XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Удивительный мир электричества.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность:
У меня часто возникали вопросы: Как электричество заставляет гореть лапочки? Откуда берется электрический ток в розетке? Как мои игрушки работают от батарейки, откуда в батарейке электричество? И в чем разница между электрическим током и электричеством? Почему батарейку я свободно беру в руки, и ток не приносит мне вреда, а вот в розетку пальцы засовывать нельзя, током убьет? Мне стало интересно: что такое статическое электричество, как собрать электрическую цепь как в домашних условиях.
Электричество находится повсюду. Задача человечества – найти вещества с подходящими свойствами, преобразовать энергию в безопасную, нужную людям для получения электрического тока.
Цель проекта: изучить электрические цепи с разными видами тока и создать макет электрической цепи «Светящаяся роза» с использованием светодиодной лампы внутри.
Объект исследования: статистическое электричество, электрические цепи.
Предмет исследования: образование статистического электричества; электрические цепи, созданные из овощей и фруктов, с помощью батарейки и светодиодной лампы в домашних условиях.
Задачи:
Изучить природу электричества и электрического тока.
Узнать, как электричество попадает в наш дом.
Познакомиться со статистическим (безопасным) электричеством.
Ознакомиться с принципом работы батарейки.
Исследовать электричество с помощью опытов.
Изготовить «домашнюю» батарейку.
Гипотеза моего исследования: предположим, что ток в электрической цепи бывает разным.
Этапы работы над проектом:
Проанализировать научную информацию по данной теме.
Проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения электрического тока;
Анализ и обобщение полученных результатов исследования.
Методы исследования:
Поиск и сбор информации.
Наблюдение, эксперимент, проведение опытов.
Проектирование и создание собственного продукта «Светящаяся роза».
Обобщение данных, сопоставление результатов исследования.
Тип проекта – реферативно-экспериментальная работа.
Материалы и оборудование:
Источники информации по теме.
Компьютер.
Фотоаппарат.
Лабораторное оборудование: вольтметр, лимоны, клубни картофеля, цинковые пластины, саморезы, уксус, медная проволока, батарейки, светодиодная лампа, искусственный цветок розы.
2.Краткий обзор литературы
Первые шаги к пониманию природы электричества были сделаны в середине XVIII века, когда французский физик Кулон открыл закон о взаимодействии электрических зарядов. Электрический заряд возникает при избытке или недостатке электрически заряженных частиц.
Упорядоченное движение свободных электрически заряженных частиц называется электрическим током.
Постепенно, накапливая опыт, люди научились создавать и использовать электричество в своих нуждах. Электричество поступает в наши дома по толстым проводам или кабелю (см. Приложение №1, 2). Попробуй представить себе, как течет вода в реке. Точно так же движется по проводам электричество.
Из источников информации я узнал, что сейчас мы получаем электричество благодаря большим электростанциям. На электростанциях есть генераторы — это большие машины, которые работают от источника энергии. Обычно источник – это тепловая энергия, которую получают при нагревании воды. А для нагревания воды используют уголь, нефть, природный газ или ядерное топливо. Пар, который образуется при нагревании воды, приводит в действие огромные лопасти турбины, а турбины запускают генератор.
Как источник питания для генераторов можно использовать силу ветра или тепло Солнца, но их используют не так часто. Далее работающий генератор при помощи огромного магнита создаёт поток электрических зарядов, то есть ток, который проходит по медным проводам. Чтобы передавать электричество на большие расстояния, необходимо увеличить напряжение. Для этого используют трансформатор — устройство, которое может повышать и понижать напряжение. Теперь электричество с большой мощностью по огромным кабелям, которые находятся глубоко под землёй или высоко в воздухе, движется к месту назначения. Перед тем, как попасть в квартиры и дома, электричество проходит через другой трансформатор, который понижает его напряжение. Теперь готовое к использованию электричество движется по проводам к необходимым объектам.
Но все это электричество ручное. Человек его изловил и заставил работать. Ну, а есть ли на свете электричество дикое, неприрученное? Такое, которое живет само по себе? Да, есть - это статическое электричество.
Статическое электричество — одно из интереснейших явлений природы. Действие статического электричества основано на том, что все предметы имеют положительный электрический заряд и отрицательный. Положительно и отрицательно заряженные объекты притягиваются друг к другу, как магнит. Статическое электричество может возникнуть от ходьбы по шерстяному ковру, при надевании свитера, расчесывании волос, контакте с полиэтиленом или пенопластом. Статическое электричество относительно безопасно для человека. Молния, тоже представляет собой гигантскую электрическую искру, электрический разряд в результате накапливания статического электричества в туче во время грозы. Естественно, сила таких зарядов очень высока и молнии смертельно опасны для человека.
При правильном использовании статическое электричество может приносить немало пользы. Чтобы очистить воздух от пыли, сажи, кислотных и щелочных паров, прибегают к электростатическим фильтрам. Работа ксероксов и принтеров также основана на действии статического электричества: положительные заряды притягивают частицы краски, создавая картину, затем порошок переносится на лист заряженной бумаги, где горячие валики укатывают ее в бумагу. Вещества, по которым передаются электрические заряды, называют проводниками электричества.
Хорошие проводники электричества — металлы (серебро, медь и алюминий, почва, растворы солей, кислот или щелочей в воде, графит). Тело человека также проводит электричество.
Вещества, по которым заряды не передаются, называют диэлектриками или изоляторами. К хорошим изоляторам относятся фарфор, резина, различные пластмассы, шелк, шерсть, керосин, масла. Изоляторы применяют для изоляции проводов, по которым течет ток, от внешних предметов.
Электричество может возникнуть не только при трении. Причиной возникновения тока может быть химическая реакция. Так устроены привычные нам батарейки.
Первая электрическая батарейка появилась в 1799 году. Её изобрел Алессандро Вольта. Он же изобретатель источника постоянного электрического тока (см. Приложение №3).
Батарейки бывают круглые, квадратные. Я рассмотрел строение и расскажу вам про пальчиковую батарейку. Её назвали так, потому что она похожа на пальчик. Снаружи я увидел, что с одного конца батарейки стоит знак «плюс», а с другого «минус». Внутри современной батарейки два цилиндрика: анод +; катод -, вставленные один в другой. Между цилиндриками (плюсом и минусом) - специальный барьер (сепаратор, раствор или паста). От одного цилиндрика к другому и течет электрический ток.
Принцип работы батарейки: от одного цилиндрика по проводу ток идет в лампочку и дальше по проводу подходит к другому цилиндрику.
Еще я узнал, как работает световой источник тока – солнечные батареи. Солнечная батарея состоит из множества солнечных элементов, в каждом из которых энергия света непосредственно превращается в электрическую энергию. Это совсем несложно, только для изготовления солнечного элемента нужно найти вещество с подходящими свойствами. Свет «выбивает» электроны из вещества, покрывающего пластины батареи и возникает электрический ток. Еще солнечные батареи можно встретить в калькуляторах.
Вывод: Солнечные батареи не только производят электричество, но и накапливают его при помощи аккумулятора.
Бытовые электроприборы облегчают труд, сокращают время на выполнение домашних работ. При обращении с ними нужно строго выполнять правила безопасности. Нарушение этих правил может стать причиной несчастных случаев.
1. Ни в коем случае нельзя касаться оголенных проводов, по которым идет электрический ток.
2. Нельзя защемлять провода дверями, оконными рамами, закреплять провода на гвоздях.
3. Нельзя играть у розеток, втыкать в них шпильки, булавки, дергать провода.
4. Опасно включать и выключать электрические лампочки, а также бытовые приборы мокрыми руками. Заменять перегоревшие лампочки нужно при отключенном выключателе.
5. Приборы, в которых кипятят воду, готовят пищу, нельзя включать в сеть пустыми. Их нужно наполнить водой.
6. Включать и выключать любой электробытовой прибор нужно одной рукой.
7. Нельзя оставлять включенные электроприборы без присмотра взрослых.
3.Методы исследований, их результаты.
1. Статистическое электричество.
Из мультфильма «Смешарики. Пин-Код: Электробитва» мне было уже известно, что еще в древней Греции греками было замечено: если янтарь потереть о шерсть, он начнёт притягивать к себе лёгкие предметы, находящиеся поблизости. Силу, притягивающую к себе предметы греки стали называть электричеством. Янтарь по-древнегречески называется электроном. От «электрона» - янтаря образовали слово электричество. Это первое знакомство людей с электричеством.
Сейчас ученые доказали: «Все, что нас окружает, состоит из элементарных частиц: протонов и электронов, у которых есть удивительное свойство, они имеют электрический заряд».
Протон – это положительно, а электрон отрицательно заряженная частица. Электроны и протоны притягиваются друг к другу и образуют конструкцию под названием атом. Протоны находятся в ядре атома, вокруг протонов вращаются электроны. При трении янтаря о шерсть частицы с атомов шерсти перескакивают на атомы янтаря. В результате чего шерсть потеряв часть своих электронов становиться заряжена положительно, а янтарь отрицательно. Отрицательно и положительно заряженные атомы начинают притягиваться друг к другу. Такой вид электричества называется статическим. Если у одних атомов электронов переизбыток, то под действием электрических сил они устремляются туда, где электронов не хватает. Такой поток электронов и называется электрический ток.
Опыт с линейкой. Возникновение статического электричества. Трем линейку о шерстяную ткань.
В моем опыте электроны с линейки «перескочили» на шерсть, и линейка притянула к себе бумагу, пытаясь «захватить» с нее электроны.
Я сделал вывод, что янтарь и линейка наэлектризовались, в результате чего возникло статическое электричество.
Опыт «Волосы дыбом».
Воздушный шар трем о шерстяной шарф, дотрагиваемся до волос. Волосы «оживают», становятся «дыбом».
Вывод: волосы «оживают» под действием статического электричества, возникающего из-за трения шара с шерстью.
Опыт «Золушка».
Высыплем на тарелку перец и соль и тщательно их перемешаем. Потрем шарик о шерстяной шарф, затем поднесем его к смеси соли и перца. Перец прилипнет к шарику, а соль останется на столе. Это еще один пример действия статического электричества. Когда мы потёрли шарик шерстяной тканью, он приобрел отрицательный заряд. Потом мы поднесли шарик к смеси перца с солью, часть перчинок приобрела положительный заряд и притянулась отрицательным зарядом шарика. Перец прилип к шарику. Соль не притягивается к шарику, так как в этом веществе электроны перемещаются плохо.
Вывод: соль со стороны шарика не приобретает заряда, она остается незаряженной или нейтральной.
Подведём итоги проведённых опытов:
1) Одинаковые заряды отталкиваются, разные – притягиваются. Одинаково заряженные тела отталкиваются, противоположно заряженные – притягиваются.
2) Электричество, получаемое в результате потери баланса положительно и отрицательно заряженных частиц, называется статическим.
3) Когда много-много электронов «бегут» по проводнику в одном направлении, возникает электрический ток. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.
2. «Домашняя» батарейка.
Вдомашних условиях можно сделать свою батарейку.
Для этого нам понадобится: прочное бумажное полотенце; пищевая фольга; ножницы; медные монеты; соль; вода; маленькая лампочка; два изолированных медных провода.
Как проводился опыт:
1. Растворили в воде немного соли.
2. Нарезали бумажное полотенце и фольгу на квадратики чуть крупнее монет.
3. Намочили бумажные квадратики в соленой воде.
4.Положили друг на друга стопкой: медную монету, кусочек фольги, снова монету, и так далее несколько раз. Сверху стопки должна быть бумага, внизу – монета.
5. Зачищенный конец одного провода подсунули под стопку, второй конец присоединил к лампочке. Один конец второго провода положили на стопку сверху, второй тоже присоединили к лампочке.
Лампочка не загорелась, за то загорелся диод.
Диод горел слабо, и я решил провести еще один опыт при помощи уксуса.
3. Проведение опытно-экспериментальной деятельности с целью получения электрического тока. Опыт с саморезами, медной проволокой и уксусной кислотой.
Оборудование для проведения опыта: вольтметр, саморезы, медная проволока, уксусная кислота, контейнер.
Определим положительный и отрицательный заряды саморезов и соединим их с помощью медной проволоки так, чтобы в одной ячейке была проволока, а в другой саморез. Присоединим один провод к саморезу, а второй к медной проволоке. Получим замкнутую электрическую цепь. Добавим в контейнер немного уксусной кислоты. Измерим электрический ток вольтметром. На приборе есть ток 1,64 Вт.
Вывод: уксусная кислота проводит электрический ток.
4.«Фруктовая» батарейка.
Так же ток возникает во фруктах и овощах. Я провёл опыт с лимоном и картошкой. В лимон и картошку воткнул медную и цинковую пластины и измерил напряжение вольтметром. Вольтметр показал, что и в лимоне и в картошке возник электрический ток с примерно одинаковым напряжением. На приборе показатель тока 0,75 Вт. у лимона и 0,71 Вт у картофеля.
Вывод: электрический ток в овощах и фруктах появляется в результате химической реакции между металлом и содержащейся в овощах и фруктах кислотой.
Создание макета электрической цепи «Светящаяся роза» с использованием светодиодной лампы внутри.
Я знаю, что батарейки – это устройства, производящие электрическую энергию. Но одной батарейки недостаточно для того, чтобы лампочка или диод горели. Для этого необходимо составить замкнутую электрическую цепь из электрических приборов. Элементы электрической цепи соединяются проводами и подключаются к источнику питания.
Самая простая электрическая цепь состоит из:
1) источника тока;
2) потребителя электроэнергии (лампа, диод, электробытовые приборы);
3) замыкающего и размыкающего устройства (выключатель, кнопка);
4) соединительных проводов.
Продукт проекта - «Светящаяся роза»
Диод с батарейкой. Отверстие в розе для проводов. Подготовка к опыту. Паяльник; припаиваем провода к диоду. Вставляем провода в бутон розы.
Оборудование для проведения опыта: вольтметр, роза, диод с батарейкой, паяльник, провода (медная проволока).
Вывод: если батарейка является частью электрической цепи, то поток электронов течет от отрицательного полюса батарейки к положительному через все элементы цепи. Вот как работает мой продукт проекта - «Светящаяся роза».
Почему батарейка для меня безвредна, а ток в розетке так опасен?
Вот что я узнал:
Ток - это движение заряженных частиц в одном направлении. Частицы «бегут» не ровно, а колеблются. «Колеблются» слабо – напряжение маленькое (например, в батарейке). Сильные колебания – напряжение большое. «Удар» сильный. При прикосновении к проводнику палец чувствует удар и боль. В розетке – 220 вольт, удар током приводит к травмам, ожогам и смерти. Вот почему ток в розетке так опасен!
4.Выводы.
Гипотеза, выдвинутая мной, что ток в электрической цепи бывает разным,оказалась верной.
Цель и задачи моей работы достигнуты. Мне понравилось проводить опыты, эксперименты с электричеством, искать ответы на вопросы.
В результате всех проделанных исследований я сделал выводы:
Статическое электричество – это форма электричества. Статическое электричество легко получить, если потереть один о другой два предмета (сделанные из определенных материалов): при этом электроны с одного предмета переходят на другой, в результате чего один предмет приобретает положительный заряд, а другой отрицательный. Положительно и отрицательно заряженные объекты притягиваются друг к другу, как магнит, – поскольку один из них желает сбросить лишние электроны, а другой, наоборот, получить их. Когда статическое электричество становится достаточно мощным, электроны перескакивают с одного предмета на другой в таком количестве, что это порождает видимую электрическую искру (электрический разряд). Молния представляет собой гигантскую электрическую искру, электрический разряд, в результате накапливания статического электричества в туче во время грозы.
Ток - это направленное движение электрических зарядов под действием сил электрической природы.
Электричество в наш дом попадает по электрической цепи с электростанций.
Чем выше колебание частиц при движении, тем выше напряжение тока в цепи и опаснее его удар. Будем бережно и осторожно относиться к электричеству.
5. Список использованных источников информации.
1.Артемова О. В., Балдина Н. А., Вологдина Е. В. «Большая энциклопедия открытий и изобретений» 2007.
2. Горев Л. «Занимательные опыты по физике» Просвещение. М. 1985 г.
3. Дыбина О. В. «Неизведанное рядом: Занимательные опыты и эксперименты для дошкольников» Москва. Творческий центр Сфера. 2007
4. Леенсон И. А. «Загадочные заряды и магниты. Занимательное электричество» Издательство: ОлмаМедиаГрупп, 2014 г.
5. Интернет. Электричество.
Приложение
Приложение №1.
Спецтехника РОССЕТИ. Вездеход для проезда по труднодоступным местам во время ремонта линий.
П риложение №2.
ЛЭП. Линии электропередач.
Приложение №3.
Алессандро Вольта, изобретатель первой электрической батарейки и источника постоянного электрического тока.