Номер 8, страница 319 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

8. Почему электрический разряд между грозовым облаком и Землёй происходит за очень короткое время?

8. Электрический разряд между грозовым облаком и Землёй, известный как молния, происходит за очень короткое время по нескольким ключевым причинам, связанным с физикой газового разряда.

Во-первых, система "грозовое облако – Земля" функционирует как гигантский природный конденсатор. В облаках в результате сложных атмосферных процессов (трение и разрыв капель воды и кристаллов льда) происходит разделение и накопление огромных электрических зарядов. Это приводит к возникновению колоссальной разности потенциалов между облаком и поверхностью Земли, которая может достигать сотен миллионов вольт.

Во-вторых, воздух, который в обычных условиях является хорошим изолятором (диэлектриком), под действием такого сверхсильного электрического поля начинает терять свои изолирующие свойства. Когда напряжённость электрического поля $\text{E}$ достигает критического значения, называемого диэлектрической прочностью воздуха (около $3 \times 10^6$ В/м), начинается процесс ударной ионизации. Свободные электроны, всегда присутствующие в атмосфере, ускоряются полем до энергий, достаточных для ионизации нейтральных молекул воздуха при столкновении. Каждый такой акт ионизации порождает новые свободные электроны и ионы, что приводит к лавинообразному нарастанию числа носителей заряда.

В-третьих, этот лавинообразный процесс формирует узкий проводящий канал, заполненный плазмой (ионизированным газом). Этот канал, называемый лидером, прокладывает путь от облака к Земле. Как только лидер достигает земли (или встречного лидера с земли), формируется сплошной канал с очень низким электрическим сопротивлением. По этому каналу практически мгновенно устремляется основной (обратный) разряд, который нейтрализует гигантский заряд, накопленный в облаке. Скорость распространения этого разряда чрезвычайно высока (до трети скорости света). Именно быстрое движение огромного числа заряженных частиц по каналу с низким сопротивлением и обуславливает то, что весь процесс разряда занимает доли секунды (основной импульс длится всего десятки микросекунд).

Ответ: Электрический разряд между грозовым облаком и Землёй происходит очень быстро, потому что под действием огромной разности потенциалов в воздухе лавинообразно развивается ионизация, создавая плазменный канал с очень низким сопротивлением. По этому каналу накопленный электрический заряд почти мгновенно перетекает между облаком и Землёй со скоростью, достигающей трети скорости света.

9. Дуговой электрический разряд — это вид самостоятельного электрического разряда в газе, обладающий рядом хорошо различимых характерных признаков.

К основным признакам дугового разряда относятся:

1. Высокая температура и интенсивное свечение. Канал дугового разряда представляет собой столб высокотемпературной плазмы. Температура в нём может достигать от $5000$ до $20000$ °C и даже выше. Из-за такой высокой температуры плазма испускает очень яркое, часто ослепительное, свечение. Цвет дуги зависит от газа, в котором она горит, и от материала электродов. Именно это свойство используется в дуговых лампах и при дуговой сварке.

2. Большая сила тока при низком напряжении. Дуговой разряд характеризуется очень высокой плотностью тока, а общая сила тока может варьироваться от долей ампера до сотен тысяч ампер. При этом, после того как дуга зажглась, для её поддержания (горения) требуется относительно низкое напряжение — обычно от 10 до 100 вольт. Это напряжение значительно ниже напряжения пробоя, необходимого для инициации разряда.

3. Термоэлектронная эмиссия. Важнейшим процессом, поддерживающим горение дуги, является термоэлектронная эмиссия с поверхности катода. Высокая температура, создаваемая в месте контакта дуги с катодом (катодное пятно), заставляет катод испускать большое количество электронов, которые, в свою очередь, поддерживают ток в разряде.

4. Низкое сопротивление плазменного канала. Высокая степень ионизации газа в канале дуги обеспечивает его низкое электрическое сопротивление, что и позволяет протекать большим токам при малом падении напряжения.

5. Звуковые эффекты. Горение дуги, как правило, сопровождается характерным шипением или треском. Это связано с быстрыми локальными изменениями давления и температуры в плазменном канале и вокруг него.

Ответ: Характерными признаками дугового электрического разряда являются: очень высокая температура плазменного канала (тысячи градусов), его яркое интенсивное свечение, протекание большого тока (от ампер до сотен килоампер) при относительно низком напряжении горения (десятки вольт), а также термоэлектронная эмиссия с раскалённого катода.