Повні розв’язки, як у зошиті. Хочеш розібратися самостійно — під кожним завданням є «Пояснення з репетитором».
Сторінка 35
§ 4. Електричний струм у газах
Завдання 1
Прилад та зміна умов експерименту
Розгляньте дослід (рис. 4.1) і дайте відповіді на запитання: 1) За допомогою якого приладу з'ясували, що за звичайних умов повітря не проводить електричний струм? 2) Що було зроблено, щоб повітря стало провідником струму? Зробіть припущення, які частинки при цьому є вільними носіями заряду.
Розв’язання
На малюнку 4.1 видно, що для виявлення наявності або відсутності електричного струму використовується гальванометр (прилад з стрілкою та шкалою).
У варіанті «а» гальванометр не показує струм, а у варіанті «б» — показує. Різниця полягає в тому, що у другому випадку між пластинами знаходиться запалена спиртівка.
Нагрівання повітря призводить до термічної йонізації: молекули газу втрачають або приєднують електрони, перетворюючись на позитивні та негативні йони.
Відповідь:
1) Гальванометр; 2) У повітряний прошарок внесли запалену спиртівку (нагрівали газ); вільними носіями заряду є позитивні йони, негативні йони та вільні електрони.
Сторінка 38
Завдання 1 (с. 38)
Механізм провідності газів
Поясніть, чому гази за звичайних умов є діелектриками, і опишіть процес, при якому вони стають провідниками (термічна йонізація).
Розв’язання
За звичайних умов гази є діелектриками, оскільки вони складаються з електрично нейтральних атомів і молекул, які не мають вільних заряджених частинок.
Коли газ нагрівають (наприклад, полум'ям спиртівки), кінетична енергія теплового руху частинок збільшується настільки, що при зіткненні електрон відривається від атома або молекули.
Утративши електрон, нейтральна частинка стає позитивним йоном, а вільний електрон починає рухатися в електричному полі, що створює умови для виникнення струму.
Відповідь:
Гази за звичайних умов не проводять струм через відсутність вільних носіїв заряду; вони стають провідниками при термічній йонізації, коли висока температура забезпечує частинкам достатню енергію для відщеплення електронів.
Завдання 2
Електричний струм у плазмі
Опишіть природу електричного струму в йонізованому газі (плазмі) та поясніть, як відбувається процес йонізації.
Розв’язання
Йонізацією називають процес перетворення нейтральних атомів або молекул газу на позитивні йони, негативні йони та вільні електрони.
Електричний струм у плазмі являє собою напрямлений рух усіх цих вільних заряджених частинок: позитивних йонів, негативних йонів та електронів.
У плазмі можуть бути як позитивні йони (утворені відщепленням електрона), так і негативні йони (утворені приєднанням електрона до нейтральної частинки).
Відповідь:
Йонізація — це процес утворення вільних носіїв заряду з нейтральних частинок; струм у плазмі виникає завдяки напрямленому руху позитивних йонів, негативних йонів та електронів.
Сторінка 39
Завдання 4.1
Електричне поле та рух частинок
У електричному полі між двома пластинами знаходиться йонізований газ (плазма). Потрібно зобразити силові лінії поля, визначити напрямок руху електронів, позитивних і негативних йонів, а також описати рух нейтральних частинок.
Розв’язання
Силові лінії малюємо прямими лініями, що йдуть перпендикулярно до пластин від плюсової (+) до мінусової (-).
Позитивні йони (+) та протони малюємо стрілками, спрямованими до катода (мінусової пластини).
Електрони (−) та негативні йони малюємо стрілками, спрямованими до анода (плюсової пластини).
Нейтральні частинки позначаємо без стрілок або хаотичними рухами, оскільки вони не мають заряду і не реагують на поле.
Відповідь:
Силові лінії йдуть від анода до катода; позитивні йони рухаються до катода, електрони та негативні йони — до анода; нейтральні частинки не мають напрямленого руху в полі.
Завдання 4.2
Природа назви «електронна лавина
Поясніть, чому швидке збільшення кількості вільних електронів під час самостійного газового розряду фізики назвали «лавиною».
Розв’язання
Один вільний електрон розганяється полем і йонізує атом, створюючи новий електрон.
Тепер є два електрони, кожен з яких може йонізувати новий атом.
Кількість електронів зростає дуже швидко (подвоєння на кожному кроці), що нагадує лавину.
Відповідь:
Назва «лавиною» обумовлена ланцюговою реакцією, коли один вільний електрон при йонізації створює новий електрон, який теж розганяється і йонізує наступний атом, що призводить до швидкого та масового зростання кількості вільних носіїв заряду.
Завдання 4.3
Вплив температури на провідність газів
Поясніть фізичну причину того, чому при охолодженні газів їхня електрична провідність різко падає.
Розв’язання
При охолодженні кінетична енергія молекул газу зменшується.
Молекули вже не мають достатньої енергії для відірвання електронів при зіткненнях (відбувається рекомбінація).
Кількість вільних носіїв заряду спадає до нуля, і газ стає діелектриком.
Відповідь:
При охолодженні газів їхня провідність падає, тому що зменшується кінетична енергія частинок, що призводить до припинення йонізації та швидкої рекомбінації вільних електронів із позитивними йонами у нейтральні молекули.
Завдання 4.4
Механізм провідності газів
Пояснити, чому гази за звичайних умов є діелектриками, а при нагріванні або впливі випромінювання стають провідниками. Описати процес утворення вільних носіїв заряду (йонізація).
Розв’язання
За звичайних умов газ є діелектриком, оскільки не має вільних носіїв заряду (атоми нейтральні).
Під час нагрівання або під впливом випромінювання частинки набувають великої енергії.
Внаслідок зіткнень електрони відщеплюються від атомів, утворюючи вільні носії заряду (йони та електрони).
Відповідь:
Газ стає провідником завдяки йонізації — процесу утворення вільних електронів, позитивних і негативних йонів.
Завдання 4.5
Види газових розрядів
Дати означення несамостійному та самостійному газовим розрядам. Пояснити, чому після припинення дії йонізатора розряд зникає.
Розв’язання
Несамостійний розряд — це процес, який йде лише за умови наявності зовнішнього йонізатора.
Самостійний розряд — це процес, що підтримується сам собою без участі зовнішнього джерела енергії.
Після припинення дії йонізатора вільні заряди швидко рекомбінують або поглинаються електродами, і струм зникає.
Відповідь:
Несамостійний розряд — за наявності йонізатора; самостійний — без нього. Розряд припиняється через рекомбінацію та поглинання зарядів електродами.
Завдання 4.6
Електронна лавина
Описати процес утворення електронної лавини під час самостійного газового розряду. Пояснити, чому цей процес називають «лавиною».
Розв’язання
Електрон прискорюється полем і зіштовхується з атомом, вибиваючи новий електрон.
Кількість вільних електронів збільшується (один дає два, два — чотири тощо).
Цей ланцюговий процес призводить до різкого зростання кількості носіїв заряду, що й називають лавиною.
Відповідь:
Електронна лавина — це ланцюгова реакція ударної йонізації, при якій кількість вільних електронів зростає експоненційно завдяки відщепленню нових електронів під час зіткнень.
