Методична розробка (8 клас) – Демонстрація саморобних елементів живлення
Як відомо з історії явище виникнення електричного струму при контакті різних металів було відкрито італійським фізіологом, професором медицини Болонського університету Луїджі Гальвані у 1786 році. Гальвані пояснював скорочення м'язів задніх лапок жаби, як прояв «тваринної електрики».
Італійський фізик і хімік Алессандро Вольта, вивчивши досліди Гальвані, побачив іншу сторону процесу; створення потоку електричних зарядів і прийшов до висновку, що причиною скорочення м'язів служить не «тварина електрика», а наявність ланцюга з різних провідників в рідині. Щоб підтвердити це, А. Вольта підключив гальванометр і побачив потік струму. У
1800 році А. Вольта публічно заявляє про свої відкриття на засіданні Лондонського королівського товариства, що два різних метали з електролітом дають електричний струм.
Найпростіший елемент живлення- це дві пластинки: одна мідна, а інша- оцинковане залізо і зверху накрити змоченою тканиною. На фото 1. показано пластини не накриті (оцинкована пластинка довша- така попалась під руки).
На фото 2. показано результат, коли накрити пластини тканиною змоченою криничною (водопровідною) водою. Якщо змочити тканину дистильованою водою, то прилад нічого не покаже, а в криничній (водопровідній) воді розчинені різні солі і в залежності від вмісту солей показники струму будуть різні.
Мікроамперметр типу М24 (шкала на 100 мкА) показую струм 82 мкА. На практиці такий гальванічний елемент живлення використовують для перевірки справності мікроамперметрів, гальванометрів. На мідній пластині утвориться позитивний потенціал, а на оцинкованій- негативний потенціал. Такий гальванічний елемент доцільно брати з собою на радіоринок для перевірки справності мікроамперметрів, якщо купувати мікроамперметри, які були у використанні.
Доцільно також, за допомогою даного гальванічного елементу перевірити концентрацію солей в воді різних криниць і вживати для пиття воду з найменшим вмістом солей, тобто з найменшими показаннями приладу; якщо невідомий вміст солей. Мінеральні води можуть мати і великий вміст хімічних елементів.
Якщо тканину змочити розчином оцтової кислоти (6…9%), то струм буде значно більшим, що показано на фото 3, на мілліамперметрі типу М42100 (шкала на 10 мА). При цьому струм буде 2,2 мА, тобто такий гальванічний елемент можливо використати для перевірки справності мілліамперметрів, і в автоматиці також.
Фото 3. Гальванічний елемент- тканина змочена 9% розчином оцтової кислоти
Якщо немає можливості придбати мікроамперметр, міліамперметр, то замість цих приладів можливо застосувати магнітоелектричний реле типу М219 / 6.
Зазначене реле має велику чутливість, близько 20 мкА, тому до обмотки реле необхідно під'єднати шунт; опір на 470 Ом.
На 1-й контакт, вивода обмотки- рамки реле, подається «+» від мідної пластини, а на 2-й контакт обмотки-рамки реле подається «-» від оцинкованої пластини; при достатньому струмі замкнуться контакти, які виходять на виводи 3 і 5. Якщо використовувати реле, то для індикації стану реле необхідно зібрати схему, приведену на рис. 1. Елементи живлення для вказаної схеми можливо взяти любі, типу ААА, або АА.
Якщо на пластини поставити тканину змочену розчином оцтової кислоти (6…9%), то від утвореного струму спрацює реле К1 і замкнуться контакти реле, засвітиться світлодіод HL1, таким чином демонструється робота гальванічного елемента.
Цікавий також варіант, якщо замість змоченої тканини в якості «електроліта», буде людина, при цьому мікроамперметр також покаже струм. Показники в різних людей будуть різні, так як долоні в одного можуть бути сухими, а в другої людини вологі і кислотність на руках також різна.
Останній варіант показано на фото 4, з використанням великих пластин: мідної і оцинкованої. Розмір пластин може бути будь-який, але щоб пластина була більша ніж рука людини. На фото 4 розмір мідної пластини 100 × 200 мм., а оцинкованої 110 × 175 мм. (такі попались під руку).
На фото 5 показано гальванічний елемент- організм людини, в якості «електроліта». На мікроамперметрі- 32 мкА.
Людина в якості «електроліта» для вказаного гальванічного елемента ніякого відношення до біополя людини не має.
Як показує експеримент; чим вологіші руки, то і показники «приладу» будуть більші.
В даному випадку (показник 32 мкА) шахраї- «діагности» заспокоїли б «клієнта», що у Вас «біополе» середньої величини, але з віком Ви можете значно підсилити його.
Фото 5. Лілія (учениця 11-го класу) демонструє самий простий
гальванічний елемент- організм людини в якості «електроліту»
і дві пластини, мідна і оцинковане залізо
Демонстрація гальванічної батарея з використанням яблук
Виготовити таку гальванічну батарею дуже просто – для цьогонеобхідно:
• шість яблук, бажано - недостиглих;
• шість смужок з листової міді розміром 11 × 60 мм;
• шість смужок з листового заліза оцинкованого розміром 11 × 60 мм;
• провідники монтажні- п’ять провідників довжиною 100 мм і два провідника довжиною 200 мм;
• світлодіод надяскравий- білого кольору, або світлодіод червоного кольору типу АЛ307БМ;
• Резистор на 47 Ом, потужністю 0,25 Вт;
• Гвинти М3, довжиною 6…7 мм- 12 шт.;
• Гайки М3- 12 шт.;
• Дриль ручна;
• Свердло діаметром 3,2 мм;
Конструкція гальванічної батареї досить проста. Просвердлюємо отвори на кінцях всіх смужок. З’єднуємо провідниками попарно смужки листової міді з смужками листового заліза оцинкованого- всього п’ять пар. З’єднуємо провідниками світлодіод – анод світлодіода до смужки з міді, а катод до смужки заліза оцинкованого. Підготовлені матеріали показані на фото 1. У кожне з яблук, на відстані 10…12 мм вставляємо металеві смужки, як це показано на фото 2. І в результаті отримали батарею з шести послідовно ввімкнених гальванічних елементів. Як показує експеримент, така гальванічна батарея без навантаження забезпечує напругу 3,8 В. Цієї напруги досить для живлення світлодіодів. Слід зауважити, що чим кисліші яблука, то вихідна напруга буде більшою. Як показує експеримент, світлодіод світить в продовж семи суток (168 годин). Спочатку яскравість світіння значна, що видно на фото 2, а з часом яскравість світіння зменьшується. Світлодіод ввімкнений через резистор з опором 47 Ом (послідовне ввімкнення). При бажанні від «яблучної батареї» можливо живити і економічний радіоприймач, який споживає струм до 6…7 мА. Якщо неправильно підключити світлодіод, відносно полярності, то він світити не буде. Зазвичай у світлодіода «прапорець» це катод, а «стержень»анод. Подавати «+» потрібно на анод, а «-» на катод.
Гальванічна батарея з використанням яблук
Фото 1
Фото 2
Батарея із саморобних гальванічних елементів Для експерименту знадобляться:
• розчин оцтової кислоти 9%, 50 мл;
• чотири смужки з листової міді розміром 40 × 70 мм;
• чотири смужки з листового заліза оцинкованого розміром 40 × 70 мм;
• чотири смужки з тканини розміром 40 × 70 мм;
• два провідника ізольованих довжиною по 10…15 см;
• світлодіоди надяскраві (білого кольору) 3 шт;
• резистор на 47 Ом, потужністю 0,25 Вт
• піала;
• кусачки;
• картоплина;
За допомогою кусачків знімаємо ізоляцію з обох кінців провідників по 20 мм. Один з провідників ставимо на стіл і на зачищений кінець ставимо смужку з міді (М). Наливаємо в піалу розчин оцтової кислоти і змочуємо в розчині смужку тканини (СТ) і накриваємо нею мідну пластину. На смужку тканини ставимо смужку з оцинкованого заліза (ОЗ). На смужку з ОЗ ставимо пластину з міді, яку накриваємо змоченою в розчині смужкою тканини і так далі. В цілому отримали такий «бутерброд»: М -СТ -ОЗ- М- СТ -ОЗ М -СТ ОЗ-М-СТ-ОЗ, тобто чотири гальванічних елемента включені послідовно. Кожен елемент дає напругу 0,8 В і разом батарея дає 3,2 В. Цієї напруги досить для роботи світлодіодів (необхідно подати не менше 2-х вольт), що легко перевірити на практиці, підключивши світлодіод типу АЛ307БМ (червоного кольору) катодом до пластини ОЗ, а анодом до верхньої пластини М за допомогою другого провідника. Якщо не правильно підключити світлодіод по полярності, то він не буде світити. В принципі, світлодіод можна взяти любого кольору: синій, зелений, жовтий. По всім правилам на світлодіод напруга подається через додатковий гасящий резистор, але в даному випадку можливо обійтись і без нього тому що внутрішній опір саморобної батареї досить великий. Таким чином отримали батарею, «+» будемо знімати з мідної пластини, а «-» з пластини оцинкованого заліза. Як показує практика, з такою саморобною батареєю світлодіод світить продовж 72-х годин. Можливо також використати надяскраві світлодіоди білого кольору, включивши три світлодіода паралельно і через резистор на 47 Ом, при цьому струм живлення становить 4 мА. Світіння надяскравих світлодіодів від саморобної батареї показано на фото. Якщо добавити ще чотири елементи, то можливо до такої батареї підключити економний радіоприймач який споживає струм до 8 мА. Якщо є можливість, то провідники краще підпаяти до крайніх пластин. На сайті, в розділі: «Радіоаматорські конструкції» є опис радіоприймача «Экономичный радиоприемник прямого усиления» який споживає струм всього 1,6 мА. В принципі, металеві смужки можуть бути і менших розмірів, але при цьому ємність батареї буде меша. Розібравши батарею після 72 годин «використання» стане зрозуміло, чому вона перестала працювати – просто випарувалась вода з розчину оцтової кислоти. Для «оновлення» батареї необхідно встановити нові смужки з тканини, змочивши їх розчином оцтової кислоти. Замість розчину оцтової кислоти з успіхом можливо використати сік вичавлений з лимона.
З саморобною батареєю можливо проробити ще й такий дослід:
розрізаємо картоплину і замість світлодіода в м’якоть картоплини встромляємо провідники на відстані 8…10 мм. Через деякий час, 5…10 хвилин побачимо, що біля одного з проводів утвориться пляма зеленого кольору – цей провідник підключений до «+» батареї. Таким чином без вимірювального приладу можна визначити полюса джерела живлення.
Фото 1
Сили, що виникають унаслідок теплового розширення різних конструкцій, якщо їх не враховувати, можуть призвести до руйнувань і катастроф. Тому рейки залізничних колій укладають так, щоб між ними були проміжки. Трубопроводи, які можуть нагріватися, облаштовують спеціальними компенсаторами, що дає змогу розширюватися трубам. Будуючи мости, один з кінців їхніх прольотів кріплять до опори, а інший розташовують вільно або на спеціальних котках. Цей перелік можливо продовжити і далі.
Для демонстрації розширення тіл унаслідок нагрівання голландський фізик Вільгельм Гравезанд (1688—1742 рр.) винайшов прилад, який складався з мідної кулі, що підвішувалася над кільцем на ланцюжку і вільно проходила крізь залізне кільце. Куля, нагріта за допомогою спиртівки, не проходила крізь кільце і трималась на ньому, допоки не охолоне.
На фото 1. (взято з Інтернету) показано вигляд такого приладу.
Зробити такий прилад складно, а зробити пристрій запропонований автором досить просто.
На виготовлення такого пристрою необхідно затратити 1,5…2 години. Конструкція пристрою дуже проста: використано біметалеву пластину від пальника газового пічного (УГОП). В принципі, можливо використати і стрижні залізні, алюмінієві, мідні, але з ними відхилення стрілки буде менше. В металевій пластині вирізано прямокутний отвір для того, щоб спиртівкою нагрівати пластину. Лівий кінець пластини закріплений жорстко, а правий зв’язаний з стрілкою через підшипник ковзання. Лівий кінець стрілки також знаходиться в підшипнику ковзання. Загальний вигляд пристрою показаний на фото 2.
Металева пластина має «ножки», це чотири гвинта з різьбою (М6) діаметром 6 мм і довжиною 100 мм; які прикріплені по кутам пластини, одна гайка знизу, а друга зверху.
В результаті, є можливість змінювати відстань між спиртівкою і пластиною, при необхідності.
На фото 2 спиртівка не запалена- стрілка в положенні «0».
фото 2, спиртівка не запалена- стрілка в положенні «0».
На фото 3. показано, що стрілка пристрою перемістилась в положення «1»- при нагріванні біметалевої пластини вона видовжується і тисне на стрілку, яка повертається на певний кут. При охолодженні займає попереднє положення.
фото 3, спиртівка запалена- стрілка в положенні «1».
Стрілка виготовлена з алюмінієвої пластинки. Якщо ліва частина стрілки (між підшипниками) буде мати менші розміри, то стрілка буде відхилятись на більший кут, але це не має значення, так як важливо побачити; що в результаті нагрівання пластини- вона змінює свої розміри, тобто видовжується.
Демонстрація біметалевих пластин, що вигинаються при нагріванні було описано автором раніше.
Демонстрація реактивного руху за допомогою водяної
«каруселі»
Для проведення цього експерименту знадобляться:
• пуста банка металева, висока;
• цвях, діаметром 5 мм;
• нитка товста молоток
• вода, 0,5 л.
Вона робиться з порожньою консервної банки. І інструменти потрібні найпростіші - молоток та невеликий цвях. Пробиваємо цвяхом три отвори в верхній частині банки, по 120о між отворами і прив’язуємо нитку. У боковій стінці банки, у самого дна, пробиваємо цвяхом дірку. Потім, залишивши цвях в дірці, відігніть його в сторону; притиснувши до банки. Потрібно, щоб дірка вийшла коса і струмінь води з неї бив убік. На іншій стороні банки цим же цвяхом пробити другу дірку, як раз навпроти першої і також залишивши цвях у дірці, відігнути його в сторону; притиснувши до банки. Наливаємо в консервну банку води і за нитки піднімаємо банку і удержуємо на висоті. Під дією водяних струменів, що витікають з банки- банка почне обертатись і буде обертатись, поки не витече вся вода. Фактично це є демонстрація реактивного двигуна. Цей дослід краще проводити над тазиком, щоб вода стікала в тазик. Дослід показано на фото 1. Зображення на банці змито в зв’язку з тим, що банка обертається.
Фото 1
Демонстрація досліду: «Реактивний рух»
Для експерименту знадобляться:
• чашка з водою;
• лійка;
• пластикова трубка діаметром 5…6 мм;
• ізоляційна стрічка;
• нитка, довжиною 10 см;
• тазик, або велика миска.
Сегнерове колесо- двигун, заснований на реактивній дії витікання води. Це перша в історії гідравлічна турбіна. Конструкція така - колесо без обода, у якого спиці замінені трубками з відігнутими кінцями так, що витікаюча з них вода призводить колесодо обертання. Винайшов таке «колесо» угорець Йоган Сегнер У 1750 р., який працював у той час в Геттінгенському університеті.
Вода витікала через трубки, і отримувана при цьому сила реакції діяла в усіх трубках в одну і ту ж сторону, приводячи в обертання все колесо. Таку конструкцію, зазвичай, демонструють на уроках з фізики, пояснюючи принцип реактивного руху.
В домашніх умовах побачити прояв реактивного руху можливо і на значно простішому пристрої. Якщо з’єднати лійку з пластиковою трубкою, а трубку підв’язати ниткою, щоб появилось горизонтальне «відгалуження» і в лійку налити води, то пластикова трубка відхилиться на певний кут – це і є демонстрація реактивного руху. На фото 1 показано лійку і пластикову трубку до наливання води в лійку, а на фото 2 - під час проведення досліду, з витіканням води з трубки.
Фото 1
Фото 2
Методична розробка (8 клас ) - Демонстрації властивостей біметалевих пластин
У розділі фізики «Теплові явища» пояснюється дія біметалевих пластин- дві металеві пластинки з різним тепловим розширенням з’єднанні в одну і при нагріванні вигинаються. Ця властивість біметалевих пластин широко використовується в техніці та побуті. В побуті біметалічні пластини використовуються в електрочайниках, електропрасках, електронагрівальних приладах для автоматичного вмикання і вимикання електричних приладів, як запобіжники великого струму, термометри- на основі біметалічної пластини, реле часу, генератори імпульсів, термостати.
На уроках фізики доцільно не тільки розказати про властивості біметалевих пластин, а і показати наочно дію біметалевих пластин.
Для того щоб виготовити біметалеву пластину застосовують різні способи: паяння, зварювання, або заклепки. Часто використовують при виготовленні біметалевої пластини з'єднання латуні і сталі. Такий композит має високу термочутливість.
З історії відомо, що біметалеву пластину запропонував використати у вісімнадцятому столітті Джон Гаррісон в своїй конструкції морського хронометра у 1759 році для компенсації температурних змін балансування пружини. Ним було виготовлено біметалеву пластину методом безпосереднього злиття розплавленої латуні із сталевою підкладкою. За його винахід йому встановлено меморіальну дошку у Вестмінстерському абатстві в Англії.
|
В запропонованому пристрої для демонстрації дії біметалевих пластин використано біметалеву пластину від електропраски. Біметалева пластина закріплена біля кнопки перемикача (кнопка типу КМ); таким чином, щоб при нагріванні біметалевої пластини (при нагріванні вона вигинається) натискувалась кнопка перемикача. Для демонстрації дії біметалевої пластини зібрана електрична схема, приведена на рис.1.
Як видно з схеми, в стані «спокою», коли біметалева пластина не нагріта буде замкнено ланцюг і буде світити світлодіод HL1 зеленого кольору. При нагріванні біметалевої пластини- вона вигинається і натискується кнопка перемикача SB1; перемикаються контакти і засвічується світлодіод HL2 червоного кольору. Схема живиться напругою ±4,5…12 В. Схема споживає струм 9 мА при живленні від напруги ±9 В. Цілком підходить живити пристрій від батареї, типу «Крона»; або від шести елементів типу АА- на 1,5 В, включених послідовно, або від акумулятора на 4,8 В- чотири по 1,2 В. На фото 1. показано пристрій в стані «спокою»- горить світлодіод HL1, зеленого кольору.
Фото 1. Біметалева пластина при кімнатній температурі- горить світлодіод зеленого кольору
На фото 2. Показано пристрій після нагрівання біметалевої пластини- засвічується світлодіод HL2- червоного кольору. Біметалева пластина має інерціонність- після того, як перестали нагрівати- пластина залишається в цьому стані ще декілька секунд. На нагрів пластини затрачується 4…6 сек. На фото 2. біметалева пластина нагрівається від запаленої таблетки сухого спирту, але достатньо пластина нагрівається і від запаленого сірника.
Фото 2. Після нагріву біметалевої пластини- горить світлодіод червоного кольору.
Автор: Бабин Дмитро Святославович
Утворити іскру могли навіть первісні люди- це один з найбільш поширених та ефективних способів добування вогню - висікання іскри за допомогою кременю. Кременем служив звичайний камінь, яким били по шматку залізної руди. Отримані іскри спрямовували на суху траву, яка загоралася при роздмухуванні. Прототипом цього є газові запальнички, в яких газ загорається від утвореної іскри. Температура таких електричних icкop становить 1500…2500°С, а тому цілком природно, що вони можуть бути джерелом запалювання горючих речовин.
Іскровий розряд, часто спостерігається в природі, як блискавка. Блискавка – це розряд між двома зарядженими хмарами або між хмарою і землею. Носіями зарядів у хмарах є заряджені крапельки води або сніжинки.
У лабораторних умовах іскровий розряд можна отримати, якщо поступово збільшувати напругу між двома електродами, що знаходяться в атмосферному повітрі. При деякій напрузі виникає електрична іскра. При цьому іскровий розряд з величезною швидкістю пронизує розрядний проміжок. Іскра виникає в тому випадку, якщо напруженість електричного поля в газі досягає деякої певної величини, яка залежить від роду газу і його стану. Якщо, залишаючи напругу постійною, зменшити відстань між електродами, то напруженість поля в газовому проміжку буде збільшуватися і при певній відстані між електродами станеться іскровий розряд. Чим вище буде прикладена напруга, тим більше буде відстань між електродами, при якому відбудеться іскровий розряд. Свічення газу при іскровомурозряді відбувається за рахунок виділення великої кількості енергії й нагрівання газу в іскровому проміжку до дуже високої температури Нагрівання газу відбувається швидко, тому різко зростає і тиск газу, що призводить до виникнення ударних хвиль. Це є причиною появи різних звукових ефектів при іскровому розряді: від потріскування в слабких розрядах до гуркотів грому при спалахах блискавки.
Іскроутворення дуже широко використовується в техніці запалення горючої суміші у двигунах внутрішнього згоряння. Для системи запалювання в автомобілях використовується висока напруга 20…25 кВ.
Для нормальної роботи бензинового двигуна потрібна система запалювання. Система запалювання автомобіля — це досить складна система приладів, що формує іскри в потрібний момент. Таку систему запалювання бензину застосовують і для двигунів, які встановлені на бензопилах, газонокосарках, бензинових генераторах, та на іншій техніці. На лініях електрозв’зку, електропередач для запобігання перенапруження використовуються іскрові розрядники.
На виробництві використовується електроіскрова обробка металів: свредління та різання твердих металів.
Іскровий розрядвикористовується також в спектральному аналізі для реєстрації заряджених частинок.
Іскровий розряд можна утворити і демонструвати, зробивши простий пристрій, який необхідно підключити до зарядженого конденсатора і підібрати такий проміжок між електродами, коли появиться іскровий розряд. Для цього досліду доцільно використати генератор потужного імпульсу, який був виготовлений раніше і детально описаний в статті: «Демонстрація електромагнітного прискорювача феромагнітної кульки». В генераторі потужного імпульсу конденсатори заряджаються до напруги 450 В. Як показує експеримент, зазор між електродами для утворення іскрового розряду при такій напрузі повинен мати, близько 0,1 мм, тобто досить мала відстань. Раптовий розряд великим струмом небезпечний для оксидних конденсаторів, тому в ланцюг розряду необхідно ввімкнути дротяний резистор на 1…5 Ом для обмеження розрядного струму, як це показано в конструкції пристрою на фото 1.
Фото 1. Пристрій для іскрового розряду
Для пристрою взято систему контактів і керамічну основу від реле типу РП4 (РП5, РП7). Лівий електрод (гвинтовий) є можливість зміщувати і виставляти необхідний зазор між ним і рухомим правим електродом в крайньому положенні, який приближається до лівого електроду при натискуванні кнопки з правої сторони корпусу. Між кнопкою і корпусом встановлена пружина і в початковому стані відстань між електродами максимальна. На фото 1 показано внутрішню «начинку» пристрою. Поверх дротяного резистора встановлено дзеркальна пластина і корпус закривається пластиною з органічного скла. Зібраний пристрій, під’єднаний до генератора потужного імпульсу, показано на фото 2.
При проведенні дослідів необхідно, щоб пристрій був закритим прозорим склом, що забезпечить безпеку досліду з високою (450 В) напругою. При проведенні досліду необхідно генератор потужного імпульсу ввімкнути в електромережу (~220 В)- натиснути кнопку «Заряд» на 10 секунд. Потім натиснути кнопку «Пуск» і утримувати її натиснутою пальцем лівої руки, а пальцем правої руки натиснути кнопку на пристрої іскрового розряду і при цьому правий електрод приблизиться до лівого електроду і станеться іскровий розряд.
Іскровий розряд досить потужний, і щоб показати його краще на фото, як вийняток, було знято захисне скло. Іскровий розряд супроводжувався гучним тріском. Утворений іскровий розряд показано на фото 3.
Фото 3. Демонстрація іскрового розряду
Якщо пристрій закритий пластиною органічного скла іскровий розряд менш ефектний, зате повна безпека досліду. В принципі, можна взяти корпус більших розмірів, тоді іскровий розряд буде краще видно і з закритою прозорою пластиною. При частому користуванні пристроєм, час від часу необхідно електроди зачищати наждачним папером, щоб зняти «окалину», при наявності якої потужність іскрового розряду зменшується.