XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экологические батарейки
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с таким понятием как «электричество». Электричество – это наш друг. Оно помогает нам во всём. Утром мы включаем свет, электрический чайник. Ставим подогревать пищу в микроволновую печь. Пользуемся лифтом. Разговариваем по сотовому телефону. Трудимся на промышленных предприятиях, в банках и больницах, на полях и в мастерских, учимся в школе, где тепло и светло. Без электричества представить нашу современную жизнь практически невозможно. Электричество настолько глубоко проникло в нашу жизнь, что мы порой и не задумываемся, что это за волшебник помогает нам в работе [1].
В быту мы постоянно пользуемся предметами с батарейками – автономными источниками электричества. Мы живем в то время и в том мире, где без них никак и никуда. Они и в часах, и в фотоаппарате, и в калькуляторе, и в фонарике, и в игрушках. Обычно они сложно устроены.
Благодаря им работает много устройств. От них, казалось бы, столько пользы! Но, увы, это не так.
Рассмотрим минусы этого источника питания. Посмотрев на самую обычную батарейку, можно увидеть на ней перечеркнутую урну – такой знак, который говорит о том, что мы не должны их выкидывать, а сдавать на утилизацию. По мнению ученых, одна небольшая пальчиковая батарейка загрязняет тяжелыми металлами 20 квадратных метров земли — территорию обитания двух деревьев, двух кротов, одного ежика и нескольких тысяч дождевых червей. При этом отравляется 400 литров воды. Металлическая часть батарейки нарушается и тяжелые металлы — ртуть, никель, свинец, кадмий, литий (щелочной), марганец, цинк попадают в почву и грунтовые воды. Ртуть ухудшает зрение, слух, вызывает заболевание нервной системы. Ртуть – это яд. Свинец влияет на почки и иногда на мозг. Кадмий является самым опасным – он вызывает рак. Вред батареек на окружающую среду, как вы видите, очевидный. Вред батареек на природу был и будет, пока люди не начнут заботиться о ней. В Европе уже давно оценили и вред, и пользу батареек. Поэтому сейчас разрабатывают масштабные программы по их утилизации [2].
Для меня, как для юного российского исследователя, стало актуально и интересно создание безопасной батарейки. Сегодня многие исследователи изучают этот вопрос. Американским ученым удалось создать такие «зеленые» батарейки на основе пурпурина — натурального красного красителя, который в достатке имеется в корне растения марены (многолетняя трава) [6]. А компания «Сони» предлагает батарейки на основе оксида серебра [3].
Но возможно ли создать батарейку в домашних условиях на основе сырья цитрусовых? Этот вопрос стал основой для проведения моего исследования.
Цель: Создать батарейки на основе сока и целых фруктов цитрусовых в домашних условиях.
Поставленная цель определила следующие задачи исследования:
изучить суть электричества в литературных источниках и интернете;
теоретически исследовать строение батарейки;
изучить правила безопасного проведения эксперимента;
поставить практический эксперимент по получению электрического тока из цитрусовых;
экспериментально определить напряжение и силу тока таких батареек;
сравнить измерения силы тока и напряжения в соковых и фруктовых батарейках;
на основе измерений выбрать вид цитруса или его сока, силы тока и напряжения которого будет достаточно для свечения светодиода;
понаблюдать за изменениями силы тока и напряжения в зависимости от времени;
провести анализ полученных результатов и сделать выводы по выполненной работе;
Объектом исследования является электрический ток.
Предмет исследования: возможность получения электрического тока из цитрусовых в домашних условиях.
В качестве гипотезы исследования выбираем утверждение: в домашних условиях действительно можно из сока цитрусовых получить больше электричества, чем из целых фруктов, с течением времени сила тока падает, а напряжение остается неизменным.
В работе применялись следующие методы исследования:
Для теоретической части - изучение литературы, данных из интернета, анализ найденной информации;
Для практической части - наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент.
Работа состоит из теоретической и практической частей. Эксперимент разделен на три части:
- получение электричества из целых цитрусовых;
- получение электричества из сока цитрусовых;
- создание батарейки на основе цитрусовых.
В заключении представлены результаты проведенного практического опыта и выводы по всему исследованию. К работе приложен фотоотчет.
Глава 1. Литературный обзор по теме исследования
Волшебник «Электричество»
Что же такое электричество, всегда ли люди знали о нём? В чём заключается суть электричества? Суть электричества сводится к тому, что поток заряженных частиц движется по проводнику (проводник – это вещество, способное проводить электрический ток) в замкнутой цепи от источника тока к потребителю. Это явление называется «электрический ток». Силу электрического тока можно измерить. Единица измерения силы тока — Ампер, получила своё название в честь французского ученого, который первым исследовал свойства тока. Его звали Андре Ампер.
Открытие электрического тока и других новшеств, связанных с ним, можно отнести к периоду конца девятнадцатого — начала двадцатого века. Но наблюдали первые электрические явления люди ещё в пятом веке до нашей эры. Они замечали, что потёртый мехом или шерстью кусок янтаря притягивает к себе лёгкие тела, например, пылинки. Древние греки даже научились использовать это явление – для удаления пыли с дорогих одежд. Ещё они заметили, что, если сухие волосы расчесать янтарным гребнем, они встают дыбом, отталкиваясь друг от друга.
Как и многое в нашей жизни, электричество, имеет не только положительную, но и отрицательную сторону. Электрический ток, как волшебника-невидимку, нельзя рассмотреть, учуять его по запаху. Определить наличие или отсутствие тока можно только, используя приборы, измерительную аппаратуру [1].
Батарейки – автономный источник электричества
Электрические батарейки – очень полезная вещь. Многие игрушки работают от батареек, и это очень удобно. По-научному батарейку называют гальванический элемент. Как же он устроен?
Гальванический элемент состоит их трех частей: положительный электрод, отрицательный электрод, электролит. Электрод – это провод, используемый для создания электрического соединения с чем-либо неметаллическим, как, например, внутри гальванического элемента, а электролит – это вещество, способное высвобождать или захватывать электроны (заряженные частицы). На рисунке показано, как расположены эти части в типичной батарейке [4].
Теоретические основы процесса получения электричества
М ы можем создать сами гальванический элемент, применив в качестве одного электрода обычный гвоздь, скрепку, а в качестве другого – медный провод. Воткнем их в лимон, сок которого и будет нашим электролитом. Медный провод станет положительным выводом нашего элемента, а гвоздь – отрицательным.
Химическая суть гальванических элементов. Когда объединяем лимон, медный провод и гвоздь (скрепку), начинают идти две химические реакции: одна между лимонным соком и гвоздем, другая – между лимонным соком и медным проводом.
В результате первой электроны поступают в гвоздь, а в результате второй электроны покидают медный провод. В гвозде создается избыток электронов, а в медном проводу – их нехватка. Электроны не любят тесноты, поэтому из гвоздя они стремятся перейти в медный провод, чтобы выровнять положение, но химические реакции в лимоне не позволяют им это сделать.
Что же произойдет, если поместить лампочку между гвоздём и медным проводом,? Электроны в гвозде действительно стремятся попасть в медный провод и готовы побежать по самому легкому пути, который смогут найти. Поэтому, когда мы создадим замкнутую цепь через лампочку, они потекут по ней. Вспомним, что электрический ток – это поток электронов, и, если этот поток будет достаточно сильным, лампочка загорится [5].
Напряжение, которое можно получить от элемента, зависит от материалов электродов и электролита, но не зависит ни от размеров электродов, ни от количества электролита. Для получения более высокого напряжения нужно соединить несколько элементов последовательно, т.е. так, чтобы положительный ввод одного соединился с отрицательным выводом другого. Оставшиеся не присоединёнными выводы на концах этой цепочки элементов (батарей) будут служить ее положительным и отрицательным выводами, а ее напряжение будет равно сумме напряжений, создаваемых каждым из элементов.
Глава 2. Экспериментальная часть: получение электрического тока из цитрусовых в домашних условиях
Получение электрического тока из целых цитрусов
Для проведения первой экспериментальной части необходимо подготовить следующие материалы:
Цитрусы
«Пенициллинка» (флакон для расфасовки и хранения лекарственных средств)
«Часовая» батарейка (LR41)
Светодиод
Медная проволока
Канцелярские скрепки (оцинкованная проволока)
Мультиметр – прибор для измерения силы тока и напряжения.
Разомнем апельсин, мандарин, лимон, так, чтобы раздавить маленькие «капсулки» сока в нем, но не повредив кожуру (для помело делаем тоже самое, только с одной долькой). Затем проделаем дырку с одной стороны цитруса и вставим в нее конец медного провода, а с другой стороны скрепку.
Установим на мультиметре режим измерения для постоянного тока. Поочередно измеряем силу тока и напряжения на каждом полученном элементе. Для этого подсоединяем положительный щуп мультиметра к его медному проводу, а отрицательный к скрепке.
Результаты измерений отражаем в таблице:
Таблица 1.
|
Вид цитруса |
Напряжение (V) |
Сила тока (мА) |
|
Апельсин |
0,436 |
0,055 |
|
Мандарин |
0,470 |
0,095 |
|
Лимон |
0,456 |
0,088 |
|
Помело желтое |
0,440 |
0,014 |
|
Лайм |
0,440 |
0,022 |
|
Грейпфрут |
0,340 |
0,022 |
|
Помело красное |
0,430 |
0,014 |
Самая большая сила тока и напряжение – у мандарина. Наименьшее значение силы тока – у помело; наименьшее напряжение – у апельсина.
Получение электрического тока из сока цитрусовых
Аккуратно выдавим сок цитрусовых в «пенициллинки». В резиновые пробки вставляем медный провод и скрепку (необходимо исключить соприкосновение двух металлов между собой как в пробке, так и внутри флакона). Проводим аналогичные изменения с помощью мультиметра.
Результаты измерений отражаем в таблице:
Таблица 2.
|
Вид сока |
Напряжение (V) |
Сила тока (мА) |
|
Сок апельсина |
0,47 |
0,082 |
|
Сок мандарина |
0,43 |
0,034 |
|
Сок лимона |
0,43 |
0,200 |
|
Сок помело желтое |
0,49 |
0,760 |
|
Сок лайма |
0,50 |
0,250 |
|
Сок грейпфрута |
0,48 |
0,040 |
|
Сок помело красное |
0,45 |
0, |
Самая большие значения силы тока и напряжение – у сока помело. Наименьшие значения силы тока и напряжение – у сока мандарина.
При сравнении данных таблиц, можно сделать вывод, что напряжение в целых фруктах и в соках из них практически не меняется. А сила тока в соках выше.
Измерение силы тока и напряжения в соке помело разных видов в зависимости от времени.
Сделаем сок двумя способами:
1. выдавливаем сок из желтого и красного помело руками;
2. измельчаем мякоть обоих видов помело с помощью ручной мельницы.
Сок без мякоти разливаем по пенициллинкам.
Результаты измерений отражаем в таблице:
Таблица 3.
|
Время |
Помело красное |
Помело желтое |
||
|
Выдавлено руками |
Ручная мельница |
Выдавлено руками |
Ручная мельница |
|
|
11:50 |
0,20 А |
0,15 А |
0,18 A |
0,10 A |
|
0,46 V |
0,44 V |
0,46 V |
0,49 V |
|
|
13:50 |
0,05 A |
0,07 A |
0,08 A |
0,04 A |
|
0,44 V |
0,43 V |
0,45 V |
0,48 V |
|
|
15:50 |
0,05 A |
0,04 A |
0,05 A |
0,03 A |
|
0,45 V |
0,43 V |
0,45 V |
0,46 V |
|
|
17:50 |
0,06 A |
0,05 A |
0,05 A |
0,03 A |
|
0,46V |
0,43 V |
0,44 V |
0,47 V |
|
|
19:50 |
0,08 A |
0,07 A |
0,06 A |
0,03 A |
|
0,44 V |
0,42 V |
0,44 V |
0,45 V |
|
|
21:50 |
0,06 A |
0,08 A |
0,06 A |
0,04 A |
|
0,45 V |
0,43 V |
0,45 V |
0,46 V |
|
|
23:50 |
0,06 A |
0,07 A |
0,06 A |
0,05 A |
|
0,43 V |
0,42 V |
0,46 V |
0,47 V |
|
Самое интенсивное снижение силы тока наблюдается в первые 2 часа. Во всех образцах сила тока уменьшилась в два раза, а в образце помело красное выдавленное вручную, в четыре. Напряжение во всех экземплярах оставалось практически без изменений на протяжении всего опыта (12 часов).
Диаграмма 1.
Диаграмма 2.
Создание батарейки на основе цитрусовых
Экспериментально выяснили, что для свечения светодиода необходимо два элемента питания LR41. Напряжение и сила тока в этой электрической цепи составляет 1,8 V и 0,768 мА.
Таким образом для свечения светодиода от «цитрусовой батарейки» нам потребуются минимум 4 «пенициллинки» с соком помело, соединенных последовательно. Для последовательного соединения необходим контакт медной проволоки одной батареи со оцинкованной проволокой другой.
Когда соединим элементы последовательно, общее напряжение батареи будет равно сумме напряжений этих элементов. Если каждый элемент дает по 0,49 V, то общее напряжение составит порядка 2 V.
Значение силы тока при последовательном соединении батарей будет равно среднему значению силы тока этой цепи. Если каждый элемент дает 0,76 мА, то и среднее значение будет 0,76 мА.
Подключим к батарее светодиод. Для этого соединим его длинный вывод с медным проводом, а короткий со скрепкой. Светодиод должен загореться.
Сок помело не слишком мощный элемент питания, поэтому светодиод засветился очень слабо.
Согласно данным таблицы 3 для свечения светодиода целесообразно использовать свежевыжатый сок (не более двух часов с момента получения).
Заключение
В соответствии с поставленными целью и задачами моего исследования изучена суть электричества в литературных источниках и интернете, теоретически исследовано строение батарейки и поставлен практический эксперимент – смоделирован процесс получения электрического тока из цитрусовых в домашних условиях.
Проведенный эксперимент позволил подтвердить гипотезу исследования: в домашних условиях действительно возможно реализовать упрощенную модель получения электрического тока из цитрусовых, работа такой батареи будет эффективной в первые два часа.
Анализ исследования показал, что наибольшее значение силы тока в целых цитрусах наблюдается у мандарина и лимона, а наименьшее — у помело — 0,014 мА. Самое высокое напряжение было зафиксировано у мандарина — 0,470 V. Самое низкое напряжение — у апельсина — 0,436 V.
Напряжение в соках и в целых цитрусах практически не изменяется, а сила тока в соках - увеличивается.
Для свечения светодиода необходимо минимум 4 элемента питания из сока помело, соединенных последовательно. Использовать сок в первые два часа после его получения.
Для более яркого и длительного свечения необходимо объединить параллельно несколько последовательных цепей, в составе каждой – не менее четырех элементов из сока помело.
Фрукты и овощи действительно могут служить источником электрической энергии и из них возможно изготовить «природную батарейку».
Как это ни парадоксально звучит, но это так, и мои опыты это подтверждают. А это значит, что жизнь планеты Земля – «в наших руках!»
В дальнейшем я планирую увеличить срок действия электролита (в нашем случае сока цитрусовых) путем добавления различных веществ. Например, желатина, – для перевода электролита в состояние геля (желе). Также интересно практическое использование такой батарейки в качестве магнитного поля.
ЛИТЕРАТУРА
http://detskiychas.ru/rasskazy/rasskaz_electrichestvo_detyam/
http://www.xn--80aaacnkyej1ders.xn--p1ai/o_vrede_batareek.html
http://1000facts.ru/nakonets-to-poyavilis-bezopasnyie-batareyki/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Батарея_(электротехника)
https://books.google.ru/books?id=ofmIDgAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false
https://hi-news.ru/technology/batarejki-iz-kornej-rastenij-novyj-vid-ekologicheskogo-topliva.html
https://ru.wikipedia.org/wiki/Электричество
http://livescience.ru/Статьи:Фруктовые-батарейки
http://naukaveselo.ru/batareyka-iz-kartoshki.html
«Популярная механика», №152, июнь 2015, Статья «Энергетическая ценность»
http://live-energo.ru/articles/11571
http://www.datacube.tv/2014/11/nauchnue-factu-ob-electrichestve.html
Фотоотчет по проведенному исследованию на тему:
«Электричество в цитрусах»
Эксперимент 1. Получение электричества из целых цитрусовых
(фотографии размещены в хронологическом порядке)
Измеряем силу тока и напряжения в целых цитрусах
Эксперимент 2. Получение электрического тока из сока цитрусовых
Измеряем силу тока и напряжения в соке цитрусов
Эксперимент 3.
Измерение силы тока и напряжения в соке помело разных видов
Сок помело разных видов
Эксперимент 4. Создание «цитрусовой батарейки»
Свечение светодиода от двух элементов питания LR41
Свечение светодиода от «цитрусовой» батарейки