Фізика 8 клас Електричний струм в газах

                                              Конспект уроку

Тема: Електричний струм в газах.

Навчальна мета: Сформувати в учнів поняття про основні носії електричного струму

в газах, розглянути типи газового розряду, з’ясувати умови їх виникнення  і галузі

застосування, показати учням взаємозв'язок фізики з предметами професійної

підготовки.

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

 Виховна мета:    Виховувати активність, пізнавальний інтерес до предмета, явищ, що відбуваються в природі, до майбутньої професії.

Тип уроку:  Урок вивчення нового матеріалу.

Наочність та обладнання: Два металевих диска, електрометр, сірники, свічка, ебонітова паличка.

                   Структура уроку

1.                  Організація початку уроку.

2.                  Перевірка домашнього завдання.

3.                  Актуалізація знань і практичних та розумових умінь.

4.                  Мотивація навчальної діяльності.

5.                  Вивчення нового матеріалу.

6.                  Експериментальне завдання.

7.                  Закріплення вивченого матеріалу.

8.                  Узагальнення й систематизація знань і вмінь.

9.                  Підбиття підсумків уроку.

10.              Завдання додому.

                              Хід уроку:

І.  Організація початку уроку.

II. Перевірка домашнього завдання.

Усне опитування методом «Мікрофон»

- Що таке електричний струм?

- Які умови необхідні для існування струму?

- Що називають провідниками?

- Які можуть бути провідники?

- Серед твердих тіл кращі провідники…?

- З рідин добре проводять струм…?

- Природа струму в металах?

- Природа струму в рідинах?

- У вакуумі?

- У напівпровідниках?

      ІІI. Актуалізація знань і практичних та розумових умінь..

Фізика – це наука природнича. Ми сьогодні будемо говорити про ті явища, які ми бачимо навколо себе. Тому епіграфом нашого уроку будуть слова:

« Все, що навколо, при чому живем,

      Словом “природа” ми звично зовем,

           Знати природу і вміти в ній жити,

              Фізика вчить нас, її нам  хвалити».

На минулих уроках ми з’ясували основні носії електричного струму для металів, електролітів, напівпровідників, вакууму. А яка ж природа струму у газах?

Тема сьогоднішнього уроку: «Електричний струм у газах».

ІV.  Мотивація навчальної діяльності.

Запитання.Чи являється повітря, яке оточує нас, провідником електричного струму.

Відповідь.  Не являється, тому що, якби повітря проводило електричний струм, то іскри при включенні світла було б достатньо для того, щоб по всьому класу пройшов електричний струм.

V.  Вивчення нового матеріалу.

VI. Експериментальне завдання

Дослід.  З’ясуємо, чи може повітря проводити електричний струм і за яких умов.

Зарядимо електрометр за допомогою ебонітової палички. Що ви спостерігаєте?  

                                                      

                                                        
Стрілка відхилилася і знаходиться в цьому стані як завгодно довго.

Запитання.Який можна зробити висновок?

Відповідь. Газ не проводить електричного струму а це означає, що в нього не має вільних заряджених частинок.

Однак існують умови, за яких гази можуть ставати провідниками.

Для того нагріємо повітря між пластинами. Конденсатор швидко розрядився.

                                                                      

Запитання. Який можна зробити висновок?

Відповідь. При певних умовах повітря, а значить газ може проводити електричний струм.

    Тепер наше завдання з’ясувати, що являється основними носіями електричного струму в газах.

Знову повернемося до досліду. (проводиться повторно дослід).  З’ясовуємо, що при збільшенні температури між пластинами молекули повітря починають рухатися швидше ударяються одна об одну і розпадаються на позитивно заряджені йони і електрони.

                                                                

 У газі можуть утворитися і негативні йони. Вони виникають внаслідок приєднання електрона до нейтральних атомів.

                                                                   

Процес утворення в газі позитивних і негативних йонів  та вільних електронів з молекул (атомів) називають йонізацією.

Отже, з’ясували, що основними носіями електричного струму в газах є електрони і йони.

     Проходження електричного струму у газах називається газовим розрядом.

Те, що спричиняє йонізацію називають іонізатором.

Крім полум’я свічки як йонізаторами є рентгенівські промені, радіоактивне випромінювання, санячні промені, космічне випромінювання.

      Висновок. Таким чином в газах, поєднується електронна провідність, подібна до провідності металів, з йонною провідністю, подібною з провідністю водних розчинів і розплавів електролітів.

      В досліді ми побачили, якщо припинити нагрівання та повітря знову стає діелектриком.

Струм припиняється після того, як всі йони і електрони досягли електродів.

Крім цього, при зближенні електрона і позитивного йона знову утворюється нейтральна молекула (атом).

                                                                             

Такий процес називається рекомбінацією.

Як бачимо, якщо немає зовнішнього іонізатора то газовий розряд припиняється. Такий розряд називається несамостійним.

     Запитання. А чи може відбуватися розряд в газах без нагрівання, тобто без дії зовнішнього іонізатора?

Дослід. Візьмемо запаяну і заповнену повітрям скляну трубку з двома металевими електродами і складемо електричне яке показано на малюнку.

                                                       

Вважатимемо, що на газ, що на газ в трубці діє якийсь іонізатор. Будемо збільшувати напругу між електродами помічаємо, що в колі зростає сила струму. Потім настає момент, коли сила струму не змінюється. Струм досягає насичення.

                                                                   

Якщо дія іонізатора припиняється, то припиняється й розряд, оскільки інших джерел йонів немає. Це був несамостійний розряд.

Запитання. А що ж станеться з розрядом в газі, якщо ще збільшувати напругу на електродах трубки? Дослід. Дослід показує, що сила струму знову зростає.

                                                                         

Це відбувається тому, що в газі додатково відбувається йонізація електронним ударом в результаті зіткнень прискорених електричним полем електронів з атомами газу.

                                        

     Такий розряд не потребує дії зовнішнього іонізатора, його називають самостійним розрядом.

Висновок.   Газові розряди бувають: несамостійні і самостійні.

Самостійні розряди поділяють на такі види:

- тліючий розряд;

- електрична дуга;

- коронний розряд;

- іскровий розряд.

Робота в групах. Клас поділяється на 4 групи. Кожні групі ставиться завдання з’ясувати умови виникнення даного виду самостійного розряду та його практичне застосування.

Учні працюють з підручником.

I група.   Тліючий розряд.

Запитання: 1.  При яких умовах виникає тліючий розряд?

Відповідь учня: Тліючий розряд спостерігається при напрузі біля 45 кВ та тиску до100мм рт. ст.

Запитання: 2.  Де спостерігається і використовується тліючий розряд?

Відповідь учня: Прикладом тліючого розряду є полярні сяйва.

                                                                   

Крім того, тліючий розряд використовується в рекламних надписах . Кожен газ світиться по – своєму: аргон – голубим, неон – червоним. Такі гази почали використовувати в рекламних трубках, лампах денного світла.

                                                                    

II.  група.   Електрична дуга.

Запитання: 1.  Що називається дуговим розрядом?

Відповідь учня: Це струм великої густини за невисоких напруг.                                               

 Запитання: 2.  Де використовується явище дугового розряду?
Відповідь учня: Явище дугового розряду використовується в дугових лампах, в зварюванні та різанні металів.

                                                                                                                                              

III.  група.   Коронний розряд.

Запитання: 1. За яких умов відбувається коронний розряд?

Відповідь учня: За атмосферного тиску в дуже неоднорідних електричних полях, наприклад, поблизу проводів ліній високої напруги, спостерігається розряд, світна ділянка якого нагадує корону.                                              

Запитання: 2.  Де спостерігається явище коронного розряду?

Відповідь учня: Коронний розряд спостерігають під час гроз, снігових завірюх, шквалах, поблизу загострених частин провідників. При такому розряді із різних гострих виступів починають вискакувати одна за одною маленькі електричні іскри. Якщо іскор багато, то можна побачити блідо – блакитне сяяння, що схоже на полум’я.

                                                                                   

IV.  група.   Іскровий розряд.

Запитання: 1. За яких умов спостерігається іскровий розряд?

Відповідь учня: При великій напрузі між електродами в повітрі виникає іскра, що має вигляд пучка яскравих зигзагоподібних смужок, які розгалужуються від тонкого каналу. Прикладом такого розряду є лінійна блискавка, розряд електрофорної машини.

                                                                   

Запитання: 2. Де застосовується іскровий розряду?

Відповідь учня: Застосовується в двигунах внутрішнього згорання, які встановлюються на тракторах і автомобілях при запалюванні горючої суміші за допомогою свічки, а також для обробки деталей із тугоплавких металів.

                                                                   

Запитання: 3. Як поводити себе під час грози, які правила повинен знати учень, щоб уберегти себе під час грози?

Відповідь:1. Закрити вікна і двері, відключити всю побутову техніку і електроприлади, телевізійні і радіоантени.

2. Забороняється користуватися стаціонарним і мобільним телефонами.

3. Під час руху на велосипеді, мотоциклі, на коні, негайно залишити транспортний засіб.

4. Знаходячись в полі, лісі, на річці, потрібно пам’ятати, що ховатися в наметах, дерев’яних будиночках, палатках, а тим більше під деревами дуже небезпечно.

5. Негайно позбутися всіх металевих предметів (годинників, браслетів, медальйонів).

6. Якщо гроза застала з довгими предметами в руках (вудочками, граблями, вилами), покласти їх подалі від себе.

7. Не торкатися до металевих конструкцій, електроопор, дротяних огороджень.

VII.  Закріплення вивченого матеріалу.

        Отже, ми розглянули всі типи газового розряду, з’ясували, при яких умовах він виникає і де застосовується. Перевіримо, як ви засвоїли цей матеріал.

          

               Розгадаємо кросворд

                

		1
	2
3
	4
				5
					6

По горизонталі:       1. Розряд який утворюється при атмосферному тиску поблизу загострених частин провідника з великим електричним зарядом.
2. Розряд який не потребує для свого підтримання зовнішнього йонізатора.
3. Процес утворення в газі позитивних і негативних йонів та вільних електронів з молекул (атомів).
4. Розряд який виникає при великій напрузі між електродами в повітрі.  
5. Прикладом тліючого розряду є полярне ........ .
6. Розряд який виникає між двома електродами при низькій напрузі.                                                                                                                                           

Прочитайте ключове слово.

Відповіді: 1. Коронний;  2. Самостійний; 3. Йонізація;  4. Іскровий;  5. Сяйво;  6. Дуговий.         Ключове слово:    розряд.

VIII. Узагальнення і систематизація знань і умінь.

  

Середовище	Носії зарядів	Застосування
Метали
Напівпровідники
Електроліт
Гази
Плазма

ІХ. Підбиття підсумків уроку.

Отже, сьогодні на уроці вивчили типи газових розрядів, умови їх виникнення та застосування.

Наш урок я хочу завершити словами видатного педагога Ш. Амонашвілі

 Уроку,  ти не думай,

 що існуєш від дзвоника до дзвоника…

 Ти, можливо, ніколи не закінчуєшся…

 Ти відправляєш нас додому  з неспокійними думками.

Х.  Завдання додому.

Опрацювати §          Електричний струм в газах.

Підібрати прислів’я, загадки про такі природні явища, як блискавка, грім.

                                  Це цікаво знати

      

                                            Кульова блискавка

       Крім лінійної блискавки, яку ми з вами періодично бачимо і знаємо, як від неї захиститися, існує ще і шарова блискавка, природа якої до цих пір не з’ясована.

           

                                   

      Кульова блискавка це різновид блискавки, який своєю формою нагадує кулю діаметром від 3 до 20 см. Дане явище спостерігається при сильних грозах, як правило, після багаторазових розрядів зі звичайними блискавками й випадання дощу, тобто носить вторинний характер. За останніми поглядами (точно ні кому не відомо) така блискавка являє собою згусток плазми, тобто іонізованого газу. Кульова блискавка може розігріватися, викликаючи вибух, або остигати, розпадатися й безшумно зникати. За даними вчених, температура кульової блискавки може бути в межах від 100 до 1000 градусів С. Але при цьому люди, які зіштовхувалися з кульовими блискавками на відстані руки, украй рідко відзначали хоч якесь тепло, що виходило від них, хоча за логікою, вони повинні були одержати опіки. Така ж загадка і з масою: якого б блискавка не була розміру, вона важить не більше 5-7 грам. Поводження кульових блискавок непередбачуване. Вони відносяться до явищ, які з’являються коли хочуть, де хочуть і роблять — що хочуть. Вони можуть з’явитися навіть у ясну, сонячну погоду.

На відміну від звичайної блискавки, кульова далеко не завжди б’є миттєво і раптово. Вона може дуже повільно наближатися, літати навколо і навіть не завжди «побажає» зачепити. Головне правило у разі появи біля Вас або неподалік від Вас кульової блискавки — будь те у квартирі чи на вулиці — не панікувати і не робити різких рухів. Ні у якому разі ні куди не тікайте! Блискавки дуже сприйнятливі до завихрень повітря, які ми створюємо на бігу та при інших, навіть не дуже різких рухах. Ці завихрення тягнуть блискавку за собою і вона Вас все одне наздожене. Відірватися від кульової блискавки можна тільки на машині (на мотоциклі навряд чи варто). Тому, при появі кулькової блискавки поряд з Вами та навіть на деякій відстані, намагайтеся взагалі не рухатися. Тільки якщо на Вас, чи у Вас у руках є металеві предмети, потрібно дуже-дуже повільно зняти з себе все металеве та електронне (часи, плеєри, мобільники, тощо), дуже повільно поставити (не можна кидати) їх на землю чи підлогу, після того, так само дуже повільно відійти від цих предметів хоча б на півметра, знову ж таки самим повільним чином присісти і не рухатися, не махати руками, навіть не розмовляти. Взагалі те краще на неї не дивитися прямо, щоб не пошкодити очі у разі вибуху і головне тому, що кульова блискавка має деяку гіпнотичну дію. Та втрачати з поля зору її не слід (дивіться боковим зором).

Якщо кульова блискавка рухається таки на Вас, постарайтеся найповільнішим чином відійти з її шляху. Якщо ви перебуваєте у квартирі — підійдіть до вікна й відкрийте кватирку (теж вкрай повільно) і тоді блискавка можливо, навіть з великою часткою ймовірності, вилетить назовні. І ні в якому разі ніколи нічого не кидайте в кульову блискавку! Вона може або вдарити у відповідь або вибухнути, як граната, що невідворотно призведе до важких наслідків: опіки, травми, іноді втрата свідомості і зупинка серця, не кажучи вже про пошкодження майна.

У тому випадку, коли Ви навіть бачите, що Вам не вдається відійти від кульової блискавки і вона хоче Вас зачепити, все одне не тікайте, адже Ви тільки додасте їй енергії (це спрощено зазначено). Можливо, що навіть торкнувшись Вас, вона не завдасть Вам шкоди, або завдасть невелику шкоду. Бували випадки, коли блискавка випаровувала на руках людей металеві предмети (часи, браслети), навіть не завдавши опіків.

Якщо ж кульова блискавка чи не кулькова зачепила когось і людина знепритомніла, то його необхідно перенести в добре провітрюване приміщення, тепло вкутати, зробити штучне дихання й обов’язково викликати швидку допомогу.

                                                  Дуговий розряд

        

         Перші ідеї про використання дуги для зварювання були висловлені М.М.Бенардосом.               
У 1881 році він винайшов способи дугового зварювання з одержанням патентів у різних країнах. Дугове зварювання полягає в з’єднанні частин металу, що розплавляється в полум’ї електричної дуги, яка виникає між з’єднуваним металом і електродом. М.М.Бенардос запропонував способи підводного зварювання металів, їх різання, точкового і шовного контактного зварювання.

       Іншим видатним спеціалістом у галузі електрозварювання і містобудування став Євген Оскарович Патон. 
                             
Він розробляє конструкції мостів, які складаються із металевих секцій, що швидко можуть замінюватися при руйнуванні. Значні зусилля докладав він до відновлення зруйнованих київських мостів, дослідження їх міцності, надійності і естетичної розробки.

            У 1929 році у Києві створюється лабораторія зварювання, яка у 1933 році була перетворена у перший у світі Науково – дослідний інститут електрозварювання Академії Наук України.

            В цьому ж самому інституті велику справу електрозварювання продовжив син Євгена Оскаровича Патона – Борис Євгенович .   

            Сьогодні колектив інституту розвиває найновітніші напрями електрозварювання, які поширюються на земні, підводні і космічні галузі досліджень людства.

            В одному із інтерв’ю президент Національної Академії Наук, генеральний директор інституту Борис Євгенович Патон сказав: «А також прагнемо започаткувати таку практику, як зварювання живих тканин». Ідеться про хірургічні операції із застосуванням зварювання. У таких великих містах, як Київ, Донецьк та інші уже прооперовано більше десяти тисяч осіб.

                   

                                                        Коронний розряд

           1.  У 18 – му ст. в Італії по коронним розрядам впізнавали наближення грози. В одному із замків у землю був закопаний металевий жезл і вартовий час від часу підносив свою алебарду. Якщо між жезлом і алебардою проскакувала іскра, то вартовий дзвонив у дзвін, попереджаючи мешканців про негоду.

         2. Спочатку коронний розряд, що спостерігався в повітрі називали вогнями Кастора і Поллукса – по імені міфічних героїв – близнюків. А пізніше переіменували в вогні Ельма – по назві церкви святого Ельма в Італії, де вони з’являлися.
        3. Особливо часто вогні Ельма спостерігали на мачтах кораблів.       

Римський філософ і письменник Луцій Сенека говорив, що під час грози зірки ніби – то сходять з неба і сідають на мачти кораблів. Відбулося це в 1695 році в Середземному морі під час грози. Боячись бурі, капітан наказав спустити паруси. І тут моряки побачили в різних місцях корабля більше тридцяти вогнів Ельма. На флюгері великої мачти вогонь досяг півметра у висоту. Капітан наказав зняти його. Піднявшись наверх, матрос крикнув, що вогонь шипить, як ракета із сирого пороху. Йому наказали знять його разом із флюгером і принести вниз. Але, коли матрос зняв флюгер, вогонь перескочив на кінець мачти, звідки зняти його було не можливо.

4. Йонізація атмосфери у верхніх шарах атмосфери вища, ніж у нижніх. Тому потенціальні електричні поля в горах володіють більшою інтенсивністю, ніж на рівнинах. І вогні Ельма в гірських місцевостях спостерігаються частіше.

            Якось альпіністи штурмували одну із вершин Тянь – Шаня. Раптом насунулась хмара, почалася гроза.

             - Дивіться, у нього горить волосся! – крикнув альпініст, показуючи на товариша поряд.

-У тебе самого теж! – відповіли йому.

            Виявилося, що волосся світилося у всіх, хто був без шапки. А коли хтось зняв шапку, волосся ніби потягнулося за нею, випускаючи блакитні іскорки. Що волосся? Іскри випромінювали льодоруби, фотоапарати, ґудзики. І все це шипіло, як самовар, коли вода в ньому збирається закипіти. Але гроза стихла і світіння зникло.

                            Плазма

Плазма – це частково або повністю іонізованний газ, в якому густина позитивних і негативних зарядів практично однакова. Таким чином, плазма в цілому є електрично нейтральною системою.

Кількісною характеристикою плазми є ступінь іонізації. Ступенем іонізації плазми  називають відношення об'ємної концентрації заряджених частинок до загальної об’ємної концентрації частинок. Залежно від ступеня іонізації плазма підрозділяється на слабко іонізовану (складає частки відсотків), частково іонізовану ( порядка декількох відсотків) і повністю іонізовану (близька до 100%). Слабо іонізованою плазмою в природних умовах є верхні шари атмосфери – іоносфера. Сонце, гарячі зірки і деякі міжзоряні хмари – це повністю іонізована плазма, яка утворюється при високій температурі.  

Середні енергії різних типів частинок, що утворюють плазму, можуть значно відрізнятися одна від одної. Тому плазму не можна охарактеризувати одним значенням температури, розрізняють: електронну температуру, іонну температуру (або іонні температури, якщо в плазмі є іони декількох сортів) і температуру нейтральних атомів (нейтральної компоненти). Подібна плазма називається неізотермічною, на відміну від ізотермічної плазми, в якій температури всіх компонентів однакові.

Плазма також розділяється на високотемпературну (Т > 10⁶−10^{8 0}C) і низькотемпературну  (Т<10^{5 0}C ). Це умовне розділення пов’язане з особливою  густиною високотемпературної плазми у зв’язку з проблемою здійснення керованого термоядерного синтезу.

Плазма володіє рядом специфічних властивостей, що дозволяє розглядати її як особливий четвертий стан речовини.

Через велику рухливість заряджені частинки плазми легко переміщаються під дією електричних і магнітних полів. Тому будь-яке порушення електричної нейтральності окремих областей плазми, викликане скупченням частинок одного знаку заряду, швидко ліквідовується. Виникаючі електричні поля переміщають заряджені частинки до тих пір, поки електрична нейтральність не відновиться і електричне поле не стане рівним нулю. На відміну від нейтрального газу, між молекулами якого існують короткодіючі сили, між зарядженими частинками плазми діють кулонівські сили, що порівняно повільно зменшуються   з відстанню. Кожна частинка взаємодіє відразу з великою кількістю навколишніх частинок. Завдяки цьому разом з хаотичним тепловим рухом частинки плазми можуть брати участь в різноманітних впорядкованих рухах. У плазмі легко збуджуються різного роду коливання і хвилі.

Провідність плазми збільшується у міру зростання ступеня іонізації. При високій температурі повністю іонізована плазма за своєю провідністю наближається до надпровідників.

Низькотемпературна плазма застосовується в газорозрядних джерелах світла – в трубках рекламних написів, що світяться, в лампах денного світла, плазмових телевізорах. 

Газорозрядну лампу використовують в багатьох приладах, наприклад, в газових лазерах – квантових джерелах світла.

 Високотемпературна плазма застосовується в магнітогідродинамічних генераторах.

Нещодавно був створений новий прилад – плазмотрон. У плазмотроні створюються могутні струмені щільної низькотемпературної плазми, широко  використовуваної в різних областях техніки: для різання і зварювання металів, буріння свердловин в твердих породах і т.д.

           


              Презентація Електричний струм в газах

                                     Відео Електричний струм в газах

                                   Відео Електричний струм в газах