Рахманов Д., Пономарев К.
МБОУ СОШ № 9, г.Бирск
Руководитель: Субхангулов Ришат Идеатуллович, уитель физики
Изготовление батареек в домашних условиях.
Что такое батарейки? Батарейки – источники постоянного электрического тока. Они применяются везде – в электронных часах, в пультах от телевизоров, в карманных фонариках, в магнитофонах, в радио и т. д. Промышленные батарейки зачастую имеют очень сложный тип строения. Но во всех батарейках имеются общие черты строения: 2 электрода из разных металлов или твёрдых химических соединений и 1 или несколько электролитов (в основном в виде паст или гелей).
Считается, что первую батарейку изготовил Алессандро Вольта. Но недавно на раскопках были обнаружены древнейшие батарейки – горшки, заполненные лимонным соком вставленными в него двумя электродами – железным стержнем и медной трубой вокруг стержня. Они были заизолированы смолой. Горшок тоже был закупорен смолой. Предполагается, что эти батарейки могли быть использованы в электротерапии, ритуальных целях, электролизе.
Александр Вольта сделал свою батарейку из медного и цинкового кружков с прокладкой, пропитанной кислотой. Эту батарейку назвали элементом Вольта. Максимальное напряжение для неё – 1, 1v. Используя современные материалы, было достигнуто напряжение 1, 5v. Батарейки 3v, 4,5v, 9v собраны из маленьких батареек по 1,5v.
В сериале «Разрушители мифов» я узнал о древних батарейках и об экспериментах с батарейкой из лимона, цинковой и медной пластинки. Я сразу же решил сделать нечто подобное. Я взял уксус, железный гвоздь и толстую медную проволоку. У меня получилась первая батарейка. Ток в ней был слабый, но она работала.
Потом я производил другие батарейки, но они были не особо мощные. Тогда я решил провести собственное исследование.
У меня была следующая цель – исследовать наиболее простые, доступные и лёгкие в производстве батарейки. У меня были задачи:
1. Найти приборы и материалы для исследования.
2. Провести эксперименты.
3. Сделать выводы, выяснить, какие батарейки наиболее эффективные, простые и доступные.
4. Провести эксперименты с этими батарейками.
5. Произвести наилучшие батарейки и понять, для каких целей их можно использовать.
Я предположил, что в домашних условиях можно сделать батарейки почти не хуже заводских по мощности.
Я выбрал следующие методы исследования:
1. Подумать самостоятельно.
2. Посмотреть книги. В них я узнал, что:
Электрохимическая коррозия возникает при контакте 2-х и более металлов сплава или металла с поверхностью изделия из другого металла посредством раствора электролита. В этом случае образуется гальванический элемент, электродами которого и являются металлы, находящиеся в растворе электролита. При возникновении гальванической пары сила появляющегося электрического тока будет тем большая, чем дальше стоят друг от друга металлы в ряду напряжений. При этом поток электронов идёт от более активного металла к менее активному.
3. Спросить у других людей. Я спрашивал у учителя физики – специалиста.
4. Провести эксперименты. Я провёл большое количество экспериментов!
Сначала я собирал необходимые приборы и материалы для исследования. Я приготовил: мультиметр, баночку для электролитов, сами электролиты (водопроводная вода, NaCl, типичная минеральная вода, Na2CO3, NaHCO3, CH3 CO OH 9% раствор, лимонная кислота, Ca(OH)2, обычный стиральный порошок и обычная зубная паста) и электроды: толстый углеродный стержень из батарейки, графит из карандаша, тонкая нихромовая проволока из нагревателя, медная проволока сечением 4 мм2, стальная проволока, 10-ти копеечная монета, толстый латунный стержень, мягкий припой, свинцовая пластинка, пластина из оцинкованной стали, толстая алюминиевая проволока.
Я начал эксперименты. Я провёл 605 коротких экспериментов, в ходе каждого я брал комбинацию из 2-х вышеперечисленных электродов(я вычислил, что из 11-ти вышеперечисленных электродов можно составить 55 комбинаций без повторения), погружал их в заранее приготовленный раствор(кроме CH3 CO OH 9% раствор – его растворял) одного из вышеперечисленных веществ, подсоединял к ним контакты мультиметра, измерял и записывал напряжение-V и силу тока-A.
Эти эксперименты не являлись очень точными, т. к. на результаты влияет много факторов:
1. Неточность измерительного прибора.
2. Очень сильные колебания напряжения-V и (или) силы тока-А при подключении батарейки. Я заметил, что у разных батареек происходят разные изменения V и (или) А. Бывает, что А сначала растет, а затем резко уменьшается до предела.
У большинства сначала идёт очень мощный разряд, а потом W немонотонно уменьшается до какого-то значения в течение долгого времени.
3. Этого значения я не дожидался. Это причина ещё одной неточности.
4. Растворы не были определённой концентрации (исключая CH3 COOH). Я заметил, что при увеличении концентрации мощность-W увеличивается.
5. Т. к. электроды не являются одинаковыми предметами, то площадь-S у них разная. Из-за этого тоже падает точность измерений.
6. В ходе экспериментов электроды покрываются оксидами. Из-за этого уменьшается площадь S взаимодействия электрода с электролитом.
7. Я мог налить немного больше электролита, чем обычно или погрузить электроды глубже, тем самым увеличив площадь-S взаимодействия.
Даже со всеми этими погрешностями, получающаяся довольно низкая точность измерений позволяет сравнивать батарейки и выявлять наилучшие. В этом и есть цель опытов.
Теперь нужно разработать в полученных данных, показать их в наглядной форме. Для этого я составил таблицы, наглядно демонстрирующие результаты экспериментов. В каждую таблицу вписал V и A всех 55 комбинаций электродов. Всего таблиц получилось 10 (для каждого электролита 1 таблица). Для обобщения к каждой таблице я добавил ещё одну половинку, в которую записал вычисленную W.
Точность измерения мультиметра – 0,1v; 10uA (до500uA) и 200 uA (от 500uA до 10000 uA). Но эту точность не получилось достичь из-за вышеописанных скачков. Поэтому обычно точность составляла 10uA (до 30uA), 50uA (до 500uA), 1000uA (до 10000uA). Лишь некоторые батарейки почти не дают скачков. Для таких батареек точность повышалась.
В таблицах я использовал много сокращений, они будут даны после таблиц.
Для большей наглядности я решил раскрасить таблицы. До определённых пределов я раскрашивал клетки, изображающие батарейки, своим цветом. Я принял следующие пределы:
Для V:
Меньше 0,05v не раскрашены
Около 0,05v синие
0,1; 0,2v зелёные
0,3; 0,4v красные
0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,1v жёлтые
Для A:
Меньше 5мA не раскрашены
Около 5мA синие
10 – 90мA зелёные
100 – 290мA красные
300 – 500мA жёлтые
Для W:
Меньше 0,25мW не раскрашены
Около 0,25 – 1мW синие
1 – 19мW зелёные
20 – 99мW красные
100 – 5000мW жёлтые
Получилось 5 разновидностей батареек. Практическое значение имеют только батарейки 4 и 5 вида.
Рядом с таблицей я написал кол-во батареек каждого вида. Теперь нужно было выявить закономерности, выявить самые лучшие батарейки.
Сразу бросается в глаза, что Pb и Zn почти идентичны (Zn немного сильнее). Кажется, что Fe на 3-м месте, но это не так. Если вычислить среднее арифметическое значение W всех батареек, которые дал данный электрод, то мы, по сути, получаем среднюю батарейку из данного электрода. Их можно сравнивать. Вот результаты:
Zn 377,9мW
Pb 308,6мW
Cu 262,0uW
монета 166,7мW
C 114,8мW
Fe 100,2мW
латунь 84,1мW
NC 81,8мW
графит 75,7мW
Al 36,1uW
припой 18,2мW
Очень неожиданные результаты. Оказалось, что графит и железо слабые. В лидерах наряду с Zn и Pb оказываются Cu и монета.
Можно сделать и другие выводы. Например, найти наилучший электролит для комбинаций электродов.
Это я сделал, посмотрев, в каком электролите данная комбинация даёт наибольшую W. Результаты даны в таблице 11.
По этим данным можно выявить наисильнейшие электролиты (по кол-ву комбинаций, для которых данный электролит является наилучшим). Вот эти результаты:
лимонная к-та
уксусная к-та
NaHCO3
Ca(OH)2
NaC
стиральный порошок
минеральная вода/зубная паста (одинаково)
}остальные эл-литы ни для какой
комбинации не являются наилучшими
Кислые эл-литы (лимонная к-та, уксусная к-та, CH3COOH и NaHCO) заняли 3 первых места. Значит, кислые эл-литы дают больше энергии, чем нейтральные или щелочные. Лимонная кислота вырывается на 1-е место. Очевидно, что дело не в невероятной силе лимонной к-ты, а в более высокой концентрации (70% и 100%).
Используя данные таблицы 11, можно выявить наилучшие электролиты для электродов (подсчитывая, какой электролит чаще всего является наилучшим для комбинации, включающих данный электрод).
Вот результаты:
С – уксусная к-та
Гр. – NaHCO3
NC – лимонная к-та
Cu – лимонная к-та
Fe – уксусная к-та
Мон. – лимонная к-та
Лат. – уксусная к-та
ПР. – лимонная к-та
Pb – NaHCO3
Zn – NaHCO3
Al – Ca(OH)2
Опять в лидерах, за исключением Al, для которого наилучший электролит Ca(OH)2, являются кислые электролиты.