« Електричний струм в газах » Мета : Нвчальна : формування подання про електричне струм в газах; ознайомлення учнів із проявами в природі, пов'язаними із проходженням електричного струму в газах; Розвиваюча : розвиток мислення, уваги й уміння виділяти головне; Виховна : придбання навичок спілкування й самоорганізації; Урок фізики в 11 класі.

Хід уроку. Мотивація навчальної діяльності : По оцінці метеорологів, за секунду в землю вдаряють 100 блискавок, які вивільняють електричні заряди, накопичені в 200 грозах, котрі щомиті б'ють у Землю. Будь-який удар блискавки поширюється зі швидкістю ,52 км у секунду, що становить біля половини швидкості світла, і породжує температуру, що сягає близько 50000°С. Будь-яке світіння в природі викликає подив і страх. Про природу таких світінь ми довідаємося сьогодні на уроці. Епіграф к уроку: Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему учиться. Леонардо да Винчи Домашнє завдання: Вивчити: § 15. Відповісти на запитання.

План лекції 4.Блискавка. 5.Плазма. 6.Технічне застосування проходження електричного струму в газах. 1. Електричний розряд в газах. 2. Іонізація газів. Несамостійний розряд. 3. Різні типи самостійних розрядів, умова виникнення. oТліючий розряд oДуговий розряд oКоронний розряд oІскровий розряд

У природному стані газ - діелектрик. У звичайних умовах у газі майже немає вільних носіїв заряду, рух яких могли б створити електричний струм. Для того, щоб газ став провідником, необхідно створити в ньому вільні заряджені частки, тобто перетворити нейтральні молекули (або атоми) в іони. 1. Електричний розряд в газах Закріпимо дві металеві пластини паралельно одна одній, з ' єднаємо одну зі стрижнем, а другу з корпусом електрометра й повідомимо їм різнойменні заряди. Електрометр не заряджається. Через повітря між пластинами при невеликих значеннях напруги електричний струм не проходить. Процес проходження струму крізь гази називається електричним розрядом в газах Рисунок 1

При появі електричного струму відбувається іонізація газу. Розпад молекул газу на електрони і позитивні іони називається іонізацією газу. Нейтральні атоми або молекули газу можуть іонізуватися, тобто набути електричний заряд, під впливом ряду факторів. Фактори, що визивають іонізацію газу, називаються іонізаторами 2. Іонізація газу. Несамостійний розряд. Внесемо в простір між пластинами полум я спиртівки, и електрометр швидко зарядиться. Під впливом полум я газу став провідником електричного струму. Підвищення температури газу робить його провідником електричного струму. Таким омчин електричений струм в газах- це напрямлений рух позитивних йонів і вільних електронів. Рисунок 2

Графік струму насичення Якщо після досягнення насичення продовжує збільшується різниця потенціалів, то сила струму потім стане різко зростати, іонізатор можна убирати, розряд не потребує зовнішніх іонізаторів. Проходження електричного струму крізь гази при постійному впливі на газ зовнішнього іонізатору являє собою несамостійный розряд. При зміненні напруги крізь електродами, сила току крізь струм збільшується не пропорційно напрузі і зростання струму уповільнюється. При досягненні відповідної напруги зріст струму взагалі припиняється і при подальшему зміненні напруги, струм залишається незмінним, не залежним від напруги. Такий струм називають струмом насичення. Розряд, який проходить без зовнішнього іонізатору називається самостійним. Рисунок 3

3. Різні типи самостійних розрядів, умови їхнього виникнення. Як позитивні іони, так і електрони рухаються в полі з однаковою напруженістю, довжина вільного пробігу електрона в багато разів більше довжини вільного пробігу позитивного іона. Отже, основну роль в ударній іонізації грають вільні електрони. Із зростанням напруги між електродами збільшується й 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 в позитивний іон. Це явище називають ударною іонізацією. Рисунок 4

Вторинна електронна емісія з катода виникає в тому випадку, якщо кінетична енергія позитивних іонів виявляється достатньої, щоб ударом вибити з катода електрони. Цей процес забезпечує тліючий розряд. Щоб в газі виник самостійний розряд недостатньо наявність лише одного процесу ударної іонізації. Треба також, щоб за рахунок процесів які проходять в газі при розрядці, неперервно виникали електрони, які після прискорення приймали б участь в ударній іонізації. Таких процесів може виявитися декілька. Іноді вони діють одночасно, іноді один з них відіграє домінуючу роль - це залежить від тиску газу, його температури й напруженості поля.

Тліючий розряд Приєднаємо електроди до джерела постійного струму з напругою в кілька тисяч вольтів і будемо відкачувати повітря із трубки. При атмосферному тиску газ усередині трубки залишається темним, тому що дана напруга недостатня для того, щоб пробити довгий газовий проміжок. Для одержання тліючого розряду зручно використати скляну трубку довжини десь півметра, що містить два металевих електроди. Рисунок 5

Цей вид розряду зручно спостерігати, якщо відстань між електродами трубки близько 0,5 м, а різниця потенціалів - біля тисячі вольтів. Виявляється, що при нормальному атмосферному тиску в трубці розряду немає. При зменшенні тиску газу приблизно до мм рт. ст. у трубці спостерігається вузький світловий шнур; при тиску близько 0,5мм. рт. ст. розряд суцільно заповнює трубку, причому позитивний стовп в аноді розбивається на ряд шарів - страт. При тиску близько 0,02 мм. рт. ст. світіння в трубці пропадає, але яскраво починає світитися скло проти катода. Виникає електричний розряд. Самостійний розряд, що виникає в газі при зниженому тиску, називають тліючій. При даному розряді газ добре проводить електричний струм, виходить, у газі увесь час підтримується сильна іонізація. Причина іонізації є ударна іонізація й вибивання електронів з катода позитивними іонами.

В 1802 році російський фізик Василь Володимирович Петров ( р) встановив, що якщо приєднати до полюсів великої електричної батареї два шматочки древісного вугілля й, довівши вугілля до зіткнення, злегка їх розсунути, то між кінцями вуглів утвориться яскраве полум'я, а самі кінці вугіль розжарюються добіла, випромінюючи сліпуче світло (електрична дуга). Це явище незалежно спостерігав англійський хімік Г. Деві, що запропонував на честь А.Вольти назвати цю дугу «вольтовою» Дуговий розряд Рисунок 6

Електрична дуга може виникнути не тільки між вугільними, але й між металевими електродами. Дуговий розряд виникає у всіх випадках, коли внаслідок розігріву катода основною причиною іонізації стає термоелектронна емісія Термоелектронна емісія з катода (виривання електронів з поверхні металу під дією температури) виникає в тому випадку, якщо катод має високу температуру. Саме цей процес забезпечує дуговий розряд Провідність газу при газовому розряді значна й при атмосферному тиску, тому що число електронів, що випускають негативним електродом велика. Сила струму в невеликій дузі досягає невеликої кількості ампер, а в більших дугах - кілька сотень ампер при різниці потенціалів усього в 50 В. Висока температура катода при горінні дуги підтримується позитивними іонами, що бомбардують катод. Газ сильно розігрівається. На позитивному електроді утвориться поглиблення - кратер. Температура в кратері досягає С

Виникнення іонної лавини не завжди приводить до іскри, а може викликати й 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 відбуває в області, що безпосередньо граничить із провідником. Можливість виникнення коронного розряду необхідно враховувати в будь-яких випадках, коли доводиться використати високу напругу. Особливо небажане виникнення цього розряду у високовольтних лініях електропередачі, тому що він приводить до втрат електричної енергії. Тому в таких лініях вживають спеціальних заходів по запобіганню коронного розряду. Коронний розряд являє собою слабкий струм через газ при атмосферному тиску, що виникає під дією неоднорідного електричного поля, високої напруженості. Коронний розряд супроводжується слабким світінням газу й тихим шумом. Коронний розряд

При підвищеній напрузі коронний заряд на вістрях має вигляд світової кисті - системи тонких світних ліній, які виходять із вістря, мають вигини й злами, що змінюються із часом. Такий різновид коронного розряду називається кистьовим розрядом. Заряджена грозова хмара індукує на поверхні Землі під собою електричні заряди протилежного знака. Особливо великий заряд накопляється на вістрях. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. З давніх часів це світіння називають вогнями святого Ельма. Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді навіть не тільки металеві предмети, але кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими світними пензликами. Нерідко ледоруби починають гудіти подібно великому джмелеві. Рисунок 7

Искровий розряд При іскровому розряді необхідно створити досить сильне поле, щоб електрони й іони на довжині вільного пробігу встигали набрати енергію, необхідну для іонізації нейтральних атомів. Наприклад, щоб виник самостійний розряд при нормальному атмосферному тиску, треба створити напругу В на кожний сантиметр довжини силової лінії. Якщо відстань між електродами ключа дуже мало, іскра виникає при напругах у декілька вольт або навіть частки вольта. При великій напруженості електричного поля між електродами (близько 3 * 10 6 В/м) у повітрі при атмосферному тиску виникає іскровий розряд. Гарне, але небезпечне явище природи - блискавка являє собою іскровий розряд в атмосфері. Уже в середині XVIII століття звернули увагу на подібність блискавки з електричною іскрою. Висловлювалося припущення, що хмари несуть у собі великі електричні заряди й що блискавка є гігантська, нічим, крім розмірів, що не відрізняється від іскри між кулями електричної машини. На це вказував у свій час росіянин учений фізик і хімік М. В. Ломоносов ( р. ). Ломоносов побудував громову машину - конденсатор. Під час грози можна було з конденсатора рукою витягати іскри.

Грозові хмари дійсно заряджені електрикою. Різні частини грозової хмари несуть заряди різних знаків. Найчастіше нижня частина хмари (звернена до Землі) буває заряджена негативно, а верхня - позитивно. Тому, якщо дві хмари зближаються різнойменними частинами, то між ними проскакує блискавка. Буває, пройшовши над Землею, грозова хмара створює на її поверхні великі індуковані заряди, і тому хмара й поверхня Землі утворять дві обкладинки великого конденсатора. Різниця потенціалів між хмарою й Землею досягає величезних значень, у повітрі виникає сильне електричне поле, відбувається пробій, тобто блискавка, що вдаряє в Землю. Грім, що виникає після блискавки, має таке ж походження, як і тріск при проскакуванні лабораторної іскри. Повітря усередині каналу блискавки сильно розігрівається й розширюється, від того й виникають звукові хвилі. Ці хвилі, багаторазово відбиваючись від хмар, гір, створюють тривалу луну - громові розкати.

Відповідно до численних досліджень, зробленими над блискавкою, іскровий розряд характеризується наступними показаннями Напруга між хмарою й Землею 108 В Сила струму в блискавці 105 А Тривалість блискавки с Діаметр світного каналу см Блискавка, гігантський електричний іскровий розряд в атмосфері, що проявляється звичайно яркою спалахом світла й супровідним її громом. Електрична природа блискавки була розкрита в дослідженнях американського фізика Б. Франкліна, по ідеї якого був проведений досвід по витягу електрики із грозової хмари. Найбільш часто блискавка виникає в кучево-дождьових хмарах, тоді вони називаються грозовими; іноді блискавка утворяться в шарувато-дощових хмарах, а також при вулканічних виверженнях, торнадо й пилових бурах. Звичайно спостерігаються лінійні блискавки, але є дивна й кульова блискавка. Рисунок 8

5. Плазма Іонізований газ при значному ступені іонізації являє собою особливий стан речовини, відмінне від газоподібного, рідкого або кристалічного. Це четвертий стан речовини називається плазмою. Плазма - це частково або повністю іонізований газ, у якому щільності позитивних і негативних, рядів практично однакові. Таким чином, плазма в цілому є електрично нейтральною системою. Високотемпературна плазма, виникає в результаті термічної іонізації. Ступінь іонізації дуже велика, завдяки чому вона і є гарним провідником - провідність високотемпературної плазми порівнянна із провідністю металів. Температура поверхні Сонця й зірок дорівнює декільком тисячам градусів, їхні надра розігріті до мільйонів градусів. Треба, що значна маса речовини всесвіту сконцентрована в зірках, перебуває в стані високотемпературної плазми. Рисунок 9

6. Технічне застосування Тліючий розряд застосовується в газорозрядних трубках, неонових лампах, цифрових індикаторах, лампах денного світла. Дуговий розряд застосовується в ртутних лампах високого тиску, при зварюванні металів, в електроплавильних печах. Іскровий розряд триває тисячні частки секунди при високій напрузі й застосовується при обробці металів. Коронний розряд застосовується в електрофільтрах для очищення газів від твердих часток. Негативно те, що даний розряд викликає витік енергії на високовольтних лініях. Низькотемпературна плазма знаходить застосування в газорозрядних джерелах світла - у світних трубках для рекламних написів, у лампах денного світла. В останніх скляну трубку покривають спеціальним складом - люмінофором, що під дією випромінювання плазми сам починає світитися. Люмінофор підбирають таким, щоб його світіння було близько по складу до білого світла. Газорозрядну плазму використають у багатьох приладах, наприклад у газових лазерах - квантових джерелах світла.

1.Які частки є носіями струму в газах? 2.Який розряд є несамостійним? 3.Які причини можуть викликати несамостійний електричний розряд? 4.Який розряд є самостійним? 5.За рахунок, яких факторів підтримується самостійний розряд? 6.Які види самостійного розряду знаєте? 7.Що таке плазма? 8.Де знаходить застосування самостійні розряди? Підсумок уроку Дайте відповідь на питання: Ви пізнаєте таємниці природи. Багато в ній загадкового й непоясненого. Сьогодні ми доторкнулися ще до однієї таємниці, таємниці електричних розрядів.