XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Батарейка из картофеля
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Нашу жизнь невозможно представить без батареек (гальванических элементов). Для многих устройств они являются источниками тока (источниками энергии). Но срок службы этих батареек недолгий. Когда они оказываются выброшенными, то наносят вред окружающей среде, особенно если они повреждены (вытекает электролит и попадает в почву, загрязняет ее).
В Интернете я прочитал о том, что многие ученые работают над созданием новых источников энергии, экологически чистых. Например, на мякоти бананов и апельсиновом соке. Мне стало интересно, можно ли с помощью овощей изготовить источник питания – батарейку. Самым распространенным овощем у нас является картофель. Поэтому вначале я решил создать «картофельную батарейку» и проверить, как ее можно использовать.
Гипотеза: из картофеля можно получить источник питания - батарейку.
Объектом исследования в данной работе служит картофель
Предмет исследования – электрическая проводимость картофеля.
Цель исследования: получение из картофеля источника питания - батарейки.
Задачи:
Узнать о необычных источниках энергии;
Изучить литературу по устройству батареек.
Сконструировать источник питания из картофеля и других овощей и фруктов и выяснить, какие фрукты и овощи могут быть использованы в качестве батарейки.
Изучить возможности использования картофельной батарейки.
Формы и методы работы:
Изучение энциклопедической литературы и интернет-ресурсов;
Анализ информации;
Консультирование;
Конструирование;
Эксперимент;
Обобщение и оформление результатов.
Работа состоит из двух глав, введения, заключения, списка использованных источников и приложений.
Глава 1. Теоретическая часть.
Используемые понятия, определения из специальной литературы:
История создания батареек
Что такое батарейка?
Батарейка – это удобное хранилище электричества, которое может быть использовано для обеспечения энергией переносных устройств. Некоторые батарейки предназначены для одноразового использования, другие можно перезаряжать. Батарейки бывают разнообразной формы и размеров. Некоторые – маленькие, как таблетка. Некоторые – величиной с холодильник.
Для начала я решил разобраться, как устроена обычная батарейка и как в ней создаётся электрический ток.
Посмотрев в энциклопедии «Всё обо всём» я понял, что батарейка- это две металлические пластины, помещённые в специальное химическое вещество – электролит. Одна пластина подключена к выводу «+», другая – к выводу «-».
Электрод с более отрицательным потенциалом, на котором при разряде протекает процесс окисления, называется отрицательным электродом, или анодом, и обозначается знаком «минус» (-).
Электрод с более положительным потенциалом, на котором происходят реакции восстановления, принимается за положительный электрод, называется катодом и обозначается знаком «плюс» (+).
Стоит подключить к батарейке нагрузку, например, лампочку, как от пластины «+» к пластине «-» потечёт ток. Начнется химическая реакция в электролите, которая начнет перекидывать электроны с «-» (отрицательной) пластины на «+» (положительную).
Из истории…
В начале своих исследований я решил узнать, откуда появилась батарейка.
Еще в 1791 году Итальянский врач Луиджи Гальвани сделал важное наблюдение, только не сумел его правильно истолковать. Он заметил, что тело лягушки дергалось, если соприкасалось с двумя металлическими элементами или располагалось рядом с электрической машиной и вылетающими из нее искрами. Луиджи предположил, что электричество есть в самом теле животного.
Итальянский ученый граф Алессандро Вольта в 1800 году повторил опыты Гальвани, но с большей точностью. Он заметил, что, если мертвая лягушка касается предметов из одного металла - например, железа - никакого эффекта не наблюдается. Чтобы эксперимент прошел успешно, всегда требовались два разных металла. И Вольта сделал вывод - появление электричества объясняется взаимодействием двух различных металлов, между которыми образуется химическая реакция. Он поочередно уложил в столбик серебряные и цинковые кружки, изолированные фетровыми прокладками, элемент так и называется: вольтов столб.
Гальвани открывает биологические эффекты электричества. Вольта изобретает источник постоянного тока — гальванический элемент (1800).
Батарейки, которые можно заряжать многократно, изобрел в 1859г. французский физик Гастон Планше.
История развития батареек продолжается. Ученые ищут «вечную» батарейку, и, вполне возможно, скоро найдут.
Успехи учёных в создании овощных и фруктовых батареек
Учёные утверждают, что, если у вас дома отключат электричество, вы сможете некоторое время освещать свой дом при помощи лимонов.
Индийские учёные работают над созданием необычных батареек для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии. Внутри этих батареек должна быть паста из переработанных бананов и апельсиновых корок. Одновременное действие четырёх таких батареек позволяет запустить настенные часы, а для ручных часов хватит одной такой батарейки.
Компания Sоnу на научном конгрессе в США представила батарейку, работающую на фруктовом соке. Если «заправить» такую батарейку 8 мл сока, то она сможет проработать в течение одного часа. Применяться новинка может в плеерах, мобильных телефонах.
А группа учёных из Великобритании создала компьютер, источником питания для которого является картошка. За основу был взят старый компьютер с маломощным процессором Intе1 386. В него вместо жёсткого диска поставили карту памяти на 2 мегабайта. Питается это устройство 12 картофелинами, которые меняются каждые 12 дней.
Глава 2. Практическая часть
2.1 Практическая работа
Опыт 1. «Исследование напряжения в гальванических элементах из овощей и фруктов»
Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.
Цель опытов: я решил провести исследование, чтобы выяснить, какие фрукты и овощи могут быть использованы в качестве батарейки.
Оборудование: для создания гальванического элемента нам понадобится оцинкованная и медная пластины, фрукт или овощ.
В самодельном гальваническом элементе оцинкованная пластина действует как отрицательный электрод, а медная – как положительный. Электролитом (проводящая ток жидкость) является сок фруктов и овощей.
Что делаем: мною были сделаны гальванические элементы из различных овощей и фруктов: томат, лимон, яблоко, картофель, лук, морковь. В каждом элементе был сделан замер напряжения с помощью мультиметра.
Наблюдаем:
Фото №1 Томат – напряжение 1V
Фото №2 Лимон – напряжение 0.96V
Фото №3 Яблоко – напряжение 1.01V
Фото №4
Фото №4 и№ 5 Картофель – напряжение 0.86V и 0.92V (тот же опыт в разные дни с разным картофелем)
Фото №6 Лук – напряжение 0.80V
Фото №7 Морковь – напряжение 0.85V
График 1 – Результаты эксперимента.
В результате измерений оказалось, что яблоко и томат дают самое высокое напряжение, а лук и морковь самое низкое.
Самым же неожиданным оказалось, что обычная картошка тоже дает достаточно высокое напряжение. Напряжение зависит от числа клубней в электрической цепи. Чем больше клубней в цепи, тем больше напряжение в этой цепи. Напряжение одного лимона, больше чем одного клубня картофеля.
Однако после полученных результатов возникает вопрос: где же в жизни можно применять это свойство овощей и фруктов?
Например, можно зажечь лампочку, для этого достаточно напряжение в 3 V, что соответствует 4 картофелинам.
Но с картофелем на деле оказалось не так просто: мне удалось получить только 2.60 V из шести картофелин:
Фото №8 Цепь из шести картофелин - напряжение 2.60V
Опыт 2. «Картофельные часы»
Для проведения эксперимента мне понадобились цинковые и медные пластинки, клубни картофеля, соединительные провода, электронные часы с проводами, прозрачные ленты.
Сначала собираем «контактную пару», соединив пару медных и цинковых пластин с соединительным проводом. Оголенный конец провода осторожно протягиваем через отверстие на пластине и закручиваем его, чтобы закрепить на пластине, затем перематываем место соединения прозрачной клейкой лентой.
Затем точно так же собираем следующую «контактную пару»: соединив пару медных и цинковых пластин с соединительными проводами от электронных часов.
Втыкаем медную и цинковую пластины в две картофелины.
Часы должны заработать.
В нашем опыте часы включились со второй попытки!
После того, как мы воткнули металлические пластины ближе друг к другу (нужно следить, чтобы они не соприкасались).
Фото №9 Электронные часы без батарейки
Фото №10 Электронные часы, подключенные к «картофельной батарейке» - включились
Результаты эксперимента
Металлические пластины и картофелины образуют простейшую батарею, которая вырабатывает энергию для работы часов. Каждая картофелина выполняет функции химической батареи, преобразуя химическую энергию металлических пластин в электрическую. Чтобы запустить часы, достаточно двух картофелин.
Часы работают из-за особенностей взаимодействия металлов на пластине часов (медь и цинк). Различные свойства заставляют крошечные частицы, заряженные электричеством (так называемые ионы), перемещаться между двумя пластинами металла. Движение этих частиц образует электрический ток. Картофель содержит частицы, которые позволяют току течь, однако металл останавливает этот поток. Ток протекает вдоль провода между полосами цинка и меди и часами. Этот ток и приводит часы в действие.
Опыт 3. «Картофельная батарейка»
Для проведения эксперимента мне понадобились цинковые и медные пластинки, клубни картофеля, провода, светодиодная лампочка.
В половинку клубня картофеля я поместил медную пластинку (это положительный электрод) и цинковую пластинку (это отрицательный электрод) и повторил эти же действия ещё с тремя половинками картофеля.
Затем подключил к «картофельной батарейке» светодиод – он светит! Значит, четыре половинки клубней картофеля вырабатывают достаточное напряжение для работы этого устройства.
Фото №11 «Картофельная батарейка» в действии - светодиод светит!
Результаты эксперимента
Батарейка дала ток! Картофель – источник электроэнергии. Напряжение зависит от числа клубней в электрической цепи. Чем больше клубней в цепи, тем больше напряжение в этой цепи. И пусть зарядить телефон на данном этапе не получилось – слишком мала сила тока – я продолжаю исследование и постараюсь добиться поставленной цели.
2.2. Анкетирование «Что ты знаешь о токе?» был мною проведен в возрастной группе: 9-10 лет (3 «Б» класс). Всего прошли опрос 21 человек.
Анкетирование состоит из 6 вопросов, причем на один вопрос может быть несколько правильных ответов:
1.Как ты считаешь, на что похож электрический ток:
а) на течение реки -10 чел.
б) на человека, который спит- 0 чел.
в) на множество маленьких пчёлок, которые бегают по проводам – 11 чел.
2.Кто изобрел первый источник постоянного тока?
а) Вольта-9 чел
б) Гальвани- 2 чел.
в) Франклин- 0чел.
г)Не знаю- 10 чел.
3. С помощью каких приборов можно измерить электрический ток?
а) термометр-1 чел.
б) вольтметр- 5чел.
в) мультиметр – 2 чел.
Не знаю- 13 чел.
4. Что может вырабатывать электричество:
а) электрическая плита – 2чел.
б) яблоки, лимон, варёный картофель - 3 чел.
в) гидроэлектростанция –16 чел.
5. Что было одной из первой общедоступной областью применения электричества?
а) освещение – 17 чел.
б) общественный транспорт – 1 чел.
в) создание бытовых электроприборов - 3чел.
6. Сколько человек на Земле живут без использования электричества в быту?
а) около 100 миллионов- 15 чел.
б) около 500 миллионов – 1 чел.
в) более миллиарда человек – 5 чел.
Как видно по результатам ответов, для большинства моих одноклассников, участвующих в опросе, представленная информация оказалась новой и малоизученной, но интересной.
Поэтому мы провели классный час, на котором я рассказал обо всем, что узнал сам, а также продемонстрировал опыты.
В результате все ребята убедились, что картофель может включить светодиод и электронные часы, а также замерить при помощи мультиметра напряжение в различных овощах и фруктах.
Заключение
Начиная исследование, я поставил перед собой цель получить ток из картофеля, а также выяснить, какие фрукты и овощи могут быть использованы в качестве батарейки.
В ходе решения задач исследовательской работы я узнал:
познакомился с историей создания батарейки
узнал, что такое батарейка и разобрался с принципом ее работы
Познакомился с понятиями: гальванический элемент, электрод, электролит, катод,анод, мультиметр
познакомился с успехами некоторых ученых в создании овощных и фруктовых батареек, которые являются экологически чистыми источниками тока
мной были решены также практические задачи исследования: проведены опыты «Исследование напряжения в гальванических элементах из овощей и фруктов», «Картофельные часы», «Картофельная батарейка»
проведено анкетирование «Что ты знаешь о токе?»
Моей мечтой было суметь зарядить мобильный телефон при помощи картофеля, однако, на данном этапе осуществить ее не удалось – мала сила тока.
Тем не менее, считаю, что цели исследования достигнуты, ведь я сумел получить ток из картофеля.
Гипотеза исследования, в которой я предполагал, что из картофеля можно сделать источник тока – батарейку – полностью подтвердилась.
На будущее планирую провести ряд экспериментов и постараться усилить силу тока из картофеля или другого необычного источника, которого хватило бы на то, чтобы зарядить мобильный телефон.
Список использованной литературы и источников из интернета:
"Все обо всем. Универсальная детская энциклопедия" Редактор: Куркин Е. Б., издательство: АСТ, 2008 г.
https://science-start.ru/ Научный журнал для школьников
Физика для малышей – М. Педагогика, 1983.
Энциклопедический словарь юного физика. – М.: Педагогика, 1991.