Исследовательская работа по физике

Исследование и создание гальванических источников электрического тока

9в класса МОУ «Звениговский лицей»

Городиловой Анастасией

8а класса МОУ «Звениговский лицей»

Бондаренко Егором

Научный руководитель -

Кузягина Татьяна Николаевна,

учитель физики первой

квалификационной категории

МОУ «Звениговский лицей»

г. Звенигово, 2019 год

Содержание

Введение

В жизни каждого человека важную роль играют источники энергии. Наличие большого количества энергии в человеке весьма заметно. Как правило, такая личность часто находится в хорошем расположении духа и прекрасно себя чувствует. Такие люди наполнены энтузиазмом, любовью к миру и жаждой творить. Люди с низкой энергетикой страдают от скуки и депрессии. Их преследует уныние, слабость и лень.

Полноценная жизнь человечества в настоящее время просто немыслима без электрической энергии. Человек использует ее для того, чтобы приготовить пищу, чтобы обогреть и осветить жильё, для работы и
развлечений (телевизор, компьютер, радио), в быту для жизнедеятельности (пылесос, фен, миксер).

Очень важную роль играют  химические источники тока.  Они используются в игрушках и мобильных телефонах, ноутбуках и фонариках, космических кораблях и крылатых ракетах, в автомобилях и наручных часах. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами.

Потребление электрической энергии растет все больше и больше. И первоочередной задачей энергетики становятся поиски новых источников, в том числе и нетрадиционных.

В Индии создали батарейку на пасте из фруктов и овощей. В Австралии в 2003 году запущена электросиловая установка на ореховой скорлупе, компания Sоnу создала батарейку, работающую на фруктовом соке, а группа ученых из Великобритании создала компьютер, источником питания для которого является картошка.

Мы решили, что наша работа будет посвящена сравнительному анализу имеющихся на рынке товаров источников тока. А также мы попытаемся создать источник тока из подручных материалов. 

Мы выдвинули гипотезу: человек может самостоятельно создать источник электрического тока из подручных материалов.

Цель исследования – изучить источники электрического тока.

Предмет исследования – источник тока.

В процессе работы нами решались следующие задачи

1. Изучить возникновение источников электрического тока.

2. Изучить состав источников электрического тока.

3. Провести сравнительный анализ имеющихся на рынке товаров источников тока.

4. Создать источник тока из подручных материалов.

Методы исследования

1. Поисковый.

2. Наблюдение.

3. Анализ результатов.

4. Эксперимент.

1. Основная часть

1.1. Источники электрического тока. Виды источников

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

В ходе выполнения своей исследовательской работы мы задумались: знают ли школьники, какие бывают источники тока? Провели анкетирование обучающихся 5б, 6в, 8а, 9в классов Звениговского лицея. Всего было опрошено 92 человека. Получили следующие данные (Приложение №1).

На вопрос, знаете ли вы что такое источник тока, положительно ответили 87 человек (94,6 % опрошенных). Это при том, что в 5-6 классах физика еще не изучается.

На второй вопрос какие источники тока вам известны, часть ребят написали «Розетка», «Генераторы и реакторы». Те ученики, кто знает, что такое источник тока, знают и их виды – аккумуляторы, батарейки, солнечные батареи.

12 человек из 92 (13%) считают батарейку экологичным источником тока.

Что же мы узнали на уроках физики, изучая темы «Электрический ток», «Источники тока».

Существуют следующие виды источников электрического тока:

- механические;

- тепловые;

- световые;

- химические.

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников – термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали используются в космической отрасли, стали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

1. Гальванические

2. Аккумуляторы

3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента. Гальванические элементы являются одноразовые потому, что после разрядки они не восстанавливаются.

Существует три вида гальванических источников:

- солевые;

- щелочные;

- литиевые.

Солевые, или иначе “сухие”, батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи – гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития – щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы – источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Бывают

- свинцово-кислотные;

- Литий-ионные;

- никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги. Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике. Такие аккумуляторы очень чувствительны в перезарядке. Для их зарядки нужно использовать только специальные зарядные устройства. Иначе может произойти разрушение аккумулятора.

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит – смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора – 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки. Такие аккумуляторы можно хранить в разряженном состоянии.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

Идеальный источник по законам физики должен обладать бесконечным внутренним сопротивлением, чтобы обеспечить постоянство электрического тока в нагрузке. Реальные источники имеют конечное внутренне сопротивление, а значит ток зависит как от внешней нагрузки, так и от внутреннего сопротивления.

1.2. История создания источника электрического тока

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.  Он интересовался физиологическим действием электрического разряда и предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки. В 1780 году профессор анатомии в Болонье Луиджи Гальвани изучает нервную систему отпрепарированных лягушек. Гальвани заключил, что электрические заряды вырабатываются вследствие каких-то жизненных процессов в лапке лягушки, поскольку в то время учёные- считали, что металлы могут быть только проводниками и не могут создавать электрический ток. Случайно так вышло, что в этой же комнате экспериментировал с электричеством ученый-физик итальянский профессор Алессандро Вольта.

Он провёл серию опытов, и пришёл к заключению, что контакт двух разных металлов, соприкасающихся с жидкостью в мышцах лягушки, является источником электричества. На него и реагирует лягушачья лапка. Вольта утверждал, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие именно двух различных металлов (например, меди и железа или цинка и серебра и др.) А влажная лапка лягушки служит проводником и чувствительным электрометром. Для доказательства своей правоты Вольта использовал два разнородных металла, положив их на язык. Роль электропроводящей жидкости играла слюна языка, но сокращения мышц языка не было – Вольта лишь чувствовал «электрическое пощипывание» на поверхности языка, где он касался металлов. Важно, что пощипывание отсутствовало, если два металла были одинаковыми! Тем самым Вольта доказал, что не мышца, а именно два разных металла являются возбудителями электричества.

Первый химический источник тока был изобретён Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта - сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая была названа Вольтовым столбом. В 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля». В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах. В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств. В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания NationalCarbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

1.3. Сравнительный анализ гальванических источников тока

На рынке товаров в настоящее время огромное изобилие источников электрического тока. Самые популярные батарейки – пальчиковые. Цена таких батареек варьируется от 12 рублей за штуку до 200 рублей. Стоит ли переплачивать? И какие из них лучше?

Все зависит от вещества, которым заполнены батарейки. Скромные размеры гальванических элементов обманчивы. Запас энергии батареек, несмотря на размер, очень большой, превышает 10 раз энергию, которая выделяется при выстреле из ружья. Просто энергия в батарейках не может быстро выделяться.

Самыми дешевыми батарейками являются батарейки солевые. Их стоимость варьируется от 12 до 16 рублей. Следующие по цене - это алкалиновые (щелочные) батарейки. Их цена около 30-50 рублей за штуку (например Дюраселл, Энеджайзер). Самые современные батарейки - литиевые. Их стоимость порядка 130-150 рублей.

Мы решили проверить время работы различных батареек. Купили литиевые за 150 рублей, алкалиновые за 45 рублей и солевые за 15 рублей. Взяли старый фотоаппарат и поставили пару батареек. Обнаружилось, что самыми первыми перестали работать солевые батарейки, чуть лучше с задачей справились алкалиновые. Литиевые проработали дольше всех.

Как ведут себя батарейки на холоде? Быстрее разрядилась дешевая - солевая. Дешевые не выдержали конкуренции.

На современных батарейках невозможны старые приемы оживления (постучать). Литиевые могут работать после того как немного полежат.

Цена дорогих литиевых батареек больше в 10 раз.

Все зависит от того для чего использовать батарейки. Литиевые лучше покупать для работы на морозе; когда собираешься в длительное путешествие.

Для повседневного использования подойдут алкалиновые с целью экономии.

Вывод

- солевые батарейки имеют самую низкую цену, и расход энергии минимальные. Их целесообразно покупать и использовать в менее затратной технике, например в электронных настенных часах, пультах от телевизора.

-алкалиновые (щелочные) являются наиболее универсальными. Их спектр использования более широк. Но при малом токе потребления они истощатся очень быстро.

- для фототехники, ярких фонарей и медицинских приборов лучшим выбором являются литиевые элементы питания. Правда, они в 5-20 раз дороже щелочных, а работают дольше них в 2-3 раза.

При покупке батареек нужно обязательно проверять дату выпуска, нельзя покупать их впрок, так как за время хранения они теряют свою мощность.

Батарейки не любят отрицательную температуру. Ее нормативная емкость выдерживает перепады температуры в диапазоне от 0 до 50 градусов. Поэтому не стоит покупать батарейки в зимнее время на открытых прилавках.

Из разряженных солевых батареек может вытечь электролит, поэтому не тяните с их заменой.

Использованные батарейки – токсичные отходы. Их нужно правильно утилизировать.

1.4. Экологичность использования гальванических элементов

Почему нельзя выбрасывать батарейки в обычный мусор? Это связано с тем, что вредные вещества, находящиеся в элементах питания наносят вред окружающей среде. Батарейки содержат в себе опаснейшие тяжелые металлы (кадмий, цинк, марганец, калий и т.д.), которые очень сильно загрязняют окружающую среду. По оценке ученых одна батарейка загрязняет 400 литров воды или 20 квадратных метров почвы! Мусор, обычно вывозится на свалки, расположенные вблизи населённых пунктов, где и происходит заражение почвы, с последующим проникновением этих элементов в грунтовые воды. Мусор также сжигают, что приводит к попаданию токсичных отходов и тяжёлых металлов попадают в атмосферу. Вредные вещества, которые содержатся в использованных батарейках, попадая в организм человека, накапливаются в нем! К примеру, кадмий поражает работу каждого органа в организме, блокирует работу ферментов, способствует возникновению рака легких.

В 2017 году в Год экологии под руководством Местного отделения партии «Единая России» в нашем городе была проведена акция «Охотники за батарейками» в рамках Всероссийской экологической акции «Сделаем вместе». В рамках акции был организован сбор использованных батареек. Мы тоже приняли в этой акции участие. Как нам сообщил эколог района – данные батарейки были направлены в организацию «Чистый город» г. Йошкар-Олы, которая затем перевозила батарейки дальше.

К сожалению, пока в нашей стране не так много точек, куда можно сдать батареи на утилизацию. Однако они есть в большинстве крупных городов.

Самым первым кто стал перерабатывать батарейки в России, это Челябинский завод. Сбор использованных гальванических элементов приносит хоть и небольшой, но стабильный доход. Поэтому заниматься таким делом не только выгодно, но и полезно для страны. Изначально предприятие было рассчитано на переработку микросхем, электротехники и другими бытовыми отходами. Для переработки источников питания пришлось переоборудовать часть завода.

1. Изготовление гальванического элемента

В своей работе мы попробовали использовать подручные материалы, а именно фрукты и овощи, чтобы получить электрический ток. Для это мы взяли картофель, лимон, яблоко.

Опустили два электрода в овощи и фрукты, один электрод был цинковый, другой – медный. Провода подключили к миллиамперметру (диапазон измерений 0-6 мА).

Получили следующие результаты:

1. Один фрукт или овощ

1. Два и более фрукта или овоща (соединенные последовательно)

1. Два и более фрукта или овоща (соединенные параллельно)

Вывод

1. С помощью фруктов или овощей возможно получить электрический ток.

2. Значение силы тока зависит от количества используемых фруктов и овощей. В нашем опыте лучшим проводником тока стал картофель.

3. Значение силы тока зависит от вида соединения овощей и фруктов. При параллельном соединении сопротивление уменьшается, и сила тока возрастает.

Используя фрукты или овощи и электроды в виде пластинок меди и цинка можно сконструировать источник электрического тока. С помощью такого устройства можно зажечь лампочку малой мощности или даже зарядить мобильный телефон.

Заключение

В ходе своей работы мы изучили литературу и выяснили, какие бывают источники электрического тока, рассмотрели историю создания источников тока. Провели опрос обучающихся Звениговского лицея на тему «Знаете ли вы что такое источник электрического тока?». Источников тока огромное множество. Наиболее широко используются в жизни человека гальванические элементы.

Провели анализ стоимости разного рода гальванических элементов. Выяснили, что самые дорогие – это литиевые, они же самые долговечные. Очень хорошо показали себя при работе в фотоаппарате. Самые дешевые – солевые подойдут для маломощных устройств, таких как пульт от телевизора, настенные часы. Алкалиновые батарейки привлекают своей ценой и работают являются наиболее универсальными. Их спектр использования более широк. Но при малом токе потребления они истощатся очень быстро. Кроме того, при покупке любых батареек необходимо учитывать их дату производства. Не стоит покупать батарейки в зимнее время на открытых прилавках, так как батарейки не выдерживают низких температур.

Так как в состав гальванических элементов входят щелочь, соль и другие вредные вещества, батарейки необходимо правильно утилизировать. Вместе с мусором выбрасывать нельзя, при разложении вредные вещества засоряют атмосферу, попадают в грунтовые воды и отравляют организм человека. Необходимо сдавать батарейки в пункты приема, для их дальнейшей переработки без вреда для окружающей среды.

В процессе выполнения работы мы продемонстрировали что электрически ток можно получить, используя картофель, яблоко и лимон. Значение силы тока зависит от количества используемых фруктов и овощей. Значение силы тока зависит от вида соединения овощей и фруктов. Соединив последовательно, а потом параллельно несколько овощей и фруктов удостоверились в правильности законов постоянного тока.

Наша гипотеза о том, что человек может самостоятельно создать источник тока полностью подтвердилась. Используя фрукты или овощи и электроды в виде пластинок меди и цинка можно сконструировать источник электрического тока.

Данную работу можно использовать при проведении внеклассных мероприятий для младших школьников, уроков на тему «Источники тока. Электрический ток». А также можно продолжить эту тему и создать из различных овощей и фруктов зарядное устройство для мобильного телефона.

Список использованных источников и литературы

1. Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика, 1980 г.

2. Н.В. Гулия. Удивительная физика.- Москва: «Издательство НЦ ЭНАС», 2005

3. Ю.И. Дик, В.А. Ильин, Д.А. Исаев. Физика: Большой справочник для школьников поступающих в вузы,2001 год

4. Физика. 8 класс. В 2 ч. Учебник для общеобразовательных учреждений / Л.Э. Генденштейн, А.Б. Кайдалов –М.: Мнемозина, 2014

5. Физика на каждом шагу Я. Перельман

6. интернет-ресурсы:

https://roscontrol.com

https://roscontrol.com

26