Белянина Алёна Геннадьевна

ПАРТИЗАНСКИЙ КОТЕЛОК

Материал опубликован 17 February 2022

Автор публикации: П. Сухова, ученица 10А класса

РОССИЙСКАЯ НАУЧНО-СОЦИАЛЬНАЯ ПРОГРАММА

ДЛЯ МОЛОДЁЖИ И ШКОЛЬНИКОВ «ШАГ В БУДУЩЕЕ»

Муниципальная научно-практическая конференция «Шаг в будущее»

для школьников старшей школы

ПАРТИЗАНСКИЙ КОТЕЛОК

Научное направление: физика

Автор: Сухова Полина Александровна,

учащаяся 10 класса МБОУ «СОШ №8

им. Бусыгина М.И.» г. Усть-Илимск

Руководитель: Белянина Алёна Геннадьевна, учитель физики МБОУ «СОШ № 8

им. Бусыгина М.И.» г. Усть-Илимск

г. Усть-Илимск

2021 г.

Содержание

Введение 3

Основная часть 4

Заключение 8

Список использованной литературы 10

Приложения 11 – 15

Введение.

Актуальность темы.

В истории нашей страны есть удивительные факты, не очень известные, но очень любопытные. Об одном из них я сама узнала недавно. Во время Великой Отечественной войны немцы удивлялись, как наши партизаны, находясь в лесах неделями и даже месяцами, ухитряются всё это время использовать свои радиостанции — ведь в лесу их негде заряжать. Не от пней же они их заряжают!

Проблема.

Как наши партизаны получали электроэнергию в полевых условиях?

Гипотеза.

Существует физический способ или метод, который позволяет им получить электроэнергию.

Цель.

Узнать, как и чем партизаны заряжали свои радиостанции, и на опыте проверить этот способ.

Задачи:

Найти информацию, необходимую для теоретического обоснования.

Изучить теоретический материал по данной теме.

Проконсультироваться с компетентными людьми.

Выяснить степень изученности данного вопроса.

Создать или разработь плакат с моделью термоэлектрического генератора, упрощенную схему устройства.

Подобрать приборы и материалы.

Собрать устройство.

Провести испытание.

Проанализировать и сделать вывод.

Метод исследования

Экспериментально-теоретический (опыт, эксперимент, моделирование, анализ логический, синтез).

Основная часть.

А секрет крылся в котелках, которые они использовали для приготовления пищи. Благодаря академику Абраму Иоффе во время войны специально для партизан были разработаны котелки с термоэлектрическими элементами. Когда котелок висел на огне, за счёт разницы температур между пламенем костра и варящимся супом эти элементы вырабатывали электроэнергию. Её было вполне достаточно для зарядки портативных радиостанций.

Академик Абрам Иоффе (см. Приложение 1).

Российский и советский физик, отец советской физики, академик, вице-президент АН СССР, создатель научной школы. Родился в 1880 году в семье купца и домохозяйки. Среднее образование получил в реальном училище города Ромны Полтавской губернии. В 1902 году окончил Санкт-Петербургский практический технологический институт, в 1905 — Мюнхенский университет в Германии.

Автор работ по экспериментальному обоснованию теории света (1909—1913), физике твёрдого тела, диэлектрикам и полупроводникам. Иоффе был редактором многих научных журналов, автором ряда монографий, учебников и популярных книг, в том числе «Основные представления современной физики» (1949), «Физика полупроводников» (1957) и другие.

Крупнейшей заслугой А. Ф. Иоффе является основание уникальной физической школы, которая позволила вывести советскую физику на мировой уровень.

Термоэлектрический генератор.

Когда началась Великая Отечественная война, физики Лениградского физико-технического института разработали специально для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский котелок». Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе - Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны. ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер. В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан - сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца. Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт. Выпуск генератора был налажен в марте 1943 года на «НИИ 627 с опытным заводом № 1». (см. Приложение 2)

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) - это устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, с использованием полупроводниковых термоэлементов, соединённых между собой последовательно или параллельно.

Принципиальная схема элементарного полупроводникового ТЭГ.

Тепло Q1 (см. Приложение 3) подводится к термоэлектрическому элементу через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя, тепловой трубы или при непосредственном контакте с зоной тепловыделения реактора. Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводится от ТЭГ (излучением, теплоносителем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованы металлическими шинами 3 и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов с разностью температур ΔТ = Т1 – Т2.

Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разнородностью структуры ветвей 4 и 9.

Принцип работы.

В термоэлектрическом генераторе для получения электричества используется эффект Зеебека, который заключается в появлении электродвижущей силы в замкнутой цепи из двух разнородных материалов, если места контактов поддерживаются при разных температурах. Возникновение эффекта связано с тем, что энергии свободных электронов или дырок в полупроводниковом материале зависят от температуры. В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Если один контакт нагрет больше, чем другой, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток. В состав термоэлектрических генераторов входят термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов, соединенных последовательно или параллельно и теплообменники горячих и холодных спаев термобатарей. Принципиальная схема электрической цепи полупроводникового термоэлектрического генератора включает в себя полупроводниковый термоэлемент, состоящий из ветвей (вырезанных из кристаллов небольших прямоугольных элементов) p- и n-типа проводимости, то есть обладающими разными знаками коэффициента термоэлектродвижущей силы, коммутационные пластины горячего и холодного спаев и активную нагрузку.

В виду низкого КПД для термоэлектрического генератора остается два варианта применения:

-в местах, где недоступны другие источники электроэнергии;

-в процессах, где имеется избыток тепла.

Создание плаката.

Собрав информацию, я решила создать плакат «Термоэлектрический генератор» и рассказать на уроке физике однокласникам про это устройство. Для создания плаката я пользовалась источниками, указанными в списке литературы. На плакате я отразила все аспекты, изложенные в данном работе и подвела итоги (см. Приложение 4).

Опыты.

Ну и конечно захотелось проверить на опыте, как спомощью тепла получить электрическую энергию или электрический ток.

Цель: Экспериментально проверить Эффект Зеебека, изучить зависимость напряжения от разницы температур.

Приборы и оборудование: термоэлемент, гальванометр, лампочка (0,25А, 3.5В), соединительные провода, сухое горючие, 2 цифровых термометра, мультиметр цифровой , блоки различных ламп.

Ход опыта:

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

ОПЫТ №1

Обратившись к учителю физики за помощью, мы в лаборатории собрали установку.

Соединяем термоэлемент последовательно с гальванометром (см. Приложение 5) и спомощью сухого горючего нагреваем место сплава двух металлов термоэлемента.

ВЫВОД: Стрелка гальвонометра откланяется, термоток обнаружен.

ОПЫТ №2

Соединяем термоэлемент последовательно с мультиметром цифровым (см. Приложение 6).

Создаем разницу температур, первую спайку опускаем в стакан с тающим льдом, вторую в теплую воду.

Снимать показания с термометров и вольтметра.

Результаты заносим в таблицу и строим график (см. Приложение 7).

Делаем вывод.

ВЫВОД: Зависимость напряжение от разности температуры прямопропорционально, что я и доказала.

ОПЫТ №3

Присоединим параллельно лампочку и попробуем использовать термоток.

Вывод: Гальванометр начинает отклонять стрелку от 0 и постепенно увеличивать значения, фиксируя наличие электрического тока в цепи, лампочка не загорелась. Возник вопрос: почему лампочка не горит? Определив значения тока, мы делаем вывод, что электрической энергии не достаточно. Значит необходимо увеличивать характеристики термоэлемента или разницу температур. Напряжения термотока прямопропорциональна разности температур.

Заключение.

Поставленные цели и задачи выполнены. В процессе работы я узнала много интересного для себя. Я считаю, что разработки А. Ф. Иоффе применительны на практике и сегодня: для туристов, охотников, рыболовов и всех, кто ведет активный образ жизни. Было очень познавательно, самостоятельно провести опыты по получению термоэлектрической энергии. Я поняла, что мне необходимо научиться применять различные технические инструменты. При проведении опытов я приобрела навыки работы с простейшими инструментами, научилась оценивать результаты своей работы и соединять теорию с практикой, пользоваться инструментальными методами исследования. Кроме того, это побудило меня к самостоятельному получению знаний, за счет более глубокого изучения дополнительной литературы.

Планы на будущее – изготовить прибор «партизанский котелок» своими руками. Выступить на городской Научной Иследовательской конференции. Прибор, сделанный и сконструированный своими руками, вызывает очень большой интерес и уважение одноклассников, учителей. Это уверенность, повышение самооценки, на тебя надеются, тебе доверяют, на тебя рассчитывают, тобой гордятся.

Термоэлектрический генератор в дальнейшем можно улучшить. Используя современные наработки в физической и химической отрасли возможно увеличение КПД, что позволит добавить число потребителей и увеличить количество вырабатываемой энергии.

Пример с партизанским котелком показывает, насколько хорошо мы можем мобилизоваться во время войны, когда приходит беда. И, с другой стороны, не умеем грамотно распорядиться своими разработками в мирное время, коммерциализировать их. Сейчас Япония и Китай выпускает такие котелки как инновационный продукт для туристов, в нашей стране тоже ведутся работы в данном направлении. А ведь это можно было сделать раньше.