Современный мир невозможно представить без электричества! Оно повсюду: в бытовых приборах и телевизорах, компьютерах, светильниках и множестве других устройств. Но как часто мы задаёмся вопросом - откуда берется электричество?

Как правило, мы знакомы с классическими источниками электричества: гидро-, тепловые, атомные и ветряные электростанции. Но в мире есть много альтернативных способов выработки электричества – солнечные батареи, использование энергии приливов и отливов воды, и есть еще один – ржавчина.

Несмотря на то, что ржавчина является общей проблемой в инфраструктуре, новые исследования показывают, что в сочетании с соленой водой она также может быть источником электричества. Реалии таковы, что большое количество стран в мире не могут себе позволить классические источники электричества, у них просто нет для этого ресурсов. Для них альтернативные источники электричества могут стать решением энергетических проблемы.

Цель моего проекта: понять природу электрического тока и попытаться получить его в домашних условиях, изучить метод получения электричества при помощи ржавчины.

Объектом исследования является электрический ток.

Предмет исследования: источники электрического тока.

Задачи:

изучить, что такое электрический ток;

узнать, что такое физические и химические источники электрического тока;

более детально изучить метод получения электричества при помощи ржавчины;

провести эксперимент по получению электричества в домашних условиях.

Гипотеза: электрический ток можно получить в домашних условиях.

Методы исследования:

сбор и анализ данных, с применением литературы и открытых источников (Интернет);

проведение эксперимента;

анализ полученных данных.

Глава 1. Электрический ток

Электрический ток – это направленное упорядоченное движение заряженных частиц. Исходя из определения электрического тока, можно сформулировать одно из двух необходимых условий его возникновения и существования в любой среде. Очевидно, что в среде должны иметься свободные заряженные частицы, то есть такие частицы, которые могут перемещаться по всей среде (их еще называют носителями тока). Однако этого условия недостаточно, чтобы в среде возник и в течение длительного промежутка времени существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц также необходимо наличие электрического поля. Под действием этого поля движение свободных заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.

Источники электрического тока являются устройства, которые превращают различные виды энергии в электрическую энергию. Все источники электрического тока можно условно разделить на физические и химические. Несмотря на все разнообразие физических источников электрического тока, в повседневной жизни мы чаще имеем дело с химическими источниками электрического тока – гальваническими элементами и аккумуляторами.

1.1. Химические источники электрического тока

Химическими источниками электрического тока называют устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет энергии, выделяющейся в процессе химических реакций.

Для примера возьмём медную и цинковую пластины. Между пластинами поместим ткань, смоченную в слабом растворе серной кислоты. Полученное устройство и есть простейший химический источник электрического тока – гальванический элемент.

Гальванический элемент – это устройство, в котором окислительно- восстановительные реакции осуществляются на электродах, а химическая энергия непосредственно превращается в электрическую энергию.

Гальванический элемент впервые создал итальянский ученый А. Вольта; он назвал его в честь своего соотечественника Л. Гальвани. Любой гальванический элемент состоит из двух электродов и электролита. Часто используют один металлический электрод, а второй – угольный или содержащий оксиды металлов. Электролитом служит твердое или жидкое вещество, которое проводит электрический ток благодаря наличию в нем большого количества свободных заряженных частиц – ионов. В описанном нами гальваническом элементе, электродами выступают цинковая и медная пластины, а электролитом – раствор серной кислоты. Между электродами и электролитом происходят химические реакции, в результате которых один из электродов (анод) приобретает положительный заряд, а второй (катод) – отрицательный (Приложение 1, Рис. 1).

Когда истощается запас веществ, участвующих в реакции, гальванический элемент прекращает работать. Для обеспечения электропитания фотоаппаратов, настенных часов, карманных фонариков и т.п. широко используется марганцево-цинковый элемент – один из видов гальванических элементов. Со временем гальванические элементы становятся непригодными к работе, и их нельзя использовать повторно. А вот другой вид химических источников электрического тока – электрические аккумуляторы – можно использовать многократно.

Аккумуляторы, как и гальванические элементы, состоят из двух электродов, помещенных в электролит, но у них есть неоспоримое преимущество - их можно снова зарядить. При зарядке аккумулятора химические реакции идут в обратном направлении и концентрация серной кислоты восстанавливается. Следует отметить, что и аккумуляторы, и гальванические элементы обычно объединяют и получают, соответственно, аккумуляторную батарею и батарею гальванических элементов. По принципу действия современные химические источники тока почти не отличаются от созданных более двух столетий назад. При этом сейчас существует множество разнообразных видов гальванических элементов и аккумуляторов и продолжается активная разработка новых. Друг от друга они отличаются размерами, массой, энергоемкостью, сроком службы, надежностью, безопасностью, стоимостью и т.д. Выбор того или иного химического источника тока продиктован сферой его применения. Так, в автомобилях целесообразно использовать относительно дешевые кислотные аккумуляторные батареи, и то, что они довольно тяжелые, не является существенным. А вот источники тока для мобильных телефонов должны быть легкими и безопасными, поэтому в данном случае целесообразно использовать так называемые литий-ионные батареи, хотя они сравнительно недешевы.

1.2. Физические источники электрического тока

К физическим источникам электрического тока принято относить устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет механической, световой или тепловой энергии.

В механических источниках мexaничecкaя энepгия пpeoбpaзуeтcя в элeктpичecкую энepгию. К таким источникам oтнocятcя:

Элeктpoфopнaя мaшинa (Приложение 1, Рис. 2). Она состоит из пластмассовых дисков с алюминиевыми зонами, щеток, лейденских банок с подключением к кондукторам, изолированных ручек, ременных передач и металлических гребешков. Разделение зарядов машины осуществляется за счет последовательного преобразования механической энергии. В момент движения щеточек осуществляется трение о поверхность дисков, благодаря чему осуществляется разделение зарядов на положительные и отрицательные. В случае приближения электродов появляется разряд электричества.

Динамо-машина, или генератор электрического тока. Динамо-машина генерирует электрическую энергию благодаря принципу электромагнитной индукции. Обычно такое устройство конвертирует именно механические воздействия прямо в электрические импульсы. В его составе - ротор (открытая проволочная обмотка) и статор, в котором расположены полюса магнита. Ротор, не прекращая движения, все время вращается в силовом магнитном поле, что неизбежно приводит к возникновению тока в обмотке. Вращающийся проводник, или ротор, пересекает магнитное поле и в нем генерируется ток. Концы ротора подведены к кольцу (коллектор), через них и прижимные щётки ток перемещается в электрическую сеть (Приложение 1, Рис. 3). Образующийся ток в проводнике будет иметь наибольшее значение при условии, если ротор располагается перпендикулярно магнитным линям. Чем больше поворот проводника, тем сила тока будет меньше. И наоборот. То есть, процесс вращения проводника в магнитном поле вынуждает генерируемый электрический ток менять направление за один оборот ротора два раза. Благодаря этому свойству такой род тока стали называть переменным.

Динамо-машина для выработки постоянного тока построена на таком же принципе, как и для переменного тока. Разницу можно заметить лишь в деталях, когда концы металлического провода закрепляют не к кольцам, а подсоединяют к полукольцам. Такие полукольца обязательно изолируются между собой, что при вращении проводника делает возможным контактировать со щёткой переменно то одно полукольцо, то другое. Значит, в щётки вырабатываемый ток будет поступать исключительно в одном направлении, одним словом - ток будет постоянным.

В тепловых источниках энергии внутренняя энергия пpeoбpaзуeтcя в элeктpичecкую энepгию. Примером такого источника является термоэлемент - двe пpoвoлoки из paзныx мeтaллoв нeoбxoдимo cпaять c oднoгo кpaя (Приложение 1, Рис. 4). Если температура в местах спаев одинакова, то тока в таком замкнутом контуре возникать не будет, потому что в этих местах создаются равные и противоположные электродвижущие силы. Но если один из спаев нагреть так, чтобы температура его стала выше температуры второго спая, то равенство электродвижущей силы нарушится и в цепи появится электрический ток.

В световых источника энepгия cвeтa пpeoбpaзуeтcя в элeктpичecкую энepгию. Примером такого источника является фотоэлемент (Приложение 1, Рис. 5). Преобразование энергии основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Всем известно о том, что при взаимодействии металлов с соленой водой может вырабатываться электричество, но обычно это является результатом химических реакций, связанных образованием новых соединений. Подобные принципы используются в аккумуляторах. Но в 2018 году был открыт метод, не связанный с химическими реакциями, а основан на превращении кинетической энергии протекающей соленой воды в электричество.

Ученый Т. Миллер, профессор химии в Калифорнийском технологическом институте, и Ф. Гейгер, профессором химии в Северо-Западном университете, разработали новый способ выработки электроэнергии путем перемещения соленой воды по тонким пленкам оксида железа (ржавчины).

Данное открытие было подробно описано журнале PNAS1 и оно может проложить путь к новым формам устойчивого производства электроэнергии.

Это не первый случай, когда соединения соленой воды и металлов объединяются для производства электроэнергии, но предыдущие итерации основывались на химических реакциях - превращении двух или более химических веществ в новое соединение - для производства энергии. Данный феномен – это скорее преобразование кинетической энергии протекающей соленой воды в электричество.

Однажды аналогичный эффект был замечен Т. Миллером в некоторых других материалах. Например, когда он каплю соленой воды, проводил по графену2, то наблюдал, как вырабатывается некоторое количество электричества. Электрокинетическое явление в тонких слоях графена, расположенных в гексагональной сетке – и является чрезвычайно эффективным. В графеновых случаях преобразование кинетической энергии в электрическую достигало 30 процентов производительности. Для сравнения, лучшие солнечные панели, доступные на рынке, имеют около 20 процентов производительности.

Однако сложно изготовить графеновую фольгу и масштабировать ее до пригодных размеров. Прежде всего, из-за стоимости получения графеновых материалов. Т. Миллер и его партнеры по исследованию решили разработать пленку, которая была бы дешевле и проще в производстве. Пленки из оксида железа, которые они получили в лаборатории, легче изготовить. По сути, это простая ржавчина на железе, поэтому её довольно легко производить на больших площадях. Один квадратный сантиметр тонкого слоя ржавчины генерирует несколько десятков милливольт и несколько микроампер электрической энергии. Соответственно лист железа, покрытый тонким слоем ржавчины, площадью 10 м2, сможет вырабатывать несколько киловатт электроэнергии в час - этого достаточно для пары стандартных квартир.

Новый метод получения электричества не требует реакции. Кинетическая энергия текущей соленой воды преобразуется в электрический ток, данное явление известно, как электрокинетический эффект.

Ржавчина естественным образом образуется на сплавах железа, но для применения нового способа выработки электроэнергии, необходимо обеспечить равномерное формирование слоев ржавчины. Для этого был применен метод, называемый физическим осаждением из паровой фазы, для превращения оксида железа в пар, который можно наносить тонким слоем на подложку. Этот метод позволил нанести слой оксида железа размером всего 10 нанометров в поперечнике, что примерно в 10 000 раз тоньше человеческого волоса.

Когда соленую воду спускают по пленке из оксида железа, вырабатывается несколько десятков милливольт и несколько микроампер на квадратный сантиметр поверхности.

Механизм генерации электричества довольно сложен и включает в себя ионную адсорбцию и десорбцию3, но по существу работает следующим образом: отрицательные ионы, присутствующие в соленой воде, притягивают электроны в железе под слоем ржавчины. Поскольку соленая вода течет, она также течет с этими ионами, которые несут электроны в железе позади них, что приводит к потоку заряда и генерации электрического тока.

Глава 2. Получение электрического тока в домашних условиях

В практической части проекта я решил получить электрический ток с помощью химического источника. Для этого я собрал гальванический элемент из подручных средств.

2.1. Техника безопасности

Будь внимательным, дисциплинированным и осторожным.

Не держи на рабочем столе предметы, не требующиеся для выполнения задания.

Перед тем, как приступить к работе тщательно изучи её описание, уясни ход её выполнения.

Аккуратно обращайся со стеклянной посудой/сосудами, наполненными водой. Если стеклянный предмет был разбит в процессе работы, то осколки нельзя убирать со стола тряпкой или руками, надо пользоваться щеткой и совком.

При сборке электрической цепи провода располагай аккуратно, а наконечники плотно соединяй с клеммами.

Все изменения в цепи и её разборку проводи при выключенном источнике питания.

Убедись, что цепь собрана правильно и только после этого включай электрическую цепь.

Во всех случаях повреждения электрического оборудования, измерительных приборов, проводов необходимо отключить напряжение и сообщить о неисправности учителю.

2.2. Проведение эксперимента

Цель работы: получение электрического тока в домашних условиях, используя химический источник.

Приборы и материалы:

ёмкость для воды,

соль и вода. Солевой раствор является электролитом (вещество, которое проводит электрический ток);

мультиметр;

отрицательный электрод - медная проволока,

положительный электрод - алюминий.

Ход работы.

Медную проволоку намотал на алюминиевые детали.

Сделал раствор из поваренной соли. На 0,5 литра воды 70 грамм соли.

В каждую емкость разместил по 1 алюминиевой детали с намотанной медной проволокой так, чтобы алюминиевые детали были расположены ближе к краю ёмкости, а конец медной проволоки выходил за край емкости. Таким образом, соединяем все емкости. А у самой первой емкости на противоположный край вешаем часть медной проволоки - вывод.

В емкости наливаем раствор соли. Раствор должен прокрывать алюминиевую деталь и часть намотанной медной проволоки.

Настраиваю мультиметр. Черный провод-щуп вставляю в разъем «COM», красный – в разъем «VΩ», а переключатель устанавливаю на делении «20» постоянного тока (Приложение 2, Фото 1).

Измеряю силу тока.

Сначала измеряю силу тока в двух емкостях. Красный щуп соединяю с выводом, а черный – с выводом, у которого проволока обмотана вокруг алюминиевой детали. Замеряю напряжение. У такой цепи, напряжение достигает - 0.82 Вольт (Приложение 2, Фото 2).

Добавляю еще одну емкость с более большой алюминиевой деталью. Создаю цепь из трех емкостей таким образом, чтобы у каждой предыдущей емкости медная проволока была погружена в следующую емкость. Напряжение у такой цепи составляет - 2,08 Вольт (Приложение 2, Фото 3).

Вывод: в домашних условиях мне удалось получить напряжение 2,08 Вольт. Если количество емкостей увеличить до 6 штук, то можно получить напряжение более 5 Вольт, а этого уже будет достаточно для мобильного телефона. Соответственно, чем больше мы собираем в цепь компонентов медь -алюминий, тем выше напряжение.

Заключение

В наше время людям требуется всё больше и больше энергии, поскольку процесс изобретений и потребления не стоит на месте, а для этого требуется колоссальные объемы электроэнергии.

При выборе темы для проекта, я хотел не только изучить предметную область, но и провести эксперимент по получению электричества, используя подручные материалы. И каково было мое удивление, что когда я собрал гальванический элемент, мультиметр стал показывать напряжение в цепи. Я считаю, что гипотеза проекта подтвердилась.

Поставленные перед собой задачи и цели по изучению метода получения электричества при помощи ржавчины, изучение литературы и проведения эксперимента по получению электричества в домашних условиях, мной выполнены и достигнуты.

Я считаю, что за открытием, которое совсем недавно сделали американские ученые - преобразование кинетической энергии протекающей соленой воды по ржавчине в электричество, стоит будущее. Данная технология может быть использована для производства энергии в местах, где солевые растворы уже находятся в движении, например, энергия приливов или предметы, качающиеся в океане, такие как буи, могут быть использованы для пассивного преобразования электрической энергии. В ваших венах периодическими импульсами течет соленая вода. Это может быть использовано для выработки электроэнергии для питания имплантатов.

Этот эффект можно использовать в качестве нового способа производства электричества в уже существующей инфраструктуре или для разработки новых решений.

Список использованных источников

Перышкин А. В. Физика: Учебник 8 класс. - Издательство: М.: 2013. – 240 с.

Физика – юным: Теплота. Электричество. КН. Для внеклассного чтения. Сост. М.Н.Алексеева. – М.: Просвещение, 1980. – 160с.

.К.Роджерс, Ф. Кларк. Изучаем физику. Свет. Звук. Электричество. ООО Издательство «Росмэн - Пресс» г. Москва, 2002г.

Горев Л. А. Занимательные опыты по физике. М., «Просвещение», 1974

Все обо всем. – Дет. энцикл.: Изд. Филологическое общество «Слово»/ ред. В.В. Славкин, 1993.- 511с.

Я познаю мир: Дет. энцикл.: Физика/ Под общ. ред. О. Г. Хинн. – М.: ТКО «АСТ», 1995. – 480с.

Приложения

Приложение 1

Рис. 1. Гальванический элемент

Рис. 2. Элeктpoфopнaя мaшинa

Приложение 1

Рис. 3. Динамо-машина

Рис. 4. Термоэлимент

Приложение 1

Рис. 5. Фотоэлемент

Приложение 2

Фото 1. Мультиметр

Фото 2. Цепь из двух емкостей

Приложение 2

Фото 3. Цепь из трех емкостей

1 Proceedings of the National Academy of Sciences — ведущий американский журнал для публикации оригинальных научных исследований в различных областях, главным образом в биологии и медицине, а также по физике и социальным наукам.

2 Графен -это один из самых перспективных материалов, открытых в последние десятилетия. Он представляет собой одноатомный слой углерода, который обладает невероятными свойствами, такими, как высокая прочность, уникальная проводимость тепла и электричества.

3 Адсорбция - самопроизвольный процесс увеличения концентрации растворённого вещества у поверхности раздела двух фаз (твёрдая фаза — жидкость, конденсированная фаза — газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Обратный процесс адсорбции — десорбция.