Исследовательская работа "Электрический ток в овощах и фруктах"

                 Министерство образования и науки Республики Башкортостан

Отдел образования Администрации муниципального района Мечетлинский район Республики Башкортостан

Конкурс исследовательских работ в рамках Малой академии наук

школьников Республики Башкортостан

Направление: «Физика, астрономия»

Тема научно–исследовательской работы

Электрический ток в овощах и фруктах

ФИО автора:

Камалетдинова Кристина Эдвардовна

Ученица 8 класса

Филиала МОБУ БГ СОШ с.Алегазово

Научный руководитель:

Бельтюкова Назира Фаттаховна

Учитель физики филиала МОБУ БГ СОШ с.Алегазово

с. Большеустьикинское  2022 год

Исследовательская работа

 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК  В ОВОЩАХ И ФРУКТАХ

Содержание
Введение	3
1.Результаты освоения теоретического материала	4
а) Из истории создания источников электрического тока	6
б) Устройство батарейки	6
2. Результаты эксперимента	7
а) Измерение величины напряжения и силы тока в овощах и фруктах	8
б) Определить зависимость напряжения от размеров исследуемых тел	9-10
в) Влияние расстояния между электродами на величину электрического напряжения	10-11
г) Влияние времени работы «съедобных» батареек на напряжение               в них	12
Заключение	13
Литература	14
Приложения	15-16

Введение

     Наш проект посвящен необычным источникам электрического тока. В современном окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. И мы каждый день сталкиваемся с приборами, в которых используются гальванические элементы, батарейки, аккумуляторы. Например, часы, светильники, игрушки, пульты к телевизорам, тонометры оснащены гальваническими элементами.                                                                                                                                                   Впервые о нетрадиционных источниках электрического тока - овощах и фруктах - мы узнали на уроке физики. Убедились, что обыкновенный картофель является источником электрического тока, и что многие фрукты и овощи тоже могут быть источниками электрического тока.   В результате нам захотелось узнать, как можно больше о необычных свойствах овощей и фруктов. Возникло сразу много вопросов. Например, какие из них лучшие источники электрического тока, а какие слабее?  Долговременные эти источники электрического тока или нет? Можно ли их использовать на практике?  Если да, то, как и где.  Следует заметить, что вопрос получения электрического тока и в настоящее время остаётся актуальным и важным для человечества.  Новизна исследования заключается в том, что привычные   нам предметы питания, могут выступать в необычной роли.                                                                                 Гипотеза: различные фрукты и овощи могут служить источниками электричества.                                                                                                                                      Цель исследования заключается в получении электрического тока из фруктов и овощей и исследование величины электрического напряжения и силы тока.  Поэтому объектом исследования стали фрукты и овощи.

Предмет исследования: величина электрического напряжения.

    Для достижения поставленной цели были определены следующие                    задачи:                                                                                                                                     1.Изучить  литературу по истории создания учёными первых источников электрического тока.                                                                                         2.Подробнее изучить устройство гальванического элемента, его принцип работы.                                                                                                                                                                                                                                            3.Экспериментально определить электрическое напряжение и силу тока внутри «вкусных» источников питания и сравнить его.                                                                             4. Доказать, что величина электрического напряжения, создаваемого исследуемым овощем или фруктом, не зависит от их размеров.                                       5.Определить влияет ли расстояние между электродами на величину электрического напряжения и силы тока.

6.Убедиться, что с течением времени, напряжение и сила тока в используемых фруктах убывает.                                                                                                                                7. Узнать, используются ли овощные и фруктовые батарейки на практике.

       Для создания «вкусной» батарейки были взяты    фрукты: лимон, апельсин, мандарин, яблоко, банан, киви.  Из овощей выбрали солёный огурец, сырой и варёный картофель, свёклу и репчатый лук, а также цинковую и медную пластины. В каждом теле был сделан замер напряжения с помощью вольтметра и сила тока с помощью амперметра.

В работе использовались следующие методы: наблюдение, эксперимент, анализ, сравнение и обобщение.

 1.Результаты освоения теоретического материла                                                              а) История создания источников электрического тока

        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.

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 называемые в народе «пальчиковые» и «мизинчиковые» батарейки и есть гальванические элементы, названные в честь Луиджи Гальвани.                                                                                                                                    

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.                                                                                                                                                                    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 современных химических источниках тока используются: в качестве восстановителя (на аноде) — свинец, кадмий, цинк  и другие металлы;  в качестве окислителя (на катоде) — оксид свинца, гидроксооксид никеля, оксид марганца и другие; в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.                                               

б) Устройство батарейки                                                                                                            

       Современные гальванические элементы внешне имеют мало общего с устройством, созданным Алессандро Вольта, но основа   неизменна.  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.

     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.                         

 2. Результаты эксперимента                                                                                                                              а) Измерение величины электрического напряжения и силы тока в овощах и фруктах                      

               В данной работе, во-первых, была доказана  гипотеза о возможности получения альтернативных источников питания, в частности из фруктов и овощей, во-вторых, исследованы две характеристики электрического тока  – электрическое напряжение и сила тока. Ученые утверждают, что, если у вас дома отключат электричество, вы сможете некоторое время освещать свой дом при помощи лимонов. Ведь в любом фрукте и овоще есть электричество, поскольку они заряжают нас, людей, энергией при их употреблении. Большинство фруктов содержит в своем составе слабые растворы кислот. Именно поэтому их можно легко превратить в простейший гальванический элемент.  В самодельном гальваническом элементе цинковая пластина действует как отрицательный электрод, а медная проволочка – как положительный. Электролитом (жидкость проводящая ток) является сок фруктов и овощей.  Прежде всего, необходимо зачистить медный и цинковый электроды с помощью наждачной бумаги. А теперь достаточно их вставить в овощ или фрукт и получается «батарейка». Электроды располагали на одинаковом расстоянии друг от друга -5 см.  Результаты эксперимента представлены в таблице.

Основа батарейки	Напряжение, В	Сила тока, mА
Варёный картофель	0,7	1,8
Солёный огурец	0,7	2
Картофель	0,6	2,4
Свёкла	0,5	2
Лук	0,4	2,4
Киви	0,6	0,6
Лимон	0,5	0,4
Апельсин	0,4	0,2
Яблоко красное	0,4	0,2
Мандарин	0,4	0,5
Банан	0,4	0,2
Яблоко желтое	0,3	0,2

 Диаграмма №1  А) Величина напряжения и силы тока во  фруктах

     Вывод: напряжение между электродами не одинаковое. Среди фруктов самой лучшей батарейкой оказались лимон, мандарин, киви. Апельсин и банан тоже имеют достаточно высокое напряжение. Яблоко красное имеет большее напряжение, чем желтое. Расстояние, на котором располагали электроды, было одинаково.

Диаграмма № 2. Б) Величина напряжения и силы тока в овощах

Вывод: Напряжение между электродами также не одинаковое. В результате измерений оказалось, что варёный картофель и солёный огурец дают самое высокое напряжение. Достаточно высокое напряжение у лука и свёклы. Самым же неожиданным оказалось, что обычная картошка тоже дает достаточно высокое напряжение. А если использовать не сырой, а вареный картофель, то величина напряжения увеличивается на 0,1 В.

Если сравнить силу тока, то большим значением обладает лук и картофель.

б) Определение зависимости напряжения от размеров, исследуемых тел.  Чтобы выяснить существует ли такая зависимость, измерения проводились для доказательства на двух видах «съедобных» батареек.  В нижеследующей таблице приведены результаты.

Основа батарейки	Напряжение на электродах, В
Солёный огурец большой                             Солёный  огурец маленький	0,8                           0,8
Картофель большой                                   Картофель маленький	0,6                          0,6

 Диаграмма №3. Определение зависимости напряжения от размеров исследуемых тел.

Вывод: величина напряжения между электродами, создаваемого исследуемым овощем, не зависит от их размеров, а определяется наличием в них растворов минеральных солей. При этом условие: одинаковость расстояния между электродами сохранялась.                                                                                             

в) Влияние расстояния между электродами на величину электрического напряжения и силы тока                                                                                                                                Чтобы исследовать, как влияет  расстояния между электродами на величину электрического напряжения и силы тока, измеряли данные величины, измняя расстояние между анодом и катодом.

Основа батарейки	Напряжение, В		Сила тока, mА
	1 см	5 см	1 см	5см
Варёный картофель	0,7	0,7	2	1,8
Солёный огурец	0,9	0,7	3	2
Картофель	0,8	0,6	1	2,4
Свёкла	0,7	0,5	3	2
Лук	0,6	0,4	1	2,4
Киви	0,7	0,6	2	0,6
Лимон	0,8	0,5	3,8	0,4
Апельсин	0,6	0,4	1	0,2
Яблоко красное	0,4	0,4	0,4	0,2
Мандарин	0,6	0,4	0,6	0,5
Банан	0,6	0,4	0,3	0,2
Яблоко желтое	0,5	0,3	0,4	0,2

Диаграмма №3   Влияние расстояния между электродами на  величину электрического напряжения.

Диаграмма №4. Влияние расстояния между электродами на значение силы тока

  Вывод: напряжение и значение силы тока между электродами растёт с уменьшением расстояния между ними.                                                                                                                                

г) Влияние времени работы «съедобных» батареек на напряжение. Наблюдали за нашими «вкусными» батарейками мы в течение некоторого времени. Результаты измеренного напряжения   занесли в таблицу:

Основа  батарейки	Напряжение,  В
	В 1 день	Через  5  дней	Через 10 дней
Лимон	0,6	0,14 В	0,08 В
Лук	0,7	0,1 В	0,08 В
Яблоко	0,6	0,08 В	0,06 В
Картофель	0,6	0,2 В	0,1 В
Вареный картофель	0,6	0,6 В	0,4 В

Диаграмма №4

Вывод: постепенно напряжение на всех «вкусных» батарейках уменьшается. Лучше всего его сохраняет варёный картофель. На самую большую величину напряжение уменьшилось у яблока и лука. Вероятно, из-за того, что в этих фруктах быстрее происходит процесс окисления после их повреждения.

Заключение

Эксперимент по созданию источника электрического тока удался. Намеченная цель: получить электрический ток из фруктов и овощей и исследовать значения напряжения и силы тока достигнута.

 Результаты следующие:                                                                                                                                              1. Познакомились с устройством батарейки и его изобретателями.                                                                    2.Узнали, какие процессы протекают внутри батарейки.                                                                             3. Изготовили овощные и фруктовые батарейки.                                                          4.Научились определять напряжение и силу тока внутри «вкусной» батарейки.  Анализ и обобщение экспериментальных данных показали, что наиболее перспективным в данном случае продуктом, который может быть использован в качестве гальванического элемента, явился солёный огурец. Данный факт объясняется тем, что в солёном огурце присутствует водный раствор поваренной соли достаточно высокой концентрации, который вместе с электродами из разнородных металлов, обладающих хорошей электропроводностью, создаёт превосходный гальванический элемент.                                                                                  5. Величина напряжения между электродами, создаваемого исследуемыми овощами (картофелем и солёным огурцом), не зависит от их размеров, а определяется наличием в них растворов минеральных солей.                                             6. Заметили, что напряжение между разнородными электродами растёт с уменьшением расстояния между ними.                                                                                                   7. Убедились, что электрические свойства фруктов и овощей с течением времени ухудшаются и заменить нам батарейки они могут только в редких частных случаях и экономически они не выгодны.                                                                                                                            Проведя эксперименты, мы, с одной стороны, убедились в том, что даже привычные нам предметы питания, могут выступать в необычной роли. С другой стороны, мы убедились в выполнении законов физики.            

                   Данная тема интересна и доступна для изучения и других закономерностей. В связи с этим наметили перспективы:

                                                                                                                                                                             1.Исследовать батарею из двух, трех, четырех, например, картофелин или группы овощей.

2. Исследовать изменение силы тока и напряжения, соединяя фрукты и овощи в батарею последовательно и параллельно.                                

Литература

1. Гулиа Н.В. Удивительная физика. Москва: «Издательство НЦ ЭНАС», 2005.

2. Журнал «Наука и жизнь», №10    2004г.                                                                              3. Журнал «Наука и жизнь», №11 2005г.                                                                                    4.  Кабардин  О.Ф. Справочные материалы по физике. Москва. Просвещение, 1985.                                                                                                                                                      5.  Кикоин А.К.,  Кикоин И.К.  Электродинамика. М.: Наука 1976.                                       6. Кирилова И. Г. Книга для чтения по физике.- Москва: Просвещение 1986.  7. Пёрышкин А.В.  «Физика -8». Учебник для общеобразовательных учебных заведений.  «Дрофа», Москва,2008.                                                                                          8.Энциклопедический словарь юного техника. Москва. Педагогика, 1980.      9. Энциклопедический словарь юного физика. Москва. Педагогика, 1991г

 

Приложение №1