Проект по физике "Эксклюзивные батарейки"

Межшкольная научно- исследовательская конференция учащихся

«НАНОМИР-2022»

«Создание необычных источников электрического тока»

Автор: Шуляк Аурика Александровна

Ученица 7 д класса, МБОУ СОШ №26

Научный руководитель: Логачева Наталья Петровна,

учитель физики

МБОУ СОШ №26

Секция «Естественные науки и современный мир»

г. Сургут, 2022

Аннотация

Изучая в тему: «Электрические явления», меня очень заинтересовало, какие источники тока бывают, как работают, можно ли их сделать своими руками. Мы все прекрасно знаем, что для работы плейера, мобильного телефона, наушников или карманного фонарика нужен источник электрической энергии. В переносных устройствах такой источник – это батарейка. А задумывались вы хотя бы раз над тем, что же такое батарейка, из чего она состоит, какое влияние оказывает на человека и окружающую среду, существуют ли другие заменители источника электрической энергии, можно ли их создать своими руками? Данная тема очень актуальна на сегодняшний день. Поэтому мы решили посвятить исследовательский проект изготовлению необычных источников энергии.

Батарейки из подручных материалов, фруктовые батарейки можно использовать дома или на даче для подсветки. При экстренной ситуации в походе, можно сделать самодельную зажигалку для добычи огня. Полученные макеты самодельных батареек можно продемонстрировать на уроках окружающего мира физики, а знания об электрическом токе пригодятся в дальнейшей учебе.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Теоретическая часть………………………………………………………..4-6

1.1. Из истории возникновения батареек……… ………………..……………...…6-7

1.2. Отрицательное воздействие батарейки на организм человека……….............7-8

1.3. Переработка батареек………………………...........................................................9

Глава 2. Практическая часть……………………………………………………...…..10

2.1. Зачем нужны самодельные батарейки…………………………….………...10-11

2.2. Лимонная батарейка….………………………………………………………......11

2.3. Монетная батарейка………………………………………………………......12-13

2.4. Графитовая батарейка…………………...…………………………………...13-14

2.5. Батарейка из5 пластмассовых стаканчиков………………………………....14-15

2.6. Картофельная зажигалка. …...…………………………………………...……....15

Заключение…………………………………………….................................................16

Используемая литература………….………………....................................................17

Приложение………………………………………………………………………..18-24

Введение

Повседневная жизнь не требует каких-то великих усилий для включения телевизора, калькулятора, для нормальной работы настенных часов, для работы компьютерной мыши и так далее. А все благодаря батарейкам, которые помогают упростить нашу жизнь, помогают сэкономить наше время.[8]

Индийские ученые работают над созданием необычных батареек для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии. Внутри этих батареек будет паста из переработанных бананов и апельсиновых корок. Одновременное действие четырех таких батареек позволяет запустить стенные часы, а для ручных часов хватит одной такой батарейки.
Компания Sоnу на научном конгрессе в США представила батарейку, работающую на фруктовом соке. Если «заправить» такую батарейку 8 мл сока, то она сможет проработать в течение одного часа. Применяться новинка может в плеерах, мобильных телефонах и т.д.
Мы провели анкетирование среди учащихся 8 классов МБОУ СОШ № 26 и выяснили, что многие ребята, пользуясь батарейками, не знают, из чего она состоит, как работает, какие виды бывают. А то, что источники энергии можно сделать своими руками только слышали. Мы считаем, что выбранная нами тема актуальна и важна. Данная исследовательская работа узнать больше о необычных источниках электрического тока.

Что же можно отнести к необычным источникам энергии? В исследовательскую работу мы поместили опыты по изготовлению неординарных батареек и источника тока: из пластмассовых стаканчиков, батарейка из монет, графитовая батарейка, и самое интересное, это изготовление фруктовой и овощной батарейки.

Гипотеза

Предположим, что из подручных средств можно сделать источники электрической энергии.

Цель работы: изготовление из подручных средств необычных источников тока.

Объект исследования

Электрический ток

Предмет исследования

Самодельные батарейки из подручных материалов, монет, фруктов, овощей.

Для того, чтобы разобраться в данной теме, мы поставили перед собой ряд задач:

Задачи исследования.

1. Изучить устройство батареек.

2. Рассмотреть какую приносят пользу и вред батарейки.

3. Познакомиться с литературой об истории создания батареек.

4. Сконструировать самодельную монетную батарейку, овощную зажигалку, пластмассовый аккумулятор, графитовую и фруктовую батарейку.

5. Экспериментально проверить наличие электрического тока.

Методы:

- теоретические: поиск информации по данной теме (книги, энциклопедии, журналы, информацию из Интернета);

- эмпирический: анкетирование;

- экспериментально – практические: наблюдение, опыты, эксперименты.

Этапы исследования:

- теоретическо-эмпирический;

- экспериментально – практический;

- аналитический.

Практическая значимость.

Батарейки из подручных материалов, фруктовые батарейки можно использовать дома или на даче для подсветки. При экстренной ситуации в походе, можно сделать самодельную зажигалку для добычи огня (в поход с собой можно приготовить чемоданчик, в котором будут подручные средства для создания самодельной зажигалки). Полученные нами результаты о живой природе можно продемонстрировать на уроках «окружающего мира», а знания об электрическом токе пригодятся в дальнейшей учебе.

Глава 1. Теоретическая часть.

1.1. Из истории возникновения батареек.

Самые первые прототипы батареек появились ещё в Месопотамии около 2000 лет назад. Состояла она в то время из глиняной вазы, медного и железного стержней, залитыми битумом. Назвали такой прототип «Багдадской батарейкой» в связи с местом, на котором были обнаружены.

Примерно в 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта изобрёл батарейку, которой мы и по сей день продолжаем пользоваться.[6]

Батарейка – это наипростейшее устройство для получения электричества, которое представляет собой гальванический элемент (Приложение 1). Суть работы элемента составляет метод, основанный на химическом взаимодействии одних веществ с другими.

Химический состав батареек.

В каждом типе энергетических накопителей содержатся разные химические элементы. Вот химические элементы, встречающиеся в источниках энергии:

1. Никель

2. Кадмий

3. Свинец

4. Ртуть – сейчас уже редко используется.

5. Литий

6. Цинк

7. Марганец

8. Алюминий

9. Железо[7]

Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани. На самом деле целью Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки.

Любая батарея состоит из трёх основных элементов – двух электродов, называемых анодом и катодом, и электролита находящегося между ними. Возникновение электрического тока – это побочный результат окислительно-восстановительной реакции идущей между электродами. Выходной ток, напряжение и другие параметры батареи зависят от выбранных материалов анода, катода и электролита, а также конструкции самой батареи. Все батареи можно разделить на два больших класса – первичные и вторичные.

Первыми серийно выпускаемыми элементами питания стали сухие батарейки. Наследники изобретения Лекланше, они являются самыми распространенными в мире. Одна лишь компания Energizer продает более 6 миллиардов таких батарей ежегодно. В общем, "говорим батарейка, подразумеваем – сухой элемент". Объясняется такая популярность, во-первых, их дешевизной, а во-вторых, тем, что этим именем называют сразу три разных химических системы: хлорно-цинковые, щелочные и марганцево-цинковые батареи. Их имена дают представление о химических системах, на базе которых они созданы.[1]

1.2. Отрицательное воздействие батарейки на организм человека.

Батарейки — это химические устройства, элементы которых вступают в реакцию, давая на выходе электричество, которым мы и пользуемся. Элементы эти, в основном, токсичны и опасны:

• свинец (накапливается в организме, поражая почки, нервную систему, костные ткани);

• кадмий (вредит легким и почкам);

• ртуть (поражает мозг и нервную систему);

• никель и цинк (могут вызывать дерматит);

• щелочи (прожигают слизистые оболочки и кожу) и другие.

Со временем металлическое покрытие батарейки разрушается от коррозии, и тяжелые металлы попадают в почву и грунтовые воды, откуда уже недалеко и до рек, озер и прочих водоемов, используемых для питьевого водоснабжения.

Ртуть — один из самых опасных и токсичных металлов, имеет свойство накапливаться в тканях живых организмов и может попасть в организм человека как непосредственно из воды, так и при употреблении в пищу продуктов, приготовленных из отравленных растений или животных. А если батарейку сожгут на мусоросжигательном заводе, то все содержащиеся в ней токсичные материалы попадут в атмосферу.

С другой стороны, материалы, из которых сделана батарейка, это ценный ресурс: существуют технологии, которые позволяют извлечь из использованной батарейки все металлы и заново пустить их в дело – использовать в металлургии или для производства новых батареек.

По статистике, каждая семья ежегодно выбрасывает до 500 грамм использованных элементов питания. Суммарно в области набирается 2-3 тысячи тонн батареек. В Соединенных Штатах американцы ежегодно покупают почти три миллиарда различных батареек, и около 180 тысяч тонн этих батареек в итоге попадают на свалки по всей стране. Трудно представить, какой наносится вред экологии в глобальном масштабе.[2]

По утверждению сотрудников Государственного Биологического Музея им. К. А. Тимирязева, одна выброшенная пальчиковая батарейка загрязняет около 20 кв.м. земли.

Первое и самое простое – это по возможности перейти на использование аккумуляторов. По неофициальной статистике один использованный аккумулятор предотвращает выброс до 400 обычных батареек.

Второй вариант – это сдавать батарейки в редкие, но существующие пункты приема. Также периодически проводятся акции, в ходе которых активисты собирают у населения батарейки, после чего сами сдают их.[3]

1.3 Переработка батареек.

На корпусе батарейки практически всегда присутствует знак в виде перечеркнутого мусорного контейнера, сообщающий о том, что её нельзя выбрасывать вместе с остальными бытовыми отходами. Что же делать с отработавшими свой срок батарейками?
Хранить дома не рекомендуется, так как происходит выделение опасных веществ в воздух. По правилам, их необходимо утилизировать на специальных предприятиях. Хотя удовольствие это не из дешевых, в развитых странах процесс сбора использованных батарей от населения и последующей грамотной утилизации хорошо налажен. Так, во многих странах Евросоюза, в Канаде и США пункты по приему батареек есть повсюду. В Нью-Йорке, например, выбрасывать батарейки в мусор запрещено законом. А производители и крупные магазины, продающие элементы питания, обязаны обеспечивать сбор использованных батарей — иначе может последовать штраф размером до $5000. В Японии, говорят, батарейки собирают и хранят до тех времен, пока не изобретена оптимальная технология переработки.

В России утилизация батареек, к сожаления, на низком уровне. Батарейки – это единственный вид бытовых отходов, который в России никак не перерабатывается.

Если начнем покупать меньше батареек, станем более рационально их использовать (батарейки из фотоаппаратов и прочих энергоемких устройств могут еще долгое время работать в пультах телевизоров или в часах), перейдем на аккумуляторы, компании будут вынуждены пойти нам навстречу и начать принимать батарейки на переработку.

Если выбрасывать батарейки просто в мусоропровод или на свалку, то ядовитые вещества из батареек проникают в почву, в подземные воды, попадают в море и в водохранилища, из которых мы пьем воду.[4][5]

Глава 2. Практическая часть

2.1. Зачем нужны самодельные батарейки?

Существует много способов по изготовлению самoдельных батареек. Такие батарейки экологически безопасны, не токсичны, не требуют специального хранения и утилизации. Собственными руками создать, пусть не долговременный, но источник энергии. При помощи таких самодельных батареек можно даже зажечь светодиод для подсветки или освещения дачи, например. Недостаток таких самодельных батареек – это не долговременное их использование и невыгодность экономическая.

Я провела анкетирование среди учащихся 8–х классов, с целью выяснить владеют ли они необходимыми знаниями по влажности воздуха.

Я составила анкету из следующих вопросов:

1. Знаете ли вы, что такое батарейка?

2. Какие виды батареек вы знаете?

3. Как она работает?

4. Можно ли сделать источник электрического тока своими руками?

В анкетирование принимали участие 158 восьмиклассника.

Результаты проведения анкетирования я представила ниже в виде диаграмм:

По результатам анкетирования можно сделать следующие выводы:

• Большая часть учащихся 8-х классов имеют общие сведения о батарейках.

• Лишь небольшой процент учеников, помнят, виды батареек.

• Около половину учащихся не знают строение батареек.

• Многие участники анкетирования знают или догадываются, что возможно сделать источник тока своими руками, но не когда этого не делали и даже, не задумывались.

2.2 Изготовление фруктовой батарейки. (Приложение 2)

Лимонная батарейка

Из этого фрукта можно получить электроэнергию. Для этого нужно подготовить следующие вещи:

• один лимон;

• кусок чего-нибудь стального;

• медь;

• и два отрезка провода для изоляции.

Сначала нам будет нужно провести зачистку наших предметов из стали и меди. В этом поможет обычная наждачная бумага.

Предметом из стали могут быть самые обыкновенные гвозди. А медью, можно служить монетки достоинством в десять и пятьдесят копеек.

Теперь вставляем в лимон гвоздь и монетку. Между ними нужно сделать зазор примерно в три сантиметра. (Рис.1.1) Это будут наши электроды, остаётся присоединить к ним провода. Монетка — это наш положительный контакт, а гвоздь, стало быть — отрицательный. Мультиметр показывает, что лимону пошёл электрический ток. (Рис. 1.2) Для увеличения электрического тока, можно сделать батарею из лимонов. (Рис. 1.3)

2.3 Монетная батарейка (Приложение 3)

Из монеток можно соорудить самый простой гальванический элемент, который в науке получил название Вольтов столб. Нам нужно подготовить:

• несколько монет из меди;

• пищевую фольгу;

• несколько листов бумаги;

• столовый уксус или крутой раствор воды с солью. (Рис.2.1)

Прежде чем проводить эксперимент, нужно все монетки промыть в уксусе. Он смоет с них всю грязь. (Рис.2.2) Теперь берём ножницы и нарезаем из бумаги и фольги круги, по форме такие же, как и монеты. Количество этих заготовок должно быть меньше на две штуки, чем монет. (Рис.2.3)

Теперь соберём наш энергетический столб:

1. Берём бумажный круг, мочим его в уксусе и крепим к монетке.

2. На бумаге располагаем фольгу.

3. Теперь вновь монету.

4. Пока не закончим складывать монетки, повторяем всё последовательно.

5. В итоге на одном конце сооружения будет лежать монетка. (Рис.2.4) Это положительный полюс, на другом конце будет фольга. Это отрицательный полюс.

Чем большее количество монет получится собрать, тем больше получится напряжение. (Рис.2.5) (Рис.2.6) Повторно монеты использовать не выйдет. Они после эксперимента будут уже ржавыми.

2.4. Графитовая батарейка. (Приложение 4)

Потребуется для создания батарейки следующее:

• острый нож;

• ножницы;

• обыкновенный простой (не цветной) карандаш с серым грифелем;

• алюминиевая фольга;

• бумажная салфетка;

• лимонная кислота;

• крахмал или мука. (Рис.3.1)

Основу батарейки, ее проводящий элемент составляет графитовый грифель от карандаша. Графит – минерал с хорошей электропроводностью, что есть главным условием работоспособности батарейки

Острым ножом аккуратно, очень осторожно, чтобы не повредить грифель, делаем продольные разрезы по двум противоположным граням карандаша. Расщепляем карандаш по линиям разрезов, вынимаем грифельный стержень, очищаем его от остатков древесины. Если грифель разломался на куски – не велика беда, для работы понадобятся стерженьки длиной как спичечный коробок, до 4-5 см.

Чтобы микроаккумулятор заработал, нужен активный элемент – проводящий металл, который, вступая в химическую реакцию, выделяет электрический заряд. Для этого используем алюминиевую фольгу – подойдут конфетные фантики или кухонная фольга для запекания продуктов. Ток будет возникать при химическом окислении алюминия фольги в растворе.

Раствором для химической реакции между графитом и алюминием послужил уксусный раствор.

Вырезаем из фольги вместе с бумагой небольшие квадратики, размеры которых соответствуют размерам грифельных кусочков. (Рис.3.2)

Квадратики пористой бумаги обильно, до пропитывания насквозь уксусом, берем 9 %.

Грифель обматываем не полностью. Один конец оставляем на 1,5-2 мм оголенным – это будет «+» батареи. Следим, чтобы улсус не попадал на оголенный конец грифеля. Обмотали плотно и все – изделие готово. Для прочности его можно обвязать ниткой или обернуть скотчем. Подключаем несколько грифельных батареек, для выработки большего тока. И проверяем мультиметром, который показывает наличие тока. (Рис.3.3)

2.5. Батарейка из пластмассовых стаканчиков. (Приложение 5)

Нам понадобится:

1. Стаканчики,

2. Фольга.

3. Салфетки.

4. Уксус.

5. Медная проволока.

6. Мультиметр.

Аккуратно положим фольгу в стаканчик так, чтоб было углубление внутри и часть фольги выступала наружу. Медную проволоку обматываем салфеткой и помещаем её во внутрь стаканчика, следим, чтоб фольга и медь не соприкасались. Наливаем раствор уксуса, чтоб салфетка намочилась и пошла реакция. Показание мультиметра: 88,3 мВ(Рис.4.1)

Собираем аккумулятор из нескольких стаканчиков последовательно. (Рис.4.2) Затем измеряем мультиметром, видим, что ток увеличился. (Рис.4.3) (Рис.4.4) (Рис.4.5) (Рис.4.6)

2.6. Картофельная зажигалка (Приложение 6)

Для получения батарейки подготовим следующие элементы:

• понадобится картошка большого размера;

• провода из меди в изоляции;

• зубная паста;

• древесная щепа или зубочистки;

• столовая соль. (Рис.5.1)

Разрезаем картошку на две части. Желательно делать это вдоль, чтобы получить большую площадь среза. В одной половинке вырезаем сердцевину, чтобы получить ямку. В эту ямку закладываем смесь зубной пасты и соли. Состав должен заполнить собой всё углубление. Эта смесь будет являться электролитом. (Рис.5.2)

В другом куске картофеля проделываем две дырочки. Расстояние между отверстиями должно быть таким, чтобы и одно и другое расположились над смесью электролита, когда обе половинки будут соединены. Эти отверстия нужны для проводов. Концы проводов нужно освободить от изоляции на длину в два сантиметра. Теперь обе части картошки соединяем и, чтобы они не развались, фиксируем зубочистками. (Рис.5.3)

Ждём пять минут, чтобы началась реакция. Теперь замыкаем провода и видим на конце искру. (Рис.5.4) Вот так батарейкой из картошки можно спокойно разжигать огонь на привале в походе.

Картофельной зажигалкой можно воспользоваться только один раз. Например, в походе.

Заключение

В начала исследования была выдвинута гипотеза: мы предполагали, что из подручных средств можно сделать источники электрической энергии. Она была подтверждена в ходе нашего проекта. Действительно, многие вещи, которые нас окружают, вырабатывают электрический ток. Только нужно знать, как заставить их это сделать. Мы смогли ответить на все вопросы. Цель нашего исследования достигнута: мы получили живой ток при помощи изготовления самодельных батареек. Если произойдёт экстремальная ситуация, то на какое-то время мы можем получить ток.

Наши эксперименты можно показывать на уроках физики и окружающего мира. Так же можно предложить сделать необычную батарейку своими руками, что позволит учащихся заинтересовать на уроке, более детально разобраться в устройстве источников тока, как они работают, что для этого нужно. А знания об электрическом токе, катоде и аноде, электролите и т.д., безусловно, пригодятся в дальнейшей учёбе. Как альтернативу, в экстренных ситуациях, особенно для путешественников, предлагаем держать в своём рюкзаке соль, зубную пасту, два медных провода и картофелину, возможно, кому-то это спасёт жизнь.

Список литературы и интернет - ресурсов:

1. https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2017/03/27/tvorcheskiy-proekt-izgotovlenie-batareyki-v

2. https://tehnopanorama.ru/diy/batareyka-iz-prostogo-karandasha-svoimi-rukami.html

3. Энциклопедии «История открытий» серии «Росмэн»

4.  http://www.wikipedia.org

5.  http://dev.planetseed.com/ru/node/28491

6. https://yznavai.ru/batarejka-i-vsjo-o-nej/

7. https://batareykaa.ru/ustrojstvo-batarejki-palchikovoj-krugloj-krony-telefona/

8. https://batteryk.com/ustrojstvo-batarejki 

9. Физика-8, А.В. Пёрышкин, Дрофа, 2019

Приложение 1. Устройство батарейки.

Приложение 2. Лимонные батарейки.

Рис.1.1

Рис. 1.2 Рис. 1.3

Приложение 3. Батарейка из монет.

Рис. 2.1

Рис.2.2 Рис.2.3

Рис.2.4

Рис. 2.5

Рис.2.6

Приложение 4. Графитовая батарейка.

Рис. 3.2

Рис.3.1

Рис.3.3

Приложение 5. Батарейка из пластмассовых стаканчиков.

Рис 4.1 Рис. 4.2

Рис.4.3

Рис.4.4

Рис.4.5

Рис.4.6

Приложение 6. Картофельная зажигалка.

Рис.5.1 Рис.5.2

Рис.5.3 Рис.5.4