МОУ СОШ №1 г.п.п. Чистые Боры Костромской области Гальваническая ячейка ТЮФ ГСР - 2008 Задача Сделайте гальваническую ячейку, используя в качестве солевого мостика бумажные салфетки. Изучите и объясните, как зависит от времени электродвижущая сила такой батарейки. Планирование выполнения исследований 1. 2. 3. 4. 5. 6. Подбор и поиск оборудования: материалов и средств измерения Работа по теории вопроса: изучение истории изобретения гальванических элементов, работ Л. Гальвани и А. Вольта, прочтение соответствующего материала в учебниках и научнопопулярных изданиях Определение графика временных затрат Изготовление батареек и исследование их параметров: ЭДС, вольт - амперной характеристики ,зависимости свойств от времени Построение графиков зависимости, съёмка электрической цепи, анализ результатов, формулирование выводов Оформление результатов исследования в форме компьютерной презентации Батарейка №1 В ходе проведения исследований мы изготовили 3 батарейки. Первую батарейку мы собрали из монет Советского периода достоинством 3 копейки и 20 копеек по 21 штуке, всего из 42 полуэлементов. В качестве электролита использовали насыщенный раствор поваренной соли, а мостика – бумажные салфетки. ЭДС этой батарейки измерили сразу после изготовления, подсоединив вывод от 3 копеек к «+» милливольтметра, а от 20 копеек к «-». Её значение оказалось – 12 милливольт. Просуществовала наша батарейка около 12 часов. Первоначально ЭДС убывала быстро: в течение 2 часов её значение уменьшилось до 6 мВ, затем процесс пошёл медленнее, а через 12 часов милливольтметр остановился на нуле. Когда батарейку разобрали, то обнаружили, что трёхкопеечные монеты почернели и истончились. Примерно через час после промывки они приобрели зеленоватые участки, что говорит о том, что вещество монет входит в круг меди. Так выглядел первый опыт Батарейка из 42 полуэлементов маленький «вольтов столб» Батарейка №2 Вторую батарейку мы собрали вновь из 42 полуэлементов, используя монеты по 20 копеек после промывки и зачистки вторично, а монеты в 3 копейки использовали новые. В этой конструкции в качестве электролита мы использовали раствор серной кислоты. Сразу после изготовления наша новая батарейка имела ЭДС 50 милливольт. Сила тока после замыкания цепи – 30 микроампер. Затем мы приступили к исследованию параметров и зависимостей Далее мы представим съёмки эксперимента, таблицы и графики этих зависимостей. Съёмки второго эксперимента Наблюдение продолжается… Завершение жизни батарейки… Это «отслужившие» монеты Сила тока, напряжение, ЭДС равны нулю Таблица результатов измерений по схеме №2 7.05.08 г. 14 - 30 t, мин Е, мВ U, мВ I, микроА 0 5 50 20 40 18 30 20 10 15 12 15 15 12 10 12 20 8 7 8,5 25 6 5 4 30 6 5 4 Продолжение таблицы 60 5 4 3 120 5 5 4 4 3 3 8ч.30 мин 2,2 2 2,5 11ч.30мин 2,2 2 2,5 13ч.30мин 1,2 0 1 0 1,2 0 180 8.05.08 г. Время суток 16 часов Первые 3 часа второй батарейки E,мВ 60 50 40 E,В 30 20 10 0 t,мин. 0 10 20 30 120 Е,мВ День второй 2,5 2 1,5 Север 1 0,5 0 8ч 30мин t,время суток 13ч30мин 17часов Вольт-амперная характеристика I,микроA I,микроA 35 35 30 30 25 25 20 20 0 Север 15 15 10 10 5 5 0 0 40 12 7 5 4 2 1 0 От начала наблюдения U,мВ U,мВ 0 1 2 4 5 7 10 12 18 40 40 Сила тока пропорциональна напряжению При измерении ЭДС, силы тока, напряжения, времени имела место погрешность (инструментальная, отсчёта, по которым можно определить абсолютную и относительную погрешность) Батарейка № 3 Батарейку № 3 мы собрали из 5-копеечных монет, цинковых кружков такого же диаметра, вырезанных из стаканчиков плоских батареек. Количество полуэлементов этой батарейки – 58 штук. В качестве электролита мы использовали нашатырный спирт, в качестве мостика – сукно, пропитанное нашатырём. ЭДС этого, самого большого, нашего источника оказалась равна 1,2В, а сила тока при замыкании цепи – 3 миллиампера. С этой батарейкой мы провели аналогичные исследования. Как и две другие, эту батарейку мы обмотали скотчем для удобства работы и придания формы. Хронология батарейки №3 Изготовлена 23.05.к 16- 00. Начальные значения параметров: ЭДС – 1,2В Напряжение – 1В Сила тока – 3 мА При работе под нагрузкой ЭДС быстро убывала и уже в 17-00 пришлось перейти на работу с милливольтметром. К этому времени величина ЭДС была равна 230мВ. Она быстро уменьшалась и в 17-20 стала равна 120 мВ. В 8-30 утра: 24.05 – 20мВ, 25.05 – 15мВ, 26.05 – 10мВ, 26.05 – 0мВ в 17-00 Зависимость Е(t) ячейки № 3 1,4 Е,мВ Е,В 250 1,2 200 1 0,8 Восток 0,6 150 Восток 100 0,4 0,2 50 0 0 0 10 20 30 40 50 60 Первый час (с 16-00 до 17-00) t,мин t,мин 0 2 3 5 10 15 Следующие 20 минут 20 Её хватило на 73 часа ΔЕ ,мВ 1200 1000 800 Восток 600 400 200 0 1 2 3 4 Сутки Изменение ЭДС: за 1 –е сутки «упала» на 1080мВ, за 2-е – на100мВ, за 3-и – на 20мВ Черновая работа в прямом и переносном смысле Процесс подбора и поиска оборудования, подготовка, обработка материала – дело хлопотное. Именно на этом этапе проявляются различные человеческие и исследовательские качества каждого члена команды, его одержимость, прогнозируется будущее исследователя. «В грамм добыча, в год – труды…» - таким путём прошли многие учёные. А мы познавали не только как устроен гальванический элемент, но и то, что, кажется, уже «отслужившему» можно дать пусть короткую, но «вторую жизнь». Материалы для изготовления гальванической ячейки № 3 Вот такой у нас получился «набор» Испытание очередной батарейки. При подключении батарейки к милливольтметру мы увидели, что он «зашкалил». Тогда подключили её к вольтметру. ЭДС оказалась 1,2В. Мы даже не ожидали, что она окажется такой большой. Затем мы стали исследовать зависимость ЭДС от времени, измеряли силу тока и напряжение в цепи, заполняли таблицу и построили графики. Наблюдения за показаниями приборов Через час эксплуатации батарейки вольтметр заменили на милливольтметр. Показание 230± 5 мВ Итоги и выводы по результатам эксперимента: Батарейка №1 оказалась менее долговечной, время её службы составило 12 часов при уменьшении ЭДС с 12 мВ до 0 мВ, а второй – 25,5часа (ЭДС уменьшилась с 50мВ до 0), хотя количество полуэлементов было одинаково. Значит, срок службы объясняется лучшими качествами второго электролита – серной кислоты, большим количеством носителей зарядов – положительных и отрицательных ионов. Чем больше ЭДС, тем больше время службы батарейки. ЭДС наших батареек и срок их службы оказались очень малы. Электродвижущая сила каждой батарейки после её подключения быстро убывала со временем, затем наступал период стабилизации параметров, после которого ЭДС, напряжение и сила тока медленнее, чем в начале, убывали до нуля. Все батарейки быстро «садились» в связи с интенсивным протеканием реакции, большей разности потенциалов в начальный момент, затем наступал период стационарной работы. При дальнейшей эксплуатации окислительно-восстановительная реакция, приводящая к разрушению меди (3 коп.), затухала. Значит, уменьшалось количество носителей зарядов, прекращалась их подвижность. Батарейка №3 прослужила больше времени благодаря веществам, из которых она собрана. Наше исследование было познавательным, творческим и обучающим процессом. Это был пример того, как надо работать над проблемами в дальнейшем. Немного истории… В процессе работы с источниками информации, нами было обнаружено интереснейшее сообщение о том, что в начале 20 века при археологических раскопках в Ираке был найден странный предмет среди руин неподалёку от Багдада. Это была невзрачная глиняная ваза высотой 15см. В ней находился цилиндр из листовой меди со вставленным в него проржавевшим железным стержнем. Все эти детали были залиты смолой, склеивавшей их. При обследовании находки пришли к парадоксальному выводу: это были остатки электрической батарейки! Значит, электрический ток использовали за два тысячелетия до Л. Гальвани (1737-1798) и А. Вольта (1745-1827). А ведь именно эти учёные считаются изобретателями электрической батарейки. Первый элемент самого А.Вольты был очень слабым, и не сразу выполняемые им батареи превратились в практичные элементы. Наиболее крупную батарею в самом начале 19 века построил русский физик В.В. Петров (1761-1843) в Петербурге. Она состояла из 4200 цинковых и медных кружков, которые укладывались горизонтально в ящик и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырём. Теоретическое обоснование или принцип действия гальванических элементов Все элементы, изобретённые со времён Вольты работают по одному и тому же принципу, а именно за счёт преобразования химической энергии в электрическую. Электролит –источник положительных и отрицательных ионов, которые появляются и перераспределяются между электродами за счёт химической реакции, создавая электрическое поле. При замыкании цепи «-» заряженные частицы перемещаются от отрицательного полюса к положительному вдоль цепи, создавая электрический ток. Реакция, на которой работает батарейка - необратимая. Она даёт ток до тех пор, пока не прореагирует весь запас веществ, заложенных при изготовлении. Мы убедились в этом при работе изготовленных нами батареек и при использовании для бытовых нужд заводских. Резюме: В ходе работы над проблемой: создать батарейку своими руками, большую роль сыграло соединение жизненного опыта, творчество, наблюдение, экспериментирование, изучение теоретического материала. Литература Л. Гальперштейн. Здравствуй, физика! М., «Детская литература», 1973. М. Алексеева. Физика – юным. М., «Просвещение», 1980. Журнал «Физика в школе», №7, 2005г. «Батареи и топливные элементы» А. В.Пёрышкин. Физика-8. М., «Дрофа», 2005.