Проект "Удивительный мир электричества"

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Гимназия №1»

Исследовательская работа

«Удивительный мир электричества»

Естественно-научный цикл

Работу выполнили:

Машков Александр Александрович,

Пигарев Даниил Алексеевич

ученики 8 “А” класса

МОУ Гимназии№1

Научный руководитель:

учитель физики

Фокина Елена Анатольевна

г. Железногорск

2015 г

Содержание.

I. Введение 3

1. Акутальность 3

2. Цель 3

3. Задачи 3

4. Методы 3

5. Гипотеза 3

II Основная часть 4

Глава 1. Определение источника электрического тока 4

Глава 2. История создания первых источников тока 4

2.1 Электрическая машина Отто фон Герике 5

2.2 Лейденская банка 5

2.3 Элемент Гальвани 6

Глава 3. Основные виды источников электрического тока и принцип их действия 8

3.1 Механические источники тока 8

3.2 Тепловые источники тока 8

3.3 Световые источники тока 8

3.4 Химические источники тока 8

Глава 4. Альтернативные источники тока 9

4.1 Блок питания своими руками 9

4.2 Как работает лимонная батарейка? 10

III. Исследовательская часть 12

1. Блок питания 12

2. Вкусные батарейки 12

3. Соленая батарейка 13

IV. Заключение 14

1. Выводы 14

2. Практическая значимость 14

Библиография 15

Приложения 16

I. Введение

1. Актуальность исследования

В настоящее время в России наметилась тенденция роста цен на энергоносители, в том числе и на электроэнергию. Поэтому вопрос поиска дешёвых источников энергии в наше время актуален.

Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий.

Перед человечеством стоит задача освоения экологически чистых, возобновляемых, нетрадиционных источников энергии.

В данной работе нами была осуществлена попытка поиска источников электрического тока в сельхозпродуктах, а именно в отдельных видах овощей и фруктов и создание лабораторного блока питания из радиокомпонентов.

2. Цель

Изучить и создать источники электрического тока.

3. Задачи

Познакомиться с основными видами источников электрического тока;

Изучить способы получения электрического тока;

Создать блок питания из радиокомпонентов и свои (альтернативные) источники тока из фруктов и овощей.

4. Методы

• Поиск и сбор информации

• Визуальное наблюдение

• Фотографирование

• Видеосъёмка

• Моделирование

• Статистическая обработка

Гипотеза

Если мы будем использовать альтернативные источники энергии, то будут решены проблемы себестоимости электроэнергии, что повлечёт за собой снижение цен на необходимые продукты питания, потребляемые человеком, и, как результат, независимость от централизованных источников энергии и улучшение экологической обстановки.

II Основная часть

Глава 1. Определение источника электрического тока

Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

Для получения тока в проводнике нужно создать в нем электрическое поле. В электрическом поле заряженные частицы придут в движение под действием электрических сил. Возникнет электрический ток.

Электрический ток - это направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц (электронов, ионов и др.).

Для поддержания электрического тока в проводнике нужны источники электрического тока.

В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника. Один полюс источника заряжается положительно, а другой – отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием электрического поля свободные заряженные частицы начнут двигаться в определенном направлении.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц. В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника. «Приложение №1»

Глава 2. История создания первых источников тока

В настоящее время существует немало разнообразных источников электрического тока. Но сколько потребовалось науке времени, чтобы получить электрический ток и использовать его на благо человека.

Проследим историю создания источников электрического тока.

Впервые на электрический заряд обратил внимание Фалес Милетский. Он обнаружил, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает свойства притягивать мелкие предметы.

До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился большой интерес к электричеству, - не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов.

Рассмотрим некоторые из них:

2.1. Электрическая машина Отто фон Герике

Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с не меньшим успехом мог бы послужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой - прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потенциал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.

Эта машина оказала большую помощь в экспериментальном изучении электричества, но еще более трудные задачи «хранения» и «запасания» электрических зарядов удалось решить лишь благодаря последующему прогрессу физики. Дело в том, что мощные заряды, которые можно было создавать на телах с помощью электростатической машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной этого является «испарение» зарядов. «Приложение №2»

2.2. Лейденская банка

Для предотвращения «испарения» зарядов созданных машиной Герике было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала - вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду, не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам, в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно.

В результате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запасенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить, если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего проводника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году в голландском городе Лейдене и получило название лейденской банки.

Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества. Разряд лейденской банки имел достаточную мощность. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра, и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Так стало возможным получить кратковременный электрический ток. Затем банку необходимо было снова заряжать. Сейчас подобные приборы мы называем электрическими конденсаторами.

Это открытие произвело огромное впечатление на всех людей, даже совершенно далеких от науки. Каждый хотел испытать электрический разряд на себе и увидеть его действие на других. Изобретатели лейденской банки Клейст и Мушенбрук первыми испытали удары зарядов: первый из них после испытания не захотел повторить ощущение даже за персидский престол, второй согласился страдать ради науки.

За лейденские банки взялись и медики. В 1744 году Кратценштейн из Галле разрядом излечил паралич пальца, потом Жильбер вдохнул жизнь в руку столяра, онемевшую от удара молотка.

Публика стонала от ожиданий, все хотели бессмертия. «Приложение №3»

2.3 Элемент Гальвани

Луиджи Гальвани (1737-1798) - один из основоположников учения об электричестве, его опыты с «животным» электричеством положили начало новому научному направлению — электрофизиологии. В результате опытов с лягушками Гальвани предположил существование электричества внутри живых организмов.

К открытию его подтолкнул случай. Простудившаяся жена профессора анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани требовала заботы и внимания. Врачи прописали ей "укрепительный бульон" из лягушечьих лапок. Приготовляя лягушек для бульона, Гальвани и открыл знаменитое "живое электричество" - электрический ток.

Алесандро Вольта (1745 - 1827) - итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока.

Как-то раз он взял в руки трактат физиолога Луиджи Гальвани «Об электрических силах в мускуле» и понял, что лапка лягушки начинала дергаться только тогда, когда к ней прикасались двумя разными металлами (Гальвани не заметил этого). Вольта решает поставить опыт Гальвани на себе: он взял две монеты из разных металлов и положил их в рот - сверху, на язык, и под него. Потом соединил монеты тонкой проволокой и ощутил вкус подсоленной воды.

Вольта отлично знал – это вкус электричества, и рожден он был металлами.

Его первый источник тока – «вольтов столб» был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.

Вольта был и первым испытателем своего прибора. Ученый опускал руку в чашу с водой, к которой подсоединял один из контактов «столба», а к другому контакту прикреплял проволоку, свободным концом которой он прикасался ко лбу, к носу, к веку. Он чувствовал или укол, или резкий удар - и все это аккуратно записывал. Иногда боль становилась невыносимой - и тогда Вольта размыкал свою цепь. Он понял, что его «столб» - это источник постоянного тока.

В 1800 году в журнале Лондонского королевского общества появилось письмо Вольта с описанием «вольтова столб». Так была изобретена первая в мире электрическая батарея.

Хотя силы Вольтова столба хватило бы только на то, чтоб зажечь всего лишь одну слабую лампу, но это был большой шаг в науке.

А известный русский ученый Петров в 1802 г. изготовил огромную батарею. Она состояла из 4200 медных и цинковых кружков, между каждой парой которых прокладывали картонные кружочки, пропитанные раствором нашатыря. Эта батарея представляла собой 2100 медно-цинковых гальванических элементов, соединенных последовательно. Напряжение на ее зажимах составляло около 1650-1700 В.

Это был первый в истории источник постоянного тока сравнительно высокого напряжения. «Приложение №4»

Глава 3. Основные виды источников электрического тока и принцип их действия

«Приложение №5-8»

3.1 Механический источник тока

• Механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

• К ним относятся: электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях, в результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.

3.2 Тепловой источник тока

• Внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

• Например, термоэлемент - две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами этих проволок появится напряжение.

• Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

3.3 Световой источник тока

• Энергия света преобразуется в электрическую энергию.

• Например, фотоэлемент - при освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

• Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.

3.4 Химический источник тока

• В результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

• Например, гальванический элемент - в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень - положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд - отрицательным электродом.

• Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

• Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.

• Аккумуляторы - в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.

Глава 4. Альтернативные источники тока

4.1 Блок питания

• Каждый радиолюбитель, особенно когда начинает заниматься радиотехникой, хочет собрать своими руками блок питания, где можно было бы регулировать напряжение на выходе.

• Так как, все предварительно собранные схемы, нужно на чем-то проверять, и плавно подавать напряжение, чтобы не приходилось собирать каждый раз блок питания на определенное напряжение.

• Регулируемый блок питания, собранный своими руками, сбережёт деньги. Ведь блоки питания промышленного производства стоят дорого.

Технология изготовления:

• 1.Изучение радиотехнической литературы

• 2.Подборка необходимых материалов и деталей

• 3 .Разработка печатной платы

• 4 .Изготовление печатной платы

• 5.Сборка устройства

• 5.1 Наладка устройства

• 5.2 Испытание устройства

Описание устройства

Трансформатор идёт на пониженное напряжение на двухполупериодный выпрямитель(4 диода), например Д226, Д237, КД105. От диодов напряжение идёт на электролитический конденсатор (он служит для сглаживания пульсации по переменному току). Их в приборе 2, один на входе, а другой на выходе. Сглаженное напряжение поступает на параметрический стабилизатор (его состав: резистор, стабилитрон Д814 и регулирующий элемент на базе транзистора П213). Регулирующим транзистором управляет переменный резистор (изменяет напряжение на базе транзистора), это ручка регулировки. Перед выходом на клеммы (барашки – и +) подключён второй электролитический конденсатор (для сглаживания пульсации по переменному току).

Перед началом работы необходимое напряжение нужно выставить с помощью вольтметра, подключенного к клеммам.

Принципиальная схема. «Приложение №9»

Печатная плата. «Приложение №10»

4.2 Как работает лимонная батарейка?

Когда цинковая пластинка контактирует с лимонной кислотой, начинаются две химические реакции.

Одна реакция - окисление: кислота начинает забирать атомы цинка с поверхности пластинки. Два электрона уходят с каждого атома цинка, придавая атому положительный заряд +2.

Другая реакция - восстановление, в ней задействованы положительно заряженные атомы водорода - ионы водорода в лимонной кислоте около пластинки. Ионы принимают электроны, высвобождаемые в ходе окислительной реакции с образованием водорода, который можно увидеть в виде пузырьков около пластинки.

•  Ионы водорода называют окислителями, потому что они отнимают электроны цинка.

• Обе реакции продолжаются до тех пор, пока цинковый лист находится в лимоне, и на нем остается цинк. Реакция не зависит от присутствия меди или другого вещества. Важно понять, что электроны, испускаемые цинком, принимаются ионами водорода кислоты.

•  Медная пластинка - тоже окислитель. В действительности, она даже больший окислитель, чем ионы водорода в лимонной кислоте. То есть медь может притягивать многие свободные электроны, испускаемые цинком. Когда между электродами устанавливается электрическая связь, то медь притягивает электроны из листа и возвращает их через цепь.

•  Когда в цепи есть светодиод, то электрический ток вызывает его свечение.

• Напряжение лимонной батарейки вызывается разницей между способностью цинка и меди отдавать электроны. Электрический ток, выдаваемый батарейкой, зависит от количества электронов, спускаемых химической реакцией.«Приложение №11»

III. Исследовательская часть

1. Блок питания

Инструменты, используемые при сборке. «Приложение №12»

Материалы, используемые при сборке. «Приложение №13»

Этапы изготовления печатной платы. «Приложение №14»

Плюсы и минусы изделия.

Плюсы:

1. Удобен в транспортировке и работе

2. Дешёвый

Минусы:

Не выявлены

Смета. «Приложение №15»

Общий вид лабораторного блока питания. «Приложение №16»

2. Вкусные батарейки

Для создания данных источников нам понадобились: фрукты и овощи, железный гвоздь, медные и цинковые пластины, медная проволока, гальванометр, мультиметр и настенные часы.

В первом эксперименте мы проверяли наличие электрического тока в некоторых овощах и фруктах. К концу одного из проводов, соединённого с минусовой клеммой гальванометра, мы присоединили железный электрод, а к концу другого, соединённого с плюсовой клеммой гальванометра, мы присоединили медный электрод. При погружении двух электродов в исследуемый фрукт или овощ стрелка гальванометра начинает отклоняться, показывая тем самым наличие в цепи электрического тока. «Приложение №17»

Вывод: в результате эксперимента мы выяснили, что овощные батарейки дают более сильный ток в цепи, чем фруктовые.

Во втором эксперименте мы измеряли напряжение в некоторых овощах и фруктах. К концу одного из проводов, соединённого с минусовой клеммой мультиметра, мы присоединили цинковый электрод, а к концу другого, соединённого с плюсовой клеммой мультиметра, мы присоединили медный электрод. При погружении двух электродов в исследуемый фрукт или овощ мультиметр показывал точное напряжение. «Приложение №18»

Вывод: измерения показали, что более высокое напряжение дают фрукты.

3. Соленая батарейка

В третьем эксперименте мы пытались подключить часы к солёным огурцам. Для этого в каждый из огурцов был вставлен цинковый электрод, к которому одним концом прикреплялся отрезок тонкой медной проволоки, другой конец проволоки прикреплялся в овоще. Получилось последовательное соединение, которое мы назвали «ожерелье». Цепочка из трёх огурцов дала напряжение 1,67 В. Этого было достаточно, чтобы часы пошли. «Приложение №19»

Вывод: в ходе эксперимента мы убедились, что батарейка из солёных огурцов может заставить настенные часы работать.

IV. Заключение

1. Выводы:

В ходе работы над проектом мы нашли подтверждение своей гипотезы о том, что при производстве источников питания для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии можно использовать самодельный блок питания, фрукты и овощи. Одновременное действие несколько таких биобатареек позволяет запустить настенные часы, пользоваться тетрисом и карманным калькулятором. Такие батареи могут использовать жители сельских районов страны, которые могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки биобатареек. Использованный состав батареек не загрязняет окружающую среду, как гальванические (химические) элементы, и не требует отдельной утилизации в отведенных местах. А блок питания, изготовленный из радиокомпонентов, сбережёт деньги, которые постоянно тратились на батарейки для несложной бытовой техники.

Из использованных фруктов и овощей лучшими источниками тока являются солёный огурец, свёкла, лимон, яблоко. Мы убедились, что физика - наука экспериментальная. Мы научились делать наблюдения, выдвигать гипотезы, проводить эксперименты. Научились определять напряжение внутри овощных и фруктовых батареек, силу тока, создаваемую ими.

2. Практическая значимость

В период подготовки к переводному экзамену по физике мы продемонстрировали свой исследовательский проект перед одноклассниками. Это позволит им глубже понять тему «Электрические явления» и сдать успешно экзамен. Ход исследования и его результаты были продемонстрированы широкой аудитории гимназистов, родителей на большом экране телевизора для популяризации исследовательской работы и мотивации учащихся гимназии. «Приложение №20»

Список литературы, используемой в работе

1. Парселл Э., Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1983.

2. Калашников С.Г.. Электричество. - М.: Наука, 2005

3. Физика. 8 класс. Пёрышкин А.В., М.: 2013

4. Трофимова Т.И. Краткий курс физики. - М.: Высшая школа, 2000.

5. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики, т.т. 1-2. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000.

Приложение

«Приложение №1»

«Приложение №2»

«Приложение №3»

«Приложение №4»

«Приложение №5-8»

5 6

7 8

«Приложение №9»

«Приложение №10»

«Приложение №11»

«Приложение №12»

«Приложение №13»

«Приложение№14»

«Приложение №15»

«Приложение №16»

«Приложение №17»

«Приложение №18»

«Приложение №19»

«Приложение №20»