Земляная батарейка

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Земляная батарейка

Солякова М.Г. 1
1муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя школа №42"
Курденко Е.В. 1
1муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя школа №42"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В современном мире человек стал полностью зависим от электроэнергии. Достаточно прекратить подачу электроэнергии от электростанции в дома, как человек, привыкший к благам цивилизации, начнет испытывать дискомфорт практически во всех сферах своей деятельности.

Многие считают, что выходом из такой ситуации являются самодельные источники энергии. На просторах интернета есть большое количество видеороликов, где люди используют альтернативные источники энергии: зажигают лампы от земли, конструируют солнечную батарею, используют овощи и фрукты для работы электронных часов, заряжают мобильный телефон при помощи «Земляной батарейки». Наибольший интерес у нас вызвало практическое применение гальванического элемента «Земляная батарейка»

В связи с этим определилась проблема:

Проблема: действительно ли возможно изготовить из подручных средств гальванический элемент «Земляная батарейка» способный питать маломощные устройства.

Гипотеза: гальванический элемент «Земляная батарейка», не смотря на свою простоту и мобильность, имеет невысокий коэффициент полезного действия и небольшие возможности практического применения.

Цель работы: изготовить гальванический элемент «Земляная батарейка» и на основе опытно-экспериментальной проверки выяснить возможность практического применения полученного источника.

Задачи:

изучить теорию по данной теме в научно-популярной литературе, публикациях и статьях Интернет;

изготовить гальванический элемент «Земляная батарейка»;

провести опытно-экспериментальную проверку гальванического элемента:

выяснить от чего зависит сила тока и напряжение на полюсах гальванического элемента;

изучить факторы, повышающие силу тока в цепи и напряжение на полюсах гальванического элемента;

исследовать, как меняется с течением времени сила тока и напряжение на полюсах гальванического элемента;

создать батарею гальванических элементов, способную питать маломощные потребители;

проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы.

Объект исследования: гальванический элемент.

Предмет исследования: земляная батарейка.

Для решения вышеуказанных задач, использовали следующие методы: эмпирический (наблюдение, эксперимент, описание, измерение, сравнение), общелогический (анализ, синтез).

Новизна работы:

В нашей работе представлен как теоретический, так и практический материал, выходящий за рамки школьной программы курса физики. Поставлен ряд опытов и проведено исследование в области изучения гальванического элемента «Земляная батарейка» и ее возможностей практического применения.

Практическая значимость:

В данной работе изготовлен простейший, экономный, экологический тип источника тока категории «Гальванический элемент». Результаты исследований могут использоваться на уроках физики 8 класса при изучении темы «Источники электрического тока», для повышения интереса к физике как науке, для расширения кругозора учащихся.

Основная часть

Глава I. Источники тока

§ 1. Виды источников

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию. В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника и создают между ними электрическое поле. Если полюса источника соединить проводами, то по ним пойдет электрический ток.

По ви­ду пре­об­ра­зуе­мой энер­гии источники тока ус­лов­но раз­де­ля­ют на хи­ми­че­ские и фи­зи­че­ские. 

Физические источники тока пре­об­ра­зу­ют те­п­ло­вую, ме­ха­ническую, элек­тро­маг­нит­ную энер­гию, а так­же энер­гию ра­ди­ационного из­лу­че­ния и ядер­но­го рас­па­да в элек­три­че­скую энергию.

Химические источники тока уст­рой­ст­ва, в ко­то­рых хи­мическая энер­гия окис­ли­тельно-вос­ста­но­вительных ре­ак­ций пре­об­ра­зу­ет­ся не­по­сред­ст­вен­но в элек­три­че­скую. Такие источники со­дер­жат от­ри­цательный и по­ло­жительный элек­тро­ды, из­го­тов­лен­ные из элек­трических про­вод­ни­ков 1-го ро­да (с элек­трон­ной про­во­ди­мо­стью), ко­то­рые раз­де­ле­ны элек­тро­ли­том – про­вод­ни­ком 2-го ро­да (с ион­ной про­во­ди­мо­стью) . Про­цес­сы окис­ле­ния и вос­ста­нов­ле­ния в таких источниках про­стран­ст­вен­но раз­де­ле­ны: при за­мы­ка­нии внеш­ней це­пи на от­ри­цательном элек­тро­де про­те­ка­ет окис­ле­ние вос­ста­но­ви­те­ля с вы­де­ле­ни­ем элек­тро­нов во внеш­нюю цепь, а на по­ло­жи­тель­ном – вос­ста­нов­ле­ние окис­ли­те­ля с по­треб­ле­ни­ем эк­ви­ва­лент­но­го ко­ли­че­ст­ва элек­тро­нов из внеш­ней це­пи. Эк­ви­ва­лент­ное ко­ли­че­ст­во ио­нов пе­ре­но­сит­ся при этом че­рез элек­тро­лит от од­но­го элек­тро­да к дру­го­му. Со­во­куп­ность ма­те­риа­лов элек­тро­дов и элек­тро­ли­та пред­став­ля­ет элек­тро­хи­мическую сис­те­му химического источника тока.

В ус­ло­ви­ях ра­зомк­ну­той це­пи ток че­рез химический источник тока не про­те­ка­ет, а на его элек­тро­дах ус­та­нав­ли­ва­ет­ся элек­тро­дви­жу­щая си­ла (эдс), ко­то­рая од­но­знач­но оп­ре­де­ля­ет­ся элек­тро­хи­мической сис­те­мой, т. е. при­ро­дой то­ко­об­ра­зую­щей ре­ак­ции. Элек­трод, на ко­то­ром про­те­ка­ет ре­ак­ция окис­ле­ния, на­зы­ва­ет­ся ано­дом; элек­трод, на ко­то­ром про­те­ка­ет вос­ста­нов­ле­ние, – ка­то­дом.

Раз­ли­ча­ют пер­вич­ные, или од­но­ра­зо­вые, химические источники тока– галь­ва­ни­че­ские эле­мен­ты, и вто­рич­ные, или пе­ре­за­ря­жае­мые– ак­ку­му­ля­то­ры. [1]

§ 2. Гальванический элемент

Гальванический элемент - в нем энергия выделяемая в электрической цепи, получается за счет энергии освобождающейся при химических реакциях, сопровождающих работу элемента.

Гальванические элементы в простейшем варианте состоят из двух химически различных электродов (медного и цинкового), опущенных в электролит. [2]

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух пластин или стержней выполненных из разных металлов, которые погружены в раствор сильного электролита. В процессе работы гальванического элемента, на аноде осуществляется процесс окисления, связанный с отдачей электронов. На катоде – восстановление, сопровождающееся принятием отрицательных частиц. Происходит передача электронов по внешней цепи к окислителю от восстановителя. [5]

§ 3. Способ изготовления гальванического элемента

Мы сможем получить простой источник питания -гальванический элемент, который можно было бы изготовить прямо на месте без лишних затрат, если куски оцинкованного железа и меди (это будут электроды, образующие гальваническую пару) воткнем во влажный грунт (электролит). Этот элемент даст едва заметный ток.

Такой простой источник питания примитивен и имеет невысокий коэффициент полезного действия. Зато он:

крайне дешевый и делается из доступных материалов, (пластинки металла, проволока);

не имеет никаких подвижных частей и не требует обслуживания один раз изготовил, и пользуйся;

работает независимо от погодных условий (не требует солнца или ветра);

прост в изготовлении;

очень мобильный (достал электроды, воткнули их в увлажненную землю-источник готов). [3]

Какие электроды и электролиты наиболее рациональны? Какой площади и на каком расстоянии должны быть пластины? Какое напряжение на полюсах и электрический ток в цепи даст получившейся источник? Какие электрические приборы можно запитать от такого источника? На эти и многие другие вопросы мы попытаемся ответить в ходе нашего исследования.

Глава II. Экспериментальная часть

§ 1. Изготовление «Земляной батарейки»

Оборудование: медная и цинковая пластины, контейнер, земля, вода.

Порядок выполнения работы:

Засыпаем землю в контейнер.

Втыкаем в землю электроды.

Поливаем водой.

Подключаем вольтметр к электродам (фото №1)

Вывод: вольтметр фиксирует напряжение на полюсах источника

§ 2. Исследование зависимости напряжения на полюсах источника и силы тока в цепи от размера электродов

Оборудование: 3 пары медных и цинковых пластин разной площади, контейнер, земля, вода.

Порядок выполнения работы:

Поочередно втыкаем в землю электроды разной площади. (фото №2)

Поливаем землю водой.

Подключаем вольтметр к электродам, измеряем напряжение на полюсах.

Подключаем амперметр через ключ, измеряем силу тока

Измерения представлены в таблице

Электроды

Площадь электродов

Напряжение на полюсах, U(В)

Сила тока

I(мА)

№1, №2

140см2

0,7 В

9 мА

№3, №4

21см2

0,7 В

3,5 мА

№5, №6

10,5см2

0,7 В

3 мА

Вывод: напряжение на полюсах источника не зависит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем больше сила тока в цепи.

§ 3. Исследование зависимости силы тока в цепи напряжения на полюсах источника от расстояния между электродами

Оборудование: медные и цинковые пластины одинаковой площади, контейнер, земля, вода.

Порядок выполнения работы:

Втыкаем в землю электроды №3, №4 и поливаем землю водой.

Подключаем вольтметр к электродам, измеряем напряжение.

Измерения повторяем 4 раза, меняя расстояние между электродами. (Фото №3)

Подключаем амперметр через ключ, измеряем силу тока

Измерения представлены в таблице

Расстояние между электродами, d(мм)

Напряжение на полюсах, U(В)

Сила тока

I(мА)

80мм

0,7 В

2 мА

45 мм

0,7 В

3,5 мА

20мм

0,7 В

5,5 мА

10мм

0,7 В

7,5 мА

Вывод: при изменении расстояния между электродами, изменения напряжения на полюсах источника не зафиксировано. Чем меньше расстояние между электродами, тем больше сила тока в цепи.

§ 4. Исследование зависимости силы тока в цепи и напряжения на полюсах источника от типа электродов

Оборудование: медная, цинковая, алюминиевая, свинцовая пластины, контейнер, земля, вода.

Порядок выполнения работы:

Втыкаем в землю по очереди различные пары электродов, поливаем водой

Подключаем вольтметр к электродам (фото №4)

Измерения представлены в таблице

Электроды

Напряжение на полюсах, U(В)

Сила тока

I(мА)

Цинк-медь

0,7 В

3мА

Медь- алюминий

0,4 В

1,5мА

Цинк-алюминий

0,3 В

0,5мА

Медь-свинец

0,3 В

1мА

Цинк-свинец

0,5 В

3мА

Вывод: напряжение на полюсах источника и сила тока в цепи зависят от вещества, из которого изготовлены электроды. Лучшую гальваническую пару образуют пластины из меди и оцинкованного железа.

§ 5. Исследование зависимости силы тока в цепи и напряжения на полюсах источника различных гальванических пар от типа электролита

Оборудование: медная, цинковая, алюминиевая, свинцовая пластины, контейнер, земля, солевой раствор, раствор медного купороса, 9 % уксус.

Порядок выполнения работы:

Втыкаем в землю по очереди различные пары электродов, поливаем землю различными электролитами. (Фото №5)

Подключаем вольтметр к электродам, измеряем напряжение.

Подключаем амперметр через ключ, измеряем силу тока.

Результаты представлены в таблице

Электролит - солевой раствор

Электроды

Напряжение на полюсах, U(В)

Сила тока, I(мА)

Цинк-медь

0,7 В

10мА

Медь- алюминий

0,5 В

20мА

Цинк-алюминий

0,3 В

20мА

Медь-свинец

0,1 В

1,5мА

Цинк-свинец

0,01 В

0

Электролит - уксус

Электроды

Напряжение на полюсах, U(В)

Сила тока, I(мА)

Цинк-медь

1 В

25 мА

Медь- алюминий

0,5 В

4,5мА

Цинк-алюминий

0,4 В

0,5 мА

Медь-свинец

0,5 В

4 мА

Цинк-свинец

0

0

Электролит – медный купорос

Электроды

Напряжение на полюсах, U(В)

Сила тока, I(мА)

Цинк-медь

1 В

30 мА

Медь- алюминий

0,3 В

5 мА

Цинк-алюминий

0,8 В

45 мА

Медь-свинец

0,1 В

3 мА

Цинк-свинец

0,9 В

30 мА

Вывод: напряжение на полюсах источника и сила тока зависит от типа электролита. Из эксперимента следует, что напряжение на полюсах источника определяется химическими процессами, происходящими между металлами и раствором электролита.[4]

§ 6. Исследование изменения напряжения на полюсах источника с течением времени

Оборудование: медная и цинковая пластины, 3 контейнера с землей, электролиты (солевой раствор, раствор медного купороса, уксус), секундомер

Порядок выполнения работы:

Втыкаем в землю электроды №3, №4 (медь-цинк) и поливаем каждый контейнер разным раствором электролита

Подключаем вольтметр к электродам, включаем секундомер

Результаты представлены на графике

Вывод: напряжение на полюсах источника с течением времени меняется. Уже через сутки заметно падение напряжения, это связано с тем, что со временем качество поверхности электродов изменяется.

§ 7 . Исследование изменения силы тока с течением времени

Оборудование: медная и цинковая пластины, 3 контейнера с землей, электролиты (солевой раствор, раствор медного купороса, уксус), секундомер

Порядок выполнения работы:

Втыкаем в землю электроды №3, №4 (медь-цинк) и поливаем каждый контейнер разным раствором электролита.

Подключаем амперметр через ключ, включаем секундомер

Результаты представлены на графике

Вывод: сила тока с течением времени уменьшается. Это связано с тем, что ионы водорода, разряжающиеся на медной пластине, превращаются в газообразный водород, который закрывает доступ к медной пластине новыми ионами, что ослабляет ток и сводит его к нулю.

§ 8. Изготовление батареи гальванических элементов

Оборудование: 6 медных и 6 цинковых пластин одинаковой площади, 6 контейнеров, земля, раствор медного купороса.

Порядок выполнения работы:

Втыкаем в землю электроды №3, №4 и поливаем землю раствором медного купороса.

Соединяем источники последовательно (Фото №6).

Поочередно измеряем напряжение на полюсах батареи и силу тока в цепи с двумя, тремя, четырьмя, пятью и шестью гальваническими элементами .

Измерения представлены в таблице

Количество гальванических элементов в батареи

Напряжение на полюсах, U(В)

Сила тока I(мА)

2

20 мА

3

20 мА

4

20 мА

5

20 мА

6

мА

Соединяем источник параллельно (фото№7).

Повторяем измерения напряжения на полюсах батареи и силы тока в цепи

Измерения представлены в таблице

Количество гальванических элементов в батареи

Напряжение на полюсах, U(В)

Сила тока I(мА)

2

40

3

60

4

80

5

100

6

110

Соединяем параллельно 2 группы элементов, состоящих из трех последовательно соединенных элементов (фото №8)

Повторяем измерения напряжения на полюсах батареи и силы тока в цепи

Измерения представлены в таблице

Смешанное соединение элементов в батарею

Напряжение на полюсах, U(В)

Сила тока I(мА)

2 источника в 2 ряда

2 В

40 мА-30мА

3 источника в 2ряда

40мА-30мА

2 источника в 3 ряда

60мА-50мА

Вывод: при увеличении количества источников при последовательном соединении напряжение увеличивается пропорционально числу элементов в батареи, сила тока остается постоянной. При параллельном соединении напряжение не изменяется, сила тока увеличивается пропорционально количеству элементов в батареи. Для увеличения напряжения на полюсах источника и тока удобно использовать смешанное соединение.

§ 9. Проверка работы источника тока

Оборудование: 6 медных и 6 цинковых пластин одинаковой площади, 6 контейнеров, земля, раствор медного купороса, потребитель (светодиод)

Порядок выполнения работы:

Собираем цепь, состоящую из батареи гальванических элементов, ключа и потребителя.

Замыкаем цепь

Вывод: светодиод начинает светиться при подключении к батареи, состоящей из 2 гальванических элементов соединенных последовательно, (U=2В, I=20мА). Получить нужные характеристики напряжение и силы тока (5В — 0,8A) для зарядки аккумулятора мобильного телефона и работы электрической лампочки (2,5 В - 0,16 А) не удалось.

Заключение

Данная исследовательская работа является актуальной, так как имеет не только теоретическое, но и практическое значение.

В результате проделанных опытов, можно утверждать, что нам удалось изготовить гальванический элемент «Земляная батарейка» и на основе опытно-экспериментальной проверки выяснить возможность практического применения полученного источника, а также подтвердить выдвинутую нами гипотезу.

В ходе исследований были сформулированы следующие выводы:

Напряжение на полюсах гальванического элемента не зависит от размеров его пластин, но зависит от веществ, из которых состоят пластины. Поскольку определяется только химическими процессами, происходящими между металлами и раствором.

Сила тока зависит от размеров его пластин, от вещества из которого изготовлены пластины (электроды) и от типа раствора электролита.

Сила тока и напряжение на полюсах источника с течением времени уменьшаются. Это связано с тем, что со временем качество поверхности электродов изменяется. Цинковая пластина растворяется, а на медной выделяется газообразный водород, который закрывает доступ к медной пластине новыми ионами, что ослабляет ток и сводит его к нулю.

Из эксперимента следует, что напряжение на полюсах собранного гальванического элемент «Земляная батарейка» составляет не более 1В. Что не достаточно для питания маломощных потребителей.

Для увеличения силы тока и напряжения, мы собрали несколько батарей гальванических элементов:

При увеличении количества источников при последовательном соединении, напряжение увеличивается пропорционально числу элементов в батареи, сила тока в цепи остается постоянной.

При параллельном соединении напряжение не изменяется, сила тока в цепи увеличивается пропорционально количеству элементов в батареи.

Для увеличения напряжения на полюсах источника и силы тока в цепи удобно использовать смешанное соединение.

Единственный потребитель, который работал от нашей «Земляной батарейки» был светодиод. Получить нужные характеристики напряжения и силы тока в цепи, для зарядки аккумулятора мобильного телефона и работы электрической лампочки от карманного фонарика не удалось.

Список используемых источников

Большая Российская энциклопедия

Физика. Электродинамика. 10-11 класс, Г.Я Мякишев-М.: Дрофа, 2001.-480с.:илл

Заметки Мастеру

Режим доступа: https://mas-te.ru/eto-interesno/prostejshyj-istochnik-pitaniya/

Л.С. Жданов, В.А. Маранджян. Курс физики/ Издательство «Наука», 1971-608 с.: илл.

Н.Д. Бытько. Физика. Ч.3 и 4. Электричество. М: «Высшая школа»,1972.-384с с илл.

Самоделки

Режим доступа: https://eurosamodelki.ru/katalog-samodelok/alternativnaja-energetika/samodelnii-galvanicheskii-element-dlja-avtonomnogo-pitanija

Приложение 1

Фото №1

Фото №2

Фото №3

Фото №4 Фото №5

Фото №6

Фото №7

Фото №8

Фото №9

Просмотров работы: 108