Научно-исследовательская работа природные источники энергии

ГУ «Физико-математический лицей г. Костаная»

Научно-исследовательская работа

ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Выполнил: ученик 5»А» класса

Великий Ярослав

Научный руководитель:

учитель начальных классов

Лысенко И.Ю.

Костанай, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. …………………………………………………………………3

Глава 1 Природные источники энергии……………………………………4

1.1. Из истории появления электричества…………………………4

1.2.Электричество вокруг нас…………………………………….. ..5

Глава 2 Открытие гальванического элемента………………………………8

Глава 3 Получение энергии опытным путем из природных материалов………………………………………………………………………9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………..…..13

Список использованной литературы………………………………………14

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Современный человек вряд ли представляет себе жизнь без электричества. Когда-то электроэнергия использовалась только для освещения. Потом появились электрические плитки, утюги. Затем к ним присоединились радиоприемники и вентиляторы, магнитофоны и телевизоры, стиральные машины и холодильники, сотовые телефоны и компьютеры. По мере того, как улучшается и совершенствуется наш быт, все более широкое применение находит в нашей жизни электричество. Поэтому человечество искало и всегда будет искать самые дешевые и доступные источники электроэнергии.

Однажды я взял в рот батарейку и ощутил специфический кисловатый вкус. Мне стало любопытно. Так я заинтересовался различными источниками энергии, среди которых наиболее необычными мне показались природные источники энергии. Оказалось, что благодаря этим источникам можно получить электроэнергию в любое время и в любом месте, используя подручные материалы. Этим и определяется актуальность моего исследования.

Объектом моего исследования являются источники энергии.

Предметом исследования являются природные материалы, при помощи которых можно получить электроэнергию.

Цель исследования – доказать опытным путем возможность получения электроэнергии в любое время и в любом месте, используя природные материалы.

Гипотеза-

Задачи исследования –

- описать известные природные источники энергии;

- опытным путем определить какие металлы дают наибольший ЭДС;

- выявить какие электролиты способствуют выработке наибольшего ЭДС;

- выявить возможные варианты применения в быту природных источников;

Методы исследования – теоретические и эмпирические (описание, наблюдение, опыт, сравнение).

Работа проводилась в учебном классе в школе, под руководством учителя, а так же самостоятельно дома выполнялись некоторые опыты и исследования.

Глава 1 Природные источники энергии.

1.1 Из истории появления электричества.

Когда человек стал впервые использовать электричество?
Электричеством человек смог пользоваться только с 1800 года. Тогда Алессандро Вольта изобрел первую батарею и тем самым дал миру первый надежный постоянный источник тока. Вскоре стало известно, что электрический ток может использоваться для выработки тепла, света, поддержания процессов химических реакций, создания магнитных эффектов. Открытие Вольта о постоянном течении электричества явилось большим шагом вперед. Были разработаны различные типы машин, но они явились лишь очередным толчком в развитии электричества. Открытие Вольта привело ко многим разработкам на основе использования электричества.
Позже стало известно, что электрический ток вызывает магнитные явления. Виток проволоки, через который проходит электрический ток, действует как полосный магнит. Это открытие привело к разработке всех типов электрических устройств, которые производили некоторые виды некоторые виды механической работы. Несколько лет спустя Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Это и привело к появлению электрических динамомашин и трансформаторов.

Первая в мире электростанция общественного пользования была построена в Нью-Йорке в 1882 г. Она вырабатывала постоянный ток и питала 10 тысяч ламп. В середине 1880-х годов городские электростанции, дававшие ток для освещения, активно строились в США и в Европе. К началу 1890-х годов стало ясно, что дешевле и практичнее возводить электростанции рядом с топливными и гидроресурсами, но они были удалены от больших городов. Возникла необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния. Однако при передаче постоянного тока потери в проводе достигали 75%. Лишь в 1891 году была построена первая линия электропередачи трехфазного тока, снизившая потери до 25%. Так была разрешена главная энергетическая проблема конца XIX века - проблема передачи электроэнергии на большие расстояния. [1.с.55]

В 1962 году при раскопках около Багдада археологи обнаружили посуду из керамики, в которой были медные цилиндры и железные бруски. Рядом находились украшения, на которых сохранилась позолота. 3000 тысячи лет тому назад уже была известна лимонная кислота. Ученые предполагают, что это и были первые гальванические элементы. О них речь пойдет в моей работе несколько позже.

1.2 Электричество вокруг нас.

Почему у наэлектризованных людей волосы поднимаются вверх?
Волосы электризуются одноименным зарядом. Как известно, одноименные заряды отталкиваются, поэтому волосы, подобно листочкам бумажного султана, расходятся во все стороны. Если любое проводящее тело, в том числе и человеческое, изолировать от земли, то его можно зарядить до большого потенциала. Так, с помощью электростатической машины тело человека можно зарядить до потенциала в десятки тысяч вольт. Оказывает ли электрический заряд, размещенный в таком случае на теле человека, влияние на нервную систему? Человеческое тело - проводник электричества. Если его изолировать от земли и зарядить, то заряд располагается исключительно по поверхности тела, поэтому заряжение до сравнительно высокого потенциала не влияет на нервную систему, так как нервные волокна находятся под кожей. Влияние электрического заряда на нервную систему сказывается в момент разряда, при котором происходит перераспределение зарядов на теле. Это перераспределение представляет собой кратковременный электрический ток, проходящий не по поверхности, а внутри организма. При проверке качества батарейки от карманного фонарика иногда прикасаются языком к металлическим пластинам. Если язык ощущает горьковатый привкус, то батарейка хорошая. Почему же электричество батарейки горьковато на вкус? Слюна человека содержит в незначительном количестве различные органические соли (натрия, калия, кальция и др.). Когда через слюну проходит электрический ток, эти соли подвергаются электролизу, на полюсах батарейки выделяются их составные части и язык ощущает горьковатый привкус.

Поглаживая в темноте кошку сухой ладонью, можно заметить небольшие искорки, возникающие между рукой и шерстью. Что здесь происходит? При поглаживании кошки происходит электризация руки с последующим искровым разрядом.

Писатель Б. Житков рассказывает о таком случае: "Однажды в начале лета я ехал верхом поймой реки. Небо было одето тучами, собиралась гроза. И вдруг я увидел, что кончики ушей лошади начали светиться. Сейчас же над ними образовались будто пучки голубоватого огня с неясными очертаниями. Огоньки эти точно струились. Затем струи света побежали по гриве лошади и по ее голове. Все это продолжалось не более минуты. Хлынул дождик, и удивительные огни исчезли". Описанное явление носит название "огни Эльма". Это очень редкое явление природы. На остриях, на столбах оград, иногда даже на головах людей появляется голубоватый свет. Это тихий разряд - движение электрических зарядов в воздухе при атмосферном давлении и высоком напряжении. [2.с.361]

Самыми известными электрическими рыбами являются электрический угорь, электрический скат и электрический сом. У этих рыб имеются специальные органы для накопления электрической энергии. Небольшие напряжения, возникающие в обычных мышечных волокнах, суммируются здесь благодаря последовательному включению множества отдельных элементов, которые нервами, как проводниками, соединены в длинные батареи. Так, у электрического угря, обитающего в водах тропической Америки, насчитывается до 8 тысяч пластинок, отделенных одна от другой студенистым веществом. К каждой пластинке подходит нерв, идущий от спинного мозга. С точки зрения физики эти приспособления представляют своего рода систему конденсаторов большой емкости. Угорь, накапливая электрическую энергию в этих конденсаторах и по своему усмотрению разряжая ее через тело, прикасающееся к нему, производит электрические удары, чрезвычайно чувствительные для человека и смертельные для мелких животных. У крупного, долго не разряжающегося угря напряжение электрического тока в момент удара может достигать 800 В. Обычно же оно несколько меньше. [3.с.33]

Почему птицы безнаказанно садятся на провода высоковольтной передачи? Тело сидящей на проводе птицы представляет собою ответвление цепи, включенное параллельно участку проводника между лапками птицы. При параллельном соединении двух участков цепи величина токов в них обратно пропорциональна сопротивлению. Сопротивление тела птицы огромно по сравнению с сопротивлением небольшой длины проводника, поэтому величина тока в теле птицы ничтожна и безвредна. Следует добавить еще, что разность потенциалов на участке между ногами птицы мала. Бывают случаи, когда птицу, сидящую на проводе линии электропередачи, убивает током. Птицы чаще всего гибнут в тех случаях, когда они, сидя на проводе линии электропередачи, касаются столба крылом, хвостом или клювом. А так как кронштейн не изолирован от земли, то прикосновение заземленной птицы к проводу, находящемуся под током, неизбежно кончается гибелью. [4]

Молния чаще ударяет в деревья с глубоко проникающими в почву корнями. Деревья с корнями, проникающими в глубокие водоносные слои почвы, лучше соединены с землей и поэтому на них под влиянием наэлектризованных облаков накапливаются притекающие из земли значительные заряды электричества, имеющие знак, противоположный знаку заряда облаков. Почему из всех деревьев чаще всего молнией поражается дуб? Благодаря глубоко уходящим в почву корням дуб хорошо заземлен, поэтому он чаще поражается молнией. А хвойные деревья реже. Электрический ток проходит в основном между корой и древесиной сосны, то есть по тем местам, где концентрируется больше всего соков дерева, хорошо проводящих электричество. Ствол смолистого дерева, например сосны, имеет значительно большее сопротивление, чем кора и подкорковый слой. Поэтому в сосне электрический ток молнии проходит преимущественно по наружным слоям, не проникая внутрь. Если же молния ударяет в лиственное дерево, то ток протекает внутри его. В древесине этих деревьев содержится много сока, который закипает под действием электрического тока. Образовавшиеся пары разрывают дерево. Таким образом, вокруг нас существует огромное количество природной энергии, и это лишь небольшая часть, которую мне удалось описать.

Глава 2 Открытие гальванического элемента.

ГАЛЬВАНИ ЛУИДЖИ (1737–1798), итальянский анатом и физиолог. Родился 9 сентября 1737 году в Болонье. В 1759 году окончил Болонский университет, в 1762 году получил степень доктора медицины. Преподавал медицину в Болонском университете, откуда незадолго до смерти был уволен за то, что отказался принести присягу Цизальпинской республике, основанной в 1797 году Наполеоном Бонапартом. Известность Гальвани принесли его опыты по изучению мышечного сокращения. В 1771 году он открыл феномен сокращения мышц препарированной лягушки под действием электрического тока. В самом этом факте с физической точки зрения не было ничего нового: явление электрической индукции было объяснено ранее. Но Гальвани подошел к факту не как физик, а как физиолог, его заинтересовала способность мертвого препарата проявлять себя как живой материал. Он с величайшей тщательностью исследовал этот феномен, меняя самые разные параметры: положение в теле лягушки металлического провода с током, источники электричества и т.д. В одном из таких опытов, используя в качестве источника тока атмосферное электричество, он тщетно дожидался перемены в погоде и случайно прижал электроды, воткнутые в спинной мозг лягушки, к железной решетке, на которой она лежала. Появились такие же сокращения, как и во время опытов, проводимых в грозу. Вскоре Гальвани обнаружил, что мышцы сокращаются и в отсутствие внешнего источника тока, при простом наложении на них двух разных металлов, соединенных проводником. Гальвани объяснил это явление существованием «животного электричества», благодаря которому мышцы заряжаются подобно лейденской банке. Результаты наблюдений и теорию «животного электричества» он изложил в 1791 г. в работе «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Открытие Гальвани произвело сенсацию. К его проверке приступил известный физик А.Вольт, вооруженный всеми имеющимися в то время электротехническими средствами, который и дал правильную физическую трактовку эффекта.

Ученый исследовал контакты различных металлов. Он писал, что если составить проводящую цепь так, чтобы между различными металлами, например, серебром и цинком, был введен соприкасающийся с ними жидкий проводник, то вследствие этого возникает постоянный электрический ток того или иного направления. Он создал Вольтов столб, который в действительности представлял собой простейшую батарею, составленную из последовательно соединенных медно-цинковых элементов (элементов Вольта). Элемент Вольта и изобретенные позднее подобные ему источники тока были названы по имени Гальвани гальваническими элементами. [2.с.362]

Так появился гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита.

Глава 3 Получение энергии опытным путем из природных материалов.

Существует множество способов создания источников тока. Наиболее просто и интересно получить электрическую энергию с помощью обычных фруктов и овощей, а так же соли и сахара. Для того, чтобы в этом убедиться мы провели ряд опытов. В первом опыте мы исследуем процесс получения напряжения с помощью природных источников.

Для этого нам понадобится:

- лимоны – 4 шт.

- медные и цинковые пластины,

- проволока,

- Вольтметр (Фото 1.)

Берем целый лимон. Вставляем в лимон сначала цинковую пластину, а затем медную. В таком источнике ЭДС электродами будут медная и цинковая пластины, а лимонный сок является электролитом. Измерив напряжение вольтметром, мы выясняем, что оно приблизительно равно 0,8 В. Далее мы разрезаем лимон на две половины и вставляем электроды в одну из них. Замеряем. И получаем точно такое же напряжение 0,8 В. Проделываем тоже самое и с другой половиной. Получаем аналогичный результат - 0,8 В. То есть, и целый лимон и его половина дает одинаковое значение ЭДС. Для увеличения напряжения последовательно соединяем половинки лимонов с помощью медной проволоки т.е соединяем цинковую пластину одной половинки лимона с медной пластиной другой половинки лимона. Замеряем напряжение между несоединенной медной пластинкой одной половины и цинковой пластинкой другой половины лимона и получаем напряжение в 1,7 В. Напряжение удвоилось. После подсоединения еще одной половины лимона напряжение увеличилось до 2,55 В. Также поступаем с остальными лимонами. Разрезаем и соединяем последовательно в цепь из восьми половинок. С подсоединением каждой из половинок напряжение в цепи будет увеличиваться приблизительно на 0,7-0,9 В.

Как видно из Таблицы 1 при соединении восьми половинок лимона (4 шт.) мы получили напряжение равное 6,37 В, чего может хватить для непродолжительного питания маломощных приборов, таких как часы, калькулятор, светодиод и т. п.

Таким образом, с помощью подручных средства и природных материалов, мы можем получить электрический ток.

На следующем этапе своей работы мы попытались определить какие металлы могут давать наибольшую ЭДС. Для исследования мы выбрали следующие металлы: алюминий, медь, цинк и железо. А в качестве электролитов мы использовали картофель, помидор, лимон, яблоко, киви, апельсин, раствор соли и сахара. Для измерений нам понадобился мультиметр и медная проволока. Электроды предварительно зачищаем наждачной бумагой и заостряем концы. Затем вставляем в каждый фрукт, а потом и в раствор различные пары изготовленных электродов. Измеряем напряжение с помощью мультиметра. Данные исследований представлены в Таблице 2. На основании таблицы составлен График 1. Как видно из графика наибольшее напряжение образуется при использовании электродов из меди и цинка, а так же из меди и алюминия. Практически отсутствовало напряжение при использовании пар электродов из одинаковых металлов. Например, цинка и цинка и т. д.

Следующим этапом нашей работы было исследование электролитов. Необходимо было выяснить влияет ли электролит на показатели напряжения. Как видно из Таблицы 3. электролит может влиять на показания напряжения, но не существенно. Из Графика 2 можно сделать вывод, что наиболее удачным электролитом может быть раствор сахара или соли, а так же яблоко и лимон. Причем соль будет являться предподчтительней, в силу своей невысокой стоимости.

Для доказательства применения данных источников тока в быту, мы убрали из калькулятора батарейку и заклеили солнечную батарею непрозрачной лентой. Затем соединили последовательно в цепь две половинки яблока и одну половинку лимона, получив тем самым напряжение 2,2 В. Далее, соблюдая полярность подсоединили нашу батарею к калькулятору и убедились в том, что он работает, на нем можно производить вычисления. Фото 2. Таким образом, с помощью подручных средства и природных материалов, мы можем получить электрический ток, для непродолжительного использования в быту, если под рукой отсутствуют другие источники энергии.

Значение электроэнергии в жизни человека переоценить невозможно. А благодаря открытию Л.Гальвани, мы получили возможность иметь источники энергии всегда под рукой. Пусть и не самые мощные, но в быту вполне пригодные. Мы можем их использовать в любое время, в любом месте, независимо от погодных условий. Особенно это актуально, когда вблизи нет других источников энергии, например, на даче, в походе и т.д. Благодаря полученным данным из опытов мы доказали, что получение электроэнергии в любое время и в любом месте, используя природные материалы, вполне возможно. При исследовании нескольких пар металлов в качестве электродов, мы обнаружили, что не все металлы могут давать одинаковые показатели ЭДС, при этом одинаковые металлы ЭДС практически не показывают. А такие металлы, как алюминий, цинк и медь способны выдавать наибольшую ЭДС, по сравнению с другими металлами. Так же мы убедились, что различные электролиты не оказывают существенной роли на выработку ЭДС. А на практике, на примере калькулятора, мы доказали, что маломощные бытовые приборы могут работать с помощью фруктовой батареи. Это может иметь практическую значимость, так как современная техника с каждым годом становится все менее энергозатратной. Не мало важное значение имеет и то, что эти источники не требуют дополнительного обслуживания, безопасны и экологически чисты.

Список использованной литературы

1.Галагузова М.А., Комский Д.М. Первые шаги в электротехнику: Книга для учащихся 4-7 кл. сред. шк.-М.: Просвещение,1988.-143 с.

2.Перельман Я.И. Занимательная физика. -М.: Наука, 1991.-496 с.

3.Лукьянова А.В. Настоящая физика для мальчиков и девочек. -М.:Интеллект-Центр,2007.-96 с.

4.http://phizika.flexum.ru/article/406

5.http://repka.tv/video/2486/

6.http://www.powerinfo.ru/galvani.php

Приложение

Фото 1

График 1