Номер 2, страница 394 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Образцы заданий ЕГЭ. Параграф 118. Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка. Глава 16. Электрический ток в различных средах - номер 2, страница 394.

Условие.

Решение.

Решение 3.

В вопросе рассматривается причина нелинейной зависимости тока от напряжения в вакуумном диоде, которая описывается законом Чайлда-Ленгмюра, также известным как "закон трех вторых": $I = aU^{3/2}$. Эта зависимость кардинально отличается от линейного закона Ома ($I = U/R$), справедливого для большинства металлических проводников.

Рассмотрим физические процессы в вакуумном диоде:

Катод, нагреваясь, испускает электроны (термоэлектронная эмиссия). Под действием электрического поля, создаваемого напряжением $U$ между анодом и катодом, эти электроны устремляются к аноду, создавая ток. Однако, в пространстве между катодом и анодом электроны, покинувшие катод, но еще не достигшие анода, образуют отрицательно заряженное облако. Это облако называется пространственным зарядом.

Пространственный заряд создает собственное электрическое поле, которое направлено против ускоряющего поля анода. Это поле тормозит вылет новых электронов с катода и ограничивает ток. Величина этого пространственного заряда и его тормозящее действие зависят от самого тока (количества электронов в пространстве) и приложенного напряжения. Именно это сложное взаимодействие — ускорение электронов внешним полем и одновременное их торможение полем, созданным ими же (пространственным зарядом), — приводит к нелинейной зависимости тока от напряжения.

Проанализируем предложенные варианты ответа:

1) свойств электронного пучка

Электронный пучок (или, точнее, электронное облако) в пространстве между электродами обладает коллективным свойством — он создает пространственный заряд. Именно это свойство является первопричиной нарушения закона Ома и возникновения зависимости $I \propto U^{3/2}$. Таким образом, этот вариант является наиболее точным и полным объяснением.

2) появления дополнительных носителей тока

В вакуумном диоде единственными носителями тока являются электроны, эмитированные катодом. Никаких дополнительных носителей (например, ионов, как в газоразрядных приборах) в вакууме не появляется. Этот вариант неверен.

3) того, что свойства анода и катода разные

Разные свойства и функции анода (собирать электроны) и катода (испускать электроны) являются необходимым условием работы диода как такового, но не объясняют конкретную нелинейную форму вольт-амперной характеристики. Этот вариант не указывает на причину нелинейности.

4) движения электронов в вакууме

Само по себе движение электронов в вакууме не объясняет нелинейность. Если бы не было эффекта пространственного заряда, зависимость была бы иной. Этот ответ слишком общий и не указывает на ключевой физический эффект. Именно коллективные свойства движущихся электронов (пучка) приводят к наблюдаемому явлению.

Таким образом, нарушение линейной зависимости тока от напряжения происходит из-за эффекта пространственного заряда, который является коллективным свойством электронного пучка.

Ответ: 1