XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Минералы, добываемые из воды - «сердце» мобильного телефона
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Объект исследования: Телефон
Предмет исследования: Литиевая батарея
Основные цели: 1. Изучение истории создания телефона, его устройства и основные функции. 2. Определение источника «жизнедеятельности» телефона. 3. Выявление связи телефона с водой.
Задачи:
-
Изучить литературу по теме исследования.
-
Расширить знания об устройстве телефона.
-
Определить, что является «сердцем» телефона.
-
Узнать, что такое литий и как его добывают.
-
Побывать в музее минералогии.
Гипотеза: Может ли телефон состоять из воды?
Методы исследования: изучение источников информации, наблюдение, сравнение, обобщение, анализ.
Актуальность: Телефоны прочно вошли в нашу жизнь. Они помогают нам упростить повседневные задачи, улучшить качество жизни и расширить возможности работы. Изучение этой темы позволит лучше понимать устройство не только телефона, но и окружающего мира.
Ожидаемый результат: Убедиться в том, вода-источник минералов для производства аккумуляторной батареи телефона.
Введение
В 6 лет я прочитал рассказ Николая Носова «Телефон» о том, как два друга из большого любопытства разобрали рабочий игрушечный телефон. Внутри они обнаружили трубку с угольным порошком, провода, батарею, винтики. Современные мобильные телефоны устроены совсем по-другому. Меня не обошел стороной интерес «как же именно устроен и из чего состоит современный телефон?». Я решил изучить этот вопрос и в процессе работы над проектом, к своему великому удивлению, узнал, что вода имеет к этому самое прямое отношение. Из уроков окружающего мира я знал, что человек состоит на 60% из воды, но в своем исследовательском проекте я выдвинул смелую гипотезу: «Может телефон состоять из воды?» и попытаюсь это доказать.
1.История развития телефонов.
Первые телефоны появились в конце XIX века. Исторически считается, что изобретателем, подарившим людям возможность общаться на расстоянии, был Александр Грейам Белл, профессор физиологии органов речи. Именно на его имя 14 февраля 1876 года в США был зарегистрирован патент. На Всемирной выставке в Филадельфии впервые прозвучало слово «телефон» (от «теле» (далеко) и «фон» (звук)).
Первая модель телефона была достаточно примитивной. В деревянной емкости с мембраной из кожи помещался магнит с катушкой, провод с зажимными винтами и тонкий стальной диск. Емкость с одной стороны имела раструб, с другой – винт для регулировки расстояния между магнитом и диском. С помощью двух таких приборов, соединенных проводами, можно было разговаривать на расстоянии до 500 метров. Принимающее и передающее устройство были одинаковыми. Говорить и слушать по такому телефону приходилось по очереди, поднося то к уху, то ко рту раструб. А чтобы вызвать абонента, требовалось громко посвистеть в приемное устройство, чтобы на том конце провода услышали. (Приложение 1)
Позднее Александр Белл усовершенствовал мембрану, дополнил аппарат угольным микрофоном, батареями, электрическим звонком. Примерно в таком виде телефон просуществовал почти 100 лет. Изобретение Белла стало сенсацией Всемирной выставки в Филадельфии в 1876 году. Во время демонстрации телефона в выставочном павильоне ошеломленная публика с замиранием сердца слушала знаменитый монолог Гамлета, который произносил Александр Белл в соседнем помещении.
Белл прожил долгую жизнь и увидел, с какой скоростью его изобретение завоевывает мир, однако, он даже представить не мог, что это было только начало «эволюции телефонов» и впереди у человечества был глобальный переход от проводного телефона к мобильному. (Приложение 2)
Общение по мобильному телефону стало гораздо удобнее. Когда звонишь, он подключается посредством радиосвязи к ближайшей базовой станции (вышке). Вышка преобразует сигнал и передает его на станцию мобильной связи, которая подключена к центральной станции сети. Затем звонок передается на вышку, расположенную рядом с твоим собеседником, и сигнал попадает на его телефон. Мобильный телефон не будет работать, если рядом нет вышки, поэтому они установлены практически везде. Но главное, что сделало его мобильным и работающим автономно без проводов и кабельной связи - это литиевая батарея, являющаяся, пожалуй, сердцем мобильного телефон, без преувеличения поддерживающим его жизнь. Вы замечали, когда кончается зарядка, мы в сердцах можем сказать: «Ну вот! телефон умер». И часто это действительно может обернуться большими проблемами для каждого из нас. Ведь сегодня мобильный телефон является не только и не столько средством коммуникации, а и выполняет огромное количество других функций. Он может быть записной книжкой, учебником, фотоаппаратом, фотоальбомом, книгой, энциклопедией, проигрывателем музыки, телевизором и даже кинотеатром. (Приложение 3). В общем, когда заряд телефона, который обеспечивает литиевая батарея, заканчивается, наша жизнь останавливается вместе с жизнью мобильного телефона.
Итак, «сердце» мобильного телефона- литиевая батарея. (Приложение 4). Именно от нее зависит эффективность и само существование такого телефона. Ведь еще в далеком 1947 году лаборатория Bell Laboratories (США) официально выступила с предложением создать мобильный телефон. А первый прототип мобильного сотового телефона был создан американской компанией Motorola только в 1973 году. Создателем устройства стал инженер Мартин Купер. Вес первого сотового телефона составлял около 1 кг, габариты: 22,5х12,5х3,75 см. У аппарата отсутствовал дисплей. Батарея телефона позволяла ему работать в режиме ожидания до 8 часов, а в режиме разговора – до одного часа. Заряжать телефон нужно было достаточно долго (около 10 часов). Возможности телефона ограничивались емкостью, надежностью и размерами батареи. И только в 1984 году в продажу поступила рабочая модель сотового телефона DynaTAC 8000X. Цена новинки составляла $3 995. Однако, несмотря на это, тысячи желающих приобрести новое устройство записывались в очередь на покупку аппарата!
В СССР первый экспериментальный образец сотового телефона был создан в 1957 году, весил он целых 3 кг! Мало того, к аппарату прилагалась еще и базовая станция, которая была связана с Городской Телефонной сетью (ГТС).(Приложение 5). Однако уже через год вес устройства был снижен до 0,5 кг.
Число абонентов сотовой связи постоянно и неуклонно растет во всем мире. «Нет предела совершенству» - под таким девизом работает индустрия производства телефонов. В 1993 году в мире был выпущен первый сотовый со встроенными часами. Спустя 3 года немецкая компания Siemens начала производить аппараты с диктофоном и цветным дисплеем. Правда, цветов на таких дисплеях было всего три. В 2000-м году в продаже появились аппараты со встроенной фотокамерой. Это произошло в Японии. Примерно в это же время вышли в продажу телефоны со встроенным mp3-плеером. В 2001 году в сотовых телефонах появляется поддержка платформы Java. Это позволило устанавливать на аппараты множество различных приложений. В их числе известнейший сервис обмена мгновенными сообщениями – ICQ. Первый мобильный с поддержкой технологии Bluetooth в 2002 году был выпущен компанией Ericsson. Эта технология дала возможность обмениваться различными данными между телефонами на определенной радиочастоте (без проводов). При этом телефоны должны достаточно близко располагаться друг к другу. В зависимости от помех, преград радиус действия Bluetooth составляет от 10 до 100 м. В это же время же появился телефон, поддерживающий технологию EDGE. Она позволила выходить с помощью телефона в сеть Интернет. Процесс улучшения продолжается непрерывно. Например, разрабатывается телефон, способный набирать вводимый текст посредством одних лишь мыслей (“читать” ваши мысли и превращать их в текст). Процесс развития телефона всегда был стремительным и успешным. И главная причина такого бурного развития мобильной связи и телефона в технологии создания литиевых батарей, позволяющих обеспечивать длительную автономную работу мобильных устройств.
-
Устройство телефона.
Телефоны – это сложные устройства. Рассмотрим основные компоненты телефона:
Экран: это основной интерфейс для взаимодействия с телефоном. На экране отображается вся информация, включая меню, приложения, уведомления и многое другое. В настоящее время большинство телефонов оснащены сенсорным экраном, который позволяет управлять им прикосновением пальца.
Процессор: это главный компонент, отвечающий за выполнение задач и обработку данных на телефоне. Процессор – это своего рода «мозг» телефона, который определяет его производительность и скорость работы.
Операционная система: это программное обеспечение, которое управляет работой всех компонентов телефона и предоставляет пользователю доступ к различным функциям и приложениям. Некоторые из популярных операционных систем для мобильных телефонов включают Android, iOS и Windows Phone.
Батарея: это источник питания телефона. Батарея обеспечивает энергию, необходимую для работы всех компонентов, и может быть заряжаемой или несъемной, в зависимости от модели телефона.
Память: это хранилище данных, в котором хранятся приложения, фото, видео, контакты и другая информация. Телефоны обычно имеют встроенную память и слоты для расширения памяти с помощью карт памяти.
Камера: это устройство, позволяющее делать фотографии и видео. Камера может иметь различные характеристики, такие как разрешение, количество мегапикселей и функции, такие как автофокус и оптическая стабилизация изображения.
Это не полный список компонентов телефона, но эти основные компоненты являются ключевыми для его работы. (Приложение 6). Каждый из этих компонентов играет важную роль в функциональности и производительности телефона.
Компоненты телефона взаимодействуют друг с другом, чтобы обеспечить его работу и предоставить нам удобные возможности.
Процессор и оперативная память являются двумя основными компонентами, определяющими производительность и функциональность телефона.
Процессор — это электронный чип, выполняющий вычислительные операции и управляющий работой всех остальных компонентов устройства. Процессор состоит из нескольких ядер, которые работают параллельно, обрабатывая данные и выполненные задачи.
Оперативная память — это хранилище данных, которое используется для временного хранения информации и запуска приложений. Оперативная память быстро доступна процессору и имеет более высокую скорость передачи данных по сравнению с внутренней памятью устройства. Оперативная память разделяется на ячейки или ячейки памяти, каждая из которых может хранить один байт информации. Для обращения к данным в оперативной памяти каждой ячейке назначается уникальный адрес.
Процессор и оперативная память взаимодействуют друг с другом, чтобы выполнять задачи на устройстве. Процессор получает инструкции и данные из оперативной памяти, обрабатывает их и возвращает результаты обратно в память.
Высокая производительность процессора и большой объем оперативной памяти позволяют телефону быстро выполнять множество задач одновременно без задержек и сбоев.
В зависимости от модели и бренда телефона, процессор и объем оперативной памяти могут варьироваться. Более мощные процессоры и большая оперативная память обеспечивают более быструю работу устройства и большую многозадачность.
Дисплей — это главная компонента телефона, которая отображает информацию. Он состоит из специального стекла, называемого стеклом дисплея, и жидкокристаллической матрицы, которая формирует изображение.
Сенсорный экран позволяет пользователю взаимодействовать с устройством, используя пальцы или специальные стилусы. Он обычно состоит из сенсорной панели, на которой расположены электроды. Когда палец или стилус касается экрана, происходит электрическое взаимодействие, и телефон регистрирует это действие.
Дисплей и сенсорный экран работают вместе, чтобы обеспечить пользователю удобное и понятное отображение информации.
Батарея – один из ключевых компонентов современных мобильных телефонов. Она предназначена для обеспечения питания устройства и хранения энергии.
Исходя из этого, возникает вопрос: «Так какая именно батарея позволяет поддерживать работу современного телефона с таким огромным списком функционала и со всеми встроенными компонентами?»
-
Литиевая батарея - «сердце» телефона.
В современном телефоне системы GPS-навигации позволяют нам чувствовать себя комфортно в любом месте земного шара. Фотокамеры с 12 мегапикселями дали возможность получать цифровые фотографии высочайшего качества. Любители игр могут наслаждаться трехмерной графикой. Качество и скорость мобильного интернета постоянно улучшается, а его стоимость падает. Разработчики оперативных систем демонстрируют многоядерные процессоры для телефонов будущего, продажа которых уже началась. Чтобы все это работало как надо, требуется хороший аккумулятор к мобильному телефону.
Принцип работы аккумуляторной батареи базируется на получении тока путем химической реакции. Источник питания современных мобильных телефонов - никель-кадмиевые, никель-металгидридные, литий-ионные или литий-полимерные аккумуляторы. Большинство телефонов сегодня оснащены литий-ионной (Li-Ion) или литий-полимерной (Li-Po) аккумуляторной батареей. Литий-ионная батарея – одна из самых популярных и широко используемых технологий в современных мобильных устройствах. Она обладает высокой энергоемкостью, надежностью и относительно небольшими габаритами. Литий-полимерная батарея, в свою очередь, более гибкая в плане форм-фактора и может быть применена в телефонах с более изогнутым дизайном.
Итак, литиевая батарея, ее емкость и функциональность определяют надежность современных мобильных телефонов. Из названия не трудно догадаться , что она во многом состоит из металла, относящегося к категории редкоземельных- лития, который в чистом виде в природе практически не встречается. Соответственно, все производство мобильных телефонов во всем мире напрямую зависит от обьемов добычи лития. Попробуем разобраться - откуда он берется?
-
Добыча лития из воды в мире и применение лития в производстве электроники
Литий - мягкий, пластичный металл серебристо-белого цвета, открытый в 1817 году шведским химиком минералогом Иоганном Арфведсоном. Новый металл стали использовать в производстве фарфора и стекла, а позднее в атомной энергетике и металлургии. В XXI веке с развитием электроники и электротранспорта спрос на литий резко вырос. Больше половины добываемого в мире лития уходит на производство аккумуляторов. Только на изготовление одной батареи для электромобиля требуется 63 кг лития.
Когда я побывал во Всероссийском научно-исследовательском институте минерального сырья им. Н.М. Федоровского, то узнал, что существует два способа добычи лития: рудный и гидроминеральный. (Приложение 7). В первом случае металл добывают в шахтах или карьерах из пегматитовых минералов, во-втором - из подземных рассолов. Большая часть лития добывается из глин солончаков. Следует однако отметить, что концентрат, содержащий литий, который добывают в шахтах или карьерах, в процессе обогащения вначале измельчают, а потом также превращают в раствор, поскольку добыть литий можно только из раствора. Затем, из подземных месторождений или подготовленных на поверхности растворов, богатую литием воду выкачивают с помощью мощных насосов и пропускают через очистительные бассейны для повышения содержания металла в рассоле. Для этого требуется много воды и солнечного света. Чем дольше соляной раствор простоит на солнце, тем концентрированней он становится.(Приложение 8). Площадь одного такого бассейна можно сравнить с площадью двадцати футбольных полей вместе взятых.
Рассольный способ добычи лития дешевле рудного, так как концентрат залегает на глубине не более двух метров. Сам процесс выпаривания долгий и обычно занимает до восемнадцати месяцев. После выпаривания на солнце раствор хлорида лития перевозится в цистернах на перерабатывающий завод. Там литий отделяется в виде мелкой белой муки, затем прессуется в брикеты и отправляется на дальнейшее производство. Еще один способ добычи лития связан с отделением последнего от воды, попутно добываемой на нефтяных и газовых месторождениях. Но в любом случае, следует констатировать, что непосредственно литий, как металл извлекается только из концентрированных водных рассолов, то есть по сути , вода, насыщенная литием или его солями , является источником его производства. Поговорим о тех регионах, которые являются в настоящее время основным источником его производства.
Большая часть месторождений лития находится в засушливых высокогорьях на границах Боливии, Чили и Аргентины. В Австралии добывают 55 тысяч тонн в год, что составляет больше половины от его мировой добычи в 100 тысяч тонн . Также важно отметить сильное наращивание добычи в Китае и его важнейшее значение в производстве литий-ионных аккумуляторов.
Кстати, до распада СССР наша страна занимала второе место по добыче лития после США. Технология предусматривала добычу этого металл из твёрдого сырья - сподуменовых руд. Литиевые руды добывали и перерабатывали на горно-обогатительном комбинате в Забайкалье. В середине 70-х разработали более дешёвый способ добычи лития – из природных рассолов с повышенными концентрациями минеральных веществ. В таких странах как Аргентина, Чили и Боливия, где в связи с благоприятным климатом можно было легко применить данный метод, добыча лития выросла в разы. Из-за сложности воспроизводства новой прогрессивной технологии и сокращения цен на литий российские активы были законсервированы.Запасы лития в России составляют по экспертным оценкам 1-2 млн. тонн. Объем запасов достаточно большой относительно стран-крупнейших добытчиков этого металла. Крупнейшее месторождение с 19% российских запасов планирует занять совместное предприятие Норникеля и Росатома. Компании планируют вместе добывать литий на крупнейшем в стране Колмозерском месторождении в Мурманской области. Россия имеет собственные месторождения лития, находящиеся на Кольском полуострове, в республике Тыва, в Иркутской области.
Эксперты отрасли сходятся во мнении, что в ближайшие годы спрос на литий будет значительно расти в первую очередь для производства батарей и аккумуляторов для электромобилей и мобильных телефонов. (Приложение 9).Создатели литий-ионного аккумулятора в 2019 году получили Нобелевскую премию. Литий за широту использования и высокую в нем потребность иногда называют нефтью 21-го века. Известно, в 2050 году лития нужно будет добывать в 42 раза больше чем сегодня. Запасов лития, открытых в мире, особенно находящихся в рудных месторождениях, на сегодняшний крайне не хватает. Поэтому взгляд исследователей, ученых и инженеров во всем мире устремился на возможность получения лития из природных рассолов,- воды, находящихся под землей в нефтяных и газовых месторождениях. Но для этого нужны эффективные и безопасные сорбенты- реагенты, позволяющие с большой эффективностью адсорбировать- «доставать» литий и его соли из таких растворов, без риска и опасности загрязнить эти источники воды. Если мы не сможем этого сделать в ближайшее время, в ближайшие годы, наши мобильные телефоны рискуют «умереть», оставшись без своего сердца - без литиевых батарей!
Заключение
Исследуя тему «Минералы, добываемые из воды- «сердце» мобильного телефона», я рассмотрел историю развития телефона, внутреннее и внешнее устройства телефона и пришел к выводу, что современные технологии позволили сделать этот аппарат столь совершенным и доступным благодаря источнику питания, «сердцу» телефона -аккумуляторной литий- ионной батареи.
Литий-ионная батарея – одна из самых популярных и широко используемых технологий в современных мобильных устройствах. Она обладает высокой энергоемкостью, надежностью и относительно небольшими габаритами, в отличие от первых моделей. Основная проблема ближайшего будущего - дефицит мировых запасов лития, которого в 2050 г понадобится в 42 раза больше чем сегодня. Поэтому основная задача геологов и инженеров, научиться добывать литий из подземных водных источников- так называемого гидроминерального сырья, которое представляет собой рассолы подземных и промышленных вод нефтяных и газовых месторождений, содержащие литий. Технологии такого извлечения уже существуют, но требуют совершенствования с точки зрения безопасности их применения для природы и человека. В любом случае, Мировой рынок добычи лития в ближайшем будущем будет приходиться на воду. Именно вода является одним из основных источником этого ценного металла. Благодаря свойствам этого металла, и зная источник появления лития, мы имеем телефон, который, если можно так выразиться, практически «сделан из воды». Моя гипотеза о создании телефона из воды подтвердилась, благодаря изучению этого вопроса.
Я узнал много нового и сумел убедиться в том, что добыча лития из воды и применение его в усовершенствовании работы телефона имеет огромное значение. Литий позволит в дальнейшем находить такие же конструктивные решения во многих областях науки, и я буду следить за развитием этого вопроса.
Список использованных источников и литературы:
-
Богданов К. Ю. Что могут нанотехнологии?- М.: Просвещение, 2009-96 с.
-
Зубков Б.В.,Чумаков С.В. Энциклопедический словарь юного техника.-2-е изд.-М.: Педагогика, 1988.-464 с.: ил.
-
Изобретения: Энциклопедия для детей.-Мн.:-«Харвест», М.:» Издательство АСТ,2000.-480 с.
-
Леонович А.А.Я познаю мир: Изобретения: Дет. энцикл./-М.:ООО «Издательство АСТ»: ООО «Издательство Астрель», 2004-509 с.
-
Лесков С.Л. Живая инновация. Мышление XXI века: пособие для старшклассников.2-е изд.-М.: Просвещение, 2010.- 240с.
-
Ломоносов М.В. Первые основания горной науки.-М.:Праксис,2008.-472стр.
-
Робида А. Двадцатый век. Электрическая жизнь, - М., Книжная мозаика, 2023 год.-
-
Рылев Ю.6000 изобретений XX и XXI веков, изменившие мир.-М.:Эксмо, 2012.-432 с.
-
http://www.mobiset.ru/articles/text/?id=4435
-
https://fin-plan.org/blog/investitsii/mirovoy-rynok-litiya/
-
https://element3.ru/info/gde-i-kak-dobyvaetsya-litiy/
-
https://vseplus.com/article/akkumulator-serdce-mobilnogo-telefona-289
-
https://mobile-review.com/all/articles/misc/kak-razvivalis-akkumulyatory-v-smartfonah/
Приложения:
А.Г. Белл и его первый телефон. Приложение 1.
«Эволюция» телефона. Приложение 2.
Функционал телефона. Приложение 3.
Литий-ионная батарея. Приложение 4.
Первый мобильный телефон в СССР. Приложение 5.
Устройство телефона. Приложение 6.
Экскурсия в отделе минералогии в ФГБУ «ВИМС». Приложение 7.
Добыча лития из воды. Приложение 8.
Литий по отраслям. Приложение 9.