Направление: Физика. Тема: «Сравнение эффективности работы источников тока»

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Многопрофильный лицей №1»

Направление: Физика

Тема: «СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА»

Учреждение:	МАОУ «Многопрофильный лицей №1» г. Магнитогорска
Автор работы:	, 7 класс
Научный руководитель:	, учитель физики МАОУ «Многопрофильный лицей №1» г. Магнитогорска

Магнитогорск, 2015

Оглавление

Цель работы: исследовать эффективность работы гальванических элементов. 3

Задачи: 3

Объект исследования: источники тока. 3

Предмет исследования: гальванические элементы. 3

ВВЕДЕНИЕ.. 3

ГЛАВА 1. БИБЛИОГРАФИЧЕСКАЯ СПРАВКА.. 3

1.1 Луиджи Гальвани. 3

1.2 Алессандро Вольта. 3

1.3 Устройство и принцип действия гальванических элементов. 3

1.4 Виды гальванических элементов. 3

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. 3

2.1 Изучение технических характеристик гальванических элементов разных фирм производителей 3

2.2 Сравнение работы и мощности гальванических элементов разных фирм производителей (за время 3 600 секунд) 3

2.3 Изготовление гальванического элемента. Опыт 1. 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 3

РЕКОМЕНДАЦИИ.. 3

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 3

Цель работы: исследовать эффективность работы гальванических элементов.

Задачи:

1. Изучить состояние проблемы в научно-популярной литературе, в законодательных актах;

2. Познакомиться с паспортными данными гальванических элементов разных фирм - производителей.

3. Сравнить работу и мощность гальванических элементов разных фирм производителей.

4. Создать нестандартные источники тока и показать их действие.

Объект исследования: источники тока.

Предмет исследования: гальванические элементы.

Гипотеза: эффективность работы гальванических элементов зависит от физических параметров (силы тока и напряжения). Применение гальванических элементов отрицательно сказывается на окружающей среде.

ВВЕДЕНИЕ

Когда говорят об использовании электрической энергии в быту, на производстве или транспорте, то имеют в виду работу электрического тока. Электрический ток подводят к потребителю от электростанции по проводам. Поэтому, когда в домах неожиданно гаснут электрические лампы, или, прекращается движение электропоездов, троллейбусов – говорят, что в проводах исчез ток.

Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени? Мы знаем, что в телах имеются электроны, движением которых объясняются различные электрические явления. Электроны обладают отрицательным электрическим зарядом. Электрическими зарядами могут обладать и более крупные частицы вещества – ионы. Следовательно, в проводниках могут перемещаться различные заряженные частицы.

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием этого поля зараженные частицы, которые могут свободно перемещаться в этом проводнике, придут в движение в направлении действия на них электрических сил. Возникнет электрический ток. Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо всё это время поддерживать в нём электрическое поле. Для этого необходимы источники электрического тока. Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. По результатам анкетирования нами было установлено, что чаще всего используются батарейки типа AA GP «Super», «Duracell», «Energizer». На вопрос «Куда деваете отработанные батарейки?», мы получили ответ: «Выбрасываем». Поэтому целью является исследование эффективности работы гальванических элементов разных фирм производителей.

Актуальность темы: Повсеместное распространение портативной бытовой техники и переносных электронных приборов с каждым годом приобретает всё более массовый характер. Всевозможные электронные устройства требуют применения в их конструкции автономных источников питания. Данная работа позволяет ознакомиться с различными источниками тока, их применением в жизни человека, а также затрагивает одну из глобальных проблем человечества – сохранения окружающей среды;

Практическая значимость:

·  Отработана методика измерения силы электрического тока и напряжения;

·  Отработана методика расчета работы и мощности электрического тока;

·  Во время проведения эксперимента получены практические навыки по изготовлению самодельных источников тока.

ГЛАВА 1. БИБЛИОГРАФИЧЕСКАЯ СПРАВКА

1.1  Луиджи Гальвани

Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета Луиджи Гальвани (Рис. 1) в 1786 году. Гальвани описал сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закрепленных на медных крючках на железной решётке, окружавшей висячий садик дома Гальвани. Ясная погода, легкий ветерок колышет влажные лапки. Ни молний, ни заземления, а мышцы сокращались, когда касались свободным концом железной решётки. Гальвани понял: всё дело во влажной мышце и в металлах. Он продолжил исследования, перебрав множество металлов, и пришёл к выводу, что наиболее сильные сокращения мышц происходят при контакте мышцы с медью и серебром. Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества». После четырех лет всестороннего исследования, открытого им явления, Гальвани сообщил о своих наблюдениях в книге, которая называлась «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Появление этой книги вызвало огромный интерес в среде ученых. Опыты с лягушачьей лапкой стали повторять и физики, и химики, и философы, и врачи. Но лишь одному из них – итальянскому ученому Алессандро Вольта удалось понять истинную причину наблюдаемого эффекта.

1.2  Алессандро Вольта

Итальянский физик и химик Алессандро Вольта (Рис. 2) заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел совершенно новое явление – создание потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, А. Вольта проделал серию опытов и пришел к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников в жидкости. В подтверждение А. Вольта заменил лапку лягушки электрометром и повторил все действия. В 1800 году А. Вольта впервые публично заявляет о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества, что проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов. Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления. Вольта продолжает опыты. Он берет две монеты из разного вещества и одну из них кладет себе на язык, а другую – под него. Соединив монеты проволочкой, он снова ощущает специфический вкус.

Наконец, в 1800 году Вольта берет несколько десятков пар круглых пластин (из цинка и серебра) и, проложив между ними кружочки картона, смоченные соленой водой, располагает их в виде столба. Подсоединив к верхней и нижней пластинам столба провода, Вольта получает первый источник постоянного тока (вольтов столб).

На демонстрации вольтова столба перед французскими учеными присутствовал Наполеон Бонапарт. Опыты Вольта произвели на присутствующих очень сильное впечатление. Поэтому неудивительно, что за свои исследования Вольта получил титул графа и стал рыцарем Почетного легиона.

Русский ученый Петров в 1802 году использовал гальванический элемент для построения электрической дуги

1.3  Устройство и принцип действия гальванических элементов

Гальваниический элемент – химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани.

Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделённые частицы накапливаются на полюсах источника тока. Так называют места, к которым с помощью клеммы подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой – отрицательно. Если полюсы источника соединить проводником, то под действием электрического поля свободные, заряженные частицы в проводнике начнут двигаться в определённом направлении, возникнет электрический ток.

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней или какой-нибудь другой энергии в электрическую

В гальваническом элементе (Рис. 3) происходят химические реакции, и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую. Гальванический элемент состоит из цинкового сосуда (корпуса Ц). В корпус вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещен в смесь оксида марганца (|V) MnO2 и размельченного углерода С. Пространство между цинковым корпусом и смесью оксида марганца с углеродом заполнено желеобразным раствором соли (хлорида аммония NH4Cl) P.

В ходе химической реакции цинка Zn с хлоридом аммония NH4Cl цинковый сосуд становится заряженным.

Оксид марганца несет 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 по всей длине под действием электрического поля свободные электроны придут в упорядоченное движение. Возникает электрический ток.

1.4  Виды гальванических элементов

Гальванические элементы – самые распространенные в мире источники постоянного тока. Их достоинством является удобство и безопасность в использовании. Батарейки используются в системе сигнализации, фонарях, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, автооборудовании, пультах дистанционного управления.

Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целым рядом преимуществ, в частности существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки.

Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.

Вторичные источники тока (аккумуляторы) – это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая – снова превращается в электрическую (Рис. 4). Одним из наиболее распространенных аккумуляторов является свинцовый (или кислотный). Электролитом является 25-30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решетки, заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в PbSO4.

Также существуют щелочные аккумуляторы. Наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит KOH. Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Для зарядки через аккумулятор пропускают постоянный ток от какого-нибудь источника. В процессе зарядки в результате химических реакций один электрод становится положительно заряженным, а другой – отрицательно. Когда аккумулятор зарядится, его можно использовать как самостоятельный источник тока. Полюсы аккумуляторов обозначены знаками «+» и «-». При зарядке положительный полюс аккумулятора соединяют с положительным полюсом источника тока, отрицательный – с отрицательным полюсом.

Кроме свинцовых, или кислотных, аккумуляторов широко применяют железноникелевые, или щелочные, аккумуляторы. В них используется раствор щелочи и пластины – одна из спрессованного железного порошка, вторая – из пероксида никеля.

В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные (Рис. 5) и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти. Аккумуляторы используются для запуска двигателей машин, возможно так же и применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удаленных от населенных пунктов.

Электрохимические генераторы (топливные элементы) – это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В процессе работы топливного элемента электроды не расходуются. Восстановителем является водород (H2), метанол (CH3OH), метан (CH4) в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород воздуха или чистый. В кислородно-водородном топливном элементе со щелочным электролитом происходит превращение химической энергии в электрическую. Топливные элементы применяются в производстве электрической энергии (на электрических станциях), аварийных источниках энергии, автономном электроснабжении, транспорте, бортовом питании, мобильных устройствах. Энергоустановки применяются на космических кораблях, они обеспечивают энергией космический корабль и космонавтов.

На электростанциях электрический ток получают с помощью генераторов (от лат. слова генератор – создатель, производитель). Этот электрический ток используется в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве. Конструкции современных источников разнообразны. Те из них, которые работают за счет химических реакций, называют химическими источниками тока. К ним относятся гальванические элементы (или просто элементы) и аккумуляторы.

Гальванические элементы (названные так в честь Л. Гальвани) являются источниками тока, как правило, разового пользования. Аккумуляторы же можно использовать многократно, периодически заряжая их.

Если с помощью проводов к источнику тока подключить какие-либо устройства, потребляющие электроэнергию, то под действием электрического поля, создаваемого источником, через них пойдет ток.

Соединенные друг с другом источник тока, провода и потребители электроэнергии (лампы, электроплитки, электро - и радиоаппаратура) образуют электрическую цепь.

За направление тока в цепи принимают то направление, в котором должны были бы двигаться по цепи положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. Такое соглашение было принято в первой половине XIX в. и с тех пор учитывается во всех правилах и законах теории электрического тока.

В металлических проводниках ток создается отрицательно заряженными частицами (электронами), которые движутся по цепи от отрицательного полюса источника к положительному. Направление тока и направление движения носителей тока в этом случае противоположны.

В растворах кислот, солей и щелочей (электролитах) носителями тока являются положительные и отрицательные ионы. Первые из них движутся в направлении от «+» источника к его «-», вторые - от «-» к «+».

Таблица 1 Общепринятые условные обозначения элементов электрической цепи

Элемент жлектрической цепи	Условное обозначение
Гальванически элемент или аккумулятор
Батарея элементов или аккумуляторов
Соединение проводов
Пересечение проводов
Зажими для подключения прибора
Ключ
Лампа накаливания
Электрический звонок
Резистор
Нагревательный элемент
Плавкий предохранитель
Реостат
Штепсельное соединения
Кнопка

Примеры электрических схем представлены на Рисунке 6. На каждой из этих схем две лампы. Однако способ их включения различен. Соединение ламп, изображенное на рисунке 6.а называют последовательным, а соединение ламп, изображенное на рисунке 6.б – параллельным.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1  Изучение технических характеристик гальванических элементов разных фирм производителей

Рисунок 7 Измерение напряжения школьным вольтметром

Рисунок 8 Измерение силы тока школьным амперметром

Таблица 2 Сравнительные характеристики различных гальванических элементов

№	Название источника тока	Сила тока (I) в А-амперах	Напряжение (U) в В-вольтах	Срок годности в годах	Стоимость в рублях за 2 шт.
1	GR”Super”	0,5	1,2	5	129
2	Durasell	0,4	1,3	5	125
3	Energizer	2,5	1,4	5-8	99

2.2  Сравнение работы и мощности гальванических элементов разных фирм производителей (за время 3 600 секунд)

Используя формулы работы (2.1) и мощности (2.2) электрического тока получены расчетные данные:

(2.1)

(2.1)

Таблица 3 Сравнение мощности и работы гальванических элементов в зависимости от бренда

№	Название источника тока	Мощность (P) в Вт-ваттах	Работа (A) в Дж-джоулях
1	GR «Super»	0,6	2 160
2	«Durasell»	0,52	1 872
3	«Energizer»	3,5	12 600

Вывод: расчёты показали, что наибольшая эффективность работы соответствует батарейке фирмы «Energizer» модели «Maximum».

2.3  Изготовление гальванического элемента. Опыт 1.

Оборудование: фольга, медная проволочка, 3 таблетки активированного угля, раствор сильно солёной воды, пипетка, 2 проводника, миллиамперметр и вольтметр.

Описание эксперимента: на фольгу положить медную проволочку, капнуть на оголённую часть проволоки раствор солёной воды и присыпать угольным порошком, который предварительно получили из таблеток активированного угля. Рядом положить другую проволочку и закрепить её скотчем к фольге.

Рисунок 9 Изготовление гальванического элемента

Рисунок 10 Измерение силы тока полученного гальванического элемента миллиамперметром

Изготовление гальванического элемента. Опыт 2.

Оборудование: уксусная кислота, саморезы, медная проволочка, стеклянный стакан, пластиковая крышка, 2 проводника, миллиамперметр и вольтметр.

Описание эксперимента: в стакан налить раствор уксусной кислоты, в крышке сделать два отверстия и вставит саморез и медную проволочку. Опустить эти электроды в стакан с уксусной кислотой. Присоединить к электродам 2 проводника и подключить их к миллиамперметру и вольтметру, измерить силу тока и напряжение, вычислить мощность полученной батарейки.

Рисунок 11 Измерение напряжения полученного гальванического элемента

Таблица 4 Сравнение характеристик полученных гальванических элементов

№ п/п	Название элемента	Сила тока (I) в А-амперах	Напряжение (U) в В-вольтах	Мощность (P) в Вт-ваттах	Работа (A) в Дж-джоулях
1	Самодельная батарейка №1	0,0012	0,01	0,000012	0,0432
2	Самодельная батарейка №2	0,0015	0,05	0,000075	0,27

Вывод: расчёты показали, что наибольшая эффективность работы соответствует батарейке №2, где электролитом была уксусная кислота.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы живём в мире новых технологий. Практически все бытовые электрические устройства имеют в своей схеме источник тока – батарейку (гальванический элемент). По результатам анкетирования нами было установлено, что чаще всего используются батарейки типа AA GP «Super», «Duracell», «Energizer». Поэтому целью является исследование эффективности работы гальванических элементов разных фирм производителей.

На вопрос «Куда деваете отработанные батарейки?», мы получили ответ: «Выбрасываем»

Для исследования мы закупили в киоске батарейки типа AA GP «Super», «Duracell», «Energizer» и измерили силу тока и напряжение на них.

Как и следовало ожидать, люди утилизируют этот мусор неправильно и о его вреде для окружающей среды не догадываются. А между тем, в производстве батареек используется ряд опасных элементов. Так, одна севшая пальчиковая батарейка способна отравить почти 400 литров воды и 20 квадратных метров почвы. В Магнитогорске есть два пункта сбора отработавших батареек. Их адреса: проспект Ленина, 63-кофейня «Кофемолка», улица Труда, 55/1, первый подъезд. (об этих адресах однажды было сообщение в местной газете «НЕ выбрасывайте батарейки» в рубрике «Вторсырьё») Мы считаем, что необходимо вести разъяснительную работу не только в средствах массовой информации, но и в школах, и в высших учебных заведениях.

Вывод: расчёты показали, что наибольшая эффективность работы соответствует батарейке фирмы «Energizer» модели «Maximum». У этого гальванического элемента при измерении была самая большая сила тока и напряжение. Гальванические элементы фирмы «Energizer» модели «Maximum». дольше служат и меньше стоят.

Наша гипотеза: эффективность работы гальванических элементов зависит от физических параметров (силы тока и напряжения) подтвердилась. Применение гальванических элементов отрицательно сказывается на окружающей среде.

РЕКОМЕНДАЦИИ

1.  Испытывать годность элементов или батарей «на искру» контрпродуктивно. Такие «испытания» даже при кратковременном замыкании источников тока резко снижают их запас энергии!

2.  Часто в сухом элементе высыхает электролит, и он перестает давать ток. Такой элемент можно «оживить». Для этого в его верхней смоляной заливке нужно просверлить два отверстия и через одно из них налить в элемент дистиллированной или дождевой воды. Если стакан цинкового электрода не разъеден и не пропускает воду – в элементе образуется электролит и он снова будет давать ток. Доливать воду можно несколько раз, пока не разрушится цинковый стакан.

3.  Качество батареек – залог долговечности их работы, поэтому приобретать их следует в крупных сетевых магазинах, которые напрямую сотрудничают с производителями.

4.  Выбрасывать батарейки в мусорные контейнеры нельзя. По истечении срока годности их нужно сдавать в специальные пункты приема. В дальнейшем они утилизируются, не нанося вреда окружающей среде.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани: Неоконченный спор, доктор физико-математических наук В. Ольшанский. Наука и жизнь № 12, 2004 год

2.  М. Ди Специо. Занимательные опыты. Электричество и магнетизм М.: АСТ,2008 160 с.

3.  «Занимательная физика» М.: Наука 1982 165с

4.  Перышкин 8кл. учебник, М.: Дрофа, 2012, 191с.

5.  Храмов Алессандро // Физики: Биографический справочник / Под ред. . – Изд. 2-е, испр. и дополн. – М.: Наука, 1983. – С. 67. – 400 с. – 200 000 экз. (в пер.).