Научно-исследовательская работа по физике «Партизанский котелок или простое изобретение, внесшее важный вклад в ход второй мировой войны»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №2»

МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДСКОЙ ОКРУГ СИМФЕРОПОЛЬ

РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

Городской конкурс проектно-исследовательских работ по физике

«Ломоносовские чтения»

ПАРТИЗАНСКИЙ КОТЕЛОК ИЛИ

ПРОСТОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ, ВНЕСШЕЕ ВАЖНЫЙ ВКЛАД

В ХОД ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ

Научно-исследовательская работа

Направление: Изобретения, изменившие ход истории

Работу выполнил:

Горбачева Ольга Сергеевна, обучающаяся

8-А класса Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Средняя общеобразовательная школа №2» муниципального образования городской округ Симферополь

Научный руководитель:

Байкова Рамиля Мукаддасовна, учитель физики муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Средняя общеобразовательная школа №2» муниципального образования городской округ Симферополь

г. Симферополь, 2021

Содержание

Введение…………………………………………………………………………….… 3

1.История создания партизанского котелка……………………………….….… 5

1.1. Партизанское движение второй мировой войны …………………………....…. 5

1.2. Предпосылки создания партизанского котелка ………………………….…..… 6

1.3. Партизанский котелок и его компоненты ………………………………….……7

2.Принцип работы термоэлектрического генератора………………………….. 9

2.1. Что такое термоэлектричество ………………………………...........................… 9

2.2. Использование термоэлектрогенераторов и принцип их работы …………..... 10

2.3. Современные термоэлектрогенераторы ……………………………………….. 11

2.4. Термоэлектрогенератор своими руками ………………………………………..13

Заключение…………………………………………………………………………… 16

Список использованных источников …………………………………………….. 17

Введение

Вторая мировая война оставила прочный след в истории нашей страны. Это был период общей мобилизации, когда каждый, от самых молодых, до самых старых, старался внести свой вклад в общее дело победы над фашизмом.Подвиг Красной Армии невозможно переоценить, однако «бой» шёл не только на линии фронта. Невидимыми борцами фронта, сыгравшими не последнюю роль в ходе Великой отечественной войны, были партизаны. Однако, не являясь официальной частью армии, они были в достаточной степени стеснены в средствах ведения боя, среди которых – нехватка средств связи и возможностей получать электричество для их подзарядки. Именно поэтому появление такого изобретения как «партизанский котелок» или полевой термоэлектрогенератор сыграло важную роль в развитии партизанского движения и во многом повлияло на ход Второй мировой войны.

Цель работы – доказать, что партизанский котелок – действительно важное изобретение времён Второй мировой войны, внёсшее важный вклад в её ход.

Задачи работы:

• изучить учебную литературу по вопросу термоэлектричество;

• изучить принципы работы термоэлектрического генератора времён Второй мировой войны и современных генераторов;

• проанализировать и обобщить полученные результаты по данной теме.

Предмет исследования: термоэлектричество как физическое явление

Объект исследования: термоэлектрический генератор

Актуальность: в современном мире как никогда возросла роль мобильных устройств в жизни человека. В походных условиях (среди туристов, геологов, исследователей природы) часто возникает необходимость подзарядки данных устройств в условиях отсутствия электричества. Исследование данной темы может предоставить материал для практического решения проблемы севшего мобильного телефона в случае необходимости совершения экстренного звонка и сложных условиях.

Методы исследования:

• анализ печатных и интернет-источников;

• опрос/анкетирование;

• опыт/эксперимент;

• аналитические и графические методы обработки результатов.

1.История создания партизанского котелка

1.1. Партизанское движение второй мировой войны

18 июля 1941 ЦК ВКП(б) принял специальное постановление «Об организации борьбы в тылу германских войск». Партизанское движение развернулось прежде всего в Белоруссии и на Украине. К 1 августа 1941 в Белоруссии действовало более 230 партизанских групп и отрядов (свыше 10 тысяч человек). На Украине к октябрю 1941 было сформировано 738 партизанских отрядов. Всего к концу 1941 было создано около 3500 партизанских отрядов и групп. С мая 1942 партизанские отряды усиливают удары по коммуникациям немецко-фашистских войск.

Начиная со второй половины войны ни одна более-менее крупная фронтовая операция Красной Армии не обходилась без взаимодействия партизан, которые уничтожали железнодорожные пути, взрывали мосты, обстреливали шоссейные дороги, наводили на цель дальнюю бомбардировочную авиацию.

Бойцы без погон организовали более 20 тысяч крушений вражеских эшелонов с боевой техникой и войсками, уничтожили десятки тысяч германских солдат и офицеров, оказывали ценную помощь разведывательными данными Красной Армии. А после влились в ее ряды, воюя до полной победы.

Главным образом, партизанам приходилось укрываться в лесах. Наиболее безопасными для проживания были густые, еловые или смешанные массивы: такие хорошо скрывали огонь от костров и полностью загораживали места стоянок от чужих глаз. Важно было наличие водоема вблизи стоянки. Партизаны жили в простых землянках, используя самодельные светильники из жира. Временами, скрываясь от немецких облав, бойцам приходилось постоянно менять своё месторасположение и ночевать прямо под открытым небом. Зимой, чтобы не замерзнуть, они ложились прямо на кострища, накидав сверху больших еловых веток. Такой нехитрый способ помогал бойцам сохранить тепло. А летом были другие напасти — комары и проливные дожди. Но и здесь смекалистые советские ребята нашли выход — они строили шалаши!

Как можно понять из всего вышесказанного, при мобильности партизанских отрядов не могло быть и речи о том, чтобы постоянно носить с собой тяжёлое зарядное оборудование для портативных радиоприёмников. Однако поддерживать связь между отрядами, равно как и с частями Советской армии, было необходимо для успешного проведения операций. И тут на помощь партизанам пришло такое изобретение как партизанский котелок.

1.2. Предпосылки создания партизанского котелка

Когда началась Великая Отечественная война, физики Ленинградского  физико-технического института разработали специально для партизан и  диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника,  термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский  котелок». Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе – Юрий  Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в  полупроводниках еще до войны.

ТГ-1 действительно был похож на котелок,  наполнялся водой и устанавливался на костер. В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение  сурьмы с цинком и константан - сплав на основе меди с добавлением никеля  и марганца. Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и  оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе  тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции.  Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт. Выпуск генератора был налажен в марте  1943 года на «НИИ 627 с опытным заводом № 1».

В создании котелка  использовался эффект,  открытый немецким ученым Томасом Иоганном Зеебеком,  академиком Прусской академии наук, который  14 декабря 1820 года  выступил перед коллегами с докладом и  демонстрацией опыта. Зеебек обнаружил, что если взять проволочное  кольцо, спаянное из двух разных металлов, и нагреть одно из двух мест их  соединения, то стрелка компаса, находящегося рядом, отклонится. Он  назвал обнаруженное явление «термомагнетизмом» и в 1822 году описал его в  статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых материалов и руд,  возникающей в условиях разности температур». 

1.3. Партизанский котелок и его компоненты

Простейшая, но весьма эффективная конструкция получила название ТГ-1 и стала известна в народе как «партизанский котелок». Представляла она собой металлическую емкость, в дно которой было вмонтировано несколько десятков последовательно соединенных так называемых термопар.

Классическая термопара — это капелька сплавленных проводов из разнородных металлов, которая при нагревании с одной стороны и охлаждении с другой вырабатывают термо-лектродвижущую силу (термо-ЭДС) — электрический ток, проще говоря.

С одной стороны котелка слой термопар нагревался пламенем костра, с другой — охлаждался кипящей водой, температура которой никогда не превышала 100 градусов. Разница температур приблизительно в 200–250 градусов обеспечивала выходную мощность электрогенератора около 3 ватт.

Рис. 1.3. Партизанский котелок времён Второй мировой войны

Интересно, что до сих пор многие заблуждаются насчет изобретения Иоффе. Одни считают, что он первым обнаружил термоэлектрический эффект… Другие (кто в курсе, что этот эффект открыл немецкий физик Томас Иоганн Зеебек в 1821 году) думают, что Иоффе лишь довел теоретическую идею Зеебека до реального практически применимого устройства. На самом деле, не правы и первые, и вторые!

Действительно, термопару как источник тока придумал Зеебек еще в начале 19-го века. Но практическое их применение началось задолго до Иоффе и до Великой Отечественной. В течение десятков лет на термоэлектрогенераторы во всем мире были получены тысячи патентов, в продажу поступали сотни разных модификаций серийных генераторов, построенных на термопарах, — от компактных до огромных, для самых разных нужд.

Так что же придумал Иоффе? Его заслуга в том, что он предложил использовать в термопарах не спай разнородных металлов, а спай полупроводников! Это позволяло увеличить коэффициент полезного действия (КПД) генератора и уменьшить разницу между нагреваемой и охлаждаемой его частями.

Хотя реальный КПД таких устройств не превышал даже одного процента, в условиях скрывающегося в лесу партизанского отряда простота использования «котелка», его компактность и дешевизна выигрывали у динамо-машин любых конструкций, в том числе и распространенного в то время в войсках «солдат-мотора» — динамо-генератора на основе велосипеда без колес.

2.Принцип работы термоэлектрического генератора

2.1. Что такое термоэлектричество

Термоэлектричество– преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектрогенератора.

Объясняется это явление тем, что в нагретом конце электронного полупроводника появляются освобождённые нагреванием электроны. Они начинают сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие переходят в холодный конец – туда, где свободных электронов, меньше. Но электроны – отрицательно заряженные частицы. Как только в холодном конце появится их избыток электронов, там возникает отрицательный электрический заряд.

В
горячем конце дырочного полупроводника возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Так как дырка ведёт себя подобно частице, наделённой положительным электрическим зарядом, то холодный конец приобретает положительный заряд (рис.2.1).

Р

Электронный

полупроводник

Дырочный

полупроводник

Итак, на холодных концах термопары появились разноимённые электрические заряды. Стоит замкнуть термопару, и по ней потечёт электрический ток. Тепло превращено в электроэнергию. Но для получения тока необходимо не только создать и поддерживать напряжение между двумя какими-либо точками, но и создать проводящую цепь, по которой происходит перенос зарядов между этими точками. Для поддержания непрерывного тока необходимо, чтобы в этой цепи работало устройство, в котором всё время происходят процессы, осуществляющие разделение электрических зарядов и тем самым поддерживающие напряжение в цепи. Это устройство называют источником, или генератором, электрического тока. В цепи, составленной из различных металлов, места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует сила, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.).

Изготавливая термоэлемент из полупроводников, можно в десятки раз увеличить э.д.с. и увеличить коэффициент полезного действия, а значит, и создать достаточно экономичные технические тепловые генераторы тока. Соединяя последовательно нужное количество таких термоэлементов, можно получить батарею с достаточно высокойэ.д.с.

2.2. Использование термоэлектрогенераторов и принцип их работы

На основе модуля Пельтье компания «BioLite» разработала новую модель для походов, позволяющую готовить пищу в компактной переносной печке на дровах и одновременно заряжать мобильное устройство от встроенного термоэлектрогенератора (ТЭГ).

Рис. 2.2.1. Компактная переносная печка на дровах.

Устройство пригодится везде: на рыбалке, в походе, на даче. В качестве топлива можно применять всё, что горит. При сгорании в топке топлива тепло передаётся через стенку модулю, который вырабатывает электричество. При напряжении 5В, мощность на выходе составляет 2-4 Вт, чего вполне хватает для зарядки многих типов мобильных устройств и работы освещения на светодиодах. На рисунке 5 красной стрелкой изображено направление движения тепла, синей – холодного воздуха в топку, жёлтыми – подача электричества на вращение вентилятора подсоса воздуха и на выход генератора через USB.

2.3. Современные термоэлектрогенераторы

В послевоенное время разработки продолжились, и их плодом стал, например, котелок  ГТУ-12-12, в котором используются уже полупроводниковые термопары из теллурида  висмута с хорошей антидиффузионной защитой. Этот термоэлектрический  генератор предназначен для питания бытовой радиотелеаппаратуры, средств  связи, освещения и подзарядки аккумуляторов. Кстати, в его внешности явственно проступают знакомые черты солдатского котелка образца 1926 года.

Рис. 2.2.1. ГТУ – 12-12

«Партизанский» эффект используют теперь в мирных целях и японцы.  Компания  ТES NewEnergyCorp.  выпустила кастрюлю Hatsuden-Nabe, в днище которой встроены  термоэлементы.  Как рекламируют производители, кастрюля  не  утратила своей способности готовить пищу, т.е. пока варится утренняя  каша, можно заодно зарядить и какой-нибудь гаджет.  

Рис. 2.2.2. Hatsuden-Nabe

2.4. Термоэлектрогенератор своими руками

Я попыталась опытным путём доказать, что создать термоэлектрогенератор своими руками в домашних условиях возможно в современных реалиях жизни.

Для этого нам понадобятся:

- две алюминиевые банки;

- горячая и холодная вода;

- элемент Пельтье;

- амперметр и вольтметр.

Электричество вырабатывается именно благодаря наличию элемента Пельтье, который представляет собой пластину, внутри которой находятся полупроводники. Если нагревать пластину с одной стороны и охлаждать с другой, внутри начинает вырабатываться электричество.

Рис. 2.4.1.

Данный элемент я приобрела через интернет на сайте Wildberries.ru.

Элемент Пельтье помещается между двумя алюминиевыми банками. В одну из них налита горячая вода (кипяток), а в другую – холодная с кусочками льда. Чем больше разница температур между банками, тем эффективнее опыт. В нашем случае, к сожалению, банки круглой, а не прямоугольной формы, поэтому элемент недостаточно плотно прилегает к поверхностям. Однако и при этом можно заметить отклонение стрелок амперметра и вольтметра, что говорит о наличии силы тока и напряжения в замкнутой цепи.

Рис. 2.4.2.

Рис.2.4.3. Рис.2.4.4.

Но основе данного опыта становится понятно, каким образом работал термоэлектрогенератор времён Второй мировой войны. Как видно, даже маленький генератор с небольшим элементом Пельтье, собранный в домашних условиях, при неполной площади соприкосновения с элементом, может создавать напряжение приблизительно 0,3 Вольт.

Подобные партизанские котелки Второй мировой войны вырабатывали около 1 Вольт энергии. Это, конечно, не очень много, однако данного напряжения было достаточно для зарядки портативных средств связи.

Заключение

Целью работы было доказать, что партизанский котелок – действительно важное изобретение времён Второй мировой войны, внёсшее важный вклад в её ход. Для этого, в первую очередь, необходимо было понять, что же данное изобретение из себя представляет.

Итак, партизанский котелок – это нехитрое приспособление, состоящее из котелка, наполненного водой, нагреваемой костром, внутри которого находились несколько термопар – сплавов полупроводников. В результате разной температуры нагревания элементов термопар и, соответственно, разницы температур сплавов, в термопаре возникал электрический ток. При замыкании данной цепи можно было получить электричество, напряжения которого хватало для зарядки раций партизан и прочего радиооборудования в полевых условиях.

Принцип работы, как и сам факт наличия электричества, был доказан опытным путём в домашних условиях при помощи элемента Пельтье.

Период Второй мировой войны в истории охарактеризован появлением в это время большого количества технических разработок и изобретений. Необходимость победы над фашизмом диктовала стране жёсткие условия, и, работая над общим делом победы, мобилизовав все свои силы, и солдаты, и труженики тыла, в числе которых были учёные и изобретатели, делали всё возможное для приближения победы.

Изобретение партизанского котелка оказало значительное влияние на партизанское движение, дав возможность благодаря наличию постоянно действующих средств связи, заряжаемых при помощи простого, но эффективного устройства, объединить разрозненные партизанские силы в единое и мощное централизованное партизанское движение, подчиняющееся командованию Красной армии. Таким образом, действуя наряду с основными силами Советской армии, партизаны сыграли значимую роль во время Второй мировой войны, во многом благодаря термоэлектрическим генераторам или попросту, солдатским котелкам.

Список использованных источников

1. Бойцы без петлиц и погон: с чего начиналось партизанское движение. – РИА новости. - https://ria.ru/20160629/1454469249.html

2. Будни подпольной войны: как жили партизаны. – Российский учебник. - https://rosuchebnik.ru/material/partizanskiy-bit-v-gody-velikoy-otechestvennoy-vojni/

3. Делаем термоэлектрический генератор. – В гостях у самоделкина. -https://usamodelkina.ru/3397-delaem-termoelektricheskiy-generator.html

4. Как «сварить» электричество? – Музейно-мемориальный комплекс «Победа». - https://pobeda-sakhalin.ru/news/post/1950/

5. Научный котелок. – Livejournal. – 11.02.2020. - https://ankol1.livejournal.com/223468.html

6. Партизанский котелок - электричество от костра. Описание для сборки своими руками и заводские модели. – Яндекс.дзен. – 13.10.2020. -https://zen.yandex.ru/media/samstroy24/partizanskii-kotelok-elektrichestvo-ot-kostra-opisanie-dlia-sborki-svoimi-rukami-i-zavodskie-modeli-5f855a9d8e35355ad141fe2e

7. Партизанское движение в годы Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. – Республиканский музей боевой славы. -https://rmbs-ufa.ru/ru/novosti/partizanskoe-dvizhenie-v-gody-velikoj-otechestvennoj-vojny-1941-1945gg

8. Термоэлектричество: история. – Полит.Ру. – 24.09.2014. - https://m.polit.ru/article/2014/09/24/ps_teg/

9. Электричество из огня. За что партизаны были благодарны академику Иоффе. – Насправди.info. – 09.08.2020. -https://naspravdi.info/novosti/elektrichestvo-iz-ognya-za-chto-partizany-byli-blagodarny-akademiku-ioffe

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/528964-nauchno-issledovatelskaja-rabota-po-fizike-pa