Тема. Электрический ток в вакууме. Безопасность человека во время работы с электрическими устройствами и приспособлениями

09.02.2015

Урок 41 (9 класс)

Тема. Электрический ток в вакууме. Безопасность человека во время работы с электрическими устройствами и приспособлениями.

1. Термоэлектронная эмиссия Перед тем, как говорить, по какому механизму распространяется электрический ток в вакууме, необходимо понять, что же это за среда.

Вакуум – состояние газа, при котором свободный пробег частицы больше размера сосуда. То есть такое состояние, при котором молекула или атом газа пролетает от одной стенки сосуда к другой, не сталкиваясь с другими молекулами или атомами. Существует также понятие глубины вакуума, которое характеризует то малое количество частиц, которое всегда остается в вакууме.

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда. Откуда они берутся в области пространства с очень малым содержанием вещества? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть опыт, проведенный американским физиком Томасом Эдисоном (рис. 1). В ходе эксперимента две пластины помещались в вакуумную камеру и замыкались за ее пределами в цепь с включенным электрометром. После того как одну пластину нагревали, электрометр показывал отклонение от нуля (рис. 2).

Рис. 1. Томас Эдисон

Результат опыта объясняется следующим образом: в результате нагревания металл из своей атомной структуры начинает испускать электроны, по аналогии испускания молекул воды при испарении. Разогретый металл окружает электронное озеро. Такое явление называется термоэлектронной эмиссией.

Рис. 2. Схема опыта Эдисона

2.Свойство электронных пучков В технике очень важное значение имеет использование так называемых электронных пучков.

Электронный пучок – поток электронов, длина которого много больше его ширины. Получить его довольно просто. Достаточно взять вакуумную трубку, по которой проходит ток, и проделать в аноде, к которому и идут разогнанные электроны, отверстие (так называемая электронная пушка) (рис. 3).

Рис. 3. Электронная пушка

Электронные пучки обладают рядом ключевых свойств:

-В результате наличия большой кинетической энергии они имеют тепловое воздействие на материал, в который врезаются. Данное свойство применяется в электронной сварке. Электронная сварка необходима в тех случаях, когда важно сохранение чистоты материалов, например, при сваривании полупроводников.

- При столкновении с металлами электронные пучки, замедляясь, излучают рентгеновское излучение, применяемое в медицине и технике (рис. 4).

- При попадании электронного пучка на некоторые вещества, называющиеся люминофорами, происходит свечение, что позволяет создавать экраны, помогающие следить за перемещением пучка, конечно же, невидимого невооруженным глазом.

- Возможность управлять движением пучков с помощью электрических и магнитных полей.

Рис. 4. Снимок, сделанный при помощи рентгеновского излучения.

Следует отметить, что температура, при которой можно добиться термоэлектронной эмиссии, не может превышать той температуры, при которой идет разрушение структуры металла.

На первых порах Эдисон использовал следующую конструкцию для получения тока в вакууме. В вакуумную трубку с одной стороны помещался проводник, включенный в цепь, а с другой стороны – положительно заряженный электрод (см. рис. 5):

Рис. 5

В результате прохождения тока по проводнику он начинает нагреваться, эмиссируя электроны, которые притягиваются к положительному электроду. В конце концов, возникает направленное движение электронов, что, собственно, и является электрическим током. Однако количество таким образом испускаемых электронов слишком мало, что дает слишком малый ток для какого-либо использования. С этой проблемой можно справиться добавлением еще одного электрода. Такой электрод отрицательного потенциала называется электродом косвенного накаливания. С его использованием количество движущихся электронов в разы увеличивается (рис. 6).

Рис. 6. Использование электрода косвенного накаливания

Стоит отметить, что проводимость тока в вакууме такая же, как и у металлов – электронная. Хотя механизм появления этих свободных электронов совсем иной.

3. Применение тока в вакууме На основе явления термоэлектронной эмиссии был создан прибор под названием вакуумный диод (рис. 7).

Рис. 7. Обозначение вакуумного диода на электрической схеме

4. Вакуумный диод Рассмотрим подробнее вакуумный диод. Существует две разновидности диодов: диод с нитью накаливания и анодом и диод с нитью накаливания, анодом и катодом. Первый называется диодом прямого накала, второй – косвенного накала. В технике применяется как первый, так и второй тип, однако диод прямого накала имеет такой недостаток, что при нагревании сопротивлении нити меняется, что влечет за собой изменение тока через диод. А так как для некоторых операций с использованием диодов необходим совершенно неизменный ток, то целесообразнее использовать второй тип диодов.

В обоих случаях температура нити накаливания для эффективной эмиссии должна равняться .

Диоды используются для выпрямления переменных токов. Если диод используется для преобразования токов промышленного значения, то он называется кенотроном.

Электрод, расположенный вблизи испускающего электроны элемента, называется катодом (), другой – анодом (). При правильном подключении при увеличении напряжения растет сила тока. При обратном же подключении ток идти не будет вообще (рис. 8). Этим вакуумные диоды выгодно отличаются от полупроводниковых, в которых при обратном включении ток хоть и минимальный, но есть. Благодаря этому свойству вакуумные диоды используются для выпрямления переменных токов.

Рис. 8. Вольтамперная характеристика вакуумного диода

Другим прибором, созданным на основе процессов протекания тока в вакууме, является электрический триод (рис. 9). Его конструкция отличается от диодной наличием третьего электрода, называемого сеткой. На принципах тока в вакууме основан также такой прибор, как электронно-лучевая трубка, составляющий основную часть таких приборов, как осциллограф и ламповые телевизоры.

Рис. 9. Схема вакуумного триода

5. Электронно-лучевая трубка Как уже было сказано выше, на основе свойств распространения тока в вакууме было сконструировано такое важное устройство, как электронно-лучевая трубка. В основе своей работы она использует свойства электронных пучков. Рассмотрим строение этого прибора. Электронно-лучевая трубка состоит из вакуумной колбы, имеющей расширение, электронной пушки, двух катодов и двух взаимно перпендикулярных пар электродов (рис. 10).

Рис. 10. Строение электронно-лучевой трубки

Принцип работы следующий: вылетевшие вследствие термоэлектронной эмиссии из пушки электроны разгоняются благодаря положительному потенциалу на анодах. Затем, подавая желаемое напряжение на пары управляющих электродов, мы можем отклонять электронный пучок, как нам хочется, по горизонтали и по вертикали. После чего направленный пучок падает на люминофорный экран, что позволяет нам видеть на нем изображение траектории пучка.

Электронно-лучевая трубка используется в приборе под названием осциллограф (рис. 11), предназначенном для исследования электрических сигналов, и в кинескопических телевизорах за тем лишь исключением, что там электронные пучки управляются магнитными полями.

Рис. 11. Осциллограф

6. Безопасность человека во время работы с электрическими устройствами и приспособлениями

Электричество и электроприборы прочно вошли в современную жизнь. С каждым днем увеличивается ассортимент электроприборов, устройств и машин, без которых уже немыслим быт современного жителя. Это электрические утюги, плитки, рефлекторы, камины, радиаторы, полотеры, стиральные машины, холодильники, электрические дрели и другие электроприборы. Правда, часто люди пренебрегают правилами пользования этими продуктами цивилизации, что нередко приводит к печальным последствиям. Чтобы этого не случилось с вами, необходимо соблюдать требования безопасности при работе с электробытовыми приборами.

Электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Если пo той или иной причине сила тока в цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция – воспламениться.

Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например электрических плиток, или короткое замыкание. Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало пo сравнению с сопротивлением участка цепи. Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте проводки под током или при случайном соприкосновении оголенных проводов.

Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители.

Назначение предохранителей – сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы. Рассмотрим устройство предохранителей, применяемых в квартирной проводке.

Главная часть предохранителя – проволока С из легкоплавкого металла (например, из свинца), проходящая внутри фарфоровой пробки П. Пробка имеет вихтовую нарезку Р и центральный контакт К. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовой проволокой. Пробку ввинчивают в патрон, находящийся внутри фарфоровой коробки.

Свинцовая проволока представляет, таким образом, часть общей цепи. Толщина свинцовых проволок рассчитана так, что они выдерживают определенную силу тока, например 5 А, 10 А и т. д. Если сила тока превысит допустимое значение, то свинцовая проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой.

Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями, в котором перегоревшую деталь можно заменять. Еще есть предохранители, действие которых основано нe на плавлении, а на тепловом расширении тел при нагревании. Предохранители располагают нa специальном щитке, устанавливаемом у самого ввода проводов в квартиру, называемом счетчиком. В каждый из проводов последовательно включают отдельный предохранитель. Некоторые люди вместо настоящих предохранителей вставляют «жучки», т. е. различные проволочки. Этого делать нельзя, т. к. обычная проволока при резком возрастании силы тока не перегорает и электрическая цепь не прерывается, следовательно, произойдет возгорание проводов всей проводки, а это ведет к пожару.

Если с предохранителями в квартире все в порядке, то люди могут спокойно пользоваться различными электрическими приборами.

Действие электрического тока на тело человека.

Тело человека и животных очень хорошо проводит электрический ток, поскольку содержит ионные растворы. Характер и глубина воздействия электрического тока на организм человека зависит от силы и рода тока и времени его действия, пути прохождения через тело человека, физического и психологического состояния последнего. Наибольшую опасность представляет прохождение тока через мозг и те нервные центры, которые контролируют дыхание и сердце человека. Смерть человека может наступить при силе тока 0,1 А (100 мА). Особенно опасны участки, расположенные на висках, спине, тыльных сторонах рук, голенях, затылке и шее. Их сопротивление существенно меньше, чем у остальных частей тела. Самыми уязвимыми у человека являются, так называемые, акупунктурные точки на шее и мочках ушей: при ударе током в эти точки смертельным может оказаться даже напряжение 10–15 В.

Сопротивление человеческого тела не имеет постоянного значения. Оно зависит от состояния человека, его кожи, наличия на ее поверхности пота, содержания алкоголя в крови. Сухая, огрубевшая кожа имеет высокое сопротивление, а тонкая, нежная и влажная – низкое. Снижается сопротивление и при различных повреждениях кожи (порезы, царапины, ссадины). При сухой и неповрежденной коже сопротивление тела человека от пальцев одной руки до пальцев другой составляет 100000 Ом и выше. Если же руки потные, то сопротивление между ними оказывается равным 1500 Ом и ниже. Каждому из этих случаев соответствует свое смертельное напряжение.

Правила безопасного обращения с электричеством

Опасность поражения током требует обязательного соблюдения правил безопасного труда при работе с электрическими цепями. Прикоснувшись к проводнику, находящемуся под напряжением, человек включает себя в электрическую цепь.

Переменный ток более опасен, чем постоянный. Напряжение, действующее при соприкосновении с одним полюсом или фазой источника тока, называется напряжением прикосновения. В случае, когда человек оказывается вблизи упавшего на землю провода, находящегося под напряжением, возникает опасность поражения шаговым напряжением. Напряжение шага – это напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек. Такую цепь создает растекающийся по земле от провода ток. Оказавшись в зоне растекания тока, человек должен соединить ноги вместе и, не спеша выходить из опасной зоны так, чтобы при передвижении ступня одной ноги не выходила полностью за ступню другой. При случайном падении можно коснуться земли руками, чем увеличить разность потенциалов и опасность поражения.

Действие электрического тока на организм характеризуется основными поражающими факторами: электрический удар, приводящий к судорогам, остановке дыхания и сердца; электрические ожоги; механическое воздействие; биологическое действие тока выражается в раздражении и перевозбуждении нервной системы.

Правила оказания первой медицинской помощи человеку, пораженному током.

При поражении человека электрическим током нужно освободить пострадавшего от проводника с током. В первую очередь следует обесточить проводник. Если отключить его невозможно, надо срочно отделить от него пострадавшего, используя сухие палки, веревки и другие средства. Можно взять пострадавшего за одежду, если она сухая и отстает от тела, не прикасаясь при этом к металлическим предметам и частям тела, не покрытым одеждой. При оказании помощи надо изолировать себя от «земли», встав на непроводящую ток подставку (сухая доска, сухая резиновая обувь и т. п.), и обернуть руки сухой тканью. Пострадавшему обеспечить покой и наблюдение за пульсом и дыханием.

Чтобы избежать поражения электрическим током, необходимо все работы с электрическим оборудованием и приборами проводить после отключения их от электрической сети. Электроприборы и электромашины в доме, ванной и на кухне – потенциальные источники опасности. Стоя под душем или держась одной рукой за водопроводный кран, опасно мокрым пальцем даже дотрагиваться до неисправного выключателя.

Положительное действие тока

Однако действие электрического тока на человеческий организм может быть не только отрицательным, но и положительным. Во время медицинского обследования в современной поликлинике и при жалобах пациентов на сердечные или головные боли врачи обязательно снимают электрокардиограмму или энцефалограмму – сигналы небольших биологических токов, протекающих в сердце или головном мозге. Сравнивая форму сигналов определенного участка организма в здоровом и больном состоянии, легко установить причину заболевания. Посредством электрических раздражений мозга (электрошоком) лечат некоторые психические заболевания. Кратковременные высоковольтные электрические разряды через сердце помогают иногда предотвратить смерть пациента при тяжелом нарушении сердечной деятельности. При радикулите, невралгии и некоторых других заболеваниях применяют гальванизацию (электрофорез): приложив к пациенту электроды, пропускают через него слабый постоянный ток. Это оказывает болеутоляющий эффект, улучшает кровообращение.