Электропроводимость пламени

муниципальное бюджетное образовательное учреждение «Лицей»

Исследовательская работа по физике

«Электропроводимость пламени»

Выполнила:

Ученица 11а класса

Соловьева Дарья

Вячеславовна

Руководитель:

Учитель физики

Кочешков Дмитрий Сергеевич

Арзамас, 2014

Введение.

В 10 классе, проходя тему постоянный электрический ток, учитель физики мне дал экспериментальное задание: рассмотреть может ли огонь поводить электрический ток, если да, то построить вольтамперную характеристику и посмотреть от каких параметров зависит проводимость  пламени.

Из того, что мне удалось узнать в Интернете: «Огонь в узком смысле, совокупность раскалённых газов и плазмы, выделяющихся в результате:

• произвольного/непроизвольного нагревания горючего материала до определённой точки.

• химической реакции;
• соприкосновения тока высокого напряжения с горючим материалом.

Собственная температура огня зависит от источника, вызвавшего реакцию. Так вот единственное из газов, что может проводить электрический ток, так это плазма. А плазма, в свою очередь, это ничто иное, как частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов).» [1]

Рассматривая данную тему, я поставила перед собой следующие цели:

1. Выяснить что такое пламя, и есть ли в пламени свободные заряженные частицы;
2. Экспериментально построить вольтамперную характеристику для пламени;
3. Найти параметры, которые влияют на проводимость пламени.

Для достижения целей работы я поставила перед собой следующие задачи:

1. Проанализировать теоретический материал и сделать вывод: что такое пламя;
2. Экспериментальным путём определить наличие в пламени свободных заряженных частиц и построить  вольтамперную характеристику;
3. Выяснить: какие параметры и как влияют на электропроводность пламени;
4. Сделать выводы по выполненной работе.

По завершению работы результаты моей экспериментальной деятельности можно представить на уроке физики, при изучении темы электрические разряды в газах.

§1. Плазма. Её характеристика. Огонь.

Из курса физики 8 класса нам известно, что электрический ток это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике под действием электрического поля. Газы при нормальных условиях  состоят из электрически нейтральных молекул, поэтому являются хорошими диэлектриками и электрический ток  не проводят. Для того, что бы газ начал проводить электрический ток, надо, что бы в нем появились свободные электрические заряды, то есть газ необходимо ионизировать.

Как было сказано выше, плазма - в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Плазму делят на низкотемпературную (температура меньше миллиона ºК) и высокотемпературную (температура миллион ºК и выше). Такое деление обусловлено важностью высокотемпературной плазмы в проблеме осуществления управляемого термоядерного синтеза. Разные вещества переходят в состояние плазмы при разной температуре, что объясняется строением внешних электронных оболочек атомов вещества: чем легче атом отдает электрон, тем ниже температура перехода в плазменное состояние.

Для того чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность).

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами.

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

Теперь стоит разобраться с процессом горения и непосредственно с огнем.

Горение - сложное, быстро протекающее химическое превращение  исходных веществ в продукты сгорания, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические окислительные реакции вещества, способного к горению, с окислением. [2]

Обычное пламя, которое мы наблюдаем при горении свечи, представляет собой поток раскалённых газов, вытянутый вертикально за счёт силы. Сначала фитиль свечи нагревается, и парафин начинает испаряться. Для самой нижней зоны, характерно небольшое синее свечение - там много топлива и мало кислорода.  Поэтому, происходит неполное сгорание топлива с образованием СО, который, окисляясь на самом крае конуса пламени, придает ему синий цвет. В зону 2 за счет диффузии проникает больше кислорода, там происходит дальнейшее окисление топлива температура больше, чем в зоне 1, но его все же недостаточно для полного сгорания топлива. В зоне 1 и зоне 2 содержатся не сгоревшие капельки топлива и частицы угля. Из-за сильного нагревания они светятся. Испарившееся топливо и продукты его горения - углекислый газ и вода - почти не светятся. В зоне 3 концентрация кислорода еще больше. Там происходит догорание не сгоревших частиц топлива, которые светились в зоне 2, поэтому эта зона почти не светится, хотя там самая высокая температура.

Учитывая все отличительные черты плазмы из вышесказанного, можно сделать вывод, что огонь-это низкотемпературная плазма, обладающая всеми её свойствами, но в меньшей степени.

§2. Электрический разряд в воздухе

Выяснить есть ли в пламени свободные заряженные частицы, мне помог следующий опыт. Соберём цепь, состоящую из источника высокого напряжения^[1], двух пластин конденсатора и зажженной спиртовки, находящейся в области между пластинами (как показано на рис.1 прил.). Включая источник высокого напряжения, наблюдаем, что пламя откланяется (рис. 2 прил.) в основном в сторону положительно заряженной пластины, но в тоже время и есть небольшое смещение пламени и в сторону отрицательной пластины. Это свидетельствует о наличии в нём как положительно, так и отрицательно заряженных частиц, то есть в теории пламя может проходить электрический ток.

Для рассмотрения  проводимости пламени соберем установку, состоящую из источника высокого напряжения, микроамперметра и двух электродов (рис.3 прил.). В качестве электродов я взяла два гвоздя на деревянных держателях. Для того, что бы микроамперметр не перегорел от большого тока пробоя, сначала  амперметр убирается из цепи, и измеряю напряжения пробоя при определенном расстоянии между электродами. В дальнейшем при измерении тока следим, что бы напряжение на электродах было всегда меньше напряжения пробоя.

Перед тем как рассматривать проводимость пламени я решила провести ряд опытов по рассмотрению электрического разряда в воздухе:

1. убедится в том, что в данной установке нет тока до момента пробоя;
2. определить напряжения пробоя воздуха для различных расстояний между электродами;
3. как меняется напряжения пробоя воздуха при нагревании электродам, так как при внесении электродов в огонь они будут  сильно нагреваться.

Начнем с последнего из выше перечисленных опытов, уберем из установки микроамперметр и установим электроды на расстоянии 0,4 см. Напряжения пробоя воздуха при таком расстоянии получилось 16,2кВ. Нагреем электроды с помощью спиртовки. Уменьшение напряжения пробоя от длительности нагревания приведено в таблице 1 (прил.). Уменьшение напряжения пробоя воздуха при нагревании можно объяснить тем, что  при увеличении температуры электронам легче вырваться с поверхности металла.

При подключении в цепь микроамперметра и включения  электрического напряжения меньше напряжения и близкого к напряжению пробоя стрелка микроамперметра находится на нуле (рис.4 прил.). Это означает, что ток через воздух протекает только при условии пробоя воздуха.

Теперь посмотрим, как меняется напряжение пробоя воздуха при увеличении расстояния между электродами. По данным, полученным в процессе эксперимента (таблица 2 прил.), можно заметить, что при увеличении расстояния между электродами напряжение пробоя увеличивается.

§3. Электрическая проводимость пламени.

В §2 я экспериментально выяснила, что в воздухе электрического тока нет до момента его пробоя,  и напряжение пробоя более 8 кВ, даже если электроды сильно нагреты. Поэтому следующим экспериментом определим напряжение электрического пробоя, когда оба электрода находятся в пламени спиртовки (рис.5 прил.). Для этого уберем амперметр из установки и установим расстояние между электродами 0,8 см. Результаты эксперимента приведены в таблице 3 (прил.)

По данным напряжения и силы тока я построила график зависимости электрического тока в пламени спиртовки от напряжения между электродами (граф. 1 прил.). По графику можно увидеть, что  до напряжения 3,2 кВ сила тока увеличивалась и достигла максимального значения. В интервале напряжения от 3,2 кВ до 6 кВ сила электрического тока не изменялась. При напряжении  более 6кВ, в данном случае, происходил электрический пробой и наблюдался разряд.

Проанализировав график можно заметить, что до напряжения 3,2кВ  сила тока прямопропорциональна напряжению. После 3,2 кВ сила тока достигает своего максимального значения, то есть все ионы, которые имеются в пламени, участвуют в переносе электрического заряда.  При увеличении  напряжения почти в 2 раза (до 6 кВ)  сила тока не изменяется, так как нет больше свободных зарядов. Дальнейшее резкое и скачкообразное возрастание силы тока и наблюдающиеся искры свидетельствуют об электрическом разряде воздуха.

Расположение электродов относительно друг друга (изменение полярности, расположение: положительный - сверху , отрицательный - снизу и наоборот), при неизменном расстоянии между ними, никак не влияет на ток насыщения, напряжение тока насыщения и напряжение пробоя.

Рассмотрим, как изменяется ток насыщения, напряжение, при котором ток  достигает своего максимального значения, и напряжение пробоя в зависимости от расстояния между электродами для пламени свечи и органического стекла (рис. 6, рис.7 прил.). В данном эксперименте мы меняем расстояние между электродами от 0,4 см до 1,6 см, результаты эксперимента представлены в таблицах 4 и 5 (прил.), графики зависимости напряжения пробоя от расстояния между электродами для каждого вещества на графиках 2 и 3(прил.).  Проанализировав их, можно сделать следующие выводы:

1. Ток насыщения не зависит от заряда между электродами, но при увеличении расстояния между ними и постоянном значении тока насыщения, напряжение тока насыщения и напряжение пробоя возрастают;

Я проанализировала значение I от интенсивности горения спиртовки. Так, при средней интенсивности пламени (при которой проводились все опыты) значение силы тока 25 mA. При большом пламени сила тока равна 37 mA; при маленьком – 14 mA.

Из таблиц 4 и 5 (прил.) можно увидеть, что ток насыщения свечи меньше, чем у оргстекла. Это может быть связано с тем, что оргстекло горит сильнее, чем свеча.

Заключение.

В ходе работы я убедилась в том, что воздух не проводит электрический ток до момента электрического разряда, а напряжение пробоя воздуха зависит от температуры электродов и расстояния между ними. Выяснила, что пламя содержит свободные заряженные частицы и способно проводить электрический ток. Я построила вольтамперную характеристику пламени. Определила некоторые параметры, которые влияют на его электропроводность:

1. Сила тока насыщения зависит от интенсивности горения топлива и не зависит от расстояния между электродами;
2. Проводимость пламени не зависит от взаимного расположения электродов;
3. Напряжение, при котором наступает ток насыщения, и напряжение пробоя зависит от расстояния между электродам.

Литература:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%CE%E3%EE%ED%FC
2. http://www.xumuk.ru/bse/731.html
3. http://www.ngpedia.ru/id229608p1.html
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

Приложение.