Шагающее электричество

Казаков Кирилл Дмитриевич
Шевченко Татьяна Анатольевна, учитель

Разделы: Физика

Введение

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с таким понятием как «электричество».

Без электричества представить нашу современную жизнь практически невозможно. Электричество - это наш друг. Оно помогает нам во всём. Утром мы включаем свет, электрический чайник. Ставим подогревать пищу в микроволновую печь. Пользуемся лифтом. Едем в трамвае, разговариваем по сотовому телефону. Трудимся на промышленных предприятиях, в банках и больницах, учимся в школе, где тепло и светло. И везде «работает» электричество.

Как и многое в нашей жизни, электричество, имеет не только положительную, но и отрицательную сторону. Электрический ток - невидим, а потому особенно коварен. Его как волшебника-невидимку, нельзя рассмотреть, учуять его по запаху и в этом его главная опасность для человека! Определить наличие или отсутствие тока можно только используя приборы, измерительную аппаратуру. Что НЕ нужно делать взрослым и детям? Не дотрагивайтесь руками, не подходите близко к проводам. Не останавливайтесь на отдых недалеко от линий электропередач, подстанций, не разводите костров, не запускайте летающие игрушки. Лежащий на земле провод может таить в себе смертельную опасность. Электрические розетки, если в доме маленький ребёнок, - объект особого контроля.

Главное требование, предъявляемое к взрослым - не только самим соблюдать правила безопасности, но и постоянно информировать детей о том, насколько может быть коварен электрический ток.

Электрический ток вырабатывают большие мощные электростанции. Чтобы получить электричество на таких станциях используется сила воды, тепловая и атомная энергия.

В настоящее время очень остро поднимается проблема нехватки энергетических ресурсов. Угроза истощения ископаемых энергетических ресурсов стимулировала исследования по использованию альтернативных источников. Их поиск приобрел в последние десятилетия массовый характер. К ученым, работающим в области альтернативной энергетики, присоединилась и армия изобретателей.

Люди научились добывать энергию при помощи океанских волн и течений, теплых подземных источников, солнечных лучей, порывов ветра. Энергию вырабатывают из рисовой шелухи, куриного помета, банановой кожуры.

Можно не сомневаться, что в будущем наши потомки полностью перейдут на альтернативные источники энергии и энергетика станет экологически чистой и абсолютно безопасной для природы и человека. Будущее энергетики - это чистая энергия возобновляемых природных ресурсов.

Электричество настолько прочно вошло в нашу жизнь, что порой мы вспоминаем о нем лишь тогда, когда оно исчезает. И тогда его отсутствие становится трагедией.

Таким образом, может возникнуть ряд ситуаций, когда электричество невозможно добыть даже при помощи альтернативных источников энергии (вода, ветер, солнечный свет). Ведь техническое оснащение, например, туриста растет: мобильные телефоны, фонари, фото- и видеоаппаратура, приборы ориентирования и связи.

Актуальность: зарядка небольших аккумуляторных батарей, когда не доступны бытовые источники тока (розетки): туристические походы, оснащение индивидуальных спасательных пакетов.

Цель: Самостоятельно зарядить небольшие аккумуляторные батареи с помощью пьезоэлектрических элементов.

Задачи:

Изучить историю возникновения электричества;
Выяснить, что такое пьезоэлектричество и возможность его применения;
Провести опрос об электричестве;
Разработать макет устройства для зарядки небольших аккумуляторов во время движения (ходьбы);
Провести опыты.

Гипотеза: Предположим, что электрический ток можно получить во время прогулки или отправляясь в поход.

Тема исследования: «Шагающее» электричество.

Объект исследования: независимый источник электроэнергии.

Предмет исследования: пьезоэлементы.

В своей работе я использовал следующие методы:

анализ информации из интернета и научной литературы;
беседа с учителем физики;
анкетирование;
опыты;
анализ полученных данных.

Исследование проводилось по следующему плану:

Нашёл и изучил информацию об электрическом токе и альтернативной электроэнергии;
Изучил информацию о пьезоэлементах;
Провёл анкетирование своих одноклассников с целью выяснить, знают ли они об источниках альтернативной электроэнергии, возможности зарядки аккумуляторных батарей на природе и что такое пьезоэлементы;
Провёл свои опыты, доказывающие, что из пьезоэлементов можно получить электрический ток;
Сделал выводы.

Презентация

1. Краткие сведения об электричестве и его получении

Что же такое электричество, всегда ли люди знали о нём?

Открытие электрического тока и других новшеств, связанных с ним, можно отнести к периоду: конец девятнадцатого - начало двадцатого века. Но наблюдали первые электрические явления люди ещё в пятом веке до нашей эры. Они замечали, что потёртый мехом или шерстью кусок янтаря притягивает к себе лёгкие тела, например, пылинки. Древние греки даже научились использовать это явление - для удаления пыли с дорогих одежд. Ещё они заметили, что если сухие волосы расчесать янтарным гребнем, они встают, отталкиваясь друг от друга.

Когда человек впервые использовал электричество?

Электричеством человек смог пользоваться только с 1800 года. Тогда итальянский ученый-физик Алессандро Вольта изобрел первую батарею и тем самым дал миру первый надежный постоянный источник тока. Вскоре стало известно, что электрический ток может использоваться для выработки тепла, света, поддержания процессов химических реакций, создания магнитных эффектов. В честь Алессандро Вольта названа единица измерения электрического напряжения - Вольт.

Первая в мире электростанция общественного пользования была построена в Нью-Йорке в 1882 г. Она вырабатывала постоянный ток и питала 10 тысяч ламп.

Что такое альтернативные источники энергии?

Альтернативными (или возобновляемыми) источниками энергии называются источники энергии, позволяющие получить энергию без использования традиционного ископаемого топлива (нефти, газа, угля и т.п.)

Альтернативные источники энергии (ветер, солнечные лучи, движение водных масс) - это источники, которые намного лучше, дешевле в использовании, не убивают экологию нашей планеты и практически неисчерпаемые, в сравнении с традиционными источниками (газ, нефть).

Возникает вопрос: почему альтернативную энергию начинают использовать только сейчас? С древних времен люди наблюдали за тем, что солнечные лучи, течение воды и ветер находились в непосредственном соприкосновении с человеком. Но чтобы извлечь из этих источников энергию необходимо иметь очень высокотехнологичное оборудование, и такого же уровня знания, а этого человечество достигло совсем недавно.

Виды альтернативных источников энергии:

солнечные электростанции - это станции, работа которых основана на приеме и накоплении солнечной энергии через солнечные батареи;
ветряные электростанции - это станции, работа которых основана на приеме воздушных масс (обычно, через гигантскую лопасть), и трансформации в другие виды энергии;
приливные электростанции - работа основана на переработке энергии водных масс, в другие виды энергии.

Ещё одним вариантом получения энергии являются пьезоэлектрики (от греческого - давлю, сжимаю) - особые вещества, вырабатывающие электроэнергию при сжатии.

Пьезоэлектрические приборы применяются во многих электронных игрушках - в музыкальных шкатулках, в игровых приставках, в настенных часах, в калькуляторах, иными словами там, где нужен слабый источник звукового излучения. Также пьезоэлектрики применяют в пьезозажигалках.

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они обнаружили, что если кристаллы некоторых веществ подвергнуть сжатию, то на их поверхности возникает электрическое напряжение. Всплеск электричества будет кратковременным, пока его опять не сожмут. Это явление - было названо прямым пьезоэффектом.

Первое техническое применение пьезоэффекта было осуществлено Полем Ланжевеном. В 1920 году он создал ультразвуковой преобразователь для передачи и приема информации в воде, который использовался на подводных лодках, для обнаружения косяков рыб и в других целях.

В данной работе рассмотрен вариант получения электрической энергии с помощью прямого пьезоэффекта.

2. Анкетирование

Я решил проверить, знают ли дети из нашего класса что-либо об альтернативных источниках энергии, возможности зарядки аккумуляторов на природе и слышали ли они о пьезоэлектричестве. Форма анкеты приведена в приложении 1.

В опросе принимало участие 25 человек.

На вопрос: возможно ли получить электричество с помощью ветра и солнца 24 человек ответило - «Да», 1 человек - «Нет».

На вопрос: возможно ли зарядить батарейку от фонарика на природе 2 человека ответило - «Да», 19 человек - «Нет» и 4 - «Не знаю».

На вопрос: «Знаете ли Вы что такое пьезоэлектричество?» 2 человека ответило - «Да», 23 человека ответило - «Нет».

Из результатов анкетирования видно, что большинство знакомы с понятием «альтернативный источник энергии», но практически никто не знает о пьезоэлектричестве.

Поэтому, надеюсь, что представленная информация и результаты экспериментов будут очень интересны и познавательны.

3. Получение «шагающего» электричества

Информация о пьезоэлектриках и их свойствах, полученная из различных источников позволяет предположить, что электричество возможно получить с помощью пьезоэлектрических элементов, извлечённых из старых электронных устройств, а затем накопить его в аккумуляторах.

Для исследования возможности получения «шагающего» электричества и создание макета устройства для его «сбора» я использовал следующие материалы и оборудование:

Аккумуляторы размера АА Camelion - 2 шт;
Прибор для измерения электрического напряжения;
Выпрямительные сборки КЦ405 - 2 шт;
Пьезоэлементы в форме диска - 12 шт;
Провода;
Лист пластика, толщиной 1,5 мм;
Кроссовки, размер 31 - 1 пара;
Компоненты электронного конструктора «Знаток»;
Программа для смартфона «Шагомер».

2.1. Разработка макета устройства

Разработка макета устройства для получения «шагающего» электричества включает насколько шагов.

Шаг 1: Подготовка аккумуляторов

Начнём с подготовки двух аккумуляторов размера АА (в обиходе «пальчиковый»). Размер этого типа выбран не случайно - он является одним из самых распространенных и применяется во многих электронных устройствах.

Чтобы попытаться зарядить аккумуляторы необходимо сначала их разрядить. Для этого с помощью компонентов конструктора «Знаток» и вольтметра был собран стенд, имитирующий работу фонарика. Внешний вид стенда изображён в приложении 2. Первоначальный заряд аккумуляторов составляет 1,2 вольта (или 1200 милливольт). Для ускорения разрядки были использованы 3 лампы.

Наблюдения показали, что практически полный разряд аккумуляторов наступил примерно через 4,5 часа.

Шаг 2: Размещение пьезоэлементов

Из теории мы знаем, что пьезоэлементы вырабатывают электричество при сжатии. Для наилучшей выработки электроэнергии их необходимо разместить так, чтобы при каждом движении пьезоэлемент сжимался как можно сильнее.

Самое лучшее место для этого это обувь (кроссовки, сапоги) - между ступнёй ноги и подошвой. Таким образом, при каждом шаге, пьезоэлементы будут сжиматься и вырабатывать электричество.

Чтобы разместить пьезоэлементы в обуви, из кроссовка вынимаем стельку и вырезаем подложку по её контуру из пластика. Затем с помощью клея закрепляем пьезоэлементы в местах максимального соприкосновения ступни со стелькой.

Шаг 3: Соединение пьезоэлементов

Соединяем пьезоэлементы между собой проводами. Соединять их необходимо параллельно, т.к. они генерируют ток. Каждый может работать в разные моменты времени.

Шаг 4: Проверка работы

Для проверки работы подсоединяем вольтметр к проводам. При лёгком нажатии отдельно на каждый диск на индикаторе вольтметра должен изменяться уровень напряжения.

Шаг 5: Усиливаем эффект сдавливания

Приклеим в центре каждого пьезоэлемента кусочек эластичного материала. Это поможет усилить эффект сдавливания и защитит пьезоэлемент от разрушения.

Шаг 6: Установка в кроссовок

После проверки работоспособности аккуратно размещаем подложку в кроссовке и выводим провода наружу. Для комфортной ходьбы сверху укладываем вынутую ранее стельку.

Теперь проверяем генерацию, имитируя шаг: при надавливании ногой на индикаторе вольтметра также должен изменяться уровень напряжения.

Шаг 7: Зарядка аккумулятора

Для зарядки аккумулятора подсоединяем выведенные из кроссовка провода к аккумулятору через диодный мост.

Дело в том, что пьезоэлементы могут генерировать только переменный ток. При сжатии - положительной полярности, при растяжении - отрицательной (или наоборот).

Диодный мост - специальный электронный прибор преобразующий переменный ток, который генерируют пьезоэлементы в постоянный, который требуется для зарядки аккумуляторов.

Далее переходим к опытной проверки нашей разработки - зарядке аккумуляторов при ходьбе.

2.2. Опытная проверка работы устройства

Давайте подумаем, какие замеры и расчеты нам необходимо сделать, чтобы оценить работу задуманного нами проекта? Как рассчитать и предположить сколько потребуется пройти для достижения нашей цели - зарядки аккумулятора, чтобы можно было воспользоваться им?

Для проверки устройства получающего «шагающее» электричество приняло участие 2 исследователя со следующими физическими данными:

Данные	Исследователь 1	Исследователь 2
Возраст, лет	9	37
Рост, см	130	171
Вес, кг	28,2	67,7

Как уже было отмечено выше, пьезоэлементы вырабатывают электричество при сжатии. Поэтому можно предположить, что количество выработанной электроэнергии будет зависеть от числа сжатий пьезоэлемента, т.е. в нашем случае от количества сделанных исследователем шагов.

Поэтому для оценки работы устройства нам необходимо:

перед началом опыта с помощью вольтметра измерить первоначальный заряд аккумулятора;
пройти некоторое расстояние, подсчитав количество сделанных исследователями шагов;
измерить вольтметром изменение заряда аккумулятора.

Т.к. исследователи имеют разный рост, то пройдя одинаковое расстояние, они сделают разное количество шагов. Поэтому в данном случае исследователям необходимо пройти разные расстояния.

Для упрощения задачи подсчёта шагов мы воспользовались специальной программой «Шагомер», установленной на современный смартфон. Проверка программы путём самостоятельного подсчёта некоторого количества пройденных шагов показала хорошую точность измерений.

Проведённые замеры показали, что при ходьбе происходит повышение напряжения на аккумуляторе, т.е. идет зарядка аккумулятора.

Проведённые замеры мы занесли в таблицу:

Число шагов	Напряжение аккумулятора, милливольт
Число шагов	Исследователь 1	Исследователь 2
Напряжение перед опытом	190	686
645	279	942
1125	345	1132

Поскольку первоначальный заряд не одинаков, необходимо анализировать изменение напряжения на аккумуляторе, т.е. из каждого измерения необходимо вычесть первоначальное значение.

Таким образом, получаем следующие данные:

Число шагов	Изменение напряжения на аккумуляторе, милливольт
Число шагов	Исследователь 1	Исследователь 2
0	0	0
645	89	256
1125	155	446

По полученным данным строим график зависимости изменения напряжения на аккумуляторе от количества сделанных шагов, приведённый в приложении 3.

Исследуя вид графика и его данные можно сделать вывод, что количество выработанной электроэнергии зависит от количества сделанных шагов, а так же от веса исследователя. Вес исследователя 2 на данном графике больше, поэтому зарядка аккумулятора происходит быстрее.

Заключение

Проведя данную исследовательскую работу, я открыл для себя много нового и интересного. Я узнал об альтернативных источниках энергии и пьезоэлектричестве и возможности его получения и использования.

Также такому небольшому, компактному и простому источнику электроэнергии на пьезоэлементах может найтись множество применений: их можно использовать в качестве независимого источника, которым можно оснастить снаряжение спасательных отрядов и путешественников, отправляющихся в дальний поход. Можно питать светодиодные индикаторы, размещённые на верхней одежде для безопасного передвижения в тёмное время суток, разрабатывать дизайнерскую одежду и обувь.

В процессе работы я понял, что имея знания, навыки и некоторые детали, вытащенные из старых электронных устройств и проявив фантазию, можно зарядить аккумуляторы!

Список использованной литературы

9.03.2023