобретение Вольтова столба - первого источника постоянного тока - имело огромное значение для развития учения об электричестве и магнетизме. Что же касается объяснения действия этого прибора Вольта, то оно, как мы видели, было ошибочным. Это вскоре заметили некоторые ученые.

Действительно, по теории Вольта получалось, что с гальваническим элементом во время его действия не происходит никаких изменений. Электрический ток течет по проволоке, нагревает ее, может зарядить лейденскую банку и т. д., но сам гальванический элемент при этом остается неизменным. Но такой прибор является не чем иным, как вечным двигателем, который, не изменяясь, производит изменение в окружающих телах, в том числе и механическую работу.

К концу XVIII в. среди ученых уже широко распространилось мнение о невозможности существования вечного двигателя. Поэтому многие из них отвергли теорию действия гальванического элемента, придуманную Вольта.

В противовес теории Вольта была предложена химическая теория гальванического элемента. Вскоре после его изобретения было замечено, что в гальваническом элементе происходят химические реакции, в которые вступают металлы и жидкости. Правильная химическая теория действия гальванического элемента вытеснила теорию Вольта.

После открытия Вольтова столба ученые разных стран начали исследовать действия электрического тока. При этом совершенствовался и сам гальванический элемент. Уже Вольта наряду со «столбом» стал употреблять более удобную чашечную батарею гальванических элементов. Для исследования действий электрического тока стали строить батареи со все большим и большим числом элементов.

Наиболее крупную батарею в самом начале XIX в. построил русский физик Василий Владимирович Петров (1761 - 1834) в Петербурге.

Его батарея состояла из 4200 цинковых и медных кружков. Кружки укладывались в ящик горизонтально и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем. Батарея Петрова была описана им в его книге («Известия о Гальвани-Вольтовых опытах», вышедшей в России в 1803 г.

Первые шаги в изучении электрического тока относились к его химическим действиям. Уже в том же году, в котором Вольта изобрел гальваническую батарею, было открыто свойство электрического тока разлагать воду. Вслед за этим было произведено разложение электрическим током растворов некоторых солей. В 1807 г. английский химик Дэви путем электролиза расплавов едких щелочей открыл новые элементы: калий и натрий.

Исследование химического действия тока и выяснение химических процессов, происходящих в гальванических элементах, привело ученых к разработке теории прохождения электрического тока через злектролиты.

Вслед за изучением химического действия тока ученые обратились к его тепловым и оптическим действиям. Наиболее интересным результатом этих исследований в самом начале XIX в. было открытие электрической дуги Петровым.

Открытие, сделанное Петровым, было забыто. Многие, особенно иностранные, ученые о нем не знали, так как книга Петрова была написана на русском языке. Поэтому, когда Дэви в 1812 г. снова открыл электрическую дугу, его стали считать автором этого открытия.

1.2. Современные источники тока.

Батарейки бывают разнообразной формы и размеров. Некоторые – маленькие, как таблетка. Некоторые – величиной с холодильник. Но все они работают по одному принципу. В них создается электрический заряд в результате реакции между двумя химическими веществами, в ходе которой электроны передаются от одного из них другому.
Виды батареек, их размеры и формы бывают совершенно разными, поэтому порой, попав в магазин, человек попросту не знает, что ему нужно. Без аккумуляторов трудно представить современную жизнь. Они находятся во всех окружающих нас бытовых приборах: часах, ноутбуках, фонариках,  детских игрушках и пультах.

Солевые
Их легко отличить по цене, ведь они являются самыми дешевыми. На рынке представлены фирмами «Дюраселл», «Сони», «Тошиба». Являются усовершенствованными марганцево-цинковыми батарейками. Желательно применять в приборах с низким потреблением напряжения: часах, весах, пультах. Быстро разряжаются, их нельзя зарядить обратно. При длительной эксплуатации гальванический элемент может протечь. При минусовых температурах солевые аккумуляторы перестают работать. Несмотря на многие недостатки, данный продукт востребован на рынке.
Щелочные, или алкалиновые
Алкалиновые батарейки появились в 1964 году, а выпустила их фирма «Дюраселл». Электролитом выступает щелочь – гидроксид калия (КОН), отсюда и название у данного элемента питания. Щелочные аккумуляторы имеют большую мощность, нежели их солевые аналоги, они более герметичны (а значит меньше риск протекания), почти не подвержены саморазряду.
Их легко отличить от других – на упаковке присутствует надпись ALKALINE. Применяют их в детских игрушках, пультах ДУ, радио и ночниках. Недостатками считается большая масса и высокая стоимость.

Ртутные батарейки
Не получили широкого распространения из-за высокой стоимости и повышенной токсичности. Ведь они могут протечь, а ртуть опасна для человека. Но такой гальванический элемент можно перезаряжать несколько раз. Хотя со временем теряется его емкость — за счет того, что ртуть стекает и собирается каплями внутри батареи. Достоинствами данных изделий можно назвать хорошую бесперебойную работу в суровых атмосферных условиях, длительный срок годности.
Серебряные
Работают по аналогии с ртутными аккумуляторами. Недостаток только один – очень высокая стоимость. Но при этом у них емкость на 30-50% больше, чем у литиевых батареек. Серебряные элементы питания хорошо работают при высоких и низких температурах, обладают длительным сроком службы.

Литиевые
Появились сравнительно недавно. Обладают большим сроком службы и хранения, герметичны, работают в суровых условиях, их можно перезаряжать. На данный момент это самые лучшие аккумуляторы на рынке, хотя их стоимость нельзя назвать низкой. Подходят для приборов с повышенным энергопотреблением: портативных колонок, фонарей, детских игрушек со звуковым сопровождением.

Батарейка – это удобное хранилище электричества, которое может быть использовано для обеспечения энергией переносных устройств. Некоторые батарейки предназначены для одноразового использования, другие можно перезаряжать. Как работает такая батарейка?

Цинк – отрицательный полюс. А медь – положительный полюс. Когда в цепи есть светодиод, то электрический ток вызывает его свечение.

Между прочим  изобретенная 200 лет назад самая первая батарейка работала  именно на основе фруктового сока. 

Алессандро Вольта в 1800 году сделал открытие, собрав нехитрое устройство из двух пластин металла (цинк и медь) и кожаной прокладки между ними, пропитанной лимонным соком.

Алессандро Вольта выявил, что между пластинами возникает разность потенциала. Именем этого ученого назвали единицу измерения напряжения.

Фруктовый сок по своему составу представляет собой слабую кислоту, поэтому если вставить во фрукт 2 электрода: один медный, другой цинковый, то между электродами потечет слабый ток, достаточный для питания электронных часов, маломощных, например диодных, ламп.

II. Практическая часть.

2.1. Проведение анкетирования среди учащихся класса

Перед тем, как провести наш эксперимент, я провел в классе анкетирование, в котором приняли участие  9 учащихся. Анкета состояла из таких вопросов:

- Знаете ли вы, что лимон и другие фрукты и овощи могу быть источником электроэнергии?

- В чем преимущества батарейки из фруктов и овощей?

Приложение 1.

На первый вопрос (Знаете ли вы, что лимон может быть источником электроэнергии?) ученики 8 класса ответили так:

Знаю, я изучал этот вопрос – 1 человек (11%)

Не знаю, первый раз об этом слышу – 0 человек (0%)

Слышал, но не интересовался этим вопросом – 8 человек (89%)

Приложение 2.

На второй вопрос (В чем преимущества батарейки из лимона?) ответили следующим образом:

Лимон можно съесть -  1 человек (11%)

Не знаю, мне это не интересно – 0 человека (0%)

Не знаю, но хотел бы узнать по этой теме больше – 8 человек (88 %)

        Приложение 3.

В результате проведенного анкетирования я выяснил, не все ребята слышали о такой батарейке. И тема, над которой я работаю, интересна моим одноклассникам, поэтому считаю необходимым распространение моего опыта по этой теме.

2.2. Собственные исследования. Измерение электрического напряжения и силы тока.

Итак, для создания своих фруктовых и овощных батарей я взял:

- лимон, картофель, яблоко, лук, соленый огурец ;
- медный электрод (пластинка), длиной  10 - 12 см – для создания положительного полюса;
- цинковый  электрод (пластинка), длиной 10-12 см – для создания отрицательного полюса;
-цифровой мультиметр – для регистрации тока и измерения силы  ;

-милливольтметр для измерения напряжения.

Приложив два свободных конца проводника  к контактам прибора, увидим, что стрелка отклонилась.
Следовательно, в цепи есть ток.

2.2.1. Эксперимент № 1. Измерение электрического напряжения.

Используя прибор для измерения напряжения  и две пластины, медную и цинковую, я провел измерение напряжения на источнике тока из лимона, картофеля, яблока, лука, соленого огурца.

Приложение 4.

2.2.2. Эксперимент № 2. Измерение силы электрического тока.

Используя цифровой мультиметр для регистрации  и измерения силы  тока  и две пластины, медную и цинковую, я провел измерение силы тока в цепи с источником тока из лимона, картофеля, яблока, лука, соленого огурца.

Приложение 5.

Результаты работы приведены в таблице1.

Вывод: Из таблицы и диаграмм видно, что источником тока с самым большим напряжением и силой тока является солёный огурец.

Диаграмма №1 Напряжение  (U, мВ)

Диаграмма №2. Сила тока (I,мA)

2.4. Оценка экономической целесообразности использования  овощных и фруктовых источников тока.

Я решил сравнить с экономической точки зрения, что выгоднее: обыкновенная батарейка или фруктовая и овощная.  Примерные цены:

Таблица 2.

Из таблицы видно, что чтобы сделать фруктовую и овощную батарейку понадобится больше затратить денег, чем на покупку обыкновенной батарейки. Обыкновенные батарейки (гальванические элементы)  служат дольше, чем овощные.

Заключение

Проведенные эксперименты подтверждают гипотезу о возможности создания источников питания из фруктов и овощей. Мною были сделаны гальванические элементы из различных овощей и фруктов: лимон, яблоко, картошка, лук,  соленый огурец.
Из использованных фруктов и овощей лучшими источниками электрического тока является соленый огурец. Фруктовые и овощные батарейки дают очень слабый ток и небольшое напряжение в цепи, поэтому данные продукты могут служить источниками тока, но экономически не выгодны.

Цель моей следующей работы - изучить возможности практического применения полученной батарейки.

Продуктом данного проекта стал выпуск буклета для учащихся о том, как можно своими руками изготовить простейший гальванический элемент , батарейку, из овощей и фруктов.

Приложение 6.

Список используемой литературы  и интернет ресурсов

1.В. П. Карцев. Приключение великих уравнений.  Источник: Книга для чтения по физике. Составитель И.Г. Кириллова. М. « Просвещение», 1996

1. https://studfiles.net/preview/4372766/

2. https://batteryk.com/vidy-batareek

3.http://yandex.ru/images/search?text=гальвани%20луиджи

4. http://class-fizika.narod.ru/8_25.htm

5.http://батарейки.рф/current_sources.php

6. http://www.nado5.ru/e-book/ehlnapryazhenie-voltmetr

7 .http://radiokrot.ru/publ/istochniki_toka/1-1-0-40