Презентація до уроку "Електричний струм у газах"
презентація до уроку з фізики (11 клас)

« Електричний струм у газах » Автор: викладач фізики НОЧУ Філофіївська гімназія Клочков Олександр Миколайович План уроку Організаційний момент Мотивація навчальної діяльності Лекція Закріплення знань Підсумок уроку Домашнє завдання

План лекції Блискавка. Плазма. Технічне застосування проходження електричного струму у газах. 1. Електричний розряд у газах. 2. Іонізація газів. Несамостійний розряд. 3. Різні типи самостійних розрядів, умова виникнення. Тліючий розряд. Дуговий розряд. Коронний розряд. Іскровий розряд.

У природному стані газ діелектрик. У звичайних умовах у газі майже немає вільних носіїв заряду, рух яких міг би створити електричний струм. Щоб газ став поводящим , необхідно створити у ньому вільні заряджені частинки, тобто. перетворити нейтральні молекули (або атоми) на іони. 1. Електричний розряд у газах Зміцнимо дві металеві пластини паралельно одна одній, з'єднаємо одну зі стрижнем, а другу з корпусом електрометра та повідомимо їм різноіменні заряди. Електрометр не заряджається. Через повітря між пластинами за невеликих значень напруги електричний струм не проходить. Для виникнення струму необхідна дія зовнішнього випромінювання Процес протікання струму через гази називається електричним розрядом у газах Рисунок 1

З появою електричного струму відбувається іонізація газу. Розпад молекул газу на електрони та позитивні іони називається іонізацією газу. Нейтральні атоми чи молекули газу можуть іонізуватися, тобто.набувати електричного заряду, під впливом ряду факторів. Чинники, що викликають іонізацію газу, називаються іонізаторами 2. Іонізація газу. Несамостійний розряд. Внесемо в простір між пластинами полум'я спиртівки і електрометр швидко зарядиться. Під впливом полум'я газ став провідником електричного струму. Підвищення температури газу робить його провідником електрики. Таким чином електричний струм у газах-це спрямований рух позитивних іонів і вільних електронів. Малюнок 2

Графік струму насичення Якщо після досягнення насичення продовжувати збільшувати різницю потенціалів, то сила струму потім різко зростатиме, іонізатор можна прибирати, розряд не потребує зовнішнього іонізатора. Проходження електричного струму через гази при постійному впливі на газ зовнішнього іонізатора є несамостійним розрядом. При зміні напруги між електродами сила струму через газ зростає не пропорційно напрузі і зростання струму сповільнюється. При досягненні певної напруги зростання струму взагалі припиняється і при подальшій зміні напруги, струм залишається постійним, що не залежить від напруги. Такий струм називають струмом насичення. Розряд, що відбувається без зовнішнього іонізатора, називається самостійним. Малюнок 3

3. Різні типи самостійних розрядів, умови виникнення Як позитивні іони і електрони рухаються у полі з однаковою напруженістю, але довжина вільного пробігу електрона набагато більше довжини вільного пробігу позитивного іона. Отже основну роль ударної іонізації відіграють вільні електрони Зі зростанням напруги між електродами збільшується і кінетична енергія носіїв струму в газі.При досить високій напрузі ця енергія стає настільки великою, що в момент зіткнення електрона, що рухається, з нейтральною молекулою газу в результаті удару вона може втратити свій електрон і перетворитися на позитивний іон. Це явище називають ударною іонізацією. Малюнок4

Вторинна електронна емісія з катода виникає у разі, якщо кінетична енергія позитивних іонів виявляється достатньої, щоб ударом вибити з катода електрони. Цей процес забезпечує тліючий розряд Щоб у газі виник самостійний розряд недостатньо наявність одного процесу ударної іонізації. Потрібно ще, щоб за рахунок процесів, що відбуваються в газі при розрядці, безперервно виникали електрони, які після прискорення брали б участь у ударній іонізації. Таких процесів може бути кілька. Іноді вони діють одночасно, іноді один із них відіграє домінуючу роль – це залежить від тиску газу, його температури та напруженості поля.

Тліючий розряд Приєднаємо електроди до джерела постійного струму з напругою в кілька тисяч вольт і відкачуватимемо повітря з трубки. При атмосферному тиску газ усередині трубки залишається темним, так як дана напруга недостатньо для того, щоб пробити довгий газовий проміжок.

Цей вид розряду зручно спостерігати, якщо відстань між електродами трубки близько 0,5 м, а різниця потенціалів – близько тисячі вольт. Виявляється, що при нормальному атмосферному тиску в трубці розряду немає. При зменшенні тиску газу приблизно 40-50 мм. рт. ст.в трубці спостерігається вузький шнур, що світиться, при тиску близько 0,5мм.рт.ст. але яскраво починає світитися скло проти катода. Розряд , що виникає в газі при зниженому тиску , називають тліючим При даному розряді газ добре проводить електрику, отже в газі постійно підтримується сильна іонізація.

У 1802 році російський фізик Василь Володимирович Петров (1761-1834р.) встановив, що якщо приєднати до полюсів великої електричної батареї два шматочки деревного вугілля і, привівши вугілля до зіткнення, злегка їх розсунути, то між кінцями вугілля утворюється яскраве пл. вугілля розжарюються добела, випромінюючи сліпуче світло (електрична дуга). Це явище незалежно спостерігав англійський хімік Г. Деві, який запропонував на честь А. Вольти назвати цю дугу «вольтовою».

Електрична дуга може виникнути не тільки між вугільними, але і між металевими електродами. у випадку, якщо катод має високу температуру.Саме цей процес забезпечує дуговий розряд Провідність газу при газовому розряді значна і при атмосферному тиску, так як число електронів, що випромінюються негативним електродом, велике. Сила струму в невеликій дузі досягає кілька ампер, а у великих дугах – кілька сотень ампер при різниці потенціалів всього в 50 В. Висока температура катода при горінні дуги підтримується позитивними іонами, що бомбардують катод. Газ сильно розігрівається. На позитивному електроді утворюється поглиблення кратер. Температура у кратері досягає 4000 0С

Виникнення іонної лавини не завжди призводить до іскри, а може викликати і розряд іншого типу – коронний розряд. Коронний розряд спостерігають поблизу загострених частин провідників у тому випадку, коли напруженість електричного поля, що існує біля провідника, перевищує 3*10 6 В/м. Причиною, що викликає коронний розряд, є ударна іонізація газу, що відбувається в області, що межує безпосередньо з провідником. Можливість виникнення коронного розряду необхідно враховувати у будь-яких випадках, коли доводиться використовувати високу напругу. Особливо небажано виникнення цього розряду високовольтних лініях електропередачі, оскільки він призводить до втрат електричної енергії. Тому в таких лініях вживають спеціальних заходів щодо запобігання коронному розряду. Коронний розряд є слабкий струм через газ при атмосферному тиску, що виникає під дією неоднорідного електричного поля, високої напруженості. Коронний розряд супроводжується слабким світінням газу та тихим шумом.

При підвищеній напрузі коронний заряд на вістрі має вигляд кисті, що світиться, — системи тонких ліній, що світяться, які виходять з вістря, мають вигини і злами, що змінюються з часом. Такий різновид коронного розряду називається кистьовим розрядом. Заряджена грозова хмара індукує поверхні Землі під собою електричні заряди протилежного знака. Особливо великий заряд накопичується на вістрях. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях та гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. З давніх-давен це свічення називають вогнями святого Ельма. Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді навіть не тільки металеві предмети, але кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими пензликами, що світяться. Нерідко льодоруби починають гудіти подібно до великого джмеля. Малюнок 7

Іскровий розряд При іскровому розряді необхідно створити досить сильне поле, щоб електрони та іони на довжині вільного пробігу встигали набрати енергію, необхідну іонізації нейтральних атомів. Наприклад, щоб виник самостійний розряд при нормальному атмосферному тиску, треба створити напругу 30 000 на кожен сантиметр довжини силової лінії. Якщо відстань між електродами ключа дуже мала, іскра виникає при напругах у кілька вольт або навіть частках вольта. Гарне, але небезпечне явище природи-блискавка є іскровим розрядом в атмосфері. Блискавка Вже в середині XVIII століття звернули увагу на схожість блискавки з електричною іскрою.Висловлювалося припущення, що хмари несуть у собі великі електричні заряди і що блискавка є гігантська, нічим крім розмірів, що не відрізняється від іскри між кулями електричної машини. На це вказував свого часу російський вчений фізик та хімік М.В.Ломоносов (1711-1765гг). Ломоносов побудував "громову машину" - конденсатор. Під час грози можна було з конденсатора витягати рукою іскри.

Таким чином, грозові хмари дійсно заряджені електрикою. Різні частини грозової хмари несуть заряди різних знаків. Найчастіше нижня частина хмари ( звернена Землі) буває заряджена негативно , а верхня – позитивно. Тому, якщо дві хмари зближуються різноіменними частинами, між ними проскакує блискавка. Однак грозовий розряд може пройти по-іншому. Пройшовши над Землею, грозова хмара створює на поверхні великі індуковані заряди, і тому хмара і поверхню Землі утворюють дві обкладки великого конденсатора. Різниця потенціалів між хмарою і Землею сягає величезних значень, повітря виникає сильне електричне полі, відбувається пробою, тобто. блискавка, що ударяє в Землю. Грім, що виникає після блискавки, має таке ж походження, як і тріск при проскакуванні лабораторної іскри. Саме. Повітря всередині каналу блискавки сильно розігрівається та розширюється, через що і виникають звукові хвилі. Ці хвилі, багаторазово відбиваючись від хмар, гір, створюють тривале відлуння – громові гуркіт. Гроза

Згідно з численними дослідженнями, зробленими над блискавкою, іскровий розряд характеризується наступними показаннями. що проявляється зазвичай яскравим спалахом світла і супроводжуючим її громом. Електрична природа блискавки була розкрита в дослідженнях американського фізика Б. Франкліна, за ідеєю якого було проведено досвід із вилучення електрики з грозової хмари. Найчастіше блискавка виникає у купово-дощових хмарах, тоді вони називаються грозовими; іноді блискавка утворюються в шарувато-дощових хмарах, а також при вулканічних виверженнях, торнадо та пилових бурях. Зазвичай спостерігаються лінійні блискавки, але є дивовижна та кульова блискавка. Малюнок 8

5. Плазма Іонізований газ при значній мірі іонізації являє собою особливий стан речовини, відмінний від газоподібного, рідкого або кристалічного. Цей четвертий стан речовини називається плазмою Плазма - це частковий або повністю іонізований газ, в якому щільності позитивних та негативних зарядів практично однакові. Високотемпературна плазма виникає в результаті термічної іонізації. Ступінь іонізації дуже великий, завдяки чому він і є хорошим провідником провідність високотемпературної плазми порівнянна з провідністю металів. Температура поверхні Сонця та зірок дорівнює кільком тисячам градусів, їх надра розігріті до мільйонів градусів.Слід зазначити, що значна маса речовини Всесвіту сконцентрована в зірках, перебуває у стані високотемпературної плазми. Малюнок 9

6. Технічне застосування Тліючий розряд застосовується у газорозрядних трубках, неонових лампах, цифрових індикаторах, лампах денного світла. Дуговий розряд застосовується в ртутних лампах високого тиску, при зварюванні металів, в електроплавильних друках. Іскровий розряд триває тисячні частки секунди при високій напрузі і застосовується при обробці металів. Коронний розряд застосовується в електрофільтрах для очищення газів від твердих частинок. Негативно те, що даний розряд викликає витік енергії на високовольтних лініях Низькотемпературна плазма (Т = 103 К) знаходить застосування в газорозрядних джерелах світла - в трубках для рекламних написів, що світяться, в лампах денного світла. В останніх скляну трубку покривають спеціальним складом - люмінофором, який під дією випромінювання плазми починає світитися. Люмінофор підбирають таким, щоб його свічення було близько до білого світу. Газорозрядну плазму використовують у багатьох приладах, наприклад, у газових лазерах — квантових джерелах світла.

Домашнє завдання Підсумок уроку Запитання Які частинки є носіями струму в газах? Який розряд є несамостійним? Які причини можуть спричинити несамостійний електричний розряд? Який розряд є самостійним? З допомогою яких чинників підтримується самостійний розряд? Які види самостійного розряду знаєте? Що таке плазма? Ви пізнаєте таємниці природи. Багато в ній загадкового та незрозумілого. Сьогодні ми торкнулися ще однієї таємниці, таємниці електричних розрядів. Підручник "Електродинаміка" § 3.7-3.10. Конспект лекції.