ПРОЕКТ "Создание и изготовление качера Бровина"

Муниципальное автономное образовательное учреждение  «Средняя общеобразовательная школа № 24»  городского округа город Стерлитамак  Республики Башкортостан Исследовательская работа АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ  ИЛИ «ФРУКТОВО­ОВОЩНАЯ БАТАРЕЙКА» НОМИНАЦИЯ «ФИЗИКА» Выполнили: Башкатов Ярослав, Третьякова Елизавета,  Герасимов Илья,  Яппарова Регина,  Черепанов Александр  ученики 7А класса Руководитель  Кондрашева Ю.А.,  учитель физики Стерлитамак, 2017 2 Содержание Введение  Глава I.  Понятие батарейки и принцип ее работы Выводы по главе I Глава II. Практическое применение батарейки из овощей и фруктов Выводы по главе II Заключение Список литературы Приложение  3 6 7 8 10 11 12 3 Введение Актуальность темы исследования В   настоящее   время   хозяйственная   деятельность   человека   всё   чаще становится основным источником загрязнения окружающей среды. Природа не в силах «переварить» весь мусор. Например,  для разложения выработавших свой ресурс   пальчиковых   батареек   требуется   не   менее   10   лет.   Взглянув   на гальванический элемент или обычную пальчиковую батарейку, вы практически всегда увидите на ней этот знак: «Не выбрасывать, необходимо сдать в спецпункт утилизации». И этот знак на батарейке стоит неспроста! Подсчитано, что одна пальчиковая батарейка, беспечно выброшенная в мусорное ведро,   может   загрязнить   тяжёлыми   металлами   около   20 квадратных   метров   земли,   а   в   лесной   зоне   это   территория   обитания   двух деревьев, двух кротов, одного ёжика и нескольких тысяч дождевых червей!  В   батарейках   содержится   множество   различных   металлов   —   ртуть, никель,   кадмий,   свинец,   литий,   марганец   и   цинк,   которые   имеют   свойство накапливаться   в   живых   организмах,   в   том   числе   и   в   организме   человека,   и наносить существенный вред здоровью.  А что если заменить эти батарейки экологически чистыми источниками электрического тока? Наверняка многие слышали, что можно экономить на обычных батарейках, заменяя их фруктовыми или овощными. Российские ученые давно выяснили, что обычные   овощи   и   фрукты   полезны   не   только   с   точки   зрения   питания. Апельсины, лимоны и другие фрукты и овощи — это идеальный электролит для выработки бесплатного электричества, правда, не столь мощного, как у обычных батареек.  Но,   кто   же   захочет   использовать   свежий   фрукт   или   овощ   в   качестве электрической энергии? Логичнее было бы его употребить в пищу!  Как­то проходя мимо магазина, мы увидели ящики с гнилыми овощами и фруктами. Возник вопрос: куда девают испорченные овощи и фрукты магазины, овощные базы?  На оптовых рынках зачастую присутствует множество гнилых овощей и фруктов, которые, в конечном итоге, попадают в компостную кучу. Можно ли их использовать для блага человечества?  В поисках ответа на этот вопрос  мы обратились к Интернету. Вот, что мы узнали: В США собираются добывать электричество из гнилых помидоров. Группа ученых   во   Флориде   разрабатывают   биологический   топливный   элемент, использующий   отходы   помидоров   для   производства   электричества.   Флорида считается «помидорным штатом» и ежегодно производит 396000 тонн томатных отходов.   Попадая   на   свалки,   отходы   томатов   производят   парниковый   газ   ­ метан. При сбрасывании в водоемы, эти отходы заставляют тратить огромные средства   на   очистку   воды.   Поэтому   ученые   разработали   микробные электрохимические ячейки, которые позволяют генерировать электрический ток 4 из   гнилых   помидоров.   Исследователи   обнаружили,   что   вещество   ликопин, присутствующее   в   помидорах,   является   мощным   медиатором,   который способствует   выработке   бактериями   электроэнергии.   Также   выяснилось,   что ликопин   из   помидоров   действует   эффективнее,   чем   чистый   ликопин, синтезированный в лабораториях. Исследователи из Технологического института Карлсруэ создали дешевую и   высокопроизводительную   натрий­ионную   батарею   из...   гнилых   яблок. Изобретение   может   найти   применение   в   сетевом   хранении   энергии   и,   после дальнейшего   развития,   конкурировать   с   литий­ионными   аккумуляторами   для питания портативной электроники и небольших электромобилей. Индийские ученые предлагают использовать фрукты, овощи и их отходы при производстве источников питания для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии. Внутри необычных батареек ­ паста из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей­фруктов и электроды из цинка и меди.   Одновременное   действие   четырех   таких   батареек   позволит   запустить стенные часы, пользоваться электронной игрой и карманным калькулятором, а для ручных часов и одной батарейки хватит.  Японский   производитель   электроники   Sony   разработал   экологически чистые батарейки, которые работают на сахаре. Энергии таких батареек хватит для   работы   плеера   или   диктофона,   сообщает   руководство   компании. Биобатарейки сделаны из пластика на основе овощей. Анализируя   полученную   информацию,   мы   пришли   к   мысли,   что   в Республике   Башкортостан  самые   распространенные   фрукты   и   овощи   –   это яблоки, картофель, помидоры, а не лимоны и бананы. Поэтому исследования решили   проводить   именно   с     этими   плодами   природы.   Отсюда   цель   нашего исследования. Цель   исследования:  исследование   возможности   получения   источников электрической   энергии   из   овощей,   фруктов,   произрастающих  в   Республике Башкортостан и их отходов.  Исходя из цели, нами были определены следующие задачи исследования: 1. 2. Ознакомиться с принципом работы батарейки.  Провести опрос учащихся, их родителей и учителей о возможности использования овощей и фруктов, а так же их отходов  в качестве батарейки. Создать овощные и фруктовые батарейки и измерить их напряжение. Экспериментально определить  напряжение  «гнилых» батареек. 3. 4. Объект исследования: овощные и фруктовые батарейки. Предмет   исследования:  электрический   ток,   полученный   из   овощей   и фруктов. Гипотеза:  предположим,   что   из   овощей   и   фруктов   можно   получить электрический   ток,   тогда   есть   возможность   использовать   их   в   качестве электролита при изготовлении батарейки.  5 Теоретическая   значимость:  использование   материала   на   кружковых занятиях, на классных часах по экологии, на уроках физики как дополнительный к теме «Источники электрического тока». Практическая значимость:  если бы удалось создать источники питания из экологически чистого материала, такого как овощи и фрукты и их отходы, мы могли   бы   использовать   их   для   работы   электрических   приборов   с   низким потреблением энергии, и при этом оберегать окружающую среду от загрязнения, так   как   обычные   батарейки   при   неправильной   утилизации   очень   долго разлагаются. Методы исследования: ­ изучение литературы,  ­ наблюдение,  ­ эксперимент,  ­ опрос,  ­ анализ полученных результатов. Работа состоит из введения, двух глав и заключения. Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели и задачи,   объект   и   предмет   исследования,   гипотеза   исследования,   отражены методы исследования и практическая значимость работы. В   1   главе   «Понятие   батарейки   и   принципы   ее   работы»   рассмотрена история   изобретения   первой   батарейки   и   принцип   работы   современных гальванических элементов. Во 2 главе «Практическое применение батарейки из овощей и фруктов» приведено   описание   создания   батарейки   из   картофеля,   яблока.   Проведено экспериментальное   измерение   электрического   напряжения   в   полученных батарейках   с  помощью   мультиметра,  и   описана   попытка   зажечь   светодиод   с помощью батарейки из подгнивших картофелин и яблок.  В заключении подведены общие итоги работы и сделаны выводы. 6 Глава I. Понятие батарейки и принципы ее работы Батарейка – это источник питания, который вырабатывает электричество под действием химического процесса. Батарейка. Это слово плотно вошло в нашу повседневную жизнь. Но, к сожалению, сегодня мало кого интересует ее история, ее устройство, ее виды.  Первый источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века   итальянским   ученым   Луиджи   Гальвани.   На   самом   деле   целью   опытов Гальвани   был   не   поиск   новых   источников   энергии,   а   исследование   реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. Явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки.  Опыты   Гальвани   стали   основой   исследований   другого   итальянского ученого – Алессандро Вольта. 200 лет назад он сформулировал главную идею изобретения.   Причиной   возникновения   электрического   тока   является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения   своей   теории   Вольта создал   нехитрое   устройство   из   двух пластин металла (цинк и медь) и кожаной прокладки между ними, пропитанной лимонным соком. Алессандро Вольта выявил, что между пластинами возникает напряжение. Именем этого ученого назвали единицу измерения напряжения, а его фруктовый источник энергии стал прародителем всех нынешних батареек, которые в   честь   Луиджи   Гальвани   называют   теперь   гальваническими элементами.  Таким   образом,   гальванический   элемент   (батарейка)   —   это   источник электричества,   который   основан   на   химическом   взаимодействии   некоторых веществ между собой.  Сегодня   в   магазинах   можно   увидеть   большое   количество   батареек. Батарейки бывают разнообразной формы или размеров. Некоторые – маленькие как таблетка, или тонкие, как карточка. Некоторые – величиной с холодильник. Несмотря на внешние существенные отличия, устройство батарейки любого типа имеет   общие   черты   и   принципы.   Различия   могут   быть   только   в   составе химических веществ, с помощью которых выделяется электрическая энергия.  Все известные элементы питания различны по некоторым принципам, но схема работы у них одна. В них создается электрический заряд в результате реакции   между   двумя   химическими   веществами,   в   ходе   которой   электроны передаются   от   одного   из   них   к   другому.   В   батарейках   для   фонарика   эти вещества   обычно   представлены   цинком   и   углеродом.   В   автомобильном аккумуляторе   это   свинец   и   диоксид   свинца.   В   компьютере   или   мобильном телефоне используются обычно оксид лития с кобальтом и углерод. У любой батарейки есть положительный полюс (катод), отрицательный полюс (анод) и электролит, который может быть сухим или жидким.  Электрический   ток   идет   от   анода   (­)   к   катоду   (+),   но   между   ними обязательно   должна   быть   нагрузка   (потребитель   энергии).   Если   нагрузки   не будет, то есть (+) соединить с (­) напрямую, то произойдет короткое замыкание.  7 Катоды   выполняют   функцию   восстановителя,   то   есть   принимают электроны от анода.  Электролит – это среда, в которой перемещаются ионы, образовавшиеся в процессе   химической   реакции.   В   процессе   работы   батарейки   постепенно образуются новые вещества, а электроды постепенно разрушаются – батарейка садится.   Многие   гальванические   элементы   могут   быть   использованы   только один раз. Они производятся на заводе, разряжаются в процессе использования и затем выбрасываются. Сейчас наиболее популярны перезаряжаемые батарейки, называемые аккумуляторами. В   кратком   виде   весь   процесс   работы   батарейки   выгляди   так:   анод   – нагрузка – катод – электролит. Выводы по главе I. На   принципе,   описанном   в   первой   главе,   и   делаются   большинство батареек, которыми мы пользуемся. Разница заключается в том, что в различных видах   производимых   батареек,   отличие   только   в   используемых   веществах   и материалах. 8 Глава 2. Практическое применение батарейки из овощей и фруктов Мы провели опрос среди учащихся школы и их родителей и учителей, чтобы выяснить, что им известно о возможности получения электричества из овощей и фруктов, и получили следующие результаты (Приложение 1):  1) около 70% учащихся, 60% родителей и 55% учителей не знают ничего о том, кто изобрел батарейку;  2) более половины учеников (53%), 62% родителей, 47% учителей  ничего не   слышали   о   возможности   получения   электрического   тока   из   овощей   и фруктов;  3)   78%   учащихся,   60%   родителей   и   45%   учителей   не   имеют представления  о том, как  помочь сохранению окружающей  среды,  используя фруктово­овощную батарейку. Именно поэтому мы считаем, что эта работа должна быть интересна и познавательна для учеников школы и не только для них. Нас   заинтересовал   вопрос   о   том,   как сделать   батарейку   своими руками.   Поискав информацию,   мы   узнали,   что   можно   сделать   батарейку   из картошки. На одном овоще решили не останавливаться, а провели исследования еще на яблоке, мандарине и соленом огурце.  Для изготовления батарейки из овощей и фруктов нам понадобились:  Овощи, фрукты, цинковые гвозди, отрезки медной проволоки, провода с зажимами, наждачная бумага, светодиод, мультиметр. (Приложение 2) На примере яблока рассмотрим, как и что следует делать. В   яблоко   необходимо   воткнуть   цинковый   гвоздь   и   медную   проволоку, предварительно зачистив концы наждачной бумагой.   Далее   следует   зажимами   присоединить   провода   к   гвоздям.   Свободные концы провода присоединяются к устройству измерения (в нашем случае — это мультиметр),   которое   и   показывает   напряжение,   возникающее   на   концах проводника. Получившаяся батарейка из яблока – это однозарядная батарейка. Она работает также, как батарейки, вставленные в фонарик или радиоприемник.  Яблочный   сок   в   такой   батарейке   выступает   в   качестве   электролита, медная проволока – это положительный электрод, принимающий электроны, а цинковый гвоздь – отрицательный электрод.  Когда   мы   присоединили   к   электродам   измерительный   прибор,   цепь замкнулась. Внутри яблока произошла химическая реакция. Электроны внутри атомов, составляющих яблочный сок, собрались на отрицательном электроде и потекли   по   цепи   к   положительному   электроду.   Таким   образом   возник электрический ток, текущий по электрической цепи. Для экспериментального замера электрического напряжения были взяты  имеющиеся под рукой свежие и гнилые фрукты (яблоко, мандарин) и овощи  (картофель, огурец). 9 Итак,   подопытные   овощи   и   фрукты   дают   следующее   напряжение   (В) (Приложение 3):  Свежие Яблоко Яблоки (2 шт.) Мандарин Картофель  Картофель (2 шт.) Огурец (соленый) Напряжение 0,55 В – 0,61В 0,80 В 0,50 В 0,56 В 1,79 В 0,47 В Гнилые Яблоки (2 шт.) Яблоки (2 шт.) + Картофель (2 шт.) Напряжение 2,00 В 3,74 В Как   мы   видим,   в   группе   наших   овощей   и   фруктов   лидером   по полученному напряжению стало яблоко и картошка. Правда, разница в цифрах не такая уж большая. Но  будет  ли  гореть  светодиод,  если  питать   его  от  овощно­фруктового источника?  В   качестве   источника   взяли   картофель   и   яблоко,   как   наиболее доступные   овощи   и   фрукты   в   Республике   Башкортостан.   Одна   свежая картофелина дает напряжение 0,56 В, одно яблоко – 0,61 В. От одной светодиод не загорится.  Мы прочитали, что для того, чтобы создать большее напряжение, можно попробовать   соединить   несколько   фруктовых   и   овощных   «батареек»   друг   с другом.   Для   этого   мы   соединили   еще   несколько   уже   изрядно   подгнивших «батареек», затем с помощью металлических зажимов­крокодильчиков соединил цинковый   электрод   одной   батарейки   с   медным   электродом   другой.   Таким образом,     можно   соединять   батарейки   друг   с   другом   в   ряд,   создавая многозарядную яблочно­картофельную батарейку. Причем напряжение в такой батарейке будет увеличиваться пропорционально количеству взятых овощей и фруктов. Экспериментируя   с   разным   количеством   картофелин   и   яблок,   мы добились, чтобы светодиод загорелся. Мы взяли две гнилые картофелины и два гнилых яблока. При этом напряжение в цепи было 3,74 В.  Значит, испорченные фрукты и овощи можно использовать в роли источника питания! (Приложение 4) Такого напряжения и слабого тока было достаточно для того, чтобы зажечь светодиод, ведь для работы электроприборов важно не только электрическое напряжение, но и сила тока. Светодиодная   лампочка   светилась   ярко   3   часа,   потом   постепенно потухала. Мы периодически вынимали электроды и переставляли их в «свежее» место, таким образом, продлевали время горения светодиода!  Гнилые овощи и фрукты опасны для здоровья, чтобы не вдыхать споры бактерий, которые их разлагают, мы решили изготовить безопасную «Фруктово­ овощную» батарейку. Для этого, с помощью блендера, измельчили подгнившие яблоки и картофель. Затем залили смесь в пластиковую бутылку, вставили в нее 10 электроды   и   измерили   напряжение   с   помощью   мультиметра.   Мультиметр показал   напряжение   –   0,84   В.   Для   того,   чтобы   светодиод   загорелся   этого напряжения,   конечно   же,   мало!   Значит   нужно   соединить   несколько   таких «батареек».   Мы   будем   работать   над   этой   проблемой   в   дальнейшем. (Приложение 5) Выводы по главе II. Как   показал   наш   эксперимент,   из   использованных   фруктов   и   овощей лучшими источниками электрического тока являются яблоко и картофель. При сравнении,   оказалось,   что   испорченные   (подгнившие)   овощи   и   фрукты   тоже можно использовать как источник электрической энергии. 11 Заключение Работа,   которой   мы   занимались,  показалась   нам   очень   интересной.  Мы получили   ответы   на   все     интересовавшие   нас   вопросы.   Так,   проведенные эксперименты   подтверждают   гипотезу   о   возможности   создания   источников питания   из   овощей   и   фруктов.   Такие   батарейки   могут   использоваться   для работы   приборов   с   низким   потреблением   энергии,   таких   как   часы   или калькулятор, а также для освещения. Мы   научились   делать   наблюдения,   выдвигать   гипотезы,   проводить эксперимент, делать выводы. Также мы научились определять электрическое напряжение внутри овощей и фруктов. Нам очень понравилось ставить эксперименты, оценивать получившийся результат.  Это   исследование   помогло   понять,   что   испорченные   овощи   и   фрукты можно   использовать   в   качестве   источника   электроэнергии.   Рациональнее использовать   те   овощи   и   фрукты,   которые   произрастают   на   территории Республики   Башкортостан,   а   не   привезены   из   теплых   краев,   так   как   это увеличивает   стоимость   «Фруктово­овощных   батареек».   «Где   родился,   там   и пригодился!» Нам   бы   очень   хотелось,   чтобы   ученые   усовершенствовали   батарейки, помогающие   сохранять   окружающую   среду,  а  также   внедрили   их   в  широкое пользование. Спасибо за внимание! 12 Список использованной литературы: 1. Журнал.   «Галилео»   Наука   опытным   путем.   №   3/   2011   г.   «Лимонная батарейка», стр 9­14 2. Журнал «Юный эрудит» № 10 / 2009 г. «Энергия из ничего», стр.11­13 3. Гальванический элемент — статья из Большой советской энциклопедии. 4. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика: Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: АСТ, 1996, с.613 Список Интернет­ресурсов: 1. http://naukaveselo.ru/batareyka­iz­kartoshki.html 2. http://digit.ru/technology 3. http://www.mobime.ru/news/2006/04/18/potatoes_battery.html 4. https://www.mirpodelki.ru/index.php?id=17 13