Меню

В трубке ионизированный воздух сопротивление трубки r 1012 ом проводимость воздуха составляет 10 19



Молекулярная физика и термодинамика, электростатика, постоянный ток. Контрольная по физике

Из опыта известно, что прохождение тока по проводнику сопровождается выделением тепла. Это выделение тепла связано с перено­сом зарядов и, следовательно, с работой электрических сил, которая идет на этот перенос.

Возьмем сечение проводника, через которое за время t про­текает заряд q: q=I × t. Этот заряд проходит за время t разность потенциалов j 1- j 2, причем электрические силы со­вершают работу, равную:

A=q( j 1- j 2)=It( j 1- j 2).

Работа сил поля не вызывает увеличения тока и идет на нагревание проводника. Следовательно, по закону сохранения энергии, количество теплоты Q, выделившееся в проводнике, равно работе А, т.е.

Воспользовавшись законом Ома, получим

Выражение (26) представляет закон Джоуля-Ленца. По закону Джоуля-Ленца, количество теплоты Q, выделяемое в участке проводника при прохождении тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению R участка и времени прохождения тока. Как рассчитать количество теплоты в проводнике, если в нем протекает непостоянный ток? В этом случае воспользуемся стандартным приемом: выберем про­межуток времени dt таким, в течение которого будем считать ток постоянным. Тогда количество теплоты dQ, выделившееся в про­воднике за время dt:

Если известен закон, по которому меняется ток, то проинтегрировав это выражение, получим полное значение теплоты:

Рассмотрим пример решения задачи.

Пример 16. Сила тока в проводнике меняется со временем по закону I=I0e- a t. Начальная сила тока I0 = 20A, a = 102c-1, R = 2Ом. Определить теплоту, выделившуюся в проводнике за время t = 10-2 с.

Закон изменения тока I = 20e–100t .

Согласно вышесказанному dQ = I2Rdt.

Полное количество теплоты: .

Подставив значение сопротивления, получим:

7. Мощность тока

Если заряд q переместится за время t из одного конца проводника, к которому приложено напряжение U, в другой, то си­лы электростатического поля и сторонние силы совершают работу:

Здесь UI = ( j 1- j 2)I+ e 12I (напомним, что напряжение U определяется как работа, совершаемая электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда). Разделив работу А на время t, получим мощность, развиваемую током на рассматриваемом участке цепи:

P=UI=( j 1- j 2)I+ e 12I.

Выражение для полной мощности, выделяемой во всей замкнутой цепи, можно получить из (q), если учесть, что для замкнутой цепи ( j 1- j 2)=0. Следовательно:

Воспользовавшись законом Ома для полной цепи (23):

.

Из выражения (е) следует, что полная мощность, выделяемая в цепи, слагается из мощностей, выделяемых во внешней и внутренней частях цепи. Мощность, выделяемая во внешней цепи (как это следует из (е)) равна:

Наибольшего значения PR достигает при R = r, т.е. когда внутреннее сопротивление равно внешнему. При этом:

Чтобы убедиться в том, что максимум мощности РR достигается при R = r, надо взять производную и приравнять ее нулю. Если R = 0, то полная мощность максимальна, а ток в данном случае называется током короткого замыкания Iкз.

(из закона Ома для замкнутой цепи (23)).

8. Коэффициент полезного действия тока

определяется отношением мощности PR, выделяемой во внешней цепи, к полной мощности, выделяемой во всей замкнутой цепи, т.е.

.

9. Плотность тока в газах

В ионизованном газе свободными носителями заряда (в основном) являются положительные и отрицательные ионы. Если ионизованный газ находится между двумя плоскими электродами, на которые подали напряжение, то положительные ионы движутся по полю, а отрицательные – против поля (рис.24).

Согласно выражению (24) плотность тока i в проводнике равна:

V –скорость электронов,

n – концентрация электронов.

Обозначим скорости положительных и отрицательных ионов V+ и V-, соответственно, и будем считать, что концентрация ионов n+=n-=n, тогда, согласно (24) плотность тока в ионизованном газе будет:

Скорость ионов пропорциональна величине напряженности поля Е меж­ду электродами, т.е., например, для положительных ионов:

Здесь u+-коэффициент пропорциональности. Физический смысл u+, становится ясен, если положить, что

.

Тогда величина u+, называемая подвижностью иона, численно равна скорости, которую он приобретает в электрическом поле с напряженностью, равной единице, следовательно:

.

Заменив скорости ионов в (27) через произведения u+ × E и u– × E получим:

То есть, плотность тока в газе i пропорциональна напряженности электрического поля Е, если ток далек от насыщения. При малых значениях Е коэффициент пропорциональности в выражении (28) является константой. Обозначив ее s , получим:

т. е. в слабых электрических полях выполняется закон Ома (выражение (25)).

При больших , т.е. в сильных электрических полях, все ионы, производимые ионизатором, уходят на электроды. При этом протекающий ток называется током насыщения, а плотность тока — плотностью тока насыщения. Плотность тока пропорциональна длине ионизационной камеры l, т.к. число ионов, производимое ионизатором, также пропорционально l:

Читайте также:  Лучшие бытовые увлажнители воздуха рейтинг

Здесь n0 — число пар ионов, ежесекундно образуемых ионизатором в единице объема газа, l — расстояние между электродами.

Рассмотрим пример решения задачи.

Пример 17. Найти сопротивление трубки длиной l= 0,5 м и площадью поперечного сечения S = 5 мм2, если она наполнена азотом, ионизированным так, что в объеме V = см3 его находится при равновесии n = 108 пар ионов, ионы однозарядны. Подвижность положительных ионов азота 1,27 × 104 м2/В × с, отрицательных –1,81 × 10–-4м2/В × с.

U+=1,27 × 10–4м2/В × с

U–=1,81 × 10–4м2/В × с

Сопротивление трубки с газом можно найти как: . Здесь: r – удельное сопротивление газа, заполняющего трубку, l – длина, S – площадь поперечного сечения трубки. Задача заключается в определении удельного сопротивления газа в трубке.

Удельное сопротивление обратно пропорционально удельной проводимости:

.

Удельную проводимость найдем, применив закон Ома в дифференциальной форме (25) и зависимость плотности тока в газах вдали от плотности насыщения (28). Поясним, почему в данном случае можно воспользоваться этими закономерностями.

Поскольку в условии задачи сказано, что имеет место равнове­сие между числом возникающих и исчезающих в результате рекомбина­ции ионов, то, следовательно, концентрация n числа пар ионов является величиной постоянной, и ток в трубке далек от насыщения, поэтому плотность тока (согласно (28)) равна

. (а)

Здесь q — заряд иона, n — концентрация ионов, U+ и U— под­вижности ионов, Е — напряженность электрического поля. Так как ток далек от насыщения, то закон Ома выполняется:

. (б)

Приравняв правые части (а) и (б) и сократив одинако­вые члены, найдем:

Подставив числовые данные, получим:

Как и следовало ожидать, сопротивление трубки с газом очень велико, порядка 1013Ом.

Источник

Примеры решения задач. Удельная электропроводность электролита

Удельная электропроводность электролита

,

где ‑ концентрация молекул растворенного вещества, ‑ коэффициент диссоциации, равный отношению числа диссоциировавших молекул к их общему числу.

Задача 2.1.

Определить силу тока в через сопротивление R3 и напряжение на концах этого сопротивления (рис. 2.11). Е1=1 В, Е2=5 В, R1=1 Ом, R2=2 Ом, R3=3 Ом.

Решение:

Для решения задачи используем правила Кирхгофа. В первую очередь выберем направления токов во всех ветвях цепи (в данной задаче их три) и проставим обозначения токов (см. рис. 2.12). В цепи два узла (b и e), следовательно, по первому правилу должно быть записано одно уравнение (на одно меньше, чем количество узлов): – алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю. Запишем это правило для узла b:

причем токи, заходящие в узел, берем с положительным знаком, выходящие – с отрицательным.

По второму правилу Кирхгофа записываем два оставшихся уравнения (всего уравнений столько же, сколько токов): – алгебраическая сумма падений напряжений на сопротивлениях в любом замкнутом контуре равна алгебраической сумме электродвижущих сил. Здесь также нужно соблюдать правила знаков: если направление обхода контура на данном участке противоположно направлению тока, то падение напряжения берем с отрицательным знаком; если ЭДС проходим от плюса к минусу, то берем ее с отрицательным знаком.

Таким образом, получим для контуров abef и abcdef:

Решаем систему уравнений (1) – (3); из (1) получим:

После подстановки (4) в (2) и замены в (2) и (3) известных величин на их численные значения:

Из (4): I1 = 3I3 – 4, после подстановки в (5): А, напряжение U3 найдем по закону Ома для участка цепи:

В.

Сила тока в проводнике сопротивлением 12 Ом равномерно убывает от максимального значения до нуля за 10 с. Какое количество теплоты выделится в этом проводнике за указанный промежуток времени, если при этом по проводнику прошел заряд 50 Кл?

Решение:

Запишем закон, по которому изменяется со временем сила тока в проводнике. Ток убывает равномерно, то есть по линейному закону, от максимального значения I, тогда:

где – быстрота убывания тока:

. (2)

Заряд, прошедший через сечение, можно рассчитать, интегрируя силу тока по времени в рассматриваемом промежутке: так как , то

,

. (3)

Количество выделившейся теплоты находим по закону Джоуля-Ленца, подставив (1):

. (4)

Из (3) , тогда .

Вычисляем: Дж.

Ответ: Q = 4000 Дж.

Воздух ионизируется рентгеновскими излучениями. Определить удельную проводимость воздуха, если в объёме 1 см 3 газа находится в условиях равновесия 10 8 пар ионов. Подвижность положительных ионов 1,4 см 2 /В×с и отрицательных – 1,9 см 2 /В×с.

Читайте также:  Как вреден освежитель воздуха

Решение

Удельная электропроводимость ионизированного газа равна: , где – концентрация ионов одного знака (или пар ионов). Тогда получим: . Подставим численные значения:

.

.

Ответ: .

Во сколько раз изменится плотность тока насыщения в триоде с вольфрамовым катодом, если его температура изменится от 2400 К до 2500 К? Эмиссионная постоянная В = 60 А/(см 2. К 2 ), работа выхода электрона 7,2 . 10 -19 Дж.

Решение

Плотность тока насыщения при термоэлектронной эмиссии описывается формулой Ричардсона–Дешмена:

.

Запишем плотности тока насыщения при двух температурах и найдём их отношение:

; ;

.

Подставим численные значения:

.

Ответ: .

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите условия возникновения и существования электрического тока.

2. Что такое сторонние силы и какова их природа?

3. В чем заключается физический смысл электродвижущей силы, действующей в цепи?

4. Какова связь между сопротивлением и проводимостью, удельным сопротивлением и удельной проводимостью?

5. Что понимают под средней, дрейфовой или упорядоченной скоростью движения носителей тока?

6. Что понимают под напряженностью поля сторонних сил?

7. Выведите законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

8. В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока?

9. Проанализируйте обобщенный закон Ома. Какие частные законы можно из него получить?

10. Как формулируются правила Кирхгофа? На чем они основаны?

11. Как составляются уравнения, выражающие правила Кирхгофа? Как избежать лишних уравнений?

12. Что называется самостоятельным и несамостоятельным разрядом?

Источник

В трубке ионизированный воздух сопротивление трубки r 1012 ом проводимость воздуха составляет 10 19

При выполнении заданий с кратким ответом впишите в поле для ответа цифру, которая соответствует номеру правильного ответа, или число, слово, последовательность букв (слов) или цифр. Ответ следует записывать без пробелов и каких-либо дополнительных символов. Дробную часть отделяйте от целой десятичной запятой. Единицы измерений писать не нужно.

Если вариант задан учителем, вы можете вписать или загрузить в систему ответы к заданиям с развернутым ответом. Учитель увидит результаты выполнения заданий с кратким ответом и сможет оценить загруженные ответы к заданиям с развернутым ответом. Выставленные учителем баллы отобразятся в вашей статистике. Полное правильное решение каждой из задач с развернутом решением должно включать законы и формулы, применение которых необходимо и достаточно для решения задачи, а также математические преобразования расчёты с численным ответом и при необходимости рисунок, поясняющий решение.

На рисунке представлены графики зависимости проекции скорости vx тел I, II, III, IV от времени t. С постоянным по модулю ненулевым ускорением движутся

1) тела I, II и III

3) тела I, III и IV

4) тела I, II и IV

Какие из утверждений верны?

А. Сила тяготения, действующая на некоторое тело у поверхности Луны, меньше силы тяготения, действующей на это тело у поверхности Земли.

Б. Всемирное тяготение между Землей и Луной проявляется в океанических приливах и отливах.

3) оба утверждения верны

4) оба утверждения неверны

Два шара движутся навстречу друг другу (см. рисунок). Первый обладает импульсом P1, второй — P2. Полный импульс P системы шаров равен по модулю

1) и направлен слева направо

2) и направлен слева направо

3) и направлен налево

4) и направлен налево

Тело свободно падает с нулевой начальной скоростью. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. За третью секунду скорость тела увеличится на

В процессе нагревания стальной шарик перестал пролезать сквозь металлическое кольцо (см. рисунок).

1) масса и плотность шарика не изменились

2) масса и плотность шарика увеличились

3) масса шарика не изменилась, а его плотность уменьшилась

4) масса шарика не изменилась, а его плотность увеличилась

К тележке массой 1 кг прикрепили пружину и начали тянуть за неё, прикладывая горизонтально направленную постоянную силу, так, что за время 2 c тележка проехала расстояние 1,6 м. При этом в течение движения тележки пружина была удлинена на 1 см. Какова жёсткость пружины? Трением пренебречь.

Внутренняя энергия тела зависит

1) только от температуры этого тела

2) только от массы этого тела

3) только от агрегатного состояния вещества

4) от температуры, массы тела и агрегатного состояния вещества

На рисунке представлен график зависимости температуры от времени для процесса нагревания слитка свинца массой 1 кг. Какое количество теплоты получил свинец за 10 мин нагревания?

Удельную теплоёмкость свинца считать равной

КПД тепловой машины равен . Какая часть энергии, выделяющейся при сгорании топлива, не используется в этой тепловой машине для совершения полезной работы?

Читайте также:  Очиститель рециркулятор воздуха ys300 армед инструкция

1)

2)

3)

4)

Заряженную положительным зарядом палочку подносят к незаряженному электрометру. Когда палочка находится вблизи шарика электрометра, но не касается его, наблюдают отклонение стрелки электрометра. Укажите номер рисунка, на котором правильно указано распределение заряда в электрометре.

По проводнику течет ток 8 А. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за 40 с?

К магнитной стрелке медленно поднесли снизу постоянный магнит, как показано на рисунке. Как повернётся магнитная стрелка?

1) на 90° по часовой стрелке

2) на 90° против часовой стрелки

3) на 45° по часовой стрелке

4) никак не повернётся

Из воздуха на поверхность воды падает луч света. Под слоем воды располагается стекло. Известно, что показатель преломления стекла больше показателя преломления воды. На каком рисунке правильно изображён ход светового луча?

Резисторы R1 = 25 Ом, R2 = 30 Ом, R3 = 30 Ом подключены к источнику постоянного напряжения U = 120 В так, как показано на рисунке. Какая мощность выделяется в резисторе R1?

Под действием какой частицы протекает ядерная реакция ?

1) нейтрона

2) протона

3) α-частицы

4) электрона

Для измерения силы тока, проходящего через лампу, и электрического напряжения на лампе ученик собрал электрическую цепь, представленную на рисунке.

Какие из приборов (амперметр и (или) вольтметр) включены в электрическую цепь правильно?

1) только амперметр

2) только вольтметр

3) и амперметр, и вольтметр включены правильно

4) и амперметр, и вольтметр включены неправильно

При удалении частиц дыма из ионизационной камеры извещателя сила тока, текущего через неё,

3) не изменяется

4) может как увеличиваться, так и уменьшаться — в зависимости от размеров частиц дыма

Ионизационный дымовой извещатель

Пожары в жилых и производственных помещениях, как известно, представляют серьёзную опасность для жизни и здоровья людей и могут служить причиной больших материальных потерь. По этой причине важной задачей является обнаружение пожара в самом начале его возникновения и раннее оповещение людей о начале возгорания. Для решения этой задачи используются различные системы пожарной сигнализации, основным элементом которой является пожарный извещатель. Предназначение пожарного извещателя — среагировать на различные проявления пожара и привести в действие сигнальную часть пожарной сигнализации (например, сирену). Пожарные извещатели бывают двух основных типов: тепловые (реагируют на повышение температуры) и дымовые (реагируют на появление в воздухе частиц дыма). Извещатели обоих типов могут иметь различные принципы действия и конструктивные особенности.

Принцип действия ионизационного извещателя

Рассмотрим в качестве примера ионизационный дымовой извещатель. Его основным элементом является ионизационная камера (рис. а), в которой находится источник радиоактивного излучения — например, изотоп химического элемента америция . При радиоактивном распаде америций испускает альфа-частицы, которые ионизируют молекулы воздуха, при столкновениях «разбивая» их на положительно и отрицательно заряженные ионы. Также в ионизационной камере находятся два электрода. После подключения электродов к полюсам источника постоянного напряжения положительные ионы притягиваются к отрицательно

заряженному электроду, а отрицательные ионы — к положительно заряженному электроду, и через ионизационную камеру начинает протекать электрический ток (рис. б). Если в такую камеру попадают частицы дыма, то ионы притягиваются к ним и оседают на этих частицах (рис. в). В результате количество ионов в камере резко уменьшается, число носителей заряда падает, и сила тока, текущего через камеру, также уменьшается. Именно величина силы тока, текущего через ионизационную камеру, служит индикатором наличия дыма, а значит, и пожара.

Обычно при конструировании ионизационного дымового извещателя в него помещают сразу две ионизационные камеры: одну открытую (она является рабочей), а вторую — закрытую (она является эталонной). В закрытую камеру, в отличие от открытой, дым попасть не может, и поэтому сила текущего через неё тока всё время постоянна. Электрическая схема извещателя сравнивает силы токов, текущих через открытую и закрытую камеры. В случае если эти силы токов сильно отличаются друг от друга (что происходит как раз тогда, когда в открытую камеру попадает дым), сигнализация срабатывает — электрическая схема включает её сигнальную часть (например, сирену), и начинается оповещение о пожаре. Описанный ионизационный дымовой извещатель лучше реагирует на дым, состоящий из большого количества мелких частиц. В этом случае суммарная площадь поверхности частиц дыма больше, и ионы лучше осаждаются на частицах.

Источник