Інформація для вчителів
Застосування
Два електроди в розчині солі являють собою найпростішу основну форму батареї. Ця конструкція в принципі є електричним джерелом, яким створюється напруга.
Відкриття й подальший розвиток так званих гальванічних елементів, відоміших як батареї, були значним поступом, бо вони уможливлюють мобільне живлення найрізноманітніших пристроїв. Однак гальванічний елемент може дати лише невелику величину напруги, тому важливо підвищити ефективність послідовним чи паралельним з'єднанням кількох гальванічних елементів.
Такі послідовні з'єднання мають практичне застосування, наприклад, у переносних радіоприймачах і кишенькових ліхтариках.
Інша інформація для вчителя (1/4)
Попередні знання
Учні вже мають попрацювати з гальванічними елементами (елементом Даніеля) в теорії та на практиці. Учні можуть провести паралелі між паралельним і послідовним з'єднанням та правилами вузлів і контурів Кірхгофа.
Принцип
Підвищення напруги може відбуватися через послідовне з'єднання кількох гальванічних комірок, наприклад елементів Даніеля.
Інша інформація для вчителя (2/4)
Навчальна мета
Учні мають базове розуміння роботи гальванічної комірки. У цьому досліді учні вчаться, як можна підвищити ефективність такої гальванічної комірки послідовним з'єднанням. Мета - усвідомити зв'язок між кількістю послідовно з'єднаних гальванічних комірок і одержаною напругою.
Завдання
Учениці та учні мають скласти загалом три елементи Даніеля. Після цього вони з'єднують спершу дві, потім три з цих комірок послідовно й вимірюють відповідну сумарну напругу вимірювачем напруги. Далі вони з'єднують два з гальванічних елементів паралельно й порівнюють виміряні напруги з послідовним з'єднанням.
Інша інформація для вчителя (3/4)
Гальванічний елемент складається з двох напівелементів, у цьому випадку - розчину купрум сульфату з мідним електродом і розчину цинк сульфату з цинковим електродом. Цинковий електрод виконує роль анода, на якому з віддаванням електроніввідбувається окиснення. Мідний електрод діє як катод, на якому з прийманням електроніввідбувається відновлення.
Підвищення напруги може відбуватися через послідовне з'єднання кількох гальванічних комірок, наприклад елементів Даніеля. Підвищена напруга відповідає при цьому сумі напруг окремих елементів (правило контурів Кірхгофа). При паралельному з'єднанні підвищення напруги не відбувається, натомість зростає сила струму (правило вузлів Кірхгофа). Розчини електролітів напівелементів розділені смужкою фільтрувального паперу (сольовим містком), який уможливлює потік електронів, водночас перешкоджаючи дифузії розчинів електролітів.
Інша інформація для вчителя (4/4)
Розчини можна приготувати для всіх, щоб заощадити хімічні реактиви!
- Розчин купрум сульфату : Додай купрум сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Розчин цинк сульфату : Додай цинк сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Калій нітрат : Додай калій нітрату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
При такому обсязі приготування можна взяти хімічну склянку на . Її ви знайдете в інтернет-магазині PHYWE.
Правила безпеки
- Для цього досліду діють загальні вказівки щодо безпечного експериментування на уроках природничих наук.
- Під час досліду всі присутні в приміщенні особи мають носити захисні окуляри!
- Щодо H- і P-фраз, будь ласка, звертайтеся до паспорта безпеки відповідної хімічної речовини.
Інформація для учнів
Мотивація
Схема досліду
Мобільні джерела енергії - невід'ємна складова сучасної техніки, наприклад у смартфонах, медичних приладах чи переносній електроніці. Основою багатьох із цих застосувань є гальванічна комірка, напругу якої можна цілеспрямовано підвищити послідовним з'єднанням.
У межах цього досліду досліджують, як можна змінити електричну напругу комбінуванням кількох гальванічних елементів. Здобуті знання є ключовими для розуміння електрохімічного накопичення енергії та його технічного використання.
Завдання
Як з'єднання кількох гальванічних елементів впливає на напругу?
- Склади три елементи Даніеля.
- З'єднай спершу два, потім усі три елементи послідовно й виміряй щоразу сумарну напругу кола.
- З'єднай два з елементів Даніеля паралельно й порівняй виміряну напругу зі значеннями послідовного з'єднання.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra SMARTsense Voltage - Датчик для вимірювання електричної напруги ± 30 В (Bluetooth + USB) | 12901-01 | 1 |
| 2 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, червоний | 07356-01 | 1 |
| 3 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, синій | 07356-04 | 1 |
| 4 | Перехідний штекер, гніздо 4 мм/ 2 мм, 2 шт. | 11620-27 | 1 |
| 5 | Затискач типу "Крокодил", з ізоляцією, 2 мм, 2 шт. | 07275-00 | 3 |
| 6 | Стрічковий електрод мідний для учнівських дослідів з електрохімії, довжина 75 мм, ширина 15 мм | 07856-10 | 3 |
| 7 | Мензурка, висока, 50 мл | 46025-00 | 3 |
| 8 | Крапельниця, пластик, 50 мл | 33920-00 | 1 |
| 9 | Блок із 8 заглибленнями, d=40 мм | 37682-00 | 1 |
| 10 | Кришки для блоку з заглибленнями, 8 шт. | 37683-00 | 1 |
| 11 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 250 мм, червоний | 07355-01 | 2 |
| 12 | Стрічковий електрод цинковий для учнівських дослідів з електрохімії, довжина 75 мм, ширина 15 мм | 07856-20 | 3 |
| 13 | Вода демінералізована, чиста, 10000 мл | CHE-882041145 | 1 |
| 14 | Нітрат калію, 250 г | 30106-25 | 1 |
| 15 | Хроматографічний папір, 100 смужок | 32972-00 | 1 |
| 16 | Захисні окуляри, прозорі | 39316-00 | 1 |
Додаткове обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Пінцет | 64610-01 | 1 |
Підготовка
Підготовка необхідних розчинів
- Розчин купрум сульфату : Додай купрум сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Розчин цинк сульфату : Додай цинк сульфату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
- Калій нітрат : Додай калій нітрату до дистильованої води. Добре перемішай і доведи дистильованою водою до .
Складання (1/4)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/4)
Змочи по черзі три сольові містки за допомогою пінцета в розчині калій нітрату й розмісти їх як містки між вимірювальними комірками в блоці вимірювальних комірок (див. малюнок).
Складання (3/4)
Наповни вимірювальні комірки відповідними розчинами солей металів (див. малюнок).
Накрий кожну вимірювальну комірку кришкою.
Складання (4/4)
Придивись до електродів: якщо метал окиснився під час зберігання, візьми шматок шліфувального паперу, щоб зняти оксидний шар.
Потім встав у вимірювальні комірки 1,3,5 мідні електроди, а у вимірювальні комірки 2,4,6 - цинкові електроди.
1
3
5
2
4
6
Виконання (1/5)
- Запусти measureAPP на мобільному пристрої.
- Натисни на датчику кнопку «Пуск» приблизно на 3 секунди.
- Приєднай датчик, торкнувшись поряд з описом датчика в measureAPP.
- Налаштуй показ виміряних значень, торкнувшись над діаграмою.
Виконання (2/5)
Зважай далі на колір з'єднань: синій (цинк, мінус-полюс) завжди до синього (чорного), а червоний (мідь, плюс-полюс) завжди до червоного!
З'єднай провідники через перехідні штекери з датчиком Cobra SMARTsense Voltage.
На наступному кроці (див. наступний слайд) затискачі «крокодил» з'єднують з металевими електродами (мідною та цинковою пластинами).
Виконання (3/5)
Послідовне з'єднання (1/2)
З'єднай потім мідний електрод напівелемента 1 з цинковим електродом напівелемента 4 коротким з'єднувальним провідником (мал. угорі) і виміряй після цього напругу між цинковим електродом 2 і мідним електродом 3.
1
3
5
2
4
6
Виконання (4/5)
Послідовне з'єднання (2/2)
Тепер з'єднай додатково ще й мідний електрод 3 із цинковим електродом 6 коротким з'єднувальним провідником (див. мал. угорі) і виміряй тоді напругу між цинковим електродом 2 і мідним електродом 5.
1
3
5
2
4
6
Виконання (5/5)
Паралельне з'єднання
З'єднай мідні електроди 1 і 3 (мал. праворуч) та цинкові електроди 2 і 4 - щоразу короткими з'єднувальними провідниками. Тоді виміряй напругу між електродами 2 і 3 (або також між 1 і 4).
Чим відрізняється електрична напруга при паралельному з'єднанні порівняно з послідовним?
1
3
2
4
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання