Научно исследовательская работа " Альтернативные источники электрической энергии"

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение «Новокаякентская средняя общеобразовательная школа»  с.Новокаякент    Каякентский район     Республика Дагестан

ХХIV Республиканская научная конференция  молодых

исследователей «Шаг в будущее»

Исследовательская работа на тему:

«Альтернативные источники

электрической  энергии»

       Направление  «Физика и познание и мира»

Симпозиум 2. Естественные науки и современный мир

Работу выполнила: ученица 9 класса

МКОУ «Новокаякентская СОШ»

Каякентский район

Гаджиарсланова Умахавват Эльбрусовна

Научный руководитель:

                                                1.Магдиев А.М.-доцент,  кандидат физико-математических наук

 Кафедра физики ДГПУ

                                     2.Магомедова Б.М.- учитель физики МКОУ «Новокаякентская СОШ»

                                                3.Джабраилова Л.Д. -учитель математики  МКОУ «Новокаякентская СОШ»

                                                                       2018г.

                                                        Аннотация:

        В нашем современном мире очень важную роль играют химические источники тока. Они используются в игрушках и мобильных телефонах, ноутбуках и фонариках, космических кораблях и крылатых ракетах, в автомобилях и наручных часах. Мы  каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами.

         В связи с развитием производственных технологий и значительным ухудшением экологической ситуации во многих регионах земного шара, человечество столкнулось с проблемой поиска новых источников энергии.

          Научно-технический прогресс, появление новых технологий и материалов, постоянно повышают роль возобновляемых источников энергии, которые уже замещают традиционные, основные источники энергии в значительном объеме.

—Все- это приводит к более глубокому изучению и использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

—Основное преимущество возобновляемых источников энергии - их неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты.

         Целью моей исследовательской работы «Альтернативные источники электрической энергии» является изучение альтернативных источников электрической энергии и создание батареи на основе овощей фруктов, почвы и воды и изготовить  устройства с  применением фруктов и овощей.

      Мои исследования  способствуют усвоению материала об альтернативных источниках тока. Показывают, как можно получить электрический ток из подручных средств, используемых в повседневной жизни. Раскрывают экспериментальные способы получения, формируют мотивационную деятельность у учащихся, развивают интерес к изучению физики. Способствуют более глубокому усвоению темы "Законы постоянного тока".

         В моей работе приведены таблицы, иллюстрации и фотографии исследования приведены в презентации.

                                                              Содержание

·        Введение------------------------------------------------------------------------------2

·        Теоретическая часть----------------------------------------------------------------3

o   Химические источники тока--------------------------------------------------3

o   Сила тока в цепи и амперметр------------------------------------------------3

o   Определение электрического напряжения---------------------------------4

o   Сопротивление тока------------------------------------------------------------5

o   Интересные факты об альтернативной энергии--------------------------6

·        3.Практическая исследовательская работа.---------------------------------------------6

·        4.Эксперименты с альтернативными источниками электрической энергии.----6

·        5. Опыты с альтернативными источниками электрической энергии.--------------6

·        6.Эксперимент№1.     Лимон батарейка---------------------------------------------------6

·        7. Эксперимент   № 2. Гальванический элемент из яблока----------------------------7

·        8. Эксперимент   № 3. Гальванический элемент из воды.------------------------------7

·        9. Эксперимент   № 4. Гальванический  элемент из почвы----------------------------7

·        10. Эксперимент   № 5-7-----------------------------------------------------------------------7

·        11. Таблицы №1-2------------------------------------------------------------------------------8

·        12. Выводы--------------------------------------------------------------------------------------9

·        13. Литература:--------------------------------------------------------------------------------10

·        14.   Приложения-----------------------------------------------------------------------------11-12

Основная часть. Введение 

В окружающем нас мире  важную роль играют химические источники тока. Они используются в электротехнике, мобильных телефонах ,  ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках. Мы каждый день сталкиваемся с источниками электрической энергии.

 Слово «энергия» прочно вошло в обиходный словарь начала XXI в. Последнее время сталкиваемся с дефицитом энергоресурсов. Грядущее истощение запасов нефти и газа побуждает ученых искать новые   альтернативные источники электрической энергии.

   Источники тока стали неотъемлемой частью нашей жизни. А что будет, если их не станет? Сможет ли человек из окружающих объектов получить так необходимую для него энергию. Известно, что потребление электрической энергии растет все больше и больше. И первоочередной задачей энергетики становятся поиски новых источников, в том числе и нетрадиционных.

Актуальность темы. Работа посвящена необычным источникам энергии и  представляет собой анализ различных литературных источников, данные которых проверялись в ходе исследований и экспериментов. В настоящее время в России наметилась тенденция роста цен на электроэнергию. Поэтому вопрос поиска дешёвых источников энергии имеет актуальное значение. В данной работе осуществлена попытка поиска источников электрического тока в отдельных видах овощей, фруктов, почвы и в воде. Поскольку себестоимость производства этих продуктов ниже себестоимости традиционного производства электроэнергии, использование их в качестве источника электроэнергии весьма интересно. Этим и объясняется выбор данной темы.

Тема исследовательской работы: «Альтернативные источники электрической энергии».

Цель работы: Проверить могут ли фрукты, овощи, почва и вода выполнять роль источника тока.

Задачи:

- Ознакомиться с принципом работы батарейки.

- Создать фруктовую, овощную,земляную и водную батарейку.

- Провести исследования фруктово-овощных, земляных и водных батареек.

- Обобщить результаты исследований, сделать выводы.

Методы исследования: работа с различными источниками информации (Интернет – ресурсы, литература), практическое изучение овощных, фруктовых,земляных и водных  источников тока, синтез, анализ, эксперимент, работа с компьютерными программами Adobe Photoshop для обработки изображений, Power Point.

Предмет исследования: изучение овощных, фруктовых,земляных и водных  источников тока.

Объект исследования: фрукты, овощи,почва и вода.

Гипотеза: Если фрукты, овощи, почва и вода состоят из различных минеральных веществ (электролитов), то из них можно сделать гальванический элемент - химический источник тока (батарейку).

                                                                          Теоретическая часть

            Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию. В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника. В мире существует 4 вида источника тока:

1.Химический (гальванические элементы, аккумуляторы)

2.Механический (генераторы)

3.Термический (термоэлементы)

4.Фотоэлементы.

1.1. Химические источники тока
В результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

                                                

                                                   Гальванический элемент

  Гальванический элемент - в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень - положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока угол положительный электрод, а цинковый сосуд - отрицательный электрод.
         Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

                                                               
                                            Батарея из гальванических элементов

1.2. Сила тока в цепи и амперметр

              Каждый из нас хотя бы раз в жизни ощущали на себе  действие тока. Обыкновенная батарейка едва ощутимо пощипывает, если приложить ее к языку. Ток в розетке довольно сильно бьет, если коснуться оголенных проводов. А вот  линии электропередач могут лишить жизни.

             Во всех случаях - это действие электрического тока. Чем же так отличается один ток от другого, что разница в его воздействии столь существенна? Очевидно, есть некая количественная характеристика,которой можно объяснить такое различие. Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц( электроны).Чем больше через сечение проводника пробежит частица, тем большее действие произведет ток.

               Для того, чтобы охарактеризовать заряд, проходящий через проводник, ввели физическую величину, называемую силой электрического тока. Сила тока в проводнике – это количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Сила тока равна отношению электрического заряда ко времени его прохождения. Для расчета силы тока применяют формулу: I=q /t.

                За единицу силы тока в цепи принят 1 Ампер (1 А) в честь французского ученого Андре Ампера.   Для измерения силы тока применяют амперметры, миллиамперы,микроамперы и килоамперы. Амперметры бывают различными в зависимости от того, для каких измерений они рассчитаны. Соответственно, шкалу прибора градуируют в требуемых величинах. Амперметр подключается в сети последовательно. Место подключения амперметра не имеет значения, так как количество электричества, проходящее через цепь, будет одинаково. Электроны не могут скапливаться в  цепи, они текут равномерно по всем проводам и элементам. При подключении амперметра до и после нагрузки он покажет одинаковые значения.

               Первые ученые, исследовавшие электричество, не имели приборов для измерения силы тока. Они проверяли наличие тока собственными ощущениями, пропуская его через свое тело. На то время силы токов, с которыми они работали, были не очень велики, поэтому большинство исследователей отделывались лишь неприятными ощущениями. Однако, в наше время даже в быту, не говоря уже про промышленность, используются токи очень больших значений.

             Следует знать, что для человеческого организма безопасной признана величина силы тока до 1 мА. Величина тока больше 100 мА может привести к серьезным повреждениям организма. Величина тока в несколько ампер может убить человека. При этом еще нужно учитывать индивидуальную восприимчивость организма, которая различна у каждого человека. Поэтому следует помнить о главном требовании при эксплуатации электроприборов – безопасность.

1.3.Определение электрического напряжения

               Электрическое поле должно было «протащить» электроны через нагрузку, и энергия, которая при этом израсходовалась, характеризуется - электрическим напряжением. Эта же энергия потратилась на какое-то изменение состояния вещества нагрузки. Энергия,  не пропадает в никуда и не появляется из ниоткуда. Об этом гласит Закон сохранения энергии. То есть, если ток потратил энергию на прохождение через нагрузку, эту энергию приобрела нагрузка и, например, нагрелась. Напряжение электрического тока – это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет наибольшим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула:  U=A/q

              Напряжение на полюсах источника тока -  напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.

             Для измерения напряжения существует прибор - вольтметр. В отличие от амперметра, он подключается   в  цепи,  параллельно нагрузке, до нее и после.

               Вольтметр показывает величину напряжения, приложенного к нагрузке. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора.

1.4.Сопротивление тока

               Как устроены атомы металла? Атомы металла представляют собой кристаллическую решетку из положительно заряженных ионов, между которыми свободно движутся отрицательно заряженные электроны.

               Электроны со своими атомами практически не связаны, и вследствие этого, возможно существование  электрического тока в  проводнике. Под действием электрического поля  электроны  перемещаються вдоль проводника.  Но возникает вопрос – если электроны не связаны с ядрами атомов, почему  не вылетают  из тела, а продолжают оставаться внутри?

              Очевидно, что их что-то удерживает. И удерживает их притяжение ядер   атомов. Оно позволяет  свободно перемещаться внутри вещества, но ограничивает свободу границами самого тела. Это же притяжение сковывает их передвижение внутри проводника под действием электрического поля. У разных веществ, притяжение  различается, вследствие различий в строении кристаллической решетки.

                 Соответственно, проводимость электрического  тока у разных веществ различна. Все  вещества разделяются на проводники и изоляторы. Однако, все без исключения вещества все равно противодействуют, как бы сопротивляются прохождению тока через них. Величина, характеризующая это противодействие, называется сопротивлением электрическому току.

                  Сопротивление току зависит от структуры вещества, и  от его температуры. При увеличении температуры сопротивление увеличивается.  Силу сопротивления  измеряют в Ом. Обозначается сопротивление буквой R. Сопротивление проводника в один Ом – это такое сопротивление, при котором при напряжении на концах проводника в один вольт сила тока равна одному амперу.

                    Сопротивление проводников различается. Есть проводники, которые проводят ток лучше, как например, серебро или медь, или хуже, как например, железо. От этого зависят потери тока при прохождении через проводник. У некоторых веществ сопротивление току настолько сильно, что они не способны его проводить в обычных условиях.  Их используют в качестве изоляторов. Это такие вещества, как фарфор, резина, эбонит и так далее. Величина, характеризующая сопротивление вещества, называется удельным сопротивлением. Удельные сопротивления различных веществ можно найти из специальных таблиц .

 1.5.Интересные факты об альтернативной энергии

            Пока ученые во всем мире спорят о плюсах и минусах альтернативных источников энергии, их индийские коллеги пополнили список энергетических альтернатив. Индийские ученые изобрели батарейки, в состав которых входят фрукты и овощи. В батарейке  содержится паста из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей и фруктов, в которой находятся   электроды из меди и цинка.
         Первая в мире силовая установка, топливом для которой служит скорлупа орехов, была официально открыта 18 сентября в Гимпи, к северу от Брисбена, на юго-восточном побережье Австралии. В первый год она должна обеспечить электричеством 1200 домов провинции Квинсленд. Зеленый генератор, строительство которого обошлось в 3 миллиона австралийских долларов, является плодом совместного предприятия, созданного правительственной компанией Ergon Energy и расположенной в Гипми компанией Suncoast Gold Macadamias, третьего по величине в мире производителя орехов. Каждый час эта электростанция будет перерабатывать до 1.680 кг. ореховой скорлупы, производя при этом 1,5 мегаватта электричества. В течение ближайших двух лет планируется удвоить производительность предприятия.

                                               Практическая исследовательская работа.

                        Эксперименты с альтернативными источниками электрической энергии.

Методика проведения исследования

                Первая электрическая батарея появилась в 1799 году. Её изобрел итальянский физик Алессандро Вольта (1745 - 1827) — итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока. Она состояла из набора цинковых и медных дисков, разделенных кусками ткани, пропитанными подкисленной водой. Диски укладывались один на другой в виде столба. Соединив медным проводом, первый диск из цинка с последним медным диском, Вольта получил постоянный ток в результате химической реакции между медью, цинком и кислым раствором. Как только кислота в растворе истощилась, электрический ток исчезал. Таким образом, Вольта открыл, что электрический ток возникает между двумя различными проводниками, если эти проводники находятся в соответствующем контакте между собой.

Получить источник тока, подобный Вольтову столбу можно, используя различные овощи, фрукты, почву и воду.

 Опыты с альтернативными источниками электрической энергии.

                   Можно привести немало примеров из собственной практики. Я провела  несколько опытов, связанных с альтернативными источниками электрической энергии.

 Эксперимент№1.     Лимон батарейка

        Я взяла (один лимон немятый, а другой  мятый), один лимон розомнула, чтобы разрушилось внутренние перегородки, но не повредилось кожура, две пластины – медную и цинковую и воткнула их в лимон на некотором расстоянии друг от друга.Чем ближе, тем меньше вероятность, что они разделены  перегородкой внутри лимона.В свою очередь, чем лучше ионный объмен между электродами тем больше ее мощность.  Получился гальванический элемент - батарейка. Присоединив к ним вольтметр, измерила вольтметром напряжение, а миллиамперметром - силу тока.

Вывод. Лимон может выполнять роль источника тока.  В самодельной  батарейке  цинковая пластинка  - отрицательный электрод, а  медная  -  положительный.   В кислой среде на поверхности анода протекает реакция окисления, в процессе  которой  выделяются  свободные электроны. С каждого атома цинка уходит два электрона. Медь — сильный окислитель, и она может притягивать электроны, освобожденные цинком. Если замкнуть электрическую цепь , в цепи возникнет электричество,  то есть электроны потекут от анода к катоду через нее. Электролитом является лимонный сок, его в мятом лимоне оказалось больше. (Приложение:рис.1).

    Эксперимент   № 2. Гальванический элемент из яблока

         Для опыта  я взяла кислые яблоки, две пластины – медную и цинковую и воткнула их в яблоко на некотором расстоянии друг от друга. Присоединив к ним вольтметр, измерила напряжение, а милиамперметром силу тока.

Вывод.  Я убедилась, что  яблоко красное может выполнять роль источника тока. В яблоках содержится  кислота, которая является электролитом. Если два разнородных металла погрузить в электролит, происходит перенос заряда, возникает ток и электрическое напряжение. (Приложение  рис. 2)

Эксперимент   № 3. Гальванический элемент из воды.

Для опыта  я взяла воду из колодца и воду морскую, две пластины – медную и цинковую и опустила в емкость с водой на некотором расстоянии друг от друга. Присоединив к ним вольтметр, измерила напряжение, а милиамперметром силу тока.

Вывод.  Я убедилась, что вода из колодца и вода морская тоже могут выполнять роль источника тока. Вода является электролитом. Если два разнородных металла погрузить в электролит, происходит перенос заряда, возникает ток и электрическое напряжение. (Приложение  рис. 3)

Эксперимент   № 4. Гальванический  элемент из почвы

Содержание ионов водорода и алюминия в земле позволяет получить электричество.Повышенная кислотность почвы проблема для огородников(агрономов). Я взяла две пластины цинковую и медную и воткнула в горшочек с почвой.И результат – 0,3В. Электроэнергия возникает благодаря химическим реакциям с участием цинка, меди и кислоты.

Эксперимент   № 5-7

Затем я провела эксперименты  с картофелем , с луковицей ,  солеными огурцами.

На поверхности отрицательно заряженного электрода, идет реакция восстановления: катионы  водорода, содержащиеся в кислоте, получают недостающие электроны и превращаются в водород, выходящий наружу в виде пузырьков. Около катода возникает концентрация анионов  кислоты, а около анода

катионов цинка. Чтобы сбалансировать заряды в электролите, необходимо обеспечить ионный обмен между электродами внутри   батарейки.

Как проходили опыты № 5-7: мои действия были такие же как и в двух предыдущих  экспериментах      – я брала перечисленные овощи, две пластины – медную и цинковую и вставлял их в овощи и фрукты на некотором расстоянии друг от друга. Присоединив к ним вольтметр, измерила напряжение, а амперметром силу тока.

Вывод.  Я убедилась, что все они могут выполнять роль источника тока, и  электричество вырабатывается не из огурца, луковицы или картошки. Электроэнергия возникает благодаря химическим реакциям с участием цинка, меди и кислоты.

     В каждом эксперименте я измеряла напряжение и силу тока и рассчитала сопротивление. Результаты измерений  занесла в таблицу №1.

 Сила тока, напряжение и сопротивление, исследуемых овощей, фруктов, земли  и воды и построила сравнительную  Таблица2. Сила тока, напряжение и сопротивление, исследуемых овощей,фруктов, почвы и воды. Зависимость силы тока, напряжения, сопротивления от исследуемых овощей, фруктов, почвы и воды).

Анализируя  таблицу, можно сделать вывод, что самое большое напряжение дает вода (морская) и немного меньше соленый огурец. Сила тока самая большая у воды морской. Это объясняется тем, что в морской воде присутствует в большом количестве раствор поваренной соли NaCl, который сам является очень хорошим проводником. Затем, по мере убывания значения силы тока идёт соленый огурец.

Таблица №1

Название	Напряжение, В	Сила тока, А
Лимон	0,81	0,18
Яблоко	0,84	0,12
Лимон (мятый)	0,85	0,19
Огурец (соленый)	0,9	0,2
Картофель (сырой)	0,5	0,25
Картофель (вареный)	0,75	0,5
Вода (колодцевая)	0,6	0,8
Вода (морская)	1,5	1
Землянная	0,3	0,26

Исследовала разные комбинации последовательного соединения элементов, фруктов и овощей.

Таблица №2

Название	Напряжение, В	Сила тока, А
Лимон +огурец	1,68	0.7
Два лимона	1,4	0,5
Две картошки	1,62	0,5
Три картошки	2,2	0,5
2 огурца	1,01	0.6

Вывод: соединяя последовательно объекты исследования, выяснила, что вареный картофель, лимон-огурец, дают наибольшую разность потенциалов.

III. Выводы

1. Выяснив принцип работы батареек, я пришла к выводу, что необходимым условием работы батарейки является присутствие  ионов водорода в овощном и фруктовом соке в земле  и в воде. Вода, почва и все фрукты содержат кислоты являющиеся электролитами. Если два разнородных металла погрузить в электролит, происходит перенос заряда. В самодельном гальваническом элементе цинковая пластина действует как отрицательный электрод, а медная – как положительный

2. Проведенные  опыты  подтверждают гипотезу о возможности создания источников питания из фруктов, овощей, почвы и воды. Мною были сделаны гальванические элементы из различных овощей и фруктов почвы и воды. Подводя итоги, видим, что традиционный источник энергии  – далеко не единственный. И выбор за человеком, который может воспользоваться любым существующим или дождаться, пока откроют что-то новое.

Важнейшим элементом исследовательской работы является представление экспериментальных результатов работы и их физическое объяснение. Данная работа позволила мне расширить и углубить свои знания о альтернативных источниках тока, усилить свой интерес к физике, электрической энергии.

Литература:

1.      Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Просвещение, 1984, с.225

2. Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике. 6–7 кл. – М.: Просвещение, 1978, с. 198
3. Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. – М.: Просвещение, 1999, с.336
4. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика: Под общ.ред. О.Г. Хинн. – М.: АСТ, 1996, с.613

5.      http://bio.fizteh.ru/student/biotech/2006/cell_energy_29122007.html

6.      ru.wikipedia.org›Гальваническийэлемент

7.      http://yandex.ru/video/#!/video/

8.      О. Ф. Кабардин. Справочные материалы по физике. - М.: Просвещение 1985

9.      Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика, 1991г

10.   http://energetiku.jimdo.com/интересные-факты/интересные-факты-4/интересные-факты-как-добыть-электричество/

                                                                               Приложения

                             Рис.1                                                                                 Рис.2