Номер 2.41, страница 43 - 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 2.41, страница 43.

Условие.

2.41. Напряжение 40—50 В поддерживает дуговой разряд в газовом промежутке (рис. 2.9). Искровой разряд в том же промежутке требует напряжения в несколько сотен вольт. Объясните почему.

Рис. 2.9

Решение.

Решение

Разница в требуемом напряжении для инициирования искрового разряда и поддержания дугового разряда объясняется фундаментально различными механизмами, которые обеспечивают наличие свободных носителей заряда (электронов) в газовом промежутке.

Искровой разряд

Для того чтобы в газе, который изначально является изолятором, возник электрический ток, необходимо его ионизировать, то есть создать в нем свободные электроны и ионы. Искровой разряд возникает в холодном газе при высоком напряжении. Основным механизмом ионизации здесь является ударная ионизация. Случайный свободный электрон, ускоренный сильным электрическим полем, сталкивается с нейтральным атомом газа и выбивает из него еще один электрон. Теперь уже два электрона ускоряются полем и ионизируют следующие атомы. Этот процесс нарастает лавинообразно. Чтобы сообщить электронам энергию, достаточную для ионизации атомов при столкновении, требуется очень сильное электрическое поле, а следовательно, и высокое напряжение между электродами (напряжение пробоя). Поэтому для зажигания искры нужны сотни или даже тысячи вольт.

Дуговой разряд

Дуговой разряд — это уже установившийся, самоподдерживающийся разряд, который характеризуется большим током и высокой температурой. В отличие от искрового разряда, где катод холодный, в дуговом разряде катод раскаляется до тысяч градусов Цельсия. При такой высокой температуре начинается интенсивный процесс термоэлектронной эмиссии — катод сам становится обильным источником электронов, "испаряя" их со своей поверхности. Кроме того, газовый промежуток уже заполнен горячей, хорошо проводящей плазмой. Поскольку носители заряда (электроны) поставляются в избытке за счет термоэлектронной эмиссии, отпадает необходимость в очень сильном электрическом поле для их создания путем ударной ионизации. Небольшого напряжения (40–50 В) оказывается вполне достаточно, чтобы поддерживать ток через уже ионизированный газ и сохранять высокую температуру катода, необходимую для продолжения эмиссии. Это напряжение называют напряжением горения дуги.

Ответ: Высокое напряжение (сотни вольт) необходимо для инициирования разряда (искры) в холодном, непроводящем газе путем ударной ионизации, для которой требуется сильное электрическое поле. Низкое напряжение (40–50 В) достаточно для поддержания уже существующего дугового разряда, поскольку главным источником электронов является термоэлектронная эмиссия с сильно разогретого катода, а сам газовый промежуток уже является проводящей плазмой.