Номер 5, страница 177 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 10. Электрический ток в газах, вакууме и полупроводниках. Параграф 48. Виды самостоятельного разряда. Плазма. Вопросы - номер 5, страница 177.

Условие.

5. Какие технические применения находит дуговой разряд?

Решение.

4. Как получают дуговой разряд?

Дуговой разряд — это один из видов самостоятельного электрического разряда в газах, который характеризуется очень высокой плотностью тока (от 1 до 10⁵ А/см² и выше) и относительно низким падением напряжения между электродами (обычно несколько десятков вольт). Основной процесс, поддерживающий дуговой разряд, — это термоэлектронная эмиссия, то есть испускание электронов с поверхности катода, раскаленного до высокой температуры.

Классический способ получения дугового разряда (электрической дуги или вольтовой дуги) заключается в следующем:

1. К источнику постоянного или переменного тока с достаточной мощностью подключают два электрода (часто используются угольные стержни).

2. Электроды приводят в кратковременное соприкосновение друг с другом. В месте контакта, имеющем большое сопротивление, по закону Джоуля — Ленца ($Q = I^2Rt$) выделяется огромное количество теплоты. Концы электродов раскаляются добела (температура достигает нескольких тысяч градусов).

3. После сильного разогрева электроды медленно разводят на небольшое расстояние (несколько миллиметров или сантиметров).

4. С поверхности раскаленного катода (отрицательного электрода) начинается интенсивная эмиссия электронов. Эти электроны, ускоренные электрическим полем, ионизируют атомы и молекулы газа в межэлектродном промежутке, превращая его в проводящую плазму.

5. Возникает стабильный, ярко светящийся плазменный шнур — электрическая дуга, по которому протекает большой ток. Температура в канале дуги может достигать 6000–10000 К и более, что и определяет её основные технические применения.

Зажечь дугу можно и другими способами, например, инициировав пробой газового промежутка высоким напряжением (создав искровой разряд, который затем переходит в дуговой) или используя вспомогательный разряд.

Ответ: Дуговой разряд получают путем разогрева катода до высокой температуры, что вызывает термоэлектронную эмиссию. На практике это чаще всего достигается кратковременным замыканием двух электродов с последующим их разведением на небольшое расстояние. Разогретые концы электродов обеспечивают поток электронов, который ионизирует газ и создает стабильный плазменный шнур (дугу).

5. Какие технические применения находит дуговой разряд?

Благодаря высокой температуре и концентрации энергии в столбе разряда, дуговой разряд нашёл широкое применение в науке и технике. Основные области его использования:

• Электрическая сварка, резка и наплавка. Это самое известное и массовое применение. Тепло дуги используется для плавления кромок свариваемых деталей или для разрезания толстых металлических листов.

• Металлургия. В дуговых сталеплавильных печах мощные электрические дуги между графитовыми электродами и металлической шихтой используются для плавки металлолома и производства высококачественной стали.

• Источники света. Дуговые лампы служат мощными источниками света. Ксеноновые дуговые лампы применяются в кинопроекторах и прожекторах, ртутные и натриевые — в уличном освещении, бактерицидных установках.

• Плазменные технологии. Дуговой разряд используется в плазмотронах для генерации низкотемпературной плазмы. Плазменные струи применяют для нанесения износостойких и жаропрочных покрытий (плазменное напыление), обработки материалов и в плазмохимических реакторах.

• Электрокоммутационная аппаратура. В высоковольтных выключателях и разъединителях при размыкании контактов под нагрузкой неизбежно возникает электрическая дуга. Конструкция этих аппаратов направлена на локализацию и быстрое гашение этой дуги для предотвращения повреждений.

• Ракетные двигатели. В электрических ракетных двигателях, таких как аркджеты, дуговой разряд используется для нагрева рабочего тела (например, аммиака или гидразина), которое затем, расширяясь в сопле, создает реактивную тягу для коррекции орбит спутников.

Ответ: Дуговой разряд применяется в электросварке и резке металлов, в металлургических печах для плавки стали, в мощных источниках света (дуговых лампах), в плазмотронах для нанесения покрытий, в высоковольтных выключателях для коммутации цепей, а также в электрических ракетных двигателях.