VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Элемент Мейдингера, как альтернативный источник энергии в 21 веке
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На протяжении всего своего существования человечество использовало энергию, накопленную природой в течение миллиардов лет. А что такое энергия? Энергия — это скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.
Очередной виток эволюционного развития человеческого общества принес возможность использовать энергию воды и ветра - появились первые водяные и ветряные мельницы, водяные колеса, парусные суда, использующие силу ветра для своего перемещения. В XVIII веке была изобретена паровая машина, в которой тепловая энергия, полученная в результате сжигания угля или древесины, превращалась в энергию механического движения. В XIX веке была открыта вольтовая дуга, электрическое освещение, изобретен электродвигатель, а затем и электрогенератор, - что и явилось началом века электричества. XX век явил собой подлинную революцию в освоении человечеством способов получения и использования энергии: строятся тепловые, гидравлические, атомные электростанции огромной мощности, сооружаются линии передачи электрической энергии высокого, сверх- и ультравысокого напряжения, разрабатываются новые способы производства, преобразования и передачи электроэнергии.
Основная часть
Окружающий нас мир обладает поистине неиссякаемым источником различных видов энергии. Некоторые из них еще в полной мере не используются и в нынешнее время - энергия Солнца, энергия взаимодействия Земли и Луны, энергия термоядерного синтеза, энергия тепла Земли.
Энергетика имеет большое значение в жизни человечества. Уровень ее развития отражает уровень развития производительных сил общества, возможности научно-технического прогресса и уровень жизни населения.
К сожалению, большинство энергии, потребляемой человеком, превращается в бесполезное тепло из-за низкой эффективности использования имеющихся энергетических ресурсов. Но какую энергию использует современный человек в 21 веке? Ученые пытаются найти более чистый с экологической точки зрения и более эффективный с экономической источник энергии, дабы сохранить нашу планету и в то же время удовлетворить потребности человечества.
Уже сейчас можно услышать о применении солнечной энергии, водородных топливных элементов, биотоплива и многого другого. Но в данном проекте мы хотим поговорить о таком источнике энергии как элемент Мейдингера.
Проблема: выяснить возможно ли применение элемента Мейдингера в качестве источника тока для получения дешевого, экологически чистого и работающего длительное время источника энергии, что особенно актуально для туристов, геологов и коренных народов Севера.
Актуальность работы. В нашей стране существует достаточно большое количество регионов, где энергоснабжение затруднено в силу удаленности от централизованных электросетей.
Так же существуют категории людей, такие как геологи, туристы, коренные народы Севера, которые проживают обособленно и перед ними стоит остро проблема получения электроэнергии.
Цель: исследовать возможность применения элемента Мейдингера в качестве альтернативного источника энергии.
Задачи:
Получение практических знаний обучающимися в проведении научно-исследовательской работы, практических экспериментов.
Научиться измерять характеристики электрического тока с помощью мультиметра, умение снимать и анализировать информацию по параметрам электрического тока.
Сделать выводы и разработать рекомендации по применению полученных знаний на практике.
Этапы проекта:
Изучить имеющуюся литературу по данной тематике;
Выяснить наиболее оптимальную схему сборки элемента Мейдингера;
Провести эксперименты, на снятие электрических параметров собранной установки
Для достижения поставленных целей над данным проектом работали по следующим направлениям:
Изучение устройства элемента Мейдингера
Сборка установки, проведение экспериментов
Выводы
Гипотеза: При правильном сочетании компонентов элемента Мейдингера можно достичь достаточно эффективных параметров выходного электрического тока, достаточного для длительного поддержания внешнего освещения с помощью диодных светильников.
Выполняя данный проект, мы пришли к выводу, что надо в своем опыте установить наиболее оптимальную сборку, позволяющую как можно дольше получать электрический ток с минимальным проседанием по мощности.
Был проведен анализ литературы, который показал, что существует несколько вариантов сборки элемента Мейдингера. Мы остановились на наиболее эффективной схеме, которая представлена ниже (рисунок 1. Схема элемента Мейдингера).
Рисунок 1. Схема элемента Мейдингера
Для сборки нам понадобились следующие компоненты: мерный стакан, воронка, медный купорос, медный провод диаметром 1 мм и алюминиевая пластина (Рисунок 2.). В качестве положительного полюса в нем является медная проволока диаметром 1 мм, а отрицательным – цинковая пластинка шириной до 1 см. Электролитом служил раствор цинкового купороса (ZnSO4), деполяризатором – раствор медного купороса (CuSO4). Последний, как имеющий больший удельный вес, находится в нижней части сосуда и окружает положительный полюс, в то время как раствор цинкового купороса, имеющий меньший удельный вес, располагается над раствором медного купороса в верхней части сосуда.
Рисунок 2. Внешний вид собранного элемента Мейдингера
Поток электронов во внешней цепи направлен слева направо. Внутри элемента на границе ток переносится ионами переходящими в раствор, на границе ток переносится частично ионами, а также ионами, осаждающимися на медном электроде. Суммарную реакцию, приводящую к химическому превращению и, следовательно, к генерации электрической энергии, можно записать в виде
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
На протяжении двух недель мы снимали параметры электрического тока с нашего элемента, они колебались от 1,474V в начале измерений и до 1,315V к концу второй недели (Рисунок 3).
Рисунок 3. График зависимости напряжения от времени
Помещенная внутрь элемента воронка, заполненная медным куропоросом поддерживает уровень электролита на достаточно высоком уровне напротяжения на протяжении всего срока проведения опыта. Это позволяет судить о том, что элемент Мейдингера может на протяжении длительного времени поддерживать стабильную отдачу электрического тока.
Выводы
Подводя итоги работы, следует подчеркнуть, что данная работа имеет большой смысл для понимания того, что энергию возможно получать не только классических способом.
Эксперимент длился в течение 2 недель. В течение этого периода мы фиксировали напряжение, получаемое с помощью собранного нами элемента Мейдингера. В результате нами установлено, что наибольшая мощность составляла в начальный период измерений и начиная со второй недели мощность стала уменьшаться.
Снижение мощности не критическое, оно протекает плавно, что говорит о возможности применения данного элемента в качестве источника тока, группами населения, которые не имеют постоянного стабильного доступа к электросетям общего энергоснабжения.
Заключение
Цель нашего проекта достигнута, задачи в ходе работы выполнены полностью.
Приобретены навыки работы создания гальванического элемента.
Были приобретены навыки работы с мультиметром.
Получены навыки практического проведения научно-исследовательской работы.
В ходе проведения работы мы выявили слабые стороны имеющегося элемента Мейдингера, которые будут учтены в будущем, исправлены и работа станет более конкурентноспособной, с дальнейшей возможностью коммерциализировать ее.
Список литературы
Гаврилов Д., Латыпов Н., Ёлкин С. Инженерная эвристика. – Litres, 2017.
Кудряшов В. А. Телеграф, железная дорога и обеспечение безопасности движения поездов //Автоматика на транспорте. – 2016. – Т. 2. – №. 2.
Hesechus N. Primjenenije elektritscheskago toka k issledowanija sferoidalnago sostojanija schidkostei. – Typ. Transchel, 1876.
https://dic.academic.ru