V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование свойств вольтова столба
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Гальванический элемент — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Первый гальванический элемент создал в 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта. В 1802 году российский физик использовал усовершенствованный им вольтов столб для получения электрической дуги.
Мне стала интересна эта тема потому, что сейчас в мире стала актуальна проблема электричества. Люди пытаются найти альтернативные источники. Миру нужен выход из ситуации, сложившейся из-за потребления людьми ресурсов Земли. Наряду с аккумуляторами гальванические элементы имеют широкое применение.
Знать, как работает гальванический элемент важно для дальнейшего совершенствования подобных устройств.
Основоположник отечественной электротехники русский физик-экспериментатор Василий Владимирович Петров в 1803 году, проведя серию самостоятельных оригинальных опытов, описанных им подробно в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах …» получил один из мощнейших на то время гальванических элементов (вольтов столб), что позволило ему получить, среди прочего, первую электрическую дугу.
Постановка проблема:
Воспроизведение исторически значимых экспериментов отечественных учёных позволяет глубже узнать историю науки и место России среди передовых стран мира, в связи с этим представляется интересным провести исследование зависимости разности потенциалов гальванического элемента, созданного по принципу вольтова столба, от количества пластин, состава электролита и концентрации раствора, в том числе и в условиях близких к историческим.
Цель исследования:
Выявить зависимость разности потенциалов гальванического элемента, созданного по принципу вольтова столба, от количества пластин, состава электролита и концентрации раствора.
Задачи исследования:
Изучить историю создания первого гальванического элемента.
Изучить принцип работы вольтова столба.
Рассмотреть возможные комбинации материалов для создания максимальной разности потенциалов.
Провести серию экспериментов с различными параметрами.
Объект исследования: гальванический элемент, созданный по схеме вольтова столба
Предмет исследования: зависимость разности потенциалов от различных параметров.
Перечень необходимого оборудования:
Пластины из меди и цинка
Растворы борной кислоты, поваренной соли, лимонной кислоты
Измерительные приборы: мультиметр
Методы исследования
В исследовании применялись следующие методы:
1. Теоретические:
- анализ источников информации по истории создания первых гальванических элементов,
- анализ сведений о принципе действия гальванических элементов,
- анализ полученных экспериментальных данных.
- неполная индукция: формулировка вывода на основе данных, не охватывающих всех аспектов и возможных комбинаций характеристик исследуемых объектов.
2. Эмпирические:
- проведение серии экспериментов с целью проверки гипотезы.
Исследование носит прикладное значение, так как способствует более глубокому пониманию процессов, связанных с получением постоянного тока. Его результаты могут быть использованы для проведения уроков физики.
Тема, связанная с открытием А. Вольта, широко освещается в школьном курсе физики (в частности учебник Пёрышкина), но при этом не говориться о его сути. Более того, в связи с открытием Вольта вообще не упоминается наш соотечественник академик В.В. Петров, кроме пособия «Мир электричества» [7, c.118-132]. Между тем, опыты Вольта и Петрова вполне доступны для воспроизведения даже в домашних условиях. Но в доступных источниках, посвящённых школьному эксперименту [2, 3, 4, 8], эта тема так же не поднимается. Одно из пособий («Элементарный учебник физики», т.2 [9]) даёт подробное пояснение принципа действия именно вольтова столба и роль этого открытия в становлении физики.
На наш взгляд очевидна актуальность данного исследования как способствующего пониманию сущности явлений, связанных с получением постоянного тока, так и воспроизводящее возможные исторические эксперименты. При этом следует понимать, что в распоряжении учёных начала XIXвека не было современных измерительных приборов, позволяющих провести те же эксперименты, но на качественно ином уровне.
Исторически, в том числе и в опытах Петрова, в вольтовом столбе использовались медь и цинк [1, 5, 6]. В своём исследовании мы используем те же металлы.
ОСновная часть История открытия гальванического эффекта
Итальянский анатом и физиолог Луиджи Гальвани, один из основателей учения об электричестве, основоположник электрофизиологии, родился в Болонье. В 1759 г. окончил Болонский университет, в котором изучал сначала богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию; в 1762 г. получил степень доктора медицины. Преподавал медицину в Болонском университете.
Первые работы Гальвани посвящены сравнительной анатомии. В 1771 г. он начал опыты по животному электричеству: открыл и исследовал феномен сокращения мышц препарированной лягушки под влиянием электрического тока; наблюдал сокращение мышц при соединении их металлом с нервами или спинным мозгом, обратил внимание на то, что мышца сокращается при одновременном прикосновении к ней двух разных металлов.т Опыты Гальвани, получившие правильную трактовку в работах А. Вольта, способствовали также изобретению нового источника тока – гальванического элемента.
Алессандро Вольта - химик, физик, физиолог, основоположник учений об электричестве. Родился он в городе Комо рядом с Миланом. С 1774 по 1779 преподавал физику в гимназии в Комо. Был первым человеком открывшим метан и исследовавшим его свойства В 1792 по 1794 заинтересовался открытием сделанным Луиджи Гальвани. Вольта провёл ряд опытов и показал, что наблюдаемые явления связаны с наличием замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов и жидкости. В 1800 г. Вольта изобрёл так называемый Вольтов столб – первый источник постоянного тока, состоявший из 20 пар кружочков из двух различных металлов, разделённых смоченными солёной водой или раствором щёлочи прослойками ткани или бумаги. Изобретение вольтова столба доставило Вольта всемирную славу и оказало огромное влияние не только на развитие науки об электричестве, но и на всю историю человеческой цивилизации. Вольтов столб возвестил о наступлении новой эпохи – эпохи электричества.
Простейший гальванический элемент состоит из стеклянного (или другого какого-либо материала) сосуда (рис), внутри которого помещаются на некотором расстоянии друг от друга цинковая и угольная (или медная) пластинки. Эти пластинки обычно называются электродами или полюсами элемента. В сосуд наливается электролит — раствор какой-либо соли или кислот в дистиллированной воде. В результате химического воздействия электролита на электроды элемента на последних появятся противоположные электрические заряды, причем цинковая пластинка окажется заряженной отрицательно [поэтому она и обозначена на рисунок 1 знаком (—)], а угольная — положительно [обозначена знаком (+)].
Принцип работы вольтова столба
Вольтов столб состоял из набора металлических и суконных кружков, которые укладывались в определённом порядке: на серебряном кружке лежал цинковый, затем — суконный кружок, смоченный водным раствором нашатыря, на нем серебряный и цинковый кружки и снова суконный и т.д. Первый и последний кружки в этом устройстве играли роль проводников и по сути дела были совершенно лишними.
Электричество в Вольтовом столбе возникает непрерывно в результате химического взаимодействия двух различных металлов, смоченных раствором нашатыря. Разделение электрических зарядов происходит при соприкосновении различных проводников, в результате чего на границе соприкосновения на одном из металлов скапливаются отрицательные заряды (избыток электронов), а на другом – положительные (недостаток электронов) [9, c. 162].
Так же Вольта выяснил, что нельзя получить гальванический элемент, если составить замкнутую цепь только из одних металлов, которые не будут претерпевать никаких химических изменеий при прохождении через них электрического тока. Необходимо наличие электролита, с котрым соприкасаются электроды.
После изобретения Вольтова столба в распоряжении ученых оказался источник, способный непрерывно поддерживать движение электрических зарядов в проводнике. Такое движение назвали постоянным электрическим током. Изобретение источника тока открыло широкие возможности для новых исследований электричества. Вольтовым столбом спешили обзавестись физики, химики, медики и просто любители науки.
Опыты В.В. Петрова
Василий Владимирович Петров (1761 - 1834) — русский физик-экспериментатор, электротехник-самоучка, академик Петербургской академии наук Основоположник отечественной электротехники [1].
После открытия Алессандро Вольта прибора, способного создавать непрерывный поток электрических зарядов учёные получили возможность проводить новые опыты с электричеством. В Петербурге опыты с Вольтовым столбом проводил профессор физики Медико-хирургической Академии Василий Владимирович Петров. Он заказал 100 цинковых и 100 медных кружков диаметром по 10 дюймов. Каждый кружок весил более фунта. Из них Петров составил Вольтов столб, применив вместо суконных прокладок бумажные кружки, пропитанные водным раствором нашатыря. Однако мощность прибора не удовлетворила Петрова. Для опытов, которые он задумал, эта батарея была слабовата, и ученый заказал другую — «наипаче огромную батарею, состоявшую иногда из 4200 медных и цинковых кружков» [7].
В этой батарее Петров не стал располагать кружки столбиком. Столб из 4200 кружков получался, по расчетам Петрова, высотой в 40 футов, то есть более 12 метров. Обращаться с таким столбом было бы затруднительно, пришлось бы ломать потолки в лаборатории, и батарея поднялась бы над крышей здания, как фабричная труба. А главное, ученый опасался, что под тяжестью столба влага из прокладок в нижней части батареи будет выдавлена, и ожидаемого результата не получится.
Петров заказал ящики из красного дерева, разгороженные на восемь отделений. Внутренние стенки ящика и все перегородки он облил расплавленным сургучом. Когда сургуч застыл, получилась твердая, совершенно водонепроницаемая корка, служившая прекрасной изоляцией.
(Рис. [6, с. 149]
В каждое отделение Петров уложил по 525 медных и цинковых кружков. Все секции своей батареи Петров соединил изолированными проводами, употребляя для изоляции шелк, сургуч, воск, лаки. Это было крупной технической новинкой. Но никто из ученых не понимал тогда, как важно тщательно изолировать проводники. Петров доказал, что только надежно изолированная батарея способна дать наиболее сильный ток.
В своём исследовании мы восроизводим батарею Петрова в меньших масштабах и изучает её свойства.
С помощью своего вольтова столба Петров создал электрическую дугу, - открыл один из видов электрического разряда — дуговой разряд.
Описание экспериментальной установки
Для проведения эксперимента были приготовлены медные и цинковые пластины по 10 штук каждого металла, сосуды для приготовления растворов, вещества для растворов. В качестве измерительного прибора использовался мультиметр.
Методика проведения эксперимента
Для исследования зависимостей необходимо оставлять неизменными все параметры кроме одного. В данном исследовании проверялась зависимость разности потенциалов от концентрации раствора при неизменной площади пластин, числа пар металлов для двух различных электролитов; зависимость напряжения от вида электролита при неизменной площади пластин, концентрации раствора и числа пар пластин; зависимость напряжения от числа пар пластин при неизменной площади пластин и концентрации раствора.
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Исследование зависимости разности потенциалов от концентрации раствора
Материал пластин: медь, цинк
Площадь пластин S = 4 см2
Число пар пластин - 9
Электролиты:
раствор поваренной соли (NaCl) и борной кислоты (H3BO3).
|
NaCl |
Концентрация раствора, г/см3 |
0,01 |
0,03 |
0,05 |
0,07 |
|
Напряжение, В |
1,6 |
1,5 |
1,3 |
1,2 |
|
H3BO3 |
Концентрация раствора, г/см3 |
0,01 |
0,03 |
0,05 |
0,07 |
|
Напряжение, В |
4,25 |
3,6 |
3 |
2,7 |
Вывод: с ростом концентрации падает напряжение. Этот вывод справедлив для каждого из исследуемых растворов. Это связано с тем, что при увеличении концентрации возрастает внутреннее сопротивление источника тока, общее напряжение падает.
Вывод: большее напряжение, при прочих равных условиях, показывает установка, в которой в качестве электролита используется борная кислота. Значит существуют различия в использовании того или иного раствора электролита.
Эксперимент 2. Зависимость напряжения от вида электролита
Материал пластин: медь, цинк
Площадь пластин S = 4 см2
Концентрация раствора 3 г/см3
Число пар пластин - 9
|
Электролит |
Раствор поваренной соли |
Раствор лимонной кислоты |
Раствор борной кислоты |
Раствор нашатырного спирта |
|
Напряжение, В |
1,5 |
3,6 |
3,6 |
5,2 |
Вывод: Напряжение на гальваническом элементе зависит от рода электролита.
Эксперимент 3. Зависимость напряжения от числа пар пластин
Материал пластин: медь, цинк
Площадь пластин S = 4 см2
Концентрация раствора 3 г/см3
|
Число пар пластин |
2 |
4 |
6 |
8 |
|
Напряжение, В |
0,5 |
1,4 |
2,14 |
2,5 |
Вывод: с ростом числа пар пластин напряжение возрастает. Что вполне логично, так как каждая пара играет роль одного гальванического элемента, а как известно, при последовательном соединении элементов в батарею, общее напряжение возрастает
Эксперимент 4. Воспроизведение условий эксперимента В. Петрова
Материал пластин: медь, цинк
Площадь пластин S = 4 см2
Концентрация раствора 3 г/см3
Число пар пластин - 9
|
Электролит |
Раствор нашатырного спирта |
|
Напряжение, В |
5,2 |
Описание эксперимента:
Нашатырный спирт — водный раствор гидроксида аммония (в нашем случае 3% концентрации аммиака в воде), бесцветная прозрачная жидкость с резким запахом. Применяется как лекарственное средство и для бытовых нужд.
Проведению эксперимента мешал едкий запах. Поэтому были приняты меры предосторожности, так как вдыхание паров аммиака может вызвать рефлекторную остановку дыхания или рвотных рефлекс, что затрудняет воспроизведение эксперимента в условиях класса.
Результат эксперимента привёл нас к пониманию сложности деятельности учёного на начальном этапе формирования физики в начале XIX века. Академик Василий Петров, например, используя нашатырный спирт для создания своей мощнейшей батареи, совершил настоящий научный подвиг.
Заключение
В ходе исследования изучена история создания первого гальванического элемента – вольтова столба и его усовершенствование академиком Василием Петровым. Воспроизведёт эксперимент Петрова с материалами той эпохи.
Изучен принцип работы вольтова столба. В ходе работы использовалась классическая пара металлов: медь и цинк.
Проведённая серия экспериментов позволила подтвердить теоретические предсказанные зависимости:
с ростом концентрации раствора падает напряжение;
большее напряжение, при прочих равных условиях, показывает установка, в которой в качестве электролита используется борная кислота, что открывает возможность для серии практических исследований, по выявлению наиболее оптимального раствора;
с ростом числа пар пластин напряжение возрастает.
Результаты экспериментов, а также методика проведения исследования может быть преобразована в практическую исследовательскую работу по физике, которою можно использовать при изучении темы «источники тока» в 8 классе, придав обычному уроку исследовательский характер.
Таким образом, цели и задачи исследования выполнены полностью.
Список использованной литературы
1. Академик В.В. Петров (1761 - 1834). К истории физики и химии в России в начале XIX века / Под ред. Академика С.И. Вавилова. Ленинград: типография АН СССР. – 1938. – 252 с.
2. Кожевников Н.М. Демонстрационные эксперименты по общей физике: Учебное пособие. – 2-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2016. – 248 с.
3. Назимов И.М. Задачи по физике с техническим содержанием: Для 7-9 кл. общеобразоват. учреждений. – 3-е изд., перераб. и до. – М: Просвещение, 2001. – 112 с.: ил.
4. Николаев О.С. Физика и астрономия. Курс практических факультативных работ для средней школы: учебное пособие. – М.: Едиториал УРСС, 203. – 152 с.
5. Новые электрические опыты профессор Василия Петрова. Санкт-Петербург, Медицинская типография. – 1804.
6. Сборник к столетию со дня смерти первого русского электротехника академика Василия Владимировича Петрова / Под. ред. Л.Д. Белькина. Москва – Ленинград Объединённое научно-техническое изд-во. – 1936.
7. Томилин А.Н. Мир электричества. – М.: Дрофа, 2004. – 304 с.: ил.
8. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7-11 классах общеобразовательных учреждений: Кн. для учителя / В.А. Буров, Ю.И. Дик, Б.С. Зворыкин и др.; Под ред. В.А. Бурова, Г.Г. Никифорова. – М.: Просвещение: Учеб. лит., 1996. – 368 с.: ил.
9. Элементарный учебник физики: Учеб. Пособие. В 3 т. Т.2. Электричество и магнетизм / Под ред. Г.С. Ландсберга. – 16-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. – 488 с.