Исследовательская работа по физике "Фруктовые и овощные батарейки"

Исследовательская работа по физике  
«Фруктовые и овощные батарейки»

Моя работа посвящена необычным источникам энергии. 
В интернете я прочитал о том, что индийские ученые работают над созданием необычных батареек для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии. Внутри этих батареек должна быть паста из переработанных бананов и апельсиновых корок. Одновременное действие четырех таких батареек позволяет запустить стенные часы, а для ручных часов хватит одной такой батарейки. 
Еще я узнал, что компания Sоnу на научном конгрессе в США представила батарейку, работающую на фруктовом соке. Если «заправить» такую батарейку 8 мл сока, то она сможет проработать в течение одного часа. Применяться новинка может в плеерах, мобильных телефонах.
А группа ученых из Великобритании создала компьютер, источником питания для которого является картошка. За основу был взят старый компьютер с маломощным процессором Iпtе1 386. В него вместо жесткого диска поставили карту памяти на 2 мегабайта. Питается это устройство 12 картофелинами, которые меняются каждые 12 дней. 
Я задумался над вопросом, зачем люди тратят время на создание «фруктовых» батареек, ведь уже создано большое разнообразие  батареек, аккумуляторов и других элементов питания. Ответ показался мне очевидным. Мы очень часто покупаем элементы питания для игрушек, часов, фонариков, телефонов. На это тратятся денежные средства. Возможно, что можно заменить дорогие гальванические элементы самодельными фруктовыми и овощными батарейками, тогда будет экономия.
Если верить интернет-источникам, то когда у меня дома отключат электричество, я смогу некоторое время освещать его при помощи лимонов.
Я решил проверить лично, возможно такое или нет.
В данном проекте мною была исследована возможность получения источников питания из фруктов и овощей.
Я поставил перед собой следующие задачи:
1. Создать фруктовые и овощные батарейки. 
2. Экспериментально определить  напряжение  таких батареек.
3. Выяснить, от чего зависят электрические свойства таких батареек.
4. Постараться зажечь лампочку с помощью фруктовой батарейки.

Эксперимент по созданию батареек

Для создания фруктовых батареек мне понадобились:
- Фрукты и овощи
- Медные гвозди
- Цинковые гвозди
- Мультиметр – прибор для измерения силы тока и напряжения.

Я воткнул в картошку цинковый гвоздь. Затем медный гвоздь воткнул в картошку . Шляпки гвоздей соединил с мультиметром. Он регистрирует напряжение 0,87В. Значит картошка может выполнять роль источника тока.
Затем я провел опыты с лимоном, яблоком, огурцом, луковицей, бананом и морковью. Эти фрукты и овощи также могут «работать» как батарейки.

Измерения показали, что самое высокое напряжение дает яблоко, самое низкое – лук репчатый. Удивительно, что лимонная батарейка дала меньше  1 Вольта, хотя в сети Internet в основном рассматривается именно лимон как сырье для источников питания.

От чего же зависят электрические свойства «фруктовых батареек»? 

 Чтобы  это выяснить, я должен узнать, как они работают.

Первый источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани (на самом деле целью опытов Гальвани был не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия). Явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки. 
Опыты  Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого – Алессандро Вольта. 200 лет назад он  сформулировал главную идею изобретения. Причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольт  создал нехитрое устройство из двух пластин металла (цинк и медь) и кожаной прокладки между ними, пропитанной лимонным соком. Алессандро Вольт выявил, что между пластинами возникает напряжение. Именем этого ученого назвали единицу измерения напряжения, а его фруктовый источник энергии стал прародителем всех нынешних батареек, которые  в честь Луиджи Гальвани называют теперь гальваническими элементами.
Когда цинковый винт контактирует с лимонной кислотой, начинаются две химические реакции. Одна реакция – окисление: кислота начинает забирать атомы цинка с поверхности винта. Два электрона уходят с каждого атома цинка, придавая атому положительный заряд.

Заряженные атомы цинка – ионы цинка, остаются в лимоне: в темной области около винта через некоторое время.

Другая реакция – восстановление, в ней задействованы положительно заряженные атомы водорода – ионы водорода в лимонной кислоте около винта.

Ионы принимают электроны, высвобождаемые в ходе окислительной реакции с образованием водорода, который можно увидеть в виде пузырьков около винта.
Ионы водорода называют окислителями, потому что они отнимают электроны цинка.

Обе реакции продолжаются до тех пор, пока цинковый винт находится в лимоне, и на нем остается цинк. Реакция не зависит от присутствия меди или другого вещества. Важно понять, что электроны испускаемые цинком принимаются ионами водорода кислоты.

Медная монета – тоже окислитель. В действительности, она даже больший окислитель, чем ионы водорода в лимонной кислоте. То есть медь может притягивать многие свободные электроны, испускаемые цинком. Но процесс не происходит до тех пор, пока между медным и цинковым электродами нет связи. Когда между электродами устанавливается электрическая связь (провод), то медь притягивает электроны из винта и возвращает их через цепь.
Движение электронов по цепи – электрический ток. Условно было принято за направление движение электронов: ток от отрицательного полюса батарейки или электрического элемента к положительному. Поэтому цинк (источник элетронов) – отрицательный полюс в лимонной батарейке, а медь – положительный.
Напряжение лимонной батарейки вызывается разницей между способностью цинка и меди отдавать электроны. Электрический ток, выдаваемый батарейкой, среди всего прочего, зависит от количества электронов, спускаемых химической реакцией

Итак, выяснив принцип работы батареек, я прихожу к выводу, что необходимым условием работы батарейки является присутствие  ионов водорода в овощном и фруктовом соке. Я узнал что мерой активности ионов водорода в растворе является его кислотность. Значит, на электрические характеристики созданных мною батареек влияет кислотность овощей и фруктов. Поэтому я исследовал зависимость силы тока, даваемой моими источниками от кислотности продукта. 
Кислотность я определял с помощью лакмусового индикатора со шкалой. Силу тока измерял мультиметром.

Результаты показывают:
1. Фруктовые батарейки дают очень слабый ток в цепи
2. Значение силы тока зависит от кислотности продукта. Чем больше кислотность, тем больше сила тока.
3. При одинаковой кислотности значения сил тока различаются, значит сила тока зависит еще от напряжения.

Практическое использование батареек:

Я взял светодиод на 6В и 0,26 А. В качестве источника взял картофель, как наиболее доступный овощ. Одна картофелина дает напряжение  0,87 В. От одной картофелины он не загорится. Но я соединил несколько фруктовых батареек последовательно, это увеличит напряжение пропорционально количеству взятых фруктов. Поэтому в нашем случае мне необходимо как минимум семь картофелин. 

Выводы

Работа, которой я занимался, показалась мне очень интересной. Я смог ответить на все интересовавшие меня вопросы.
Так, проведенные эксперименты подтверждают гипотезу о возможности создания источников питания из фруктов и овощей.
Такие батарейки могут использоваться для работы приборов с низким потреблением энергии.
Из использованных фруктов и овощей лучшими источниками электрического тока являются лимон, картофель, лук репчатый.
Я убедился в том, что физика наука экспериментальная. Я учился делать наблюдения, выдвигать гипотезы, проводить эксперимент, делать выводы. Я научился определять напряжение  внутри «вкусной» батарейки и силу тока создаваемую ею. 
Мне очень понравилось ставить эксперименты самому. Оценивать получившийся результат. Я заметил, что не всегда эксперимент удается, хотя теоретически так должно быть. Например, мне не удалось зажечь лампочку на 3,5 В, поэтому буду пробовать еще, пока не добьюсь результата. 
А вообще, порой и не представляешь, сколько интересного происходит вокруг тебя. Нужно только оглянуться, обратить внимание, а затем провести исследование и ответить на интересующие вопросы.

Список литературы

1. Энциклопедический словарь юного физика. -М.: Педагогика, 1991г
2. Энциклопедии «История открытий» серии «Росмэн»
3. http://www.wikipedia.org
4. http://dev.planetseed.com/ru/node/28491
5. http://chemistry-chemists.com/Video/Fruit-battery.html
6. http://lemonlife.ru/kreativ_iz_limonov/batarejka_iz_limona
7. http://gadgetforgeek.com.ua/sdelat-gadget-svoimi-rukami-fruktovye-chasy
8. http://obozrevatel.com
9. Карл Снайдер. Необычная химия обычных вещей (3-е изд.), 1998