Тип урока: Урок-лекция
Цели:
- Образовательная: формирование представления об электрическом токе в газах; ознакомление учащихся с проявлениями в природе, связанными с прохождением электрического тока в газах;
- Развивающая: развитие мышления, внимания и умения выделять главное;
- Воспитательная: приобретение навыков общения и самоорганизации;
Оборудование: персональный компьютер, мультимедийный проектор, экран, электрометр, диски плоского конденсатора, газоразрядные трубки.
Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, практический.
План урока
- Организационный момент (цели, задачи урока, подготовка учащихся к восприятию информации).
- Мотивация учебной деятельности.
- Лекция (сопровождение презентацией и беседой)
- Домашнее задание.
- Итог урока
Эпиграф к уроку:
Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему учиться.
Леонардо да Винчи
Ход урока
Организационный момент:
По оценке метеорологов, за секунду в землю ударяют 100 молний, которые высвобождают электрические заряды, накопленные в 200 грозах, это каждое мгновение бичует Землю. Любой удар молнии распространяется со скоростью 80000 миль в секунду, составляющей около половины скорости света, и порождает температуру, достигающую около 50000°С. Любое свечение в природе вызывает удивление и страх.
О природе таких свечений мы узнаем сегодня на уроке.
Объявление темы урока:
Ребята, запишите в тетради тему урока: “Электрический ток в газах”.
Вашему вниманию предлагается лекционная подача материала, в тетради необходимо сделать краткие записи, которые помогут в подготовке по теме.
Учащимся предлагается план лекции
План лекции
1. Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов.
2. Ионизация газов.
3. Различные типы самостоятельных разрядов, условие возникновения.
- Тлеющий разряд
- Дуговой разряд
- Коронный разряд
- Искровой разряд
4. Молния
5. Плазма
6. Техническое применение прохождения электрического тока в газах
Лекция
1. Электрический разряд в газах
В естественном состоянии газ – диэлектрик. В обычных условиях в газе почти нет свободных носителей заряда, движение которых могло бы создать электрический ток.
Для того, чтобы газ стал поводящим, необходимо создать в нем свободные заряженные частицы, т. е. превратить нейтральные молекулы (или атомы) в ионы.
Проделаем опыт.
Вопрос: Что произойдет со стрелкой электрометра?
<Рисунок 1>
Укрепим две металлические пластины параллельно друг другу, соединим одну со стержнем, а вторую с корпусом электрометра и сообщим им разноименные заряды.
Ответ: Электрометр не заряжается. Через воздух между пластинами при небольших значениях напряжения электрический ток не проходит.
Изолирующие свойства газов (воздуха) объясняются отсутствием в них свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.
Видоизменим наш опыт
<Рисунок 2>
Нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки.
Вопрос: Изменится ли положение стрелки электрометра?
Ответ: Угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т. е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора — конденсатор разряжается. Сделайте вывод:
Нагретый воздух между дисками стал проводником и в нем устанавливается электрический ток.
Электрический ток через газ называют газовым разрядом.
2. Ионизация газа. Несамостоятельный разряд.
Рассмотренный выше опыт показывает, что в воздухе между дисками под действием пламени появились заряженные частицы. Тщательными исследованиями было установлено, что носителями электрических зарядов в газах являются ионы и электроны.
Вопрос: Откуда же они берутся?
При нагревании газа (воздуха) молекулы начинают двигаться быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается на положительно заряженные ионы и электроны. Чем выше температура, тем больше образуется ионов.
Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газа.
Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизоваться под воздействием других факторов, важнейшими из которых являются рентгеновские лучи и излучения радиоактивных веществ, ультрафиолетовые лучи и т. д. Факторы, вызывающие ионизацию газа, называются ионизаторами.
Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным ему процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов вследствие их электрического (кулоновского) притяжения. Такой процесс называют рекомбинацией заряженных частиц.
<Рисунок 3>
Вопрос: Что собой представляет электрический ток в газах?
Ответ: Электрический ток в газах - это направленное движение положительных ионов и свободных электронов.
Исследуем зависимость силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе.
При изменении напряжения между электродами, сила тока через газ возрастает не пропорционально напряжению и рост тока замедляется. При достижении определенного напряжения рост тока вообще прекращается и при дальнейшем изменении напряжения, ток остается постоянным, не зависящим от напряжения.
<Рисунок 4>
Такой ток называют током насыщения.
Причиной установления тока насыщения является полное прекращение процесса рекомбинации. Начиная с этого момента, все ионы, создаваемые ионизатором, участвуют в образовании тока, и ток достигает максимального значения, которое определяется ионизационной способностью данного ионизатора.
Если после достижения насыщения не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным разрядом.
3. Различные типы самостоятельных разрядов, условия их возникновения.
С ростом напряжения между электродами увеличивается и кинетическая энергия носителей тока в газе. При достаточно высоком напряжении эта энергия становится настолько большой, что в момент столкновения движущегося электрона с нейтральной молекулой газа в результате удара она может потерять свой электрон и превратиться в положительный ион.
Это явление называют ударной ионизацией.
Электрон, ускоряясь электрическим полем, на своем пути к аноду сталкивается с ионами и нейтральными молекулами.
Как положительные ионы, так и электроны движутся в поле с одинаковой напряженностью, длина свободного пробега электрона во много больше длины свободного пробега положительного иона. Следовательно, основную роль в ударной ионизации играют свободные электроны.
В газах при больших напряженностях электрических полей электроны достигают таких больших энергий, что начинается ионизация электронным ударом. Разряд становится самостоятельным и продолжается без внешнего ионизатора
Характеристику каждого типа разрядов можно предложить подготовить в виде сообщения отдельным учащимся.
Тлеющий разряд
Для получения тлеющего разряда удобно использовать стеклянную трубку длины около полуметра, содержащую два металлических электрода.
<Рисунок 5>
Пронаблюдаем, что будет происходить в трубке.
Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением в несколько тысяч вольт и будем откачивать воздух из трубки
При атмосферном давлении газ внутри трубки остается темным, так как данное напряжение недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток.
Этот вид разряда удобно наблюдать, если расстояние между электродами трубки около 0,5 м, а разность потенциалов – около тысячи вольт. Оказывается, что при нормальном атмосферном давлении в трубке разряда нет.
Вопрос: Как вы думаете, почему при нормальном атмосферном давлении в трубке разряда нет?
При уменьшении давления газа примерно до 40-50 мм рт. ст. в трубке наблюдается узкий светящийся шнур; при давлении около 0,5мм. рт. Ст. разряд сплошь заполняет трубку, причем положительный столб у анода разбивается на ряд слоев – страт.
При давлении около 0,02 мм. рт. ст. свечение в трубке пропадает, но ярко начинает светиться стекло против катода. Возникает электрический разряд.
Самостоятельный разряд, возникающий в газе при пониженном давлении, называют тлеющим
При данном разряде газ хорошо проводит электричество, значит, в газе все время поддерживается сильная ионизация.
Наблюдается темное катодное пространства, существование которого объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного темного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов: она увеличивается с уменьшением давления газа. В катодном темном пространстве электроны, движутся практически без соударений.
Дуговой разряд
В 1802 году русский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834 гг. ) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли к соприкосновению, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга).
Сила тока в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах — нескольких сотен ампер при разности потенциалов всего лишь порядка 50 В.
<Рисунок 6>
На положительном электроде дуги под влиянием бомбардировки электронами образуется углубление — кратер. Температура в кратере при атмосферном давлении достигает 4000°С. Для сравнения, отметим, что температура на поверхности Солнца 6000°С.
Электрическая дуга может возникнуть не только между угольными, но и между металлическими электродами.
Коронный разряд
При атмосферном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (около остриев, проводов линий высокого напряжения и т. д. ), наблюдается разряд, светящаяся область которого часто напоминает корону. Поэтому его и назвали коронным.
Плотность заряда на поверхности проводника тем больше, чем больше его кривизна. На острие плотность заряда максимальна. Поэтому возле острия возникает сильное электрическое поле. Когда его напряженность превысит 3 * 106 В/м, наступает разряд. При такой большой напряженности ионизация посредством электронного удара происходит при атмосферном давлении. По мере удаления от поверхности проводника напряженность быстро убывает. Поэтому ионизация и связанное с ней свечение газа наблюдается в ограниченной области пространства.
При повышенном напряжении коронный заряд на острие имеет вид светящейся кисти - системы тонких светящихся линий, которые выходят из острия, имеют изгибы и изломы, изменяющиеся с течением времени. Такая разновидность коронного разряда называется кистевым разрядом.
Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях.
Поэтому перед грозой или во время грозы нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма.
<Рисунок 7>
Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками. Нередко ледорубы начинают гудеть подобно большому шмелю.
С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии.
Искровой разряд
При искровом разряде необходимо создать достаточно сильное поле, чтобы электроны и ионы на длине свободного пробега успевали набрать энергию, необходимую для ионизации нейтральных атомов. Например, чтобы возник самостоятельный разряд при нормальном атмосферном давлении, надо создать напряжение 30 000 В на каждый сантиметр длины силовой линии. Если расстояние между электродами ключа очень мало, искра возникает при напряжениях в несколько вольт или даже долях вольта. При большой напряженности электрического поля между электродами (около 3 * 106 В/м) в воздухе при атмосферном давлении возникает искровой разряд.
Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою воздушного промежутка. При искровом разряде в газе возникают каналы ионизованного газа — стриммеры, имеющие вид прерывистых ярких зигзагообразных нитей.
Нити пронизывают пространство между электродами и исчезают, сменяясь новыми. При этом наблюдается яркое свечение газа и выделяется большое количество теплоты. Вследствие нагревания давление газа в стриммерах сильно повышается. Расширяясь, газ излучает звуковые волны, сопровождающие разряд.
4. Молния
Красивое, но небезопасное явление природы молния представляет собой искровой разряд в атмосфере. Уже в середине XVIII века обратили внимание на сходство молнии с электрической искрой. Высказывалось предположение, что облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал в свое время русский ученый физик и химик М. В. Ломоносов (1711-1765 гг. ). Ломоносов построил “громовую машину” - конденсатор. Во время грозы можно было из конденсатора рукой извлекать искры.
Грозовые облака действительно заряжены электричеством. Разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака (обращенная к Земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя – положительно. Поэтому, если два облака сближаются разноименными частями, то между ними проскакивает молния.
Бывает, пройдя над Землей, грозовое облако создает на ее поверхности большие индуцированные заряды, и поэтому облако и поверхность Земли образуют две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и Землей достигает огромных значений, в воздухе возникает сильное электрическое поле, происходит пробой, т. е. ударяющая в Землю молния.
Гром, возникающий после молнии, имеет такое же происхождение, как и треск при проскакивании лабораторной искры. Воздух внутри канала молнии сильно разогревается и расширяется, отчего и возникают звуковые волны. Эти волны, многократно отражаясь от облаков, гор, создают длительное эхо – громовые раскаты.
<Рисунок 8>
Согласно многочисленным исследованиям, произведенными над молнией, искровой разряд характеризуется следующими показаниями
| Напряжение между облаком и Землей | 108 В |
| Сила тока в молнии | 105 А |
| Продолжительность молнии | 10 - 6 с |
| Диаметр светящегося канала | 10 - 20 см |
Обычно наблюдаются линейные молнии, но есть и удивительная шаровая молния.
5. Плазма
При достаточно низких температурах все вещества находятся в твердом состоянии. Нагревание вызывает переход вещества из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное.
Дальнейшее нагревание приводит к ионизации газа за счет столкновения быстро движущихся атомов и молекул. Вещество переходит в новое состояние. Ионизированный газ при значительной степени ионизации представляет собой особое состояние вещества, отличное от газообразного, жидкого или кристаллического. Это четвертое состояние вещества называется плазмой
<Рисунок 9>
Высокотемпературная плазма, возникает в результате термической ионизации. Степень ионизации очень велика, благодаря чему она и является хорошим проводником - проводимость высокотемпературной плазмы сопоставима с проводимостью металлов.
Плазма — это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных, рядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.
Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы — ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака — это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.
Температура поверхности Солнца и звезд равна нескольким тысячам градусов, их недра разогреты до миллионов градусов. Следует, что значительная масса вещества Вселенной сконцентрированная в звездах, находится в состоянии высокотемпературной плазмы.
6. Техническое применение
Тлеющий разряд применяется в газоразрядных трубках, неоновых лампах, цифровых индикаторах, лампах дневного света. Тлеющий разряд используют в трубках для рекламы. Оран-Жево-красное свечение возникает при наполнении трубки неоном. Положительный столб в аргоне имеет синевато-зеленоватый цвет. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути. Важнейшее применение тлеющий разряд получил в газовых лазерах.
Дуговой разряд применяется в ртутных лампах высокого давления, при сварке металлов, в электроплавильных печах.
Искровой разряд длится тысячные доли секунды при высоком напряжении и применяется при обработке металлов.
Коронный разряд применяется в электрофильтрах для очистки газов от твердых частиц. Отрицательно то, что данный разряд вызывает утечку энергии на высоковольтных линиях
Плазма около Земли существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли, образуя радиационные пояса Земли и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные сияния.
Газоразрядная плазма образуется при всех видах электрического разряда в газах: дуговом, искровом, тлеющем разряде и пр.
Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света — в светящихся трубках для рекламных надписей, в лампах дневного света. В последних стеклянную трубку покрывают специальным составом — люминофором, который под действием излучения плазмы сам начинает светиться. Люминофор подбирают таким, чтобы его свечение было близко по составу к белому свету.
Газоразрядную плазму используют во многих приборах, например в газовых лазерах — квантовых источниках света.
Низкотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах (МГД - генераторах). Плазменные двигатели весьма перспективны для длительных сверхдальних космических полетов.
Сравнительно недавно был создан новый прибор — плазматрон.
Закрепление знаний
Учащимся предлагается на вопросы
- Какие частицы являются носителями тока в газах?
- Какой разряд является несамостоятельным?
- Какие причины могут вызывать несамостоятельный электрический разряд?
- Какой разряд является самостоятельным?
- За счет, каких факторов поддерживается самостоятельный разряд?
- Какие виды самостоятельного разряда знаете?
- Что такое плазма?
- Где находит применение самостоятельные разряды?
Домашнее задание
Физика: “Электродинамика”. 10-11 кл. Учебник для углубленного изучения физики/ Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков, Б. А. Слободсков. М., 2002. § 3. 7-3. 10. Конспект лекции
Итог урока
Учитель подводит итог урока, благодарит учащихся за помощь в подготовке презентации и за работу на уроке.