Научно-практическая конференция .Тема "Альтернативные источники тока".

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №9» города Абакана

Секция: теоретическая физика

«Знакомые незнакомцы.»

Альтернативные источники питания.

Автор:

Канайкин Дмитрий,

ученик 5Б класса, МБОУ «СОШ №9»

Руководитель:

Пинчук Светлана Ивановна,

учитель физики

г. Абакан, 2017

код

Секция: теоретическая физика

Альтернативные источники питания.

Содержание:

Введение : --------------------------------------------------------------------------2

1. Учёные изучавшие источники питания---------------------------------3-5

• Л.Гальвани

• А.Вольта

• В. В. Петров

1. Современные источники питания-----------------------------------6-8

2.1Первичные элементы питания:

• угольно-цинковые батарейки

• щелочные или алкалиновые

• Литиевые элементы

2.2 Вторичные элементы питания:--------------------------------------8-10

• никель-кадмиевые элементы

• никель-металлгидридные аккумуляторы

• литий-ионные аккумуляторы

• литий-полимерные аккумуляторы

3. Багдадская батарейка.----------------------------------------------------------10-11

4. Топливные элементы.----------------------------------------------------------12

5. Фантастические решения.-----------------------------------------------------13

6. Практическая часть.------------------------------------------------------------15-17

7. Заключение.----------------------------------------------------------------------18

8. Список литературы.------------------------------------------------------------18

1

Введение :

Меня заинтересовала тема источников питания тем, что я живу в веке электричества где почти всё работает на электричестве и использует батарейки. Я решил узнать что такое источники питания с научной точки зрения, когда была сделана первая батарейка, узнать из чего состоят , такие маленькие но такие нужные в хозяйстве предметы как батарейки и что можно сделать если заряд батарейки кончился, а найти новую негде. Ведь сейчас без батарейки я не смогу говорить по телефону, смотреть телевизор, завести машину, и даже узнать время.

Цель. на конкретных примерах простых батареек изготовленных из фруктов и овощей получить электрический ток.

Актуальность данной работы заключается в том, что современная жизнь не мыслима без электричества. Получение и доставка электроэнергии требует большие затраты и очень трудоёмка. Для получения электричества необходимо топливо, а природные ресурсы: нефть, уголь, когда ни будь, закончатся.

Задачи.

1.Изучить разнотипные гальванические элементы.

2.Изучить литературу о первых учёных открывших источники питания

3.Доказать, что с помощью овощей и фруктов можно получить напряжение

Проблема: в магазинах гальванические элементы достаточно дорогие.

Гипотеза: предположим что можно заменить гальванические элементы на самодельные батарейки из фруктов и овощей.

Предмет исследования: получение электрического тока.

Объект исследования: фруктовые и овощные гальванические элементы.

Методы исследования:

• Экспериментальный метод

• Метод обработки результатов

• Метод сравнения

Основная часть

Для начала немного из истории источников питания…

В 1786 г. после 11 лет исследований Л.Гальвани открыл явления сокращения мышц свежепрепарированной лягушки при прикосновении к ним стального скальпеля, если вблизи проскакивали искры от кондуктора электростатической машины или лейденской банки. Он понял, что перед ним открылось что-то новое, и решил тщательно исследовать наблюдаемое явление. Это было сделать непросто, ведь действовали одновременно три компонента: электрическая машина, скальпель и препарированные лапки лягушки.Проведя серию экспериментов, Л.Гальвани, исключив в процессе своих опытов влияние электрической машины и атмосферного электричества, выяснил, что сокращения мышц лягушки становятся более сильными и длительными и происходят всегда, если препарированные конечности контактируют с разнородными металлами используя латунный “крючок, пропущенный через спинной мозг таким образом, что ноги лягушки касались серебряной чашки”, или препарированные конечности располагались на железной дощечке, и к ним прикасались медным крючком.

Обернув нерв препарированной лягушки оловянной фольгой (станиолем) и наблюдая при этом особенно сильные судороги, ученый усложнил опыт, включив в цепь несколько держащихся ,за руки человек. При этом по-прежнему отмечалось сокращение мышц лягушки. Л.Гальвани заметил, что, если в цепь с лягушкой ввести два одинаковых металлических проводника, сокращения мышц не происходит. Как видно из сказанного, Л.Гальвани вплотную подошел к открытию “гальванического элемента”, однако не сделал его, будучи в плену своей теории: он считал, что им открыто “животное электричество”, вырабатываемое организмом лягушки, а мышцы ее при этом играют роль чувствительного регистратора этого электричества, уподобляясь заряженной лейденской банке.Ошибка Л.Гальвани, который не смог понять природу открытого им явления, вполне объяснима, если учесть, что он был прежде всего физиолог. Тем не менее сделанное им открытие навсегда сохранило в науке его имя. До сих пор в названиях многих приборов и процессов используется термин “гальванический”. Что касается “животного электричества”, оно, как стало известно много позднее, существует (это то, что мы сегодня называем биотоками).Во времена Л.Гальвани электрофизиологические явления еще не созрели для научного анализа. Тем более велика заслуга его соотечественника, итальянского физика и химика Алессандро Вольта (1745-1827), увидевшего в открытии Гальвани совершенно новое явление — создание потока электрических зарядов (по терминологии Вольта — “электрических флюидов”), т.е. электрического тока. Это привело к качественному скачку в науке об электричестве и к появлению электрической техники.
Заинтересовавшись опытами Гальвани с “животным электричеством”,

3

А.Вольта начал повторять их, сначала полностью приняв его точку зрения.

Однако в результате длительной серии опытов и размышлений по их поводу А.Вольта пришел к выводу, что причиной сокращения мышц служит не “животное электричество”, а наличие цепи из разных проводников в жидкости, при этом “препарированная лягушка представляет собой, если можно так выразиться, животный электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый чувствительный электрометр”.

Чтобы исключить физиологический объект, А.Вольта заменяет лапку лягушки электрометром и отмечает: “Все действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-либо влажному телу или к самой воде. В силу такого прикосновения электрический флюид гонится в это влажное тело или воду от самих металлов, от одного больше, от другого меньше. При установлении непрерывного сообщения между соответствующими проводниками этот флюид совершает постоянный круговорот”. Из этих слов видно, что А. Вольта правильно понял механизм разделения электрических зарядов, основанный на растворении металлов и переходе в электролит их ионов.

Установив, что именно металлы служат “возбудителями и двигателями” электрических зарядов, А.Вольта это их движение (великодушно признавая заслуги Л.Гальвани) назвал “гальванизмом”, или “гальваническим электричеством” — так и позднее долгое время называли электрический ток. Именно с этого времени в науке начинает широко применяться термин “электрический ток”, хотя до понимания природы электрического тока было еще далеко.

Более того, А.Вольта заметил, что движение зарядов тем сильнее, “чем дальше отстоят друг от друга при мененные два металла в том ряду, в каком они поставлены здесь: цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит”. Данное перечисление не что иное, как “ряд Вольты”.

Наконец в конце 1799 г. А.Вольта приходит к окончательному выводу: “Проводник второго класса находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов... вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления”. Он создает свой знаменитый источник постоянного электрического тока: “Я взял несколько дюжин круглых медных пластинок, а еще лучше серебряных, диаметром примерно в один дюйм и такое же количество оловянных или, лучше, цинковых пластинок. Затем из пористого материала, который может впитывать и удерживать много влаги, я вырезал достаточное число кружков. Все эти пластинки я расположил таким образом, что металлы накладывались друг на друга всегда в одном и том же порядке и что каждая пара пластинок

4

отделялась от следующей влажным кружком из картона или кожи...”

Свой генератор электрического тока А. Вольта назвал “электрическим органом”. Его современники дали название “вольтов столб”. Позднее! стали говорить о “батарее гальванических элементов”.

До изобретения Вольты единственным источником электрической энергии были электрофорные машины, действие которых было основано на электростатическом индуцировании зарядов и их накоплении. Такие машины позволяли получать на обкладках лейденских банок высокие напряжения, реализовать искровые разряды, но генерируемые ими заряды были очень малы. Гальванический элемент Вольты позволил создать непрерывный поток электрических зарядов, исследовать явления, связанные с протеканием электрического тока, нашедшие, как стало известно очень скоро, огромное практическое применение. Кроме того, заряд в 1 Кл, например, практически невозможно сообщить телу размером ~ I м, тогда, как привести в движение в проводнике заряд в 1 Кл не представляет большого труда с помощью гальванического элемента (именно такой заряд переносится) за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 А.

О своем открытии А.Вольта впервые заявил в марте 1800 г, Летом того же года сообщение об открытии Вольты делается на заседании Лондонского королевского общества. Впервые публично А. Вольта доложил о результатах своих исследований осенью 1800 г. на заседании Парижской академии наук. Это его сообщение произвело на ученых огромное впечатление. Во время второго посещения Парижа на докладе Вольты с демонстрацией созданного им “электрического органа” вместе с членами Парижской академии наук 1 декабря 1801 г. присутствовал первый консул Франции — генерал Бонапарт, Именно по его предложению, в нарушение всех традиций, итальянскому ученому была присуждена большая золотая медаль академии — как знак уважения Франции. Интерес Бонапарта к А. Вольте не исчез и после того, как генерал стал императором Франции, — А. Вольта получил титул графа, стал сенатором Ломбардского королевства, кавалером ордена Почетного легиона.

Создание источника постоянного электрического тока способствовало дальнейшему развитию науки об электричестве (работы X.Эрстеда, Д.Араго, А.Ампера, Г.Ома, М.Фарадея, Д.Джоуля и других ученых). В частности, работы Фарадея — это целые главы в разных областях науки (электричество, электрохимия, электромагнетизм и др.), а весь комплекс его открытий — это эпоха в развитии не только физики, но и естествознания в целом.

Разнообразные источники питания.

Первичные элементы питания.

Первичные элементы – это хорошо нам известные батарейки. Из-за н;L=-" align="left" width="167" height="218" border="0"еобратимости протекающей химической реакции их нельзя перезаряжать, более того, в ряде случаев это довольно опасная затея. Наиболее распространенными сегодня являются угольно-цинковые батарейки. Это самый дешевый и массовый элемент питания. Одна только компания Energizer продает за год около шести миллиардов таких элементов. В угольно-цинковой батарейке роль катода играет стержень, состоящий из смеси диоксида марганца, угля и электролита. Анод полностью цинковый и представляет собой сам корпус батарейки. Электролит, заполняющий пространство между анодом-корпусом и катодом-стержнем представляет собой адскую смесь из нашатыря, диоксида марганца и хлорида цинка. В сущности, ничего особо опасного, но, тем не менее, вскрывать батарейку не следует.

Из достоинств угольно-цинковых элементов можно отметить разве что их низкую стоимость. Все остальное – сплошные недостатки. Во-первых, малый срок хранения элемента, составляющий, в зависимости от условий, от полугода до двух лет. Во-вторых, в процессе разрядки угольно-цинкового элемента наблюдается неприятный эффект постепенного уменьшения выходного напряжения. А это значит, что, например, в настенных часах теряющая напряжение угольно-цинковая батарейка начнет пропускать такты или медленней их отсчитывать, в результате чего часы будут безбожно отставать.

Более совершенные щелочные или алкалиновые элементы являются, в сущности, небольшой модернизацией угольно-цинковой технологии. О20O " align="left" width="180" height="139" border="0"сновное отличие заключается в химическом составе электролита, представляющего собой смесь гидроксида калия и воды. Такое, казалось бы, нехитрое изменение позволяет существенно увеличивать срок годности элементов питания и плотность энергии.

По конструкции щелочные элементы существенно отличаются от угольно-цинковых. Во-первых, корпус батарейки является именно корпусом и не играет никакой роли в химических реакциях. Анод щелочного элемента представляет собой желеобразную смесь активного цинка и электролита. Катод – вновь смесь угля и диоксида марганца. Сама батарейка полностью герметична, так как во время ее работы практически отсутствует газообразование, в отличие от угольно-цинковых элементов, которые при работе выделяют небольшое количество водорода.Щелочные элементы обладают более высоким сроком хранения – пять и более лет, они работают в более широком диапазоне температур – от –30 до +55 градусов по Цельсию. Однако и здесь кривая разряда спадающая, как и в угольно-цинковых батарейках.

7

В литиевых элементах анод обязательно изготовлен из лития, а вот для катода и электролита предусмотрены вариации, впрочем, не оказывающие существенного влияния на основные параметры батарейки. Такие элементы питания отличаются весьма солидным сроком хранения (до 10 лет) и большим диапазоном рабочих температур – от –30 до +65 градусов по Цельсию. Главным преимуществом батареек является пологая кривая разряда, обеспечивающая надежную работу питаемого устройства вплоть до полного истощения элемента. Кроме того, литиевые батарейки обладают на сегодняшний день наибольшей плотностью энергии. Но за все нужно платить. Литиевые элементы довольно дороги из-за высокой стоимости самого лития и сложности производственного процесса.

Эти батарейки тоже можно восстанавливать, но как правило восстанавливать севшие батарейки в принципе смысла нет, так как они легкодоступны и проще приобрести новые. Но бывают такие моменты, когда батарейки сели а магазина нет рядом. Можно немножко оживить их процентов на 30-50 простыми способами о которых написано ниже:

Способ 1: Берем нашу батарейку и снимаем с нее металлический корпус. Далее с помощью шила проделываем около шести отверстий до центрального уголька и опускаем на 10 минут в кипящую, соленую воду. Вынимаем, даем остыть и обматываем скотчем или изолентой.
Способ 2: Намного проще первого способа. В батарейке проделываем несколько продольных отверстий и закапываем в них уксус. Заделываем отверстия и даем полежать батарее пару часов.

Аккумулятор от телефона можно заряжать и по-другому, но эти способы нужно принимать в экстренной ситуации или когда возможности зарядиться ну нет совсем.

1 способ: Бывает такое, что вы уехали куда-то, а зарядное устройство забыли дома. Батарейка сотового телефона как всегда на последнем издыхании.
Как Быть? Нужно вытащить батарейку из телефона. Положить ее на разогретую солнцем крышу машины. 10 минут и заряд показывает снова 100%. Такого заряда хватает еще на сутки. К сожалению аккумулятор после такой процедуры резко теряет объем, к тому же при последующей «нормальной» зарядки он может банально взорваться.

2 способ: У аккумулятора 3 контакта и если заклеить центральный, то можно сделать еще один звоночек. Как правило центральный «отвечает» за индикатор зарядки. При разрядки телефона в аккумуляторе есть еще заряд, но он скажем «резервный», а телефон отключается раньше.

«Багдадская батарейка»

Багдадская батарейка — загадочный месопотамский артефакт парфянского и сасанидского периодов, который вслед за Вильгельмом Кёнигом — директором Национального музея Ирака — иногда расценивают в качестве

10

античных гальванических элементов, созданных за 2000 лет до рождения Алессандро Вольта.
В наше время багдадская батарейка находится в Национальном музее Ирака.
Вильгельм Кёниг в своей книге «В потерянном раю» дает такое описание багдадской батарейке:
верхний конец стержня примерно на сантиметр выступал над цилиндром и был покрыт тонким, светло-желтым, но полностью окисленным слоем металла, по виду похожего на свинец. Нижний конец железного стержня не доставал до днища цилиндра, на котором находился слой асфальта толщиной примерно три миллиметра.

Химик и физик Уолтер Уинтон первоначально прореагировал на эту археологическую находку так:
Скажите любому физику, что электрический ток использовался за 15 столетий до Гальвани и его лягушачьих лапок, и вы услышите в ответ: «Вздор! Невозможно!» Ложное толкование фактов, мистификация, подделка, очередной ухмыляющийся пилтдауновский череп. Ведь если бы это было правдой, то должно было стать величайшей новостью во всей истории. Версии насчет иного предназначения, кажется, никто до сих пор не смог предложить. Не случайно находку называют “багдадской батарейкой”. В двух американских лабораториях, где независимо друг от друга досконально изучали эту модель гальваноэлемента, был получен ток напряжением в половину вольта — “батарейка” действовала в течение 18 дней. Еще во время обнаружения удивительного кувшина исследователи выдвинули гипотезу, что такие предметы в древнем мире были не единичны. И действительно, в районе шумерского города Селевкия археологами были найдены и другие “батарейки”. Ученые предположили, что несколько таких последовательно соединенных батареек могли использоваться для гальванизации – покрытия поверхности одного металла тонким, не толще микрона, слоем другого металла при помощи электролиза. В пользу этой теории говорят некоторые древние находки – например, шумерская медная ваза 2500 года до н.э. В 1978 году немецкий египтолог Арне Эггебрехт на практике подтвердил возможность такого использования «багдадской батарейки». В коллекции ученого была небольшая медная статуэтка египетского бога Осириса возрастом около 2400 лет, покрытая тончайшим слоем золота. Египтолог изготовил копию фигурки и поместил ее в ванну с солевым раствором золота. Затем соединил десять «багдадских батареек» и подключил электроды к ванне и самой статуэтке. Через несколько часов на фигурке осел ровный слой гальванического золота. При всей видимой стройности теории остается масса вопросов. Каким образом древние «дошли до жизни такой»? Ведь ток в 0,5-2 вольта, выдаваемый одной «багдадской батарейкой», без приборов обнаружить очень сложно. Каким образом они придумали последовательно соединять источники тока для увеличения мощности? Наконец, как они додумались до электролиза, так сказать, официально открытого в начале XIX века? Непонятно.

А пока производители и разработчики «раскачиваются», рекомендуем вам бережно относиться к ресурсу аккумуляторов мобильных устройств – глядишь, лишние 15-20 минут работы выгадаете, да и «зеленые» одобрят. И не забывайте следить за альтернативными разработками: кто знает, может, через год-другой можно будет принимать сотню-другую ватт прямо по воздуху…

Практическая часть:

Опыт № 1

Для начала я смешал воду с солью. Полученный раствор влил в приготовленные емкости. Изготовил электроды из проволоки и фольги.

Для начала я смешал воду с солью. Полученный раствор влил в приготовленные емкости. Изготовил электроды из проволоки и фольги. В ёмкости с электролитом опустил провода, обмотанные фольгой. Эта батарейка выдает около 2,5 вольта, с помощью нее можно питать простенький будильник.

15

Опыт №2

С помощью двух пластинок: цинковой и медной, я получил незначительный ток. Я вставил их в половинку лимона. И получил около 1 вольта. После я соединил два лимона и получил около 1,9 вольта.

Опыт №3

Тоже самое я проделал с картошкой и получил около 1,9 вольта. Соединив две картошки я получил около 1,6 Вольта.

Опыт №4

Затем я проделал все то же с яблоком .Произвёл измерения и получил аж 0,9 вольта. Но всё-таки этого мало. Тогда я собрал цепь из двух яблок произвёл измерения и получил 1,7вольта. Потом решив проверить работоспособность данного источника питания я подключил к нему светодиод и оказалось, что он может работать от яблока.

Опыт №5

С помощью пропиточной бумаги, пластинок из меди и цинка сока лимона я сделал батарейку. Пропитал её соком лимона и получим около 1,5 вольта

Опыт №6

Я решил попробовать собрать Багдадскую батарейку описанную ранее. Изучив её строение я собрал похожую копию из подручных средств и залив в неё электролит на выходе я получил 1,1 вольта.

Итоговая таблица

По результатам эксперимента можно сделать вывод:
1.Фруктовые батарейки дают очень слабый ток в цепи
2.Значение силы тока зависит от кислотности продукта. Чем больше кислотность, тем больше сила тока.
3. При одинаковой кислотности значения сил тока различаются, значит сила тока зависит еще от каких-то факторов.

4.Лучший источник электрического тока является батарейка из раствора соли.

5.Батареи состоящие из трёх элементов дают свечение светодиода.

17

Заключение:

Работа, которой я занимался, показалась мне очень интересной. Я смог ответить на все интересовавшие меня вопросы.
Так, проведенные эксперименты подтверждают гипотезу о возможности создания источников питания из фруктов и овощей.
Такие батарейки могут использоваться для работы приборов с низким потреблением энергии.
Из использованных фруктов и овощей лучшими источниками электрического тока являются лимон, картофель.
Я убедился в том, что физика наука экспериментальная. Я учился делать наблюдения, выдвигать гипотезы, проводить эксперимент, делать выводы. Я научился определять напряжение  внутри «вкусной» батарейки и силу тока создаваемую ею. 
Мне очень понравилось ставить эксперименты самому. Оценивать получившийся результат. Я заметил, что не всегда эксперимент удается, хотя теоретически так должно быть.

Надеюсь, что я в этом реферате раскрыл ту тему которую хотел. Прежде всего моя цель была поведать вам о многообразии гальванических элементов, также как и историю создания этих удивительных приспособлений. Также я хочу пожелать, чтобы развитие гальванических элементов продолжалось и ни на миг не останавливалось, ведь это так приятно когда твой фонарик, телефон, ноутбук – не важно что, работало очень долго без подключения к сети. Или каждому водителю не платить за бензин, а один долговечный элемент, который будет питать машина в течение многих километров.

Список литературы

1.Энциклопедический словарь юного физика. -М.: Педагогика, 1991г
2.Энциклопедии «История открытий» серии «Росмэн»
3. http://www.wikipedia.org
4. http://dev.planetseed.com/ru/node/28491
5. http://chemistry-chemists.com/Video/Fruit-battery.html
6. http://lemonlife.ru/kreativ_iz_limonov/batarejka_iz_limona
7. http://gadgetforgeek.com.ua/sdelat-gadget-svoimi-rukami-fruktovye-chasy
8. http://obozrevatel.com
9. Карл Снайдер. Необычная химия обычных вещей (3-е изд.), 1998

18

2