 |
Лекция 49. Электрический ток в газах; в вакууме
|
|
|
|
Цель занятия: ознакомить студентов с природой электрического тока в газах.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ
| Контроль знаний | 1. Природа электрического тока в жидкостях. 2. Сформулируйте законы электролиза. 3. Какой физический смысл имеет электрохимический эквивалент? 4. Применение электролиза |
| Демонстрации | 1. Ионизация газов. 2. Несамостоятельный и самостоятельный разряды. 3. Типы самостоятельного разряда |
| Изучение нового материала | 1. Механизм проводимости газов. 2. Газовый разряд. 3. Типы самостоятельного разряда |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Механизм проводимости газов
В естественном состоянии газы и их смеси (в том числе воздуха) не проводят электрический ток. Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и при нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов).
Однако при некоторых условиях можно заметно повысить электропроводность газа. Достаточно, например, подействовать пламенем спички на воздух возле заряженного электроскопа, как он сразу же разряжается. Из этого опыта делают вывод, что под действием пламени воздух теряет свои изоляционные свойства, т.е. в нем появляются свободные заряды. Воздух, как и другие газы, можно сделать электропроводным и в случае воздействия на него ультрафиолетового, рентгеновского и радиоактивного излучений.
Для отрыва электрона от атома необходима определенная энергия, которая называется энергией ионизации.
Ø Ионизация газов - отрыв от их атомов или молекул электронов.
Противоположным процессу ионизации газов является процесс рекомбинации - воссоединение противоположно заряженных частиц в нейтральные молекулы.
|
|
|
Ионизатор ежесекундно создает в пространстве между электродами некоторое число ионов и электронов. Столько же ионов и электронов, соединяясь между собой, образуют нейтральные атомы. Такое динамическое равновесие существует до тех пор, пока между электродами нет электрического поля. Как только между электродами будет создано поле, сразу же на частицы, несущие заряды разного знака, начнут действовать силы, направленные в противоположные стороны. Поэтому, несмотря беспорядочного движения, заряженные частицы будут перемещаться в направлении действия на них электрического поля. Это стремящейся движение частиц под действием электрического поля и представляет собой ток в газе.
Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.
В ионизированном газе есть носители зарядов трех сортов: электроны, положительные и отрицательные ионы.
2. Газовый разряд
Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних факторов (сильное нагревание газа, рентгеновское или радиоактивное излучение, космическое излучение, бомбардировки ускоренными электронами или ионами, называются внешними ионизаторами.
Существует 2 вида газового разряда: несамостоятельный и самостоятельный.
Если электропроводность газа возникает под действием ионизаторов, а с удалением последнего исчезает, то имеем несамостоятельный разряд.
Ø Газовый разряд, который можно наблюдать только при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.
При определенных условиях ток в газах может проходить и без внешнего ионизатора.
Ø Газовый разряд, который продолжается после того, как прекращается действие внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом.
Какова же причина появления носителей заряда в этом случае?
|
|
|
Электрическое поле действует на заряженные частицы, находящиеся в газе (электроны и ионы). Если поле достаточно сильное, то поле разгоняет электроны до такой скорости, что в результате столкновений с атомами или молекулами происходит их ионизация.
Вследствие ионизации появляются новые заряженные частицы - ионы и электроны. Они так же разгоняются полем, электроны ионизируют новые атомы или молекулы, что, в свою очередь, создает дополнительное увеличение количества заряженных частиц.
В результате количество заряженных частиц резко возрастает. Это явление получило название электронной лавины. Именно ею и объясняется самостоятельный разряд в газах.
3. Типы самостоятельного разряда
Существует несколько типов самостоятельных разрядов, среди которых различают искровой, коронный, дуговой и тлеющий.
Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных прерывистых полосок, сопровождается характерным звуковым эффектом - «треском» искры.
Искровой разряд в незначительных масштабах возникает, например, в обычных выключателях, когда мы выключаем свет. А в гигантских масштабах это молния. Молния преимущественно ударяет в места, которые имеют хорошую проводимость. Кроме того, молния часто поражает отдельно расположен предмет на возвышении. Поэтому во время грозы нельзя подходить к высоким предметам и молниеотводов, а тем более прибегать к ним.
На применении искрового разряда основаны методы электроискрового обработки металлов. Мощные, сильно-токовые разряды в водороде были первыми шагами на пути к управляемому термоядерному синтезу.
Коронный разряд - это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях.
За атмосферного давления в газах, находящихся в сильно неоднородном электрическом поле вблизи острия, возле проводов линий электропередачи высокого напряжения и др.), наблюдается коронный разряд.
В достаточно сильном поле ионизация электронным ударом происходит уже за атмосферного давления. Именно такая ситуация возникает перед грозой или во время грозы. Но по мере удаления от острия поле быстро уменьшается, поэтому вдали от острия электронная лавина не возникает.
Коронный разряд применяется в электрофильтрах для очистки воздуха. Ионы, сталкиваясь с частицами дыма, заряжают их, после чего заряженные частицы притягиваются к электродам и оседают на них.
|
|
|
Если угольными электродами, к которым приложено напряжение в несколько десятков вольт, прикоснуться друг к другу, то в цепи возникнет большой ток. При этом в месте контакта электродов (где сопротивление максимальный) электроды нагреваются настолько, что с катода начинают вылетать электроны. Это явление называют термоэлектронной эмиссией.
Благодаря термоэлектронной эмиссии ток в воздухе не прекращается, и после разведения электродов возникает самостоятельный разряд. Его называют дуговым разрядом.
Температура во время дугового разряда достигает 6000 °С (такая температура на поверхности Солнца).
Дуговой разряд был открыт в 1802 г. русским физиком В. В. Петровым.
Дуговой разряд используют для электросварки металлов. Значительный вклад в разработку методов электросварки сделали украинские ученые под руководством академика А. Е. Патона - организатора и первого директора Института электросварки в Киеве.
1876 г. русский инженер П. Н. Яблочков впервые применил электрическую дугу для освещения. Дуговой разряд также используют в прожекторах, проекционных аппаратах и в маяках. В металлургии широко применяют дуговые электропечи, источником тепла в которых является дуговой разряд. В таких печах выплавляют сталь, чугун, бронзу и другие металлы.
При низком давлении возникает разряд, который называют тлеющим.
В случае уменьшения давления газа расстояние, которое пролетает электроном между последовательными столкновениями, увеличивается. Благодаря этому даже незначительное поле успевает разогнать электроны между столкновениями, так что электроны получают энергию, достаточную для ионизации атомов и молекул газа.
Электрический разряд, что происходит за низкого давления (частицы миллиметра ртутного столба, то есть в тысячи раз меньше атмосферного давления), называют тлеющим разрядом.
Тлеющий заряд используют в люминесцентных газонаполненных лампах и рекламных трубках.
|
|
|
Решение задач:
1. Если баллон неоновой лампы потереть, то можно заметить, что лампа некоторое время светится. Как объяснить это явление?
2. Ионизирующее излучение ежесекундно создает в 1 см3 газа в трубке n = 5 · 109 пар однозарядных ионов. Какова сила тока насыщения при несамостоятельного разряда, если объем трубки V = 600 см3?
Решения. Сила тока 
Следует обратить внимание на то, что пара однозарядных ионов переносит с катода на анод один электрон.
Подставив числовые данные, получаем: I = 480 нА.
3. Напряжение 40-50 В поддерживает дуговой разряд в газовом промежутке. Искровой разряд в том же промежутке требует напряжения в несколько тысяч вольт. Объясните этот факт.
Контрольные вопросы:
1. Приведите примеры, иллюстрирующие отсутствие проводимости газа при обычных условиях.
2. Какие факторы могут вызвать ионизацию газа?
3. Почему электроскоп, что находится недалеко от пламени газовой горелки, разряжается достаточно быстро?
4. Почему разрежения газа улучшает его проводимость? Или за всех условиях это справедливо?
5. В чем сходство и различия проводимости газов и электролитов?
6. Чем отличается ионизация газа от электролитической диссоциации?
7. Как изменится дуговой разряд, если сильно охладить анод? катод?
8. Почему при меньших плотностей воздуха электрический разряд происходит при более низких напряжений?
9. Почему при комнатных условиях, даже несмотря на все меры предосторожности, заряженный электроскоп обязательно разрядится?
10. Какие условия должны быть выполнены, чтобы несамостоятельный разряд стал самостоятельным?
11. Для чего каждый провод высоковольтной линии электропередач делают тройным?
12. Почему у альпинистов существует такое правило: во время ночевки высоко в горах все металлические предметы нужно класть подальше от лагеря?
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 15; Учебник-2: конспект.
2. Упр-1: упр. 15 (№ 1, 2, 3, 4).
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
|
|
|
