Номер 909, страница 120 - 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 909, страница 120.

Условие.

909. При перенапряжении между рогами разрядника (рис. 99) возникает плазменная дуга. Почему дуга сначала возникает внизу, а затем перемещается вверх и гаснет?

Решение 1.

Решение 2.

Решение 3.

Решение 4.

Данный процесс, наблюдаемый в роговом разряднике, можно разбить на три последовательных этапа: возникновение дуги, ее подъем и гашение.

Почему дуга сначала возникает внизу?
Роговой разрядник сконструирован таким образом, что расстояние между его двумя электродами («рогами») минимально в нижней части. Электрический пробой диэлектрика, которым в данном случае является воздух, происходит при достижении определенной напряженности электрического поля. Эта напряженность обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Следовательно, при возникновении перенапряжения в линии электропередачи, критическая напряженность поля будет достигнута в первую очередь в самом узком месте — внизу. Именно там и происходит ионизация воздуха, приводящая к возникновению проводящего канала — плазменной дуги.

Почему дуга затем перемещается вверх?
Возникшая плазменная дуга представляет собой гибкий проводник с током, который находится в очень горячем состоянии. Ее движение вверх обусловлено двумя основными силами. Первая — это сила Архимеда. Воздух в канале дуги и вокруг него сильно нагревается, его плотность уменьшается. Из-за этого на объем горячего газа действует выталкивающая сила со стороны окружающего холодного воздуха, направленная вверх. Вторая — это сила Ампера (электродинамическая сила). Ток, протекающий по рогам и замыкающийся через дугу, создает вокруг себя магнитное поле. Взаимодействие этого поля с током в самой дуге порождает силу Ампера, которая выталкивает дугу (как подвижную часть контура) вверх и наружу, вдоль расходящихся рогов.

Почему дуга гаснет?
Перемещаясь вверх по расходящимся рогам, дуга вынуждена растягиваться. Увеличение длины дуги приводит к двум эффектам. Во-первых, растет ее полное электрическое сопротивление. Во-вторых, увеличивается поверхность контакта дуги с окружающим холодным воздухом, что усиливает ее охлаждение. Охлаждение плазмы ведет к ее деионизации (рекомбинации заряженных частиц), что также увеличивает сопротивление. В результате для поддержания горения дуги требуется все большее напряжение. В тот момент, когда напряжение, необходимое для поддержания растянутой и охлажденной дуги, превышает напряжение в сети, электрический ток в дуге прерывается, и она гаснет.

Ответ: Дуга возникает внизу, в самом узком месте между рогами разрядника, где напряженность электрического поля максимальна. Затем она перемещается вверх под действием выталкивающей силы Архимеда (из-за нагрева воздуха) и силы Ампера (электродинамическое взаимодействие токов). По мере подъема дуга растягивается и охлаждается, ее сопротивление возрастает до тех пор, пока напряжение сети не становится недостаточным для ее поддержания, после чего дуга гаснет.