Електричний струм у газах. Самостійний і несамостійний розряди. Застосування струму у газах.

Урок №__

9 клас

Дата_________________

Тема. Електричний струм у газах. Самостійний і несамостійний розряди. Застосування струму у газах.

Мета уроку:

 Навчальна. Ознайомити учнів з явищем проходження електричного струму у газах, сформувати у них поняття несамостійного і самостійного розрядів та розглянути використання цих розрядів у техніці.

Розвиваюча. Сприяти розвитку комунікативних навичок, вміння аналізувати, порівнювати і робити висновки, спостерігати фізичні явища навколо себе і навчитися пояснювати їх.

Виховна. Виховувати активність, пізнавальний інтерес до предмета, явищ, що відбуваються в природі.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

План уроку

І. Організаційний етап.

ІІ. Перевірка домашнього завдання.

ІІІ. Актуалізація знань. Повідомлення теми й мети уроку.

ІV. Формування нових знань

V. Закріплення знань.

VI. Підведення підсумків уроку.

VIІ. Домашнє завдання.

Хід уроку

І. Організаційний етап.

Перевірка готовності учнів до уроку, налаштування на роботу.

ІІ. Перевірка домашнього завдання.

Перевірити правильність виконання домашнього завдання і розібрати з учнями виниклі труднощі під час його виконання.

ІІІ. Актуалізація знань. Повідомлення теми й мети уроку.

Запитання до класу:

1. Що таке електричний струм?
2. Умови існування електричного струму?
3. Який характер провідності мають метали?
4. Який характер провідності мають електроліти?
5. Який характер провідності мають напівпровідники?

Повідомлення теми й мети уроку.

ІV. Формування нових знань

Іонізація газів

Гази, на відміну від металів та електролітів, складаються

з електрично нейтральних атомів і молекул і за нормальних умов не містять вільних носіїв струму (електронів і йонів). За звичайних умов гази є діелектриками.

Однак в окремих випадках можна помітно підвищити електро­провідність газу. Достатньо, наприклад, піднести полум’я сірни­ка до зарядженого електроскопа, як він відразу ж розряджається.

З цього досліду можна зробити висновок, що під дією полум’я повітря втрачає свої ізоляційні властивості, тобто в ньому з’являються вільні заряди: частина атомів газу йонізується — розпадається на позитивно заряджені йони й електрони. У газі можуть утворюватися і негативно заряджені йони (коли вільні електрони приєднуються до нейтральних атомів).

 Повітря, як і інші гази, можна зробити електропровідним, діючи на нього ультрафіолетовим, рентгенівським і радіоактивним випромінюванням.

Для відривання електрона від атома необхідна певна енергія, що називається енергією йонізації.

Для відривання електрона від атома необхідна визначена енер­гія, що називається енергією йонізації.

Йонізація газів під час нагрівання пояснюється тим, що деякі молекули починають рухатися так швидко, що частина з них під час зіткнення розпадається, перетворюючись на йони. Чим вища температура газу, тим більше утворюється йонів. У нашому досліді полум’я свічки виконувало роль йонізатора, тобто джерела йонів.

Протилежним процесу йонізації газів є процес рекомбінації — возз’єднання протилежно заряджених частинок у нейтральні мо­лекули.

Іонізатор щомиті створює в просторі між електродами певне число йонів і електронів. Стільки ж іонів і електронів, з’єднуючись між собою, утворюють нейтральні атоми. Така динамічна рівнова­га існує доти, поки між електродами немає електричного поля. Як тільки між електродами буде створене поле, відразу ж на частин­ки, що несуть заряди різного знака, почнуть діяти сили, спрямова­ні в протилежні боки. Тому, нарівні з безладним рухом, заряджені частинки будуть переміщатися в напрямку дії на них електричного поля. Це спрямований рух частинок під дією електричного поля й являє собою струм у газі.

^ Процес протікання електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Несамостійний і самостійний розряди

Іонізація газу може відбуватися під впливом різних зовнішніх впливів (сильне нагрівання газу, рентгенівське чи радіоактивне випромінювання, космічне випромінювання, бомбардування елек­тронами або йонами, що швидко рухаються), що називаються зо­внішніми йонізаторами.

Існує 2 види газового розряду: несамостійний і самостійний. Якщо електропровідність газу виникає під дією іонізаторів, а з видаленням останнього зникає, то має місце несамостійний роз­ряд.

^ Газовий розряд, який можна спостерігати тільки за наявнос­ті зовнішнього іонізатора, називають несамостійним газовим розрядом.

При збільшенні напруги між електродами помічаємо, що в колі зростає сила струму. Потім настає момент, коли сила струму не змінюється. Струм досягає насичення. Якщо дія йонізатора (нагрівання, опромінення) припиняється, то припиняється й розряд, оскільки інших джерел йонів немає. Тому такий розряд називають несамостійним розрядом.

Але після насичення струму, як видно з графіка на ділянці 3-4 сила струму знов зростає. Чому?

Це пояснюється так званою ударною іонізацією атомів і молекул газу при зіткненні з швидкими електронами. Під дією сильного електричного поля електрони набувають великих значень кінетичної енергії :

яка стає більшою за роботу А яку треба виконати, щоб іонізувати нейтральний атом або молекулу. Отже, умовою ударної іонізації газу є нерівність:

В процесі ударної іонізації різко зростає кількість іонізованих атомів, а з ними і число електронів, які здійснюють іонізацію.

Отже, струм може вже існувати і після припинення дії зовнішнього іонізатора.

Тому такий розряд, який існує після припинення дії зовнішнього іонізатора називають самостійним газовим розрядом.

Тліючий розряд – це самостійний розряд, який спостерігається при низьких тисках (десяті й соті частки міліметра ртутного стовпа) і напрузі між електродами в кілька сотень вольтів. (слайд 8)

Іскровий розряд – це самостійний розряд, який виникає в повітрі між двома електродами за нормальних тисків.

При іскровому розряді газ йонізують ударом прискорені сильним електричним полем електрони, що виникають в окремих місцях у проміжку між електродами внаслідок природної йонізації повітря.

Іскровий розряд супроводжується звуковим ефектом внаслідок утворення ударної хвилі в повітрі за рахунок локального підвищення температури.

        Прикладом велетенського іскрового розряду є блискавка .

Вивченням цього явища природи займалися багато вчених, зокрема Б. Франклін, М. В. Ломоносов, Г. В. Ріхман. (слайд 12)

При коронному розряді світна область нагадує корону, він утворюється при атмосферному тиску поблизу загострених частин провідника з великим електричним зарядом.

Газ у цьому разі йонізують ударом електрони, прискорені сильним електричним полем, що виникає поблизу загострених заряджених провідників.

Перед грозою або у грозу часто на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на щіточки конуси світла, наприклад на вістрях корабельних щогл. (слайд 13)

Якщо вугільними електродами, до яких прикладена напруга в кілька десятків вольтів, доторкнутися один до одного, то в колі виникне великий струм. При цьому в місці контакту електродів (де опір максимальний) електроди нагріваються настільки, що з катода починають вилітати електрони. Це явище називають термоелектронною емісією.

Завдяки термоелектронній емісії струм у повітрі не припиняється, і після роз’єднання електродів виникає самостійний розряд. Його називають дуговим розрядом.

Дуговий розряд на відміну від переривчастого іскрового є безперервний потужний самостійний електричний розряд.

Температура при дуговому розряді досягає 6000 °С (така температура на поверхні Сонця).

Дуговий розряд був відкритий 1802 р. російським фізиком В. В. Петровим.

(Слайд 14)

Застосування струму у газах

Тліючий розряд використовують у газорозрядних трубках, лампах денного світла, для утворення електронних та іонних пучків. (слайд 15)

Іскровий розряд використовують в електроіскровому методі різання, свердління і інших видах точної обробки металу.

Іскровий проміжок використовують як запобіжник від перенапруг в електричних лініях передач.

Дуговий розряд використовують для електрозварювання мета­лів. Значний внесок у розробку методів електрозварювання зроби­ли українські вчені під керівництвом академіка Б. Е. Патона — організатора й першого директора Інституту електрозварювання в Києві.

1876 р. російський інженер П. Н. Яблочков уперше застосував електричну дугу для освітлення. Дуговий розряд також викорис­товують у прожекторах, проекційних апаратах і в маяках. У мета­лургії широко застосовують дугові електропечі, джерелом теплоти в яких є дуговий розряд. У таких печах виплавляють сталь, чавун, бронзу й інші метали. (слайд 15)

V. Закріплення знань.

Навчаємося розв'язувати задачі

1.       У чому відмінність провідності газів при самостійному та неса­мостійному розрядах?
2.       Які умови виконуються для того, щоб несамостійний розряд став самостійним?

VI. Підведення підсумків уроку.

• Яка природа струму в газах?
• Наведіть приклади, що ілюструють відсутність провідності газу за звичайних умов.
• У чому подібність і відмінність провідності газів й електролі­тів?
• Чому при менших густинах повітря електричний розряд від­бувається при більш низьких напругах?
• Як потрібно змінити тиск газу, щоб тліючий розряд починав­ся за меншої напруги?
• Наведіть приклади використання різних видів самостійного розряду.

VIІ. Домашнє завдання.

Вивчити опорний конспект,

№172-177 (дати відповіді у зошиті)