Научно-исследовательская работа "Батарейка из овощей и фруктов"

XIV региональная научно-практическая конференция учащихся

5-11 классов общеобразовательных учреждений

Секция: физика

Батарейка из овощей и фруктов

Новокузнецкий городской округ, 2018

Содержание

Введение……………………………………………………………….….…..3                                                                                                                                                                                                                                                         

Глава I. Электрический ток…………………………………….….…...…....4

Глава II. Измерение напряжения во фруктах и овощах …………….….....7                                                     

Заключение……………………………………………………………..….…9                                                                                                                              

Список литературы……………………………………………………...….10

Приложение……………………………………………………………...….11 

Введение

Актуальность. Однажды я узнал, что из лимона можно сделать батарейку, которая будет давать небольшой электрический ток. Меня очень заинтересовал этот факт, и я захотел узнать об этом больше. Я стал искать и изучать литературу на данную тему. Оказывается, если в любой фрукт или овощ воткнуть два электрода различных металлов, то за счет химических реакций, происходящих между соком и металлами, на электродах появится напряжение и потечет ток. Этот ток будет слишком малым, но если собрать батарейку из нескольких фруктов или овощей, то его будет достаточно, чтобы заработали небольшие электронные часы, или загорелась небольшая лампочка. В экстренной ситуации такая батарейка могла бы пригодиться, например, если мы заблудились на природе или застряли на даче. Так я и выбрал тему для своего исследования.

Цель работы: исследование возможности получения источников электрической энергии из фруктов и овощей.

Задачи:

1.                 Узнать, как устроена батарейка.

2.                 Собрать батарейку из разных овощей и фруктов.

3.                 Измерить полученное напряжение.

Гипотезы:

1.                 Из фруктов и овощей можно получить батарейку.

2.                 Чем больше фруктов и овощей в электрической цепи, тем больше напряжение батарейки.

Предмет исследования – электрический ток в овощах и фруктах.

Объект исследования – овощи и фрукты.

Методы исследования – изучение литературы по выбранной теме, наблюдение, проведение исследовательского эксперимента.

Глава I. Электрический ток

Наша жизнь тесно связана с электрическим током. Наши квартиры и дома освещает электрический свет, работают электрические приборы. Во многих квартирах установлены электрические плиты для приготовления еды. Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы. Источник тока – это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию [4]. Существуют разные виды источников тока. В окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами. Они используются в мобильных телефонах, в ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках. Несмотря на большие различия в конструкции и назначении, химические источники тока работают по схожему принципу.

        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 [1].

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 (аноде) стали появлялись пузырьки газа [3]. 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.

Гальванический элемент (батарейка) — это источник электричества, который основан на химическом взаимодействии некоторых веществ между собой. Разберемся, как устроена обычная батарейка. 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 уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд - отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею [2].

Стоит подключить к батарейке нагрузку, например, лампочку, как от положительного электрода к отрицательному потечёт ток. Начнется химическая реакция в электролите, которая разделяет электроны. В процессе работы батарейки постепенно образуются новые вещества, а электроды постепенно разрушаются – батарейка садится. Многие гальванические элементы могут быть использованы только один раз. Они производятся на заводе, разряжаются в процессе использования и затем выбрасываются. Сейчас наиболее популярны перезаряжаемые батарейки, называемые аккумуляторами.

В моей фруктово-овощной батарейке роль электролита выполняет сок из фруктов и овощей. Положительным электродом может служить медная пластина, а отрицательным электродом – цинковая. Когда цинк контактирует с лимонной кислотой, начинаются две химические реакции. Одна реакция – окисление: кислота начинает забирать электроны цинка с поверхности пластины. Два электрона уходят с каждого атома цинка, придавая атому положительный заряд. Заряженные атомы цинка – ионы цинка, остаются в лимоне. Другая реакция – восстановление, в ней задействованы положительно заряженные атомы водорода – ионы водорода в лимонной кислоте. Ионы принимают электроны, освобождаемые в ходе окислительной реакции. Важно понять, что электроны испускаемые цинком принимаются ионами водорода кислоты. Медная пластина – тоже окислитель, она может притягивать многие свободные электроны, испускаемые цинком. Но процесс не происходит до тех пор, пока между медным и цинковым электродами нет связи. Когда между электродами устанавливается электрическая связь (провод), то медь притягивает электроны из цинка и возвращает их через цепь [5].

Движение электронов по цепи – электрический ток. Условно было принято за направление движение электронов: ток от отрицательного полюса батарейки или электрического элемента к положительному. Поэтому цинк (источник электронов) – отрицательный полюс в лимонной батарейке, а медь – положительный. Электрический ток, выдаваемый батарейкой зависит от количества электронов, испускаемых химической реакцией.

Глава II. Измерение напряжения во фруктах и овощах

Для измерения напряжения я взял специальный прибор – мультиметр. С его помощью можно наглядно увидеть какое напряжение даёт батарейка. Известно, что обычная пальчиковая батарейка даёт  напряжение 1,5 В.

Опыт 1. Лимон-батарейка

Начнем с лимона. Сначала надо  помять лимон. Это делается для того, чтобы внутри появился сок. С одной стороны надо вставить в лимон оцинкованную пластину, с другой – медную.

Лимон работает как батарейка: медь – положительный электрод, а цинк – отрицательный, электролитом является лимонный сок. Как же теперь  убедиться в том, что батарея работает? подключить к ней мультиметр, который позволит измерить напряжение батареи [6]. Оно оказалось равным 1 В. Можно усилить напряжение, соединив несколько лимонов и замкнуть цепь. Напряжение при этом равно 1, 97 В (Приложение 1).

Не только лимон, но и почти все фрукты и овощи дают электричество [7].

Опыт 2. Батарейка из яблока

Для эксперимента я взял яблоко, две пластины – медную и цинковую и воткнул их в яблоко на некотором расстоянии друг от друга. Присоединив к ним мультиметр, измерил напряжение. Яблоко дает напряжение 1,02 В.

Опыт 3. Батарейка из апельсина

Для эксперимента я взял апельсин, две пластины – медную и цинковую и воткнул их на некотором расстоянии друг от друга. Присоединив к ним мультиметр, измерил напряжение. Апельсин дает напряжение 0,95 В (Приложение 2).

Опыт 4-6. Батарейка из овощей

Затем я провел опыты с картофелем, огурцом, луком. Мои действия были такие же как и в трёх предыдущих экспериментах – я брал перечисленные овощи, две пластины – медную и цинковую и вставлял их в овощи и фрукты на некотором расстоянии друг от друга. Присоединив к ним мультиметр, измерил напряжение (Приложение 3). Я убедился, что все они могут выполнять роль источника тока и «работать» как батарейки.

Можно подвести промежуточные итоги. Результат получился не слишком разным. Напряжение оказалось в пределах от 1,02 В у яблока до 0,81 В у огурца.

Теперь составим рейтинг овощей и фруктов:

Место	Фрукты и овощи	Напряжение (Вольт)
1	Яблоко	1,02
2	Лимон	1,00
3	Апельсин	0,95
4	Картофель	0,92
5	Лук	0,83
6	Огурец	0,81

Победителями стали лимон и картофель, каждый из которых может дать нам по 1 В.

Теперь  можно попробовать использовать полученное электричество. Взяли маленькую светодиодную лампочку, подсоединили её к контактам от лимона. Лампочка не загорелась. Значит, напряжение слишком мало. Чтобы увеличить напряжение в батарейке, нужно соединить элементы проводами последовательно, то есть по очереди друг за другом, так чтобы ток пошёл по цепочке от «+» одного фрукта к «-» другого фрукта, и так далее. Соединяем последовательно два лимона, апельсин и картофель. Светодиод начинает светиться. Напряжение при этом достигает 3,60 В (Приложение 4).

Главное, что стало понятно – чем больше включаем в цепь последовательно элементов, тем больше получается напряжение. Значит мощность батарейки зависит от количества овощей и фруктов.

Заключение

Все фрукты содержат фруктовые 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. Теперь можно сделать вывод: фрукты и овощи действительно могут служить источником электрической энергии и из них возможно изготовить «природную батарейку». Мною были сделаны гальванические элементы из различных овощей и фруктов: лимон, яблоко, картофель, лук, огурец, апельсин и измерено полученное напряжение. Я нашёл ответ на свои вопросы, добился намеченных целей и выполнил все поставленные перед собой задачи.

Список литературы

1.     Большая книга "Почему" [Текст]   / пер.с итальянского О. Живаго –М., 2012.

2.     Большая энциклопедия заний [Текст]  / Пер. с немецкого Л. С. Беловой, Е. В. Черныш. – М: Эксмо, 2013 – 344с.

3.     Моя первая энциклопедия [Текст] / пер. с англ. В. А. Жукова, Ю. Н. Касаткиной, Д. С. Щигеля – М., 2010

4.     Что такое энергия? [Текст] / Земцова Т. Перевод Гришин А. – Издательство Махаон, 2014 – 32с.

5.     Батарейка [электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Батарейка

6.     Батарейка из фруктов [электронный ресурс] / Режим доступа: http://how-make.ru/publ/batarejka_iz_fruktov/1-1-0-734

7.     Сугробова Н. Живая наука. Фруктовые батарейки [электронный ресурс] / Режим доступа: http://livescience.ru/Статьи:Фруктовые-батарейки

8.     Электрический ток [электронный ресурс] / Режим доступа:   http://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический ток

Приложение 1

Лимон-батарейка

Приложение 2

Батарейка из апельсина

Приложение 3

Батарейка из овощей

Приложение 4

Применение полученного электричества