Виды самостоятельного разряда

Тема: Виды самостоятельного разряда

Цель: Ознакомить учащихся с разными видами самостоятельного разряда. Показать связь физики и литературы. Рассказать о практическом применении теоретических знаний.

Развитие логического мышления , усовершенствование навыков работы с текстом и тестовыми заданиями, навыков выделять главное. Развитие интереса к изучению физических явлений.

Воспитание умений работать индивидуально и в коллективе, умения слушать товарищей, воспринимать материал, который сообщают учащиеся, воспитание чувства ответственности за порученное задание.

Тип урока: комбинированный

Оборудование: таблицы, тестовые задания, материал для работи в группах.

І. Организационный момент

Подготовка класса к уроку, выдать материал для работы в группах, выдать листочки для самостоятельной работы

ІІ. Актуализация опорных знаний

Фронтальный опрос

1. Что такое рекомбинация?

2. Что такое газовый разряд?

3. Какой разряд называют несамостоятельным?

4. Какой разряд называют самостоятельным?

5. Какова физическая природа проводимости газов?

6. Какие виды самостоятельных разрядов вы знаете?

7. Какое минимальное количество электричества может быть перенесено в газе?

ІІІ. Проверка домашнего задания

Выполнить тестовое задание:

Ионизация газов во время нагревания объясняется тем, что:

І. По мере нагревания газа...

ІІ. При этом некоторые молекулы начинають двигаться так быстро, что во время ударов, …

ІІІ. Таким образом с ростом температуры…

ІV. Если ионизатор прекращает действовать …

Ответы:

1.происходит рекомбинация

2.увеличивается число носителей заряда в газе

3. молекулы движутся быстрее

4. часть молекул распадается и превращается в ионы

ІV. Мотивация учебной деятельности

На сегодняшнем уроке мы познакомимся с характеристками самостоятельного разряда в газе и его видами, а также проявлением в природе и технике и применением на практике

V. Изучение нового материала

Класс делим на группы по 4 ученика. Каждому выдаем карточку с материалом по одному из видов разряда Учащиеся изучают материал в домашней группе, а потом объединяются по номерам, обсуждают материал, выделяют главное, потом возвращаются в домашние группы и знакомят своих одногруппников со своей частью материала. Таким образом учащиеся изучат материал полностью.

VІ.Закрепление изученного материала

Ответить на вопросы по отрывкам из литературных произведений.

1. В.Брюсов. «Электрические светы»

«Мы – электрические светы

Над шумной уличной толпой

Ей – наши рдяные приветы,

И ей – наш отсвет голубой!

Качаясь на стеблях високих,

Горя в Преддверьях синема,

И искрясь из витрин глубоких,

Мы – дрожь, мы – блеск, мы жизнь сама!»

Какой вид самостоятельного разряда происходит в рекламных трубках?

2. «Хвала человеку»

«Змея, жалившего жадно

С неба выступы дубов,

Изловил ты беспощадно,

Неустанный зверолов,

И, шипя под хрупким шаром,

И в стекле согнут в дугу,

Он теперь, покорный чарам, светит хитрому врагу».

Какое явление вы узнали в образе змея?

Где в жизни вы встречались с этим явлением?

VІІ. Итог урока

1)Фронтальный опрос по плану:

1. Вид разряда

2. Условия протекания разряда

3. Область применения

2) тестовое задание

Укажите вид разряда в каждом случае

І. К электродам разрядной трубки при низком давлении приложено напряжение В.

ІІ. Шарики электрофорной машины заряжены до высокой разности потенциалов при атмосферном давлении и сближены . После пробоя напряжение на них резко уменьшилось.

ІІІ. По тонким проводникам протекает ток под высоким напряжением ІV. Металлические электроды сближают и подают напряжение 70В, а потом отдаляют их друг от друга .

1. Тлеющий

2. Коронный

3. Искровой

4. Дуговой

VІІІ. Домашнее задание

Заполнить таблицу

ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

Тлеющий разряд наблюдается при пониженных давлениях газа (порядка 0,1 мм рт. ст.). Для возбуждения такого разряда достаточно напряжения между электродами в несколько сотен (а иногда и значительно меньше) вольт. Тлеющий разряд используют в газоразрядных трубках для освещения и рекламы. Красное свечение возникает при наполнении трубки неоном. Положительный столб в аргоне имеет синевато-зеленоватый цвет. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30 – 50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, постепенно откачивая из трубки воздух, то при давлении  кПа возникает разряд в виде светящегося извилистого шнура красноватого цвета, идущего от катода к аноду. При дальнейшем понижении давления шнур утолщается, и при давлении  Па разряд имеет вид, схематически изображенный на рис. 40.1.

Непосредственно к катоду прилегает тонкий светящийся слой 1 – первое катодное свечение, или катодная пленка, затем следует темный слой 2 – катодное темное пространство, переходящее в дальнейшем в светящийся слой 3 – тлеющее свечение, имеющее резкую границу со стороны катода, постепенно исчезающую со стороны анода. Оно возникает из-за рекомбинации электронов с положительными ионами. С тлеющим свечением граничит темный промежуток 4 – фарадеево темное пространство, за которым следует столб ионизированного светящегося газа 5 – положительный столб. Положительный столб существенной роли в поддержании разряда не имеет. Например, при уменьшении расстояния между электродами трубки его длина сокращается, в то время как катодные части разряда по форме и величине остаются неизменными. В тлеющем разряде особое значение для его поддержания имеют только две его части: катодное темное пространство и тлеющее свечение. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны с катода (вторичная эмиссия). В области тлеющего свечения же происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Образующиеся при этом положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые, в свою очередь, опять ионизируют газ и т.д. Таким образом, непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

При дальнейшем откачивании трубки при давлении   Па свечение газа ослабевает и начинают светиться стенки трубки. Электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, при таких разрежениях редко сталкиваются с молекулами газа и поэтому, ускоренные полем, ударяясь о стекло, вызывают его свечение, так называемую катодолюминесценцию. Поток этих электронов исторически получил название катодных лучей. Если в катоде просверлить малые отверстия, то положительные ионы, бомбардирующие катод, пройдя через отверстия проникают в пространство за катодом и образуют резко ограниченный пучок, получивший название каналовых (или положительных) лучей, названных по знаку заряда, который они несут.

Тлеющий разряд широко используется в технике. Так как свечение положительного столба имеет характерный для каждого газа цвет, то его используют в газосветных трубках для светящихся надписей и реклам (например, неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые – синевато-зеленое). В лампах дневного света, более экономичных, чем лампы накаливания, излучение тлеющего разряда, происходящее в парах ртути, поглощается нанесенным на внутреннюю поверхность трубки флуоресцирующим веществом (люминофором), начинающим под воздействием поглощенного излучения светиться. Спектр свечения при соответствующем подборе люминофоров близок к спектру солнечного излучения. Тлеющий разряд используется для катодного напыления металлов. Вещество катода в тлеющем разряде вследствие бомбардировки положительными ионами, сильно нагреваясь, переходит в парообразное достояние. Помещая вблизи катода различные предметы, их можно покрыть равномерным слоем металла.

ИСКРОВОЙ РАЗРЯД

Искровой разряд можно получить, если постепенно увеличивать

напряжение между двумя электродами. При некотором напряжении возникает электрическая искра. Примером гигантского искрового разряда является молния. Она возникает либо между двумя заряженными облаками, либо между заряженным облаком и Землей. Сила тока в молнии достигает 500000 ампер, а разность потенциалов между облаком и Землей — 1 млрд. вольт. Длина светящегося канала может достигать 10 км, а его диаметр — 4 м.

 Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля   в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного. Искра имеет вид ярко светящегося тонкого канала, сложным образом изогнутого и разветвленного.

Объяснение искрового разряда дается на основе стримерной теории, согласно которой возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабосветящихся скоплений ионизованного газа – стримеров. Стримеры возникают не только в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, но и в результате фотонной ионизации газа. Лавины, догоняя друг друга, образуют проводящие мостики из стримеров, по которым в следующие моменты времени и устремляются мощные потоки электронов, образующие каналы искрового разряда. Из-за выделения при рассмотренных процессах большого количества энергии газ в искровом промежутке нагревается до очень высокой температуры , что приводит к его свечению. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления и возникновению ударных волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом разряде – характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты грома в случае молнии, являющейся примером мощного искрового разряда между грозовым облаком и Землей или между двумя грозовыми облаками.

Искровой разряд используется для воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и предохранения электрических линий передачи от перенапряжений (искровые разрядники). При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает разрушение (эрозию) поверхности металла, поэтому он применяется для электроискровой точной обработки металлов (резание, сверление). Его используют в спектральном анализе для регистрации заряженных частиц (искровые счетчики).

Интересно знать

Перед появлением молнии напряжение между облаком и поверхностью Земли достигает U ~ 10⁸ – 10⁹ В. Сила тока в молнии составляет I ~ 10⁵ А, продолжительность разряда молнии — t ~ 10^–6 с, диаметр светящегося канала — d ~ 10–20 см. Извилистый вид молнии объясняется тем, что электрический разряд проходит через участки воздуха, имеющие наименьшее сопротивление. А такие участки расположены в воздухе случайным образом.

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непрерывным – возникает дуговой разряд. При этом сила тока резко возрастает, достигая сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения минуя стадию искры. Для этого электроды (например, угольные) сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются электрическим током, потом их разводят и получают электрическую дугу (именно так она была открыта В. В. Петровым). При атмосферном давлении температура катода приблизительно равна 3900 К. По мере горения дуги и угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление – кратер, являющийся наиболее горячим местом дуги.

По современным представлениям, дуговой разряд поддерживается за счет высокой температуры катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обусловленной высокой температурой газа.

Дуговой разряд находит широкое применение для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей (дуговая печь) и освещения (прожекторы, проекционная аппаратура). Широко применяются также дуговые лампы с ртутными электродами в кварцевых баллонах, где дуговой разряд возникает в ртутном паре при откачанном воздухе. Дуга, возникающая в ртутном паре, является мощным источником ультрафиолетового излучения и используется в медицине (например, кварцевые лампы). Дуговой разряд при низких давлениях в парах ртути используется в ртутных выпрямителях для выпрямления переменного тока.

Если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться, и возникнет новая форма газового разряда, называемого дуговым. В настоящее время электрическую дугу, горящую при атмосферном давлении, чаще всего получают между специальными угольными электродами. Ее температура при атмосферном давлении около 4000 °С. Электрическая дуга является мощным источником света и широко применяется в проекционных, прожекторных и других осветительных установках. Вследствие высокой температуры дуга широко применяется для сварки и резки металлов. Высокую температуру дуги используют также при устройстве дуговых электрических печей, играющих важную роль в современной электрометаллургии.

Интересно знать

В 1802 г. профессор физики Петербургской медико-химической академии В. В. Петров получил электрическую дугу. Он установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля, привести их в соприкосновение, а затем слегка раздвинуть на небольшое расстояние, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Впервые электрическая дуга была применена в 1876 г. русским инженером П. Н. Яблочковым для уличного освещения.

КОРОННЫЙ РАЗРЯД

Коронный разряд наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) в резко неоднородном электрическом поле. Так, например, коронный разряд можно получить около тонкой проволоки. При этом возле нее наблюдается свечение, имеющее вид оболочки или короны, окружающей проволоку, откуда и произошло название разряда. Коронный разряд используется в технике для устройства электрофильтров, предназначенных для очистки промышленных газов от твердых и жидких примесей. В природе коронный разряд возникает иногда под действием атмосферного электрического поля на ветках деревьев, верхушках мачт (так называемые огни святого Эльма). Коронный разряд может возникнуть на тонких проводах, находящихся под напряжением.

Коронный разряд – высоковольтный электрический разряд при высоком (например, атмосферном) давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, острия). Когда напряженность поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то вокруг него возникает свечение, имеющее вид короны, чем и вызвано название этого вида разряда.

В зависимости от знака коронирующего электрода различают отрицательную или положительную корону. В случае отрицательной короны рождение электронов, вызывающих ударную ионизацию молекул газа, происходит за счет эмиссии их из катода под действием положительных ионов, в случае положительной – вследствие ионизации газа вблизи анода. В естественных условиях корона возникает под влиянием атмосферного электричества у вершин мачт (на этом основано действие молниеотводов), деревьев. Вредное действие короны вокруг проводов высоковольтных линий передачи проявляется в возникновении вредных токов утечки. Для их снижения провода высоковольтных линий делаются толстыми. Коронный разряд, являясь прерывистым, становится также источником радиопомех.

Используется коронный разряд в электрофильтрах, применяемых для очистки промышленных газов от примесей. Газ, подвергаемый очистке, движется снизу вверх в вертикальном цилиндре, по оси которого расположена коронирующая проволока. Ионы, имеющиеся в большом количестве во внешней части короны, оседают на частицах примеси и увлекаются полем к внешнему некоронирующему электроду и на нем оседают. Коронный разряд применяется также при нанесении порошковых и лакокрасочных покрытий.

Интересно знать

Часто перед грозой, во время шторма или снежной бури в атмосфере резко возрастает напряжённость электрического поля. Это приводит к возникновению слабого свечения вблизи заострённых предметов, например, вблизи корабельных мачт, шпилей на зданиях и др. (рис. 211). Моряки, бороздившие моря и океаны, часто наблюдали это явление (коронный разряд), которое получило название «огни Святого Эльма». Один из участников кругосветного плавания Магеллана писал: «Во время тех штормов нам много раз являлся сам Святой Эльм в виде света… чрезвычайно тёмными ночами на грот-мачте, где оставался в течение двух и более часов, избавляя нас от уныния».