Текст книги "Энергетика глазами учащихся средних общеобразовательных учреждений"

Энергетика глазами учащихся средних общеобразовательных учреждений

© ООО «МЦ ЭОР», 2017

© С. О. Хомутов, В. Я. Федянин, И. А. Гутов, В. И. Сташко, 2017

* * *

Разработка модели электростатического генератора на основе капельницы кельвина

Быкова А. А. – ученик 11 класса, Бабанина Н. А. – учитель физики. РФ, Алтайский край, Славгородский район, г. Славгород, МБОУ «СОШ № 15»

В связи с нарастающей энергетической проблемой, значительный интерес представляет разработка способа использования энергии электростатического поля, созданного естественной электризацией материалов в условиях их эксплуатации.

Энергия электростатического поля может использоваться для питания маломощных или работающих в импульсном режиме устройств, например: наручные часы, фонарик для освещения, сотовый телефон, аккумуляторы и другие современные спутники активной деловой жизни человека.

Цель данной работы состояла в том, чтобы разработать модель электростатического генератора, работающего на основе капельницы Кельвина.

Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

– изучить опубликованные экспериментальные и теоретические работы по сборке электростатических генераторов, работающих на основе капельницы Кельвина;

– собрать необходимые материалы для создания данного электростатического генератора;

– разработать конструкцию и собрать модель электростатического генератора;

– исследовать условия работы генератора и влияние внешних факторов на его работоспособность;

– проанализировать результаты и сделать выводы.

Практическая значимость. Конструкция модели электростатического генератора несложная, что позволяет собрать действующую модель в домашних условиях, с применением простых и недорогих материалов. Его неоспоримым преимуществом является простота в эксплуатации. В отличие от ветряных генераторов, работа данной модели постоянна, так как её работоспособность не зависит от природных явлений, неподвластных человеку. Обладатели такого электростатического генератора могут получать электроэнергию практически бесплатно.

В процессе экспериментов были сделаны следующие выводы: В результате работы была сконструирована модель электростатического генератора, работающего на основе капельницы Кельвина (рисунок 1). В ходе экспериментов мы установили, что оптимальным вариантом является замена верхних емкостей спиралью из меди, так как ее удельное сопротивление меньше, чем у алюминия (рисунок 2). Следовательно, проводимость выше. В процессе работы была выявлена зависимость возникающего напряжения от поверхностного натяжения жидкости. Оптимальным вариантом для работы установки является мыльный раствор, так как он вполне доступен и коэффициент его поверхностного натяжения невелик. На основе данного устройства возможна разработка электростатического генератора для питания маломощных или работающих в импульсном режиме устройств.

Рисунок 1 – Демонстрационная модель электростатического генератора

Рисунок 2 – Медные кольца, как оптимальный вариант для работы модели генератора

Научная новизна: в процессе исследования были изучены условия работы генератора, разработана технология сборки и исследована область его применения.

Выводы по результатам исследования:

– в процессе работы была сконструирована модель электростатического генератора, работающего на основе капельницы Кельвина.

– в ходе экспериментов мы установили, что оптимальным вариантом является замена верхних емкостей спиралью из меди, так как ее удельное сопротивление меньше, чем у алюминия. Следовательно, проводимость выше.

– величина накопленного заряда зависит от примесей в воде, наилучшим вариантом для работы модели электростатического генератора является дистиллированная вода с добавлением муравьиной кислоты

– на основе данного устройства возможна разработка электростатического генератора для питания светодиодных источников света.

Список использованных источников:

1. Ветровые генераторы: конструкция, принцип работы [Электронный ресурс]. Дата обращения: 04.03.2016. – Режим доступа: http://fb.ru/article/231279/vetrovyie-generatoryi-konstruktsiya-printsip-rabotyi

2. С помощью капель воды можно создать напряжение до 15 киловольт!» [Электронный ресурс]. Дата обращения: 09.03.2016. – Режим доступа: http://www.ikirov.ru/news/16084-s-pomoschyu-kapel-vody-mozhno-sozdatnapryazhenie-do-15-kilovolt

3. Майер В. В. Электричество. – М.: Физматлит, 2006.

4. Испытывается первый в мире капельный ветряк [Электронный ресурс]. Дата обращения: 10.04.2016. – Режим доступа: http://www.ecoestate.tv/News/econews/index.php?ELEMENT_ID=1557

5. Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации: указ Президента Российской Федерации [от 07.07.2011 № 899].

6. ГОСТ 12.4.124-83. ССБТ. Средства защиты от статического электричества / введен 01.01.1984 – М.: Издательство Стандартов, 1983. – 8 с.

7. Меркулова А. В., Старченко Е. И., Черунова И. В., Гавлицкий А. И. Устройство для использования энергии электростатического поля // Пат. № 2439864 Российская Федерация, С1, МПК H05F 3/02 (2006.01). Заявка: 2010133364/07, 09.08.2010; Опубл. 10.01.2012 Бюл. № 1.

Разработка элемента питания из доступных материалов

Воропай К. Ю. – ученик 8 класса, Бабанина Н. А. – учитель физики. РФ, Алтайский край, Славгородский район, г. Славгород, МБОУ «СОШ № 15»

Мы все прекрасно знаем, что для работы плейера, мобильного телефона, наушников или карманного фонарика нужен источник электрической энергии. В переносных устройствах такой источник – это батарейка. А задумывались вы хотя бы раз над тем, что же такое батарейка, из чего она состоит, какое влияние оказывает на человека и, существуют ли другие заменители источника электрической энергии? Данная тема нас очень заинтересовала, поэтому мы решили посвятить проект изготовлению необычного источника энергии. В нашей исследовательской работе мы расскажем, как собрать гальванический элемент из доступных и экологически чистых материалов и докажем, что он может работать как обычная батарейка, но определенное время. И к тому же сейчас очень актуален вопрос поиска биологических источников энергии, чтобы не загрязнять планету, а использовать то, что есть в природе.

Гипотеза: промышленные элементы питания можно заменить самодельными источниками получения энергии: монетно-энергетическими батарейками.

Цель работы: разработать способ сборки источника электрического тока из подручных материалов.

Объект: получение электроэнергии.

Предмет: элемент питания.

Задачи исследования:

– собрать необходимые материалы для создания данной батареи;

– собрать модель источника питания;

– исследовать условия работы батарейки и влияние внешних факторов на её работоспособность;

– проанализировать результаты и сделать выводы.

Методы: анализ, моделирование, эксперимент, наблюдение, сравнение.

Батарейки из подручных материалов можно использовать дома или на даче для подсветки. Полученные нами результаты о живой природе можно продемонстрировать на уроках «окружающего мира», а знания об электрическом токе пригодятся в дальнейшей учебе. Батарейка – обиходное название источника электричества для питания разнообразных устройств. Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани. На самом деле целью Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки. Теоретическое объяснение наблюдаемому процессу Гальвани разработал неверное, однако его опыты стали основой исследований другого итальянского учёного Алессандро Вольта, который собственно и сформулировал главную идею изобретения – причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Любая батарея состоит из трёх основных элементов – двух электродов, называемых анодом и катодом, и электролита, находящегося между ними. Возникновение электрического тока – это побочный результат окислительно-восстановительной реакции, идущей между электродами. Выходной ток, напряжение и другие параметры батареи зависят от выбранных материалов анода, катода и электролита, а также конструкции самой батареи. Все батареи можно разделить на два больших класса – первичные и вторичные. Первыми серийно выпускаемыми элементами питания стали сухие батарейки. Наследники изобретения Лекланше, они являются самыми распространенными в мире. В общем, «говорим батарейка, подразумеваем – сухой элемент». Объясняется такая популярность, во-первых, их дешевизной, а во-вторых, тем, что этим именем называют сразу три разных химических системы: хлорноцинковые, щелочные и марганцево-цинковые батареи. Их имена дают представление о химических системах, на базе которых они созданы.

Отрицательное воздействие батарейки на организм человека.

Батарейки – это химические устройства, элементы которых вступают в реакцию, давая на выходе электричество, которым мы и пользуемся. Элементы эти, в основном, токсичны и опасны: свинец (накапливается в организме, поражая почки, нервную систему, костные ткани); кадмий (вредит легким и почкам); ртуть (поражает мозг и нервную систему); никель и цинк (могут вызывать дерматит); щелочи (прожигают слизистые оболочки и кожу) и другие.

С другой стороны, материалы, из которых сделана батарейка, это ценный ресурс: существуют технологии, которые позволяют извлечь из использованной батарейки все металлы и заново пустить их в дело – использовать в металлургии или для производства новых батареек. По статистике, каждая семья ежегодно выбрасывает до 500 грамм использованных элементов питания. Суммарно в области набирается 2-3 тысячи тонн батареек. Ядовитые вещества из батареек проникают в почву, в подземные воды, попадают в море и в водохранилища, из которых мы пьем воду, не думая, что вредные химические соединения с кипячением не исчезают, не убиваются – они ведь не микробы. Трудно представить, какой наносится вред экологии в глобальном масштабе.

Экспериментальная часть

Изготовление монетно-энергетической батарейки

В изученной нами литературе мы нашли много способов по изготовлению самодельных батареек. Такие батарейки экологически безопасны, не токсичны, не требуют специального хранения и утилизации. При помощи таких самодельных батареек можно даже зажечь светодиод для подсветки или освещения дачи.

Итак, для создания нашего гальванического элемента потребовалось: соль; столовый уксус; медные монеты (5-рублевые, 10-копеечные); плотный картон; 2 провода; стакан; алюминиевая фольга; ножницы; скотч.

Монеты для начала нужно очистить от окислов. Для этого их потребуется ненадолго опустить в уксус. Мы опустили на 30 минут (смотри рисунок 1).

Рисунок 1 – Очистка монет

Затем изготавливаем кружочки из картона и фольги по размеру используемых монет. Вырезаем кружки ножницами (рисунок 2).

Рисунок 2 – Изготовление картонных кружков

Картонные кладем на некоторое время в уксус: они должны пропитаться электролитом. Потом из ингредиентов выкладываем столбик: сначала монету, затем – картонный кружок, кружок из фольги, снова монету и так далее, пока материал не иссякнет. Конечным элементом снова должна стать медная монета (рисунок 3).

Рисунок 3 – Медная монета

К крайним монеткам присоединяем провод. Измеряем с помощью вольтметра напряжение.

Рисунок 4 – Измерение напряжения

Таким образом, напряжение в батарейке возникает при соединении алюминия, соли и меди.

В процессе работы этой батарейки, собранной своими руками, монеты придут в полную негодность, так что не стоит использовать нумизматический материал, представляющий культурную и материальную ценность.

Опыт 1.

Мы решили понаблюдать, как долго будет работать изготовленный элемент питания. Мы измеряли напряжение на клеммах элемента в течение нескольких дней (смотри рисунки 5-6).

Рисунок 5 – Измерение напряжения на батарейке в 1-ый день

Рисунок 6 – Изменение напряжения во 2-ой день

Результаты показали, что за два дня напряжение на клеммах нашего элемента питания незначительно уменьшилась, так как идет химическая реакция между веществами нашего элемента питания.

Далее мы решили проверить, как влияет количество монет на работоспособность нашего элемента. Для этого мы собрали несколько элементов питания из монет различного достоинства и измерили на полученных элементах напряжение. Данные всех экспериментов внесли в таблицу 1. По результатам всех экспериментов построили гистограмму (рисунок 7).

Таблица 1 – Зависимость напряжения от количества и вида монет

Анализ гистограммы позволяет сделать вывод о том, что пятирублевые монеты лучше подходят для сборки элемента питания. Но из монет номиналом в 10 копеек можно собрать вполне работоспособный источник питания, способный заменить пальчиковую батарейку.

Рисунок 7 – Зависимость напряжения от конструкции элемента питания

Выводы по результатам исследования:

– в процессе эксперимента мы выяснили, что из монет можно собрать при необходимости элемент питания.

– было установлено минимальное количество монет, для сборки элемента питания и получение напряжения в 1,5 В, что соответствует стандартной пальчиковой батарейке.

– мы так же выяснили, что наиболее подходящими монетами являются пятирублевые.

Заключение

По теме нашего исследования мы изучили необходимую литературу, проанализировали опыт учёных – новаторов; провели собственные исследования по изготовлению самодельных батареек. В результате опытов мы выяснили, что любую фабричную батарейку можно заменить другим источником получения энергии. В качестве такого источника мы использовали медные монеты. Цель нашего исследования достигнута: мы получили живой ток при помощи изготовления самодельных батареек. Гипотеза нашего исследования подтвердилась частично: батарейки из монет может быть заменителем электрического тока, но на довольно непродолжительное время. С точки зрения экономии – они конечно не выгодны. Но с точки зрения экологии наша гипотеза подтверждается, т. к. фабричные батарейки очень токсичны, их нельзя просто выбрасывать, необходима специальная утилизация батареек, а пунктов приёма по России очень мало. Наши монетные батарейки совершенно безопасны для здоровья. На все заявленные нами во введении проблемные вопросы мы нашли ответы и представили их в теоретической части. Полученные нами результаты о живой природе можно продемонстрировать на уроках «окружающего мира», а знания об электрическом токе пригодятся в дальнейшей учебе.

Список использованных источников:

1. Самодельная батарейка из подручных средств [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://voltland.ru/other/samodelnaya-batarejka-iz-podruchnyxsredstv.html

2. Учи физику [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://uchifiziku.ru/2012/09/10/samodelnyj-batarejki/

3. Все своими руками» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.mirpodelki.ru/index.php?id=276

4. Соляная батарейка [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://izobreteniya.net/solyanaya-batareyka-svoimi-rukami/

5. Самодельная батарейка» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://all-simly.ru/samodelnaya-batarejka.html

Энергосбережение и повышение энергоэффективности в МБОУ «Первомайская СОШ № 2» бийского района Алтайского края

Галкин И.А. – ученик 8 класса, Шаврова Т. Г. – учитель физики РФ, Алтайский край, Бийский район, с. Первомайское, МБОУ «Первомайская СОШ № 2»

Никакая деятельность человека невозможна без использования энергии. Всё зависит от стабильности подачи энергии. Из всех отраслей человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Потребности в энергии продолжают расти. Мы много электричества тратим: компьютер, чайник, микроволновая печь, телевизор, стиральная машина и т. д. Любое развитие требует, прежде всего, энергетических затрат. Для жизни и работы людям просто необходима энергия – освещенность с помощью ламп. Раньше для этого использовались обычные лампочки накаливания. Лампы накаливания сильно греются в процессе эксплуатации. Поэтому в развитии технологий освещения, наиболее прогрессивным направлением признали замену устаревших ламп накаливания энергосберегающими лампами. Президент РФ Д. Медведев поставил задачу: к 2012 году прекратить использование традиционных ламп накаливания и использовать альтернативные источники света, более экономичные и совершенные – это комнатные люминесцентные лампы. На сегодняшний день экономией электроэнергии занимаются государство, организации, частные лица. Поэтому, работая в таком направлении, это становится неотъемлемой частью жизни человека – экономить. На пороге 2017 год, но даже в настоящее время, люди все равно используют лампы накаливания, но уже не в таком количестве.

В нашей школе установлены энергосберегающие лампы, но есть помещения, в которых ещё освещением служат лампы накаливания. Конечно, при этом школа тратит определенную сумму денег на электроэнергию, служащую при помощи ламп накаливания. Обратив внимание на использование энергосберегающих ламп и эффективность их службы, я решил посмотреть и рассчитать экономию школы в использовании ламп накаливания и люминесцентных ламп.

Поэтому, цель моей работы является, рассчитать затраты на электроэнергию школы и показать, что люминесцентные лампы являются альтернативой для освещения как высокоэффективные, энергосберегающие лампы.

Задачи работы:

– сравнить лампу накаливания с люминесцентной лампой;

– сделать анализ положения дел с экономией электроэнергии в школе;

– рассчитать затраты электроэнергии школы. Методы: теоретический, сравнение, практический.

Практическая значимость состоит в непосредственном расчете экономии затрат на электроэнергию МБОУ «Первомайская СОШ № 2» Бийского района Алтайского края.

В целом в нашей школе тоже увеличилось потребление электроэнергии. В каждом кабинете появились компьютеры, интерактивные доски, принтеры и т. д. все это требует использовать электричество. Поэтому для начала мы решили разобраться с лампами, которые дают свет в кабинетах. Составляют ли использование ламп накаливания и люминесцентных экономию.

Вывод: при увеличении напряжения срок службы лампы накаливания снижается. Старая добрая «лампочка-груша» с ее теплым приятным светом и сегодня для многих продолжает оставаться символом искусственного света. Такие ее качества, как простота, доступность и универсальность объясняют ее большую популярность. Использование люминесцентных ламп является для многих людей дорого, поэтому считается, что использования такой лампы «бьет по карману» людям, но все же свет, который распространяют такие лампы, благоприятен глазу человека.

Таблица 1 – Сравнительная характеристика ламп

Общая стоимость ламп накаливания

За 1000 часов: (41328 руб. + 41328 руб. + 20664 руб.): 12 = 8610 руб.

В году 364 дня = 8736 часов.

За год: (8736 часов: 1000 часов) × 8610 руб. = 75216,96 руб Общая стоимость люминесцентных ламп

За 1000 часов: (10176 руб. + 10176 руб. + 5088 руб.): 12 = 2120 руб. В году 364 дня = 8736 часов

За год: (8736 часов: 1000 часов) × 2120 руб. = 18520,32 руб Экономия на 1 лампу за год:

(75216,96 руб. – 18520,32 руб.): (12 шт. + 12 шт. + 6 щт.) = 1889,88 руб. Если мы обратимся к оплате за электроэнергию школы, то увидим в таблице следующий результат

Таблица 2 – Положение дел электроэнергии в школе

За период с сентября 2016 по январь 2017 школа выплатила почти 200 000 руб. При замене всех ламп мы получим экономию в: 75216,96 руб. – 18520,32 руб.=56696,64 руб.

В ходе работы рассчитаны затраты на электроэнергию школы, при замене ламп накаливания люминесцентными лампами школа сэкономит 1889,88 руб. на одну лампу за год, что составляет 56696,64 руб.

Однако стоит учитывать и минусы люминесцентных ламп. Наиболее существенным является негативное воздействие на организм человека. Но при правильной эксплуатации и утилизации они являются безвредными.

С точки зрения экономии электроэнергии и денежных средств энергосберегающие лампы более предпочтительны. Поэтому, надо постепенно в школе переходить на экономичные лампы. Мои расчеты показали, что люминесцентные лампы являются альтернативой для освещения как высокоэффективные, энергосберегающие лампы.

Список использованных источников:

1. Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Утверждена распоряжением Правительства РФ от 27.12.2010 № 246-р.

2. Кушлин В. Переход к новой модели экономического развития // Экономист, 2006.

3. Анализ и расчет электроэнергии http://economist-info.ru/magazinearticles/show/97.