Гальваническая ячейка - Образование Костромской области

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.