Виготовлення та дослідження гальванічних елементів з овочів та фруктів – МАНЛаб


Виготовлення та дослідження гальванічних елементів з овочів та фруктів

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.
Рівень складності Середній
Рівень небезпеки Безпечно
Доступність використовуваних матеріалів Можливо виконати в домашніх умовах
Орієнтовний час на виконання роботи До 2 годин

Блок 1. Резюме

Мета роботи: виготовлення гальванічних елементів з овочів і фруктів та дослідження їхніх характеристик.

Завдання роботи: виготовити один або декілька гальванічних елементів з використанням овочів та фруктів та дослідити їхні характеристики.

Блок 2. Попередня інформація

Рис. 1. Варіант створення батареї гальванічних елементів з використанням овочів та фруктів

Гальванічний елемент – це хімічне джерело живлення, в якому використовується різниця електродних потенціалів двох металів, занурених у електроліт.

Як правило, такий елемент складається з двох різних металів, занурених в окремий електроліт. Кожен з електродів разом з електролітом, у який він занурений, утворює напівелемент. Напівелементи можуть бути з’єднані між собою за допомогою соляного містка (рис. 2а) або відокремлені один від одного пористою мембраною (рис. 2б). Наприклад, це можуть бути цинковий і мідний електроди, занурені відповідно у розчини солей цинку та міді.

На поверхні кожного з металів, занурених в електроліт, утворюється подвійний електричний шар внаслідок переходу частини атомів металу в розчин у вигляді іонів. Як наслідок, кожен із металів отримує електричний заряд. Якщо з’єднати електроди провідником, то заряд стікатиме від електрода з більшим потенціалом до електрода з меншим потенціалом, утворюючи електричний струм. При цьому потенціали електродів вирівнюватимуться, що призведе до порушення рівноваги між електродом і електролітом. Це, у свою чергу, спричиняє перехід нових атомів з електроду в електроліт. У результаті в замкненому колі підтримується електричний струм, який супроводжується зміною електродів: у зображених на рис. 2 прикладах відбувається розчинення цинкового електроду і відкладення міді на мідному.

Рис. 2. Варіанти гальванічних елементів

Робота гальванічного елемента може відбуватися і у більш простому варіанті, коли електроди з різних металів занурені в один і той самий електроліт (розчин будь-якої солі або кислоти) без соляного містка або мембрани. Такий гальванічний елемент матиме дещо гірші параметри, зокрема меншу електрорушійну силу.

Овочі та фрукти мають свій сік, який можна використовувати як електроліт. Якщо встромити, наприклад, у яблуко два цвяхи (один залізний, другий з міді) і під’єднати їх до електричного навантаження, почнеться процес окиснення і відновлення, в якому яблучний сік виступає електролітом, залізо – анодом, а мідь – катодом. Через хімічні процеси з’явиться напруга. Якщо взяти декілька таких елементів, то можна ввімкнути світлодіодний ліхтарик чи радіоприймач або підзарядити телефон. Такі гальванічні елементи можна реально використовувати в умовах відсутності електроенергії – у туристичних походах, експедиціях, тощо.

Для будь-якого гальванічного елемента актуальним є питання його узгодження з зовнішнім навантаженням.

Для того, щоб визначити оптимальний режим роботи гальванічного елемента, необхідно виміряти напругу U та силу струму I за різних опорів навантаження Rн, побудувати вольт-амперну характеристику елемента та визначити електричну потужність за формулою:

 (1)

Далі необхідно побудувати графік залежності потужності елемента від напруги. На отриманому графіку слід знайти точку, що відповідає максимальній потужності Pmax і знайти напругу, що відповідає максимальній потужності UPmax. Потім за вольт-амперною характеристикою знайти значення сили струму, що відповідає точці максимальної потужності – IPmax.

Опір навантаження, за якого гальванічний елемент працюватиме з найбільшою потужністю, визначається за формулою:

 (2)

Досліджувана проблема полягає в тому, щоб визначити оптимальний режим роботи гальванічного елемента, виготовленого з використанням овочів або фруктів, за напругою, струмом та опором навантаження.

Ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: гальванічний елемент живлення, електричне навантаження, електрична потужність.

Джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Гальванический_элемент

Блок 3. Обладнання

різні овочі та фрукти; відрізки мідного дроту; відрізки алюмінієвого або сталевого дроту, залізні цвяхи; міліамперметр, вольтметр або мультиметри; резистори з різними номіналами (від 100 Ом до 1МОм) або змінний резистор на 1 МОм; з’єднувальні провідники; набірне поле «Школяр» (не обов’язково).

Блок 4. Експериментальна процедура

  1. Візьміть один з наявних овочів або фруктів, встроміть у нього відрізок мідного дроту та відрізок алюмінієвого або сталевого дроту чи залізний цвях так, щоб електроди механічно не дотикалися один одного.
  2. Виміряйте напругу отриманого гальванічного елемента та струм короткого замикання.
  3. Виконайте попередні кроки з іншими наявними овочами або фруктами.
  4. З усіх елементів оберіть один з найбільшими напругою та струмом. Для покращення параметрів у один фрукт або овоч можна встромляти по декілька пар електродів.
  5. Під’єднайте до елементу вольтметр або мультиметр у режимі вимірювання напруги.
  6. Під’єднайте до гальванічного елементу резистор з найменшим опором серед наявних або змінний резистор через міліамперметр або мультиметр у режимі вимірювання струму.
  7. Зафіксуйте струм та напругу.
  8. Підключайте резистори з іншими номіналами або змінюйте опір змінного резистору, щоразу фіксуючи струм та напругу.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

  1. Результати досліджень запишіть у таблицю:
U, В I, мА P, мВт
  1. За формулою (1) визначте потужність гальванічного елемента.
  2. Побудуйте вольт-амперну характеристику елемента (графік залежності струму від напруги).
  3. Побудуйте графік залежності потужності елемента від напруги.
  4. На графіку залежності потужності від напруги знайдіть точку, що відповідає максимальній потужності, та значення напруги в цій точці.
  5. На вольт-амперній характеристиці знайдіть значення сили струму, що відповідає UPmax.
  6. За формулою (2) визначте оптимальний для цього елемента опір навантаження.
  7. Дійдіть висновків щодо того, з яких овочів або фруктів та з використанням яких металів як електродів можна отримувати найкращі гальванічні елементи; які характеристики мають такі гальванічні елементи.

Блок 6. Напрями розвитку

  1. Виготовте батареї гальванічних елементів з використанням овочів та фруктів та дослідіть їхнє використання для живлення конкретних приладів (світлодіода, радіоприймача тощо).
  2. Виготовте і дослідіть ґрунтовий елемент (батарею).