1. Какое явление называют: а) электрическим разрядом в газах; б) ионизацией газа?
Электрическим разрядом в газах называют процесс прохождения электрического тока через газ, когда в нём появляются заряженные частицы — ионы и электроны. А ионизацией газа называют превращение нейтральных атомов или молекул в ионы под действием различных факторов — например, удара электрона, ультрафиолетового излучения или высокой температуры.
2. В чём состоит процесс рекомбинации заряженных частиц в газах?
Рекомбинация заряженных частиц — это обратный процесс, когда положительные ионы соединяются с электронами, образуя нейтральные атомы или молекулы. При этом обычно выделяется энергия в виде света или тепла.
3. Объясните механизм электропроводности газов.
Электропроводность газов объясняется наличием в них заряженных частиц. Когда газ ионизируется, появляются свободные электроны и ионы, которые под действием электрического поля начинают двигаться к противоположным электродам, создавая электрический ток.
4. Какой газовый разряд называют: а) несамостоятельным; б) самостоятельным?
Несамостоятельный разряд возникает только при наличии внешнего источника ионизации — например, рентгеновского излучения или ультрафиолета. Когда источник убирают, разряд прекращается. Самостоятельный разряд, наоборот, поддерживается самим собой, без внешнего воздействия, потому что электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют новые атомы, вызывая цепную реакцию.
5. Как возникает ионизация электронным ударом?
Ионизация электронным ударом возникает, когда быстрый электрон сталкивается с атомом и передаёт ему достаточно энергии, чтобы выбить один из электронов. Так атом превращается в положительный ион.
6. Что представляет собой потенциал ионизации? Как его можно определить?
Потенциал ионизации — это минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из атома или молекулы. Его определяют экспериментально, измеряя напряжение, при котором начинается ионизация, то есть когда появляются первые заряженные частицы в газе.
Помещая пламя спиртовки в зазор между пластинами заряженного конденсатора, присоединёнными к электрометру (см. рис. 2.12), можно видеть, что заряд конденсатора уменьшается. Какой тип газового разряда при этом наблюдается? Как изменится скорость разрядки конденсатора, если: а) увеличить пламя спиртовки; б) убрать спиртовку?
1. Плоский конденсатор подключён к источнику с напряжением 6 кВ. При каком расстоянии между пластинами произойдёт пробой, если ударная ионизация воздуха начинается при напряжённости электрического поля 3 МВ/м?
Дано: напряжение U = 6·10^3 В, критическая напряжённость Eкр = 3·10^6 В/м. Пробой при U возникает, когда E = U / d = Eкр, значит d = U / Eкр = 6000 / 3·10^6 = 2·10^-3 м = 2 мм. Ответ: 2 мм.
2. Потенциал ионизации атома ртути равен 10,4 В. Какой наименьшей скоростью должен обладать электрон, чтобы ионизировать атом ртути при ударе?
Потенциал ионизации 10,4 эВ = 10,4·1,602·10^-19 Дж = 1,66608·10^-18 Дж. Необходимая кинетическая энергия электрона KE = 1,66608·10^-18 Дж. Масса электрона m = 9,109·10^-31 кг, поэтому скорость v = sqrt(2·KE / m). Подстановка даёт v ≈ 1,91·10^6 м/с. Ответ: ≈ 1,91·10^6 м/с.
3. Электрон со скоростью 1,83* 10^6 м/с влетел в однородное ускоряющее электрическое поле. Какую разность потенциалов должен пройти электрон, чтобы ионизировать атом водорода, если энергия ионизации равна 2,18* 10^-18 Дж?
Дано: энергия ионизации H E_ion = 2,18·10^-18 Дж, скорость электрона v = 1,83·10^6 м/с. Начальная кинетическая энергия электрона KE0 = 0.5·m·v^2 = 1,5253·10^-18 Дж. Недостающая энергия ΔE = E_ion − KE0 = 2,18·10^-18 − 1,5253·10^-18 = 6,5474·10^-19 Дж. Разность потенциалов ΔV должна дать электрону энергию e·ΔV = ΔE, где e = 1,602·10^-19 Кл. Следовательно ΔV = ΔE / e ≈ 6,5474·10^-19 / 1,602·10^-19 ≈ 4,09 В. Ответ: ≈ 4,09 В.
4. Молния представляет собой прерывистый разряд, состоящий из отдельных импульсов длительностью примерно 1 мс. Модуль заряда, проходящего по каналу молнии за один импульс, равен 20 Кл, а среднее напряжение на концах канала составляет 2 ГВ. Определите силу тока и мощность одного импульса. Какая энергия выделяется при вспышке молнии, если она состоит из трёх разрядов?
Дано: длительность импульса t = 1·10^-3 с, заряд Q = 20 Кл, напряжение U = 2·10^9 В. Сила тока I = Q / t = 20 / 1·10^-3 = 2·10^4 А (20 000 А). Мощность одного импульса P = U · I = 2·10^9 · 2·10^4 = 4·10^13 Вт. Энергия одного импульса W1 = P · t = 4·10^13 · 1·10^-3 = 4·10^10 Дж. (проверка: W1 = U·Q = 2·10^9·20 = 4·10^10 Дж) Если вспышка состоит из трёх разрядов, то общая энергия W3 = 3 · W1 = 1,2·10^11 Дж. Ответы: I = 2·10^4 А, P = 4·10^13 Вт, энергия трёх разрядов ≈ 1,2·10^11 Дж.