Электрический ток в газах и вакууме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

тема: Электрический ток в газах и вакууме

Цель: Познакомится с методикой и техникой физического эксперимента по данной теме. Усвоить основные демонстрации по электрическому току в вакууме.

Оборудование к работе: универсальный выпрямитель ВУП, электронная лампа (диод), триод на панели, трубка электронно-лучевая демонстрационная, реостаты сопротивлением 30 Ом, 100 Ом, 10 кОм, демонстрационные гальванометры от амперметра и вольтметра, трансформатор универсальный, дроссельная катушка, громкоговоритель, эбонитовая палочка, дугообразный магнит, кусок шерстяной ткани, конденсатор емкостью 0,5-1,0 мкФ.

Задание 1: ознакомится с содержанием темы «Электрический ток в вакууме», «Электромагнитные колебания», по школьным учебникам. Усвойте следующие понятия: газовый разряд, ионизация газов, рекомбинация, самостоятельный и несамостоятельный разряды, тлеющий, коронный и искровой разряды, электрическая дуга, плазма.

Задание 2: Ознакомиться по программе с обязательными демонстрациями по данной теме.

Задание 3: Продемонстрировать несамостоятельный разряд. Л: 1. С.153; 3. С. 184-185 (задание 1-2); 3. С.186; 5. С.216-217.

Задание 4: Продемонстрировать проход электрического тока через воздух (Тлеющий разряд). Познакомится с применением тлеющего разряда. Л: 1. С.154-155; 3. С. 190; 4. С.190-192; 5. С.206-228.

Задание 5: Продемонстрировать дуговой разряд и его использование для сваривания металлов. Л:3. С.189; 4. С.189-190; 5. С.221-224.

Задание 6: Продемонстрировать коронный разряд. Л: 1. С.155; 3. С.187; 5. С.219-220

Задание 7: Провести опыты с трансформаторами Тесла. Л: 3. С.78; инструкция к прибору.

Задание 8. Изучите по школьным учебникам темы: «Электрический ток в вакууме», «Электромагнитные колебания». Усвойте следующие понятия: термоэлектронная эмиссия, вакуум, диод, триод, электронные пучки, электронно-лучевая трубка, вольт-амперная характеристика диода, сеточная характеристика триода, потенциал запирания триода, колебательный контур, ламповый генератор.

Задание 9. Изучите по описанию диод электровакуумный демонстрационный, триод на панели, трубку электронно-лучевую демонстрационную, повторите эксплуатационные характеристики универсального выпрямителя ВУП-2 и универсального трансформатора.

Ознакомьтесь с опытами по электрическому току в вакууме

Задание 10: Получить вольт-амперную характеристику диода. Л: 1. С.145-146; 3. С.195; 4. С.178-179; 5. С.126-127.

Задание 11: Продемонстрировать принцип действия электронно-лучевой трубки. Л: 1. С.147-148; 3. С.193; 4. С.179-181; 5. С.116-117, 140-143.

Контрольные вопросы.

1. Какие демонстрации темы присутствуют в программе по физике в средней школе?

2. На чем основан принцип работы люминесцентной лампы? Какая роль у дросселя и у стартера?

3. Охарактеризуйте приборы необходимые для демонстрации несамостоятельного разряда.

4. Каков будет результат опыта, если вместо горящей спички направить в пространство между конденсаторами свет дуговой лампы?

5. Какие условия необходимо создать чтобы разряд стал самостоятельным?

6. Какие приборы можно использовать для заряда конденсатора?

7. Дайте характеристику приборам, применяемым для демонстрации тлеющего разряда.

8. Какое необходимо давать напряжение на электроды трубки для лучшего эффекта опыта?

9. Чем объяснить существование «тлеющих областей» при наблюдении тлеющего разряда в трубке?

10. Правомерно ли утверждение, что излучение света при разряде возникает в результате столкновения атомов и электронов?

11. Изобразите ВАХ тлеющего разряда.

12. Принцип работы, схема включения, назначение стартера и дросселя в цепи лампы.

13. Охарактеризуйте приборы необходимые для демонстрации дугового разряда.

14. Почему дуговой разряд возникает при низком напряжении между электродами?

15. Почему в цепи подключения используют двойной реостат?

16. Чем объяснить возрастание тока в начальный момент времени при получении дуги?

17. Охарактеризуйте приборы необходимые для демонстрации коронного разряда.

18. Чем объяснить существование коронного разряда на остриях и сильно закрученных поверхностях?

19. Можно ли назвать полярное сияние коронным разрядом?

20. Дайте характеристику трансформатору Тесла, какие к нему подводятся питающие напряжения, какую роль играет заземление?

21. Что выступает в роли конденсатора вторичного контура трансформатора?

22. Объясните возникновение свечения в трубке при подключении ее к вторичной катушке трансформатора Тесла.

23. Охарактеризуйте приборы, необходимые для демонстрации по теме «Электрический ток в вакууме»

24. Изобразите ВАХ диода.

25. Можно ли вместо диода при снятии ВАХ использовать триод, тетрод ,пентод?

26. Будет ли изменятся ток диода, если к нему поднести постоянный магнит, заряженную эбонитовую палочку?

27. Каким образом в электронно-лучевой трубке происходит фокусировка луча?

28. Чем объяснить перемещение в электронно-лучевой трубке светового пятна при поднесении постоянного магнита?

1. Несамостоятельный разряд

А) установку собирают по рисунку 1. Пластины разборного конденсатора соедениняют с корпусом и стержнем электрометра. Расстояние между пластинами устанавливают 2- 3 см. с помощью эбонитовой палочки (или другим способом) заряжают электрометр и одновременно конденсатор. Наблюдают отсутствие опадания стрелки электрометра.

Снизу к пластинам конденсатора подносят горящую спичку, наблюдают происходящее явление. Делают вывод.

Рис. 1

Вопрос. Допустим, что электрометр в одном случае заряжен положительно, а в другом отрицательно до одного и того же потенциала. В каком случае при одном и том же ионизаторе разряд по опыту 1 протекает быстрее?

2. Тлеющий разряд

Включают высоковольтный преобразователь и насосом Комовского откачивают воздух из трубки до тех пор, пока не появится разряд в трубке. Продолжая откачивать воздух, наблюдают изменение вида разряда.

Вопрос. Можно ли продемонстрировать работу трубки с двумя электродами, применяя вместо преобразователя «Разряд-1» эбонитовую палочку?

3. Дуговой разряд

Задание. Покажите принцип применения в технике дугового разряда для сварки металлов под водой.

Для этого соберите установку, изображенную на рисунке 2. Возьмите две железные пластинки толщиной 0,5--1 мм, сложите их вместе и зажмите плотно в ручных тисках. Место сварки зачистите напильником. Тиски соедините толстым медным проводом . (сечение не менее 25 мм2). Изолируйте конец тисков асбестом и укрепите их в штативе. Угольный электрод соедините таким же толстым медным проводом.

Конец электрода оберните асбестом или наденьте на него резиновую трубку и укрепите в штативе.

Возьмите большой кристаллизатор (или аквариум), заполните его водой, установите под водой подготовленные два электрода так, чтобы их концы не касались дна сосуда.

Образуйте дугу под водой между угольным стержнем и стыком пластинок (в такой же последовательности, как было указано в работе № 4). Аккуратно перемещая угольный электрод вдоль стыка пластин, сохраняя дугу, покажите возможность сваривать пластинки.

Примечания

1. Остерегайтесь разбрызгивания воды, вызванного образованием пузырьков пара. Во избежание излишнего неравномерного нагрева сосуда опыт надо показывать в течение короткого времени.

2. Во время проведения этого опыта в школе необходимо перед установкой поставить в вертикальном положении толстое стекло для защиты глаз учащихся от ультрафиолетового излучения. Сам преподаватель проводит демонстрацию в очках с синими защитными стеклами.

Получение дугового разряда в атмосферном воздухе рассмотрено в работе «Электрораспределительный щит» данного пособия.

электрометр разряд ток вакуум

Рис. 2.

Вопрос. Почему дуговая электросварка осуществляется при более высоком напряжении (порядка 70 В), чем напряжение, при котором возникает -дуга в атмосферном воздухе (40--45 В) при прочих равных условиях? '

4. Коронный разряд

Провода диаметром 0.2-0.3 мм от борнов высоковольтного преобразователя «25 кВ» протягивают между изолирующими штативами. При включении преобразователя замечают около проводов слабое свечение. Наблюдать коронный разряд можно только в затемнённом помещении.

Вопрос. При каком диаметре провода лучше наблюдать коронный разряд?

5. Трансформатор Тесла

Трансформатор Тесла (рис. 3) позволяет получить ток высокого напряжения и высокой частоты. При помощи его можно показать много интересных демонстраций, иллюстрирующих свойства высокочастотных токов, которые широко применяются в современной науке и технике.

Трансформатор Тесла состоит из первичного колебательного контура и индуктивно связанного с ним вторичного контура. Первичный контур состоит из конденсатора переменной емкости, образованного плоскопараллельными пластинами, переменной индуктивности (несколько витков толстой проволоки) и искрового промежутка.

Рис.3

Вторичный контур состоит из цилиндрической многослойной катушки, один из концов которой присоединен к шарику наверху катушки, второй - к заземленному металлическому стержню на основании каркаса катушки. Этот стержень вставляется в отверстие панели прибора, чем достигается центровка первичной катушки.

Емкостью вторичного контура служит распределенная емкость между витками вторичной катушки.

Настройка контуров в резонанс производится изменением индуктивности первичной катушки и емкости конденсатора. Настройку надо производить во время демонстрации. Питание трансформатора Тесла производится от вторичной обмотки высоковольтного индуктора.

При работе с прибором следует строго соблюдать правила техники безопасности.

Основные технические данные

Максимальная емкость конденсатора мкф. Индуктивность первичной катушки колебательного контура - 11 мкгн.

Ознакомьтесь с устройством трансформатора Тесла и составьте его принципиальную схему.

Соберите установку по рисунку 4

Рис. 4

Отрегулируйте искровой промежуток в трансформаторе Тесла так, чтобы в нем возникла искра.

Покажите в затемненной комнате коронный разряд около шарика вторичной катушки.

Изменяя емкость или индуктивность первичного контура, настройте его в резонанс со вторичным контуром и покажите, что в этом случае возникает максимальный искрового разряд около шарика вторичной катушки.

Не изменяя частоты колебаний, возбуждаемых трансформатором Тесла, установите, как влияет на разряд состояние искрового промежутка первичного контура.

Каково влияние оказывает заземление прибора?

Какого назначение искрового промежутка?

Задание.

Покажите свечение газов под действием токов высокой частоты.

Настройте контуры трансформатора Тесла в резонанс и поднесите к шарику его вторичной катушки газоразрядные трубки с различными газами(неон, водород и др.). Установите особенности свечения отдельных газов.

Покажите свечение стекла пустотной лампы накаливания.

Продемонстрируйте свечение неоновой лампы. Держа лампу за стеклянный баллон, поднесите её к шарику вторичной обмотки( обратите внимание, равномерно ли светиться весь баллон лампы ).

Задание.

Покажите свечение трубок Тесла.

Возьмите прямую трубку Тесла в руку за один конец, а за другой конец её поднесите к шарику вторичного контура трансформатора Тесла.( не ближе 2- 3 см). покажите, что в этом случае светиться вся трубка.

Сохраняя расстояние трубки от шарика, измените положение руки, удерживающей трубку, при этом изменяется и свечение трубки.

Покажите, что с удалением трубки от шарика свечение её уменьшается.

Явление термоэлектронной эмиссии.

Для изучения явления термоэлектронной эмиссии и принципа действия электронных ламп применяют диод электровакуумный демонстрационный (рис. 5. Диод представляет собой стеклянный баллон, в верхней части которого имеется анод в виде диска, а в нижней части - катод в виде спирали. Для подключения катода к источнику питания на цоколе лампы имеются две клеммы; для подключения анодного источника питания служит клемма в верхней части баллона и клемма накала.

Рис. 5

Установку собирают по рисунку 6(без вольтметра). На нить накала подают напряжение 6,3 В, на анод - регулируемое напряжение с выхода универсального выпрямителя «± 100В». В цепь анода включают гальванометр от амперметра.

Рис. 6

а) Перед демонстрацией опыта вводят полностью сопротивление в цепи накала R1, а ручку регулируемого напряжения «± 100В» устанавливают в среднее положение. Включают универсальный выпрямитель и перемещают движок реостата, уменьшая сопротивление катода, наблюдают свечение нити накала. Обращают внимание на показание гальванометра: оно равно нулю. Поворачивают ручку регулятора напряжения в сторону увеличения анодного напряжения, и следят за показанием гальванометра. Делают вывод. Не изменяя анодного напряжения, уменьшают ток накала помощью реостата R1, отмечают показания гальванометра; делают вывод.

б) Увеличивают ток накала до номинального значения и поворотом ручки регулятора напряжения «± 100В» подают на анод отрицательный потенциал. Отмечают, что ток гальванометра равен нулю. Делают вывод об односторонней проводимости диода.

Вопрос. Окажет ли влияние на анодный ток поднесенный к диоду сбоку постоянный магнит, наэлектризованная эбонитовая палочка?

Вольт-амперная характеристика диода.

Установку собирают по рисунку 6 Для измерения напряжения применяют демонстрационный гальванометр от вольтметра, для которого в качестве добавочного сопротивления применяют резистор сопротивлением 10 кОм, что изменяет предел измерения до 45 В. Устанавливают шкалу с 15 делениями(одно деление будет составлять 3 В).

Перед проведением опыта ручку регулятора напряжения 100 В ставят в среднее (нулевое) положение. Включают универсальный выпрямитель и добиваются нормального свечения катода. Подают на анод лампы напряжение 12 В и отмечают показания гальванометра, включенного в цепь анода. Изменяют анодное напряжение от 0 до 36 В (через 12 В) и каждый раз отмечают показания гальванометра.

Данные заносят в таблицу:

U, B	0	12	24	36
I, mA

По результатам опыта строят вольт-амперную характеристику диода. (Опыт можно повторить при другом напряжении накала катода.)

Вопрос. Какие источники электрического тока можно применить для питания анодной цепи?

6. Принцип действия электронно-лучевой трубки

Демонстрировать основные свойства электронных пучков можно с помощью электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). С помощью этого прибора можно наблюдать возбуждение люминофора экрана, отклонение и фокусировку электронных пучков в электрическом и магнитном поле. Источник анодного напряжения вмонтирован в прибор; питание накала (6,3В) осуществляют от постороннего источника. Изучают устройство электронно-лучевой трубки (рис.7). Находят электронный прожектор, флюоресцирующий экран, отклоняющие пластины, аноды.

Рис. 7

а) Ставят регуляторы «Яркость» и «Фокусировка» в крайнее левое положение. Включают штепсельную вилку в розетку. Подают напряжение 6,3В на катод и через 1 мин включают тумблер «Анод». Медленно вращая по часовой стрелке ручку «Яркость», регулируют свечение пятна на экране, а ручкой «Фокусировка» добиваются черного пятна. В процессе настройки можно перемещать и вращать постоянный круглый магнит, надетый на половину ЭЛТ.

б) Подносят к горловине электронно-лучевой трубки сверху постоянный дугообразный магнит, обращают внимание на смещение пятна на экране; делают вывод. Подносят магнит сбоку и вновь отмечают смещение пятна.

Вопросы допуска

1. Какие демонстрации предусмотрены школьной программой 10 класса по данной теме?

2. Что называют термоэлектронной эмиссией?

3. Охарактеризуйте следующие разряды:

- самостоятельный

-несамостоятельный

-тлеющий

-коронный

-дуговой

-шаровой

4. Чем обусловлена проводимость в вакуумных электроприборах и газовых средах?

5. Какие демонстрации по данной теме предусмотрены в учебниках 10 класса?

6. Что называют вольт-амперной характеристикой?

7. Описание каких газоразрядных и электро-вакуумных приборов и устройств имеются в школьных учебниках 10 класса?

Литература

1. Анциферов Л.И. Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента. М., «Просвещение», 1984г.

2. Коршак Е.В. Методика и техника школьного физического эксперимента. Практикум. Киев, «Высшая школа», 1981

3. Марголис А.А. Практикум по школьному физическому эксперименту. Изд.3, М., «Просвещение», 1977г. (1960г.)

4. Шахмаев А.М. Физический эксперимент в средней школе. М., «Просвещение», 1989г.

5. Мякишев Г.Я. Физика 10кл.; Шахмаев Н.М. Физика 10кл.

6. Программы по физике для средней школы.

Размещено на Allbest.ru