Физика /1.Теоретическая физика
К.п.н. Мищик С.А.
Государственный морской университет имени
адмирала Ф.Ф.Ушакова ,
Россия
Системные задачи электропроводности газов
прикладной физики морского флота
Системные задачи электропроводности газов
прикладной физики морского флота отражают целостно-системное моделирование
основных элементов транспортных объектов. При этом возникает ориентация на
единство базисных характеристик предметных и исполнительных условий
относительно предмета содержания и способа его реализации. Рассматриваются: плотность
тока между электродам разрядной трубы
судового электронного комплекса; ток насыщения в
разрядной камере; наибольшее возможное число
ионов каждого знака, находящихся в единице объема; сопротивление разрядной трубки;
определение силы тока между электродами ионизационной камеры судового
электронного комплекса на морском флоте.
В процессе решения системных задач электропроводности
газов прикладной физики морского флота необходимо применять основные положения
теории деятельности, системного анализа и теории формирования интеллекта.
Системный анализ предполагает
выполнение последовательности системных аналитических действий: выделить объект
анализа –задачу электропроводности газов прикладной физики морского флота (ЗЭГПФМФ)
как систему; установить порождающую среду ЗЭГПФМФ; определить уровни анализа ЗЭГПФМФ;
представить целостные свойства ЗЭГПФМФ относительно пространственных, и временных
характеристик и их комбинаций; выделить структуру уровня анализа ЗЭГПФМФ;
установить структурные элементы уровня анализа ЗЭГПФМФ; определить
системообразующие связи данного уровня анализа ЗЭГПФМФ; представить
межуровневые связи анализа ЗЭГПФМФ; выделить форму организации ЗЭГПФМФ;
установить системные свойства и поведение ЗЭГПФМФ.
Задача 1
К
электродам разрядной трубы судового электронного комплекса приложена разность
потенциалов U =5 В, расстояние между
ними d
= 10 см. Газ судового электронного комплекса, находящийся в трубке,
однократно ионизован. Число ионов каждого знака в единице объема газа n =
108м-3; подвижности ионов u+=3·10-2 м2/(В·с) и u-=3·102
м2/(В·с) . Определить плотность тока J между электродам разрядной трубы
судового электронного комплекса. Какая часть полного тока переносится
положительными ионами в разрядной трубе судового электронного комплекса?
Ответ: J =0,24
мкА/м2; I+/ I= 0,01%.
Задача 2
В разрядной трубе судового электронного комплекса площадь
каждого электрода ионизационной камеры S = 0,01 м2, расстояние
между ними d = 6,2 см.
Определить ток насыщения Iн в разрядной камере-трубе
судового электронного комплекса, если в единице объема в единицу времени
образуется число однозарядных ионов каждого знака N=1015 м-3·с-1.
Ответ: Iн
= 0,1 мкА.
Задача 3
В разрядной трубе судового электронного комплекса площадь
каждого электрода ионизационной камеры S = 0,01 м2, расстояние
между ними d = 6,2 см.
Определить наибольшее возможное число ионов n каждого знака,
находящихся в единице объема в разрядной камере-трубе судового электронного
комплекса, если коэффициент рекомбинации γ = 10-12м3/с.
Ответ:
наибольшее
возможное число ионов каждого знака в единице объема камеры получится при
условии, что убывание ионов происходит только за счет их рекомбинации
n = 3,2·1013
м-3.
Задача 4
В судовом электронном комплексе определить
сопротивление R разрядной трубки длиной ℓ = 84 см и площадью
поперечного сечения S = 5 мм2, если она заполнена воздухом, ионизованным
так, что в единице объема при равновесии находится n = 1013м-3
однозарядных ионов каждого знака. Подвижности ионов в разрядной трубке судового
электронного комплекса n+ = 1,3·10-4 м2/(B·c) и n - = 1,8·10-4м2/(В·с).
Ответ: R =3,4·1014 Ом.
Задача 5
В разрядной трубе судового электронного комплекса площадь
каждого электрода ионизационной камеры S = 0,01 м2, расстояние
между ними d = 6,2 см.
Определить силу тока I между электродами ионизационной
камеры судового электронного комплекса, если к электродам приложена разность
потенциалов U=20 В . Подвижности ионов судового электронного комплекса n+ =
n - = 10-4м2/(В·с),
коэффициент рекомбинации γ = 10-12м3/с.
Какую долю силы тока насыщения составляет рассчитанная сила тока?
Ответ: I
= 3,3 нА; I / Iн = 3,3% .
Задача 6
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса электроны ионизируют атомы водорода. Определить наименьшую
скорость ионизации v электрона атома
водорода в разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса?
Потенциал ионизации атома водорода U =13,5 В.
Ответ: v
= 2,2·106 м/с.
Задача 7
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса происходит ионизация атомов ртути. Определить температуру Т
в разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса,
при которой атомы ртути имеют кинетическую энергию поступательного движения,
достаточную для ионизации. Потенциал ионизации атома ртути в разрядной трубе
ионизационной камеры судового электронного комплекса U =10,4 В.
Ответ: Т
= 8·104 К.
Задача 8
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса происходит ионизация атомов гелия. Потенциал ионизации
атома гелия в разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного
комплекса U =24,5 В. Определить работу ионизации А атомов гелия в разрядной
трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса.
Ответ: А = 39,2·10-19 Дж .
Задача 9
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса происходит ионизация атомов газа. Определить число пар ионов, возникающих под
действием ионизатора ежесекундно в объёме V = 1 см3 разрядной трубки ионизационной камеры судового
электронного комплекса, в которой сила тока насыщения I =
2·10-7 мА. Площадь
каждого электрода ионизационной камеры судового электронного комплекса S = 1
дм2, расстояние между ними d = 5,0 см.
Ответ: N = 2,5·107 см-3
Задача 10
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса происходит ионизация атомов газа. Определить расстояние d между пластинами ионизационной камеры судового
электронного комплекса, если число пар
ионов, возникающих под действием ионизатора ежесекундно в объёме V = 1 см3 разрядной трубки ионизационной камеры судового
электронного комплекса, равно N = 12,5·106
пар при
силе тока насыщения I = 1·10-10 А. Площадь каждого электрода ионизационной камеры
судового электронного комплекса S = 100 см2.
Ответ: d = 0,5 см.
Задача 11
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса электроны ионизируют атомы газа. Определить
напряжённость электрического поля в разрядной трубе ионизационной камеры
судового электронного комплекса, чтобы при длине свободного пробега ℓ
= 0,5 мкм электрон смог ионизировать атом газа с энергией ионизации W= 2,4·10-18 Дж .
Ответ: E =
3·107В/м .
Задача 12
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса электрон влетает со скоростью v = 1,83·106 м/с
в однородное электрическое поле в направлении, противоположном направлению
напряжённости поля. Определить разность потенциалов U, которую должен пройти
электрон в разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного
комплекса, чтобы ионизировать атом водорода, если энергия ионизации W= 2,18·10-18
Дж .
Ответ: U = 4,15 В .
Задача 13
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса происходит ионизация атомов газа. Определить силу тока насыщения Iн
при несамостоятельном газовом разряде в разрядной трубе ионизационной камеры
судового электронного комплекса, если число пар ионов, возникающих под
действием ионизатора ежесекундно в объёме V = 1 см3 разрядной трубки ионизационной камеры судового
электронного комплекса, равно N = 109 пар. Площадь каждого электрода ионизационной камеры
судового электронного комплекса S = 100 см2, расстояние
между ними d = 5,0 см.
Ответ: Iн =
80 нА.
Задача 14
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса начинается самостоятельный разряд в водороде. Определить
напряжённость электростатического поля, при которой начнётся самостоятельный
разряд в разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса.
Энергия ионизации молекул газа W= 2,5·10-18
Дж, средняя длина свободного
пробега ℓ = 5 мкм. Определить
скорость электронов при ударе о молекулу водорода в разрядной трубе
ионизационной камеры судового электронного комплекса.
Ответ: Е
= 3,1 МВ/м; v = 2,3·106 м/с .
Задача 15
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса начинается ударная ионизация воздуха, при этом плоский
конденсатор ионизационной камеры подключён к источнику напряжения U = 6 кВ.
Определить расстояние между пластинами конденсатора, соответствующее началу
пробоя воздушного слоя ионизационной камеры судового электронного комплекса,
если ударная ионизация воздуха в разрядной трубе начинается при напряжённости электростатического поля Е = 3
МВ/м.
Ответ: d = 2 мм .
Задача 16
В разрядной трубе ионизационной камеры судового
электронного комплекса начинается ударная ионизация воздуха, при этом плоский
конденсатор ионизационной камеры ёмкостью С = 10 пФ соединен последовательно с
резистором, имеющим сопротивление R = 1,0 кОм. Расстояние между
пластинами конденсатора ионизационной камеры судового электронного комплекса d =
3,0 мм. Воздух между пластинами конденсатора ионизируется рентгеновским
излучением: каждую секунду t = 1 c в V = 1 см3 воздуха образуется n = 5•104 пар ионов
с зарядом q = е = 1,6•10-19Кл. Определите силу тока I в цепи и падение напряжения U на резисторе в разрядной
трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса при подключении
источника высокого напряжения.
Ответ: I =
8,1 • 10-14 A; U = 8,1• 10-11
В.
Задача 17
Какой наименьшей скоростью v должен обладать
электрон в ионизационной камере судового электронного комплекса, чтобы
ионизировать неподвижный атом неона? Потенциал ионизации неона φ
= 21,5 В.
Ответ: v =
2700 км/с.
Литература: