Лабораторная работа n 2-07

Изучение электропроводности газов

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить электропроводность неоновой лампы, снять вольтамперную характеристику и определить напряжения зажигания и гашения.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Газы в естественном состоянии не проводят электричества и являются изоляторами – в них отсутствуют свободные заряды. Опыт показывает, что газы становятся проводниками, если подвергать их различным внешним воздействиям (нагрев, электрическое поле, излучение). Под действием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы (ионы и электроны). Процесс образования ионов в газах называют ионизацией газов, а возбудителей ионизации – ионизаторами. Процесс ионизации заключается в том, что под действием ионизаторов от атома газа отщепляется один или несколько электронов. В результате этого вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще одни носители тока – отрицательные ионы.

Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии – энергии ионизации. Она зависит от строения атома. Обычно вводят коэффициент α, характеризующий число возникающих пар ионов в единице объема в процессе ионизации в единицу времени.

После прекращения действия ионизатора ионы в газе исчезают не сразу, а постепенно. Объясняется это тем, что ионы участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они могут соединиться в нейтральный атом. Точно также при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов. Если для ионизации атома необходимо затратить энергию, то при рекомбинации ионов эта энергия освобождается. Чаще всего она излучается в виде света, поэтому рекомбинация сопровождается свечением газов. Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации также будет большим, а свечение рекомбинации может быть очень сильным. Число актов рекомбинации пропорционально числу соударений разноименных ионов, а оно пропорционально как общему числу положительных ионов, так и общему числу отрицательных ионов, то есть ~ n². Вводят коэффициент рекомбинации β, считая, что число актов рекомбинации равно β ^. n².

Если в ионизированном газе создать электрическое поле, то наряду с беспорядочным тепловым движением, возникнет направленное упорядоченное движение ионов – электрический ток в газах. Положительные ионы движутся в направлении поля, отрицательные – в противоположном направлении.

Движение ионов в газах более сложно, чем электронов в металлах. В металлах концентрация электронов постоянна и зависит от природы металла. В газах же часто наблюдается

 dn^±  неравномерное распределение ионов между электродами  ≠ 0.

 dx 

Кроме того, в результате ионизации электронными ударами могут возникать в ионизированном газе ионы, и электроны. Поэтому вольтамперная характеристика для тока в газе, как правило, не бывает простой.

Если ток в газе существует только при действии внешнего ионизатора, он называется несамостоятельным газовым разрядом. Если же при прекращении действия ионизатора разряд (ток) продолжается, то ионы, необходимые для поддержания электропроводности газа, создаются самим разрядом в результате процессов, происходящих в газе. Это – самостоятельный разряд. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя газового промежутка или напряжением зажигания газового разряда. Напряжение зажигания зависит от расстояния между электродами, формы электродов, а также от природы и давления газа.

Рис. 1.

На рис. 1 показана вольтамперная характеристика для неоновой лампы. Лампа состоит из стеклянного баллона, в который впаяны два электрода – катод и анод – в виде металлических пластинок, расположенных на расстоянии 2-3 мм друг от друга. Баллон наполнен неоном при низком давлении (10-15 мм рт.ст.). После зажигания лампа может гореть уже при более низком напряжении U, чем U_3. Гаснет она при некотором напряжении U₂<U₃, называемом напряжением гашения. При малом напряжении на электродах ток через лампу равен нулю. При вспыхивании лампы ток скачком достигает величины Ι₃. При дальнейшем увеличении напряжения ток в лампе все время возрастает по прямой аb. Если уменьшать напряжение, то ток уменьшается по прямой bc, близкой к аb. Для упрощения математического описания будем считать, что прямые аb и bc совпадают. Когда лампа горит, ее внутреннее со-

противление есть величина постоянная: R_{л =} ^dU . Из графика следует, что dI

dU U −U ^Г

R_л = = . dI I − I _Г

Если лампа не горит (I =0 ), то ее сопротивление R = ∞ . Поэтому I₂ = 0 и

U −U _Г

R_л =

I

III. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка.

Принципиальная электрическая схема установки приведена на рис. 2.

Рис.2.

Постоянное напряжение с блока питания через потенциометр подается на неоновую лампу для ограничения тока в лампе в цепь последовательно включено высокоомное сопротивление.

Для измерения тока и напряжения в цепь включены вольтметр и миллиамперметр.

Установка работает следующим образом. При постепенном повышении напряжения между электродами лампы, увеличивается напряженность электростатического поля. При некотором значении напряженности электростатического поля начинается ионизация газа в лампе, ток резко возрастает и в лампе появляется оранжевое свечение. Дальнейшее повышение напряжения приводит к линейному возрастанию тока в лампе. При уменьшении напряжения ток уменьшается и по достижении некоторого значения свечения гаснет , а ток резко уменьшается почти до нуля. Напряжение, при котором лампа загорается, называется напряжением ионизации, а при котором гаснет – напряжение гашения.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Вывести ручку потенциометра в крайнее левое положение.

2. Включить лабораторную установку. При этом показание вольтметра и миллиамперметра должны быть равны нулю.

3. Вращая ручку потенциометра, произвести замеры напряжения и тока примерно через 10-15 В. После достижения 65 В замеры напряжения проводить через 5 В. После зажигания лампы продолжить повышать напряжение еще на 15-20 В, замеряя ток через каждые 3-5 В.

4. Провести уменьшение напряжения на лампе в обратном порядке, заменяя значения тока. Постараться зафиксировать точное значение напряжений зажигания и гашения.

5. Выключить установку и привести рабочее место в порядок.

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Занести показания приборов в таблицу .

2. По данным таблицы на миллиметровой бумаге построить график зависимости I=f(U).

3. Используя полученные данные, установить значения напряжения зажигания и гашения.

4. Результат представить в виде

U_з =

U_г =

5. Оцените погрешность значений U_з и U_г

4. ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И.В. Курс общей физики , т. 1.– М.: Наука, 2007.

2. Калашников Н.П., Смондырев М.А. Основы физики. т. 1, .– М.: Дрофа, 2003.

3. Трофимова Т.И. Курс физики,М.: Наука, 2005.

Таблица

U, В

I, мА

Место для графиков.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Объясните механизм электропроводности газов.

2. Запишите закон Ома для тока в газах.

3. Что такое подвижность ионов?

4. Какие различия между несамостоятельным и самостоятельным разрядами?

5. Что называют потенциалом зажигания и потенциалом гашения?

Ответы на контрольные вопросы.