Исследовательская работа по теме: « Электрический разряд в инертных средах»

Исследовательская работа по теме:

«Исследование электрического разряда в инертных средах»

Автор:

Мамедов Владислав Марсельевич

МБОУ «Гимназия №4» г. Брянска

10 класс

Руководитель:

Тимонина Тамара Николаевна

учитель физики

МБОУ «Гимназия 4» г. Брянска

Брянск, 2013

Содержание стр.

Введение …………………………………………….3

Глава I. Теоретическая часть……………………. 4

Электрический разряд…………………………….. 4

Инертные газы ………………………………………4

Глава II. Практическая часть ……………………...5

Устройство для проведения исследования …….5

Исследование электрического разряда …………6

Заключение и выводы……………………………... 8

Список используемой литературы……………….. 8

Приложение………………………………………….. 9

Введение

Мы не можем представить нашу жизнь без электричества, но лишь не многие знают, что электрический ток бывает не только в розетке электросети, но и вокруг нас. Так, например, снимая шерстяной свитер, мы получаем, как нестранно, довольно большой электрический разряд, который можно наблюдать в темном помещении. А если потереть шерстяным пледом руку и дотронуться до металлического предмета, то в него стечет разряд. А почему это происходит? Именно это физическое явление заинтересовало меня и, и я решил его исследовать.

Цель данной работы: исследовать электрический разряд в газах, изучить реакцию ионов различных инертных газов в ионизированном поле.

Объектом исследования является: электрический разряд в газах. Предметом исследования является изменение цвета разряда в различных средах.

Гипотеза исследования: цвет электрического разряда напрямую зависит от среды, в которой он происходит.

Для достижения поставленной цели я определили для себя следующие задачи:

·  Изучить электрический разряд, как физическое явление;

·  Создать устройство для изучения электрического разряда.

Я использовали следующие методы исследования:

·  Анализ теоретических источников;

·  Констатирующий эксперимент

Значение исследования заключается в следующем: важно знать о явлениях, которые нас окружают, и изучать их. Моя исследовательская работа содержит в себе все основные понятия об электрическом разряде и его видах, а также материал об устройстве, с помощью которого, можно исследовать электрические разряды.

Теоретическая часть

Электрический разряд

Электрический разряд – это сложное физическое явление, которое представляет собой процесс протекание электрического тока через среду с высокой электропроводимостью. Различают два вида электрического разряда самостоятельный и несамостоятельный электрические разряды.

Несамостоятельный разряд — протекает за счёт внешнего источника свободных носителей заряда. Самостоятельный разряд — протекает и после отключения внешнего источника свободных носителей заряда.

В данной работе большее внимание будет уделено именно самостоятельный разрядам, и тому, как изменяется газовая среда при прохождении через нее электрического разряда.

Разряд способен проходить через газовую среду только при его ионизации. Процесс ионизации – это насыщение пространства свободными, положительно заряженными ионами и электронами. В процессе исследования мы сможем наблюдать ионизацию и возбуждение пространства.

Если подробнее рассмотреть электрический разряд, протекающий в газе, например в воздухе, то его возникновение говорит о том, что существует разность потенциалов между обкладками анода и катода, другими словами, для возникновения разряда необходимо наличие высоковольтного источника электрического тока. Для воздуха минимальное значение напряженности, необходимое для появления разряда, составляет 9 вольт.

Инертные газы

В таблице Дмитрия Ивановича Менделеева инертные или благородные газы имеют нулевую группу, их внешние энергетические уровни полностью заполнены, поэтому долгое время считалось, что эти вещества не вступают в химические реакции.

Инертные газы имеют низкие температуры сжижения и затвердевания при нормальном давлении, это говорит об очень слабом межмолекулярном взаимодействии. В случае же сильной ионизации, как при протекании разряда в неоновой рубке, электроны атомов этих газов могут вылетать, образуя заряженные частицы.

Инертные газы находят многочисленное применение, например в воздухоплавательном аппарате, при сваривании металлов, так как температура их горения очень высока.

Выделяют следующие благородные газы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, в том числе водород.

Практическая часть

Устройство для проведения исследования

Практическая часть состоит из двух частей. Первая часть работы - создать устройство для демонстрации электрического разряда и возбужденности пространства, вторая часть – исследования разряда при его протекании в различных инертных средах.

Универсальным устройством для демонстрации электрического разряда является высокочастотный резонансный трансформатор Николы Тесла (см. Приложение стр. 9).

Устройство трансформатора представляет собой двойной колебательный контур, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов, кроме того между обмотками не имеется ферримагнитного сердечника – индуктивные связи устанавливаются косвенно, через диэлектрическую среду.

При работе трансформатора можно наблюдать такие эффекты:

·  Ионизация пространства;

·  Дуговой и коронный разряды;

·  Плазма, при пониженном давлении (см. Приложение стр. 10).

Трансформатор Тесла является источником высокочастотных колебаний. В 1896 был представлен в Чикаго, как волновой передатчик. Волны, производимые трансформатором, не слышимы для человека. На сегодняшний день существует 4 модификации трансформатора:

1.  SGTC (Spark Gap Tesla Coil) - классический трансформатор Тесла, генератором в котором служит искровой промежуток.

2.  VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) - ламповый трансформатор Тесла. В нем в качестве генератора ВЧ колебаний используются электронные лампы.

3.  SSTC (Solid State Tesla Coil) - генератор выполнен на полупроводниках.

4.  DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) - колебателем контура является генератор на полупроводниковых ключах  IGBT транзисторах или тиристорах.

В исследовании использовались SGTC и SSTC трансформаторы. Эти модификации имеют более высокий коэффициент полезного действия и понятны с точки зрения устройства (см. Приложение ,3 стр.9,11).

Исследование электрического разряда

Для исследования электрического разряда были использованы газоразрядные трубки с инертными наполнителями. В газоразрядной трубке газ имеет пониженное давление, за счет этого требуется меньше энергии для возбуждения электронных оболочек атомов газа.

При протекании разряда через газоразрядную трубку, его цвет изменялся, в зависимости от инертного наполнителя. В некоторых случаях возможно несколько вариантов цвета свечения, это связано с тем, что газ, под действием электрического тока, переходить в изотопы. В ходе исследования была составлена спектральная таблица, в которой отражена зависимость цвета от среды:

Таблица 1. Зависимость цвета разряда от среды протекания (инертные газы).

Также удалось составить таблицу по зависимости цвета разряда от наличия среды солей щелочных металлов:

Таблица 2. Зависимость цвета разряда от среды протекания

(соли щелочных металлов).

Объяснить, почему меняется цвет разряда, можно с помощью спектроскопа Бунзена–Кирхгофа (см. Приложение 4 стр. 12).

Заключение и выводы

Проведенный эксперимент по выявлению связи цвета разряда и среды, в которой он протекает, показал, что в зависимости от того, какой инертный наполнитель или какая соль щелочного металла, будет присутствовать в среде протекания, цвет разряда будет меняться.

Цель, которая была поставлена вначале работы, полностью выполнена. Я исследовал электрический разряд в газах, использую газоразрядные лампы с инертными наполнителями, также изучил реакцию ионов различных солей в ионизированном поле.

Таким образом, электрический разряд способен менять свою окраску, в том случае, если он протекает через среды инертных газов и соли щелочноземельных металлов.

Подробно ознакомиться с теоретическими сведениями можно в полной исследовательской работе.

Список используемой литературы

1.  Ожегов, С. И., Шведова, Н. Ю. Толковый словарь русского языка/С. И. Ожегов, Н. Ю. Шведова [Текст]. - М: Азбуковник, 1999.

2.  Райзер, Ю. П. Физика газового разряда Наука/Ю. П. Райзер [Текст]. - М: Знание, 1992. 

3.  Шахмаев Н. М. «Физика 10 класс» /Н. М. Шахмаев [Текст]. - М: Просвещение, 1991.

4.  Шибков, Л. В. Шибкова, В. М. Разряд в смесях инертных газов/ Л. В Шибков, В. М Шибкова [Текст]. - М: Физматлит, 2005.

Приложение

На фото: трансформатор Николы Тесла (SGTC).

Фотограф: Щербаков Дмитрий.

Приложение

На фото: плазма, протекающая в лампе накаливания, при низком давлении.

Фотограф: неизвестен.

Приложение

На фото: Трансформатор Николы Тесла (SSTC).

Фотограф: Мамедов Владислав.

Приложение №4

Схема устройства спектроскопа Бунзена–Кирхгофа:

1.  спектр

2.  телескопическая система

3.  призма

4.  коллиматор

5.  диафрагма

6.  источник света

В 1857 году Роберт Бунзен, профессор химии знаменитого университета в маленьком немецком городке Гейдельберге, придумал газовую горелку, которая и сейчас применяется в любой химической лаборатории. В том же университете работал и профессор физики Густав Кирхгоф. В 1859 году вместе с Бунзеном он разработал простой прибор, который назвали спектроскопом.

Когда Бунзен и Кирхгоф ввели в пламя газовой горелки кристаллик хлорида натрия, выходящий после призмы, пучок света содержал пару ярко-желтых линий. Если же в пламя они вводили каплю водного раствора хлорида стронция, на белом экране появлялись две яркие красные линии. Оказалось, что каждый атом, в каком бы соединении он ни находился, имеет свой набор линий в спектре. Эти линии назвали спектральными.