Ученический проект "Необычные источники тока своими руками"

VII муниципальная межпредметная научно-практическая конференция

исследовательских, творческих и проектных работ обучающихся

«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ»

Проект по физике

на тему

«Необычные источники тока своими руками»

Проект выполнили: ученики 8 класса

МКОУ СОШ ЗАТО Солнечный

Вересов Иван Алексеевич

Витько Вадим Сергеевич.

Научный руководитель:

учитель физики

МКОУ СОШ ЗАТО Солнечный

Сербакова Надежда Геннадьевна

п. Солнечный 2019 г

Оглавление:

Введение	стр. 3
Обзор литературы по вопросу	стр. 4-8
Собственные исследования	стр. 8-14
Выводы и заключения	стр. 14
Список литературы	стр. 14

Введение.

Актуальность

Наша работа посвящена необычным источникам тока.

Она появилась благодаря увлечению книгами и желанием мастерить поделки. Мы решили узнать, можно ли из подручных материалов сделать источники тока в случае отсутствия электричества.

Цель: проверить существование источника электрического тока в овощах и фруктах через изготовление самодельных батареек.

Задачи:

1. Познакомиться с литературой об электрическом токе, историей создания первых источников тока, узнать о наиболее эффективных современных химических источниках тока

1. Сконструировать самодельные источники тока;

2. Экспериментально проверить наличие электрического тока в овощах, фруктах, и других веществах для того чтобы загорелся светодиод;

3. Сделать экономически обоснованный расчет.

Методы:

1. Поиск информации по данной теме (книги, энциклопедии, журналы, информацию из Интернета);

2. Проведение экспериментов;

3. Анализ результатов.

Объект исследования: электрический ток.

Предмет исследования: фрукты , овощи и другое.

Гипотеза: предположим, что дорогие батарейки можно заменить самодельными фруктовыми и овощными батарейками .

Практическая значимость работы:

Фруктовые и овощные батарейки можно использовать дома или на даче для подсветки. Полученные нами результаты можно продемонстрировать на уроках физики, а знания об электрическом токе пригодятся в дальнейшей учебе.

Обзор литературы по вопросу.

История изобретения гальванического элемента
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 (1737-1798), относящихся к концу XVIII в.

Гальвани интересовался физиологическим действием электрического разряда. Начиная с 80-х гг. XVIII столетия, он предпринял ряд опытов для выяснения действия электрического разряда на мускулы препарированной лягушки. Однажды он обнаружил, что при проскакивании искры в электрической машине или при разряде лейденской банки мускулы лягушки сокращались, если к ним в это время прикасались металлическим скальпелем.

3аинтересовавшись наблюдаемым эффектом, Гальвани решил проверить, не будет ли оказывать такое же действие на лапки лягушки атмосферное электричество. Действительно, соединив один конец нерва лапки лягушки проводником с изолированным шестом, выставленным на крыше, а другой конец нерва с землей, он заметил, что во время грозы время от времени происходило сокращение мускулов лягушки.

Затем Гальвани подвесил препарированных лягушек за медные крюки, зацепленные за их спинной мозг, около железной решетки сада. Он обнаружил, что иногда, когда мышцы лягушки касались железной ограды, происходило сокращение мускулов. Причем эти явления наблюдались и в ясную погоду. Следовательно, решил Гальвани, в данном случае уже не гроза является причиной наблюдаемого явления.

Для подтверждения этого вывода Гальвани проделал подобный опыт в комнате. Он взял лягушку, у которой спинной нерв был соединен с медным крюком, и положил ее на железную дощечку. Оказалось, что когда тело лягушки касалось железа, то происходило сокращение мускулов лягушки.

Гальвани решил, что открыл «животное электричество», т. е. электричество, которое вырабатывается в организме лягушки. При замыкании нерва лягушки посредством медного крюка и железной дощечки образуется замкнутая цепь, по которой пробегает электрический заряд (электрическая жидкость или материя), что и вызывает сокращение мускулов.

Открытием Гальвани заинтересовались и физики и врачи. Среди физиков был соотечественник Гальвани Алессандро Вольта. (1745 - 1827). Вольта повторил опыты Гальвани, а затем решил проверить, как будут себя вести мускулы лягушки, если через них пропустить не («животное электричество»), а электричество, полученное каким-либо из известных способов. При этом он обнаружил, что мускулы лягушки так же сокращались, как и в опыте Гальвани.

Проделав такого рода исследования, Вольта пришел к выводу, что лягушка является только («прибором»), регистрирующим протекание электричества, что никакого особого «животного электричества» не существует.

Почему же все-таки в опыте Гальвани мускулы лягушки регистрируют протекание электрического разряда? Что является в данном случае источником электричества? Вольта предположил, что причиной электричества является контакт двух различных металлов.

Нужно отметить, что уже Гальвани заметил зависимость силы судорожного сжатия мускулов лягушки от рода металлов, образующих цепь, по которой протекает электричество. Однако Гальвани не обратил на, то серьезного внимания. Вольта же, наоборот, усмотрел в нем возможность построения новой теории.

Не согласившись с теорией («животного электричества», Вольта выдвинул теорию «металлического электричества». По этой теории причиной гальванического электричества является соприкосновение различных металлов.

В каждом металле, считал Вольта, содержится электрическая жидкость (флюид), которая, когда металл не заряжен, находится в покое и себя не проявляет. Но если соединить два различных металла, то равновесие электричества внутри них нарушится: электрическая жидкость придет в движение. При этом электрический флюид в некотором количестве перейдет из одного металла в другой, после чего равновесие вновь восстановится. Но в результате этого металлы наэлектризуются: один - положительно, другой - отрицательно.

Эти соображения Вольта подтвердил на опыте. Ему удалось показать, что действительно при простом соприкосновении двух металлов один из них приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Таким образом, Вольта открыл так называемую контактную разность потенциалов. Вольта проделывал следующий опыт. На медный диск, прикрепленный к обыкновенному электроскопу вместо шарика, он помещал такой же диск, изготовленный из другого металла и имеющий рукоятку. Диски при наложении в ряде мест приходили в соприкосновение. В результате этого между дисками появлялась контактная разность потенциалов (по терминологии Вольта, между дисками возникала «разность напряжений»).

Для того чтобы обнаружить «разность напряжений», появляющуюся при соприкосновении различных металлов, которая, вообще говоря, мала (порядка 1В), Вольта поднимал верхний диск и тогда листочки электроскопа заметно расходились. Это вызывалось тем, что емкость конденсатора, образованного дисками, уменьшалась, а разность потенциалов между ними во столько же раз увеличивалась.

Но открытие контактной разности потенциалов между различными металлами еще не могло объяснить опытов Гальвани с лягушками. Нужны были дополнительные предположения.

Составим обычную замкнутую цепь проводников из разных металлов. Несмотря на то что между этими металлами возникает разность потенциалов, постоянного течения электричества по цени не получается. Это сразу понятно для простейшего случая двух металлов. Возьмем, например, два куска медной и цинковой проволоки и соединим их концы. Тогда одна из них (цинковая) зарядится отрицательным электричеством, а медная - положительным. Если теперь соединить и другие концы этих проволок, то и в этом случае второй конец цинковой проволоки будет электризоваться отрицательно, а соответствующий конец медной проволоки положительно. И постоянного течения электричества в цепи не получится.

Но на опыте Гальвани соединялись не только металлы. В цепь включались и мышцы лягушки, содержащие и себе жидкость. Вот в этом и заключается все дело - решил Вольта.

Он предположил, что все проводники следует разбить на два класса: проводники первого рода - металлы и некоторые другие твердые тела и проводники второго рода - жидкости. При этом Вольта решил, что разность потенциалов возникает только при соприкосновении проводников первого рода.

Такое предположение объясняло опыт Гальвани. В результате соприкосновения двух различных металлов нарушается равновесие в них электричества. Это равновесие восстанавливается в результате того, что металлы соединяются через тело лягушки. Таким образом электрическое равновесие все время нарушается и все время восстанавливается, значит, электричество все время движется.

Такое объяснение опыта Гальвани неверно, но оно натолкнуло Вольта на мысль о создании источника постоянного тока - гальванической батареи. И вот в 1800 г. Вольта построил первую гальваническую батарею - Вольтов столб.

Вольтов столб состоял из нескольких десятков круглых серебряных и цинковых пластин, положенных друг на друга. Между парами пластин были проложены картонные кружки, пропитанные соленой водой. Такой прибор служил источником непрерывного электрического тока.

Интересно, что в качестве довода о существовании непрерывного электрического тока Вольта опять-таки привлекал непосредственные ощущения человека. Он писал, что если крайние пластины замкнуты через тело человека, то сначала, как и в случае с лейденской банкой, человек испытывает удар и покалывание. 3атем возникает ощущение непрерывного жжения, «которое не только не утихает, - говорит Вольта, - но делается все сильнее и сильнее, становясь скоро невыносимым, до тех пор пока цепь не разомкнется».

Изобретение Вольтова столба - первого источника постоянного тока - имело огромное значение для развития учения об электричестве и магнетизме. Что же касается объяснения действия этого прибора Вольта, то оно, как мы видели, было ошибочным. Это вскоре заметили некоторые ученые.

Действительно, по теории Вольта получалось, что с гальваническим элементом во время его действия не происходит никаких изменений. Электрический ток течет по проволоке, нагревает ее, может зарядить лейденскую банку и т. д., но сам гальванический элемент при этом остается неизменным. Но такой прибор является не чем иным, как вечным двигателем, который, не изменяясь, производит изменение в окружающих телах, в том числе и механическую работу.

К концу XVIII в. среди ученых уже широко распространилось мнение о невозможности существования вечного двигателя. Поэтому многие из них отвергли теорию действия гальванического элемента, придуманную Вольта.

В противовес теории Вольта была предложена химическая теория гальванического элемента. Вскоре после его изобретения было замечено, что в гальваническом элементе происходят химические реакции, в которые вступают металлы и жидкости. Правильная химическая теория действия гальванического элемента вытеснила теорию Вольта.

После открытия Вольтова столба ученые разных стран начали исследовать действия электрического тока. При этом совершенствовался и сам гальванический элемент. Уже Вольта наряду со «столбом» стал употреблять более удобную чашечную батарею гальванических элементов. Для исследования действий электрического тока стали строить батареи со все большим и большим числом элементов.

Наиболее крупную батарею в самом начале XIX в. построил русский физик Василий Владимирович Петров (1761 - 1834) в Петербурге. Его батарея состояла из 4200 цинковых и медных кружков. Кружки укладывались в ящик горизонтально и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем. Батарея Петрова была описана им в его книге («Известия о Гальвани-Вольтовых опытах», вышедшей в России в 1803 г.

Первые шаги в изучении электрического тока относились к его химическим действиям. Уже в том же году, в котором Вольта изобрел гальваническую батарею, было открыто свойство электрического тока разлагать воду. Вслед за этим было произведено разложение электрическим током растворов некоторых солей. В 1807 г. английский химик Дэви путем электролиза расплавов едких щелочей открыл новые элементы: калий и натрий.

Исследование химического действия тока и выяснение химических процессов, происходящих в гальванических элементах, привело ученых к разработке теории прохождения электрического тока через злектролиты.

Вслед за изучением химического действия тока ученые обратились к его тепловым и оптическим действиям. Наиболее интересным результатом этих исследований в самом начале XIX в. было открытие электрической дуги Петровым.

Открытие, сделанное Петровым, было забыто. Многие, особенно иностранные, ученые о нем не знали, так как книга Петрова была написана на русском языке. Поэтому, когда Дэви в 1812 г. снова открыл электрическую дугу, его стали считать автором этого открытия.

Современные источники тока.

Батарейки бывают разнообразной формы и размеров. Некоторые – маленькие, как таблетка. Некоторые – величиной с холодильник. Но все они работают по одному принципу. В них создается электрический заряд в результате реакции между двумя химическими веществами, в ходе которой электроны передаются от одного из них другому.
Виды батареек, их размеры и формы бывают совершенно разными, поэтому порой, попав в магазин, человек попросту не знает, что ему нужно. Без аккумуляторов трудно представить современную жизнь. Они находятся во всех окружающих нас бытовых приборах: часах, ноутбуках, фонариках, электрорамках для фото, детских игрушках и пультах.

Солевые
Их легко отличить по цене, ведь они являются самыми дешевыми. На рынке представлены фирмами «Дюраселл», «Сони», «Тошиба». Являются усовершенствованными марганцево-цинковыми батарейками. Желательно применять в приборах с низким потреблением напряжения: часах, весах, пультах.

Быстро разряжаются, их нельзя зарядить обратно. При длительной эксплуатации гальванический элемент может протечь. При минусовых температурах солевые аккумуляторы перестают работать. Несмотря на многие недостатки, данный продукт востребован на рынке.

Щелочные, или алкалиновые
Алкалиновые батарейки появились в 1964 году, а выпустила их фирма «Дюраселл». Электролитом выступает щелочь – гидроксид калия (КОН), отсюда и название у данного элемента питания. Щелочные аккумуляторы имеют большую мощность, нежели их солевые аналоги, они более герметичны (а значит меньше риск протекания), почти не подвержены саморазряду.
Их легко отличить от других – на упаковке присутствует надпись ALKALINE. Применяют их в детских игрушках, пультах ДУ, радио и ночниках. Недостатками считается большая масса и высокая стоимость.

Ртутные батарейки
Не получили широкого распространения из-за высокой стоимости и повышенной токсичности. Ведь они могут протечь, а ртуть опасна для человека. Но такой гальванический элемент можно перезаряжать несколько раз. Хотя со временем теряется его емкость — за счет того, что ртуть стекает и собирается каплями внутри батареи.
Достоинствами данных изделий можно назвать хорошую бесперебойную работу в суровых атмосферных условиях, длительный срок годности.
Серебряные
Работают по аналогии с ртутными аккумуляторами. Недостаток только один – очень высокая стоимость. Но при этом у них емкость на 30-50% больше, чем у литиевых батареек. Серебряные элементы питания хорошо работают при высоких и низких температурах, обладают длительным сроком службы.

Литиевые
Появились сравнительно недавно. Обладают большим сроком службы и хранения, герметичны, работают в суровых условиях, их можно перезаряжать. На данный момент это самые лучшие аккумуляторы на рынке, хотя их стоимость нельзя назвать низкой. Подходят для приборов с повышенным энергопотреблением: портативных колонок, фонарей, детских игрушек со звуковым сопровождением

Батарейка – это удобное хранилище электричества, которое может быть использовано для обеспечения энергией переносных устройств. Некоторые батарейки предназначены для одноразового использования, другие можно перезаряжать. Как работает такая батарейка?

Цинк – отрицательный полюс. А медь – положительный полюс. Когда в цепи есть светодиод, то электрический ток вызывает его свечение.

Между прочим  изобретенная 200 лет назад самая первая батарейка работала  именно на основе фруктового сока. 

Алессандро Вольта в 1800 году сделал открытие, собрав нехитрое устройство из двух пластин металла (цинк и медь) и кожаной прокладки между ними, пропитанной лимонным соком.

Алессандро Вольта выявил, что между пластинами возникает разность потенциала. Именем этого ученого назвали единицу измерения напряжения.

Фруктовый сок по своему составу представляет собой слабую кислоту, поэтому если вставить во фрукт 2 электрода: один медный другой цинковый, то между электродами потечет слабый ток, достаточный для питания электронных часов, маломощных, например диодных ламп. Чтобы в этом убедиться, проделаем опыты.

Собственные исследования.

1. Изготовление батарейки

Итак, для создания своих фруктовых и овощных батарей взяли

1.1. Материал:

- картофель, лук, яблоки, соленые огурцы, лимоны ;
- несколько кусочков медной изолированной проволоки длиной 15 - 20 см – для создания положительного полюса;
- железные проволоки, цинковые пластинки – для создания отрицательного полюса;
- светодиод;
- медные пластинки – для создания положительного полюса

микроамперметр – для регистрации тока, вольтметр для измерения напряжения

1.2. Технология изготовления:
1) Необходимо взять проволоку с зачищенными противоположными концами на расстоянии 2 – 3 см;

2) После этого нужно на одном из концов проволоки закрепить гвоздь.

3) Взять фрукт или овощ, который мы собираемся использовать как батарейку и сделаем шилом два отверстия на расстоянии 2 см.. В эти отверстия должны войти гвоздь и проволока .

Приложив два свободных конца проволок к контактам прибора, увидим, что стрелка отклонилась.
Следовательно, в цепи есть ток.

1.3. Эксперимент№ 1.

1) Измерим напряжение и силу тока в созданных источниках тока.

Результаты работы свели в таблицу.

Объект	Результат (проволоки)		Результат (пластины)
	количество	Напряжение U.мВ	Напряжение U.мВ	Сила тока I. мА
Лук	1	4 мВ	12 мВ	0,2 мА
Картофель	1	6 мВ	20 мВ	0,4мА
Яблоко	1	2 мВ	8 мВ	0,2 мА
Лимон	1	8 мВ	22мВ	2 мА
Солёный огурец	1	24 мВ	200мВ, но постепенно уменьшается	3мА

Из таблицы видно, что источником тока с самым большим напряжением и силой тока является солёный огурец

2) Диаграмма №1
Напряжение (проволока)
(U.мВ)

Масштаб диаграммы №1: 1:1

Диаграмма №2

Напряжение (пластины)
(U.мВ)

Масштаб диаграммы №2: 1:2

Диаграмма №3

Сила тока (пластины)
(I.мA)

Масштаб диаграммы №3: 1:1

Мы решили сравнить с экономической точки зрения, что выгоднее обыкновенная батарейка или фруктовая и овощная.

Примерные цены:

Таблица 3

яблоки	1 кг	60 рублей
Солёный огурец	1кг	49 рублей
Лимон	1 кг	152 рубля
Картофель	1 кг	40 рублей
Лук	1 кг	45 рублей
Батарейка	1 штука	18 рублей

Из таблицы видно, что чтобы сделать фруктовую и овощную батарейку понадобится больше затратить денег, чем на обыкновенную батарейку. Обыкновенные батарейки служат дольше, чем овощные.

Эксперимент№2 Какой электролит лучше: Кока-кола или огуречный рассол?
2.1. Материал:

Вещество	Кока-кола	Огуречный рассол
Напряжение (U,В)	1 В	1 В

2 мензурки ,кока-кола, огуречный рассол, 2 пластины из меди и цинка, вольтметр, 2 провода с “ крокодилами”
2.2. Технология изготовления:
1)нальём в первую мензурку кока-колу ,а во вторую рассол
2)опустим две пластины в мензурку с кока-колой так ,чтобы они не соприкасались между собой
3) при помощи крокодилов и вольтметра измерим напряжение на пластинах
4)все те же действия осуществим с мензуркой ,наполненной огуречным рассолом.


Из таблицы можно сделать вывод ,что оба вещества дают одинаковое напряжение и являются равноценными электролитами.

Эксперимент№3

Гальванический элемент из ячеек льда на основе соленой воды

1.Запаситесь всем необходимым. Для данного гальванического элемента вам понадобится немного медной проволоки, 15 шурупов для скрепления тонколистового металла, форма для льда и вода.^[2] Кроме того, потребуются ножницы, вольтметр и два провода с зажимами “крокодил” на обоих концах. Необходимо будет обмотать все шурупы медной проволокой, за исключением одного, который послужит отрицательным выводом (к нему вы присоедините один из проводов после того, как соберете гальванический элемент).

• Количество шурупов зависит от числа ячеек в форме для льда. Например, можно использовать форму с 14 ячейками.

Можно использовать шурупы из любого металла, кроме меди. Подойдут шурупы из оцинкованной стали или алюминия. Что касается их длины, она должна составлять около 2,5 сантиметра.


2. Возьмем 14 шурупов и обмотаем их медной проволокой. Два раза оберните медную проволоку вокруг каждого шурупа под его шляпкой. После этого загните крючком свободный конец каждой проволочки. За эти крючки вы подвесите шурупы на край формы для льда.

• Можно заранее нарезать медную проволоку на кусочки, длины которых хватит на обматывание шурупа (с небольшим запасом для крючка), или обматывать каждый шуруп и после этого обрезать проволоку.

3. Поместим по одному шурупу в каждую ячейку формы для льда. Это будут отдельные ячейки гальванического элемента. Подвесьте шурупы на края ячеек. Следите, чтобы в каждой ячейке располагался лишь один шуруп.

4. Подсоединим к одному краю формы для льда положительный и отрицательный выводы. Нацепите на внешнюю сторону одной из ячеек формы для льда крючок из медной проволоки. С этой же стороны формы, но на соседней ячейке разместите шуруп. Этот шуруп должен выступать над краем формы, поскольку к нему необходимо будет подсоединить провод.

5. Наполним ячейки водой. Налейте в каждую ячейку достаточно воды, так чтобы в нее погрузились медные крючки и все шурупы.

6. Подсоединим провода к положительному и отрицательному выводу. Возьмите один провод и с помощью зажима прикрепите его к медному выводу. Затем таким же образом подсоедините другой провод к выводу с шурупом.

• Будьте внимательны и следите, чтобы зажимы не касались воды.

• Неважно, провод какого цвета подсоединять к тому или иному выводу.

7. Испытаем гальванический элемент. Подсоедините свободные концы проводов к вольтметру. Батарея из 14 ячеек дает примерно 9 вольт.

8. Увеличим напряжение. Можно увеличить создаваемое батареей напряжение, если применить в качестве проводящей жидкости раствор из соленой воды, уксуса, отбеливателя и сока лимона или лайма, либо использовать больше медной проволоки.

Выводы и заключения.

Проведенные эксперименты, позволят сделать выводы:

• Из литературы - биологические объекты могут быть источниками тока

• Из использованных фруктов и овощей лучшими источниками электрического тока являются лимоны и соленые огурцы;

• Все фруктовые и овощные батареи, состоящие из четырех элементов, дают свечение светодиода (ток и напряжение достаточны);

• Напряжение 1 В и более можно получить, используя в качестве электролита кока-колу или огуречный рассол

Заключение

Наша гипотеза о замене дорогих батареек фруктовыми и овощными и ,изготовленными из пищевых жидкостей, батарейками подтвердилась частично, данные вещества могут служить источниками тока, но экономически не выгодны.

Данная тема нас заинтересовала, поэтому в дальнейшем мы планируем дальше изучать действия электрического тока, продолжать ставить опыты и изучать другие действия и источники электрического тока.

Список интернет ресурсов

1. https://studfiles.net/preview/4372766/

2. https://batteryk.com/vidy-batareek

16