Фруктовые и овощные источники Фруктовые и овощные

Фамилия, имя автора статьи: Ткаченко Никита
Класс:
8
Название ОУ:
Муниципальное образовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №21
г. Твери
Фамилия, имя, отчество руководителя: Бушмарина Анна Анатольевна
Тема работы:
Фруктовые и овощные источники
электрической энергии
e-mail:
bushmarina.anna@yandex.ru
Введение
Актуальность:
Разыскивая информацию в интернете, я
наткнулся на статью, в которой рассказывалось, как с помощью фруктов
заряжают сотовый телефон. Меня
заинтересовала эта статья. На
факультативе физики
мы решили проверить, удаться ли с помощью
фруктов, хотя бы на несколько минут поддержать зарядку телефона, что бы
можно было сделать звонок. Для меня это важно, т.к. я живу в частном
секторе, а там часто отключают электричество. И такой способ зарядки –
один из способов выйти из сложившейся ситуации.
Таким образом, целью нашей работы является создание самодельных
источников тока из овощей и фруктов.
Перед собой мы поставили следующие задачи:
1. Изучить историю создания батареек.
2. Познакомиться с устройством батарейки, узнать, какие процессы
протекают внутри батарейки.
3. Узнать, используются ли овощные и фруктовые батарейки на практике.
4. Сконструировать самодельный источник тока «вкусную» батарейку.
5. Экспериментально определить
напряжение
внутри «вкусной»
батарейки и силу тока создаваемую ею.
6. Собрать цепь, состоящую из нескольких таких батареек и постараться
выдать нужный ток.
Мы выдвинули гипотезу: Возможно ли, с помощью овощей и фруктов
зарядить аккумулятор сотового телефона?
Предмет исследования: химические источники тока
Объект исследования : фруктовые и овощные батарейки
При выполнении работы, мы использовали следующие основные
методы исследования:
1. теоретический анализ научной литературы;
2. физический эксперимент;
3. анализ экспериментальных данных.
1.1.
Глава I. Теоретические основы источников тока.
История создания батарейки.
История создания простой батарейки уходит своими корнями в XVIII
в., и, как ни странно, толчок к созданию этого источника тока был дан не
физиком, а биологом. В конце 1780 г. профессор анатомии в Болонье
Л.Гальвани занимался в своей лаборатории изучением нервной системы
препарированных лягушек. Совершенно случайно получилось так, что в той
комнате работал и его приятель – физик, проводивший опыт с
электричеством. Одну из препарированных лягушек Гальвани положил на
стол, на котором стояла электрическая машина. В это время в комнату вошла
жена Гальвани. Её взору предстала жуткая картина: при искрах в
электрической машине лапки мёртвой лягушки, прикасавшиеся к железному
предмету, дёргались. Она с ужасом указала на это мужу. Столкнувшись с
необъяснимым явлением, Гальвани счёл за лучшее детально исследовать его
на опыте. Гальвани был физиологом, а не физиком, поэтому видел причину
явлений в некоем «живом электричестве», различном в мускулах и нервах.
Свою теорию о «животном электричестве» Гальвани подтверждал ссылкой
на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые
живые существа – электрические рыбы. Он не сумел правильно объяснить
наблюдаемое им явление, это было сделано позже другим учёным – физиком
Алессандро. [2] Опыты Гальвани стали основой его исследований. 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. [4]
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 свинцовокислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в
автомобильных аккумуляторах.
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.
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. [5]
1.2. 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. [1]
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. [5]
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.
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. [6]
1.3. Принцип работы фруктовых источников тока.
Большинство фруктов содержит в своем составе слабые растворы
кислот. Именно поэтому
можно легко превратить в простейший
гальванический элемент. Если, в лимон (или другой фрукт) воткнуть
медную проволоку и железный (или цинковый) гвоздь, металлы вступят в
химическую реакцию с фруктовой кислотой. В ходе химической реакции
медный электрод становится положительно заряженной, а железный
(цинковый) – отрицательно заряженным. [3]
1.4. Об использовании фруктов и овощей для получения электричества.
Недавно израильские ученые изобрели новый источник экологически
чистого электричества. В качестве источника энергии необычной батарейки
исследователи предложили использовать вареный картофель, так как
мощность устройства в этом случае по сравнению с сырым картофелем
увеличится в 10 раз. Такие необычные батареи способны работать несколько
дней и даже недель, а вырабатываемое ими электричество в 5-50 раз дешевле
получаемого от традиционных батареек и, по меньшей мере, вшестеро
экономичнее керосиновой лампы при использовании для освещения.
Индийские ученые решили использовать фрукты, овощи и отходы от
них для питания несложной бытовой техники. Батарейки содержат внутри
пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей или
фруктов, в которой размещены электроды из цинка и меди.
Новинка
рассчитана, прежде всего, на жителей сельских районов, которые могут сами
заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки необычных
батареек. [7]
Глава I I. Экспериментальная разработка овощных и фруктовых
аккумуляторов
Создание овощных и фруктовых источников тока.
Цель эксперимента: создать самодельный источник тока «вкусную»
батарейку.
Задачи экспериментального исследования:
1. Выяснить, какие овощи и фрукты способны выдавать максимальное
напряжение и силу тока. (Для зарядки аккумулятора сотового
телефона, необходимо создать такую «вкусную» батарейку, которая
выдавала бы ток не менее 250 мА, и напряжение 4-5 В).
2. Выяснить, использование каких, электродов, позволяет получить из
«вкусных» батареек максимальное напряжение и силу тока.
Итак, для создания «вкусной» батарейки нам понадобилось следующее
оборудование:
1. лимон, лайм, яблоко, луковица, помидор, картофелина сырая и вареная;
2. несколько медных проводов – это будет наш положительный полюс;
3. Железные и оцинкованные шурупы – для создания отрицательного
полюса;
4. провода, зажимы;
5. мультиметр, миллиамперметр.
Прежде всего, мы зачистили медную проволоку с помощью наждачной
бумаги. А теперь достаточно их вставить в овощ или фрукт и получается
«батарейка». Электроды располагали на одинаковом расстоянии друг от
друга.
Сначала мы провели эксперимент, когда в качестве
отрицательного электрода применили железный шуруп, а потом
цинковый. В ходе эксперимента мы измеряли напряжение, выдаваемое
овощами, фруктами и силы тока.
Результаты эксперимента мы занесли в таблицу.
Основа батарейки
Лимон
Лайм
Лук
Яблоко
Помидор
Картофель
Вареный картофель
Напряжение на электродах, В
Железо + медь
Цинк + медь
0,95
0,75
0,8
0,9
0,87
0,8
0,8
0,98
0,87
0,89
1
1
0,97
1,2
Сила электрического тока ,
мА
Железо + медь Цинк + медь
0,4
1
0,6
0,43
0,66
1,1
1,2
0,5
1,3
0,8
0,6
0,83
1,2
1,5
Проанализировав результаты эксперимента, мы сделали вывод, что в
качестве отрицательного электрода лучше использовать оцинкованный
шуруп, а не железный, т.к. выдаваемые напряжение и сила тока всеми
овощами и фруктами больше именно с цинковым электродом. Поэтому все
остальные эксперименты мы проводили с цинковым и медным электродами,
в качестве отрицательного и положительного полюсов. Также в ходе
исследования мы выяснили, что самый хороший источник тока это – вареный
картофель. (Хотя в начале исследования, мы предположили, что лучшим
будет лимон, потому что он самый кислый). Но не один из фруктовоовощных элементов не выдавал необходимого напряжения и силы тока.
2.2 .
Экспериментальное сравнение электрических характеристик
созданных источников тока.
Следующие опыты мы проводили с целью выяснить, каким образом
можно повысить выдаваемые «вкусной» батарейкой напряжение и силу
тока.
Опыт 1. Мы решили исследовать, как зависят напряжение и сила тока
от расстояния между электродами. Для этого мы взяли
следующее
оборудование : контейнер с картофельным пюре, медная проволока,
оцинкованный шуруп, мультиметр, миллиамперметр. В ходе исследования
мы изменяли расстояние между анодом и катодом и измеряли напряжение и
силу тока на батарейке. Результаты эксперимента занесли в таблицу:
Расстояние между
электродами, см
1
2,5
3,5
5
Напряжение между
электродами, В
0,7
0,78
0,86
0,95
Сила электрического тока,
мА
0,6
1
1,5
2
Опыт 2. Далее мы решили составить батарею из овощей и фруктов, с
целью выдать такую мощность, которой хватило бы для загорания
лампочки. Для этого исследования нам понадобилось следующее
оборудование : лайм, лимон, картофель, лук, яблоко, помидор, медные
провода, оцинкованные шурупы, соединительные провода, мультиметр,
миллиамперметр, низковольтная лампа на подставке. Предварительно
увеличив расстояние между электродами до максимума, мы последовательно
соединили фрукты и овощи. Измерили напряжение и силу тока, полученной
батарейки. Результаты измерений занесли в таблицу.
Овощи, фрукты
Напряжение на батарее, В
Лайм + Лимон
Лайм + лимон + картофель
Лайм + Лимон + Картофель
+ Лук
Лайм + Лимон + Картофель
+ Лук + Яблоко
Лайм + Лимон + Картофель
+ Лук + Яблоко + Помидор
1,3
2,34
3,17
Сила электрического тока,
мА
0,5
0,3
0,1
4,2
0,1
5
0,1
Из этого исследования мы сделали вывод: что с увеличением числа
элементов входящих в батарею, напряжение на ее зажимах растет, а ток
уменьшается. Попытки использовать такую батарейку, для зажжения
лампочки оказались неудачными, поскольку сила тока слишком мала.
Опыт 3. Мы решили повторить предыдущий опыт, но в качестве
элементов батареи мы взяли вареный картофель, так как в самых первых
исследованиях, мы выяснили, что он выдает самые большие значения
напряжения и силы тока, и мы надеялись, что этот опыт будет более
успешным. И так для этого эксперимента мы взяли такое оборудование: 6
вареных картофелин, медные провода, цинковые шурупы, соединительные
провода, мультиметр, миллиамперметр, лампочка на подставке, светодиодная
лампочка. Мы соединяли картофелины последовательно в батарею и
измеряли напряжение и силу тока. Результаты измерений занесли в таблицу.
Число картофелин
1
2
3
4
5
6
Напряжение на батарее, В
0,85
1,6
2,5
3,3
3,9
4,5
Сила электрического тока, мА
0,97
0,8
0,7
0,5
0,45
0,4
По результатам этого эксперимента и предыдущего, мы делаем вывод:
батарея, собранная из вареного картофеля имеет преимущество перед
батареей, собранной из фруктов. Мощность этой батарейки почти в 4 раза
больше фруктовой. Но мощности этой батарейки хватило на то, что бы
заставить светится только светодиодную лампочку, для обычной лампочки
накаливания, слишком мала сила тока.
Опыт 4. В течении некоторого времени, мы наблюдали за нашими
«вкусными» батарейками, с целью выяснить, какие фрукты и овощи дольше
могут держать напряжение. На протяжении этого времени, мы измеряли
напряжение на батарейках, результаты занесли в таблицу:
Основа батарейки
Лимон
Лук
Помидор
Яблоко
Картофель
Вареный картофель
Через 5
дней
0,75 В
0,7 В
0,8 В
0,75 В
0,86 В
0,95 В
Через 10
дней
0,49 В
0,7 В
0,7 В
0,7 В
0,75 В
0,9 В
Через 15
дней
0,4 В
0,65 В
0,63 В
0,46 В
0,65 В
0,85
Через 24
дня
0,33В
0.6 В
0.5 В
0.46 В
0.4 В
0.75 В
Из результатов этого эксперимента делаем вывод: напряжение
постепенно падает на всех «вкусных» батарейках, но лучше всего оно
держится на вареном картофеле. Вытаскивая медный и цинковый
электроды 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.
Выводы
В ходе исследования мы провели теоретический анализ научной
литературы, узнали об истории создания химических источников тока,
познакомились с устройством современной батарейки. Создали
самодельный источник тока – «вкусную» батарейку. Провели
экспериментальное сравнение электрических характеристик, созданных
источников тока. Выяснили, что для выдачи «вкусной» батарейкой
максимального значения напряжения и силы тока, нужно располагать
электроды как можно дальше друг от друга, используя при этом цинковые и
медные электроды. Нам удалось собрать батарею из овощей, которая смогла
заставить светится светодиодную лампочку. Однако не удалось подтвердить
выдвинутую гипотезу о возможности зарядки аккумулятора сотового
телефона. Хотя чисто теоретически мы рассчитали, что для зарядки телефона
нам понадобится как минимум 500 таких батарей, соединенных
параллельно, но на практике это сделать затруднительно. А тем более
зарядить телефон одним яблоком вообще не возможно!
Мы планируем продолжить исследования используя другие методы,
применяя опыт индийских и израильских ученых, для создания более
мощных источников тока. Индийские ученые решили использовать фрукты,
овощи и отходы от них для питания несложной бытовой техники. Батарейки
содержат внутри пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок и
других овощей или фруктов, в которой размещены электроды из цинка и меди.
Новинка рассчитана, прежде всего, на жителей сельских районов, которые
могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки
необычных батареек.
Список использованных источников
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Алексеева М.Н. Физика - юным. М.Просвещение. 1980г.
Гальперштейн Л. Забавная физика. М. Детская литература 1993г.
Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. М. Просвещение, 1985г.
Кирилова И.Г. Книга для чтения по физике. М. Просвещение, 1986г.
Сворень Р. Электроника шаг за шагом. М. Просвещение, 1976г
Энциклопедический словарь юного физика. М. Педагогика, 1991г.
Электричество из продуктов http://www.bibliotekar.ru/2kartoshka.htm