Литература 18 Введение При современном развитии технологий почти каждый из нас не может обойтись без мобильного телефона. За 70-10 лет это устройство прошло долгий путь от уровня «только позвонить»
Скачать 146.02 Kb.
|
| РАЙОННАЯ НАУЧНО- ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «СТАРТ В НАУКУ» КАФЕДРА «Физика» «Аккумуляторы мобильных телефонов» Автор: Ганина Полина Дмитриевна ученица 10а класса, МОУ СОШ № 9 г.Ртищево Саратовской области Руководитель: Митрофанова Светлана Дмитриевна, учитель физики г. Ртищево, 2011 г. Содержание Введение 3 Аккумуляторы мобильных телефонов 5 Никель-кадмиевые 6 Эффект памяти 7 Никель-металлогидридные 8 Литий-Ионные 9 Параметры мобильных 10 Аккумуляторы Будущего 11 Эксперимент: экологичное зарядное устройство 14 Заключение 16 Приложение 17 Литература 18 Введение При современном развитии технологий почти каждый из нас не может обойтись без мобильного телефона. За 70-10 лет это устройство прошло долгий путь от уровня «только позвонить» до выхода в интернет, фотографии и т.д. Естественно, что при этом телефон быстро разряжается. Примерно раз в два-три дня мы идем заряжать мобильный телефон. Теоретически мобильный телефон может питаться и от обычной батареи, но с современными аппетитами телефонов могут спорить разве что фотоаппараты, поэтому для телефона необходима аккумуляторная батарея. В переводе с латыни слово «аккумулятор» означает ни что иное, как «собиратель». Благодаря возможности превращать электрическую энергию в химическую реакцию, а затем обратно – «химию» превращать в электроэнергию, мы и получаем на выходе такой элемент питания, как аккумулятор. Пресловутая химическая реакция ничем не примечательна - была бы возможность зарядить один электрод положительно, а другой отрицательно. Принято считать, что днем рождения первых химических источников тока является конец семнадцатого века, а роль отца-основателя данного класса устройств приписывается итальянскому ученому Луиджи Гальвани. Как и многие другие гениальные открытия, первые аналоги современных батареек были изобретены случайно. По большому счету Гальвани никогда не стремился разработать новый источник электроэнергии, а в основном увлекался опытами над братьями нашими меньшими. Во время одного из таких экспериментов итальянский физик обнаружил, что если к мышце лягушки прислонить две полоски различных металлов, то мышца самопроизвольно сократится. Увы, теоретическое обоснование открытия далось Гальвани не столь хорошо, и он пришел к ошибочному выводу, что электричество вырабатывают мышцы. К счастью, ученый поделился данным занимательным наблюдением со своим другом, другим знаменитым итальянским физиком по имени Алессандро Вольта (именно в его честь названа единица измерения электрического напряжения). Заинтересовавшись необычным явлением и поставив ряд собственных опытов, Вольта понял, что Гальвани был все-таки неправ в своих рассуждениях, и причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения правильности своих умозаключений Вольта собрал нехитрое устройство, состоящее из двух металлических пластинок (одна из цинка, другая из меди), погруженных в емкость с соляным раствором. Данная конструкция и стала первым в мире химическим источником тока. Впрочем, несмотря на то, что авторство первой полноценной батарейки принадлежит Алессандро Вольта, батарейки повелось назвать гальваническими элементами, а сам эффект выработки электроэнергии за счет химических реакций – гальванизмом. С момента открытия первых батарей прошло уже свыше двухсот лет, и, конечно же, современные аккумуляторы имеют мало общего со своими предками, однако основополагающий принцип их работы остается неизменным, и никаких принципиальных перестановок в этом механизме в ближайшем времени не предвидится. Аккумуляторы мобильных телефонов Для мобильных же телефонов (и других портативных устройств) исторически использовали четыре типа аккумуляторов в зависимости от применяемых в них тандемах из двух химических элементов: никель-кадмиевые (NiCd & NiCad), никель-металлогидридные (NiMH, по ошибке их называют никель-магниевые), литий-ионные (LiIon), литий-полимерные (LiPol). Первыми мы рассмотрим свинцово-кислотные (или просто свинцовые) элементы. Начиная именно со свинцовых аккумуляторов, батареи впервые стали коммерчески успешными продуктами, до этого же они представляли интерес скорее для ученых и писателей-фантастов. Первая свинцовая батарея была разработана французским физиком Гастоном Плантэ в 1859 году, серийное производство началось в 1890 году, а первый автомобиль со свинцовым аккумулятором съехал с конвейера уже в 1900 году. Полтора века спустя по тем же принципам по-прежнему производятся аккумуляторы для автомобилей, лодок и прочего транспорта, а также источники бесперебойного питания и другое крупногабаритное оборудование. Внутреннее устройство свинцовых батарей выглядит следующим образом: анод состоит из свинца (или его сплавов), катод – из оксида свинца, а электролитом является раствор серной кислоты. Из особенностей внутреннего строения можно сразу сделать несколько выводов о свойствах аккумулятора. В первую очередь стоит заметить, что свинец – крайне тяжелый металл, поэтому и сами батареи получаются весьма увесистыми, а следовательно, использование свинцовых аккумуляторов в портативной технике явно ограничено. Строго говоря, у свинцовых элементов вообще самая низкая энергетическая плотность, она находится на уровне всего 20 Вт/кг. Впрочем, в музеях бытовой электроники можно встретить, например, сотовые телефоны со свинцовыми батареями, однако к названию таких устройств обычно добавляется недвусмысленная приставка «переносной», которая указывает на то, что данное оборудование вряд ли пригодно для ежедневного ношения в кармане. Как ни крути, самые первые созданные свинцовые аккумуляторы чрезмерно громоздки, чтобы устанавливать их в современные компактные устройства – даже для ноутбуков они явно тяжеловаты. Никель-кадмиевые Поэтому в портативных устройствах применяются батареи с лучшим соотношением емкости и массы, в частности, раньше самыми популярными были никель-кадмиевые элементы (NiCd), которые способны выдавать 40-60 Вт/кг. В данных аккумуляторах электроды состоят из никеля (анод) и кадмия (катод). Сразу стоит заметить, что кадмий является сильнейшим ядом, поэтому такие батареи настоятельно не рекомендуется выбрасывать с общим мусором, а также вскрывать, сжигать и пытаться употреблять в пищу :). Никель-кадмиевые элементы могут похвастаться способностью порождать достаточно большие токи, причем, что весьма ценно, в отличие от аккумуляторов многих других типов, по мере разряда батареи напряжение слабо изменяется по сравнению с изначальным значением, и лишь при приближении уровня заряда к нулю – резко падает. Благодаря такой особенности NiCd-аккумуляторов удается существенно упростить схему устройств на их основе, отказавшись от дополнительных схем, регулирующих напряжение. Немаловажным достоинством никель-кадмиевых аккумуляторов является их способность выдерживать внушительно количество циклов перезарядки. При неаккуратном использовании может возникать так называемый «эффект памяти», который приводит к тому, что батарейки со временем теряют часть своей изначальной мощности. Эффект памяти Эффект памяти аккумулятора — в настоящий момент под эффектом памяти понимается обратимая потеря ёмкости, имеющая место в некоторых типах электрических аккумуляторов при нарушении рекомендованного режима зарядки, в частности, при подзарядке не полностью разрядившегося аккумулятора. Название связано с внешним проявлением эффекта: аккумулятор как будто «помнит», что в предыдущие циклы работы его ёмкость не была использована полностью, и при разряде отдаёт ток до "запомненной границы". Причиной проявления эффекта памяти является укрупнение кристаллических образований активного вещества аккумулятора и, как следствие, уменьшение площади активной поверхности его рабочего вещества. Чем мельче кристаллические образования активного вещества аккумулятора, тем больше площадь поверхности кристаллических образований, а, следовательно, и максимально количество энергии, запасаемой аккумулятором, соответственно, при укрупнении кристаллических образований в процессе эксплуатации — площадь их поверхности уменьшается, и уменьшается реальная ёмкость. Воздействию эффекта памяти подвержены NiCd-аккумуляторы и, в меньшей степени, NiMH-аккумуляторы. Избежать эффекта памяти можно, если соблюдать режим использования аккумулятора: доводить аккумулятор до почти полной разрядки и только после этого его заряжать вновь. Желательно также не превышать рекомендованные заводом-изготовителем режимы заряда и разряда. Подобные проблемы начинают возникать, если подзаряжать аккумулятор до того, как он полностью разрядится. В принципе, «починить» аккумулятор достаточно просто: надо лишь разрядить его до минимального уровня и затем полностью зарядить. Но, конечно, «злопамятность» аккумулятора при регулярном использовании доставляет определенные неудобства, к тому же излишняя токсичность кадмия и далеко не идеальные показатели по емкости привели к тому, что никель-кадмиевые аккумуляторы в последнее время стали использоваться достаточно редко. Единственное, что оставляет NiCd-аккумуляторы на плаву, – это их «бросовая» себестоимость. Никель-металлогидридные На смену никель-кадмиевым элементам пришли никель-металлогидридные элементы (NiMH). Конструктивно они схожи с NiCd-батареями: аноды также изготавливаются из никеля, однако для катодов используются принципиально другие соединения – гидриды. По своей природе гидриды являются особыми металлическими сплавами, способными удерживать атомарный водород. Учитывая, что водород идеально подходит для участия в окислительно-восстановительных реакциях и что содержание водорода в гидридах составляет львиную долю их общей массы, гидриды справляются со своими задачами на порядок лучше кадмия. Тем более, NiMH-технология менее токсична, и ее можно считать экологически чистой. Никель-металлогидридные батареи также выигрышнее смотрятся на фоне NiCd по соотношению емкости и веса, который у них находится на уровне 60-80 Вт/кг. То есть, в среднем при той же массе NiMH-аккумуляторы обладают на 30-50% большей емкостью. Поэтому NiMH-батареи, даже несмотря на повышенную стоимость, активнее используются в портативной электронике, нежели NiCd. К тому же избавление от кадмия благоприятно сказалось на «эффекте памяти», который стал проявляться менее явно. С другой стороны Ni-MH потеряли часть достоинств никель-кадмиевых элементов. Во-первых, они выдерживают меньшее количество циклов перезарядки – всего порядка 500. Уменьшенный жизненный цикл расстроил большинство покупателей, ведь многие поверили обещаниям крупномасштабной рекламной компании, проводимой в поддержку первых NiMH-аккумуляторов. Во-вторых, у NiMH оказались серьезные проблемы с саморазрядом: они теряли энергию в полтора-два раза быстрее, чем даже NiCd-батареи, у которых с этим также было не все в порядке. Правда, постепенно с развитием NiMH-технологии данные показатели удалось выправить, однако к этому времени в исследовательских лабораториях заканчивались работы над более перспективной альтернативой – Li-Ion. Литий-ионные Первые аккумуляторы на основе лития появились в 70-х годах, а к 80-м технология доросла и до серийного производства. При выборе компонентов для будущих батарей выбор пал на литий не случайно, так как он является наиболее химически-активным металлом, и поэтому великолепно справляется с ролью катода в элементах питания. Однако чрезмерная активность лития нередко может привести и к неприятным последствиям, вплоть до моментального воспламенения батареи. Использование подобных аккумуляторов (пусть и с отменной емкостью) в быту было бы неоправданным риском, поэтому ученым пришлось искать искусственные способы обуздать пыл лития, сохранив его выдающиеся свойства. Спустя некоторое время выход из ситуации был все же найден – оказалось, что литий в ионном состоянии менее опасен и при этом не менее продуктивен. Внутреннее устройство данных литий-ионных аккумуляторов (Li-Ion) оказалось весьма интересным: ионы лития перемещены из катода в электролит (например, соляной раствор лития), при этом катод состоит из угля, а анод – из диоксида лития и кобальта. Впрочем, несмотря на то, что литий-ионные батареи стали на порядок безопаснее, возможность воспламенения не была исключена полностью. Самый громкий скандал вокруг взрывающихся аккумуляторов произошел как раз в последние месяцы. После того как несколько современных ноутбуков различных известных фирм взорвалось прямо на выставках, началась самая крупномасштабная в истории компания по отзыву проблемных батарей, всего под обмен попало 9.6 миллионов ноутбуков (Dell, Toshiba, Apple, Sony и других фирм), общей чертой которых были Li-Ion-батареи Sony. Причиной неисправностей, по версии Sony, послужил, однако, не изначальный недостаток технологии, а брак, допущенный при производстве (в зазор на корпусе попали частицы никеля). Данный инцидент послужил поводом для поиска замены литий-ионным аккумуляторам. Параметры, которые необходимо знать Для обычного пользователя достаточно знать две основные технические характеристики батарей: емкость и количество циклов перезарядки. Емкость аккумулятора – это то количество энергии, которой обладает полностью заряженный аккумулятор. Если говорить совсем уже простыми словами, то емкость аккумулятора можно сравнить с емкостью бензобака в машине. Если бензобак вмещает 10л горючего, то мопед смог бы проехать без дозаправки где-то порядка 200 км, а грузовик… ну, в лучшем случае, 30-50 км. С тем же самым успехом можно приводить примеры и относительно мобильных телефонов. Емкость аккумулятора обычно не соответствует номинальной (указанной) емкости, а колеблется в пределах 80-110%. Так, например, емкость в 700 mAh фактически может иметь как 560, так и 770 mAh. Выводы достаточно просты. Дешевый аппарат на уровне «позвонить и отправить СМС» на таком объеме может продержаться неделю без подзарядки, а «монстр» с двумя SIM картами и 3хдюймовым экраном, с постоянно включенным Wi-Fi и Bluetooth – сутки. Не только технические характеристики могут повлиять на количество времени без подзарядки. Качество покрытия сети тоже играет немаловажную роль. Попав на местность, где очень слабый сигнал от станции, телефон начинает усиленно «привязываться» к сигналу и, соответственно, поглощать больше энергии. Совсем крайний случай наступает в поездке с включенным Интернет-соединением и проигрыванием музыки (ну чем себя еще развлечь в пути?) – постоянный поиск базовых станций, подсветка экрана и работа с наушниками «приговорит» ваш аккумулятор к весьма непродолжительной работе. Ni-Cad-аккумулятор - большой труженик, он держит напряжение батареи «до последнего» и только когда энергия будет полностью исчерпана, напряжение упадет. Хотя этот эффект вам бы пригодился, в основном, при использовании кассетных музыкальных плееров и в фонариках. В температурном режиме такие аккумуляторы могут работать в диапазоне температур от -15 до +40°С, даже заряжаться могут при отрицательной температуре. Стоят недорого и выдерживают 1000 циклов перезарядки. Такой вот – неприхотливый суровый работяга, у которого есть потомок - Ni-MH. Тот факт, что Ni-Cd маленьким и емким не бывает, и чтобы не допустить габаритов аккумулятора размерами с сам телефон, пришлось искать ему замену. Еще один факт о токсичности самих батарей подстегнул исследователей и ученых к более плодотворной работе по поиску и разработке замены. Так на свет появился никель-металлогидридный аккумулятор. Конструктивно вместо кадмия применили серию из сплавов металлов, которые могут поглощать водород. Тот же самый гидрооксид никеля во время зарядки превращается в оксигидрид, отдавая водород сплавам отрицательного электрода. Сплав специально подбирался таким образом, что бы при реакции соблюдался тепловой баланс. Не получилось. Металлогидридные батареи греются, хоть белье на них суши. Аккумулятор получился емкий и компактный, почти без эффекта памяти. Аккумуляторы будущего Стоит сказать, что у литий-ионного аккумулятора появился «потомок» - Li-Pol аккумулятор. В их конструкции принципиально изменена лишь одна деталь – жидкий электролит заменен твердым материалом. Идут разговоры об «аккумуляторах будущего». Что ждет рынок аккумуляторов в будущем, пока сложно прогнозировать. Литиевые батареи пока уверенно правят балом, и у них есть неплохой потенциал, благодаря литий-полимерным разработкам. Внедрение серебряно-цинковых элементов – весьма длительный и дорогостоящий процесс, и его целесообразность пока является дискуссионным вопросом. Технологии на основе топливных элементов и нанотрубок уже много лет восхваляются и описываются самым красивыми словами, однако когда дело доходит до практики, фактические продукты получаются либо слишком громоздкими, либо слишком дорогими, либо и то, и другое вместе взятое. Ясно лишь одно – в ближайшие годы данная отрасль будет продолжать активно развиваться, ведь популярность портативных устройств растет не по дням, а по часам. В знаменитом институте MIT недавно была разработана уникальная технология производства литиевых аккумуляторов усилиями специально-обученных вирусов. Несмотря на то, что топливный элемент внешне совершенно не похож на традиционную батарею, работает он по тем же принципам. Современные технологии развиваются так быстро, что практически каждый день придумывается что-то новое, более совершенное, иногда усложненное, иногда более простое. Подчас очень сложно выбрать, что лучше, а что хуже, так же и в ситуации с аккумуляторами мобильных телефонов. Первый аккумулятор, изобретенный на основе опытов Гальвани, конечно, слишком несовершенен, чтобы им пользоваться, но современные маленькие, больше походящие на батарейки, аккумуляторы, предложены во всем своем разнообразии. Попробуем подвести итог проведенному исследованию. Некоторые аккумуляторы подвержены «эффекту памяти», из-за чего становятся неудобными и редко используются. А если перестанет работать, устареет эта важная деталь телефона, как правильно выбрать: никель-металлогидридные, литий-ионные, литий-полимерные (твердополимерные)? Лучше всего выбирать аккумулятор, сходный с «родным». В исследовании представлены основные характеристики, с помощью которых можно лучше понять принцип работы аккумуляторов и увидеть, чем они отличаются друг от друга. Эксперимент А можно ли в домашних условиях сделать солнечную батарею? Обратилась за помощью к человеку с техническим образованием Ганину Дмитрию Анатольевичу, который посоветовал мне сделать солнечную батарею из диода. Каким образом это может получиться? Солнечная батарея – достаточно простое устройство, его основное преимущество – экологичность. Самостоятельно изготовить солнечную батарею нетрудно. Возьмем транзистор, освободим его от верхней части и зачистим. Внутри находится кристалл, реагирующий на свет. Этот транзистор присоединим к микроамперметру и убедимся, что он действительно может выработать определенную силу тока. Но для того, чтобы получить зарядное устройство, необходимо создать напряжение.
Мои расчеты. Чтобы изготовить зарядное устройство для мобильного телефона необходимо соединить 100 зачищенных диодов так, как показано на схеме. Последовательное соединение обеспечит необходимую силу тока, параллельное – напряжение.  Говоря об эксперименте, я не смогла найти такое количество транзисторов, чтобы собрать такое устройство, но теоретически я уверена, это возможно. Заключение С точки зрения экологии, в своем исследовании я попробовала представить, каким еще может быть способ зарядки телефона. С использованием солнечного света получается, конечно, сложновато и затратно, но если продумать зарядное устройство более детально, то, возможно, этот способ окажется приемлемым и даже более эффективным, чем электричество. Актуальность темы Актуальность данной проблемы состоит в том, что при развитии современных технологий и экологических проблемах ведутся поиски наиболее эффективных способов получения энергии. Не только в том, что касается освещения домов, но и в малых формах, например, мобильных телефонах. В этой работе я попыталась внести свой небольшой вклад в это непростое исследование. Я попробовала показать, на чем основана работа уже созданных аккумуляторов, в чем их плюсы и минусы, затронула вопрос безопасности использования телефонов, ведь в большинстве случаев именно в процессе зарядки они представляют наибольшую опасность. Моей целью было найти «среднее арифметическое» между многообразием существующих аккумуляторов, выяснить, применение каких именно видов наиболее приемлемо. В своем исследовании я затронула тему технологий будущего, показала, на чем они основании, какие изменения будут сделаны в них. Также попыталась соединить экологическую и природную точки зрения. Итак, я думаю, что моя работа актуальна и представленные в ней идеи имеют шанс на существование. Приложение Презентация Литература http://ru.wikipedia.org/ http://www.powerinfo.ru/ http://www.remap.net.ruъ http://www.tranzistors.ru/ |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Греднева Ольга Николаевна, г. Омск Россия без каждого из нас обойтись... Вой нравственности гражданина. Сейчас, в период возрождения России, это очень важно, и вполне современно, как мне кажется, звучат... |  | «Без многого может обойтись человек, только не без человека» Я считаю, что высказывание Людвига Берне, немецкого публициста и писателя, о том, что «без многого может обойтись человек, только... |
| О некоторых возможностях использования мобильного телефона на уроках изобразительного искусства Е ещё 15 лет назад были диковинкой, есть сейчас у каждого первоклассника. Это – удобное устройство, позволяющее маме контролировать... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... На старых картинках учитель всегда нарисован с указкой. По этому атрибуту его не спутаешь ни с кем. Теперь указкой почти не пользуются,... |
| В возрасте 37 лет, имея за спиной много лет работы редактором, журналистом,... Мне казалось, что уж в школе каждый отработанный мной час будет наполнен смыслом, мои труды будут приносить кому-то пользу, а я получу... | | Реферат по теме: «Влияние Интернета на жизнь современного человека» Каждый человек имеет дома компьютер, каждый второй человек имеет компьютер, подключенный к Интернету. В наше время нельзя обойтись... |
| Зачем изучать Библию вместе? Кто-то сказал: каждый из нас может прожить только одну жизнь, но, общаясь с другими, мы можем прожить и их жизни. Поэтому на группе... | | Цель: Воспитывать патриотизм к Родине. Задачи Добрый день дорогие друзья! Без вас на этом празднике нам обойтись нельзя. Без вас весь зал встревожится и спросит: где же смех?... |
| Реферат по математике «Измерительные приборы» В школе каждый ученик не может обойтись без специальных измерительных приборов, такие как линейка, треугольник, транспортир, циркуль.... | | Советы родителям Мобильный телефон в школе – роскошь или необходимость В нашей статье мы постарались разобрать несколько аргументов «за» и «против» использования мобильного телефона ребенком среди одноклассников,... |
| Книга в жизни детей и подростков В компьютерный век, в век высоких технологий человек не может обойтись без чтения. Наша страна всегда считалась самой читаемой страной.... | | Муниципальный этап конкурса «Инициатива молодых» В компьютерный век, в век высоких технологий человек не может обойтись без чтения. Наша страна всегда считалась самой читаемой страной.... |
| «Операционные системы» Выбор варианта: по последней цифре сотового телефона. Номер варианта – это последняя цифра сотового номера Вашего телефона. Например:... | | Рабочая учебная программа История городов 080504 «Государственное и муниципальное управление» Город всегда остается «на виду», и познание каждой страны на протяжении столетия проходит через городские образы. Мир стремительно... |
| Реферат с элементами исследования «История возникновения рисунка... Чертеж – графическое средство передачи информации, это лаконичное средство выражения технической мысли. Чертеж является одним из... | | Литература 22 24 Grammar is the backbone of language. Введение. Специалисты... Данная разработка может быть полезна учителям, преподающим английский язык в 2 – 4 классах |
