III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО: ПРИВЫЧНЫЕ И НЕОБЫЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.
Фролов В.В.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


ВВЕДЕНИЕ

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с таким понятием, как «электричество». Что же такое электричество, всегда ли люди знали о нём?

Без электричества представить нашу современную жизнь, практически, невозможно. Скажите, как можно обойтись без освещения и тепла, без электродвигателя и телефона, без компьютера и телевизора? Электричество настолько глубоко проникло в нашу жизнь, что мы порой и не задумываемся, что это за волшебник помогает нам в работе.

Цель моей исследовательской работы: изучить историю открытия электричества, особенности этого явления и его применение в повседневной жизни.

Задачи, которые необходимо решить, для достижения поставленной в работе цели:

  • изучить материалы об истории открытия электричества;

  • рассмотреть практическое применение данного явления в жизни человека;

  • изучить строение батарейки, аккумулятора и выяснить, какие существуют альтернативные источники электричества;

  • в домашних условиях попробовать собрать аналог первой в истории батарейки, а также фруктовую и овощную батарейки.

Методы исследования:

  1. подбор и анализ литературы по теме проекта;

  2. систематизация собранных материалов;

  3. опрос одноклассников;

  4. проведение опытов и анализ результатов.

Объектом исследования в моей работе выступает электричество.

Предмет исследования: применение привычных и альтернативных источников питания электроприборов малой мощности дома.

Гипотеза: я думаю, что можно зажечь светодиодную лампочку, обычную маленькую лампочку и подзарядить мобильный телефон без подключения к домашней розетке.

Глава I. Понятие электричество

  1.  
    1. История открытия электричества

Когда я стал выяснять, когда же люди узнали, что такое электричество, то установил, что явления, связанные с электричеством, были замечены еще в древнем Китае, Индии и древней Греции за несколько столетий до начала нашей эры. Около 600 года до н.э. древнегреческому философу Фалесу Милетскому было известно свойство янтаря, натертого о шерсть, притягивать легкие тела, например, пылинки. Древние греки даже научились использовать это явление – для удаления пыли с дорогих одежд. Ещё они заметили, что если сухие волосы расчесать янтарным гребнем, они встают, отталкиваясь друг от друга.

Кстати, янтарь древние греки называли словом «электрон». От него же пошло и слово «электричество». Но греки всего лишь наблюдали явления электричества, но не могли его объяснить.

Важным событием в истории изучения электричества, которое имеет значение для моей научной работы, стало обнаружение электричества при соприкосновении двух разных металлов с живым организмом. Это явление обнаружил в 1791 году итальянский врач Луиджи Гальвани. Когда он присоединил к лягушачьей лапке две полоски разных металлов, то обнаружил протекание тока между ними. Оно проявилось подергиванием лапки лягушки. Он назвал это явление «животным электричеством».

Этот опыт послужил основой для исследований другого итальянского ученого, Алессандро Вольта. Около 1800 г. он выявил, что причиной возникновения тока является реакция между двумя различными металлами в определенной среде. Вольта поместил в емкость с кислотой две пластинки: цинковую и медную. Это устройство и стало первой в мире батарейкой и получило название «Вольтов столб».

Я на практике попробую собрать такой столб и проверить, будет ли он давать электрический ток.

Современные батарейки мы называем гальваническими элементами – в честь первооткрывателя этого явления, а единица измерения электрического напряжения – Вольт – в честь Алессанро Вольта.

А в 1859 году французский ученый Гастон Плантэ создал элемент питания, в котором использовались свинцовые пластины, погруженные в слабый раствор кислоты. Эта батарея подвергалась заряду источником тока, а потом начинала сама вырабатывать электричество, выдавая почти всю потраченную на заряд электроэнергию. Причем это можно было проделывать много раз. Так появился первый аккумулятор.

Другие интересные факты из истории электричества представлены в Приложении 1.

  1.  
    1. Виды электричества

Как я говорил раньше в работе, люди уже в древности заметили явления, которые они не могли объяснить, а некоторые из них вообще их пугали, а сегодня мы знаем, что это проявления электричества. Электрические явления мы можем наблюдать повсюду. Есть электричество, которое существует вообще без участия человека – это явления электричества в живой и неживой природе.

Есть электричество, которое мы используем в домах – получаем его из электрической розетки. А есть электричество, которое мы носим с собой в кармане – это электричество от батарейки или аккумулятора.

Конечно, самый распространенный способ применения электроэнергии, о котором знаем даже мы, дети – это освещение. Потом – работа всех приборов в доме – это утюги, стиральные и посудомоечные машины, электроплиты, принтеры, сканеры, телевизоры и многое другое. Не смогут работать без электроэнергии и компьютеры и планшеты. Ведь приходя домой вечером, мы обязательно ставим свой телефон или планшет на зарядку, которая происходит от электрической розетки.

Все мы знаем виды транспорта, работающие на электроэнергии – это трамваи, троллейбусы, поезда, в том числе, и в метро. Люди стали больше заботиться об окружающей среде, поэтому распространение получает и частный электротранспорт – электромобили.

С помощью рисунка-схемы в Приложении 2 я изобразил все эти виды электричества.

Глава II. Электричество сегодня – батарейки, аккумуляторы

2.1. Источники электрической энергии

Очень важным вопросом сегодня является «добыча» электроэнергии и ее сохранение. Для этого создаются электростанции. Благодаря существованию линий электропередач (ЛЭП), электроэнергию возможно передавать на очень большие расстояния. Это позволяет доставить электричество даже в самые отдаленные уголки Земли.

Рис. 1 Альтернативные источники энергии в домах

Сегодня же часто можно услышать по телевизору или прочесть в журналах, в интернете про «альтернативные источники энергии». В домах такими источниками можно назвать любые природные явления, которые можно превратить в энергию: свет солнца, ветер, движение воды, тепло земли, деятельность живых микроорганизмов.

2.2. Устройство батарейки и аккумулятора

Всем маленьким устройствам, которые окружают нас в повседневной жизни, нужен элемент питания – батарейка. Интересно, как же она устроена и работает?

Первая батарейка – «вольтов столб». Вольта сконструировал столбик из пластинок двух металлов: цинка (серые) и меди (розовые), и войлока, смоченного раствором кислоты. Цинк, медь и войлок он накладывал друг на друга в таком порядке: внизу находилась медная пластинка, на ней войлок, затем цинк, опять медь, войлок, цинк, медь, войлок и т. д.

На нижнем кружочке меди будет плюс такой самодельной батарейки, а на верхнем цинковом – минус. Причем, чем больше пластинок, тем выше напряжение, а чем больше размер кружочков, тем больше выдаваемый ток, то есть мощность источника тока определяется его размерами.

Рис. 2 «Вольтов столб»

Если теперь соединить крайние цинковую и медную пластинки проводком, то по нему потечет ток – от отрицательно заряженной пластинки цинка к положительно заряженной пластинке меди.

Электрическая энергия в таком источнике тока не берется из пустоты: она появляется за счет реакции между металлами и кислотой. В конце концов, это устройство, как и любая батарейка, разряжается, так как расходуются безвозвратно элементы, из которых оно собрано.

Сейчас батарейкой или гальваническим элементом мы называем источник электричества, который основан на взаимодействии некоторых веществ между собой.

Когда я стал изучать, из чего состоят современные батарейки, то выяснил, что кроме формы и размера, они еще отличаются и по материалам, из которых они состоят.

Современные батарейки работают так же, как и «вольтов столб», но по их составу я бы их разделил на группы:

  1. Солевые батарейки, будь они в форме цилиндра, или квадрата, или плоские, – все работают одинаково: за цинковую пластинку выступает цинковый стакан, за медную пластинку – угольный стерженек и смесь графита с металлом, например, марганцем (который мы можем встретить дома в аптечке, его раствор в воде имеет розово-фиолетовый цвет), вместо ткани, смоченной кислотой, берут сухую смесь цинка и кислоты, которую называют электролит.

Рис. 3 Устройство солевой батарейки

Угольный стерженек (тот, что торчит из элемента) – это положительный полюс анод (+). На другой стороне – отрицательный полюс – катод (–).

  1. Алкалиновые (щелочные) батарейки – в качестве электролита у них щелочной элемент. Эти батарейки дольше хранятся и сохраняют постоянство напряжения до самого окончания срока службы.

  2. Литиевые батарейки – это самые современные батарейки, именно их используют в мобильных телефонах. У этих батареек в состав входит литий, который имеет наивысший отрицательный потенциал из металлов.

А чем же отличается аккумулятор от батареи? Ответ на этот вопрос простой – первый можно заряжать от розетки, в то время как вторая такой возможности не имеет. Как мы рассмотрели раньше, в батарейке проходит реакция между веществами, помещенными в электролит, при которой эти вещества расходуются безвозвратно. В аккумуляторе же наоборот. Когда аккумулятор разрядится, и его подсоединяют к устройству зарядки, ток в его пластинах течет не от минуса к плюсу, а в обратном направлении, а именно – от плюса к минусу. Реакция в электролите тоже начинает двигаться наоборот и происходит зарядка аккумулятора.

Глава III. Практические опыты

3.1. Опрос одноклассников

Теперь, когда я знаю некоторые интересные факты об электричестве и батарейках, я решил выяснить, что о нем знают мои одноклассники. Своим друзьям я задал такие вопросы, представленные на рисунке 4.

Результаты, которые я получил, приведены в Приложении 3.

После проведения опроса, я сделал для себя несколько выводов:

  • Половина моих одноклассников понимают, что такое электричество и знают, когда они им пользуются и предполагает, что существует много видов электричества.

  • Все могут привести пример пользования электричеством дома.

  • Следует рассказать моим одноклассникам больше о видах электричества и о том, откуда его можно получить.

Рис. 4 Форма опросного листа одноклассников

Я думаю, что мало кто знает, как устроена батарейка и что электричество можно получить не только из розетки, но и из овощей и фруктов.

После того, как я выяснил, как работала первая батарейка, как устроены современные батарейки и что существуют альтернативные источники энергии, я приступил к проведению своих опытов. Фотоотчет о проведенных опытах представлен в Приложении 4.

Опыт №1: Собрать «вольтов столб»

Цель опыта: убедиться, что такая батарейка дает электричество.

Для опыта понадобилось:

  1. медные пластинки;

  2. цинковые шайбы;

  3. кружочки из ткани, политые уксусом;

  4. удерживающее устройство;

  5. медный проводок и обычный провод;

  6. измерительный прибор – мультиметр.

Ход опыта. Сначала я при помощи папы собрал свой «вольтов столб». Я брал медную пластину, клал на нее ткань, сверху клал цинковую шайбу, потом опять ткань. И так до конца. Важно, чтобы столб начинался и заканчивался разными по виду металлами. Высота моего столба составила около 12 см.

Я поставил мой столб на блюдце и полил уксусом, потом подсоединил при помощи папы прибор. Напряжение, которое он показал, составило 1,89 Вольт. Это конечно мало, примерно такое напряжение дает обычная батарейка - 1,5 Вольта.

Вывод: целью этого опыта было убедиться, что «вольтов столб» действительно работает. Так что мое предположение подтвердилось.

Опыт №2: Собрать батарейки из лимонов,картофеля и соленых огурцов

Цель опыта: определить, можно ли зажечь диод, лампочку и зарядить телефон от таких батареек.

Для опыта понадобилось:

  1. медные провода;

  2. оцинкованные гвозди;

  3. картофель мытый, лимон, соленый огурец.

  4. измерительный прибор – мультиметр;

  5. светодиод и лампочка на 2,5 V.

Ход опыта. Первой я собирал батарейку из картофеля. Одна картофелина дает достаточное высокое напряжение в 0,96 Вольта. Это оказался лучший результат из всех. Лимон дал 0,94 Вольта, соленый огурец – 0,81 Вольта. Поэтому дальше я решил делать эксперимент с картофелем. К тому же – он стоит дешевле, чем лимоны.

Я собрал цепь из шести картофелин, замерил напряжение прибором. Получилось 5,37 (Пять целых, тридцать семь сотых) Вольта. Этого должно было быть достаточно, чтобы загорелась маленькая лампочка. Я присоединил лампочку вместо прибора. Но она не загорелась. Тогда я присоединил вместо нее диод, он загорелся.

Зажечь маленькую лампочку не удалось, даже от цепи, которую я собрал из 10 картофелин.

Результаты моего опыта я записал в таблице:

п/п

Овощи и фрукты

Количество в цепочке, шт.

Напряжение, Вольт

Горение светодиода

Горение лампочки

1.

Картофель

1

0,96 В

Нет

Нет

2.

Лимон

1

0,94 В

Нет

Нет

3.

Соленый огурец

1

0,81 В

Нет

Нет

4.

Картофель

6

5,37 В

Да

Нет

5.

Картофель

10

8,82 В

Да

Нет

Вывод 1: От цепи из шести картофелин загорается светодиод,

Вывод 2: Маленькая лампочка не загорается даже от 10 картофелин. В интернете я нашел, что это, скорее всего, из-за потери напряжения при подсоединении лампочки.

Вывод 3: Зарядить мобильный телефон от овощной или фруктовой батарейки не получится, потому что напряжение слишком маленькое, и оно может еще уменьшиться, когда подключаешь прибор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении могу сказать, что показали опыты. Моя гипотеза: «Можно зажечь светодиодную лампочку, обычную маленькую лампочку и подзарядить мобильный телефон без подключения к домашней розетке» верна только наполовину. Диод зажечь довольно просто, лампочку – сложнее, а подзарядить телефон – невозможно.

Также скажу, что сборка батарейки из картофеля, лимона или огурца заняла у меня, даже при помощи папы, довольно много времени. Так что, использовать овощи и фрукты, как источники электричества в домашних условиях совсем неудобно.

Список литературы

  1. Малов В. Куда идёт электричество? – М.: АСТ, 2016 г.

  2. Проневский А. Удивительные опыты с электричеством и магнитами. – М.: Эксмо, 2015 г.

  3. Большая книга научных опытов, игр и экспериментов с электричеством. Перевод с англ. В.Н. Булгакова. – М.: АСТ, 2009 г.

  4. Перельман Я.И. Занимательная физика. – М.: АСТ, 2014 г.

  5. Германович В., Турилин А. Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, земли, воды, биомассы. – С-Пб.: Наука и Техника, 2011 г.

Интернет-источники:

  1. Альтернативная энергия для частного дома. http://stroychik.ru/raznoe/alternativnaya-energiya

  2. Батарейка – принцип работы, виды батареек, история.http://yznavai.ru/batarejka-i-vsyo-o-nej/

  3. История изобретений. Батарейки. http://2fixika.livejournal.com/2207.html

  4. История изучения и развития электричества. http://scsiexplorer.com.ua/index.php/istoria-otkritiy/136-istoria-elektrichestva.html

  5. Как устроена и работает батарейка. http://atz-box.ru/stati/aznaete-li-vy/1456-kak-ystroena-i-rabotaet-batareika.html

  6. Сколько вольт в Вольтовом столбе? http://virtuallab.by/news/skolko_volt_v_voltovom_stolbe/2014-04-07-45

Приложения

Приложение 1

Из истории открытия электричества

В 1600 году придворный врач английской королевы Елизаветы, Уильям Гилберт, с помощью своего электроскопа доказал, что способность притягивать легкие тела имеет не только натертый янтарь, но и другие минералы: алмаз, сапфир, опал, аметист и др. В этом же году он издает труд «О магните и магнитных телах», где изложил целый свод знаний о магнетизме и электричестве.

В 1650 году немецкий ученый и по совместительству бургомистр Магдебурга Отто фон Герике создает первую «электрическую машину». Она представляла собой шар, отлитый из серы, при вращении и натирании которой, притягивались и отталкивались легкие тела. В последствии его машину усовершенствовали немецкие и французские ученые.

В 1729 году англичанин Стивен Грей обнаружил способность некоторых веществ, проводить электричество. Он, по сути, впервые ввел понятие проводников и непроводников электричества.

В 1733 году французский физик Шарль Франсуа Дюфе обнаружил два вида электричества: «смоляное» и «стеклянное». Одно возникает в янтаре, шелке, бумаге; второе – в стекле, драгоценных камнях, шерсти.

В 1745 году голландский физик и математик Лейденского университета Питер ван Мушенбрук обнаружил, что стеклянная банка оклеенная оловянной фольгой, способна накапливать электричество. Мушенбрук назвал ее лейденская банка. Это по сути был первый электрический конденсатор.

В 1747 году член Парижской Академии наук физик Жан Антуан Нолле изобрел электроскоп – первый прибор для оценки электрического потенциала. Также он сформулировал теорию действия электричества на живые организмы и выявил свойство электричества «стекать» быстрее с более острых тел.

В 1747-1753 гг. американский ученый и государственный деятель Бенджамин Франклин провел ряд исследований и сопутствующих им открытий. Ввел используемое до сих пор понятие двух заряженных состояний: «+» и «-». Объяснил действие лейденской банки, установив определяющую роль диэлектрика между проводящими обкладками. Установил электрическую природу молнии. Предложил идею молниеотвода, установив, что металлические острия соединенные с землей снимают электрические заряды с заряженных тел. Выдвинул идею электрического двигателя. Впервые применил для зажигания пороха электрическую искру.

В 1785-1789 гг. французский физик Шарль Огюстен Кулон публикует ряд работ о взаимодействии электрических зарядов и магнитных полюсов. Проводит доказательство расположения электрических зарядов на поверхности проводника. Вводит понятия магнитного момента и поляризации зарядов.

В 1791 году итальянским врачом и анатомом Луиджи Гальвани было обнаружено возникновения электричества при соприкосновении двух разнородных металлов с живым организмом. Обнаруженный им эффект лежит в основе современных электрокардиографов.

В 1795 году другой итальянский ученый Алессандро Вольта, исследуя обнаруженный предшественником эффект, доказал, что электрический ток возникает между парой разнородных металлов разделенных специальной проводящей жидкостью.

В 1801 году русский ученый Василий Владимирович Петров установил возможность практического использования электрического тока для нагрева проводников, наблюдал явление электрической дуги в вакууме и различных газах. Выдвинул идею использования тока для освещения и плавки металлов.

В 1820 году датский физик Ханс Христиан Эрстэд установил связь между электричеством и магнетизмом, что заложило основы формирования современной электротехники. В этом же году французский физик Андре Мари Ампер сформулировал правило определения направления действия электрического тока на магнитное поле. Он впервые объединил электричество и магнетизм и сформулировал законы взаимодействия электрических и магнитных полей.

В 1827 году немецкий ученый Георг Симон Ом открыл свой закон (закон Ома) – один из фундаментальных законов электричества, устанавливающий зависимость между силой тока и напряжением.

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, что приводит к формированию новой отрасли промышленности – электротехники.

В 1847 году немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф сформулировал законы для токов и напряжений в электрических цепях.

Конец XIX-начало XX веков был полон открытий связанных с электричеством. Одно открытие порождало целую цепь открытий в течении нескольких десятилетий. Электричество из предмета исследования начало превращаться в предмет потребления. Началось его широкое внедрение в различные области производства. Были изобретены и созданы электрические двигатели, генераторы, телефон, телеграф, радио. Начинается внедрение электричества в медицину.

В 1878 году улицы Парижа осветили дуговые лампы Павла Николаевича Яблочкова. Появляются первые электростанции. Не так давно кажущееся чем-то невероятным и фантастическим, электричество становиться привычным и незаменимым помощником человечества.

В 1879 американский изобретатель Томас Эдисон усовершенствует лампу накаливания и получает патент на лампу с платиновой нитью. Уже через год он патентует лампу с угольной нитью и сроком службы 40 часов. Также Эдисон изобретает цоколь, патрон и выключатель.

В 1890-х годах Александр Николаевич Лодыгин экспериментирует с нитями накала из различных тугоплавких металлов и первым предлагает использовать нити из вольфрама. Также он предложил не только откачивать воздух из ламп, но и наполнять их инертным газом.

В 1936 году были изобретены газоразрядные лампы, а в 1972 – галогенные.

в 1907 году английским ученым Генри Джозефом Раундом было замечено необычайное свечение вокруг точечного контакта в работающем детекторе. Но открыл электролюминесценцию полупроводников, на которой и основана работа светодиодов, русский ученый Олег Владимирович Лосев в 1923 году. В ходе некоторых радиотехнических исследований он наблюдал голубоватое свечение, испускаемое кристаллами карбида кремния. Однако в то время столь необычайное и интересное явление не заинтересовало научную общественность, и оно было забыто на долгие сорок лет. Однако имя ученого и важность его открытия не были забыты. В последствии, открытое им явление было названо «эффект Лосева».

В 1951 году в США создается научный центр, занимающийся полномасштабными исследованиями электролюминесценции полупроводников и разработкой ламп на основе этого эффекта.

Первые светодиоды для промышленности были созданы в 1960-е годы американцем Ником Холоньяком. Первые образцы имели жёлто-зелёное свечение. Потом появились и красные светодиоды.

Долгое время не удавалось получить светодиод синего свечения. Первый образец был создан в 1971 году Жаком Панковым. Однако технология его производства оказалась настолько дорогой, что не получила дальнейшего использования.

Лишь в 1991 году японский изобретатель Шуджи Накамура разработал дешевую технологию создания синего светодиода, основанную на принципе удвоения частоты резонанса полупроводников.

В 1994 Накамура создает первый промышленный синий светодиод. В последствии разрабатываются светодиоды со все большей и большей яркостью свечения. Размеры их постепенно уменьшаются для объединения их в группы – матрицы. Создаются информационные табло и графические дисплеи.

Приложение 2

Виды электричества

Приложение 3

Результаты опроса одноклассников

  1. Я пользуюсь электричеством, когда:

Утюгом глажу вещи

Разговариваю по мобильному телефону

Подходят оба варианта

14 чел.

3 чел.

8 чел.

  1. Как ты думаешь, когда человек в первый раз начал пользоваться электричеством?

Когда появились люди

При появлении первых телефонов

Когда появилась первая батарейка

-

2 чел.

23 чел.

  1. Как ты думаешь, существует много видов электричества?

Да

Нет

Не знаю

14 чел.

8 чел.

3 чел.

  1. Приведи свои примеры, когда ты пользуешься электричеством.

Зажигаю лампочку, глажу, разговариваю по телефону, сморю телевизор, играю в компьютер, включаю свет, включаю микроволновку, чайник, заряжаю телефон, когда делаю уроки, стираю, готовлю кушать, всегда

Приложение 4

Фото опытов

Опыт №1 Собрать «Вольтов столб»

Опыт №2 Собрать овощную и фруктовую батарейки

Светодиод Светодиод загорелся слабым светом