Исследовательская работа' Нетрадиционные источники питания'

Республиканская научно-практическая конференция школьников

«Первые шаги в науку»

Направление: Физика.

Название работы: «Нетрадиционные источники питания»

Авторы работы: ученики 9 класса

Гораш Владислав Игоревич ,

Оленцов Дмитрий Викторович .

Место выполнения работы: п. Октябрьский, Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Октябрьская средняя общеобразовательная школа имени А. Дурнева»

Руководитель: учитель физики Сангаджиев Виктор Николаевич.

2014 г.

Оглавление.

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

2. Основная часть……………………………………………………….……4

Источник питания ………………………………………………………6

Источник питания из других фруктов и овощей …………………….8

3. Заключение……………………………………………………..…………..8

4. Список литературы…………………………………………………..…….9

5. Приложения………………………………………………………………..10

1. Введение.

Человечество потребляет огромное количество энергии. За год мы сжи­гаем от 9 до 20 млрд. тонн топлива. 75 % всей потребляемой энергии состав­ляют полезные ископаемые (34 % - нефть, 25 % - уголь, 19 % - природ­ный газ); 5% остальной потребляемой энергии - атомные ЭС; 6% - ГЭС 11 % - от других источников энергии: геотермальные электростанции, солнечные, ветроэнергетические.

Энергетика служит основой любых процессов во всех отраслях народ­ного хозяйства, главным условием создания материальных благ, повышения уровня жизни людей. К традиционным источникам энергии относятся ТЭС, АЭС, ГЭС.

Если рассматривать перспективы традиционной энергетики, то угля хва­тит на 600 лет, нефти на 90 лет, по разным прогнозам газа на 50-70 лет, ура­на на 27-80 лет. Поэтому мы обратились к теме нетрадиционных источников энергии, к которым относятся ветроэнергетика, гидроэнергетика, приливно-­отливная энергетика, геотермальная энергетика, также ряд экзотически источников.

Сейчас в РФ за счет нетрадиционных источников получают 1 % энер­гии, что, конечно, очень мало. Мы своей работой хотим обратить внимание на эту проблему.

В качестве топлива, например, в Бразилии, используют этиловый спирт сингапурские ученые открыли способ получения электроэнергии из пищевых отходов; Gills Оniоns крупнейший производитель свежего лука в США, про­изводит электричество и тепло из луковых отходов и сока; группа компью­терных энтузиастов из Великобритании построила web-сервер, источника питания для которого является картошка; ученые университета в индийском городе Тирупати решили использовать фрукты, овощи и отходы от них для производства альтернативных источников питания для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии: батарейки содержат внутри пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей и фруктов. В которую внедрены электроды из цинка и меди; французские ученые из City Есо Lab создали батарейку для часов"Сitгus" из лимона.

Нас заинтересовал источник питания, и мы решили поэкспериментировать.

2. Основная часть.

Цель нашей работы:

1. изучить литературу по теме теоретические принципы работы источника тока, ознакомится и соблюдать технику безопасности.

2. провести эксперимент по исследованию источников питания;

3. сфотографировать ход эксперимента;

4. проанализировать и систематизировать полученные данные;

1. Используя интернет и необходимую литературу, мы уяснили принцип, заложенный в работе источника питания.

Созданию постоянных источников тока содействовало открытие, сделанное в конце ХVII в. итальянским профессором анатомии Луиджи Гальвани. Гальвани препарировал лягушку, а неподалеку стояла электростатическая машина. Когда острие скальпеля коснулось бедренных нервов, то, как писал Гальвани, «немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги». Помощник Гальвани заметил, что в этот самый момент между полюсами машины проскочила искра.

Такие же результаты были впоследствии получены и на других животных и не только холоднокровных. Электрическую машину в опыте с лягушкой вполне мог заменить разряд в лейденской банке и, как впоследствии выяснилось, атмосферный разряд - молния. Гальвани объяснил это необычное явление существованием некоего «животного электричества». По его мнению, мышцы и нервы образуют как бы две обкладки лейденской банки и могут накапливать электричество. Действительно, так и происходит у электрических рыб и скатов: у них имеются довольно емкие природные конденсаторы. Но это стало известно намного позже. Гальвани же, сам того не подозревая, предвосхитил опыты немецкого физика Генриха Рудольфа Герца, который с помощью искры получил радиоволны, а затем смог их принять на отдалении нескольких метров. Только у Герца приемником служил проволочный прямоугольник - антенна с искровым промежутком (очень слабые искорки в приемнике он наблюдал в темноте или с помощью лупы), тогда как у Гальвани роль антенны выполнял скальпель, а детектором был нерв лягушки.

Однако в некоторых опытах лягушачьи мышцы сокращались без всяких видимых причин: ни грозы, ни электрической машины поблизости не было. Оказалось, что это происходит в тех случаях, когда мышца и нерв соединены металлической проволокой, и особенно сильно - если эта проволока составлена из двух разных металлов; сильнее других действовала пара железо-серебро.

Раскрыть природу открытого Гальвани явления удалось итальянскому физику Алессандро Вольта. Вначале он вообще не поверил Гальвани, но, повторив его опыты, убедился в том, что явление действительно существует. Однако опыты с проволокой он объяснил совершенно иначе: электричество возникает при контакте разных металлов, а лягушка­ это просто очень чувствительный прибор для измерения и к образованию электричества как такового отношения не имеет. Опытным путем Вольта расположил металлы в ряд таким образом, что чем дальше друг от друга отстоят они в этом ряду, тем более сильный эффект производят. Химики с удивлением обнаружили, что в таком же порядке изменяется и химическая активность металлов. В настоящее время этот ряд называется рядом напряжений или, точнее, рядом электродных потенциалов. В основных чертах он имеет вид Li ... Мg ... Zп ... Fе ... Sп .. .н ... Сu ... Аg ... Аu

Вольта, помимо лягушки, использовал и другие способы измерения, например, собственный язык: он клал на него золотую или серебряную монету, а под язык - медную. Как только две монеты соединяли кусочком проволоки, сразу же во рту ощущался кислый вкус, знакомый каждому, кто пробовал «на язык» контакты батарейки для карманного фонаря. Чтобы усилить эффект, Вольта соединял пары металлов последовательно, так что получилась цепочка, названная по имени изобретателя «вольтовым столбом». Сначала это были чашечки с раствором кислоты, в которую были опущены металлические полоски, затем - кружочки из цинка и меди (или серебра), разделенные прокладками из бумаги или ткани, которые были пропитаны раствором щелочи или просто рассолом.

Введение в электрическую цепь растворов (Вольта назвал их проводниками второго рода в отличие от металлов - проводников первого рода) оказалось решающим в изобретении Вольта. В память о Гальвани, умершем в 1798, Вольта назвал свои элементы гальваническими. Вскоре английский хирург и химик Энтони Карлейль изготовил вольтов столб из 36 последовательно соединенных цинковых кружков и монет в полкроны (а Англии их чеканили тогда из серебра 925 пробы). В первых же опытах с батареей наблюдалось разложение воды с образованием газов.

В течение XIX в. трудами физиков и химиков была заложена теория работы гальванических элементов; основная заслуга в этом принадлежит немецкому физикохимику Вальтеру Нернсту. Конструкция элементов также была значительно усовершенствована. Главный итог работы теоретиков таков: в гальваническом элементе происходит прямое превращение химической энергии в электрическую. Для этого в элементе должна протекать окислительно-восстановительная реакция, например, растворение цинка в кислой среде: Zn + 2Н⁺ = Zn²⁺+ Н₂. Атомы цинка (восстановители) отдают электроны: Zn - 2е □ Zn2+, а ионы водорода (окислители) их принимают: 2Н⁺+ 2е □ Н₂. В гальваническом элементе процессы окисления и восстановления пространственно разделены: водород должен выделяться не на цинке, а на меди. Тогда электроны от цинка к меди будут переходить не непосредственно в растворе (в этом случае они теряются без пользы), а через внешнюю цепь, где могут совершать полезную работу. Именно так работает элемент Вольта.

Ток в элементе снимается с помощью двух электродов. В соответствии с принятой номенклатурой, на одном из них - аноде протекает процесс окисления, а на катоде идет восстановление. Поэтому цинковый электрод гальванического элемента - это анод, а медный - катод (при электролизе солей цинка он выделяется на катоде, так как при этом цинк не окисляется, а восстанавливается: Zn + 2е □ Zn; аналогично при электролизе с медным анодом медь окисляется: Си - 2е □Си²+, так что определение катода и анода остается в силе)

2. Эксперимент по исследованию источников питания.

Мы начали исследование с помощью гальванической ванны.

Ванна электролитическая предназначена для демонстрации устройства гальванического элемента, независимости ЭДС химических источников тока от размеров электродов, для введения понятия внутреннего сопротивления источника тока и для экспериментальной иллюстрации справедливости закона Ома для замкнутой цепи.

Основные части прибора и их назначение

Ванна представляет собой прямоугольный сосуд из оргстекла размером 240×25×100 мм (рис. 1). В ванну устанавливается цинковый и медный электроды и два щупа из медного провода в хлорвиниловой изоляции. Электроды и щупы закреплены в пластмассовых эластичных держателях с клеммами (рис. 2). Каждый держатель со своим электродом и клеммой можно перемещать вдоль ванны, обеспечивая необходимые расстояния. У нижних концов щупов, опускаемых в электролит, снята изоляция. К ванне прилагается пластмассовый лоток-подставка.

Положительный и отрицательный электроды конструктивно идентичны и представляют собой полиэтиленовый кронштейн, на котором клеммой с гайками закреплена пластина (медная - положительная или цинковая - отрицательная).

К клеммам электродов и щупов подсоединяются провода схемы проводимого опыта.

Правила пользования прибором.

При использовании данного прибора следует с внешней стороны ванны наклеить полоску из миллиметровой бумаги, чтобы измерять расстояния между электродами гальванического элемента.

В ванну заливают раствор с таким расчетом, чтобы уровень раствора достигал до нижнего конца верхней полихлорвиниловой трубки.

В ванны могут быть залиты растворы, не растворяющие материалы ванны и не вступающие с ними в химическую реакцию.

Допустимая температура раствора до +50°С.

Техника безопасности в работе с прибором

При проведении опытов необходимо соблюдать меры предосторожности, необходимые при работе с агрессивными растворами.

А) Зависимость от раствора.

В ванну наливаем по очереди воду, 30% раствор серной кислоты(электролит), раствор пищевой соды, раствор пищевой соли.(рис.3)

№

Наименование

Напряжение U, В

1

Вода(H₂O)

0.7

2

Электролит(H₂SO₄₎

0.94

3

Раствор пищевой соды(NaHCO₃₎

0,97

4

Раствор пищевой соль(NaCl)

0,96

Вывод: лучшим раствором по нашим данным является раствор пищевой соды (NaHCO₃₎.

Б) Зависимость напряжения от расстояния между электродами в электролите.(рис.4)

L,см

22

20

16

10

5

3

U,В

0.96

0.96

0.96

0.96

0.96

0.96

Вывод: Напряжение не зависит от расстояния между электродами и площади электродов.

В) Зависимость силы тока от расстояния между электродами и площади электродов.

L,см

22

20

16

10

5

3

I, А

0,15

0,18

0,21

0,23

0,27

0,30

Вывод: сила тока зависит от расстояния между электродами и площади электродов.

Г) Эксперимент: «Источник питания из одного фрукта или овоща»

В любой фрукт либо овощ воткнуть два электрода различных металлов (мы взяли цинковую и медную пластину), то за счет химических реакций происходящих между соком и металлами, на электродах появится разность потенциалов, т.е. напряжение. (рис.5)

№

Наименование

фрукта или овоща

Напряжение U, В

1

лимон

0.95

2

мандарин

0.88

3

свекла

0,74

4

картофель

0,87

5

лук

0,86

Вывод: Лучше всего для источника питания использовать лимон.

Г) Эксперимент: «Электрическая батарея»

Можно увеличить напряжение используя несколько овощей или фруктов.(рис.6)

№

наименование

Напряжение U,В

1

1 лимон

0.95

2

2 лимона

1,89

3

1 мандарин

0.88

4

2 мандарина

1.75

5

1 лук

0.86

6

2 лука

1.69

7

1 картошка

0.87

8

2 картошки

1,79

Вывод: Лучшая батарейка получилась из лимона

3.Заключение

Исследования показали, что можно создать источник питания из подручных материалов.

4.Литература

Алексеева М.Н. Физика - юным. - М.: Просвещение, 1980, с.174

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

Громов С.В., Родина Н.А. Физика-9. - М.: Просвещение, 2000, с.339

Н.В.Гулиа. Удивительная физика. - Москва: «ИздательствоНЦ ЭНАС» 2005

Журнал «Наука и жизнь», №10 2004г

Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1974, с.235

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

А. К. Кикоин, И.К. Кикоин. Электродинамика. - М.: Наука 1976.

Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике. 6-7 кл. - М.: Просвещение, 1978, с. 198

Полевой В.В. Физиология растений- М.: Высш. шк., 1989, с.150

Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. - М.: Просвещение, 1999, с.336

Энциклопедия «Что такое? Кто такой?» Т. 3. - М.: Педагогика, 1978, с.543

Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика: Под общ. ред. О.Г. Хинн. - М.: АСТ, 1996, с.613

Шолле В.Д.Энциклопедический словарь. Естествознание.-М: Большая Российская энциклопедия, 2003 - 543 с.

http://www.membrana.ru/particle/7453

Научно-популярное шоу «ГАЛИЛЕО» www.galileo-tv.ru

http://prointeresnoe.ru/frukty-rabotayut-batarejkoj-dlya-chasov.html

http://world.menu.ru/483-durian-frukt-s-adskim-zapaxom-i-bozhestvennym.html

http://"сдайбатарейку.рф".

4. Приложение

рис. 1

рис. 2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Рис.6