XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Когда Вольта соединил проводками верхний и нижний концы столба — пошёл электрический ток! Это была первая в мире батарейка. Это устройство производило непрерывный электрический ток, чтобы зажигать искорки или вызывать покалывание в пальцах.. Изобретение Вольты произвело фурор в научном мире и дало мощный импульс для исследований в области электротехники. От фамилии Вольта произошла единица измерения напряжения — Вольт (В).

«Вольтов столб» был неудобным — жидкость могла вытечь. Поэтому учёные стали улучшать изобретение. Они поместили все необходимые части — цинковый стаканчик, угольный стержень и густую пасту-электролит — в один стальной цилиндр. Так появились первые привычные нам батарейки. Их назвали «сухими», потому что там не было жидкой воды.

Батареи являлись основными источниками электричества до изобретения в конце XIX века электрогенераторов и электрических сетей. 

XX век: Стандартизация и технологический прорыв

XX век стал эпохой массового производства и специализации батареек. Были разработаны и утверждены типоразмеры (AA (пальчиковая), AAA (мизинчиковая), C, D, «Крона» и др.), что позволило использовать элементы от разных производителей в одних и тех же устройствах.

А что сегодня?

Сейчас батарейки бывают очень разными:

• Солевые — самые простые, для часов или пультов.

• Щелочные (алкалиновые)  элементы — более мощные и долгие, с надписью Alkaline. Их используют в фонариках, игрушках.

• Литиевые элементы (1970-е гг.): Следующей революцией стало использование лития – самого легкого металла с высоким электрохимическим потенциалом. Литиевые батарейки (например, CR2032) обладают очень высоким напряжением (3 В), огромной ёмкостью и сроком хранения (до 10-12 лет). Они стали стандартом для часов, материнских плат компьютеров и медицинских приборов.

• Аккумуляторы — это самые умные батарейки. Их можно много раз заряжать специальным устройством, чтобы они снова стали полными сил.

1. 3. Опыт ученых использования альтернативных источников энергии из фруктов в разных странах.

Учёные изучают, могут ли фрукты и овощи служить источниками тока, если ввести в них медный и цинковый электроды. Некоторые результаты:

• В индийском городе Тирупати учёные используют пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей и фруктов. Одновременное действие четырёх таких батареек позволяет запустить стенные часы, пользоваться электронной игрой и карманным калькулятором, а для ручных часов хватает одной батарейки.

• В 2010 году японская компания «Сони» представила на научном конгрессе в США миниатюрную батарею размером 2 на 4 сантиметра и мощностью 10 милливатт. Она может использоваться в мобильных телефонах, ноутбуках, плейерах.

• Группа ученых из Великобритании создала компьютер, источником питания для которого является картошка. За основу был взят компьютер с маломощным процессором, вместо жесткого диска -карта памяти на 2 Мб. Питается это устройство 12 картофелинами, которые меняются каждые 12 дней.

Ученые утверждают, что, если у вас дома отключат электричество, то вы сможете некоторое время освещать свой дом при помощи лимонов.

1. 3. Вред и польза батареек

Необходимо правильно утилизировать отработанные элементы питания. Очень важно не выкидывать с другими отходами, а отдавать в пункты приёма.

Батарейки перерабатывают в суспензию / жижу и вторично используют. Переработка батареек позволяет добыть ценные металлы, сохраняет экологию и наше здоровье. Например, из 100 батареек получается 100 карандашей, 1 столовый прибор и чуть больше 1 кг удобрений. Батарейка – это не только источник опасных, но и ценных веществ. При правильной утилизации они будут нести не только вред, но и пользу.

Глава 2. Практическая часть

2.1. Проведение опыта: Зарядка от картошки

Так как в овощах и фруктах много сока, а он представляет собой кислоту (или электролит) так же, как в обычных батарейках, то воткнув в них металлические пластины можно получить электричество.

Для опытов нам понадобится (Приложение 2, рис.6) :

• 2 пластины из разных металлов

• Медная проволока

• Вода, уксус

• Картофель

• Сок

• Лимоны

• Яблоки

• Светодиод

• Мультиметр

Для начала надо соединить цинковую и медную пластину медной проволокой. Затем поместить эту пару в водную среду (фрукт, сок или воду). Из двух металлов цинк и медь – цинк является более активным металлом. Поэтому цинковая пластина является отрицательным электродом (она будет отдавать свои отрицательные частицы), а медная пластина – положительным электродом (она будет притягивать отрицательные частицы). Когда связанные пластины помещают в раствор (электролит) , то происходит химическая реакция, которая запускает передачу отрицательных частиц к положительным. Этот поток электронов от активного металла к менее химически активному образует небольшой ток. Этого тока достаточно, чтобы загорелся маленький электрод или заработал небольшой звуковой чип.

Приступим к опытам. Для измерения силы тока нам понадобится мультиметр – прибор для измерения напряжения.

Опыт 1. Ток из воды (Приложение 2, рис.7)

Поместим пластины, связанные медным проводом, в разные стаканы с водой. Теперь, для того чтобы замерить ток, помещаем отрицательный черный щуп амперметра в стакан к положительному электроду (медной пластине), а положительный красный щуп к отрицательному (цинковой пластине). Мультиметр показал напряжение 1,3 Вольта.

Опыт 2. Вода + уксус (Приложение 2, рис.8)

Теперь добавим в оба стакана с водой по мерному стаканчику уксуса. Снова измерим ток с помощью мультиметра. Теперь результат стал 1,4 В.

Вывод: в более кислой среде напряжение тока больше.

Опыт 3. Ток из яблок (Приложение 2, рис.9)

Вставим пластины, связанные медным проводом, в два разных яблока и аналогично первым двум опытам замерим напряжение.

Мультиметр показал напряжение 1,6 Вольта. Это больше, чем у воды и воды с уксусом. Значит яблоки содержат большое количество кислоты.

Опыт 4. Ток из картофеля (Приложение 2, рис.10) показал 1,2 В.

Опыт 5. Ток из двух лимонов (Приложение 2, рис.12). показал 1,5 В

Опыт 6. с апельсиновым током показал 1,6 Вольта (Приложение 2, рис.11).

Если присоединить светодиод, то он загорается. Это тоже говорит о том, что ток есть и его достаточно для маленькой лампочки.

Опыт 7. Ток от 7 лимонов. Мультиметр показал напряжение 4,3-4,81 В (Приложение 2, рис.13)

По результатам опытов можно сделать выводы:

1. Величина тока не зависит от размера продукта. Величина силы тока зависит от того на сколько эти продукты кислые и сочные.

2. Величина тока становится больше, если увеличить количество лимонов, яблок, картофеля. Один лимон в батарейке может дать около 1 вольта, а вот несколько фруктов вполне могут зарядить небольшое устройство, вроде фонарика или светодиодов

3. В процессе хранения овощи и фрукты «усыхают», в результате чего электропроводность уменьшается. 

Таблица с полученными значениями напряжения приведена в Приложении №3.

У меня возник вопрос: сможет ли такая батарейка зарядить мой телефон? Поискав информацию в интернете, я узнал, что чтобы зарядить смартфон, понадобится около 50 килограммов картофеля или 50 лимонов. Явным недостатком такой подзарядки будет небольшая энергия при большом количестве отходов.

Глава 3. Анкетирование

Я провёл опрос среди ребят своего класса, на тему «Батарейки в нашей жизни». По результатам анкетирования я выяснил, что:

- о вреде батареек известно всем моим одноклассниках;

- в каждой семье не меньше трех предметов, где требуются батарейки;

- все мои одноклассники утилизируют батарейки в пункты приёма;

- близко расположенные пункты приёма батареек есть лишь у трёх человек.

Вопросы и варианты ответов представлены в Приложении 4.

Полученные результаты представлены в виде диаграмм в Приложении 5.

Заключение

1. Гипотеза подтвердилась. Нам удалось создать батарейку в домашних условиях и изучить процессы, из-за которых возникает электрический ток.

2. К сожалению, данный способ не подходит для полноценной замены батареек в быту, т.к. имеет невысокую эффективность при большом производстве отходов.

3. Изучая эту тему мне было интересно узнать, как, начавшись с опытов на лягушачьих лапках, изобретение ученых Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта превратилось в маленький и незаменимый источник энергии, который помогает нам в быту каждый день. Батарейка — это целая электрохимическая мини-фабрика по производству тока у тебя в руках!

4. Пока ученые находятся в поисках более экологичной замены мы можем уменьшить вред от батареек, если будем правильно их утилизировать.

Полученными знаниями я поделился со своими одноклассниками в виде презентации. Тем самым, надеюсь, что привлек их внимание к теме экологической проблеме батареек, а также заинтересовал их изучать такие необычные процессы с помощью простых предметов в домашних условиях.

Список литературных источников:

1. Томилин К.А. «Фундаментальные физические открытия в истории техники: электричество».

2. Журнал: Популярная механика (статья на сайте об истории электротехники).

3.  school-science.ruinfourok.ru

4. abakus-center.ru

5. https://www.techinsider.ru/diy/173261-dobyvaem-elektrichestvo-iz-limona-kartofelya-i-uksusa/

6. https://aif.ru/society/science/alessandro_volta_kak_syn_svyaschennika_perevernul_mir

7. https://ria.ru/20210902/batareyki-1748268577.html

8. Гренчук, К. В. Экологически чистые источники тока из фруктов и овощей / // Юный ученый. — 2018. — № 1.1 (15.1). — С. 19-22.

9. https://akb-electro.ru/articles/istoriya-poyavleniya-akkmumulyatorov-akb/?utm_medium=organic&utm_source=yandexsmartcamera

10. https://meditems.ru/info/articles/2020/istoriya_odnogo_izobreteniya_kotoroe_zapustilo_milliony_chelovecheskikh_serdets/?utm_medium=organic&utm_source=yandexsmartcamera

11. Эйвинди Нидал Даль /Электроника для детей. Собираем простые схемы, экспериментируем с электричеством / изд. «Манн, Иванов и Фербер»/ 2017г. Москва/285с.

Приложение 1.

Иллюстрации к истории изобретения батарейки

Рис.2 [10] Итальянский врач-физик Луиджи Гальвани

Алессандро Вольте

Рис. 3.[6]

Алессандро Вольте демонстрирует Наполеону свои изобретения.

Рис. 4.[6]

Рис. 5 [9] «Вольтов столб»

Приложение 2.

Иллюстрации к опытам

Рис.6

Рис.7

Рис.8

Рис.9

Рис.10 Рис.11 Рис.12

Рис.13

Приложение 3.

Результаты опытов.

	Вид источника тока	Мощность, В
1	Вода	1,3
2	Вода с уксусом	1,5
3	2 яблока	1,6
4	2 штуки картофеля	1,2
5	2 лимона	1,5
6	Апельсиновый сок	1,6
7	7 ЛИМОНОВ	4,89

Приложение 4

Анкета на тему «Батарейки в нашей жизни».

	ВОПРОС	ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ
1	Знаете ли вы о вреде батареек? (можно выбрать несколько вариантов)	Нет, не слышал Слышал, но не знаю , чем они вредны Знаю, что они вредны для почвы Знаю, что они вредны для воды Знаю, что они вредны для человека Свой вариант __________________
2	Знаете ли вы о том, ЧТО именно можно изготовить из переработанных старых батареек?	Нет, не знаю Знаю, из переработанных батареек изготавливают: __________________________________________ ________________________________________
3	В каких приборах в вашем доме используются батарейки?  (можно выбрать несколько вариантов)	пульт   телефон   фонарик   детские игрушки   лампа   часы   беспроводная мышь   Другое   ____________________________ _____________________________________ _____________________________________
4	Куда вы утилизируете использованные батарейки?	Выбрасываем в мусорное ведро  Сдаю в специальные пункты по сбору для переработки батареек; Собираю все старые батарейки в одном месте, приношу потом в школу в день сбора эко сырья.
5	Сколько примерно батареек утилизирует ваша семья в месяц?	Свой вариант ответа: ______________________________
6	Есть ли пункт сбора батареек рядом с вашим с домом?	Да Нет

Приложение 5

Результаты анкетирования

В анкетировании принимали участии 33 ученика моего класса.

1. Ответы на вопрос №1.

2. Ответы на вопрос №2.Знаете ли вы о том, ЧТО именно можно изготовить из переработанных старых батареек?

3 человека ответили «Карандаши».

3. Ответы на вопрос №3.

4. Ответы на вопрос №4. Куда вы утилизируете использованные батарейки?

5. Ответы на вопрос №5. Сколько примерно батареек утилизирует ваша семья в месяц?

Среднее количество по классу получилось 3 батарейки в месяц.

6. Ответы на вопрос №6.

12