Учебно- исследовательский проект "Скрытая энергетика: проверка на реальность"
проект по физике (10 класс)

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение Пеновская средняя общеобразовательная школа имени Е.И.Чайкиной

  Работу выполнила:

обучающаяся 10 класса

МБОУ Пеновской СОШ

 имени Е.И.Чайкиной

Руководитель:

учитель физики

МБОУ Пеновской

СОШ имени Е.И. Чайкиной

Щетинина Вера Николаевна

                                            пгт Пено, 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..…...3

ГЛАВА 1.  ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА.…………………..….5

1. ИЗ ИСТОРИИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.………………...…5
2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕТОВ…....8
3. ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ……...................................10

ГЛАВА 2.  НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ тока…………………........13           2.1.    ЧТО ПРЕДЛАГАЕТ ИНТЕРНЕТ?.............................................................13  

2.2.   ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА РАБОТЫ

         НЕТРАДИЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.................14

2.2.1.ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ПРОВЕРКА ПРОСТЕЙШЕГО ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА…………………..…………………………………….......14

2.2.2.ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ПРОВЕРКА «ЗЕМЛЯНОГО» ЭЛЕМЕНТА…......17

2.2.3 БАГДАДСКАЯ БАТАРЕЙКА……………………………….………..…..17 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...………………………...………………………………..........19

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………...…....20

Введение

В начале 20 века при археологических раскопках в Ираке был найден странный предмет. Его нашли среди руин древнего поселения неподалеку от Багдада. Это была глиняная ваза высотой около 15 см, в ней находился цилиндр из меди со вставленным в него железным стержнем. При обследовании находки ученые пришли к парадоксальному выводу: это были остатки электрической батарейки.

Современные электронные технологии внесли в наш быт много новых компактных устройств, без которых этот самый быт уже немыслим. Все они питаются от автономных источников — батареек или аккумуляторов, которые в обычных условиях можно купить либо зарядить.

Однако в мире технического прогресса обычное удивление вызывает, прежде всего, то, что сделано своими руками и может быть  использовано  на благо человека!  

 В условиях удаленных от благ цивилизации, например, в длительном походе, нередко возникает необходимость пополнения энергией элементов  питания. И здесь на помощь человеку могут прийти   нетрадиционные источники электрического тока, которые  можно сделать  буквально из того, что есть под руками.

          В интернете можно найти описания  достаточно большого числа таких устройств. В данной работе мы остановимся на простейших гальванических элементах.

  Могут ли  действительно принести пользу и экономию средств такие примитивные источники тока?  Поставив перед собой эти  вопросы,  мы определи  цель данной исследовательской работы:

Найти ответ на вопрос: возможно ли использование нетрадиционных источников тока в быту?

Перед собой мы поставили следующие задачи:

1. Изучить историю создания  источников электрического тока.
2. Изучить устройство и принцип действия простейших источников электрического тока.
3. Исследовать возможности нетрадиционных самодельных гальванических элементов.

В данной работе мы выдвинули следующую гипотезу:

Если простейшие источники тока давно известны и их  действие описано в различных источниках информации, то их можно легко сконструировать и использовать для питания  некоторых бытовых приборов.

ГЛАВА 1.  Гальванические источники тока

1. Из истории гальванических элементов

 Во второй половине XVIII в. многие ученые проводили разнообразные опыты, выясняя действие электричества на организм животных и человека. Например, под действием разряда электрических машин наблюдалось сокращение мышц, даже если это были мышцы лапок не живой, а мертвой лягушки.

Электризацией через влияние было объяснено много  явлений,  ранее удивлявших физиков.  Одно из таких удивительных явлений было открыто в 1745 г. голландским физиком Питером Мушенбруком, профессором Лейденского университета.

В своих опытах Мушенбрук стремился задержать добываемое им электричество, окружая заряженные тела непроводящими электричество телами. Однажды он опустил провод от конструктора электрической машины в графин с водой.  Держа графин в руках, он случайно прикоснулся пальцем к проводу и получил сильный электрический удар.

Вскоре многие физики очень заинтересовались свойствами этой «лейденской банки», которая стала одним из излюбленных приборов для опытов. Они заменили воду внутренней обкладкой из металлической фольги. Такой же обкладкой стали покрывать «лейденскую банку» и снаружи. Банку заряжали, соединяя внутреннюю обкладку с кондуктором электрической машины. По мере накопления электричества внутри банки на внешней обкладке вследствие влияния также накапливалось электричество.

        Для получения электрической искры применялся разрядник-два металлических шарика по концам дужки, снабженной изолирующей ручкой. Прикасаясь одним шариком разрядника к внешней обкладке и приближая другой к концу провода, соединенного с внутренней обкладкой, можно было получить электрическую искру.

          Сущность явлений в опытах  «лейденской банкой» впервые была объяснена Франклином. Он ввел в банку через пробку провод до внутренней обкладки. Снаружи этот провод был присоединен к металлическому шару, помещенному на изолирующей подставке. Между этим шаром и наружной обкладкой банки Франклин подвесил на шелковой нити шарик из бузины. Как только «лейденская банка» зарядилась, шарик бузины немедленно притянулся к ее внешней обкладке. Прикоснувшись к ней, он отскочил и притянулся к шару, заряженному от внутренней обкладки. Затем он отскочил в обратную сторону и снова притянулся к банке. Так бузиновый шарик колебался, пока банка оставалась заряженной.

         Из этого опыта Франклин вывел, что внутренняя обкладка банки, заряженная положительным электричеством, возбудила отрицательный заряд на внешней обкладке. Потому бузиновый шарик находится между отрицательно заряженной внешней обкладкой и положительно заряженным шариком. Прикоснувшись к обкладке, он заряжался отрицательным электричеством и притягивался к шарику, от которого заряжался положительно, и т. д.

         Такие опыты, только  с лапками лягушек в 1786 г. проводил итальянский анатом Луиджи Гальвани. Однажды он подвесил на медных крючках задние лапки лягушки к железной решетке балкона своего дома. Гальвани был очень удивлен, обнаружив, что мышцы лапок сокращались при отсутствии электрической машины, если надавить на них. Он решил, что в мускулах лягушки заключается «животное» электричество, поэтому при соединении проводниками (медные крючки и железная решетка балкона) нерва с мускулами наблюдался разряд.

Но соотечественник Гальвани профессор физики Алессандро Вольта, выполнив его опыты и проделав новые, пришел к совершенно иному заключению. Роль источника электричества Вольта приписал контакту двух разнородных металлов, а лапки лягушки он считал лишь чувствительным электрометром.  Поставив ряд подобных опытов, он заявил, что нашел новый источник электричества, действующий подобно батарее слабо заряженных «лейденских банок».

Ученый составил проводящую цепь так, чтобы между различными металлами, например серебром и цинком, был введен соприкасающийся с ними жидкий проводник, то вследствие этого возникал постоянный электрический ток, того или иного направления. Поставив друг на друга свыше 100 металлических (цинк и серебро) кружков, разделённых бумагой, смоченной солёной водой, Вольта получил довольно мощный источник электричества - вольтов столб, прообраз всех современных батарей и аккумуляторов.

Современники называли Вольта самым великим физиком, жившим в Италии после Галилея. Наполеон предложил избрать его в «число бессмертных», наградил крестом Ордена Почетного легиона и сделал графом и сенатором Италии. А. Вольта был членом многих академий, в том числе почетным членом Петербургской Академии наук. В 1881 г. на Международном конгрессе электриков в Париже единице напряжения было присвоено наименование «Вольт». Элемент Вольта побудил физиков к работе над изобретением подобных источников тока,  названых по имени Гальвани, гальваническими элементами.

Английский химик Джоном Даниэлем использовал в элементе  цилиндрически изогнутую медную пластинку, погруженную в раствор медного купороса. Цинковая пластинка находится в пористом глиняном сосуде, наполненном разбавленной серной кислотой. По проводу, соединяющему медную пластинку с цинковой, тек электрический ток.

В дальнейшем электрический элемент Даниэля был видоизменен. В 1839 г. немецкий физик Роберт Бунзен заменил медную пластинку угольным цилиндриком, погруженным в азотную кислоту. Наконец, парижский химик Лекланше создал очень дешевый и удобный элемент, нашедший широкое применение. В его элементе также есть цилиндрически изогнутая цинковая пластинка и угольный цилиндрик, но они оба погружены в раствор нашатыря.

2. Устройство  и принцип действия гальванических

элементов

 Самый простой гальванический элемент состоит из двух опущенных в раствор серной кислоты пластин – цинковой и медной.

Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит (раствор нашатыря, сгущенный пшеничной или картофельной мукой) и   электроды (анод и катод). Такие устройства называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы (см. рис.1).

Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление - на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент.  Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.

При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируя, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением:     Zn - 2е = Zn2+ .

На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:      Cu2+ + 2е = Cu .

Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента. Суммируя электродные реакции, получаем:

                                                Zn + Cu2+= Cu+Zn2+ .

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т. е. электрический ток, в связи с этим суммарная химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей. Схема элемента запишется так:   Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu .

Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом (цинк).

Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно- восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.

В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит;  такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации.

                     1.3  Типы гальванических элементов

 В современном мире даже маленькие дети знают, что для работ многих бытовых приборов необходимы источники энергии. Часы, игрушки, фонарики, калькуляторы, телефоны и многие другие устройства могут функционировать, если в них установлены элементы питания.

 В настоящее время существует огромное количество различных элементов питания, отличающиеся друг от друга не только размерами, но и устройством. Наиболее распространенные из них «пальчиковые», «плоские», «крона», «таблетки» и другие. Между тем, такие батарейки являются, прежде всего, химическими устройствами.   Рассмотрим их особенности.

1. Угольно-цинковые элементы

Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит малоподвижен и не растекается.

 Угольно-цинковые элементы "восстанавливаются" в течение перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.

Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5...10 Вт/кг) и малый срок хранения.

Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита.

Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

2. Щелочные элементы

Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из

MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом. Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, вследствие чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.

3. Ртутные элементы

Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи. Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.

4. Серебряные элементы

Они имеют "серебряные" катоды из Ag2O и AgO.

     5.Литиевые элементы

В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.

Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах. Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров.

К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны. Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

ГЛАВА 2. Нетрадиционные источники тока.

2.1.   Что предлагает интернет?

В начале 20 века при археологических раскопках в Ираке был найден странный предмет. Его нашли среди руин древнего поселения неподалеку от Багдада. Это была глиняная ваза высотой около 15 см, в ней находился цилиндр из меди со вставленным в него железным стержнем. При обследовании находки ученые пришли к парадоксальному выводу: это были остатки электрической батарейки.

Вильгельм Кёниг,  директор Национального музея Ирака, в своей книге «В потерянном раю» дает такое описание багдадской батарейке:

«Верхний конец стержня примерно на сантиметр выступал над цилиндром и был покрыт тонким, светло-желтым, но полностью окисленным слоем металла, по виду похожего на свинец. Нижний конец железного стержня не доставал до днища цилиндра, на котором находился слой асфальта толщиной примерно три миллиметра».

В дальнейшем такие сосуды  (Селевкийские вазы) находили в большом количестве. Определили, что заливались они уксусом, а герметизировались смолой. Использовали такие батарейки в древности, по-видимому, для гальванического золочения мелких серебряных украшений.

Современные электронные технологии внесли в наш быт много новых компактных устройств, без которых этот самый быт уже немыслим. Все они питаются от автономных источников — батареек или аккумуляторов, которые в обычных условиях можно купить либо зарядить. Однако, в условиях удаленных от благ цивилизации, например в длительном походе, нередко возникает необходимость пополнения энергии источников питания.  

 На помощь могут придти знания о работе некоторых нетрадиционных источников электричества.

        Нас заинтересовала возможность создания таких элементов питания, и мы обратились к различным источникам информации. Кроме старых книг по занимательной физике,  наглядным самоучителем  для нас стал интернет.

Множество сайтов предлагает различные конструкции самодельных источников питания. Все они,  по мнению авторов,  становятся источниками

«скрытой» энергии, которую легко добыть и использовать на благо зарядки портативных бытовых и радиоприборов.

        Нами были проверены некоторые такие устройства и сделаны соответствующие выводы.

2.2. Изготовление и опытная проверка работы нетрадиционных

элементов электропитания

2.2.1.  Изготовление и проверка простейшего гальванического элемента

Для изготовления простейшего  гальванического элемента  необходимо взять  два электрода  (окислитель, восстановитель),  электролит и соединительные провода. Для измерения напряжения, необходим вольтметр.   В нашем случае  это  цифровой  тестер.

 В кабинете физики нашлись  пластины из меди, цинка  и угольные стержни.  Мы экспериментировали с каждым таким электродом. А в качестве "стакана" с электролитом были  использованы всевозможные овощи и фрукты.  Сок  фруктов и овощей содержит растворенные электролиты - соли и органические кислоты. Их концентрация не очень высока, но вполне достаточна для проведения опытов.

         Результаты  опытов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты эксперимента

Вывод:  Несмотря на то, что интернет переполнен советами по изготовлению и использованию овощных и фруктовых батареек, добиться с их помощью достаточного напряжения для питания даже обычных часов достаточно трудно. С помощью моделирования «основы» для источника питания  нами было получено напряжение в пределах от 0,01 В до 1,66 В. Это достаточно хороший результат, но полученное напряжение мало для работы каких- либо простейших бытовых приборов. Хотя нам и удалось зажечь

светодиодную лампочку от 6 лимонов!!! Последовательное соединение электродов и увеличение числа фруктов или овощей  не привело к нужному увеличению значений напряжения.

2.2.2.   Изготовление и проверка «земляного» элемента

Интересным нам показалось описание так называемого «земляного» элемента. Выяснилось, что с его помощью  можно получить  напряжение- 0,8...1,1В.  Характеристики этого элемента зависят от грунта и материала электродов. Во влажных жирных грунтах получают параметры лучше, чем в сухих песчаных. Параметры такого элемента зависят и от площади электродов. Чем больше площадь электрода, тем больше отдаваемая мощность. Можно использовать разные пары материалов электродов, но лучшими являются пары: цинк - уголь, цинк - медь, алюминий – медь.

В нашей работе были использованы две разные пары электродов и два разных типа почвы.

Мы измерили напряжение между стальным прутом, вбитым в качестве громоотвода на 1,5- 2 м в землю и цинковой пластиной на песчаной почве и парой цинк - медь  на влажном перегное.  Результат был почти одинаков- 0,80 - 0,83 В, но на перегное быстро спадал и         держался в пределах 0,34 В.        

Вывод:  Используя  «земляной»  элемент, мы смогли получить значение напряжения в пределах 0,8 В. Было обнаружено, что тип почвы не повлиял на результат. Единственное, что влияет на показания - это влажность почвы. Соединение электродов последовательно не привело к увеличению показаний вольтметра.

2.2.3.   Багдадская батарейка

Небольшой  сосуд был найден в Хужут-Рабу, в окрестностях современного Багдада (ныне Ирак), некогда являвшегося частью западных территорий Большого Ирана. В июне 1936 г. возле Багдада прокладывали новую железную дорогу — и рабочие обнаружили древнее захоронение. В процессе последующих раскопок выяснилось, что оно принадлежит к парфянскому периоду (ок. 250 г. до н.э. — 250 г. н.э.). К сожалению, в связи с уничтожением множества иранских литературных источников и библиотек во время вражеских вторжений на территорию Ирана на протяжении столетий, не сохранилось никаких письменных сообщений о том, для чего именно служили такие сосуды. Все, известное нам о них сегодня — это только догадки.

По схожему принципу можно собрать свою батарейку. Берём "сосуд", который можно сделать из: глины, пластилина, бутылки, банки, стакана, вставляем в неё медную пластину закрученную в цилиндр, в этот цилиндр вставляем никелированный гвоздь.  Эти пластина и гвоздь являются электродами, они должны немного выглядывать из банки. Теперь надо сделать электролит. Он может быть щелочной или кислотный. Для щёлочного надо сделать концентрированный раствор -  вода + соль или вода + сода. Для кислотного подойдёт разбавленная уксусная, щавелевая кислота в воде или можно использовать сок цитрусовых. Заливаем электролит внутрь банки и тщательно закупориваем "сосуд".  Всё Багдадская батарейка готова!

Вывод:  Мы проверили работу такой батарейки. Напряжение  на ней  оказалось  0,64 В.  Это  в пределах тех значений, что мы получали от «фруктовых батареек». 

Заключение

В данной работе мы решили проверить реальность информации из интернета и дополнительной литературы по физике о работе различных нетрадиционных источников питания. Нам очень хотелось, чтобы пошли настенные часы или засветился светодиодный фонарик.        И  наши старания не прошли даром! Нам удалось зажечь светодиодную лампочку от 6 лимонов!

Конечно, немало восторга и удивления мы получили, когда вольтметр показывал значения напряжения в луке, картошке или огурце. Больше всего нас поразило, что обычная земля может стать источником тока!

Но те результаты, которые были получены нами в ходе работы, нельзя сравнить с тем, что описано в интернете и различной литературе по этому вопросу. Нам  все- таки не удалось зажечь фонарик или заставить ходить часы. Так как даже по сравнения с одной покупной батарейкой, дающей 1,5 В, нам  удалось получить такое напряжение только от 3-х соленых огурцов!

Но мы не огорчились! Во- первых, гипотеза выдвинутая  в начале нашей работы  подтвердилась! Во- вторых, кто-нибудь из вас видел батарейку из огурца или обычной земли? А мы видели, измеряли, экспериментировали и точно знаем, что надежда есть! Поэтому, в-третьих, окажись мы на необитаемом острове, в лесу или болоте, мы сумеем найти выход, если разрядиться  наш  телефон или фонарик!

Литература

1. В. Н.Витер. Фруктовая батарейка. Химия и химики, №8/ 2009 г., с.134-137.
2. Наука опытным путем. Лимонная батарейка. № 3/ 2011 г. ,с. 9 – 12.

3.  Карл Снайдер. Необычная химия обычных вещей. 3-е издание.- Нью-Йорк: издательство Джон Уайлс энд Санс,1998, с. 258-271.

4.   Юный эрудит.  Энергия из ничего, № 10 / 2009 г., с. 18 – 21

5.   http://istochnik-m.ucoz.ru/publ/mekhanika/samodelnye_batarejki/3-1-0-458

6.   http://promalp.zbord.ru/viewtopic.php?t=123

7.   http://class-fizika.narod.ru/8_25.htm