Введение
Первый, кто открыл иную возможность получения электричества, исключая случаи электризации различных тел трением, был итальянский ученый Луижди Гальвани (1737–1798) (рис. 1). Он был по специальности биолог, но работал в лаборатории, где проводились опыты с электричеством.
Гальвани наблюдал явление, которое заключалось в том, что если к нерву лапки мёртвой лягушки прикоснуться электродом от раскрученной электростатической машины, то лапка дергалась. Происходило сокращение мышц. Но, однажды ученый коснулся ноги лягушки скальпелем из стали и заметил такое же подергивание. Самое удивительное заключалось в том, что электростатическая машина не контактировала со скальпелем. Гальвани провел много опытов для того, чтобы понять причину возникновения тока.
Проведя свои эксперименты, ученый посчитал, что электричество возникает в теле лягушки. Гальвани назвал его «животным электричеством».
Это был неправильный вывод. Другие ученые опытным путем доказали, что Гальвани ошибся. Но ученый настаивал на своей точке зрения. Он умер в 1798 году, так и не приняв другой точки зрения, основанной на результатах исследований.
Рис. 1
Другой ученый Алессандро Вольта один из тех, кто заложил основы учения об электричестве, тоже провел многочисленные опыты и пришел выводу, который не совпадал с выводом Гальвани. Он посчитал, что электричество возникает при контакте двух разных металлов. Металлы прикасались к веществу мышц и становились источником тока. Такой же эффект возникает при контакте пары металлов с влажным телом. «Вольта подчеркивал, что разнородные металлы здесь не простые проводники или передатчики тока, а «настоящие двигатели электричества»» [2].
Но этот ученый, утверждая, что нет никакого «животного электричества», ошибался. А. Вольта писал, что если составить проводящую цепь так, чтобы между различными металлами, например серебром и цинком, был введен соприкасающийся с ними жидкий проводник, то вследствие этого возникает постоянный электрический ток того или иного направления. Опытным путем получен ряд напряжений элементов (табл. 1).
Таблица 1
Ряд напряжений элементов
|
Цинк (Zn) |
Свинец (Pb) |
Платина (Pt) |
|
Железо (Fe) |
Медь (Cu) |
Углерод (C) |
|
Олово (Sn) |
Серебро (Ag) |
|
Можно продемонстрировать, что дистиллированная вода, глицерин, спирт и растворы спирта, глицерина и сахара в дистиллированной воде плохо проводят электрический ток. Вместе с тем растворы кислот, щелочей и солей в воде — хорошие проводники электричества. Вещества, водные растворы которых являются проводниками, называются электролитами. Согласно таблице 2, если для гальванического элемента взять медную и цинковую пластины, то медь приобретет положительный, а цинк — отрицательный заряд. Разность их потенциалов равна примерно 1,1 вольта. Она не зависит от размеров пластин. Размер пластин определяет силу тока. Чем больше пластина, тем больше ток, даваемый элементом. Раньше гальванические элементы размещали в стеклянные сосуды, это неудобно, стали делать сухие элементы.
Сухой гальванический элемент представляет собой цилиндрический цинковый контейнер, в котором находится содержимое элемента. Корпус одновременно является отрицательным электродом. Положительный электрод часто делают из угольного стержня.
Цинковый цилиндр выложен изнутри тонким пористым материалом, похожим на промокательную бумагу, который покрыт толстым слоем пасты; в состав последней входят алебастр, вода и хлористый аммоний NH4Cl — соль, известная под названием нашатыря. В центре цинкового контейнера укрепляется угольная палочка, служащая в качестве положительного электрода. Остальное пространство контейнера заполняется смесью гранулированного угольного порошка и двуокиси марганца, насыщенной раствором нашатыря. Сверху элемент запечатывается воском, чтобы из него не выпало содержимое.
Снаружи цилиндр обычно обертывается толстым слоем бумаги. По мере работы элемента цинк постепенно растворяется, пока, наконец, на стенках цилиндра не появляются дырки. Поэтому, выражение «сухой гальванический элемент», условно. Нужно вовремя удалять отработанные элементы из современных приборов, иначе из корпуса батареи может вытечь небольшое количество электролита и испортить прибор.
Основная часть
Большое количество процессов в живых организмах обусловлено прохождением электрических сигналов от одного органа к другому. Если через тело человека проходит электрический ток, мышцы сокращаются, это может нанести вред здоровью.
Если взять два разных металла (медь + цинк, медь + алюминий и др.) и поместить электроды из этих металлов в раствор соли или кислоты, то на концах появится электродвижущая сила. Если подключить провода к измерительному прибору, например микроамперметру, то можно измерить силу тока в цепи. В данном случае электроды и раствор будут служить гальваническим элементом (рис. 2).
Как гальванический ток элемент создает ток. Изучая полярность пластин гальванического элемента, мы установили, что цинк в кислоте приобретает отрицательный заряд, указывающий на избыток электронов, а медь — положительный заряд, свидетельствующий о недостатке электронов. Но как это может быть, если оба металла находится в одной и той же жидкости?
Если исследовать отработавший гальванический элемент, то можно убедиться, что медная пластинка лучше сохранилась, нежели цинковая. Это говорит о том, что цинковая пластинка растворяется значительно быстрее медной. Когда атомы металла переходят в раствор в виде положительно заряженных ионов, в металлической пластинке остаются избыточные электроны. Это объясняет отрицательный заряд цинка, но не положительный заряд меди. Почему же в гальваническом элементе медь не приобретает отрицательный заряд подобно цинку?
Как мы уже выяснили, молекула серной кислоты H2SO4 в воде распадается на два иона H+ и один ион SO42-:
Положительные ионы цинка (Zn2+), переходя в раствор, отталкивают положительные ионы водорода и оттесняют их к медной пластине. Здесь каждый водородный ион (H+) приобретает один электрон, превращаясь в нейтральный атом; последний, соединяясь с другим водородным атомом, образует молекулу газообразного водорода. Несколько таких молекул образуют газовый пузырек. Поскольку медная пластина теряет электроны, она заряжается положительно.
Рис. 2. Батарея гальванических элементов
При замыкании внешней электрической цепи, получаемой соединением электродов, электроны от цинкового электрода переходят к медному электроду. Это приводит к нарушению первоначальных равновесий, в результате чего будут протекать процессы окисления на цинковом и процессы восстановления на медном электродах, обеспечивая поддержание их потенциалов. Такое самопроизвольное протекание окислительно-восстановительного процесса и обусловливает работу гальванического элемента.
Была выдвинута гипотеза: если человек является источником электрического тока, тогда при прикосновении руками к пластинам из разного металла, должна появиться электродвижущая сила. И если к пластинам подключить чувствительные электроизмерительные приборы, то можно измерить силу тока.
Цель работы: обнаружить электричество, источником которого может быть человек и можно ли его использовать для нужд самого человека.
Задачи: изучить литературу по теме;
Изготовить прибор для обнаружения слабого тока;
Составить план экспериментов;
Определить правила измерений;
Провести измерения;
Проанализировать полученные результаты;
Найти закономерности и попытаться их объяснить;
Разобраться, как человеческий организм может вырабатывать электричество, быть источником энергии и, каким образом это можно выгодно использовать.
Объект исследования: электричество, источником которого является человек.
Предмет исследования: человек как источник электрического тока. Зависимость силы излучаемого тока от различных фактов.
Актуальность работы. В современном мире человечество нуждается в электроэнергии каждый день. Она нужна как большим предприятиям, так и человеку в быту. На ее выработку тратится много средств. И поэтому счета за электроэнергию растут каждый год. Те предприятия, которые могут вырабатывать дешёвую электроэнергию, наносят большой ущерб экологии, который потом отражается на окружающей среде и нашем здоровье. А те предприятия, которые вырабатывают более экологически чистую электроэнергию, как, к примеру, гидроэлектростанции, требуют больших затрат. В настоящее время очень остро поднимается проблема нехватки энергетических ресурсов. Ведь человеческая цивилизация очень динамична. Но запасы нефти, угля, газа не бесконечны. Чем больше мы используем эти виды энергетического сырья, тем меньше их остается, и тем дороже с каждым днем они нам обходятся. Существует опасность, что основные виды традиционного топлива будут исчерпаны. Неизбежность топливного дефицита в настоящее время ни у кого не вызывает сомнения. Сегодня многие учёные занимаются проблемой нахождения новых, альтернативных, экологически чистых источников энергии [5, 6].
Поэтому меня заинтересовала данная тема: познакомиться с альтернативными источниками энергии, в частности, человеком как источником электрического тока. Какое количество электричества вырабатывает организм человека? И каковы возможности его использования с пользой для себя.
Методы исследования: эксперимент, анализ полученных результатов с учетом разных фактов, обобщение и поиск закономерности в обнаруженном явлении.
Измерения силы тока, источником которого являлся человек
Устройство прибора для измерения силы тока
На деревянную подставку Т-образной формы прикреплены медная и алюминиевая пластины. Они присоединены к микроамперметру. Предел измерения прибора 150 мкА. Цена деления 2 мкА.
Второй вариант прибора. На деревянной подставке Т-образной формы прикреплены медная и алюминиевая круглые пластины диаметром 50 мм. Они присоединены к микроамперметру. Предел прибора 100 мкА. Цена деления 2 мкА. Данный прибор обеспечит одинаковую площадь соприкосновения ладоней с металлическими пластинами. В изготовлении приборов приняли участие учащиеся 8 класса.
Правила измерения
Приложить ладони к пластинам.
Зафиксировать результат.
Рис. 3.
Проводились измерения с группой учащихся в возрасте 9 лет. Измерения проводились при прикосновении к пластинам только пальцами (табл. 2).
Таблица 2
|
Количество пальцев |
1 пара |
2 пары |
3 пары |
4 пары |
5 пар |
|
Пол и возраст |
Значение силы тока в мкА |
||||
|
М 9 лет |
6 |
12 |
16 |
18 |
20 |
|
М 9 лет |
6 |
18 |
22 |
26 |
30 |
|
М 9 лет |
10 |
14 |
20 |
24 |
26 |
|
М 9 лет |
4 |
10 |
16 |
20 |
22 |
|
М 9 лет |
4 |
8 |
12 |
14 |
18 |
|
Д 9 лет |
2 |
6 |
10 |
14 |
16 |
|
Д 9 лет |
4 |
6 |
8 |
10 |
18 |
|
М 9 лет |
8 |
16 |
22 |
28 |
36 |
|
М 9 лет |
6 |
10 |
14 |
14 |
16 |
|
Д 9 лет |
6 |
12 |
16 |
20 |
24 |
|
Среднее значение силы тока в мкА |
5,6 |
11,2 |
15,6 |
18,8 |
22,6 |
Предварительный вывод: значение силы тока зависит от площади поверхности соприкосновения кожного покрова и металлических пластин.
Рис. 4
Результаты: были проведены многочисленные измерения силы тока, источником которого являлся человек. Измерения проводились с разными группами людей. Группы различались по возрасту и полу. Измерения проводились с одной группой в измененных условиях (организм в спокойном состоянии и после физической нагрузки). Данные представлены в виде таблиц 3, 4, 5).
Таблица 3
Результаты эксперимента, сила тока мкА
|
ФИО |
Возраст, класс |
14.11.17 |
15.11.17 |
24.11.17 |
26.11.17 |
27.11.17 |
29.01.18 |
|
1.Рунцова Милана |
14 лет 8а |
110 |
138 |
80 |
150 |
140 |
110 |
|
2.Куренева Александра |
14 лет 8а |
125 |
130 |
|
50 |
100 |
80 |
|
3.Тимошина Анастасия |
10 лет |
|
|
|
150 |
|
|
|
4.Матрунчик Ирина |
10 лет |
|
|
|
90 |
|
|
|
5.Гурина Анастасия |
10 лет |
|
|
|
150 |
|
|
|
6.Прыгунова Валерия |
10 лет |
|
|
|
100 |
|
|
|
7. Касиян Анастасия |
10 лет |
|
|
|
120 |
|
|
|
8.Тюменцева Екатерина |
10 лет |
|
|
|
150 |
|
|
Измерения проводились с группой мальчиков в возрасте 11 лет (18 человек). Первое измерение кожные покровы в обычном состоянии. Второе измерение после ополаскивания водой. Вычислялось среднее значение силы тока. В первом случае среднее значение 94,8 мкА. Во втором случае 115,5 мкА. Предварительный вывод: сила тока зависит от степени влажности кожного покрова.
Измерения проводились с группами мальчиков (13 лет) и девочек (13 лет). Среднее значение у мальчиков 82,7 мкА. Среднее значение у девочек 88,6 мкА. Предварительный вывод: у мальчиков среднее значение ненамного меньше, чем у девочек.
Измерения проводились с группой мальчиков в возрасте 13 лет (8 человек). Первая серия измерение в обычном состоянии. Вторая серия измерений после физической нагрузки. Среднее значение в обычном состоянии 82,7 мкА. Среднее значение после физической нагрузки 82 мкА. Предварительный вывод: часть испытуемых показала большее значение, часть меньшее. Это зависит от особенностей организма. Необходимы дополнительные измерения, чтобы найти закономерность.
Таблица 4
Результаты эксперимента в 3 б классе, сила тока мкА
|
ФИО |
Возраст |
Класс |
3.10.18 |
Измененные условия |
|
1. Реунова Яна |
9 лет |
3 б |
44 |
Физическая нагрузка |
|
2. Рукосуев Иван |
9 лет |
3 б |
8 |
Физическая нагрузка |
|
3. Фахрутдинова Карина |
9 лет |
3 б |
32 |
Физическая нагрузка |
|
4. Малыгина София |
9 лет |
3 б |
34 |
Физическая нагрузка |
|
5. Борисенко Вадим |
9 лет |
3 б |
38 |
Физическая нагрузка |
|
6. Пономаренко Саша |
9 лет |
3 б |
68 |
Физическая нагрузка |
|
7. Скулин Костя |
9 лет |
3 б |
30 |
Физическая нагрузка |
|
8. Подоляк Анна |
9 лет |
3 б |
58 |
Физическая нагрузка |
|
9. Шабалтас Алина |
9 лет |
3 б |
42 |
Физическая нагрузка |
|
10. Пронин Максим |
9 лет |
3 б |
52 |
Физическая нагрузка |
|
11. Кудрявцева Алина |
9 лет |
3 б |
36 |
Физическая нагрузка |
|
12. Нагорный Иван |
9 лет |
3 б |
100+ |
Физическая нагрузка |
|
13. Шевцова Софья |
9 лет |
3 б |
22 |
Физическая нагрузка |
|
14. Ашлапов Никита |
9 лет |
3 б |
40 |
Физическая нагрузка |
|
15. Хивинова Алина |
9 лет |
3 б |
22 |
Физическая нагрузка |
|
16. Андриенко Вика |
9 лет |
3 б |
22 |
Физическая нагрузка |
|
17. Рунцов Максим |
9 лет |
3 б |
46 |
Физическая нагрузка |
|
18. Крамаренко Андрей |
9 лет |
3 б |
94 |
Физическая нагрузка |
|
19. Кочугов Данил |
9 лет |
3 б |
64 |
Физическая нагрузка |
Таблица 5
Измерения значения силы тока с учащимися в возрасте 14 лет в течение 4 дней
|
Дни недели Пол и возраст |
13.11.17 |
14.11.17 |
15.11.17 |
16.11.17 |
|
Значение силы тока в мкА |
||||
|
Мальчик 14 лет |
74 |
50 |
50 |
|
|
Девочка 14 лет |
115 |
85 |
82 |
|
|
Девочка 14 лет |
110 |
125 |
130 |
|
|
Мальчик 14 лет |
|
54 |
18 |
38 |
|
Девочка 14лет |
120 |
130 |
88 |
|
|
Мальчик 14 лет |
55 |
55 |
|
74 |
|
Мальчик 14 лет |
150 |
147 |
100 |
150 |
Таблица 6
Измерения с одним человеком возраста 15 лет (представлены фрагменты измерений, которые проводились в течение месяца, несколько раз в день)
|
Число |
Время |
Результат измерения мкА |
Самочувствие |
Количество уроков |
|
17.12.18 |
7:48 |
11 |
Нормальное, легкое головокружение |
6 |
|
13:10 |
17 |
|||
|
18.12.18 |
8:25 |
8 |
Плохое, сильное головокружение |
6 |
|
13:06 |
10 |
|||
|
19.12.18 |
7:30 |
15 |
Нормальное, легкое головокружение |
6 |
|
8:49 |
15 |
|||
|
11:30 |
21 |
|||
|
12:25 |
18 |
|||
|
13:37 |
13 |
|||
|
20.12.18 |
12:16 |
8 |
Плохое, сильное головокружение, головная боль |
Пробник |
|
21.12.18 |
7:42 |
23 |
Хорошее |
6 |
|
12:48 |
25 |
|||
|
22.12.18 |
7:31 |
20 |
Хорошее |
4 |
|
11:09 |
15 |
|||
|
24.12.18 |
8:03 |
15 |
Хорошее |
5 |
|
8:46 |
17 |
|||
|
9:51 |
23 |
|||
|
10:34 |
24 |
|||
|
25.12.18 |
7:49 |
18 |
Тошнота |
6 |
|
8:53 |
14 |
|||
|
9:30 |
18 |
|||
|
10:40 |
20 |
|||
|
11:32 |
19 |
|||
|
9:47 |
16 |
|||
|
10:49 |
14 |
|||
|
11:30 |
17 |
|||
|
02.01.19 |
9:00 |
27 |
Хорошее |
Каникулы |
|
11:00 |
26 |
|||
|
13:00 |
27 |
|||
|
17:00 |
25 |
|||
|
20:00 |
23 |
|||
|
11:00 |
27 |
|||
|
13:00 |
25 |
|||
|
17:00 |
24 |
|||
|
20:00 |
26 |
|||
|
05.01.19 |
9:00 |
19 |
Хорошее |
Каникулы |
|
11:00 |
21 |
|||
|
11:00 |
9 |
|||
|
13:00 |
9 |
|||
|
17:00 |
12 |
|||
|
20:00 |
11 |
|||
|
18.01.19 |
9:00 |
16 |
Плохое, температура 38, сильный кашель |
Больничный |
|
11:00 |
15 |
|||
|
13:00 |
11 |
|||
|
17:00 |
11 |
|||
|
20:00 |
13 |
|||
|
11:00 |
18 |
|||
|
13:00 |
16 |
|||
|
17:00 |
19 |
|||
|
20:00 |
20 |
|||
|
22.01.19 |
7:37 |
23 |
Плохое, сильный кашель |
6 |
|
17:30 |
21 |
|||
|
18:30 |
19 |
|||
|
19:30 |
23 |
|||
|
20:30 |
24 |
Вывод: результаты измерения зависят от самочувствия человека, от физической нагрузки и других внешних факторов. Значение силы тока у одного и того же человека в разные дни меняется. Во время болезни показатели значений силы тока понижаются.
Ещё интересный эксперимент: две девочки соприкасались двумя руками друг с другом, а свободные руки располагались: одна — на медной пластинке, другая — на алюминиевой. Миллиамперметр показывал ток. Аналогичные опыты можно продолжить в разных вариантах.
Результаты работы
Проведены многочисленные эксперименты по измерению силы тока, источником которого являлся человек. Измерения проводились с разными группами людей и в разных условиях. Группы различались по возрасту и полу. Измерения проводились с одной группой в измененных условиях (организм в спокойном состоянии и после физической нагрузки). Проведены измерения силы тока у одного человека ежедневно в течение длительного времени, во время болезни в том числе. Данные представлены в виде таблиц.
Определены некоторые закономерности в средних величинах силы тока. Поиск закономерностей можно продолжить, увеличив число внешних факторов, действующих на людей.
Определены альтернативные источники энергии, в том числе человек и каким образом внутри человеческий ток можно использовать для нужд самого человека.
Изготовлен второй прибор для опытов по измерению силы тока, источником которого являлся человек. На горизонтальной поверхности расположены две пластинки медная и алюминиевая в виде кружков диаметром 50 миллиметров. Площадь каждой пластины 19,6 см2. Второй прибор позволит провести измерения с разными группами людей и при этом площадь соприкосновения ладоней и металла будет одинаковой.
Высказаны предложения альтернативного использования электрического тока, источником которого является человек.
Вывод
Человек является источником электрического тока, силу которого можно измерить. Результат измерения силы тока зависит от различных факторов окружающей среды, таких как физическая нагрузка, самочувствие, возраст, состояние кожи и др.
Каждый человек — это настоящая электростанция, и ее вполне можно использовать в быту.
Дело за малым — научиться передавать энергию, которую мы столь бесполезно растрачиваем, «куда надо». У исследователей уже есть предложения на этот счет.
Ученый Мартын Нунупаров предлагает использовать целый ряд изобретений, способных генерировать ток практически из любого человеческого действия, будь то даже вдоха, энергия которого равна 1Вт. По его словам, даже энергию ходьбы человека и взмаха руками во время этого процесса достаточно, чтобы питать лампу 60Вт.
Количество электричества, которое генерирует человек, может хватить для зарядки мобильного телефона или другого устройства. Вопрос в том, как без вреда для человека можно брать внутри человеческий ток и использовать его для нужд самого человека? Как научиться перераспределять энергетические потоки внутри организма человека при разных его состояниях. Например, увеличить энергообеспечение больного органа для борьбы с болезнью. Многие умы сегодня решают эти задачи. Но это уже второй этап исследования…
Литература:
1. Л. Эллиот, У. Уилкокс Физика / Л. Эллиот, У. Уилкокс. — М.: Наука. — 1975. — с 448–459.
2. Физика-юным / М. Н. Алексеева — М.: «Просвещение» — 1980. — с 84–85.
3. Химико-экологический словарь-справочник / Л. Н. Блинов — СПб.: «Лань» — 2002.- с 45.
4. https://apps.nlm.nih.gov/exhibition/digitalgallery/frankenstein/assets/images/dg_OB10945_b012612_Lg.jpg
5. https://aing.ru/Человек
6. https://www.factroom.ru/facts/37707
7. https://russian7.ru/post/skolko-ehlektrichestva-vyrabatyvaet/
8. http://paranormal-news.ru/news/ehlektricheskie_ljudi/2014–04–26–8928
9. https://recyclemag.ru/article/10-neobychnyh-alternativnyh-istochnikov-energii
