Внеклассное занятие "Вкусные батарейки"

Министерство образования оренбургской области

МБОУ «Ключевская средняя общеобразовательная школа»

Беляевского района  Оренбургской области

Областной конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Первые шаги в науку»

Вкусные батарейки

Направление: физика

                                                                  Выполнил: Безинский СтепанЕвгеньевич,

обучающийся  8 класса

Оглавление

наименование	страница
Введение	3
Основная часть   ГЛАВА I    Батарейка – источник тока	4
1.1 Как работает батарейка	4
1.2 Успехи ученых в создании фруктовых батареек	6
1.3  Устройство батарейки	7
1.4 Чем опасна использованная батарейка?	9
1.5. Успехи ученых в создании фруктовых батареек	10
1.6.  Анализ статей	11
ГЛАВА II. Мои исследования 2.1. Исследование напряжения в гальванических элементах из овощей и фруктов	11
Выводы	13
Заключение	14
Список литературы	14
Приложение	15

Введение

        Однажды отключили электричество, и у меня разрядился телефон. Сразу возникли проблемы: общение с одноклассниками, важный разговор с мамой, отсутствие возможности поиграть в любимую игру. Пришла мысль, а что если в предстоящем пешем походе разрядится телефон, а вдруг непредвиденная ситуация, как сообщить…?
В окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. Они используются в мобильных телефонах, часах, фонариках, детских игрушках. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами.  Современная жизнь просто немыслима без электричества - только представьте существование человечества без современной бытовой технике, аудио- и видеоаппаратуры. 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.

Я решил узнать, а существует ли альтернативные источники электрического тока, которые можно изготовить из доступных материалов, для получения хотя бы минимального электричества, хватит ли его для подзарядки телефона, чтобы можно было в экстренной ситуации сообщить или попросить о помощи. Так зажегся огонёк интереса к исследованиям, к физике, как науке у меня в душе.

Актуальность  темы исследования.  Моя  работа посвящена необычным источникам энергии и  представляет собой анализ различных литературных источников, данные которых проверялись в ходе 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 и фруктов. Поскольку себестоимость производства этих продуктов ниже себестоимости традиционного производства электроэнергии, использование их в качестве источника электроэнергии весьма интересно. Этим и объясняется выбор данной темы.

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

Задачи:

1.Изучить и проанализировать научную и учебную литературу об источниках электрического тока

2.     Узнать, как устроена батарейка.

3.     Собрать батарейку из разных овощей и фруктов.

4.     Измерить полученное напряжение.

Гипотеза: из доступных фруктов и овощей можно сделать источник тока и использовать его в качестве источника электроэнергии.

Предмет исследования: электрический ток в овощах и фруктах.

Объект исследования: фрукты и овощи.

Методы исследования:  анализ научной и учебной литературы, экспериментальный метод, метод обработки результатов, метод сравнения.

Место исследования: кабинет физики МБОУ «Ключевская СОШ»

Сроки проведения исследования: февраль - март 2024 г.

Основная часть

Глава 1.  Батарейка – источник тока

1.1.          История создания гальванического элемента

Во второй половине XVIII века многие  врачи проводили разнообразные опыты, выясняя действие электричества на организм животных и человека. Например, под действием разряда электрических машин наблюдались сокращения мышц лапок не живой лягушки.  Такие опыты в 1786 году проводил и итальянский анатом Луиджи Гальвани. Однажды он подвесил на медных крючках задние лапки лягушки к железной решётке балкона своего дома.  Гальвани   был очень удивлён, обнаружив, что мышцы лапок сокращались при отсутствии электрической машины, если надавить на крючки.  Повторив в разных вариантах опыты, Гальвани решил, что в мускулах лягушки заключается «животное» электричество, поэтому при соединении проводниками нерва с мускулами происходит разряд.  Соотечественник Гальвани  профессор физики Алессандро  Вольта,  повторив его опыты и проделав новые, пришёл к иному заключению. Роль источника электричества в опытах Гальвани А. Вольта приписал контакту  двух разнородных металлов, а лапки лягушки он считал лишь чувствительным  электрометром.  Учёный исследовал контакты различных металлов.  Он установил, что раздражение нервов органов животных или человека будет наибольшим при контакте цинка и серебра. По сути Вольта сравнивал возникавшие при этом напряжения.  Учёный писал, что если составить проводящую цепь так, чтобы между различными металлами был введён соприкасающийся с ними жидкий проводник, то вследствие этого возникает постоянный электрический ток того или иного напряжения.  Вольта между каждой  парой цинковой и медной пластинок положил прокладку из картона,  пропитанную кислотой. Такой столбик, составленный из сложенных  попарно  медных и цинковых пластин, разделенный влажной прокладкой, получил название вольтова столба (рис. 1).

Рис. № 1

  Он был построен в 1800 году.  Вольтов столб представлял собой простейшую батарею, составленную из последовательно соединенных медно – цинковых элементов (элементов Вольта).  Элемент Вольта  и изобретенные позднее подобные ему источники тока были названы по имени Гальвани  гальваническими элементами.  Вольтов столб, как и все гальванические элементы, являлся химическим источником тока; между жидкостью, пропитывающей прокладку, и металлами протекала химическая реакция, в результате  которой происходило разделение заряженных  частиц. Между полюсами источника тока образовывалось электрическое поле: если соединяли полюса проводником, в нём возникал электрический ток.   Сам Вольта не знал ничего о химических превращениях, которые вызывает его столб в жидкости. Велика его заслуга в том, что он создал первый в мире источник постоянного тока.  Интерес к электрическому току быстро возрастал. Во многих странах ставили  разнообразные опыты с вольтовым столбом. Уже в 1800 году было открыто химическое и тепловое действие  тока.  Русский учёный Василий Владимирович Петров в 1802 году изготовил огромную  батарею. Она состояла из 4200 медных и цинковых кружков, между каждой парой которых прокладывались картонные кружочки пропитанные раствором нашатыря.  Все батарея размещалась  в большом деревянном  ящике. Дно и стенки ящика изолировали лаком и промасленной бумагой.  Напряжение на зажимах  составляло 1650 В.  Это был первый в истории  источник постоянного тока сравнительно высокого напряжения.

1.2.          Химические источники тока.    

       Батарейка – это удобное хранилище электричества, которое может быть использовано для обеспечения энергией  переносных устройств. Некоторые батарейки предназначены для одноразового использования, другие можно перезаряжать.

         Батарейки бывают разнообразной формы и размеров. Некоторые – маленькие, как таблетка. Некоторые – величиной с холодильник. Но все они работают по одному принципу. В них создается электрический заряд в результате реакции между двумя химическими веществами, в ходе которой электроны передаются от одного из них другому. Такими химическими веществами являются цинк и медь. Цинк – отрицательный полюс. А медь –  положительный полюс.

На уроках физики я узнал, что в гальваническом элементе (батарейках) происходят химические реакции, и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую. Гальванический элемент состоит из цинкового сосуда, в корпус которого вставлен угольный стержень, у которого имеется металлическая крышка.  Стержень помещён в смесь оксида марганца (IV) МnO₂  и размельченного углерода С. Пространство между цинковым корпусом и смесью МnO₂  и С заполнено желеобразным раствором соли  (хлорида аммония NH₄Cl)P.  В ходе химической реакции цинка с хлоридом аммония  цинковый сосуд становится отрицательно заряженным. Оксид марганца несёт положительный заряд,  а вставленный в него  угольный стержень используется для передачи положительного заряда. Между заряженными угольным стержнем и цинковым сосудом, которые называются электродами, возникает электрическое поле. Если угольный стержень и цинковый сосуд соединить проводником, то возникнет электрический ток. Гальванические элементы  - самые распространённые  в мире источники постоянного тока.  Их достоинство – удобство и безопасность использования.

Между прочим,  изобретенная 200 лет назад самая первая батарейка работала на основе фруктового сока. Алессандро Вольта в 1800 году сделал открытие, собрав нехитрое устройство из двух пластин металла (цинк и медь) и кожаной прокладки между ними, пропитанной лимонным соком.

1.3. Устройство пальчиковой батарейки

В магазинах можно увидеть большое количество батареек, они различны по некоторым принципам, но схема работы у них одна. У любой батарейки есть положительный полюс – анод, отрицательный полюс - катод и электролит. Именно эти составляющие и являются основными элементами батарейки.

Принцип работы химического источника тока.

В источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.

Гальванический элемент - это устройство, в котором химическая энергия окислительной-восстановительной реакции превращается в электрическую за счет разделения процессов окисления и восстановления.

Химические источники тока имеют основные составляющие - электрод, на котором окисляется восстановитель-анод, электрод, на котором восстанавливается окислитель – катод и электролит- раствор, необходимый для упорядочения движения электронов. При помещении электродов в электролит возникает разность потенциалов. Анод отдает электроны, катод их принимает. На поверхности идут химические реакции. В батарейке электроны движутся в определённом направлении, создавая электрический ток.

Металлы по своим химическим свойствам являются восстановителями. Металлы легко отдают валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы.

То есть, для создания химического источника тока необходимы электроды из разных металлов и раствор электролита.

1.4 Чем опасна использованная батарейка?

       Батарейка, даже отслужившая свой срок, не представляет опасности, при условии, что ее корпус не поврежден, и она хранится при комнатной температуре и минимальной влажности. Попадая же вместе с бытовыми отходами на свалку, и подвергаясь воздействию разнообразных атмосферных факторов, батарейка начинает ржаветь и разрушаться под воздействием коррозии. Ее корпус теряет герметичность, содержимое получает доступ во  внешнюю среду, отравляя ее, и ее обитателей.

Что происходит с батарейкой на свалке?

Щелочь и тяжелые металлы из разрушившейся батарейки представляют опасность для окружающей среды. Поступая вначале в почву, токсичные вещества достигают грунтовых вод, откуда попадают в водоемы, в том числе и те, из которых ведется забор водопроводной воды. Химическому загрязнению подвергаются земли и произрастающие на них растения, в том числе и многочисленные пищевые культуры; мясо и молоко сельскохозяйственных животных, пасущихся на зараженных пастбищах, тоже становятся опасным. Опасна не только пассивная коррозия, в результате которой батарейки загрязняют почву и воду; нередко свалки подвергаются самовозгоранию, и находящиеся в мусоре батарейки, нагреваясь, выделяют в атмосферу диоксины, заражая еще и воздух. Диоксины в десятки тысяч раз ядовитее цианида и являются причиной раковых заболеваний и заболеваний репродуктивной системы.

В чем опасность содержимого батарейки?

Наибольшую опасность представляют содержащиеся в батарейках тяжелые металлы, прежде всего ртуть.

 Ртуть - сильнейший яд, относящийся к первому классу опасности. Накапливаясь в тканях всех органов, вызывает нервные расстройства и расстройства двигательного аппарата, заболевания дыхательной системы, ухудшает зрение и слух, приводит к повреждению головного мозга и нервной системы в целом, разрушительно действует на почки и печень. Особо опасна для детей. Она массово использовалась до 2001 года.

Не меньшую угрозу представляют и другие тяжёлые металлы: кадмий, свинец.

Свинец - накапливается в почках и вызывает сильнейшие расстройства нервной системы и заболевания мозга.

Кадмий - накапливается в почках, печени, костях и щитовидной железе. Приводит к возникновению раковых заболеваний. В настоящее время во всем мире постепенно идёт замена еще достаточно распространённых и никель-кадмиевых аккумуляторов на более продвинутые и безопасные с экологической точки зрения никель-металл-гидридные и литий-ионные. В них больше электрическая ёмкость и количество циклов зарядки-разрядки. Но и они рано или поздно выходят их строя и требуют утилизации.

Токсичное воздействие тяжелых металлов на организм не проявляется одномоментно, полученные с водой и пищей микродозы отравляющего вещества накапливаются в организме на протяжении многих лет, оказывая разрушающее влияние.

1.5.            Успехи ученых в создании фруктовых батареек

      Ученые утверждают, что если у вас дома отключат электричество, вы сможете некоторое время освещать свой дом при помощи лимонов. Индийские ученые работают над созданием необычных батареек для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии. Внутри этих батареек должна быть паста из переработанных бананов и апельсиновых корок.Одновременное действие четырех таких батареек позволяет запустить настенные часы, а для ручных часов хватит одной такой батарейки. Компания Sоnу на научном конгрессе в США представила батарейку, работающую на фруктовом соке. Если «заправить» такую батарейку 8 мл сока, то она сможет проработать в течение одного часа. Применяться новинка может в плеерах, мобильных телефонах.

       А группа ученых из Великобритании создала компьютер, источником

питания для которого является картошка. За основу был взят старый компьютер смаломощным процессором Iпtе1 386. В него вместо жесткого диска поставили карту памяти на 2 мегабайта. Питается это устройство 12 картофелинами, которые меняются каждые 12 дней.

1.6.          Анализ статей

Изучив данный материал о вреде батареек, я задумался, а можно ли их заменить на более экологически чистые. Я нашел статьи в журналах: Энергия «из ничего» // журнал «Юный эрудит №10, 2009 год» и В.Н. Винер «Фруктовая батарейка» // журнал «Химия и Химики, №8, 2009 год». В данных статьях описывался опыт с лимонами, а именно авторы статьи предлагают взять лимон и два электрода (медный и цинковый), а также мультиметр. Оказалось, что если вставить эти электроды в лимон, то вольтметр покажет напряжение порядка одного вольта, а если взять три лимона, то горит светодиод. В статье В.Н. Винер «Фруктовая батарейка»

 // журнал «Химия и Химики, №8, 2009 год» описывается также данный опыт, но там говориться, что можно построить батарейку и из других овощей и фруктов. Изучив данные статьи, я решил самостоятельно проверить данные опыты и проверить их действие на зарядке телефона и работе электронных часов.

ГЛАВА II. Мои исследования

2.1. Измерение напряжения во фруктах и овощах

Для измерения напряжения я взял специальный прибор – вольтметр. 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. Подключить к ней вольтметр, который позволит измерить напряжение батареи. Оно оказалось равным 0,8 В. Можно усилить напряжение, соединив 3 лимона  и замкнуть цепь. Напряжение при этом равно 1, 4 В (Приложение 1). Далее я составил цепь из 7 лимонов и измерил напряжение мультиметром – 5, 98 В.

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 вольтметр, измерил напряжение. Яблоко дает напряжение 0,4  В.

Затем я взял маринованные яблоки- 3 дольки соединил последовательно. Вольтметр показал 1,4 В.

Опыт 4-6. Батарейка из овощей

Затем я провел опыты с картофелем, маринованным огурцом, огуречным рассолом. 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. Напряжение оказалось равным 0,8 В.

Теперь составим рейтинг овощей и фруктов:

Место	Фрукты и овощи	Напряжение (Вольт)
1	Яблоко	0,4
2	яблоко маринованное	1,4
3	лимон ( 1 шт)	0,8
4	Лимон ( 3шт)	1,4
5	лимон (7 шт)	5,98
6	Картофель	0,8
7	огуречный рассол	0,8
8	Огурец	0,8

Победителями стали лимон и картофель, каждый из которых может дать нам по 0,8 В.

Теперь  можно попробовать использовать полученное электричество. Взяли маленькую лампочку  на 4,8 В  из набора по подготовке к ОГЭ, 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 7 лимонов. Лампочка не загорелась, хотя напряжение при этом достигает 5,98 В.

В ходе выполнения опытов я заметил, что со временем  напряжение на всех «вкусных» батарейках уменьшается. Вытаскивая пластины из овощей и фруктов, я обратил внимание на то, что они сильно окислились. Это значит, что кислота вступала в реакцию с ними. За счет этой химической реакции и протекал очень слабый электрический ток.

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

Выводы

Проанализировав исследования, можно сделать выводы:

·        используя природный потенциал свежих фруктов и овощей, можно создать батарейку.

·        полученные источники тока можно использовать для приборов с низким потреблением энергии.

В ходе исследовательской работы я:

·              познакомился с устройством батарейки и принципом ее действия.

·              узнал, что батарейки надо правильно утилизировать.

·              изготовил овощные и фруктовые батарейки, проверил их действие.

Заключение

Работа, которой я занимался, показалась мне очень интересной. Я смог ответить на все интересовавшие меня вопросы. Проведенные эксперименты подтверждают гипотезу о возможности создания источников тока из фруктов и овощей. Такие батарейки могут использоваться для работы приборов с низким потреблением энергии.

Я научился определять напряжение  внутри «вкусной» батарейки и силу тока, создаваемую ею. Исследования показали, что лучшими источниками электрического тока являются лимон, картофель.

А еще я убедился в том, что физика - наука экспериментальная. Я учился делать наблюдения, выдвигать гипотезы, проводить эксперимент, делать выводы. Мне очень понравилось ставить эксперименты самому, оценивать получившийся результат. Я заметил, что не всегда эксперимент удается, хотя теоретически все должно было бы получиться. Например, мне не удалось зажечь лампочку в 3,5 В, поэтому буду пробовать еще, пока не добьюсь результата.

Порой и не представляешь, сколько интересного происходит вокруг тебя. Нужно только оглянуться, обратить внимание, а затем провести исследование и ответить на интересующие вопросы.

Список литературы

1.     https://ru.wikipedia.org/wiki/Типоразмеры_гальванических_элементов

2.     http://cgon.rospotrebnadzor.ru/content/62/1040/

3.     https://ru.wikipedia.org/wiki/Типоразмеры_гальванических_элементов

4.     http://cgon.rospotrebnadzor.ru/content/62/1040/

5.     Энергия «из ничего» // журнал «Юный эрудит №10, 2009 год»

6.     В.Н. Винер «Фруктовая батарейка» // журнал «Химия и Химики, №8, 2009 г

Приложение

   

Огуречный рассол

 

Маринованный огурец

Батарея из 3-х лимонов

 

Батарея из свежих яблок

Гальванический элемент из картофеля

Батарея из лимонов