Исследовательская работа Изготовление батареек в домашних условиях

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:

1. Меньше 0,05v не раскрашены

2. Около 0,05v синие

3. 0,1; 0,2v зелёные

4. 0,3; 0,4v красные

5. 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,1v жёлтые

Для A:

1. Меньше 5мA не раскрашены

2. Около 5мA синие

3. 10 – 90мA зелёные

4. 100 – 290мA красные

5. 300 – 500мA жёлтые

Для W:

1. Меньше 0,25мW не раскрашены

2. Около 0,25 – 1мW синие

3. 1 – 19мW зелёные

4. 20 – 99мW красные

5. 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:

1. Zn 377,9мW

2. Pb 308,6мW

3. Cu 262,0uW

4. монета 166,7мW

5. C 114,8мW

6. Fe 100,2мW

7. латунь 84,1мW

8. NC 81,8мW

9. графит 75,7мW

10. Al 36,1uW

11. 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:

1. лимонная к-та

2. уксусная к-та

3. NaHCO3

4. Ca(OH)2

5. NaC

6. стиральный порошок

7. минеральная вода/зубная паста (одинаково)

8. }остальные эл-литы ни для какой

9. 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.