Тема работы «Альтернативные источники электрической энергии или гальванический элемент своими руками»

Всероссийский конкурс исследовательских работ «Я – исследователь»

Тема работы

«Альтернативные источники электрической энергии

или гальванический элемент своими руками»

Выполнил:

,

Ученик 9-а класс МОУ АСОШ № 2

Г. Андреаполя Тверской области

Научный руководитель:

,

Учитель физики

Актуальность

В настоящее время в России наметилась тенденция роста цен на энергоносители, в том числе и на электроэнергию. Поэтому вопрос поиска дешёвых источников энергии имеет актуальное значение.

Перед человечеством стоит задача освоения экологически чистых, возобновляемых, нетрадиционных источников энергии.

В данной работе была осуществлена попытка создания альтернативных источников электрического тока категории «ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ».

Цель работы: найти наиболее экономный и экологически безопасный тип гальванического элемента.

План работы:

1) Изучить устройство гальванических элементов.

•  Выяснить от чего зависит ЭДС гальванического элемента.

•  Создать гальванические элементы с использованием различных электролитов.

•  Изучить факторы, повышающие ЭДС гальванического элемента.

2) Создать батарею гальванических элементов, способную питать маломощные потребители тока.

3) Исследовать возможность создания и использования био-батареек на основе овощей и фруктов.

4) Выводы

Введение.

Первым генератором ЭДС, открывшим возможность широкого изучения и практического использования электрического тока, является гальванический элемент, в котором энергия, выделяемая в цепи тока, получается за счёт энергии, освобождающейся при химических реакциях, сопровождающих работу элемента.

Такой химический генератор впервые построил итальянский физик Александро Вольта. Вольта установил, что разделение электрических зарядов (возникновение ЭДС) происходит при соприкосновении различных проводников, в результате чего на границе соприкосновения на одном из металлов скапливаются отрицательные заряды (избыток электронов), а на другом – положительные (недостаток электронов). Открытие Вольта эволюционировало за прошедшие столетия до неузнаваемости, но основные принципы остаются неизменными: разнородные электроды + агрессивная среда = ЭДС.

В современном мире человек стал бездумным потребителем электрической энергии и только аварийные отключения «света» временно рождают в наших умах мысль о необходимости иметь под рукой альтернативные источники электрической энергии.

И если создать генератор индукционного тока без специального оборудования не удастся, то получить вполне приличную батарейку с достаточно большим сроком службы можно бессчётными способами – от воды из-под крана до человеческого тела.

Какие электроды и электролиты наиболее рациональны? Какой площади и на каком расстоянии должны быть пластины? Какие электрические приборы можно запитать от самодельных батареек? На эти и многие другие вопросы я и отвечаю в своей работе.

Основная часть.

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле.

Под действием поля заряженные частицы, приходят в движение - возникает электрический ток.

Электрическое поле создаётся источником тока.

Что же такое Источник тока? - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую.

Механические - механическая энергия преобразуется в электрическую.

Тепловые - преобразуется внутренняя энергию.

Световые - энергию света.

Химические - в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

Первый источник тока был именно химическим - Луиджи Гальвани – прикасаясь разнородными металлами (например железным ключом и серебряной монеткой) к лягушачьей лапке заставил мышцы сокращаться, доказав возникновение электрического (как он говорил) – животного тока.

Среди его последователей оказался и Алессандро Вольта.

в 1800 году он опустил в банку с кислотой два электрода — цинковый и медный — и соединил их проволокой. После этого цинковый электрод начал растворяться, а на медном стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток.

Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для удобства учёный придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой.

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани.

В своей работе я конечно не отрезал ножки лягушкам, а воспользовался учением Луиджи Гальвани и Алекса́ндро Во́льта, но постарался всесторонне исследовать возможность создания гальванического элемента своими руками.

В первой серии опытов я использовал пары одинаковых электродов – 2 медных или 2 цинковых

1 эксперимент

Цель: Узнать, можно ли получить гальванический элемент из однородных пластин

Оборудование: электролитическая ванночка 2 медных и 2 цинковых электрода, мультиме́тр, настроенный на измерение постоянного напряжения до 20В.

1 электрод	2 электрод	электролит	площадь электродов	расстояние между электродами	мультиме́тр (В)
Cu	Cu	дистиллированная вода	9	2 мм	0
Zn	Zn	раствор соли NaCl в дистиллированной воде	9	2 мм	0

Мультиме́тр показывает отсутствие тока

Первичный вывод: однородные электроды в дистиллированной воде и в растворе соли NaCl не являются гальваническим элементом.

Вывод №1: для создания гальванического элемента однородные электроды не подходят.

2 эксперимент

Цель: Узнать, какой электролит из наиболее доступных в быту является наиболее продуктивным для создания медно - цинкового гальванического элемента.

Оборудование: электролитическая ванночка 2 разнородных электродов, мультиме́тр, настроенный на измерение постоянного напряжения до 20В.

1 электрод	2 электрод	электролит	площадь электродов	расстояние между электродами	мультиме́тр (В)
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	2 мм	0,92
Cu	Zn	раствор соды Na₂СО₃	9	2 мм	0,91
Cu	Zn	раствор уксусной кислоты CH₃COOH в дистиллированной воде	9	2 мм	0,89
Cu	Zn	раствор медного купороса в дистиллированной воде	9	2 мм	0,86

Меняем электролиты от раствора соли, соды, уксусной кислоты до медного купороса, оставляя все прочие условия опыта неизменными. Мультиме́тр показывает ЭДС в пределах 0,89 В.

Вывод №2: разнородные электроды с раствором соли, соды, уксусной кислоты, медного купороса в дистиллированной воде в качестве электролита являются гальваническими элементами со средним ЭДС 0,89 В. Наиболее продуктивным является электролит на основе соли.

3 эксперимент

Цель: Узнать, как зависит ЭДС гальванического элемента от расстояния между электродами.

Оборудование: электролитическая ванночка 2 разноимённых электродов, линейка, мультиме́тр, настроенный на измерение постоянного напряжения до 20В.

1 электрод	2 электрод	электролит	площадь электродов	концентрация раствора	расстояние между электродами	мультиме́тр (В)
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	10%	2 мм	0,92
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	10%	4 мм	0,87
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	10%	8 мм	0,82
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	10%	16 мм	0,76
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	10%	32 мм	0,64
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	10%	64 мм	0,56

Меняем расстояние между пластинами, оставляя все прочие условия опыта неизменными. Мультиме́тр показывает изменение ЭДС.

Вывод №3: ЭДС гальванического элемента уменьшается с увеличением расстояния между электродами.

4 эксперимент

Цель: Узнать, как зависит ЭДС гальванического элемента от площади пластин.

Оборудование: электролитическая ванночка 2 разноимённых электродов, мультиме́тр, настроенный на измерение постоянного напряжения до 2В.

1 электрод	2 электрод	электролит	площадь электродов	концентрация раствора	расстояние между электродами	мультиме́тр (В)
Cu	Zn	раствор соли NaCl	1	10%	2 мм	0,06
Cu	Zn	раствор соли NaCl	2	10%	2 мм	0,14
Cu	Zn	раствор соли NaCl	4	10%	2 мм	0,35
Cu	Zn	раствор соли NaCl	6	10%	2 мм	0,58
Cu	Zn	раствор соли NaCl	8	10%	2 мм	0,86
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	10%	2 мм	0,92

Меняем площадь пластин погружённых в электролит, оставляя все прочие условия опыта неизменными. Мультиме́тр показывает изменение ЭДС.

Вывод №4: ЭДС гальванического элемента увеличивается с увеличением площади пластин погружённых в электролит.

5 эксперимент

Цель: Узнать, как зависит ЭДС гальванического элемента от концентрации раствора электролита.

Оборудование: электролитическая ванночка 2 разноимённых электродов, мультиме́тр, настроенный на измерение постоянного напряжения до 20В.

1 электрод	2 электрод	электролит	площадь электродов	концентрация раствора	расстояние между электродами	мультиме́тр (В)
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	1%	2 мм	0,09
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	2%	2 мм	0,17
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	3%	2 мм	0,29
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	4%	2 мм	0,35
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	5%	2 мм	0,4
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	6%	2 мм	0,45
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	7%	2 мм	0,57
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	8%	2 мм	0,66
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	9%	2 мм	0,78
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	10%	2 мм	0,92

Меняем концентрацию соли в электролите, оставляя все прочие условия опыта неизменными. Мультиме́тр показывает изменение ЭДС.

Вывод №5: ЭДС гальванического элемента увеличивается с увеличением концентрации электролита.

6 эксперимент

Цель: Узнать, как зависит ЭДС батареи гальванических элементов от количества медно-цинковых пар.

Оборудование: электролитическая ванночка несколько пар разнородных электродов, мультиме́тр, настроенный на измерение постоянного напряжения до 2В.

1 электрод	2 электрод	электролит	площадь электродов	Количество пар электродов	расстояние между электродами	мультиме́тр (В)
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	1	2 мм	0,92
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	2	2 мм	1,77
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	4	2 мм	3,56
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	6	2 мм	5,36
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	8	2 мм	7,13
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	10	2 мм	8,06
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	12	2 мм	10,09
Cu	Zn	раствор соли NaCl	9	14	2 мм	12,46

Меняем количество гальванических элементов, оставляя все прочие условия опыта неизменными. Мультиме́тр показывает изменение ЭДС.

На основе результатов, внесённых в таблицу построен график зависимости ЭДС гальванического элемента от концентрации соли в электролите.

Вывод №6: ЭДС гальванического элемента прямо пропорционально количеству гальванических элементов.

Неспроста Александро Вольта создал свой Вольтов столб высотою в полметра развивающий напряжение, чувствительное для человека в виде большого количества гальванических пар малых размеров. Такой способ является наиболее обоснованным и в моих опытах. Нецелесообразно увеличивать площадь пластин и доводить концентрацию электролита до предела, значительно проще и рациональнее использовать батарею из несколько гальванических элементов.

7 эксперимент

Цель: Узнать, можно ли, используя батареи гальванических элементов запитать маломощные потребители тока.

Оборудование: электролитическая ванночка несколько пар разнородных электродов, мультиме́тр, настроенный на измерение постоянного напряжения до 20В, светодиод, электронные часы, планшет.

Меняем количество гальванических элементов, оставляя все прочие условия опыта неизменными. Мультиме́тр показывает изменение ЭДС. Подбираем необходимую ЭДС для работы светодиода, электронных часов, включения индикатора зарядки планшета, лампы накаливания.

потредитель	светодиод	электронные часы	индикатор зарядки планшета
ЭДС	о т 2,2В	от 3В	от 12В

Вывод №7: батарея из нескольких гальванических элементов может использоваться в качестве источника электрической энергии для светодиодов, электронных часов и прочих маломощных потребителей. Не смотря на то, что индикатор зарядки планшета включился при 12 В батарее гальванических элементов реального изменения уровня зарядки планшета не зафиксировано.

8 эксперимент

Цель: Узнать, можно ли создать гальванический элемент, используя овощи и фрукты в качестве электролитов.

Оборудование: картофель, яблоко, мандарин, лимон, апельсин, несколько пар разнородных электродов, мультиме́тр, настроенный на измерение постоянного напряжения до 20В.

1 электрод	2 электрод	электролит	площадь электродов	расстояние между электродами	мультиме́тр (В)
Cu	Zn	картофель	9	2 мм	1,4
Cu	Zn	яблоко	9	2 мм	1,02
Cu	Zn	мандарин	9	2 мм	0,82
Cu	Zn	лимон	9	2 мм	1,1
Cu	Zn	апельсин	9	2 мм	1,06

Вывод №8: Овощи и фрукты являются прекрасными электролитами для гальванических элементов. Фруктово-овощные батарейки могут быть использовании для питания маломощных потребителей тока.

9 эксперимент

Цель: Узнать, можно ли создать гальванический элемент, используя другие электролиты.

Оборудование: вода из различных источников, несколько пар разнородных электродов, мультиме́тр, настроенный на измерение постоянного напряжения до 20В.

1 электрод	2 электрод	электролит	площадь электродов	расстояние между электродами	мультиме́тр (В)
Cu	Zn	вода из водопровода	9	2 мм	0,61
Cu	Zn	вода из р. Западная Двина	9	2 мм	0,63
Cu	Zn	вода из колодца ул Промысловая, д. 24	9	2 мм	0,62
Cu	Zn	вода из родника ул. Советская	9	2 мм	0,64
Cu	Zn	вода из лужи	9	2 мм	0,65
Cu	Zn	вода из снега	9	2 мм	0,60
Cu	Zn	минеральная вода «Эдельвейс»	9	2 мм	0,61
Cu	Zn	Андреапольская минеральная вода	9	2 мм	0,62

Вывод №9: Вода из разных источников может быть использована в качестве электролита.

10 эксперимент

Цель: Узнать, можно ли создать гальванический элемент, используя тело человека в качестве электролитов.

Берёте 4 детей и 4 пары электродов, соединяете в цепь и… Светодиод светится! Рекомендую реки смочить водой – это улучшает контакт с пластинами.

1 электрод	2 электрод	электролит	площадь электродов	количество пар гальванических элементов	мультиме́тр (В)
Cu	Zn	человеческое тело	8	1	0,7
Cu	Zn	человеческое тело	8	2	1,4
Cu	Zn	человеческое тело	8	3	2,1
Cu	Zn	человеческое тело	8	4	2,8

Вывод №10: Человеческое тела является прекрасным электролитом для гальванических элементов. Человеко-батарейки могут быть использовании для питания маломощных потребителей тока.

Выводы

1.  для создания гальванического элемента необходимы разнородные электроды и электролит из различных растворов.

2.  Наиболее продуктивным в домашних условиях является электролит на основе уксусной кислоты.

3.  ЭДС гальванического элемента уменьшается с увеличением расстояния между электродами, увеличивается с увеличением площади пластин и концентрации раствора.

4.  Нецелесообразно увеличивать площадь пластин и доводить концентрацию электролита до предела, значительно проще и рациональнее использовать батарею из несколько гальванических элементов.

5.  Овощи и фрукты и человеческое тело являются прекрасными электролитами для гальванических элементов.

6.  Гальванические элементы на основе различных растворов, а так же фруктово-овощные и человеко-батарейки могут быть использовании для питания маломощных потребителей тока.

Мои рекомендации

•  При производстве источников питания для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии, можно использовать батаи, наполненные пастой из переработанных овощей и фруктов и электроды из цинка и меди.

•  Такие батареи могут использовать жители сельских районов страны, которые могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для биобатареек.

•  Человеко-батарейки менее удобны в эксплуатации, но могут применяться при необходимости.

Владельцам картофельных плантаций подойдёт вот такой светильник.

В момент отключения электричества можно использовать светильник из апельсина и прочих съедобных компонентов:

Список источников

·  : «Современные химические источники тока

·  Пётр Семилетов: «Гальванический элемент»

·  : «Химические источники тока»

·  : «Стационарные аккуиуляторы»