Номер 907, страница 119 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

41. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Электрический ток в газах. Глава X. Электрический ток в различных средах. Электродинамика - номер 907, страница 119.

Условие.

907. Если, не изменяя расстояния между разрядниками электрофорной машины и поддерживая примерно постоянную частоту обращения, отключить при помощи соединительного стержня конденсаторы (лейденские банки), то характер разряда существенно изменится: вместо мощной искры, проскакивающей через заметные промежутки времени, будет очень часто проскакивать слабая искра. Объяснить причину явления. При возможности проверить на опыте.

Решение 1.

Решение 2.

Решение 3.

Решение 4.

Решение

Это явление объясняется ролью конденсаторов (лейденских банок) в электрической цепи электрофорной машины, а именно их влиянием на общую электроемкость системы. Искровой разряд между разрядниками происходит, когда напряжение между ними достигает пробивного напряжения воздуха $U_{пр}$. Поскольку расстояние между разрядниками не изменяется, величина $U_{пр}$ остается постоянной в обоих случаях.

С подключенными конденсаторами общая электроемкость системы $C_1$ велика. Электрофорная машина, вращаясь с постоянной частотой, генерирует заряд с примерно постоянной скоростью. Чтобы зарядить систему с большой емкостью $C_1$ до пробивного напряжения $U_{пр}$, необходимо накопить на ней значительный заряд $Q_1 = C_1 \cdot U_{пр}$. Накопление этого большого заряда требует заметного времени. Энергия, выделяющаяся при разряде, $W_1 = \frac{1}{2}C_1 U_{пр}^2$, также велика, поэтому разряд получается мощным и происходит через заметные промежутки времени.

Когда конденсаторы отключают, общая емкость системы $C_2$ становится очень маленькой, равной лишь собственной емкости разрядников и других частей машины ($C_2 \ll C_1$). Теперь для достижения того же самого пробивного напряжения $U_{пр}$ требуется накопить гораздо меньший заряд: $Q_2 = C_2 \cdot U_{пр}$. Поскольку скорость накопления заряда осталась прежней, это малое количество заряда накапливается очень быстро, что приводит к частым разрядам. Энергия каждого такого разряда, $W_2 = \frac{1}{2}C_2 U_{пр}^2$, оказывается очень малой, поэтому наблюдается слабая, но частая искра.

Таким образом, лейденские банки служат накопителями заряда, позволяя собрать большое его количество для одного мощного разряда. Без них заряд "сбрасывается" малыми порциями, как только его оказывается достаточно для пробоя воздушного промежутка.

Ответ: Причина изменения характера разряда заключается в изменении электроемкости системы. Подключенные конденсаторы (лейденские банки) значительно увеличивают общую электроемкость. Для зарядки системы с большой емкостью до пробивного напряжения требуется накопить большой заряд, что занимает много времени и приводит к выделению большой энергии при разряде (мощная редкая искра). При отключении конденсаторов емкость системы становится очень малой. Она быстро заряжается до того же пробивного напряжения, требуя лишь небольшого заряда. В результате разряды становятся очень частыми, но малоэнергетичными (слабая частая искра).