Исследовательская работа по физике на тему "Сила тока в овощах и фруктах"

Работа посвящена необычным источникам энергии. В окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. Они используются в мобильных телефонах и космических кораблях, в крылатых ракетах и ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках.

Каждый день человек сталкивается с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами...

Слово "энергия" прочно вошло в обиходный словарь начала XXI в. человечество в последнее время сталкивается с дефицитом энергоресурсов. Грядущее истощение запасов нефти и газа побуждает ученых искать новые возобновляемые источники энергии.

Возобновляемые источники сырья и способы получения из них энергии – магистральная тема многих университетских исследований. Лаборатория в Нидерландах изучает возможность получения электричества из растений, точнее, из корневой системы растений и из бактерий, находящихся в почве. Энергия солнца, энергия ветра, энергия приливов и отливов возобновляемым источникам энергии в последнее время все чаще причисляют и растения. Ведь только зеленое растение является той единственной в мире лабораторией, которая усваивает солнечную энергию и сохраняет ее в виде потенциальной химической энергии органических соединений, образующихся в процессе фотосинтеза.

Один из альтернативных источников энергии – процесс фотосинтеза. Процесс фотосинтеза, протекающий в клетке растения, является одним из главных процессов

В ходе него происходит не только разделение молекул воды на кислород и водород, но и сам водород в какой-то момент оказывается разделенным на составные части - отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра.

Так что, если в этот момент ученым удастся "растащить" положительно и отрицательно заряженные частицы в разные стороны, то, по идее, можно получить замечательный живой генератор, топливом для которого служили бы вода и солнечный свет, а кроме энергии, он бы еще производил и чистый кислород.

Возможно, в будущем такой генератор и будет создан. Но для осуществления этой мечты нужно отобрать наиболее подходящие растения, а может быть, даже научиться изготавливать хлорофилловые зерна искусственно, создать какие-то мембраны, которые бы позволили разделять заряды.

Данные исследований лаборатории молекулярной биологии и биофизической химии "Московского физико-технического университета" по созданию таких мембран показали, что живая клетка, запасая электрическую энергию в митохондриях, использует ее для произведения очень многих работ: строительства новых молекул, затягивания внутрь клетки питательных веществ, регулирования собственной температуры. С помощью электричества производит многие операции и само растение: дышит, движется (как это делают листочки всем известной мимозы-недотроги), растет.

Описание исследования

Объект исследования: сила тока в овощах и фруктах.

Предмет исследования: сила тока и напряжения в овощах и фруктах.

Цель исследования: исследование овощей и фруктов как природных источников тока.

Задачи исследования:

  1. Экспериментальным путем узнать силу тока в разных овощах и фруктах.
  2. Собрать овощную цепь, найти лучший экземпляр и запитать светодиод.
  3. Анализ.

Вывод по результатам исследования: из овощей и фруктов можно получить электрический ток, однако напряжение в каждом из них разное. Фруктовые батарейки дают очень слабый ток в цепи. Однако развитие данного направление - это огромный вклад в вопросы мировой экологии, и оно непременно должно развиваться дальше

Основная часть

1.1. Описание и анализ проблемной ситуации

В настоящее время хозяйственная деятельность человека все чаще становится основным источником загрязнения окружающей среды. Мы и не подозреваем, к чему приводит наше легкомысленное отношение к правилам утилизации отходов. Природа не в силах "переварить" весь мусор. Например для разложения выработавших свой ресурс пальчиковых батареек требуется не менее 10 лет.

Подсчитано, что одна пальчиковая батарейка, беспечно выброшенная в мусорное ведро, может загрязнить тяжелыми металлами около 20 квадратных метров земли, а в лесной зоне это территория обитания двух деревьев, двух кротов, одного ежика 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. 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.

Индийские ученые предлагают использовать фрукты, овощи и отходы от них при производстве источников питания для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии. Внутри необычных батареек - паста из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей-фруктов 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.

1.2. Электрический ток

Что называют электрическим током? И что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?

Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц

Чтобы получить электрический ток в проводнике и поддерживать его длительное время, необходим источник электрического тока. Источники тока бывают различные, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой – отрицательно.

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней, химической энергии в электрическую. Наиболее распространенными источниками тока являются химические. Например, гальванический элемент. В гальваническом или химическом источнике происходят химические реакции, и внутренняя энергия, выделяющаяся при этих реакциях, превращается в электрическую.

1.3. История создания химических источников тока

История химических источников тока началась один из ноябрьских дней 1770 года, когда профессор анатомии и физиологии Белонского университета Луиджи Гальвани был поражен странным явлением: находившиеся на столе обезглавленные лягушки, над которыми производил опыты Л. Гальвани, вздрагивали. Особенно сильное сокращение мышц наблюдалось, когда соединяющая проволока оказывалась состоящей из двух металлов – меди и цинка.

Гальвани был физиологом, а не физиком, поэтому он видел причину явления в "животном электричестве". Опыты Гальвани очень заинтересовали его соотечественника, физика Алессандро Вольта. Вместо теории "животного электричества" он выдвинул теорию "металлического электричества"

Вольта доказал, что различные металлы, соединенные через проводящий электролит (прокладки в кислоте), дают электрический ток. В честь Вольта единица напряжения тока и названа вольтом. А в честь Гальвани, хоть он и ошибался, все источники электричества, подобные описанному, стали называть гальваническими элементами. При этом к созданию гальванических элементов Гальвани не имел никакого отношения!

В действительности оказалось, что Гальвани не так уж и ошибался – живые ткани все-таки вырабатывают электричество, но чрезвычайно малой мощности.

Вольтовый столбВольтовый столб

Всего через год после этого, в 1803 году, русский физик Василий Петров для демонстрации электрической дуги собрал самую мощную химическую батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых электродов. Выходное напряжение этого монстра достигало 2500 вольт. Впрочем, ничего принципиально нового в этом "вольтовом столбе" не было.

Элемент ДаниэляЭлемент Даниэля

В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медны й электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться "элементом Даниэля".
В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрел свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

Свинцово-кислотный и марганцево-цинковый аккумуляторыСвинцово-кислотный и марганцево-цинковый аккумуляторы

Начало промышленного производства первичных химических источников тока было заложено в 1865 г. французом Ж.Л. Лекланше, предложившим марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создает первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания NationalCarbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше "Columbia". Самый долгоживущий гальванический элемент серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г. До 1940 г. марганцево-цинковый солевой элемент был практически единственным используемым химическим источником тока.

Серно-цинковая батареяСерно-цинковая батарея

1.4. Принцип действия химических источников тока

Химическими источниками тока - это устройства, вырабатывающие электрический ток за счет энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов.
Основу химических источников тока составляют два металлических электрода: катод, содержащий окислитель, и анод, содержащий восстановитель, контактирующие с электролитом.

Действие химических источников тока основано на двух пространственно раздельных процессах: при замкнутой внешней цепи на катоде происходит реакция окисления, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках тока используются:

  • на аноде в качестве восстановителя - свинец, кадмий, цинк и другие металлы;
  • на катоде в качестве окислителя - оксид свинца, медь;
  • в качестве электролита - растворы щелочей, кислот или солей.

Исследовательская часть

Для эксперимента мне понадобились:

  • Фрукты и овощи (лимон, груша, 3 яблока, картофель, лук, капуста).
  • Провода, зажимы.
  • Мультиметр.
  • Латунные, железные, медные гвоздики.
  • Светодиод.

Измерение напряжения, силы тока овощей и фруктов

Измерения проводились с помощью мультиметра выставленного в положение силы тока мкА (в некоторых случаях в мА). Напряжение V выставлено до 2В. Медный, латунный и железный гвоздик вставляем в овощи или фрукты. Далее экспериментально измеряем с помощью мультиметра и анализируем силу тока и напряжение таких батарей.

ГвоздиГвозди

 

1. Лимон

Измерение силы тока и напряжения на лимонеИзмерение силы тока и напряжения на лимоне

На снимке видно, что сила тока в данном фрукте составила 43,5 мкА, а напряжение составляет 0,947В.

2. Груша

Сила тока и напряжение грушиСила тока и напряжение груши

Сила тока на показанном фото составляет 178,8 мкА, а напряжение 1,002 В.

3. Яблоки
В работе было протестировано 3 яблока.

Измерение показателей яблока 1Измерение показателей яблока 1

Яблоко 1: Сила тока 95,6 мкА, а напряжение 0,983 В.
Яблоко 2: сила тока составляет 115,5 мкА, а напряжение 1,005В.
Яблоко 3: сила тока 109,3 мкА, а напряжение 0,944 В.

6. Картофель

Измерение силы тока и напряжения картофеляИзмерение силы тока и напряжения картофеля

Сила тока на изображенном фото составляет 101,0 мкА, а напряжение 0,905 В.

7. Вареный картофель

Измерение силы тока и напряжения вареного картофеляИзмерение силы тока и напряжения вареного картофеля

На изображенном фото сила тока в овоще составляет 1,441 мА, а напряжение 0,819 В.

8. Лук

Измерение лука мультиметромИзмерение лука мультиметром

На показанном фото показано, что измеренная мультиметром сила тока составляет – 91,8 маК, а напряжение 0.819 В.

9. Запеченное яблоко

Производим замеры запеченного яблокаПроизводим замеры запеченного яблока

В эксперименте с запеченным яблоком сила тока составила 1,690 мА, а напряжение 0,690В.

10. Капуста

Результаты измерения капустыРезультаты измерения капусты

На представленном фото сила тока в капусте составляет 7,33 мкА, а напряжение 0,844 В.

Анализ измерений

Анализируя показатели мулитиметра выставленного в положении мкА и В, можно сказать что, сила тока в овощах и фруктах присутствует, причем в сырых и вареных овощах значения разные. Данные предоставлены в таблице ниже.

Таблица 1.

Фрукт / Овощ

V до 2В(Вольт)

мкА(микроА)

мА(милиА)

Лимон

0,947

43,5

-

Груша

1,002

178,8

-

Яблоко 1

0,983

95,6

-

Яблоко 2

1,005

115,5

-

Яблоко 3

0,944

119,3

-

Картофель

0,905

101,0

-

Вареный картофель

0,819

-

1,441

Лук

0,819

91,8

-

Запеченное яблоко

0,690

-

1,690

Капуста

0,844

73,3

-

 

Диаграмма 1Диаграмма 1

На данной диаграмме видно, что самое большое значение показывает яблоко 2.

Диаграмма 2Диаграмма 2

В Диаграмме 2 показано, что наибольшее значение мкА выявлено в Груше.
Для наглядности результаты проведенных опытов можно увидеть и сравнить. Вытаскивая медный, железный и латунный гвоздики из овощей и фруктов, можно обратить внимание, что они сильно окислились. Это значит, что кислота вступала в реакцию с латунью, железом и медью. За счет этой химической реакции и протекал очень слабый электрический ток.

Выводы: фрукты и овощи могут служить источниками тока, если ввести в них медный, железный и латунные гвоздики. Напряжение между электродами приблизительно одинаковое. А величина силы тока, вероятно, связана с содержанием кислоты в продукте. Чем больше кислотность, тем больше сила тока.

Подключение лучшей овощной цепи к светодиоду

Чтобы запитать светодиод нужно чтобы овощная цепь выдавала от 3.0B до 3.6В постоянного напряжения. Для подключения светодиода было собрано 3 овощные цепи:

1. Картофель + картофель + картофель

Овощная цепь 1Овощная цепь 1

2. Яблоко + груша + лимон + капуста

Овощная цепь 2Овощная цепь 2

3. Лук + картошка + капуста

Овощная цепь: лук + картофель + капустаОвощная цепь: лук + картофель + капуста

Таблица 2.

Овощная цепь

V

мкА

1. Картофель+ картофель + картофель

2,64

123,2

2. Яблоко + груша + лимон + капуста

3,41

104

3. Лук + картошка + капуста

2,16

96,9

Исходя из таблицы 2 можно сделать вывод что для запитки светодиода 3.0-3.6 В хорошо подходит овощная цепь 2 (яблоко + груша + лимон + капуста) с напряжением 3.41В. Далее подключим ее к светодиоду.

На фото видим что светодиод засветился это означает для светодиода это комфортное рабочее напряжение.

Вывод: батарейки, состоящие из фруктов и овощей можно использовать для приборов с низким потреблением энергии.

Подключение капусты к светодиодуПодключение капусты к светодиоду

Заключение

Изучив теоретический материал, а именно что такое электрический ток, историю создания химических источников тока, а также принцип действия химических источников тока можно сказать, что при наличии в овоще или фрукте анода и катода, при химической реакции можно получить электрический ток.

Из практической части видно, что из овощей и фруктов можно получить силу тока и напряжение, это подтвердилось в ходе экспериментов на разных овощах и фруктах. Найдена овощная цепь с высоким показателем силы тока и напряжения, запитан светодиод.

Практическое применение овощей и фруктов в качестве источников питания возможно, но пока только для питания приборов, потребляющих очень малое количество электроэнергии, например, часов или светодиодов. Однако развитие данного направление - это огромный вклад в вопросы мировой экологии, и оно непременно должно развиваться дальше.

Чтобы скачать материал зарегистрируйтесь или войдите!