Практическое использование нетрадиционных источников электрической энергии

Зависимость напряжения и силы тока от глубины погружения электродов

Используя условия исследований, предложенные Д. Карчебановой, мы решили провести измерения не гальванометром, т. к. это очень чувствительный прибор, а обычным школьным вольтметром, погрешность измерений которого +_ 0,15 В. Мы не стали повторять замеры лимона, яблока, свеклы и других овощей и фруктов, ориентируясь на готовые результаты и соглашаясь, что показания на лимоне будут намного выше, чем показания на остальных испытуемых овощах. Мы сразу начали проводить эксперименты на картофеле. В качестве электродов взяли медную и цинковую пластины, как было предложено ранее. Опыты дали следующие результаты.

Площадь (S) медной пластины (cм2 ) 1 1 1 1 1 1

Площадь ( S) цинковой пластины (cм2) 0,25 0,5 1 1,5 2 2,5

Напряжение U (В) 0,7 0,8 0,9 0,9 0,9 0,9

Площадь (S) цинковой пластины (cм2) 1 1 1 1 1 1

Площадь (S) медной пластины (cм2) 0,25 0,5 1 1,5 2 2,5

Напряжение U (В) 0,7 0. 8 0,9 0,9 0,9 0,9

Наилучшие результаты дали погружения пластин одновременно:

- медная ( Cu + ) площадью 1,0см2

- цинковая ( Zn- ) площадью 1,0см2 , при этом максимальное значение напряжения достигло 0,9В.

Дальнейшее погружение пластин не дало заметных изменений напряжения и оставалось постоянным.

6 Диаграммы зависимости напряжения от глубины погружения пластин следующие:

U (В) S (Cu ) пластины постоянная U(В) S ( Zn) пластины постоянная

S(Zn)см2 S(Cu)см2

Таким образом, наши измерения дали более действительный результат, чем измерения выполненные гальванометром. И теперь можно решать вопрос использования такого электрического источника питания на практике.

Составляем батареи из картофеля

В своей работе Д. Карчебанова отметила, что она подключила собранный ею гальванический элемент к наручным электронным часам и к радиоприёмнику малой мощности, но часы сразу вышли из строя (!?), а в радиоприемнике слышался только слабый треск.

На наш взгляд это возможно, т. к. в качестве источника электрического тока использовалась только одна пара (Zn,Cu) пластин погруженных в картофель, но, несмотря на высокое значение напряжения по гальванометру, сила тока была не достаточно.

Мы решили провести опыты по составлению батарей. Первое, что сделали, это погружали попарно цинковые и медные пластины соединённые параллельно в картофель и получили следующие результаты. При погружении 1-ой пары пластин результаты были 0,9В, о чём уже говорили. При погружении в картофель 2-х пар пластин соединенных параллельно, напряжение оставалось 0,9В. При погружении 3-х пар пластин соединенных параллельно, напряжение не изменялось и оставалось равным 0,9 В.

Количество пар пластин ( Cu+,Zn- ) 1 пара 2 пары 3 пары

Напряжение на электродах ,U(В) 0,9 0,9 0,9

Да ведь это и понятно, при параллельном соединении источников питания напряжение остается неизменным.

Uобщ. =U1=U2=U3.

Но нас интересует изменение силы тока. В качестве нагрузки мы подключили динамик сопротивлением 8 Ом 0,3 Вт.

При подключении динамика к нашему источнику питания состоящего из одной пары цинковой и медной пластин миллиамперметр показал значение силы тока 1,3 мA, послышался слабый треск в динамике. При добавлении еще двух пластин соединенных параллельно первым, значение тока возросло до 2,6 мA, треск усилился и при введении в картофель третьей пары пластин соединенных параллельно первым двум ток увеличился до 3,9 – 4мA, усилились и звуковые сигналы в динамике.

Количество пластин 1 пара 2 пары 3 пары

Сопротивление R (Oм) 8 8 8

Сила тока I (mA) 1,3 2,6 4

I ( мА)

Да, при параллельном соединении источников тока увеличивается сила тока:

I общ. = I1 + I2 + I3

Мы убедились, что составленные разным образом пары пластин, помещенные в картофель, представляют своеобразную батарею, вырабатывающую электрический ток.

Но пригодится ли такая батарея на практике? Можно ли ею пользоваться? Мы решили проверить.

Подключи и убедись!

Мы решили проверить будет ли от нашей батареи работать какое-нибудь маломощное устройство. Для этой цели приобрели FM радиоприемник, который работает от двух бата-реек типа «ААА» напряжением 1,5 В каждая. Звуковой сигнал выводится через динамик и головные телефоны.

Сначала мы убрали только одну батарейку и вместо неё подключили, соблюдая полярность Zn (-); Cu (+); батарею из картофеля. К нашему огорчению из динамиков слышался только свист, хрип и другие звуки. Громкость была хорошая, но это был свист. Ни какое сканирование станций не помогало.

Тогда мы решили вместо динамика включить наушники. И результат превзошел все ожидания! Наш радиоприемник выдал чистые, громкие звуки TV передачи 1-го канала! Затем мы «поймали» станцию «Юность» и передачу на якутском языке. Наша картошка заработала, но пока вместе со стандартной батареей.

Оказалось, что мы радовались рано! При попытке повторить наш эксперимент в последующие 2 дня результатов не было. Мы решили уточнить, какую силу тока

9 потребляет наш радиоприемник. Собрали цепь с подключением миллиамперметра и выяснили, что при включенном динамике он потребляет ток равный 20мА, а при включенных наушниках 10-12мА.

Но ведь наша картофельная батарея давала только 4мА и приемник работал. Стали сопоставлять условия и вспомнили, что перед подключением картофеля выводы были соединены с одной из батареек. Проверили, то есть подключили батарею из картофеля к батарее типа «ААА», подержали минуты 3, подключили к приемнику, и услышали радиостанцию!

Проверили силу тока на картофеле, она оказалась равна 10 мА. Так мы выяснили, что наша батарея способна аккумулировать энергию от других источников с увеличением силы тока. ( Надо будет ещё проверить ).

Но нас это не устраивало. Мы решили искать условия, при которых составленная батарея была бы работоспособна. Экспериментируя, решили добавить в картофель несколько капель нашатырного спирта ( 10% раствор аммиака ). Заметили, что сила тока увеличилась до 10мА, напряжение оставалось прежним, равным 0,9В.

Подключили батарею к приемнику. Он работал, принимая станции в течение 4-х часов не отключаясь. За это время сила тока понизилась до 0,5мА, после чего стал пропадать звуковой сигнал. Индикатор питания (красная лампочка) приемника отключился при силе тока 0,6мА.

Первое подключение и проверка FM – приёмника при замене одной батареи типа «ААА» на батарею из картофеля. Егоров Петр.

Решили проверить работу картофельной батареи с другими маломощными потребителями электрической энергии. Для этого взяли часы MIRACLE с большим дисплеем, работающие от 1-ой батарейки типа «ААА». Сделали замену батарейки на батарею из картофеля и часы исправно показывали время, настройки часов работали.

Затем подключили другой FM – приёмник, работающий от одной батарейки типа «АА», напряжением 1,5 В. Были уверены, что приёмник начнёт работать без проблем.

Ошиблись

Как после выяснилось, сила тока в таком приёмнике составляет до 40 мА. Стали искать способ увеличения тока. После ряда проведённых опытов по различному подключению пар пластин ( Zn, Cu ) и катализаторов сумели поднять силу тока до 30 мА, что позволило подключить не только этот FM – приёмник, но смогли подключить и первый приёмник, работающий от двух батареек типа «ААА». Для этого собрали ещё две батареи, соединив их последовательно, увеличили напряжение до 2,6 В при силе тока от 10 мА до 30 мА.

Приёмник работал и через динамик, и через наушники.

Для большей убедительности мы ещё подключили калькулятор и дали им поработать желающим Испытания прошли успешно.

Мы убедились, что источник питания собранный из картофеля, вполне работоспособен и его можно использовать в маломощных потребителях.

Для того, чтобы пластины быстро не окислялись мы завернули наши батареи в целлофан.

Исследуем электрохимический ряд напряжений металлов

Li. K. Ca. Na. Mg. Al. Mn. Cr. Zn. Fe. Co. Ni. Sn. Pb. H2. Cu. Hg. Ag. Au.

и ряд электроотрицательности неметаллов

Si. As. H. P. Se. I. C. S. Br. Cl. N. O. F.

Затем мы решили проверить электроды из различных металлов для того, чтобы убедиться, что наибольшее значение напряжения и силы тока получаются именно при сочетании Cu - Zn.

Для этого мы погружали в картофель следующие металлы, свинец, медь, железо, цинк, алюминий, угольную пластину. Результаты были следующие:

№	Площадь Соединения электродов ( S, см2 )	Напряжение ( U,В )	Сила тока ( I, мА )
1	Свинец (Pl +) - Алюминий (Al-) 1+1	0,15	0,1
2	Уголь ( C + ) - Свинец ( Pl - ) 1+1	0,5	0,25
3	голь ( C + ) - Медь ( Cu -) 1+1	0,2	0,1
4	Уголь ( C + ) - Цинк (Zn - ) 1+1	1	0,6
5	Медь ( Cu +) - Алюминий (Al - ) 1+1	0,4	0,2
6	Медь ( Cu + ) - Свинец ( Pl - ) 1+1	0,1	0,2
7	Алюминий (Al +) - Цинк (Zn - ) 1+1	0,2	0,08
8	Свинец (Pl + ) - Цинк ( Zn -) 1+1	0,3	0,25

Мы выяснили, что наилучшее сочетание, кроме медь – цинк, дают уголь-цинк. Напряжение поднялось до 1В при погруженных пластин на 1 см2. , но сила тока достигала 0,6 мА.

В общем, на практике можно поэкспериментировать и с сочетанием медь – алюминий, уголь – свинец.

Таким образом, мы убедились, что действительно ряд напряженностей металлов, предложенный ещё Алессандро Вольта верен. И наибольшая активность у химических элементов, отстоящих друг от друга на большем расстоянии.

Необходимо более активно поработать с различными катализаторами и найти лучшие варианты, что мы и планируем в дальнейшем.

Влияние катализаторов на работу батареи

Для исследования зависимости силы тока и напряжения от катализаторов мы выбрали различные растворы, с которыми и поработали.

Исследования проводились с одной парой пластин медь – цинк, с двумя и тремя. В качестве растворов взяли, то, что было под рукой - это муравьиный спирт, борный спирт, салициловая кислота. Площадь пластин старались выдерживать стандартную т. е. 1 см2 для каждой пластины. Получили следующие результаты:

Спирт муравьиный Спирт борный Салициловая кислота

1 пара 2 пары

Напряжение Сила тока Напряжение Сила тока

(В) (мА) (В) (мА)

Без раствора 0,8 0,7 0,8 0,7

Спирт этиловый 0,7 0,5 0,75 0,6

Кислота азотная HNO3 концентр 0,8 0,7 0,8 6,0

Гидроксид натрия NaOH 0,7 0,7 0,5 0,6

Кислота уксусная 0,8 0,9 0,8 1,2

Ацетон 0,85 1,2 0,7 1,1

Спирт бутиловый нормальный 0,8 1,0 0,7 1,0

Спирт изобутиловый 0,8 1,0 0,7 0,9

Спирт муравьиный 0,9 1,4 0,8 1,6

Сода пищевая Na2CO3 0,9 1,4 0,9 3,3

Раствор пищевой соли NaCl 0,8 1,4 0,8 5,0

Серная кислота концентр. H2SO4 0,8 0,8 0,8 1,5

кислота концентр. HCl 0,9 0,6 0,8 1,2

Раствор аммиака 10% 0,9 1,0 0,9 3,5

Наиболее интересный случай мы наблюдаем с азотной кислотой, поэтому её решили проверить ещё раз. Меняя площади пластин от 0,5 см2 до 1,5 см2, и прижимая плотнее пластины мы добились следующих результатов:

Начальные условия Конечные условия

Раствор

Напряжение Сила тока Напряжение Сила тока

(В) (мА) (В) (мА)

0,7 1,0 0,7 15,0

Азотная кислота

0,7 1,0 0,8 25,0

0,7 1,0 0,9 30,0

В качестве нагрузки при проведении опытов брали головные телефоны от FM – радио.

Все исследования проведены только для одной пары пластин медь – цинк. Конечно, для получения более точных данных необходимо произвести не 2 – 3 замера , а больше.

Заметно, что некоторые растворы приводят не к увеличению силы тока и напряжения, а к понижению. В основном это растворы с содержанием воды.

Данные таблицы могут носить только рекомендательный характер, т. к. условия применения батареи могут меняться.

На практике большой интерес могут вызывать следующие растворы - сода пищевая, раст- вор пищевой соли, раствор аммиака как наиболее часто встречающиеся.

Когда мы проверили батарею с содержанием азотной кислоты через 6 часов, то оказалось, что сила тока составляет 12 мА, а напряжение 0,8 В. После проверки через 24 часа – сила тока составляла 10 мА, а напряжение 0,8 В.

А если зарядить?

Мы решили вернуться к тому моменту, когда попробовали зарядить картофельную батарею ( о чём говорили в главе 3 ). Для этого поместили одну пару пластин в картофель на глубину 1 см2 каждую, добавили несколько капель раствора аммиака и получили значения

14 напряжения – 0,9 В, силы тока - 1мА. После чего соединили с выпрямителем « Вега » и подключили к сети переменного тока, установив напряжение равное 3 В. Изменяя время зарядки, мы получили следующие результаты.

Начальные условия Конечные условия

Раствор Время

Напряжение (В) Сила Темпера-тура (0С) Напряжение (В) Сила тока(мА) Температура (0С)

тока(мА)

10% 0,9 3,5 17,5 5

раствор 0,9 1,0 17,0

аммиака

1,0 4,5 17,8 10

1,2 7,0 18,2 15

Как видим, при зарядке увеличивается не только сила тока, но и напряжение.

Мы отключили зарядное устройство, и в течение 2 минут сила тока опустилась до 4 мА, напряжение до 1В, а в последующие 4 минуты сила тока опустилась до 3,5 мА, напряжение до 0,9 В и эти значения оставались достаточно долго. Значит, действительно картофельная батарея способна заряжаться.

Затем мы решили перемолоть картофель через мясорубку и поэкспериментировать с картофельной кашицей. Кашицу поместили в пластиковый контейнер без добавок и стали вводить поочерёдно 1,2,3 пары пластин. Результаты оказались интересные.

1 пара пластин 2 пары пластин 3 пары пластин

U (В) I (мА) U (В) I (мА) U (В) I (мА)

0,9 13 0,9 21 0,9 27

Решили зарядить такую батарею с тремя парами электродов, без каких – либо добавок выпрямителем « Вега ». Результаты оказались ещё более неожиданными.

Время Начальные условия Конечные условия зарядки

U (В) I (мА) t0 ( 0С) U (В) I (А) t0 ( 0С)

20 минут 0,8 В 16 мА 210С 1,5 В 0,2 (А) 22,50С

Как видим сила тока выросла от 16 мА до 0,2 А ! Да и напряжение заметно увеличилось от

0,8 В до 1,5 В.

Добавили несколько капель раствора аммиака и снова подключили к выпрямителю.

Результаты были следующие.

Время Начальные условия Конечные условия зарядки

Напряжение Сила тока Напряжение Сила тока

5 минут 0,9 В 0,18 А 1,0 В 0,24 А

10 минут 1,2 В 0,26 А

15 минут 1,3 В 0,28 А

20 минут 1,5 В 0,32 А

Итак, мы сумели увеличить силу тока от 1,2 мА в начале своей работы до 0,32 А в конце исследований. Научились подключать различные устройства к своей батарее и думаем использовать свои исследования в дальнейшем на практике.

Кстати, через 3 – е суток, у такой батареи из трёх параллельных пластин, сила тока составляла 0,12А, а напряжение 0,8В.

Известно, что потребление электрической энергии растет все больше и больше. И первоочередной задачей энергетики становятся поиски новых источников, в том числе и нетрадиционных.

Все больше выпускается электронных устройств потребляющих малое напряжение и силу тока. Так почему бы, не вспомнить и о таких не стандартных гальванических элементах, которые могут выручить в неожиданной ситуации. Которые можно сделать из подручных материалов и не обязательно из картошки.