Номер 714, страница 99, часть 1 - гдз по физике 10-11 класс сборник задач Парфентьева

Часть 1. 10 класс. Основы электродинамики. Электрический ток в различных средах. Электрический ток в газах - номер 714, страница 99.

Условие.

714. [585] Вольт-амперная характеристика газового разряда имеет вид, показанный на рисунке 157. Определите соотношение между сопротивлениями газа при значениях напряжений, соответствующих точкам $\text{A}$, $\text{B}$, $\text{C}$, $\text{D}$. Чем объясняется изменение сопротивления?

Рис. 157

Решение.

Определите соотношение между сопротивлениями газа при значениях напряжений, соответствующих точкам A, B, C, D.

Сопротивление газа для любой точки на вольт-амперной характеристике (ВАХ) определяется по формуле $R = U/I$, где $\text{U}$ — напряжение, а $\text{I}$ — сила тока. Проанализируем это отношение для каждой из указанных точек на графике.

На участке от начала координат до точки A сила тока растет с увеличением напряжения. Это область несамостоятельного разряда. Сопротивление в точке A равно $R_A = U_A/I_A$.

На участке A-C наблюдается режим насыщения. Здесь сила тока почти не изменяется ($I_A \approx I_B \approx I_C$), так как все носители заряда, создаваемые внешним ионизатором, достигают электродов. При этом напряжение продолжает расти: $U_A < U_B < U_C$. Поскольку сопротивление $R = U/I$, а знаменатель $\text{I}$ практически постоянен, в то время как числитель $\text{U}$ увеличивается, сопротивление газа на этом участке возрастает. Отсюда следует, что $R_A < R_B < R_C$.

На участке C-D начинается самостоятельный газовый разряд. При напряжении, соответствующем точке C, электроны, ускоренные электрическим полем, приобретают достаточную энергию для ионизации нейтральных атомов газа при столкновениях (ударная ионизация). Это приводит к лавинообразному увеличению числа носителей заряда. В результате сила тока резко возрастает ($I_D \gg I_C$) даже при небольшом увеличении напряжения. Так как ток растет гораздо быстрее напряжения, общее сопротивление газа $R=U/I$ резко падает. Оно становится значительно меньше, чем в точке C. Более того, из-за огромного количества носителей заряда проводимость газа становится очень высокой, и его сопротивление в точке D оказывается меньше, чем в любой из предыдущих точек.

Таким образом, сравнивая сопротивления, мы получаем итоговое соотношение.

Ответ: $R_D < R_A < R_B < R_C$.

Чем объясняется изменение сопротивления?

Изменение сопротивления газа на разных участках вольт-амперной характеристики объясняется изменением концентрации носителей заряда (электронов и ионов) и механизма протекания тока.

Рост сопротивления на участке A-C (участок насыщения) объясняется тем, что сила тока достигает своего максимального значения, которое ограничено скоростью образования носителей заряда внешним ионизатором. Все имеющиеся носители заряда уже движутся к электродам. Поэтому, несмотря на рост напряжения $\text{U}$, сила тока $\text{I}$ остается практически постоянной. Согласно формуле $R = U/I$, увеличение числителя при постоянном знаменателе ведет к росту сопротивления.

Резкое падение сопротивления на участке C-D (участок самостоятельного разряда) объясняется началом процесса ударной ионизации. При достаточно высоком напряжении электроны разгоняются полем до такой скорости, что их энергии становится достаточно для ионизации нейтральных атомов газа при столкновении. Каждый такой акт ионизации создает новую пару носителей заряда (электрон и положительный ион), которые, в свою очередь, участвуют в процессе. Это приводит к лавинообразному нарастанию числа носителей заряда в газе, что эквивалентно резкому увеличению его проводимости и, следовательно, резкому падению сопротивления.

Ответ: Изменение сопротивления объясняется двумя основными процессами: на участке A-C сопротивление растет из-за достижения тока насыщения (количество носителей заряда постоянно), а на участке C-D сопротивление резко падает из-за начала ударной ионизации, которая лавинообразно увеличивает концентрацию носителей заряда.