XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

На дворе 21 век - начало третьего тысячелетия. Если пытаться охарактеризовать его одним словом, то можно сказать «стремительный». Так если взять середину 20 века, то наша страна с ликованием встречала летчиков-героев, совершивших первый полет в космос. Сегодня же обжитая космическая станция накручивает полеты вокруг земного шара месяцами (даже артисты с режиссером летают и снимают кино на орбите).

Игрушки, которыми сейчас играем, ведут себя как в мультфильме, могут говорить, думать и совершать различные сложные действия под каждым днем, и понять основы явлений становится все труднее и труднее. Бывает так, что физики вновь открываемые свойства элементарных частиц называют такими словами как «странность» или «очарование». Причина в том, что в обиходном языке отсутствуют управление своего собственного электронного мозга (схемы).

Стремительный научно-технический прогресс – вот, что сейчас происходит буквально на каждом шагу. Но главный минус во всем этом – что постепенно отучаемся удивляться. (1) . Как мне кажется это не только минус, но и проблема.

Главная проблема в той самой стремительности, потому что поток информации, который на нас наваливается с такими быстрыми темпами, что порой не то, что удивляться, но просто осознать не всегда представляется возможным. Дело не только в этом. (1)Наука и техника усложняются с слова, которые хоть как-то отдаленно могли бы описать эти свойства. Дело не просто в отсутствии слов, а в том, что в мире доступном нашим органам чувств, отсутствуют объекты и явления, которые могли бы служить прообразом тех свойств, которые открывают физики в мире элементарных частиц. (1)

Мир, такой, каким он известен нам сегодня, описывается чрезвычайно сложными математическими формулами и задачами. Сегодня создаются такие машины, приборы и программы, которые в состоянии решить любое сложное уравнение, описать то ли иное явление и сделать это так, как нам нужно.

Но это доступно лишь специалистам. Чем дальше развивается наука, тем больше она специализируется, и сегодня вполне существуют такие ученые, которые могут говорить на совершенно разных научных языках и не понимающих друг друга. (5)

Что же делать неспециалисту или тому же школьнику, как я? Раз и навсегда смириться с гамлетовской формулой «На свете много есть такого, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам» и раз и навсегда оставить надежду понять, как действуют окружающие его вещи? Но создавая вокруг себя искусственный мир, так называемую техно-научную сферу человек остается хозяином её. Наверное, он должен понимать все-таки хотя бы в общих чертах законы, которые лежат в основе тех или иных явлений. (1)

Проблему можно охарактеризовать так, человек обязан удивляться, потому что именно с удивлением начинается познание, а с познания – творчество.

Актуальность моей работы заключается в том, что на сегодняшний день электричество до конца неизучено. Существует разные виды энергии (электрического тока) – это электричество, создаваемое не только электрическими подстанциями, но и электричество создаваемое ветром, водой и даже солнцем. Энергия, которая создается солнцем является экологически чистой.

Вот и я хочу понять, проделав разные изобретения и исследования, понять можно ли сделать экологическую музыкальную колонку, которая будет работать за счет солнечной энергии.

Основной задачей в моем исследовании является сама идея, а можно ли сделать самодельную экологическую музыкальную колонку, а цель - это воспроизведение музыки с использованием солнечной энергии, без использования электричества сети (розетки).

Понятия электричество, его виды. Что такое солнечная панель и солнечная энергия?

Электричество обычно находится в розетках на стене, в батарейках и даже в кошках. Если кошку потереть тряпочкой, лучше всего шерстяной, из неё посыпятся искры. (2)

Ещё в древности было замечено свойство некоторых материалов после взаимного трения притягивать к себе легкие предметы. Например, если стекло потереть о кожу, то и стекло, и кожа начинают притягивать к себе кусочки бумаги, пушинки и другие легкие предметы. Это пример явления электризации. Другими словами – статическое электричество. Это – электрический заряд, который накапливает то или иное тело. Существует электризация двух типов:

положительная электризация, совпадающая с электризацией стекла, потертого о кожу;

отрицательная электризация, совпадающая с электризацией кожи, потертой о стекло. (3)

Меру наэлектризованности предмета или вещи называют электрическим зарядом. При соприкосновении двух предметов (вещей), содержащих заряды различных знаков, они компенсируют друг друга. Поэтому можно предположить, что в электрически нейтральных вещах (предметах) уже имеются отрицательные и положительные заряды.(3)

На самом деле, что такое электричество и электрический ток в нашей стране, наверно, мало, кто знает. Это очень сложнейший процесс, состоящий из движения электронов, ионов и других заряженных и незаряженных частиц.(2)

Электрический ток – сложное электромагнитное явление, которое невозвожно описать с привлечением каких-либо предметов (образов). Можно описать так, что это явление, связанное с движением некоего рода частиц, имеющих определенную массу и заряд.(2)

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов.

Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводникамии полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.(4)

Напряжение всегда измеряется между двумя точками схемы, ток всегда протекает через точку в схеме или через какой-либо элемент схемы.

Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу.

Единица измерения силы тока – Ампер.

Единица измерения электрического напряжения измеряют согласно Международной системе СИ в вольтах «В». Прибор для измерения величины напряжения – Вольтметр.

Напряжение и ток — это количественные понятия, о которых следует помнить всегда, когда дело касается электронной схемы. Обычно они изменяются во времени, в противном случае работа схемы не представляет интереса. (3)

Блок питания — важная часть любого электрического устройства.

Блок питания — это электрическое устройство, предназначенное для формирования напряжений питания, также можно сказать, что это вторичный источник электропитания.

Вторичный источник электропитания преобразует параметры электроэнергии основного источника электроснабжения, например, электросети в электроэнергию с параметрами, необходимыми для работы вспомогательных устройств таких как компьютер, холодильник.

По конструктивному исполнению все блоки питания бывают двух типов:

Встраиваемые.

Внешние.

Солнечная батарея, солнечная панель — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.(6)

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч., Helios — «Солнце»). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий. (6)

Обычно, в состав солнечной электростанции входит одна или более солнечная панель, инвертор, и так же в некоторых случаях аккумулятор и солнечный трекер. (6)

Существуют три типа солнечных батарей. Каждый из этих типов солнечных элементов сделан уникальным способом и имеет разный эстетический вид. (6)

1.Монокристаллический

2.Поликристаллический

3.Тонкопленочные солнечные батареи

Существуют следующие возможности использования солнечных батарей.

1.Портативная электроника.

2. Зарядное устройство.

Для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п.

3.Электромобили. На крыше автомобиля Prius, 2008 , для подзарядки электромобилей.

4. Авиация

Одним из проектов по созданию самолёта, использующего исключительно энергию солнца, является Solar Impulse.

5. Использование в космосе. Солнечная батарея на МКС

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии. В космосе используются солнечные фотопанели сделанного из арсенида галия.

Однако при полётах на большом удалении от Солнца их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. На Марсе мощность солнечных батарей вдвое меньше чем на Земле, а около дальних планет гигантов солнечной системы мощность падает настолько, что делает солнечные батареи почти полностью бесполезными.

Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в вечерних сумерках, в то время как пик электропотребления приходится именно на вечерние часы.

Недостаток также в сложности производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д. (6)

Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования.

Перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей.

Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно). (6)

Мои исследования и изобретения.

В прошлом году я проводил такое исследование: «Возможно ли сделать самодельный блок питания с регулировкой напряжения и тока». В результате чего мне стал понятен тот факт, что универсального способа регулировать ток и напряжение не существует. Всё зависит от конструкции и схемы регулируемого блока питания.

Солнечная панель у меня появилась весной, мне её подарил на день рождения мой дядя (крестный) и тогда у меня встал вопрос, что же такое можно с ней придумать.

Ранее, перед тем, как сделать музыкальную колонку я изобрел конструкцию для изготовления сахарной ваты и подвижную губку, для вытирания пыли и крошек со стола.

В результате у меня получилась конструкция, которая работает, но она имеет мало мощности и высота крышки маленькая, а может ещё чего – то не хватает, потому что сироп разлетался по сторонам и просто превращался в сладкие капельки. Сахарной ваты мне попробовать не удалось, хотя все вращалось и работало. (Приложение 1)

У меня получилось сделать подвижную губку и бабушке очень понравилось, правда она движется в одном направлении не меняя ход, пыль вытирает, а вот крошки со стола практически все пропускает. (Приложение 1)

После мне пришла идея сделать беспроводную музыкальную колонку, которая бы брала энергию от солнца к солнечной панели, и сама играла.

Материалы для сборки самодельной экологической музыкальной колонки.

Самодельная экологическая колонка состояла из нескольких деталей:

1.Солнечная панель,

2. Колонка небольшая,

3.Блютуз плата,

4. Паяльник,

5. Провода,

6. Олово,

7. Батарея на 12 вольт,

8. Контроллер для панели,

9. Машинный преобразователь от 12 вольт в 5 вольт,

10. Ппровод usb-microusb,

11. Клей-пистолет и телефон.

Ход работы:

Сначала я взял солнечную панель и припаял к ней провода, затем подключил их к контроллеру. Контролер нужен, чтобы контролировать заряд аккумулятора и выходное напряжение. Затем припаял провода к аккумулятору (аккумулятор держит напряжение) и тоже его подключил к контроллеру, и ВОТ - он заработал.

Далее взял преобразователь, он нужен для того, чтобы из 12 вольт энергия преобразовалась в 5 вольт и подключил преобразователь, он загорелся синим цветом. Это означало, что он заработал.

Осталось подключить музыкальную колонку с блютуз платой и подключить провода зарядки к колонке и к преобразователю. Электричество пошло в колонку, значит, что все работает!

Вообще, сама солнечная панель может вырабатывать от 12 вольт до 20 вольт.

Колонку я сделал очень легко, просто присоединил провода платы к самим динамикам и вставил аккумулятор 18650, потом проверил, и музыка играет.

Если представить схему сборку, то это выглядит так:

Солнце----Солнечная панель----Контроллер----Преобразователь----Блютуз плата-----Музыкальная колонка----телефон----Музыка звучит!

Спустя некоторое время аккумулятор на 12 вольт разрядился, и я вынес солнечную панель на солнце, пошла зарядка. Некоторое время прошло, и он зарядился, и снова стал работать.

Таким образом я сделал самодельную экологическую музыкальную колонку.

Результат моего изобретения можно увидеть в приложении 2 и 3.

Вообще сам принцип образования электричества, и образования его в результате солнца очень интересен. Мне на сегодняшний день не всё может быть понятно, как вот, например, такой факт.

Напряжение обычной пальчиковой батарейки – 1,5 В и ты ничего не почувствуешь, если коснешься пальцами её контактов. А вот получить удар током, дотронувшись до оголенного провода, идущего к свече зажигания автомобиля, довольно неприятно, там напряжение около 15000 вольт. Между тем, по российским нормативам, опасным считается напряжение, превышающее 42 вольта. Дело в том, что напряжение – плохой показатель опасности, гораздо важнее сила тока, проходящего через тело, а она зависит от многих факторов. Так, на свечу зажигания подается слабый ток, хотя и под очень большим напряжением. (5)

Вывод

В своих изобретениях я немного познакомился с понятием электричества, электрический ток, солнечная энергия, принципами явления. Мне удалось сделать самодельную экологическую музыкальную колонку, которая в своей работе использует солнечную энергию.

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. (1)

Солнечная батарея, солнечная панель — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.(6) Эта энергия является экологически чистой и зависит только от солнца.

Еще я понимаю, что на сегодняшний день электричество до конца неизучено. Существует разные виды энергии (электрического тока) – это электричество, создаваемое не только электрическими подстанциями, но и электричество создаваемое ветром, водой и даже солнцем.

Чем сегодня никого не удивишь так это – электросамокатами, электровелосипедами и электромобилями. (5)

Сегодня может удивить человечество – создание большого транспортного электрического самолета, способного заменить существующие самолеты, которые на данный момент в свой работе используют топливо и тем самым загрязняют окружающую среду (природу), а могли бы использовать электричество. На первый взгляд сама идея такого транспорта может прийти в голову только фантазеру или школьнику, не знакомому с физикой. (5)

Тем не менее, экспериментальные разработки существуют, беспилотники и всякие летательные аппараты, например. Что уже доказывает, что сама идея летать с помощью электричества возможна. (5)

Задача и цель, поставленная в начале моего исследования была выполнена в полном объеме. Я сделал самодельную экологическую музыкальную колонку, которая работает за счет энергии солнца.

Я так думаю, что техникой третьего тысячелетия будет электрический транспортный самолет.

Список используемых источников илитературы:

1. А. Шилейко, Т. Шилейко, «Электроны…Электроны…, М.1989 г.

2. Э. Успенский, «Лекции профессора Чайникова», М. 1994 г.

3. О. А. Сафонов, А.А. Лисов, «Справочник школьника-радиолюбителя», М.1970 г.

4. А. П. Кашкаров, «Электроника для начинающих от А до Я», «Электронные опыты» Ростов н/д 2014 г.

5. Журнал «Юный эрудит» выпуск 1/20, 8/21, 10/22, М.2020 г., М.2021 г., М.2022г.,

6. https://ru.wikipedia.org/Солнечная батарея, солнечная энергия.

Приложение 1. Самодельная конструкция для изготовления сахарной ваты и подвижная губка.

Приложение 2. Самодельная экологическая музыкальная колонка.

Приложение 3. Самодельная экологическая музыкальная колонка.