МОУ СОШ 1 г.п.п. Чистые Боры Костромской области Гальваническая ячейка ТЮФ ГСР 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. Подбор и поиск оборудования: материалов и средств измерения 2. Работа по теории вопроса: изучение истории изобретения гальванических элементов, работ Л. Гальвани и А. Вольта, прочтение соответствующего материала в учебниках и научно- популярных изданиях 3. Определение графика временных затрат 4. Изготовление батареек и исследование их параметров: ЭДС, вольт - амперной характеристики,зависимости свойств от времени 5. Построение графиков зависимости, съёмка электрической цепи, анализ результатов, формулирование выводов 6. 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 г.t, минЕ, мВU, мВI, микроА ,

Продолжение таблицы г. Время суток 8ч.30 мин 2,22,222,5 11ч.30мин 2,222,5 13ч.30мин 1,21 16 часов000

Первые 3 часа второй батарейки t,мин. E,мВ

День второй t,время суток Е,мВ

Вольт-амперная характеристика I,микроA U,мВ От начала наблюденияСила 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 к Начальные значения параметров: ЭДС – 1,2В Напряжение – 1В Сила тока – 3 мА При работе под нагрузкой ЭДС быстро убывала и уже в пришлось перейти на работу с милливольтметром. К этому времени величина ЭДС была равна 230мВ. Она быстро уменьшалась и в стала равна 120 мВ. В 8-30 утра: – 20мВ, – 15мВ, – 10мВ, – 0мВ в 17-00

Зависимость Е(t) ячейки 3 t,мин Е,В t,мин Е,мВ Первый час (с до 17-00) Следующие 20 минут

Её хватило на 73 часа Сутки ΔЕ,мВ 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 ( ) и А. Вольта ( ). 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 ( ) 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», М. Алексеева. Физика – юным. М., «Просвещение», Журнал «Физика в школе», 7, 2005г. «Батареи и топливные элементы» А. В.Пёрышкин. Физика-8. М., «Дрофа», 2005.