Исследовательская работа по теме: «Исследование электрического разряда в инертных средах»

Цели урока

1. Образовательная - добиваться усвоения следующих знаний:

• Определение направления силы Ампера

• Закон Ампера.

2. Воспитательная:

• В каждом знании есть то, что не зависит от познающего субъекта.

• Истина конкретна: каждое научное положение справедливо лишь для определенного круга явлений, для определенных условий, т. е. имеет определенные границы применимости.

Ход урока:

I. Актуализация знаний. (10 минут)

I. На лекции мы познакомились с характером магнитного поля и законом Ампера. Давайте составим вопросы, на которые мы можем ответить, изучая эту тему.

1. Каким является магнитное поле?

Какие из этих полей являются вихревыми?

Рисунок 1.  Рисунок2.Рисунок 3. 

Рисунок 4. Рисунок 5. 

2. В каком случае поля можно считать однородными?

Рисунок 6. Рисунок 7.Рисунок 8. 

Рисунок 9.  Рисунок 10. Рисунок 11. 

3. Как направлены силовые линии магнитного поля?

Верно, ли указаны силовые линии?

Рисунок 12.Рисунок 13Рисунок 14. 

4. Сформулируйте правило правой руки. Определите направление силовых линий поля по правилу правой руки.

Рисунок 15. Рисунок16.  Рисунок 17. 

5. Сформулируйте правило левой руки

Руку левую возьми,
Большой палец отогни,
Поле пусть войдет в ладошку,
Поклюет ее немножко,
Пальцы вытяни далеко,
Пусть покажут силу тока.
Вдоль большого пальца смело
Нарисуй силу Ампера.

6. Как читается закон Ампера?

Оценка:

За каждое правильное задание 1 балл.

Итак, мы вспомнили материал, изученный в 9 классе и прошлой лекции.

Цель сегодняшнего урока – научиться находить силу Ампера и величины, входящие в закон Ампера.

2. Организация деятельности учащихся по усвоению знаний (закон Ампера). (25-30 минут)

Исходя из закона Ампера, определяем возможный порядок действий и запишем их на доске. Т.к.  - векторная величина.

• Определим направление силы Ампера.

• Определим силу тока.

• Определим вектор .

• Определим l

• Определим угол между I и .

• Переведем единицы в систему Си.

• Запишем формулу закона Ампера.

• Подставим значения и вычислим.

• Запишем ответ.

Уточняем, меняем местами пункты. Доску с записями закрываю.

Возьмите лист рабочей тетради и восстановите порядок действий.

Опираясь на порядок действий первое задание, выполним вместе.

Для этого воспользуемся учебной картой (Приложение 1) и моделью руки.

Задание 1.

 

Рисунок 18.

I=2A, l=20 см, B=0.5 Тл, =90⁰.

l=20см=0,2 м.

F_A=BIlsin.

• __________________________________________________________________________

• __________________________________________________________________________

• __________________________________________________________________________

• __________________________________________________________________________

• __________________________________________________________________________

• __________________________________________________________________________

• __________________________________________________________________________

• __________________________________________________________________________

• __________________________________________________________________________

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:

Инертная среда	Цвет разряда
Воздух	Малиновый или фиолетовый
Неон	Ярко-оранжевый
Неон с флуоресцирующим покрытием	Холодно-бирюзовый
Ксенон	Светло-фиолетовый
Криптон	Светло-розовый или кремовый
Аргон	Ярко-бирюзовый
Смесь аргона и криптона	Ярко-красны
Аргон с ртутью	Ярко-фиолетовый (ультрафиолет)

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

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

Соли	Цвет разряда
Соли натрия	Ярко-желтый или оранжевый
Соли кальция, стронция	Красный
Соли фосфора, бария, хлора	Ярко-зеленый
Соли меди (от пропорции)	От светло-синего до зеленого
Соли индия	Фиолетовый
Соли брома (от пропорции)	От красного до фиолетового
Соли калия	Ярко-синий
Соли лития	Розово-красный

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.