XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование источников постоянного тока
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Электрическая энергия заставляет работать все вокруг нас. Электричество начинается с атомов, в которых находятся частицы - протоны и электроны. У протона положительный заряд, а у электрона отрицательный. Электроны притягиваются к центру атома, где расположены протоны. Это взаимодействие создает электричество.
Цель: обзор литературы по открытию электричества и первых источников электрического тока, изготовление гальванического элемента и исследования влияния природы кислотного раствора на величину напряжения и силу тока в цепи при постоянной нагрузке.
Задачи:
1. Анализ и изучение различной информации
2. На основании изученного материала и полученных данных изготовить гальванический элемент с электродами - пластины цинка и меди и электролитом - раствором лимонной кислоты.
3. Измерить величину напряжения и силу тока в цепи при постоянной нагрузке и разной концентрации кислотного раствора
Объект исследования — источник тока.
Предмет исследования — постоянный ток.
Методы исследования: анализ, сравнение, измерение, обобщение, наблюдение, опыты.
Исследование производилось с использованием амперметра, вольтметра, электронных весов.
Гипотеза — исследования в области материаловедения, поиск новых электродов и электролитов для создания новых гальванических элементов имеет важное значение для развития промышленности, машиностроения, приборостроения.
Практическая значимость: Новые гальванические элементы меньшие по размеру, большие по емкости, силе тока дадут возможность человечеству к переходу на экологические источники энергии в большем объеме, а также позволят дальнейшее развитие в космосе, т.к. без источников энергии жизнь и развитие человечества практически невозможна.
I Основная часть
I.I Электрический ток
В проводниках свободные электроны всегда находятся в движении. Но при отсутствии внешнего электрического поля они движутся хаотично.
Если поместить проводник в электрическое поле, то свободные заряды под действием электрических сил начнут смещаться вдоль силовых линий, причем все одноименные заряды будут двигаться в одном направлении [4].
Электрическим током называют направленное, упорядоченное движение заряженных частиц (зарядов). Ток— это движение заряженных частиц (зарядов) в проводнике, напряжение— это то, что приводит их (заряды) в движение. Эти заряды называют носителями тока. В металлах и полупроводниках носителями тока являются свободные электроны, в электролитах и ионизированных газах - положительные и отрицательные ионы, в вакууме - электроны
Основные свойства электрического тока:
- Прохождение электрического тока в проводниках сопровождается тепловыми эффектами, т.е. выделением тепла. Исключением являются металлы при очень низких температурах, которые при этом становятся сверхпроводниками.
- Прохождение электрического тока приводит к химическим эффектам, т.е. переносу ионов в растворе.
- Создание магнитного поля. Все магнитные поля вызываются электрическими токами.
Существует постоянный и переменный электрический ток.
I.II Постоянный электрический ток
Постоянный ток имеет устойчивые свойства и направление движения заряженных частиц, которые не изменяются со временем. Постоянный ток «течет» все время в одну сторону. Например, по металлическим проводам. Сами электроны движутся от минуса к плюсу, но еще до открытия электронов договорились считать, что ток течет от плюса к минусу и до сих пор при расчетах придерживаются этого правила. [10]. Ток движется по прямой без колебаний. Поэтому у постоянного тока нет частоты. В одном направлении движется каждый электрон.
В каждой точке проводника, по которому протекает постоянный ток, одни электрические заряды непрерывно сменяются другими, совершенно одинаковыми по сумме электрическими зарядами [8].
Он используется многими электрическими устройствами в домах и в автомобилях. От постоянного тока работают компьютеры, ноутбуки, телевизоры и многие другие устройства. Для преобразования переменного тока в постоянный используются специальные блоки питания и трансформаторы напряжения.
Постоянное движение электрических зарядов создается и поддерживается сторонними силами, которые могут иметь химическую (в гальванических элементах), электромагнитную (динамомашина постоянного тока), механическую (электрофорная машина) или иную (например, радиоактивную) природу [8]. Во всех случаях источник тока это преобразователь какой-либо энергии в электрическую.
Все электрические устройства, которые работают от батарей и аккумуляторов потребляют постоянный ток, так как батарея– это источник постоянного тока.
II.III Переменный электрический ток
Переменным называют электрический ток, который может изменяться по направлению движения заряженных частиц и величине с течением времени [6]. Важными характеристиками переменного тока считаются его частота и напряжение. В современных электрических сетях на разных объектах используется переменный ток, имеющий определенное напряжение и частоту. В России в бытовых электросетях ток имеет напряжение 220 В и частоту равную 50 Гц. Частота электрического переменного тока– это число изменений направления движения заряженных частиц за 1 секунду, то есть, при частоте в 50 Гц он меняет направление 50 раз в секунду [6]. Таким образом, разница переменного тока от постоянного в том, что в переменном токе заряженные частицы могут менять направление движения, а в постоянном нет. Поток электронов может двигаться в любом направлении и меняет свое направление. Отдельные электроны в потоке движутся хаотично. Для переменного тока не требуется соблюдать полярность.
При переменном токе постоянно меняется его заряд. Напряжение то 100 %, то 0%, то снова 100%.
Источниками переменного тока в быту являются розетки. К розеткам подключаются бытовые приборы, получающие необходимое напряжение. Переменный ток используется в электрических сетях потому, что величина напряжения может быть изменена до необходимых значений с помощью трансформаторного оборудования с минимальными потерями. Переменный ток гораздо проще и дешевле транспортировать от источников электроснабжения до конечных потребителей, чем постоянный ток.
I.IV. Гальванический элемент
Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока [3].
Поскольку начало исследованиям положил Луиджи Гальвани, то и название химического источника тока сохранило память о нем в своем названии.
В гальванических элементах химическая энергия переходит в электрическую.
Если кусок металла, например цинка, положить в воду, та такая система не будет находиться в равновесии. Кристаллическая решетка цинка состоит из положительных ионов цинка и под влиянием молекул воды, они будут отрываться от металла и переходить в слой воды. В результате этого, цинк зарядится отрицательно, а вода положительно. На границе металла и воды образуется тонкий поверхностный слой, называемый двойным электрическим слоем, в котором возникает электрическое поле, направленное от воды к металлу [10]. Это поле будет препятствовать переходу ионов металла в воду и способствовать возвращению их обратно в металл. Установится равновесие, в котором число ионов, переходящих из металла в воду будет примерно равно числу ионов, возвращающихся обратно из воды в металл. Тоже самое произойдет если металл погрузить в водный раствор соли того же металла. Если в электролит поместить другой металл и замкнуть цепь, то ионы цинка в воде начнут двигаться в сторону другого металла. В цепи появится ток.
I.V. Классификация гальванических элементов
Гальванические первичные элементы — это устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя), в электрическую [3]. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие прекращается после расхода реагентов. Это батарейки. Повторное использование их невозможно из-за необратимости химических реакций произошедших во время их работы.
Вторичные источники тока (аккумуляторы). В них используются солевые и щелочные элементы. Это устройства, где электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая — снова превращается в электрическую. Перед использованием аккумулятор заряжается. Во время работы аккумулятора накопленная химическая энергия превращается в электрическую. Вторичные источники возможно использовать многократно, т.к. дальнейшая зарядка аккумулятора приводит к восстановлению веществ, необходимых для его работы.
В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью.
Электрохимические генераторы (топливные элементы) — это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам [1]. В процессе работы топливного элемента, электроды не расходуются. Восстановителем является водород (H2), метанол (CH3OH), метан (CH4); в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород — из воздуха или чистый. В кислородно-водородном топливном элементе со щелочным электролитом, происходит превращение химической энергии в электрическую. Энергоустановки применяются на космических кораблях: они обеспечивают энергией космический корабль и космонавтов для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.
Полутопливные элементы содержат одно из реагирующих веществ, а второе при работе постоянно поступает в элемент снаружи. Срок службы ограничен запасом невозобновляемого вещества. Если возможно восстановление вещества путем зарядки, то полутопливный элемент восстанавливает свою работу как аккумулятор.
I.VI. Изготовление гальванического элемента
Для изготовления гальванического элемента в домашних условиях были использованы 2 химических стеклянных стакана объемом 100 мл, цинковые и медные пластины размеров 2 см на 5 см., порошок лимонной кислоты, вода, текстолит, электронные весы, амперметр, вольтметр.
Пластины из цинка и меди были закрепили на кусочке текстолита. Текстолит - это изолирующий материал, изготовленный из ткани, пропитанной смолой. К каждой пластине прикрепили медные провода.
Затем изготовлены 2 вида раствора лимонной кислоты. В первом случае в химический стакан налито 100 мл воды и насыпано 6 грамм лимонной кислоты. Раствор перемешан до растворения порошка. Во втором случае - в 100 мл воды добавлено 18 грамм порошка лимонной кислоты. Таким образом, было подготовлено 2 стакана с разными растворами по концентрации.
Далее конструкция из пластин с проводами была помещена в первый стакан со слабой концентрацией. Провода от конструкции прикрепили к вольтметру постоянного тока для определения напряжения. Предел измерения 3 Вольта. Цепь замкнули. Вольтметр показал напряжение 3,3 единиц. 3.3х0,3 = 1 Вольт. Напряжение - это разность потенциалов между электродами и отображает работу, которую необходимо совершить для переноса единичного заряда из одной точки в другую (от одного электрода к другому).
После этого, тот же процесс был проделан со вторым стаканом, где концентрация лимонной кислоты была в три раза выше. Вольтметр показал все тоже напряжение 1 Вольт.
Следовательно, величина напряжения не зависит от концентрации электролита. В нашем случае от концентрации раствора лимонной кислоты.
Второй этап эксперимента заключался в измерении силы тока в цепи. Сила тока это - количество зарядов прошедших через проводник за единицу времени. Сила тока измеряется в Амперах. Но это довольно большая единица измерения. Например, при включении в сеть напряжением 220 Вольт электрической лампочки мощностью 220 Ватт в цепи будет течь ток 1 Ампер. В микросхемах текут слабые токи и для их измерения используют величину микроамперы. 1 ампер равен 1000 микроампер.
Для измерения силы тока вновь был взят стакан со слабым раствором лимонной кислоты, туда помещены пластины с проводами, провода прикреплены к амперметру постоянного тока и к сопротивлению 7 Ом. Сопротивление - это свойство проводника оказывать препятствие прохождению электрического тока в цепи. Сопротивление измеряется в Омах. Сопротивление равно разности напряжения на концах проводника деленное на силу тока. При напряжении на концах проводниках 1 Вольт и силе тока 1 Ампер сопротивление равно 1 Ом. Предел измерения Амперметра 3 микроампера. В нашем случае, Амперметр показал 4 единицы. 4 х 0,3 мА = 1,2 микроампер. Сила тока в цепи со слабым раствором электролита составила 1,2 микроампер.
После этого, те же действия проделаны с раствором лимонной кислоты большей концентрации. В этом случае, амперметр показал силу тока 6 единиц. 6х0,3 мА= 1,8 микроампер. Таким образом, сила тока в растворе большей концентрации оказалась выше и составила 1,8 микроампер.
Вывод: величина силы тока зависит от концентрации электролита. Чем выше концентрации, т.е. качественнее электролит, тем большую силу тока может поддерживать гальванический элемент.
Кроме того, в процессе опыта наблюдался следующий процесс: на цинковой пластине образовывались пузырьки, и они постепенно, как при кипении, отрывались от пластины. Выглядело это, как будто цинковая пластина кипит. На самом деле, происходило следующее: от цинковой пластины отрывались ионы и двигались в сторону медной пластины. Цинковая пластина заряжалась отрицательно, т.к. она теряла ионы, а медная пластина заряжалась положительно, т.к. она получала ионы.
Проведенное исследование имеет положительный результат. В домашних условиях удалось изготовить гальванический элемент. Приборами было установлено наличие электрического тока в изготовленной цепи из двух пластин медной и цинковой, электролита - раствора лимонной кислоты и проводом. При этом, происхождение электрического тока имеет химическую природу, т.е. химическая энергия проходящая в растворе превратилась в электрическую.
II. Заключение
Приступая к данной работе, мне было интересно узнать о том, что такое электрический ток, что такое гальванический элемент и как он работает. Я хотел сам провести опыты для доказательства возникновения электрического тока в замкнутой цепи. Проведя исследования, изучив литературу, я пришел к выводу, что могут быть использованы различные электролиты для создания гальванических элементов. В бытовых условиях использовался порошок лимонной кислоты для создания раствора лимонной кислоты разной концентрации.
Проведены исследования и измерено напряжение в изготовленной цепи и сила тока. Результаты показали, что электрический ток химического происхождения появился в изготовленной цепи. Напряжение составило 1 Вольт. Напряжение в цепи не зависит от концентрации электролита. Сила тока, наоборот имеет зависимость от концентрации электролита при постоянной нагрузке. В электролите большей концентрации сила тока отказалась выше (1,8мА), чем в растворе меньшей концентрации (1,2 мА).
Таким образом, цели моей работы достигнуты. Я решил поставленные задачи, а именно: изучил литературу, изготовил гальванический элемент, проверил наличие электрического тока в изготовленной цепи, измерил напряжение и силу тока, провел анализ полученных данных.
Процесс создания совершенного гальванического элемента нельзя считать до конца совершенным. Ученые ежедневно работают над созданием гальванического элемента большой емкости и мощности, безопасного, дешевого. Это даст большой прорыв в машиностроении, приборостроении, других отраслях, т.к. источники тока нужны для работы различных приборов и не всегда есть возможность подключения приборов к электросетям с переменным током. Кроме того, это позволит перейти на использование экологически чистой энергии в большем объеме. Для достижения цели нужны исследования в области материаловедения.
III. Список литературы :
1.Батарейки. [Электронный ресурс] http://батарейки.рф/current.sources.php (дата обращения - 26.10.2020)
2.Гальванические элементы – устройство, принцип работы, виды и основные характеристики [Электронный ресурс] http://electrik.info/main/school/1267-galvanicheskie-elementy-ustroystvo.html (дата обращения - 26.10.2020)
3.Гальванический элемент [Электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/ гальванический элемент (дата обращения - 26.10.2020)
4.Жданов Л.С., Маранджян В.А., Курс физики. Москва. Наука. 1966
5.Новая энциклопедия школьника Москва, Махаон, 2008
6.Отличия постоянного и переменного тока [Электронный ресурс] http://podvi.ru/interesnoe/otlichie-postoyannogo-i-iperemennogo-toka.html (дата обращения - 26.10.2020)
7.Перспективные источники тока [Электронный ресурс] http://www.powerinfo.ru/promisingbattery.php (дата обращения - 26.10.2020)
8.Постоянный ток [Электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/постоянный ток. ( дата обращения - 26.10.2020)
9.Россель Ж. Общая физика. Москва, Мир, 1964
10.Сивухин Д. В.Общий курс физики. Том 3 Электричество Москва . Наука. 1977
11.Электрический ток – постоянный и переменный. [Электронный ресурс] http://seleadmin.ru/questions/elektricheskiy_tok_postoyanniy_peremenniy. ( дата обращения - 26.10.2020)
Приложение 1
Фото созданных гальванических элементов