Презентация к уроку "Электрический ток в газах"

Электрический ток в газах

Урок изучения нового материала

10 класс

Газы - диэлектрики

• При обычных условиях все газы не проводят электрического тока (состоят из нейтральных атомов)
• Этим свойством объясняется широкое использование воздуха в качестве изолирующего вещества.
• Принцип действия выключателей и рубильников: размыкая их металлические контакты, мы создаем между ними прослойку воздуха, не проводящую ток.

Г азовы й разряд

• Пламя, внесенное в пространство между двумя металлическими дисками, приводит к тому, что гальванометр отмечает появление тока.
• Отсюда следует: газ, нагретый до высокой темпера-туры, является проводником электрического тока.

Прохождение тока через газы называют

газовым разрядом

Электрический ток в газах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов и положительных ионов

Ионизация газа

• Ионизация – процесс расщепления атомов на положительные ионы и электроны

• Виды ионизации газа : - электронный удар - термическая ионизация - фотоионизация - радиоактивность

Ионизаторы – источники, вызывающие ионизацию газа

Ионизаторы газа : - пламя (высокая температура) - рентгеновское, ультрафиоле-товое, гамма – излучения - источники быстрых заряжен-ных частиц (катодные лучи)

+

• Минимальная энергия, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон от атома, называется энергией ионизации

Рекомбинация газа

• Если прекратить действие ионизатора, то начинает преобладать обратный процесс объединения электронов и ионов в нейтральные атомы – рекомбинация
• В процессе рекомбинации газ снова приобретает диэлектрические свойства
• Таким образом электрические свойства газов сильно зависят от действия внешних ионизаторов

В зависимости то способа получения заряженных частиц в газе газовые разряды делятся на два вида.

Виды газового разряда

Несамостоятельный

Самостоятельный

Несамостоятельный газовый разряд

• Несамостоятельный газовый разряд – явление протекания электрического тока через газ под воздействием внешнего ионизатора.
• Ток прекращается после окончания действия ионизатора

Самостоятельный газовый разряд

• Самостоятельный газовый разряд – процесс протекания электрического тока в газе, происходящий при отсутствии постоянно действующего внешнего ионизатора .
• Заряженные частицы в газе создаются под действием электрического поля, существующего между электродами

Виды самостоятельного газового разряда

1. Тлеющий разряд

Условия возникновения :

Техническое применение:

- в лампах дневного света

• низкие давления (доли мм рт.ст.)
• высокая напряженность электрического поля

• в рекламе : неоновые лампы, рекламные трубки
• в медицине : ртутные ультрафиолетовые лампы
• на производстве, в быту : неоновые лампы (индикация и стабилизация напряжения)
• в исследованиях: газовые лазеры

Тлеющий разряд

• При сильно пониженном давлении самостоятельный разряд сопровождается свечением.
• Положительные ионы, ударяясь о катод, вызывают вторичную электронную эмиссию

• При увеличении напряжения между электродами трубки, заполненной газом, энергия движущихся ионов и электронов возрастает, возникает явление выбивания ионами из нейтральных молекул электронов – ударная ионизация, которая приводит к лавинному увеличению числа носителей заряда и резкому возрастанию тока
• Такой разряд не нуждается в действии ионизатора

I

U

Гелий

Цвета тлеющих разрядов в различных газах

Неон

Криптон

Ксенон

Аргон

Виды самостоятельного газового разряда

2. Дуговой разряд

Техническое применение

• Дуговые ртутные лампы, источники света: прожектора.
• Сварка и резка металлов.
• Получение инструментальной стали (90%) в дуговых печах

Условия возникновения:

• Большая сила тока (10 -100 А при малой напряженности электрического поля)

Электрическая дуга

• В 1802 году русский физик В.В.Петров установил, что если к полюсам большой электрической батареи присоединить два кусочка угля и привести их в соприкосновение а затем раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет.

• Электрическая дуга является мощным источником тепла, света, ультрафиолетового излучения

В.В. Петров

(1761-1834 )

• При атмосферном давлении температура катода приблизительно равна 3900 К.
• По мере горения дуги катод заостряется, а на аноде образуется углубление — кратер - являющийся наиболее горячим местом дуги.

Виды самостоятельного газового разряда

3.Коронный разряд

Условия возникновения:

Техническое применение:

• Атмосферное и более высокое давление
• Сильное неоднородное электрическое поле, напряжённость = 3000000 В/м

• Электроочистительные фильтры газовых смесей
• Медицина
• Счетчики элементарных частиц : позволяют любые заряженные, быстро движущиеся частицы

Из-за огромной напряженности электрического поля прилежащий воздух ионизируется и происходит стекание заряда в виде маленьких искр, образующих корону

Коронный разряд

• Сопровождается слабым свечением и небольшим шумом.

Коронный разряд

на острие громоотвода

Коронный разряд на концах мачт

«Огни Святого Эльма»

Молния ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию .

Коронный разряд на линии электропередач

приводит к потере электроэнергии

Коронный разряд на ключе

Виды самостоятельного газового разряда

4. Искровой разряд

Условия возникновения:

Техническое применение:

• Высокое напряжение до 10 9 В при атмосферном давлении, имеет вид светящегося канала с разветвлениями в течение 10 -7 с.

• Используется при обработке металлов, в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Кратковременная искра - пробой газа, обусловленный ионизацией молекул сильным электрическим полем

Искровой разряд

Гигантский искровой разряд - природная молния - разряд между грозовым облаком и Землей

Искровой разряд на трансформаторе Тесла

• Искра в виде ярко светящегося тонкого со сложным образом изогнутого и разветвленного канала (стримера)

Искровой разряд в ДВС

Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.

• Искровой разряд в ДВС применяется для воспламенения горючей смеси
• Для образования мощной искры на свечу зажигания подается напряжение 20 – 30 кВ

Плазма

В природе известны 4 состояния вещества

твердое

плазма

газообразное

жидкое

• Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879году
• Впервые термин "плазма" был использован в 1923 г. американскими физиками Ленгмюром и Тонксом, которые стали с его помощью обозначать особое состояние ионизированного газа.

• Плазма- наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной ( 99% вещества)

Плазма

При температурах выше 10 000°С все вещества находятся в состоянии плазмы .

Плазма - сильно ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы (в целом плазма нейтральна)

10 5 К) " width="640"

Плазма

Виды плазмы: 1. В зависимости от степени ионизации

• Слабо ионизированная (ионизированы доли % молекул)
• Умеренно ионизированная (ионизировано несколько % молекул)
• Полностью ионизированная

2. В зависимости от скорости движения заряженных частиц

• Низкотемпературная ( T
• Высокотемпературная ( T 10 5 К)

Виды плазмы

Холодная плазма

Северное сияние

Тлеющий разряд

Пламя

Межзвездная среда

Дуговой разряд

Молния

Виды плазмы

Горячая плазма

Солнце

Солнце

Звезды

Полярные сияния

• Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем.
• Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса

Свойства плазмы

• Концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова
• Высокая электропроводность. При высокой t° плазма приближается к сверхпроводникам
• Сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями
• Каждая заряженная частица плазмы взаимодействует с большим числом заряженных частиц
• Свечение

Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым состоянием вещества .

Применение плазмы

• Плазма возникает во всех видах газового разряда – газоразрядная плазма
• В светотехнике в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях.
• В газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.
• В газовых лазерах – квантовых источниках света
• В плазмотронах для резки, сварки металлов.
• В плазменных двигателях в космических кораблях
• В магнитогидродинамических электростанциях.

Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза

Токамак

( ТО роидальная КА мера с МА гнитными К атушками)

• Это устройство, способное формировать долгоживущую горячую плазму высокой плотности.
• При достижении определенных параметров плазмы в ней начинается термоядерная реакция синтеза ядер гелия из изотопов водорода (дейтерия и трития).
• Первый токамак был разработан в Институте атомной энергии имени Курчатова в Москве и продемонстрирован в1968 в Новосибирске.
• Токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

• Токамак представляет полый тор, на который намотан проводник, образующий магнитное поле.
• Основное магнитное поле в камере-ловушке, содержащей горячую плазму, создается тороидальными магнитными катушками.