XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изготовление, изучение и сравнение эффективности источников энергии на практике

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Соловьев В.И. 1

---

1МБОУ «Лицей «Технический» г.о. Самара

Андриянова Т.Н. 1

---

1МБОУ «Лицей «Технический» г.о. Самара

Работа в формате PDF

2.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Для работы часов, мобильного телефона, наушников или фонарика нужен источник электрической энергии. Многие вещи, которые нас окружают, вырабатывают электрический ток. Изучая эту тему, возник вопрос, можно ли сделать источник тока своими руками из подручных материалов.

В данной работе была осуществлена попытка изготовления источников электрического тока в домашних условиях и проведен анализ их эффективности. Были собраны следующие источники тока:

1. из овощей и фруктов;

2. из монет;

3. из солевого раствора.

Работа выполнялась в течении 2 месяцев в несколько этапов: изучение и сбор информации по теме, покупка необходимых принадлежностей для экспериментов, сборка моделей, проведение опытов, выводы.

Цель: изготовление, изучение работы и сравнение эффективности источников тока на практике.

Объект исследования: источники тока.

Предмет исследования: работа источников тока.

Задачи:

• собрать экспериментальные модели источников тока и продемонстрировать их работу;

• сравнить эффективность собранных источников тока, сделать выводы;

Методы исследования:

• изучение теории - анализ соответствующей литературы;

• эксперименты, демонстрирующие принципы работы источников тока;

• анализ и обработка полученных результатов.

• синтез – интерпретация и обобщение полученных в ходе экспериментов данных

1. Овощи и фрукты – эксперимент с «зеленой» энергией

В качестве первого экспериментального источника тока, собранного в домашних условиях, была выбрана биоэнергетическая установка с использованием овощей и фруктов. После прочтения специализированной литературы [1, 2] было решено провести исследование, чтобы выяснить, какие фрукты и овощи могут быть использованы в качестве источника тока (гальванического элемента). Для создания гальванического элемента понадобились:

• цинковая и медная пластины,

• провода,

• фрукт или овощ;

• мультиметр;

• светодиод;

• часы.

Цинковые и медные пластины, погруженные в водную среду (картофель, лимон и т.д.), образуют батарею. В самодельном гальваническом элементе цинковая пластина действует как отрицательный электрод (анод), а медная пластина – как положительный (катод). Электролитом (проводящая ток жидкость) является сок фруктов и овощей.

При помещении двух электродов в электролит начинаются химические реакции, высвобождающие электроны. При этом цинковая пластина производит больше электронов, чем медная. Эти частицы устремляются от цинка к меди (от более реакционного металла к менее реакционному). Поток электронов формирует электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц, которого достаточно для работы небольших часов, лапочки и т.д.

Для проведения эксперимента нам потребуется мультиметр – прибор, измеряющий электрический ток и напряжение.

В эксперименте были произведены измерения напряжения электрического тока в некоторых овощах и фруктах. К концу одного из проводов, соединённого с минусовой клеммой гальванометра, был присоединен цинковый электрод, а к концу другого, соединённого с плюсовой клеммой гальванометра, - медный электрод. При погружении двух электродов в исследуемый фрукт или овощ стрелка мультиметра начинает отклоняться, показывая тем самым наличие в цепи электрического тока (рисунок 1). Данные измерения напряжения электрического тока в импровизированных гальванических элементах представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты измерений

Наименование продукта	Значение напряжения, V (В)
1. Лимон	0,97
2. Картофель	0,82
3. Томат	0,84
4. Огурец свежий	0,88
5. Яблоко	0,95
6. Лук репчатый	0,8
7. Клубника	0,93
8. Банан	0,9

Из приведённой таблицы видно, что наибольшая величина напряжения наблюдается в лимоне, т.к. он самый кислый, затем, по мере убывания значения напряжения идет яблоко, а самое низкое напряжение дает репчатый лук.

Для увеличения напряжения можно создать источники тока из различных комбинаций последовательно соединенных фруктов и овощей (рисунок 2). При последовательном соединении источников тока суммарное напряжение, создаваемое ими, равно сумме напряжений на каждом элементе. Результаты приведены в таблице 2.

Если сравнить результаты из таблицы 1 и таблицы 2, можно сделать вывод о том, что при последовательном соединении фруктов и овощей напряжение на зажимах «фруктово-овощного» источника тока равно сумме напряжений на каждом элементе.

Рисунок 1 - Результаты измерений напряжения при использовании овощей и фруктов в качестве источника тока

Таблица 2. Результаты измерений напряжения при использовании комбинации последовательно соединенных овощей и фруктов

Комбинация продуктов	Значение напряжения, V (В)
2 лимона	1,92
2 лимона + яблоко	2,77
Лимон + яблоко	1,89
Лимон + яблоко + картофель + огурец	3,61

Рисунок 2 - Результаты измерений напряжения при использовании комбинаций последовательно соединенных фруктов и овощей

Также был проведен эксперимент, позволяющий понять, на что хватает полученного тока. В результате выяснилось, что тока от комбинации даже двух последовательно соединенных овощей и фруктов хватит, чтобы заставить работать ручные часы или зажечь светодиодную лампочку (1,5 В). С одним картофелем светодиод горел не очень ярко, но два разрезанных овоща дали более яркое свечение (рисунок 3).

Одновременное действие четырех таких «аппетитных» источников тока позволит запустить настенные часы, зажечь фонарик и пользоваться карманным калькулятором.

Рисунок 3 – Результаты работы ручных часов от источника тока из комбинации лимонов и светодиодной лампочки от источника тока из комбинации картофелин.

2 Источник тока из монет

Из монет можно соорудить самый простой гальванический элемент, который в науке получил название «Вольтов столб». 

Для проведения эксперимента необходимо подготовить:

• несколько монет из меди;

• пищевую фольгу;

• несколько листов бумаги;

• столовый уксус или крутой раствор воды с солью;

• мультиметр

Прежде чем проводить эксперимент, нужно все монеты промыть в уксусе с добавлением соли, чтобы смыть с них всю грязь.

Далее с помощью ножниц необходимо нарезать из бумаги и фольги круги, по форме такие же, как и монеты. Количество этих заготовок должно быть меньше на две штуки, чем монет. После можно приступить непосредственно к сборке энергетического столба:

1. Необходимо взять бумажный круг, смочить его в уксусе и прикрепить к монете (рисунок 4).

2. Расположить на бумаге фольгу, после вновь монету, делая «бутерброд».

3. Пока не закончатся монеты, повторить все шаги последовательно.

В итоге на одном конце сооружения должна лежать монета. Это положительный полюс, на другом конце фольга - отрицательный полюс.

Чем большее количество монет получится собрать, тем больше получится напряжение. В данном эксперименте для 10 монет оно равно 2 В (рисунок 4). Повторно монеты использовать нельзя, т.к. после эксперимента они станут ржавыми.

В качестве эксперимента источник тока из монет был протестирован на пульте дистанционного управления от телевизора. Оказалось, что его мощности хватает для переключения каналов.

Рисунок 4 – Эксперимент с источником тока из монет

3 Источник тока из солевого раствора

Два электрода (цинковая и медная пластины) в солевом растворе представляют собой простейшую базовую форму источника электричества, через который вырабатывается напряжение.
Потребуется для создания «солевого» источника тока следующее:

• солевой раствор;

• мензурки;

• цинковая и медная пластины,

• провода,

• мультиметр;

Для эксперимента необходимо приготовить раствор поваренной соли NaCl и наполнить им мензурку, после чего поместить пластины двух разных металлов - цинка и меди, в приготовленный солевой раствор. Под действием растворителя – воды происходит расщепление молекул соли NaCl на отдельные ионы Na+ и Cl-. В результате в воде появляются свободные носители заряда, что обеспечивает прохождение электрического тока через раствор. Следовательно, чем больше в жидкости свободных носителей заряда, тем больше должно быть напряжение, что подтверждается описанными ниже экспериментами.

При погружении электродов в дистиллированную воду, свободную от солей и минералов, мультиметр практически не зарегистрировал наличия напряжения.

Далее мензурка наполнялась водой с растворенной в ней солью в количестве 1 ч.л. соли на 100 мл воды, после чего при погружении туда медной и цинковой пластин с помощью мультиметра удалось обнаружить электрическое напряжение на этих двух металлах, равное 0,6 В.

Далее солевой раствор в мензурке был заменен на более насыщенный с концентраций 10 ч.л. соли на 100 мл воды, показание напряжения мультиметром увеличилось и стало равно 0,76. Для выработки более сильного тока можно подключить несколько последовательно соединенных «солевых» источников тока. Проверка мультиметром при этом показала напряжение 2,26 В.

Результаты всех проведенных замеров в ходе эксперимента представлены в таблице 3 и на рисунке 5.

Таблица 3. Результаты измерений напряжения при использовании различных вариантов солевых растворов

Варианты растворов	Значение напряжения, V (В)
Дистиллированная вода	0,06
1 ч.л. соли на 100 мл воды	0,6
10 ч.л. соли на 100 мл воды	0,76
3 мензурки с растворами 10 ч.л. соли на 100 мл воды	2,26

Рисунок 5 – Эксперименты с «солевым» источником тока

Заключение

Цель исследования достигнута: был получен электрический ток в результате сборки самодельных источников тока из подручных материалов, при правильной сборке и надежном подключении полученные «батарейки» способны выдавать напряжение 2-3 В, что вполне хватит для питания маломощных бытовых приборов.

Таким образом, источники тока из подручных материалов можно использовать дома или на даче, а также в экстремальных условиях, они экологически безопасны, не токсичны, не требуют специального хранения и утилизации. Недостаток таких самодельных источников тока – это их недолговременное использование, экономическая нецелесообразность и нестабильность напряжения ввиду возможного окисления электродов.

Перечисленные в работе эксперименты показывают, что электрическая энергия окружает нас повсюду. Нужно лишь приложить немного усилий, чтобы направить ее в правильное русло.

Список использованных источников и литературы

1. Физика для малышей – М. Педагогика, 1983.

2. Энциклопедический словарь юного физика. – М.: Педагогика, 1991.

3. Журнал. «Галилео» Наука опытным путем. № 3/ 2011 г. «Лимонная батарейка» с. 9-14

4. Журнал «Юный эрудит» № 10 / 2009 г. «Энергия из ничего» с. 11-13

5. Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2015. – 237 с.