Альтернативные источники энергии: фруктовые и овощные батарейки

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Айвазян Т.А. 1

---

1МБОУ СОШ №15

Гавенко А.С. 1

---

1МБОУ СОШ №15

Работа в формате PDF

3.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Жизнедеятельность человечества невозможна без потребления энергии: она необходима как для производства промышленных и сельскохозяйственных продуктов, для разработки новых технологий, так и в быту. Потребляя энергию, человек прошел путь от первого костра до атомных электростанций, освоил добычу традиционных энергетических ресурсов: угля, нефти и газа, научился использовать энергию рек, освоил “мирный атом”. Однако современное энергопотребление основано на использовании невозобновимых запасов ископаемого топлива, а они, к сожалению, не бесконечны. Все это составляет одну сторону энергетической проблемы, стоящей перед человечеством: быстрое исчерпание невозобновимого ископаемого топлива при нарастающих темпах его потребления.

Но другой стороной энергетической проблемы является нарастающее загрязнение окружающей среды и, как следствие, глобальные изменения климата, кислотные дожди. К примеру, химический источник тока – батарейка, используемая в пульте дистанционного управления, в детских игрушках и карманных фонариках, беспечно выброшенная в мусорное ведро, может загрязнить тяжёлыми металлами около 20 квадратных метров земли, а в лесной зоне это территория обитания двух деревьев, двух кротов, одного ёжика и нескольких тысяч дождевых червей!

Альтернативные источники энергии: возможности и перспективы их использования - одна из важных и актуальных тем на сегодняшний день. Альтернативная энергетика, построенная на использовании возобновляемых источников энергии, может стать той путеводной звездой, которая решить проблему экологии и исчерпаемости топливных ресурсов.

Поэтому истощение ресурсов заставляет вырабатывать ресурсосберегающую политику, широко использовать вторичное сырье.

Объект исследования: фрукты и овощи.

Предмет исследования: получение электрического тока из фруктов и овощей.

Цель исследовательской работы: исследовать возможность использования фруктов и овощей в качестве альтернативных химических источников электрического тока

Задачи исследования:

Теоретически изучить вопросы:

Что такое электрический ток?

История создания химических источников тока.

Каков принцип работы химических источников тока?

Изучить понятие альтернативных источников энергии.

Изучить опыт использования альтернативных источников энергии в разных странах.

Экспериментально исследовать наличие электрического тока в овощах и фруктах.

Исследовать электропроводность овощей и фруктов.

Создать и исследовать фруктовые и овощные батарейки.

Методы исследования:

Теоретический: анализ научной литературы и материалов сети Internet.

Экспериментальный: проведение эксперимента, анализ полученных данных.

Теоретическая часть

Электрический ток

Что называют электрическим током? И что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?

Электрический ток представляет - это упорядоченное движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в проводнике и поддерживать его длительное время, необходим источник электрического тока. Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой – отрицательно.

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней, химической энергии в электрическую. Наиболее распространенными ис­точниками тока являются химические. Например, гальванический элемент. В гальваническом или химическом источнике происходят химические реакции, и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую.

История создания химических источников тока

История химических источников тока началась один из ноябрьских дней 1770 года, когда профессор анатомии и физиологии Белонского университета Луиджи Гальвани был поражен странным явлением: находившиеся на столе обезглавленные лягушки, над которыми производил опыты Л. Гальвани, вздрагивали. Особенно сильное сокращение мышц наблюдалось, когда соединяющая проволока оказывалась состоящей из двух металлов – меди и цинка. Гальвани был физиологом, а не физиком, поэтому он видел причину явления в «животном электричестве». Опыты Гальвани очень заинтересовали его соотечественника, физика Алессандро Вольта. Вместо теории «животного электричества» он выдвинул теорию «металлического электричества»

Вольта доказал, что различные металлы, соединенные через проводящий электролит (прокладки в кислоте), дают электрический ток. В честь Вольта единица напряжения тока и названа вольтом. А в честь Гальвани, хоть он и ошибался, все источники электричества, подобные описанному, стали называть гальваническими элементами. При этом к созданию гальванических элементов Гальвани не имел никакого отношения!

В действительности оказалось, что Гальвани не так уж и ошибался – живые ткани все-таки вырабатывают электричество, но чрезвычайно малой мощности.

Всего через год после этого, в 1803 году, русский физик Василий Петров для демонстрации электрической дуги собрал самую мощную химическую батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых электродов. Выходное напряжение этого монстра достигало 2500 вольт. Впрочем, ничего принципиально нового в этом «вольтовом столбе» не было.

В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

Начало промышленного производства первичных химических источников тока было заложено в 1865 г. французом Ж. Л. Лекланше, предложившим марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания NationalCarbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент  серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г.

До 1940 г. марганцево-цинковый солевой элемент был практически единственным используемым химическим источником тока

Принцип действия химических источников тока

Химическими источниками тока- это устройства, вырабатывающие электрический ток за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов.

Основу химических источников тока составляют два металлических электрода: катод, содержащий окислитель, и анод, содержащий восстановитель, контактирующие с электролитом.

Действие химических источников тока основано на двух пространственно раздельных процессах: при замкнутой внешней цепи на катоде происходит реакция окисления, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. 

В современных химических источниках тока используются:

на аноде в качестве восстановителя — свинец, кадмий, цинк и другие металлы;

на катоде в качестве окислителя — оксид свинца, медь;

в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

Альтернативные химические источники энергии и опыт их использования в различных странах

Альтернативные источники энергии - это способы, устройства или сооружения, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле. Цель поиска альтернативных источников энергии - потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность. 

Также их еще называют возобновляемыми источниками энергии в связи с некоторыми особенностями этого вида энергии - возможностью неограниченно восполняться, в отличие от газа, угля, торфа и нефти, которые являются исчерпаемыми источниками энергии.

Классификация альтернативных источников энергии:

ветряные - преобразуют в энергию движение воздушных масс;

геотермальные - преобразуют в энергию тепло планеты;

солнечные - электромагнитное излучение солнца;

гидроэнергетические - движение воды в реках или морях;

биотопливные - теплоту сгорания возобновляемого топлива (например, спирта, торфа);

приливные - энергия морских и океанских приливов, на которой работают приливные электростанции;

химические – преобразование химической энергии в электрическую при окислительно- восстановительных реакциях.

Ученые предупреждают о возможном исчерпании известных и доступных для использования запасов нефти и газа. Конечно, о полном исчерпании ресурсов говорить еще рано.

Сегодня энергетика мира базируется на невозобновляемых источниках энергии. В качестве главных энергоносителей выступают нефть, газ и уголь. Ближайшие перспективы развития энергетики связаны с поисками лучшего соотношения энергоносителей и, прежде всего с тем, чтобы попытаться уменьшить долю жидкого топлива. Но можно сказать, что человечество уже сегодня вступило в переходный период - от энергетики, базирующейся на органических природных ресурсах, которые ограничены к энергетике на практически неисчерпаемой основе.

3. Зарубежный опыт использования альтернативных источников энергии

Первая в мире силовая установка, топливом для которой служит скорлупа орехов, была официально открыта 18 сентября в Гимпи, к северу от Брисбена, на юго-восточном побережье Австралии. В первый год она должна обеспечить электричеством порядка 1200 домов провинции Квинсленд. Зеленый генератор, строительство которого обошлось в 3 миллиона австралийских долларов, является плодом совместного предприятия, созданного правительственной компанией Ergon Energy и расположенной в Гипми компанией Suncoast Gold Macadamias, третьего по величине в мире производителя орехов. Каждый час эта электростанция будет перерабатывать до 1.680 килограммов ореховой скорлупы, производя при этом 1,5 мегаватта электричества.

В индийском городе Тирупати ученые университета решили использовать фрукты, овощи и отходы от них для производства альтернативных источников питания для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии. Батарейки содержат внутри пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок, и других овощей, и фруктов. В которую внедрены электроды из цинка и меди. Одновременное действие четырех таких батареек позволяет запустить стенные часы, пользоваться электронной игрой и карманным калькулятором, а для ручных часов и одной батарейки хватает. Новинка индийской электроники рассчитана, прежде всего, на жителей сельских районов страны, которые могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки биобатареек.

А в 2010 году японская компания "Сони" представила на научном конгрессе в США миниатюрную электрическую батарею, работающую на фруктовом соке. Сделанная учеными компании "биобатарейка" размером 2 на 4 сантиметра и мощностью 10 милливатт может использоваться в мобильных телефонах, ноутбуках, плейерах. 8 миллилитров сока хватает примерно на 1 час. Работа над необычным источником питания велась специалистами "Сони" на протяжении нескольких лет в строгом секрете. В 2007 году был изготовлен действующий опытный образец мощность 1,5 милливатта, в 2009 году - мощностью 5 милливатт. Сейчас компания считает новинку достойной представления массовому потребителю.

4. Практическая часть

4.1. Состав фруктов и овощей

Растения содержат 6498% воды, углеводы, органические кислоты (яблочную, лимонную, винную, бензойную, муравьиную), азотистые вещества, жир, дубильные и красящие вещества, эфирные масла, ферменты, фитонциды, витамины, минеральные вещества.

Фрукты содержат органические кислоты: например, лимонная кислота присутствует в апельсинах, лимонах и других цитрусовых, яблочная кислота в яблоках и винная кислота в винограде. Именно соотношение сахара и кислотности чаще всего используется в технологических характеристиках фруктовых продуктов.

Яблочная кислота найдена в яблочном и виноградном соке, ее так же можно обнаружить в соке из крыжовника и ревеня. В незначительных количествах присутствуют другие органические кислоты: молочная, янтарная, глицериновая, изолимонная. Одним из преимуществ содержания во фруктах различных органических кислот является широкий диапазон pH, встречающийся во фруктовых группах.

Соотношение кислоты и щелочи в каком-либо растворе называется кислотно-щелочным равновесием (КЩР), хотя физиологи считают, что более правильно называть это соотношение кислотно-щелочным состоянием. КЩР характеризуется специальным показателем рН (powerHydrogen «сила водорода»), который показывает число водородных атомов в данном растворе. При рН, равном 7,0, говорят о нейтральной среде. Чем ниже уровень рН, тем среда более кислая (от 6,9 до 0). Щелочная среда имеет высокий уровень рН (от 7,1 до 14,0). [14]

Таким образом, мы видим, что большинство фруктов содержит в своем составе слабые растворы кислот. Именно поэтому их можно легко превратить в простейший гальванический элемент.

Создание и исследование источников электрической энергии из овощей и фруктов

Для проведения экспериментов мне понадобились (Приложение 1, фото 2):

фрукты и овощи (лимон, яблоко, сырой картофель, свежий огурец);

медные и оцинкованные пластины;

провода, зажимы;

мультиметр;

электронные часы

светодиод

Измерение силы тока и напряжения, вырабатываемого одним элементом

Медную и цинковую пластину вставляем в овощи или фрукты. Далее я экспериментально измерила с помощью мультиметра и проанализировала силу тока и напряжение таких батарей.

Результаты эксперимента

Таблица1.

Для наглядности результаты проведенных опытов можно увидеть и сравнить на фотографиях (приложение 2, фото 2-3). Вытаскивая медную и цинковую пластины из овощей и фруктов, я обратила внимание на то, что они сильно окислились. Это значит, что кислота вступала в реакцию с цинком и медью. За счет этой химической реакции и протекал очень слабый электрический ток.

Выводы: фрукты и овощи могут служить источниками тока, если ввести в них медный и цинковый пластины. 

Напряжение между электродами приблизительно одинаковое. А величина силы тока, вероятно, связана с содержанием кислоты в продукте. Чем больше кислотность, тем больше сила тока. Для проверки этого предположения, в таблице есть значения рН продукта. Из таблицы видно, что электрические свойства овощей и фруктов связаны с содержанием в них кислоты – чем больше кислотность (меньше рН), тем больше сила тока в элементе.

Исследование напряжения при различных комбинациях элементов питания

При последовательном соединении источников тока суммарное напряжение, создаваемое ими, равно сумме напряжений на каждом элементе. Поэтому, в следующем эксперименте я создавала разные комбинации последовательно соединенных фруктов и овощей и анализировала полученные результаты.

Таблица 2.

Выводы: Если сравнить результаты из таблицы 1 и таблицы 2, то можно сделать вывод о том, чтопри последовательном соединении фруктов и овощей напряжение на зажимах батареи равно сумме напряжений на каждом элементе (Приложение 3, фото 4)

4.2.3 Исследование зависимости силы тока и напряжения при последовательно соединении фруктов

Таблица 3.

Выводы: сравнивая результаты из таблицы 1 и таблицы 3 можно сказать, что при последовательном соединении фруктов напряжение на зажимах батареи растет и равно сумме напряжений на каждом элементе, а сила тока при последовательном соединении не изменяется.

Исследование и применение фруктовой батарейки

Для данного опыта мне понадобились:

Овощи и фрукты;

Электронные часы;

Светодиод;

Провода;

Медные и цинковые пластины.

Эксперимент 1.

Для создания батарейки из двух лимонов, необходимо соединить в лимонах медные и цинковые пластины лимоны между собой при помощи и провода. Затем к созданной лимонной батарейке подсоединили электронные часы. Напряжение на последовательно соединенных лимонах равно 1,86 В. Этого напряжения хватило для включения часов (Приложение 4, фото 5-6)

Эксперимент 2.

Батарейка для светодиода состоит из комбинации картофель + лимон + яблоко +огурец. Напряжение в цепи равно 3,39. Этого напряжения хватило, чтобы светодиод загорелся.

Вывод: батарейки, состоящие из фруктов и овощей можно использовать для приборов с низким потреблением энергии (Приложение 6, фото 8)

Заключение

В своей работе я исследовала возможность использования фруктов и овощей в качестве химических источников электрического тока. Сравнила напряжение на клеммах при использовании различных овощей и фруктов. Например, яблоко и лимон дают наибольшее напряжение, что означает наличие большего количества солей и кислот именно в этих фруктах. Батарейка из фруктов может быть использована для питания маломощных приборов.

Подводя итог работы, можно прийти к выводу об актуальности данной темы. В отличие от традиционных источников электроэнергии на практике можно использовать менее трудоёмкие, экологически чистые, практически безотходные. Такие батареи могут использовать жители сельских районов страны, которые могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки «биобатареек». Таким образом, развитие альтернативных источников энергии в мире представляется актуальным и перспективным проектом. Во-первых, развитие и использование данных источников благоприятно влияют на экологическую обстановку в мире. Во-вторых, в будущем нехватка традиционных ресурсов может сильно сказаться на рынке, возможно, будет мировой энергетический кризис, поэтому очень важно начать сейчас развивать нетрадиционные источники энергии, чтобы через несколько десятков лет, а может быть и меньше, не допустить экономического коллапса.

Использованная литература

Перышкин А. В. Физика. 8 класс. – М.: Дрофа. 2012.

Справочник школьника. Физика / Сост. Т. Фещенко, В. Вожегова. – М.: Филологическое об-во «Слово», компания «Ключ-С», АСТ, Центр гуманит. наук при ф-те журналистики МГУ им. М. В. Ломоносова, 1996.

Н.В.Гулиа. Удивительная физика – М.: «ИздательствоНЦ ЭНАС» 2005.

Химическая энциклопедия /http://abouthist.net/

Ильченко В.Р. Перекрёстки физики, химии и биологии. – М.: Просвещение, 1986.

Энергия «из ничего» // журнал «Юный эрудит №10, 2009 год»

Википедия (http://ru.wikipedia.org/wiki)

В. Н.Витер «Фруктовая батарейка».

http://truehealth.ru/vodorodnyj-pokazatel-ph-produktov-pitaniya

Приложение 1

Фото 1. Приборы, фрукты и овощи для проведения опытов.

Приложение 2

а) б)

в) г)

Фото 2. Измерение напряжения.

а) б)

в) г)

Фото 3. Измерение тока.

Приложение 3

а) б)

в) г)

Фото 4. Исследования напряжения при различных комбинациях.

Приложение 4

Фото 5. Измерение напряжения яблоко+ лимон

Фото 6. Измерение силы тока яблоко+ лимон

Приложение 5

Фото 7. Часы, работающие на лимонной батарейке

Приложение 6

Фото 8. Светодиод, работающей на батарейке из комбинации картофель + лимон + яблоко + огурец