Номер 2.31, страница 42 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 2. Электрический ток в различных средах. Электрический ток в газах и в вакууме - номер 2.31, страница 42.

Условие.

2.31. На рисунке 2.8 представлена вольт-амперная характеристика газового разряда.

а) На каких участках выполняется закон Ома?

б) На каких участках сопротивление газового промежутка постоянно?

в) Почему на участке AB сила тока не зависит от напряжения?

г) Какие участки соответствуют самостоятельному разряду?

Рис. 2.8

Решение.

а) На каких участках выполняется закон Ома?

Закон Ома ($I = U/R$) устанавливает прямую пропорциональность между силой тока $\text{I}$ и напряжением $\text{U}$ при постоянном сопротивлении $\text{R}$. На графике вольт-амперной характеристики (ВАХ) это соответствует линейной зависимости, проходящей через начало координат. Таким участком является ОА, где сила тока растет пропорционально напряжению.

Ответ: Закон Ома выполняется на участке ОА.

б) На каких участках сопротивление газового промежутка постоянно?

Сопротивление $R = U/I$ постоянно тогда, когда выполняется закон Ома. Как указано в предыдущем пункте, это условие соблюдается на участке ОА, где ВАХ представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат. На других участках отношение $U/I$ не является постоянным.

Ответ: Сопротивление постоянно на участке ОА.

в) Почему на участке АВ сила тока не зависит от напряжения?

Участок АВ соответствует режиму тока насыщения. В этом режиме все заряженные частицы (электроны и ионы), которые создаются в газе под действием внешнего ионизатора (например, ультрафиолетового излучения), достигают электродов. Сила тока определяется скоростью, с которой ионизатор генерирует носители заряда. Поскольку мощность ионизатора постоянна, число создаваемых им пар ион-электрон в единицу времени также постоянно. Поэтому, как только напряжение становится достаточным, чтобы собрать все эти частицы до их рекомбинации, дальнейшее увеличение напряжения уже не может увеличить ток. Ток достигает своего максимального значения (насыщается) и остается постоянным, пока не начнутся процессы ударной ионизации.

Ответ: На участке АВ сила тока не зависит от напряжения, так как все носители заряда, создаваемые внешним ионизатором, достигают электродов, и ток ограничен мощностью этого ионизатора. Это явление называется током насыщения.

г) Какие участки соответствуют самостоятельному разряду?

Самостоятельный разряд — это разряд, который может существовать без внешнего ионизатора. Он поддерживается за счет внутренних процессов в газе, главным образом за счет ударной ионизации, когда электроны, ускоренные сильным электрическим полем, приобретают достаточную энергию для ионизации нейтральных атомов при столкновениях. Это приводит к лавинообразному увеличению числа носителей заряда. На графике такой процесс характеризуется очень резким ростом тока. Этому явлению соответствует участок CD, который показывает начало электрического пробоя газа и переход к самостоятельному разряду. Участки OA, AB и BC описывают несамостоятельный разряд.

Ответ: Участок CD.