§ 40. Виды самостоятельных газовых разрядов

Яркие, а порой и опасные явления: молния, полярное сияние, пугающие неосведомленного человека «огни святого Эльма», разноцветное свечение газоразрядных трубок, ослепительный свет при сварке металла — всё это примеры различных самостоятельных газовых разрядов. От чего зависит и как возникает тот или иной электрический разряд в газах, вы узнаете из этого параграфа.

Знакомимся с искровым газовым разрядом

При атмосферном давлении и большом напряжении между электродами возникает искровой газовый разряд. Искорки, появляющиеся, когда вы снимаете синтетический свитер; молния во время грозы; искра, возникающая между заряженными кондукторами электрофорной машины (рис. 40.1), — все это примеры искрового разряда.

Искровой разряд выглядит как яркие разветвляющиеся зигзагообразные полоски Он длится всего несколько десятков микросекунд и обычно сопровождается характерными звуковыми эффектами (потрескивание, треск, гром и т. п.). Дело в том, что температура газа, а следовательно, и давление в области разряда резко повышаются, в результате чего воздух быстро расширяется и возникают звуковые волны.

В технике искровой разряд используют, например, в свечах зажигания бензиновых двигателей (рис. 40.2), для обработки особо прочных металлов.

Пример грандиозного искрового разряда в природе — молния.

Было установлено, что во время грозы происходит перераспределение зарядов в грозовой туче, поэтому разные части тучи заряжаются зарядами противоположных знаков. Обычно нижние слои тучи имеют отрицательный заряд, а верхние — положительный.

Напряжение между двумя тучами, обращенными друг к другу разноименно заряженными частями, или напряжение между тучей и Землей достигают нескольких сотен миллионов вольт. Благодаря ударной

ионизации, а далее — ионизации излучением, которое сопровождает разряд, в электрическом поле между тучами появляются лавины свободных ионов и электронов, то есть возникает кратковременный самостоятельный газовый разряд — молния. Сила тока в канале молнии достигает сотен тысяч ампер.

Электрические свойства молнии первыми начали изучать независимо друг от друга российский ученый М. В. Ломоносов (рис. 40.3) и американский исследователь Б. Франклин (рис. 40.4).

Защищаемся от удара молнии

Подсчитано, что в атмосфере земного шара каждую секунду проскакивает около 100 молний, и каждая двадцатая из них ударяет в землю, принося порой немалый вред. Удар молнии может вызвать лесные пожары, вывести из строя линии электропередачи и даже привести к гибели людей.

Чтобы не стать жертвой удара молнии, следует помнить, что молния чаще ударяет в относительно высокие предметы. Во время грозы нужно соблюдать следующие основные правила.

•    Оказавшись во время грозы в поле, нельзя бежать, — наоборот, нужно лечь, чтобы не возвышаться над местностью.

•    Во время грозы в лесу нельзя прятаться под высокими деревьями, а в поле — под одиночно стоящим деревом, копной сена и т. п.

•    Во время грозы нельзя купаться в открытых водоемах, а находясь высоко в горах, лучше прятаться в пещере или под глубоким уступом.

•    Если гроза застала в автомобиле, не нужно выходить из него; следует закрыть окна и двери и переждать непогоду.

•    Во время грозы нельзя запускать воздушного змея: мокрая веревка становится проводником электричества, и молния может ударить в змея. При этом заряды пройдут через руку и тело человека в землю. Именно так во время эксперимента погиб друг и коллега М. В. Ломоносова российский ученый Георг Рихман (1711-1753) (рис. 40.5).

Знакомимся с коронным газовым разрядом

Перед грозой или во время грозы у острых выступов предметов иногда можно наблюдать слабое фиолетовое свечение в виде короны, охватывающей острие. Исследования показывают, что причина этого явления — самостоятельный газовый разряд, который назвали коронным (рис. 40.6). Выясним, почему и как возникает коронный газовый разряд.

На поверхности Земли под действием электрического поля грозовой тучи скапливаются (индуцируются) заряды, по знаку противоположные заряду нижнего слоя тучи. Особенно плотно такие заряды расположены на острых частях предметов. В результате электрическое поле у острия оказывается настолько сильным, что заряд стекает с заостренного предмета, ионизируя окружающий воздух. Поле является сильным только около острия, поэтому коронные разряды наблюдаются лишь возле острых частей предметов.

На возникновении коронного разряда основано действие молниеотвода. Молниеотвод представляет собой заостренный металлический стержень, соединенный толстым проводником с металлическим предметом (см. рис. 40.7). Стержень устанавливают выше самой высокой точки защищаемого дома, а металлический предмет закапывают глубоко в землю (на уровне грунтовых вод). Во время грозы на конце молниеотвода возникает коронный разряд. В результате заряд не скапливается на доме, а стекает с острия молниеотвода.

Считается, что молниеотвод изобрел Б. Франклин в 1752 г. Однако подобные конструкции существовали и раньше. Так, для защиты от молнии моряки Древней Греции привязывали веревку к лезвию меча, сам меч прикрепляли к мачте, а конец веревки опускали в море.

Наблюдаем дуговой газовый разряд

В 1802 г. российский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834) провел следующий опыт. Он присоединил два угольных электрода к полюсам большой электрической батареи, соединил электроды друг с другом, а потом немного раздвинул. Между кончиками электродов ученый наблюдал яркое дугообразное пламя, а сами кончики накалялись, излучая ослепительный белый свет. Так был получен еще один вид самостоятельного газового разряда — дуговой газовый разряд (электрическая дуга) (рис. 40.8). Какова же причина его возникновения?

Когда электроды соединены, электрическая цепь замкнута и в ней идет достаточно сильный электрический ток. В месте соединения сопротивление цепи наибольшее, следовательно, именно здесь, согласно закону Джоуля — Ленца, выделяется наибольшее количество теплоты. Концы электродов накаляются до 4000-7000 °С, и с поверхности катода начинают «испаряться» электроны.

Теперь, даже если электроды развести, через газовый промежуток между ними будет проходить ток, так как в газе между электродами будет достаточное количество свободных заряженных частиц (свободные электроны, «испарившиеся» с катода, а также свободные электроны и ионы, появившиеся в результате ионизации газа из-за высокой температуры). В дальнейшем высокая температура катода и анода поддерживается бомбардировкой электродов положительными и отрицательными ионами и электронами, ускоренными электрическим полем.

Высокая температура ионизированного газа при дуговом разряде, а также излучение

света, сопровождающее такой разряд, обеспечили широкое применение электрической дуги в науке, технике, промышленности. Электрическая дуга «работает» как мощный источник света в прожекторах. В металлургии применяют электропечи, в которых используют дуговой разряд; жаром электрической дуги сваривают металлы и т. д. (рис. 40.9).

Выясняем условия возникновения тлеющего газового разряда

При низком давлении, составляющем десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба, можно наблюдать свечение разреженного газа — тлеющий газовый разряд. Напомним, что при низком давлении расстояние между частицами настолько велико, что даже в слабом электрическом поле электроны успевают за время между столкновениями с частицами газа приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации.

Тлеющий разряд используют в лампах дневного света (люминесцентных трубках), в квантовых источниках света — газовых лазерах. Кроме того, его применяют в цветных газоразрядных трубках: цвет свечения при тлеющем разряде определяется природой газа, а следовательно, может быть разным.

Подводим итоги

Различают четыре основных вида самостоятельных газовых разрядов. Искровой газовый разряд возникает при атмосферном давлении и большом напряжении между электродами. Он представляет собой яркие разветвленные зигзагообразные полоски. Пример гигантского искрового разряда — молния. Удар молнии может привести к гибели, поэтому во время грозы необходимо строго соблюдать правила безопасности.

Самостоятельный газовый разряд, образующийся в сильном электрическом поле вблизи острых выступов предметов, называют коронным газовым разрядом.

При температуре 4000-7000 °С между электродами, разведенными на небольшое расстояние, возникает газовый разряд, сопровождающийся очень ярким свечением в форме дуги, — дуговой газовый разряд.

При низком давлении (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) можно наблюдать свечение разреженного газа вследствие тлеющего разряда.

Контрольные вопросы

1.    Перечислите основные виды самостоятельных газовых разрядов.

2.    Приведите примеры искрового газового разряда. При каких условиях он возникает? 3. Что такое молния? Когда и почему она возникает?

4. Назовите основные правила безопасности, которые следует соблюдать во время грозы. 5. Что представляет собой коронный разряд? Где его применяют? 6. Какие особенности дугового разряда обеспечили его широкое применение? 7. При каких условиях возникает тлеющий разряд? Где его используют?

6. Вы изучили физические величины, характеризующие прохождение тока в участке цепи, и проследили связь между ними.

7. Вы узнали о разных видах соединения проводников.

Физическая величина	Вид соединения проводников
	Последовательное	Параллельное
Сила тока
Напряжение
Сопротивление

8. Вы наблюдали действие электрического тока и узнали, как вычислить работу и мощность тока; количество теплоты.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ II «Электрические явления. Электрический ток»»

Часть 1. Электрический заряд. Электрическое поле. Электрический ток

1.    (1 балл) На каком рисунке изображена пара шариков, имеющих одно

именный заряд?

2.    (1 балл) На каком рисунке резисторы 1 и 2 соединены последовательно?

3.    (1 балл) На рис. 1 изображены силовые линии

электрического поля, образованного двумя заряженными шариками. Какое утверждение истинно?

а)    Оба шарика имеют положительный заряд.

б)    Оба шарика имеют отрицательный заряд.

в)    Шарик 1 заряжен отрицательно, шарик 2 — положительно.

г)    Заряд шарика 1 больше заряда шарика 2.

4.    (1 балл) Установите соответствие между элементом электрической

цепи и его обозначением на схеме.

5.    (2 балла) Установите соответствие между прибором и сиволом физи

ческой величины.

6.    (2 балла) На цоколе электрической лампы написано: «4,4 В; 0,22 А». Определите сопротивление нити накала лампы при свечении.

а) 0,05 Ом;    б) 0,968 Ом;    в) 4,18 Ом;    г) 20 Ом.

7.    (2 балла) Определите сопротивление нихромового провода длиной 20 см и площадью поперечного сечения 2 мм².

а) 0,11 Ом;    б) 11 Ом;    в) 22 Ом;    г) 44 Ом.

8.    (2 балла) Установите соответствие между преобразованием энергии, происходящим в техническом устройстве, и названием устройства.

1    Химическая энергия — в электрическую    А    Фотоэлемент

2    Электрическая энергия — в механическую    Б    Аккумулятор

3    Электрическая энергия — в тепловую    В    Электродвигатель

4    Световая энергия — в электрическую    Г    Нагреватель

Д Термопара

9.    (3 балла) За 10 с через участок цепи прошел заряд 15 Кл, при этом

электрическое поле на участке выполнило работу 315 Дж. Установите соответствие между физическими величинами, характеризующими прохождение тока в участке цепи, и их значениями в единицах СИ. 1 Напряжение    2 Сила тока    3 Сопротивление

А 1,5    Б 14    В 21    Г 31,5

10.    (3 балла) Как с помощью положительно заряженного проводящего шарика 1 зарядить отрицательно такой же, но незаряженный шарик 2, не увеличивая и не уменьшая заряда шарика 1?

11.    (3 балла) Как изменилось расстояние между двумя точечными зарядами, если сила их взаимодействия уменьшилась в 16 раз?

12.    (3 балла) Резисторы сопротивлениями 3 и 6 Ом соединены последовательно. Определите силу тока в цепи и напряжение на каждом резисторе, если общее напряжение на резисторах 1,8 В.

13.    (3 балла) Три резистора сопротивлением 9 Ом каждый соединены параллельно и присоединены к источнику тока, напряжение на зажимах которого 12 В.

Какова сила тока в цепи?

14.    (4 балла) Маленький проводящий шарик с зарядом 6 · 10^-9 Кл коснулся такого же шарика, но незаряженного. С какой силой взаимодействуют шарики после соприкосновения, если они разошлись на расстояние 9 см?

15.    (4 балла) По рис. 2 определите показание каждого вольтметра.

16.    (4 балла) Как изменятся показания приборов (рис. 3), если ползунок реостата переместить влево?

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Потом эту сумму разделите на три. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

Часть 2. Работа и мощность электрического тока. Электрический ток в разных средах

В заданиях 1, 2 укажите правильное окончание предложения.

1.    (1 балл) В газах свободные заряженные частицы могут появиться в результате...

а) электролитической    в) действия внешнего ионизатора

диссоциации    г) рекомбинации молекул газа

б)    поляризации молекул газа

2.    (1 балл) Очистку металлов с помощью электролиза называют...

а)    гальваностегия    в) электролитическая    диссоциация

б)    гальванопластика    г) рафинирование

3.    (2 балла) Установите соответствие между видом самостоятельного газового разряда, лежащим в основе действия технического устройства, и названием устройства.

1    Дуговой разряд    А Молниеотвод

2    Искровой разряд    Б Свеча зажигания

3    Коронный разряд    В Газоразрядная лампа

4    Тлеющий разряд    Г Лампа накаливания

Д Сварочный аппарат

4.    (2 балла) На рис. 1 схематически изображены три провода, присоединенные к источнику тока. Провода изготовлены из разных материалов, при этом их длины и площади поперечных сечений одинаковы. В каком проводе выделяется наибольшее количество теплоты?

а) в стальном; б) в медном; в) в нихромовом; г) в проводах выделяется одинаковое количество теплоты.

.    (2 балла) В течение 10 с в проводнике протекал электрический

ток силой 0,3 А. Какую работу выполнил ток, если напряжение на концах проводника было 4 В?

а) 0,12 Дж; б) 0,74 Дж; в) 3,6 Дж;    г) 12 Дж.

6.    (2 балла) Сила тока в нагревательном элементе электрического утю

га равна 5 А, сопротивление элемента — 40 Ом. Какое количество теплоты выделяется в нагревательном элементе утюга за 5 мин? а) 2 Дж;    б) 200 Дж; в) 300 кДж;    г) 5 кДж.

7.    (2 балла) Какова сила тока в нити накала электрической лампы (рис. 2) при номинальном напряжении? а) около 0,45 А; б) 2,2 А; в) 22 кА; г) определить невозможно.

8. (2 балла) При серебрении изделия за 1 ч на катоде выделилось 2 г серебра. Какой приблизительно была сила тока во время серебрения?

а) 0,3 А; б) 0,4 А; в) 0,5 А; г) 0,6 А.

9.    (3 балла) Три резистора соединены в элек трическую цепь (рис. 3). Сколько теплоты выделится в цепи за 2 с, если сила тока в резисторе 1 равна 1 А, а сопротивление каждого резистора 2 Ом? а) 1 Дж; б) 2 Дж; в) 6 Дж; г) 12 Дж.

10.    (3 балла) Два резистора сопротивлениями 3 и 6 Ом соединены параллельно и подключены к источнику тока. Определите мощность тока в каждом резисторе и на всем участке, если напряжение на зажимах источника тока 12 В.

11.    (4 балла) Транспортер поднимает груз массой 300 кг на высоту 16 м за 2 мин. Определите силу тока в электродвигателе транспортера, если напряжение в сети равно 380 В, а КПД транспортера составляет 60 %.

12.    (4 балла) В электрический чайник, сопротивление спирали которого 110 Ом, налили 2 л воды. Чайник включили в электрическую сеть напряжением 220 В и через 0,5 мин выключили. На сколько градусов увеличилась температура воды в чайнике, если КПД чайника составляет 70 %?

13.    (4 балла) Три резистора соединены так, как показано на рис. 4, и подключены к батарее гальванических элементов. Напряжение на зажимах батареи равно 12 В, сопротивление каждого резистора — 6 Ом. Определите мощность, потребляемую каждым резистором.

14.    (4 балла) Никелирование металлической пластины происходило при силе тока 0,89 А и продолжалось 1 ч 36 мин. Определите толщину слоя никеля, покрывшего пластину, если площадь поверхности пластины 96 см².

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте

задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов.

Потом эту сумму разделите на три. Полученный результат будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

От лейденских банок до суперконденсаторов

На XVin-XIX вв. приходится ряд изобретений, которые дошли до нашего времени (разумеется, определенным образом модернизированными).

Например, изучая влияние электрического поля на разные объекты, английский ученый Майкл Фарадей сконструировал клетку в виде куба с ребром 4 м, покрыл ее стенки материалом, являющимся хорошим проводником, и изолировал клетку от земли. По мнению ученого, это сооружение должно было стать надежной защитой от влияния электрического поля. Чтобы проверить эффективность устройства, ученый взял сверхчувствительный электроскоп и зашел с ним в клетку. Ассистенты создавали извне мощные электрические разряды, но электроскоп не зарегистрировал наличие электрического заряда в клетке. Устройство получило название клетка Фарадея, и сейчас ее модернизированный аналог применяется для защиты от действия электромагнитных полей.

Клеткой Фарадея «наоборот» пользуется большинство из нас, разогревая еду в микроволновой печи. Металлический корпус печи и сетка, нанесенная на стекло дверцы, «не выпускают» электромагнитные волны наружу.

Электрический заряд и связанная с ним энергия имеют очень большой недостаток — их сложно накапливать. Мы все знаем «емкости для электричества» — батареи и аккумуляторы. Еще одно устройство для накопления электрического заряда — лейденская банка (рис. 1), созданная в середине XVIII в. в городе Лейден (Голландия).

Устройство представляет собой стеклянную банку, обклеенную изнутри и снаружи металлической фольгой. Соединение с внутренней оболочкой осуществляется с помощью металлического стержня, закрепленного внутри банки. Чтобы зарядить лейденскую банку, нужно прикоснуться к стержню заряженным телом (при этом банку необходимо держать в руке — так внешняя оболочка банки соединяется с землей). Если проделать эту операцию

несколько раз, в банке можно накопить значительный заряд (рис. 2).

Принцип действия лейденской банки положен в основу конструкции, которая по имени изобретателя названа генератор Ван де Граафа(рис. 3). Это устройство работает следующим образом. Внутрь изолированного шара (1), изготовленного из проводника, введена лента (2) транспортера, находящаяся в постоянном движении. Двигаясь, лента заряжается и передает заряд на шар. Генератор Ван де Граафа является «сердцем» некоторых современных ускорителей, используемых для изучения микромира (рис. 4).

А может ли лейденская банка быть полезна в повседневной жизни? Оказывается, да!

Известно, что автомобильный аккумулятор весит свыше десяти килограммов, причем это тяжелое устройство работает на полную мощность всего несколько секунд — когда нужно завести двигатель. Остальные потребности электрической системы автомобиля удовлетворяет генератор, а для питания ламп на парковке достаточно маленькой батарейки. Зачем же возить лишние килограммы? Таким вопросом задались и инженеры. На сегодня они уже изобрели способ существенно уменьшить размеры аккумулятора, применив современный аналог лейденской банки — суперконденсатор(рис. 5), энергия которого используется только при запуске двигателя. Размеры и масса суперконденсатора намного меньше аккумулятора автомобиля.

Ориентировочные темы проектов

1.    Электричество в жизни человека.

2.    Современные бытовые и промышленные электрические устройства.

3.    Применение электролиза в практической деятельности человека.

4.    Применение газового разряда в практической деятельности человека.

5.    Влияние электрического тока на организм человека.

Темы рефератов и сообщений

1.    Из истории изучения электрических явлений.

2.    Статическая электрика в нашей жизни и в живой природе.

3.    Электросмог вокруг нас.

4.    Георг Симон Ом: история жизни.

5.    Современные источники питания для электронных устройств.

6.    Применение электричества в медицине.

7.    Действие электрического тока на клетки растений, живых существ.

8.    История электрической лампы.

9.    Азбука Морзе и электрический телеграф.

10.    Основные правила монтажа осветительной и силовой сетей.

11.    Сверхпроводимость: история открытия и перспективы применения.

12.    История электролиза.

13.    Вклад украинских ученых в развитие электросварки.

14.    Как работает сенсорный экран.

15.    Электрический ток в полупроводниках.

16.    Как был изобретен молниеотвод.

Темы экспериментальных исследований

1.    Создание электроскопа и исследование электростатических явлений.

2.    Интересные опыты по электростатике.

3.    Визуализация силовых линий электрического поля с помощью соломенных «стрелок», манной крупы, семян фенхеля.

4.    Создание различных источников электропитания.

5.    Влияние электрического поля на качество семян и урожайность.

6.    Исследование электропроводности разных жидкостей.

7.    Исследование электроснабжения квартиры.

Перед началом работы над проектом, рефератом, экспериментальным исследованием внимательно ознакомьтесь с советами на с. 227-228 учебника.

ЭТАПЫ РАБОТЫ НАД УЧЕБНЫМ ПРОЕКТОМ

1.    Организационный этап. Выбор темы учебного проекта, обсуждение цели и задач проекта, составление плана его реализации.

План проекта — это документ, который содержит заранее намеченный порядок действий, необходимых для достижения цели проекта.

План помогает оценить собственные возможности и выявить проблемы, которые могут возникнуть во время работы.

Целесообразно определить содержание этапов работы над проектом, виды работ на каждом этапе, сроки их выполнения, обязанности и ответственность каждого участника проекта.

2.    Подготовительный этап. Поиск информации по теме учебного проекта, а также информации, помогающей в решении задач проекта.

Отобранные материалы следует сразу сортировать. Для этого часто используют портфолио.

Портфолио проекта — это упорядоченная подборка материалов, собранных с определенной целью.

Электронное портфолио проекта — это сборник электронных материалов проекта, упорядоченных в соответствии с определенной структурой.

Электронное портфолио позволяет осуществлять быстрый поиск документов; его легко редактировать, дополнять, переносить, хранить и т. д.

Используя дополнительную литературу, интернет-ресурсы и т. п., не забывайте сохранять ссылку на каждый источник информации — записывать название ресурса, имя автора. Помните об авторском праве!

3.    Проектный этап. Обработка собранной информации, создание моделей, формулирование выводов и предложений.

Для уточнения собранной информации и получения дополнительной можно обращаться к справочникам, словарям, а также к учителю.

4.    Этап оформления. Оформление результатов работы над учебным проектом, создание презентации для защиты проекта.

Чтобы презентация проекта прошла успешно, нужно отвести время для ее тщательной подготовки. Убедитесь, что все задания проекта выполнены. Подготовьте доклад. Для доклада выбирайте самое главное, излагайте свои мысли кратко, четко, понятно.

Если вы планируете презентацию проекта с компьютерной поддержкой, то заранее составьте план, в котором укажите последовательность слайдов и их соответствие тексту доклада. Ориентировочно это можно сделать так:

5.    Презентационный этап. Демонстрация результатов учебного проекта, защита идеи проекта и полученных результатов.

6.    Итоговый этап. Анализ выполнения задач учебного проекта, определение результатов проекта: какую пользу принес или может принести проект.

Общие правила презентации проекта

1.    Делать доклад следует с хорошим настроением. Не забывайте о своем внешнем виде, следите за осанкой.

2.    В начале выступления нужно представиться, сообщить о теме доклада и проблеме, над которой вы работали.

3.    Во время доклада смотрите на аудиторию.

4.    Слова произносите громко и четко.

5.    Не читайте доклад с листа, а только сверяйтесь с заметками, чтобы ничего не пропустить.

6.    Следите за временем выступления. Оно не должно превышать регламент.

Регламент — это время, отведенное на выступление. О своем регламенте следует узнать заранее, еще при подготовке к выступлению.

7.    Будьте готовы ответить на вопросы. Ответ на любой вопрос желательно начинать с благодарности тому, кто его задал.

8.    После завершения доклада и ответов на вопросы поблагодарите всех присутствующих за внимание.