"Вкусная энергия"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДЛЯ ДЕТЕЙ ДОШКОЛЬНОГО И МЛАДШЕГО ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА-ДЕТСКИЙ САД №43

Городское соревнование юных исследователей

« Шаг в будущее»

Тема учебно-исследовательской работы :

«Вкусная» энергия

Автор : Власова Мария Максимовна,

ученица 4-В класса

                                            Руководители : Карпова М.А.,

учитель информатики.

Сургут-2013                                                                                                                   

Содержание:                                                                                                    Стр.

1. Введение.…………………………………………………………………………….3
2. Актуальность темы………………………………………………………………..4
3. Теоретическая часть: история создания и устройство батарейки. ……….5-8
4. Гипотеза, цель, задачи проекта…………………………………………………..9
5. Практическая часть: опыты…………………………………………………10-11
6. Выводы……………………………………………………………………………..12
7. Список использованной литературы…………………………………………...13
8. Приложения ………………………………………………………………………..14

Введение

         Современный мир  невозможно представить без энергетики. Промышленность, да и вообще жизнь человека уже немыслима без неё. Источниками энергии становятся всё новые и новые вещества. Физические и механические источники устаревают и на смену им всё чаще приходят химические.

           В окружающем нас мире они играют важную роль. Они используются в мобильных телефонах и космических кораблях, в крылатых ракетах и ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами [1].  

          Всё это заставляет задуматься не только о пользе химических источников производства энергии, но и об их вреде. Ведь отработанные лампы, двигатели, батарейки нужно утилизировать и не секрет, что наши методы утилизации не всегда экологичны. Химические соединения попадают в окружающую среду, а из неё в организм человека.

          Конечно, можно использовать нетрадиционные виды энергии, например энергию воды, ветра, солнца. Но всегда ли это возможно? Всегда ли финансово доступно?

Что же может отвечать требованиям экологичности, дешевизны производства и возможности использования в различных местах?

          Ответом на этот вопрос может служить книга Николая Носова. По замыслу писателя, коротышки Винтик и Шпунтик, жившие в Цветочном городе, создали автомобиль, работающий на газировке с сиропом.   И тогда мы  подумали: « А не могут ли овощи и фрукты быть источником энергии?»

Результатом стал наш проект «Вкусная энергия»

Актуальность

         В жизни и быту мы часто не задумываемся об экологии. Используем приборы и предметы, не обращая внимания на аннотации к ним. И как следствие, удивляемся, если вдруг оказывается, что мобильный телефон, телевизор, компьютер, микроволновая печь наносят вред нашему организму при неправильном их использовании. Мы выбрасываем  электронные градусники, часы, фонарики потому, что не можем найти к ним подходящие батарейки. Мы не задумываясь, избавляемся от многих приборов, только из-за того, что зарядное устройство к ним потерялось. А ведь есть возможность это исправить.

        Актуальностью нашей темы является то, что мы предлагаем использовать «фруктовые батарейки» для питания несложных приборов, так как:

        Во-первых, данные батарейки экологичны (такие батарейки не требуют особых условий утилизации, не наносят вреда окружающей среде и  жизнедеятельности человека);

        Во-вторых, «фруктовую энергию» можно применять в сельских районах, где есть достаточное количество фруктов и овощей, но не всегда и не везде действуют бесперебойно линии передач энергии;

      В- третьих, такие батарейки безопасны при их эксплуатации.

Таким образом, «фруктовые батарейки» отвечают современным требованиям по «улучшению экологии окружающей среды и поиску альтернативных источников энергии», выдвинутыми Международной конференцией Гринпис (март, 2009 г.)

Теоретическая часть: история создания и устройство батарейки

История создания батарейки

Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани. На самом деле целью изысканий Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки. Теоретическое объяснение наблюдаемому процессу Гальвани дал  неверное[2].  

Опыты  Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого - Алессандро Вольта. Он  сформулировал главную идею изобретения.  Причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольта  создал нехитрое устройство. Оно состояло из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором. В результате цинковая пластина (катод) начинала растворяться, а на медной стали (аноде) появлялись пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Несколько позже ученый собрал целую батарею из последовательно соединенных элементов, благодаря чему удалось существенно увеличить выходное напряжение.

 Именно это устройство стало первым в мире  элементом питания и прародителем современных батарей. А батарейки  в честь Луиджи Гальвани называют теперь гальваническими элементами[3].

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[4].

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 National Carbon 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[5].

Несмотря на появление в дальнейшем других первичных источников тока с более высокими характеристиками, марганцево-цинковый солевой элемент используется в очень широких масштабах, в значительной мере благодаря его относительно невысокой цене.

В современных химических источниках тока используются:

в качестве восстановителя (на аноде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;

- в качестве окислителя (на катоде) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;

- в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей[6].

Устройство батарейки

           Современные гальванические элементы внешне имеют мало общего с устройством, созданным Алессандро Вольта, однако базовый принцип остался неизменным.   Батарейки производят и сохраняют электричество. Внутри сухого элемента, питающего прибор, есть три главные части. Это отрицательный электрод (-), положительный электрод (+) и находящийся между ними электролит, представляющий собой смесь химических веществ. Химические реакции заставляют электроны течь от отрицательного электрода через прибор, а затем назад, к положительному электроду. Благодаря этому прибор и работает. По мере того как химикалии расходуются, батарейка садится[7].

Корпус батарейки, который делают из цинка, снаружи может быть покрыт картоном или пластиком. Внутри корпуса находятся химикалии в виде пасты, а у некоторых батареек посредине есть угольный стержень. Если мощность батарейки падает, это значит, что химикалии израсходованы и батарейка больше не в состоянии производить электричество.

 Перезарядка таких батарей невозможна или очень нерациональна (к примеру, для зарядки некоторых типов батарей придется потратить в десятки раз больше энергии, чем они могут сохранить, а другие виды могут накопить только малую часть своего первоначального заряда). После этого батарею останется только выкинуть в мусорный ящик

 Большинство современных аккумуляторных батарей были разработаны уже в 20-ом веке в лабораториях крупных компаний или университетов[8].

     Из  курса  изучения предмета  «Человек и природа» мы также знаем, что электрический ток производят и проводят все живые организмы. Наиболее ярким примером тому служат глубоководные рыбы: морской чёрт, удильщик. Они производят электричество в теле своего организма, накапливая его в сверх - чувствительных усиках-вибрисах. А электрический угорь и электрический скат «запасают» электрические разряды прямо на поверхности тела. Люди также проводят и производят электро-магнитную энергию. Примером этому служит деятельность нашего мозга, статическое электричество на волосах, импульсы электроэнергии, вырабатываемые нашими мышцами.

     Кроме того, мы знаем, что фрукты и овощи содержат кислоты, которые легко можно превратить в простейший гальванический элемент для выделения тока. Фрукты и овощи, в зависимости от своего химического состава обладают большей или меньшей накаляемостью электричества. Например, бензойная кислота, содержащаяся в клюкве и бруснике, пировиноградная кислота в винограде, яблоках, лимонах повышают кислотность и как следствие силу электрического заряда.

Гипотеза, цель, задачи проекта

        Изучив литературу по теме, мы предположили следующее:

Гипотеза: если использовать фрукты/овощи в качестве производителя электричества, то можно получить питание для несложных приборов.

Цель:  провести исследование электрических свойств фруктов и овощей

Задачи:

1. Изучить литературу по теме.

1. Познакомиться с устройством батарейки и её изобретателями.

2. Узнать, какие процессы протекают внутри батарейки.

3. Экспериментально определить  напряжение  внутри «вкусной» батарейки и силу тока создаваемую ею.

4. Собрать цепь, состоящую из нескольких таких батареек для получения энергии, необходимой в работе электронного прибора (на примере, электронных часов).

      В ходе практической части мы постараемся подтвердить или опровергнуть нашу гипотезу.

Практическая часть

Итак, для создания «вкусной» батарейки мы взяли:

•  лимон, яблоко, луковицу (соответственно по 3 штуки);
•  несколько медных пластин из набора по электростатике –  положительный полюс;
•  оцинкованные пластины из того же набора –  отрицательный полюс;
•  провода,  зажимы;
• электронные часы.

Прежде всего, мы  зачистили медный и цинковый электроды с помощью наждачной бумаги. Их  вставили в овощ/фрукт  и  получили  «батарейку». Электроды располагали на одинаковом расстоянии друг от друга (Приложение 1)

Результаты эксперимента мы занесли в таблицу (Приложение 2)

Вывод: напряжение между электродами приблизительно одинаковое.  Величина  силы тока связана с кислотностью продукта. Электронные часы работают.

Далее мы решили узнать, как долго может сохраняться сила тока.

Наблюдали за нашими «вкусными» батарейками мы в течение 3 недель. Результаты измеренного напряжения на батарейках занесли в таблицу (Приложение 3)

Вывод: постепенно напряжение  на всех «вкусных» батарейках уменьшается. Дольше всего напряжение сохранилось на яблоке и луке. Часы плохо, но ещё работают.

       Вытаскивая медную и цинковую пластины из овощей и фруктов, мы обратили 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. Кроме того можно сделать ещё один вывод:

Сила тока зависит от количества исходного материала: чем больше фруктов/овощей, тем выше сила и напряжение тока.

       Таким образом, мы достигли поставленной цели и решили поставленные задачи.

Выводы

      Изучив литературу по теме и проведя на её основе опытную работу можно сказать:

1. Использование  фруктов/овощей в качестве производителя электричества возможно для получения  питания  несложных приборов.
2. Овощи и фрукты действительно обладают  измеримой электрической энергией.
3. Изготовленная  «фруктовая батарейка» работает.
4. Сила тока напрямую связана с кислотностью продукта.
5. Сила тока зависит от количества исходного материала: чем больше фруктов/овощей, тем выше напряжение и сила тока.

    Итак, в ходе наших исследований мы подтвердили гипотезу и решили все поставленные задачи.

Использование «фруктовой энергии» возможно!