Исследовательская работа по окружающему миру

ВВЕДЕНИЕ

В  декабре в микрорайоне Октябрьский, где я проживаю, произошло нарушение электроснабжения. Без света остались 105 жилых домов,  4 социально-значимых объекта,  две школы и два детских сада. Причиной массового отключения от электроснабжения явились значительные перегрузки в сетях. Нагрузка выросла в холода. Больше суток проводились аварийно-восстановительные работы. Моя семья жила при свете электрических фонариков. Мне стало интересно, откуда в батарейке берется свет. Я решил узнать:

1.     Выяснить, что такое электричество.

2.     История освоения электрической энергии.

3. Как устроена электрическая батарейка.

4. Как появляется ток в батарейке.

Электричество – это полезная форма энергии. Она может быть преобразована в другие формы (тепло или свет) и может передаваться на большие расстояния по проводам. Электричество снабжает все электроприборы, от часов до компьютера, необходимой энергией. Благодаря электричеству наши дома, заводы, офисы и магазины обеспечены теплом и светом.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД

Все виды материи состоят из крошечных частиц, называемых атомами. Внутри каждого атома есть ядро. Оно состоит из протонов, которые имеют положительный заряд, и нейтронов, которые не имеют заряда. Отрицательно заряженные частицы, называемые электронами, вращаются вокруг ядра. Обычно число протонов и электронов равно. Их заряды уравновешены, и атом электрически нейтрален. Единица измерения заряда в Международной системе единиц – кулон.

Атом может принимать или отдавать электроны. Если он принимает электрон, то становится отрицательно заряженным (-). Если он теряет электроны, то становится положительно заряженным ( + ).

Строение атома

Если заряженные частицы находятся на близком расстоянии друг от друга, то они начинают воздействовать друг на друга. Это явление называется силой электрического взаимодействия. Расстояние, на которое действует эта сила, называется электрическим полем.

Частицы с противоположными зарядами (положительная и отрицательная) притягиваются друг к другу. Частицы с двумя одинаковыми зарядами (обе частицы заряжены положительно или отрицательно) отталкиваются друг от друга.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

В некоторых веществах отдельные электроны не удерживаются атомами и свободно перемещаются между ними. Если их заставить двигаться в заданном направлении, то такое движение электрических зарядов называется электрическим током.

Вещество, через которое проходит ток, называют проводником. Практически все металлы – проводники электрического тока. Те же вещества, которые не проводят электрический ток, называют изоляторами. К изоляторам относят пластик, резина и.т.д.

ИСТОРИЯ   ОТКРЫТИЯ   ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Около 2000 лет назад древнегреческий фи­лософ Фалес обнаружил, что, если кусок ян­таря потереть о шелк или перышко, они при­тянутся к янтарю. Теперь мы знаем, что при трении в янтаре возникает электрический за­ряд. Эту энергию люди научились использо­вать много позже, когда изобрели батарею, вырабатывающую электрический ток. Само слово «электричество» происходит от грече­ского названия янтаря – электрон.

Опыты Луиджи Гальвани

Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. Он изучал сначала богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины в Болонском университете.

Первые работы Гальвани посвящены сравнительной анатомии. В 1771 г. он начал опыты по животному электричеству: открыл и исследовал феномен сокращения мышц препарированной лягушки под влиянием электрического тока; наблюдал сокращение мышц при соединении их металлом с нервами или спинным мозгом, обратил внимание на то, что мышца сокращается при одновременном прикосновении к ней двух разных металлов. Гальвани объяснил эти явления существованием «животного электричества», благодаря которому мышцы заряжаются подобно лейденской банке. Результаты наблюдений и теорию «животного электричества» он изложил в 1791 в работе «Трактат о силах электричества при мышечном движении» («De Viribus Electricatitis in Motu Musculari Commentarius»). Новыми опытами (опубликованы в 1797) Гальвани доказал, что мышца лягушки сокращается и без прикосновения к ней металла – в результате непосредственного её соединения с нервом. Исследования Гальвани имели значение для медицинской практики и разработки методов физиологического эксперимента.

Но физик, поверивший сначала в существование «животного электричества», вскоре пришел к противоположному выводу о физической причине явления. Этим физиком был знаменитый соотечественник Гальвани Алессандро Вольта.

Алессандро Вольта родился 18 февраля 1745 г. в небольшом итальянском городе Комо, расположенном вблизи озера Комо, недалеко от Милана. В нем рано проснулся интерес к изучению электрических явлений. В 1769 г. он публикует работу о лейденской банке, через два года – об электрической машине. В 1774 г. Вольта становится преподавателем физики в школе в Комо, изобретает электрофор, затем эвдиометр и другие приборы. В 1777 г. он становится профессором физики в Павии. В 1783 г. изобретает электроскоп с конденсатором, а с 1792 г. усиленно занимается «животным электричеством». Эти занятия привели его к изобретению первого гальванического элемента.

В 1800 г. он построил первый генератор электрического тока – вольтов столб. Это изобретение доставило ему всемирную славу. Он был избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. Но в науке Вольта после своего великого открытия уже не сделал ничего значительного. В 1819 г. он оставил профессуру и жил в своем родном городе Комо, где и умер 5 марта 1827 г. (в один день с Лапласом и в один год с Френелем).

Вольтов столб – первая батарейка

Термин «батарейка» был впервые использован Бенджамином Франклином, но первую электрическую батарейку, известную под названием «гальваническая батарея», изобрел итальянский физик Алессандро Вольта в 1800 году. Вольта смог собрать электрическую цепь, используя батареи из меди и цинка, разделенные тканью, смоченной в соленой воде. Интересно, что все это исследование началось благодаря реакции, произошедшей во время вскрытия лягушек. Аппарат Вольта был необычайно прост.

Кружок металлического цинка накладывался на кружок из серебра или меди, хотя бы на обыкновенную монету. Затем на металлические кружки накладывался кружок из картона, из кожи или сукна, пропитанный соленой водой. На этот кружок опять накладывался серебряный, на него снова цинк, а потом еще раз сырая кожа. Так повторялось десять, двадцать, тридцать раз подряд – серебро, цинк, влажная кожа. Получался столб – «вольтов столб», как его потом назвали. И это бесхитростное нагромождение металлических и неметаллических кружков давало электричество непрерывно и безотказно.

Столб Вольта можно было построить и по-другому – положив его как бы набок. Десяток, два или любое другое количество стеклянных банок, наполненных соленой водой или разбавленной кислотой, устанавливались подряд одна за другой. В каждую банку опускали с одного края медную пластинку, с другого – цинковую. И всю эту батарею банок превращали в одно целое тем, что медную пластинку каждой банки соединяли с цинковой пластинкой соседней банки. Такая батарея занимала гораздо больше места, чем столб из кружочков, зато действие ее было гораздо сильнее.

Каждый без труда мог построить себе подобный аппарат и проверить действие новой силы, открытой Гальвани и Вольта.

Элемент Даниэля и угольный-цинковый элемент Лекланша

Совершенствуя технологию изобретения Вольты, Джон Фредрик Даниэль в 1836 году разработал устройство, известное под названием «Элемент Даниэля». Этот элемент был первым, который использовал некоторые из привычных составляющих батарейки, использующихся и сегодня. В 60-х гг. ХІХ века Жорж Лекланш из Франции изобрел будущего предшественника самой используемой батарейки в мире – угольно-цинковый элемент. Несмотря на то, что элемент Лекланша был прочным и недорогим, в 80-е гг. ХІХ века его заменил улучшенный «сухой элемент», который в общем является угольно-цинковым элементом, до сих пор использующимся во многих частях света.

Щелочная батарейка

Технология производства щелочных батареек получила свое развитие в 50-х гг. ХХ века. Используя щелочной электролит и другие более активные ингредиенты, щелочной элемент получил значительные преимущества работы по сравнению с угольно-цинковыми батарейками. Щелочная батарейка имеет большую плотность энергии, больший срок хранения и много других преимуществ по сравнению с обычными угольно-цинковыми батарейками. Большинство батареек стандартного размера.

Конструкция батарейки

Обычные щелочные батарейки состоят из четырех основных компонентов:

1. Анод – отрицательный "топливный" электрод, содержащий электроны, которые питают Ваши устройства.

2. Катод – положительный электрод, принимающий электроны из внешней цепи и помогающий их проведению.

3. Электролит – проводник заряда между анодом и катодом внутри элемента.

4. Сепаратор - материал, обеспечивающий барьер между анодом и катодом с целью предотвращения их соприкосновения и обеспечения свободного движения заряда.

Типы батареек

Сегодня используется множество разных типов батареек, но в большинстве из них содержатся одни и те же компоненты, перечисленные выше. Ионно-литиевые батарейки обычно используются в таких устройствах, как мобильный телефон или ноутбук. Круглые батарейки, которые могут быть сделаны из разных ингредиентов или веществ, обычно используются в пультах дистанционного управления, игрушках и многих других устройствах. Основные типы круглых батареек – угольно-цинковые, щелочные и литиевые.

Как работает батарейка

Многие устройства от пультов дистанционного управления до самых высокотехнологичных портативных гаджетов – все они питаются от батареек. Но чем именно является батарейка и как ей удается так долго вырабатывать энергию?

Говоря простым языком, батарейка - это устройство, превращающее химическую энергию в электричество. В результате подключения к Вашему устройству, питающемуся от батареек, она помогает замкнуть электрическую цепь и обеспечивает устройство энергией. Стандартные батарейки имеют два конца:

- Положительный (+): катода.

- Отрицательный (–): анода.

Когда батарейки подключены к устройству, электроны движутся от отрицательного конца к положительному, таким образом, создается поток электронов. Энергия, содержащаяся в батарейке, используется для питания Вашего устройства – электроны идут потоком от батарейки по электрической цепи.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Конструирование батарей

1.       Фруктовая батарея.

Возьмем четыре лимона. Проделаем в лимоне ножом два небольших надреза и с помощью ножа разминаем содержимое лимонов. Это позволит облегчить прохождение зарядов через лимон и усилит силу тока.

Вставим в одно из отверстий скрученный спиралью медный провод – это будет положительный контакт «батарейки».

В нескольких сантиметрах от медного провода вставим в лимон оцинкованный шуруп. Убедимся, что медный провод и шуруп не соприкасаются (во избежание замыкания).

Включим вольтметр, поднесём один его контакт к медному проводу, а другой – к шурупу. Убедимся, что на контактах лимонной «батарейки» присутствует напряжение около одного вольта.

При помощи проводов с зажимами типа «крокодил» соединяем контакты лимонов друг с другом. Сначала подсоединим один провод к плюсу (медный провод) первого лимона (второй конец провода оставим пока свободным). Затем вторым проводом соединим минус (шуруп) первого лимона с плюсом второго лимона. Третьим проводом соединим плюс второго лимона с минусом третьего. Четвёртым проводом соединим плюс третьего лимона с минусом четвёртого. Пятый провод подсоединим в плюсу четвёртого лимона, оставив оставшийся конец провода свободным.

Подсоединим свободные концы первого и пятого проводов к контактам светодиода (первый провод – к отрицательному контакту диода, а пятый – к положительному). Светодиод загорелся.

Аналогичный эксперимент был  поставлен с репчатым луком, апельсинами и солеными огурцами.

2.     Вольтов столб

Для сооружения Вольтова столба возьмем 12 медных пластин, в нашем случае – закручиваем в виде спирали медную проволоку. Диаметр спиралей около 3 см. По размеру спирали вырезаем 12 кружков из пищевой фольги и 50-60 кружков из ткани.

Укладываем на поверхность стола сначала медную спираль. Затем – 4-5 слоёв смоченной в солевом растворе ткани. На ткань – круг из алюминиевой фольги. Далее повторяем: медь, ткань, алюминий. Верхний слой должен быть алюминиевым.

Всего у нас получилось 12 слоёв медь-ткань-алюминий.

К нижнему медному контакту подключаем (с помощью проводов с зажимами «крокодил») «+» светодиода. К верхнему слою алюминия подключаем «-» светодиода. Светодиод рассчитанный на напряжение 3 В загорелся.

3.       Солевая  батарея

Для создания батареи понадобилось четыре емкости с раствором поваренной соли. Погрузим в каждую емкость скрученный спиралью медный провод – это будет положительный контакт «батарейки».

Рядом с медным проводом погружаем оцинкованный шуруп. Убедимся, что медный провод и шуруп не соприкасаются (во избежание замыкания).

При помощи проводов с зажимами «крокодил» соединяем контакты емкостей друг с другом. Как в фруктовых батарейках, соединяем последовательно медные провода с оцинкованными шурупами соседних ёмкостей.

Подсоединим свободные концы первого и пятого проводов к контактам вольтметра. Показание вольтметра – около 3 вольт.

Затем вместо вольтметра подключаем светодиод (первый провод – к отрицательному контакту светодиода, а пятый – к положительному). Светодиод загорелся.