Электрический ток в газах и в вакууме. Понятие о плазме.

Тема занятия:  Электрический ток в газах и в вакууме. Понятие о плазме.

Вид занятия -  смешанный.

Тип занятия комбинированный.

Учебные цели занятия:   сформировать у учащихся представление об электрическом токе в газе и вакууме, дать понятие плазмы.

Задачи занятия:

Образовательная:

Ø  сформировать системность знаний учащихся по теме  электрический разряд(самостоятельный, несамостоятельный, электрические разряды в атмосфере, электрический разряд в газоразрядных трубках, плазма, вакуумные лампы;

Ø  рассмотреть  задачи встречающиеся в ЕНТ по теме «Кинематика»;

Ø   показать связь темы с окружающим миром;

Ø  выявить уровень усвоения знаний учащихся по данной теме;

Ø  развивающая:

Ø   развить умения  использовать знания, умения и навыки в учебной деятельности;

Ø   развить логическое мышление (на основе усвоения учащимися причинно-следственных связей, сравнительного анализа),

Ø  способность к  четкой  формулировке своих мыслей;

Ø  совершенствование  навыков письменной и устной речи;

воспитательная:

Ø  воспитывать у учащихся средствами урока уверенность в своих силах, уважительное отношение к своим товарищам, аккуратность, инициативность;

Ø  чувство прекрасного, культуру речи и общения, аккуратность.

Обучающиеся должны знать: - основные понятия:

·        Термоэлектронная эмиссия

·        Вакуум

·        Ионизация

·        Ионизированный газ

·        Ионизатор

·        Несамостоятельный разряд

·        Самостоятельный разряд

·        Тлеющий разряд

·        Искровой разряд

·        Дуговой  разряд

·        Коронный разряд

·        Плазма

·        Ламповый диод и триод

Обучающиеся должны уметь: объяснять устройство и принцип работы

·        Газоразрядной трубки

·        Лампового диода

·        Лампового триода

Планируемые образовательные результаты: способствовать усилению практической направленности в обучении физики, формировании умений применять полученные знания в различных ситуациях.

Личностные:  способствовать эмоциональному восприятию физических объектов, умению  слушать, ясно и точно излагать свои мысли, развивать  инициативу  и активность  при решении физических задач, формировать умение  работать в группах.

Метапредметные:  развивать умение понимать и использовать средства наглядности (чертежи, модели, схемы). Развитие понимания сущности алгоритмических предписаний и умений действовать в соответствии с предлагаемым алгоритмом.

Предметные:  овладеть физическим языком, умением распознавать соединения параллельные и последовательные, умение ориентироваться в электрической схеме, собирать схемы. Умение обобщать и делать выводы.

Ход занятия:

Организация начала урока (отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к уроку, ответы на вопросы студентов по домашнему заданию) – 2-5 мин.

Проверка усвоенных знаний прошлого занятия в виде теста:

Тест по теме «Электрический ток в электролитах»

1. Электрическая проводимость водных растворов электро­литов обусловлена:

A. Положительными ионами.  Б. Отрицательными и положительными ионами и электронами.  B. Положительными и отрицательными ионами.

2. Могут ли при диссоциации в электролитах образоваться ионы одного какого-нибудь знака?

                 А. Да.  Б. Нет. В. В зависимости от вида раствора.

3. До каких пор будет продолжаться процесс электролиза медного купороса, если взять угольные электроды?

A. Пока не растворится анод.   Б. Пока не растворится катод.

B. Пока из раствора не уйдут все ионы меди (в ванне оста­нется серная кислота).

4. Каков знак потенциала анода и катода?

A. Анод «-», катод «-».   Б. Анод «+»,катод «+».   B. Анод «+»,катод «-».   Г. Анод «-»,катод «+».

5. От чего зависит электропроводность растворов электроли­тов?

A. От числа ионов, приходящихся на единицу объема, и от их  подвижности.

Б. От силы тока.     B. От расстояния между электродами и их площади.
 6. Укажите неверный ответ.

А. Жидкости могут быть диэлектриками, проводниками, по­лупроводниками.

Б. Все жидкости являются электролитами.

В. Растворы солей, щелочей, кислот и расплавленные соли,  обладающие электрической    проводимостью, называются электролитами.

 7. Установите соответствие:

А. Электролитической диссоциацией называется...

Б. Рекомбинацией называется...

В.Электролизом называется...

1.Процесс выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита.

2.Объединение ионов разных знаков в нейтральные молекулы.

3.Образование положительных и отрицательных ионов при    растворении веществ в    жидкости под действием электрического тока.

8. Электрохимический эквивалент никеля равен 0,304 мг/Кл. Что это значит?

А.0,304 мг - атомная масса одного иона никеля.

Б. 0,304 мг никеля выделяется при прохождении одного кулона через раствор.

В. Для выделения 1 мг никеля нужно пропустить через раствор 0,304 Кл.

9. Собрана последовательная цепь из двух ванн: с раствором азотокислого серебра и раствором сернокислой меди. Что можно сказать о массах серебра и меди, выделившихся при прохождении электрического тока?

А. Серебра выделится больше. Б. Меди выделится больше. В. Выделяются одинаковые массы серебра и меди.

10. Почему вы так считаете? (см. вопрос 9)

А. Молярная масса меди больше молярной массы серебра.

Б. Электрохимический эквивалент серебра больше электрохимического эквивалента меди.

В. Через раствор сернокислой меди проходит больший за­ряд, чем через раствор азотнокислого серебра, так как медь двухвалентна.

Г. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех участках цепи.

Изучение новой темы:

Преподаватель сообщает учащимся тему урока, формулирует цели урока и знакомит учащихся с планом урока. Учащиеся записывают тему урока в тетради. Преподаватель создает условия для мотивации учебной деятельности.

В обычных условиях газ - это диэлектрик (R), т.е. состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей электрического тока.

Вакуумом - называется такая степень разреженности газа, при которой длинна свободного пробега молекул больше линейных размеров сосуда. Электрический ток в вакууме – это проводимость межэлектродного промежутка. Носители тока – это электроны, испущенные с катода за счёт термоэлектронной эмиссии. 

Термоэлектронная эмиссия –явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел. Электроны называют термоэлектронами, а тела – эмиттерами.

Ионизация газа - это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны под действием ионизатора (ультрафиолетовое, рентгеновское и радиоактивное излучения; нагрев)

и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.

Газовый разряд – прохождение электрического тока через газ. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.

Рекомбинация заряженных частиц

Газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит вследствие рекомбинации (воссоединения противоположно

заряженных частиц). Виды газовых разрядов: самостоятельный и несамостоятельный.

Несамостоятельный газовый разряд — это разряд, существующий только под действием внешних ионизаторов

Газ в трубке ионизирован, на электроды подается

напряже­ние (U) и в трубке возникает электрический ток(I).

При увеличении U возрастает сила тока I

Когда все заряженные частицы, образующиеся за секунду, достигают за это время электро­дов (при некотором напряжении (U*), ток достигает насыщения (I_н). Если действие иони­затора прекращается, то прекращается и разряд (I= 0).

Самостоятельный газовый разряд — разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (= ионизации электрического удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина).

При некотором значении напряжения (U_пробоя) сила тока снова

возрастает. Ионизатор уже не нужен для поддер­жания разряда.

Происходит ионизация электронным ударом.

Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при U_а = U _{зажигания}.

Электрический пробой газа - переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.

Свойства электронного пучка:

1. Попадая на тела, вызывает их нагревание.

2. Отклоняется электрическим и магнитным полем.

3. При торможении быстрых электронов, возникает рентгеновское излучение.

4. При попадании на некоторые вещества (люминофоры), вызывает их свечение.

Диод –вакуумный прибор, в котором используется явление односторонней проводимости и термоэлектронной эмиссии. Состоит из стеклянного или металлокерамического баллона, из которого откачен воздух, создано давление 10^-6 мм р.т.с. Внутри находиться вертикальный металлический цилиндр, покрытый слоем щелочноземельных металлов. Внутри этого цилиндра расположен проводник, нагреваемый переменным током – катод. 

Триод –электронная лампа, в которой три электрода: анод, катод и сетка. С помощью сетки управляют анодным током.

Газы в обычном состоянии являются диэлектриками. Для того, чтобы газ стал проводником его ионизируют.

Виды ионизации:

1. Термоионизация – возникает под действием высокой температуры.

2. Ударная ионизация – возникает вследствие столкновения частиц между собой.

3. Фотоионизация – возникает под действием ультрафиолетового, рентгеновского, космического излучения и излучения лампы.

Газовый разряд – прохождение электрического тока через газ.

Виды:

1. Самостоятельный – разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия ионизатора.

2. Несамостоятельный – разряд, происходящий под действием внешнего ионизатора.

Условия возникновения самостоятельного разряда:

1. Термоэлектронная эмиссия.

2. Вторичная эмиссия.

3. Ионизация электронным ударом.

Типы самостоятельного разряда:

1. Тлеющий– возникает в разряженных газах при низких давлениях, за счет ионизации электронным ударом (лампы дневного света, неоновые лампы, рекламные трубки).

2. Искровой– возникает при атмосферном давлении, при увеличении напряжения до напряжения пробоя. Сопровождается ярким свечением, звуком, выделением теплоты (молния).

3. Коронный – возникает при высоком напряжении атмосферного давления, вблизи электродов с большой кривизной поверхности (свечение вокруг ЛЭП).

Типы самостоятельного газового разряда:

1. тлеющий - при низких давлениях (до нескольких мм рт.ст.) - наблюдается в газосветных трубках и газовых лазерах. (лампы дневного света)

2. искровой - при нормальном давлении (P =P _атм)и высокой напряженности электрического поля Е (молния - сила тока до сотен тысяч ампер).

3. коронный - при нормальном давлении в неоднородном электрическом поле (на острие, огни святого Эльма).

4. дуговой - возникает между близко сдвинутыми электродами - большая плотность тока, малое напряжение между электродами, (в прожекторах, проекционной киноаппаратуре, сварка, ртутные лампы)

Плазма - это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре; встречается в природе: ионосфера – слабо ионизированная плазма, Солнце - полностью ионизированная плазма; искусственная плазма – в газоразрядных лампах.

Плазма бывает: 1. - низкотемпературная Т < 10⁵ К; 2. - высокотемпературная» Т > 10⁵ К.

Основные свойства плазмы:

- высокая электропроводность;

- сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.

При Т = 20∙ 10³ ÷ 30∙ 10³ К любое вещество - плазма. 99% вещества во Вселенной - плазма.

Электрический ток в вакууме.

Вакуум – сильно разреженный газ, соударений молекул практически нет, длина

свободного пробега частиц (расстояние между столкновениями) больше размеров сосуда

(Р « Р~10 ^-13 мм рт. ст.). Для вакуума характерна электронная проводимость

(ток – движение электронов), сопротивление практически отсутствует (R).

В вакууме:

- электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;

- создать электрический ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;

- действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия - явление вылета свободных электронов с поверхности нагретых тел, испускание электронов твердыми или жидкими телами происходит при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла. Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него (т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно). Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака. Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах. Электронная лампа устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод.

Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа. Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление (10^-6 ÷10^-7 мм рт. ст.), Нить накала, помещена внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен

с “+” источника тока, а катод с “–”, то в цепи протекает постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.

Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая электрический ток в вакууме.

Закрепление материала: работа с учебником.

Каждая пара выбирает свою тему  для краткого рассказа:

1.Тлеющий разряд

2. Искровой разряд

3. Дуговой разряд

4. Коронный разряд

5. Плазма.

6. Вакуумный диод и трио, устройство и принцип работы.

Домашнее задание: Сообщение: Физическая сущность термоэлектронной эмиссии газа. Реферат: Использование электролиза в технике. Возникновение полярного сияния.

Преподаватель _________________________________