При использовании материалов этого сайта - и размещение баннера -ОБЯЗАТЕЛЬНО!!!
Разработка урока с презентацией по физике на тему: "Электрический ток в газах"
Разработку урока по физике подготовила : Семенченко Галина Васильевна, г. Барнаул КГОУНПО ПУ -13, преподаватель физики,астрономии и электротехники, email: [email protected]
Эпиграф:
«Позавчера мы ничего не знали об электричестве, вчера мы ничего не знали об огромных резервах энергии, содержащихся в атомном ядре, о чем мы не знаем сегодня?»
/Луи де Бройль/
Электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду.
При столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы.
Процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов.
При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.
Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации).
Процесс прохождения электрического тока в газах называется газовым разрядом.
Разряды бывают двух видов:
Самостоятельный – разряд, возникающий без чьей – либо помощи в газах.
Несамостоятельный – разряд, возникающий в газах с помощью ионизатора.
Ионизаторы – это факторы, вызывающие ионизацию газа.
К факторам относятся:
- нагревание газа до высокой температуры;
- рентгеновских лучей;
- лучей, возникающих при радиоактивном распаде;
- космических лучей;
- бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами.
Несамостоятельный разряд
Электропроводность газа создается внешними ионизаторами;
С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается;
Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.
Самостоятельный разряд
Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником свободных зарядов является ударная ионизация молекул газа.
Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.
Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.
Виды самостоятельных разрядов.
В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда.
Тлеющий разряд.
Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше.
Основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом.
При достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные, или катодные лучи.
Вид тлеющего разряда
Тлеющий разряд полученный с помощью генератора
Применение тлеющего разряда
Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков.
Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами.
Широко используется явление катодного распыления, т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку.
Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы.
Тлеющий разряд на производстве
Обработка коронным разрядом поверхностей
Коронный разряд
Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения).
При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами.
Если коронируют анод (положительная корона), то рождение электронов происходит вследствие фотоионизации газа вблизи анода.
Корона - вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делают более гладкой.
Вид коронного разряда
слайд№ 13
Частный случай коронного разряда – кистевой
При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид исходящих из острия и перемежающихся во времени светлых линий. Эти линии, имеющие ряд изломов и изгибов, образуют подобие кисти, вследствие чего такой разряд называют кистевым.
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. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.
Огни святого Эльма
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.
Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками.
Огни святого Эльма перед грозой в океане
Слайд№ 17
Искровой разряд
Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми.
Каналы искрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от какой-нибудь точки между электродами.
Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом.
Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 107 108 Па, и повышению температуры до 10000 С.
Применение искрового разряда
При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла.
Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях).
Электрическая искра применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью.
Электроискровой станок
Слайд № 21
Характерным примером искрового разряда является молния.
Главный канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см., а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.
Молнии бывают линейные и шаровые.
Шаровая молния - это одиночная ярко светящаяся относительно стабильная небольшая масса, которая наблюдается в атмосфере, плавающая в воздухе и перемещающаяся вместе с потоками воздуха, содержащая в своем теле большую энергию, исчезающая тихо или с большим шумом типа взрыва и не оставляющая после своего исчезновения никаких материальных следов, кроме тех разрушений, которые она успела натворить.
Шаровая молния
Слайд № 23
Как вести себя во время грозы?
- Нельзя укрываться в грозу возле одиноко стоящих деревьев, столбов и других высоких местных предметов, надо отойти на 15 метров.
- Опасно находиться в воде или поблизости от неё.
- Палатку ставить у воды нельзя, так как молнии часто ударяют в речные берега.
- Никогда не следует недооценивать опасность молнии.
- Если гроза застала вас в автомобиле, не выходите из него. Закройте все двери и окна и переждите ненастье внутри.
- Находясь во время грозы в загородном доме, отключите из сети электроприборы, а телевизор – от индивидуальной антенны.
- Молния редко ударяет в кустарник, практически не попадает в клён и берёзу, чаще всего попадает в дуб и тополь.
Дуговой разряд
Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году. Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт).
Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало.
В ряде случаев дуговой разряд наблюдается и при сравнительно низкой температуре катода (ртутная дуговая лампа).
Дуговой разряд нашел применение в ртутном выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в ток постоянного направления.
Применение дугового разряда
В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал электрическую дугу как источник света.
Дуговой разряд применяется как источник света в прожекторах и проекционных аппаратах.
Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. Дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т.д.
В 1882 году Н. Н. Бенардос дуговой разряд впервые использовал для резки и сварки металла.
В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим.
Знаменитые физики, изучавшие дуговой разряд.
Применение плазмы
Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света - в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах - квантовых источниках света.
Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах.
Недавно был создан новый прибор - плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д.
Тлеющий разряд
Тлеющий разряд в неоне
Тле́ющий разря́д - один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах . Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд .
В отличие от нестационарных (импульсных) электрических разрядов в газах, основные характеристики тлеющего разряда остаются относительно стабильными во времени.
Типичным примером тлеющего разряда, знакомым большинству людей, является свечение неоновой лампы .
Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остаётся тёмным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе - малинового цвета, в других газах - других цветов), соединяющего оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.
При дальнейшей откачке светящийся шнур размывается и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубку. При давлении газа в несколько десятых миллиметра ртутного столба разряд заполняет почти весь объем трубки. Различают следующие две главные части разряда: 1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название тёмного катодного пространства; 2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба. При подходящем давлении положительный столб может распадаться на отдельные слои, разделённые тёмными промежутками, так называемые страты.
Описанная форма разряда называется тлеющим разрядом. Почти весь свет исходит от его положительного столба. При этом цвет свечения зависит от рода газа. При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество, а значит, в газе всё время поддерживается сильная ионизация. Причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются электронная эмиссия с катода под действием высоких температур или сильного электрического поля, последующая ионизация молекул газа электронным ударом свободными электронами, вырванными с катода и летящих по направлению к аноду, а также вторичная электронная эмиссия электронов с катода, вызванная бомбардировкой катода положительно заряженными ионами газа.
В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источник света - газоразрядные лампы. Для целей освещения часто применяются люминесцентные лампы , в которых разряд происходит в парах ртути, причём вредное для зрения ультрафиолетовое излучение поглощается слоем флюоресцирующего вещества - люминофора , покрывающего изнутри стенки лампы. Люминофор начинает светиться видимым светом, давая в результате свет, близкий по характеристикам к дневному свету (люминесцентные лампы дневного света). Такие лампы дают близкое к “естественному” освещение (но не полный спектр, как у ламп накаливания). Спектр испускаемого люминесцентными лампами света дискретный - красная, зелёная и синяя составляющая в определённой пропорции, плюс незначительные спектральные пики других цветов от примесей люминофора. Энергия освещения распределяется по этим узким полосам спектра, поэтому эти лампы значительно (в 3-4 раза) экономичнее ламп накаливания (у последних до 95% энергии занимает инфракрасная область спектра, невидимая человеческим глазом).
Люминесцентные лампы в быту приходят на смену лампам накаливания, а на производстве и в служебных помещениях почти полностью их вытеснили. Однако люминесцентные лампы не лишены недостатков. Так, например, на производстве использование люминесцентных ламп сопряжено с вредным стробоскопическим эффектом , заключающемся в том, что мерцание люминесцентной лампы с частотой питающего напряжения может совпасть по частоте вращения обрабатывающего механизма, при этом сам механизм в свете такой лампы для человека будет казаться неподвижным, "выключенным", что может привести к травме. Поэтому применяют дополнительную подсветку операционной зоны простой лампой накаливания, лишённой такого недостатка в силу инерции световой отдачи нити накаливания.
Газоразрядные лампы применяются также для декоративных целей. В этих случаях им придают очертания букв, различных фигур и т. д. и наполняют газом с красивым цветом свечения (неоном , дающим оранжево–красное свечение, или аргоном с синевато–зелёным свечением).
См. также
Литература
- Райзер Ю. П. Физика газового разряда. - 2-е изд. - М .: Наука, 1992. - 536 с. - ISBN 5-02014615-3
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Тлеющий разряд" в других словарях:
Один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Происходит при низкой темп ре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде (… Физическая энциклопедия
Электрический разряд в газе, отличающийся сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим катодным падением потенциала. Поддерживается электронной эмиссией с катода под действием ударов положительных ионов и фотоэлектронной эмиссией … Большой Энциклопедический словарь
тлеющий разряд - Самостоятельный разряд, при котором электрическое поле в разрядном промежутке определяется в основном величиной и расположением объемных зарядов и который характеризуется наличием катодного падения потенциала, значительно большего, чем… … Справочник технического переводчика
Самостоятельный электрический разряд в газе, отличающийся сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим катодным падением потенциала. Поддерживается электронной эмиссией с катода под действием ударов положительных ионов и фотоэлектронной … Энциклопедический словарь
тлеющий разряд - Glow Discharge Тлеющий разряд Один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд. В… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
тлеющий разряд - rusenantysis išlydis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. glow discharge vok. Glimmentladung, f rus. тлеющий разряд, m pranc. décharge luminescente, f … Automatikos terminų žodynas
тлеющий разряд - rusenantysis išlydis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. glow discharge vok. Glimmentladung, f rus. тлеющий разряд, m pranc. décharge en lueur, f; décharge luminescente, f; effluve, f … Fizikos terminų žodynas
Один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах (См. Электрический разряд в газах). Происходит при низкой температуре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим (порядка сотен… … Большая советская энциклопедия
Самостоятельный электрич. разряд в газе, отличающийся сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим катодным падением потенциала. Поддерживается электронной эмиссией с катода под действием ударов положит. ионов и фотоэлектронной эмиссией … Естествознание. Энциклопедический словарь Подробнее электронная книга
Динамика движения тела по окружности: выпуклый и вогнутый мост, «мертвая петля».
При равномерном движении тела по окружности используется формула,
Где u- скорость автомобиля; r- радиус кривизны.
Следует учесть, что в условиях нашего рельефа местности дороги имеют огромное количество подъемов и спусков, поворотов, а это ничто иное, как движение по части окружности.
Автомобиль, движущийся по выпуклому мосту легче того же автомобиля, неподвижно стоящего на том же мосту.
Действительно, движение по выпуклому мосту – это движение по части окружности. Поэтому автомобиль движется с центростремительным ускорением, равным по модулю:
Где u- скорость автомобиля; r- радиус кривизны.
В момент, когда автомобиль находится в высшей точке моста, это ускорение направлено по вертикали вниз. Оно сообщается автомобилю равнодействующей силы тяжести
И силы реакции моста.
Уравнение, выражающее второй закон Ньютона в векторной форме, запишется так:
Вес автомобиля (сила, с которой он давит на мост) по третьему закону Ньютона направлен противоположно силе реакции моста , а по модулю эти сил равны, следовательно,
Обратите внимание, что при некоторой минимальной скорости
, когда автомобиль потеряет опору, а значит и управление, - он взлетает!
Аналогично можно показать уменьшение веса пассажиров, едущих в автомобиле по выпуклому мосту.
Случай, когда кривизна моста направлена вниз, рассматривается аналогично.
Тогда вес транспортного средства можно найти так:
А еще встречаются случаи:
Конический маятник.
Конический маятник. В коническом маятнике (рис.61) тело маятника (небольшое по размерам тело) вращается в горизонтальной плоскости. Угол, образуемый нитью подвеса с вертикалью, проведенной через точку подвеса, остается неизменным. Вес маятника G можно разложить на две составляющие: центростремительную силу Z, направленную к центру круга, и силу Q, направленную вдоль нити:
Отсюда получаем:
Для малых углов конуса h ≈ l; тогда период колебаний конического маятника
Если спроектировать движение конического маятника на вертикальную плоскость, то тень маятника совершает гармоническое движение (рис.62). Закон
гармонического движения легко получить на основе кругового движения (рис. 63):
P = Z cos φ = Z (x: r) = k x, k = Z: r = const.
Гармоническое движение характеризуется тем, что сила, направленная к положению равновесия, пропорциональна удалению маятника от положения равновесия. В процессе колебаний происходит повторяющееся превращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно. В точках поворота скорость равна нулю, в положении равновесия скорость максимальна.
Период гармонического колебания:
3. Плоский маятник. Математический маятник.
Колебания маятника, подвешенного на нити (рис.64), при малых углах отклонения (не превышающих 5º) можно считать гармоническими:
Тело на вращающемся диске .
На расстоянии R от оси горизонтально расположенного диска находится тело, коэффициент трения которого о диск равен k. Диск вращается с угловой скоростью ω.
На тело действуют три силы:
сила тяжести mg, сила реакции опоры N и сила трения Nтр.
В инерциальной системе отсчета, связанной с Землей, второй закон Ньютона будет иметь вид:
ma = mg + N + Fтр
Движение тела относительно Земли представляет собой движение в горизонтальной плоскости по окружности радиусом R. Силы, действующие на него в вертикальном направлении, скомпенсированы. Вектор ускорения лежит в горизонтальной плоскости, а само ускорение является центростремительным. Его величина определяется формулой:
Проецирование векторного уравнения на координатные оси X и Y дает два скалярных уравнения:
Первое уравнение показывает, что в роли центростремительной силы выступает сила трения, второе - констатирует, что вертикальные силы взаимно уравновешены.
Сила трения покоя подчиняется неравенству:
Поэтому при слишком больших скорости или радиусе вращения сила трения не сможет обеспечить требуемое центростремительное ускорение, и тело начнет соскальзывать.
Преобразуем неравенство:
Следовательно, условие отсутствия скольжения.
