Электрические… — Задание 21 ЕГЭ по физике №00017601

Задание №21. Качественная Задача

Электрические Цепи

№2. Задание 21

ID: 00017601

Каким образом возникает газовый разряд и свечение в стеклянных трубках с достаточно разреженными газами при подаче на электроды в трубках высокого напряжения? Какие частицы (ионы или электроны) играют основную роль в обеспечении ионизации газа? Оцените, во сколько раз отличаются кинетические энергии электронов и ионов атомарного водорода (протонов) после их ускорения в электрическом поле. Ответ поясните на основании известных законов механики и электродинамики.

Источник: ФИПИ

Решение

Идея

Разряд в разреженном газе — это ударная ионизация: заряженные частицы разгоняются полем, набирают энергию и при ударах выбивают электроны из атомов. А энергию, набранную в поле, считаем через работу поля — и тут масса частицы роли не играет, важен только её заряд.

Как возникает разряд и свечение

Высокое напряжение создаёт между электродами сильное электрическое поле. Всегда есть немного случайных свободных электронов (от космических лучей, естественной радиации). Поле разгоняет их; в разреженном газе молекул мало, и до следующего столкновения электрон успевает пролететь большой путь и набрать энергию, достаточную для ионизации. Ударяясь об атом, такой электрон выбивает из него ещё один электрон — рождается новая пара «электрон + положительный ион». Новые электроны снова разгоняются и снова ионизируют — число носителей лавинообразно растёт, возникает самостоятельный газовый разряд. Свечение появляется оттого, что при возбуждении и обратной рекомбинации (ион захватывает электрон) атомы излучают свет.

Кто главный в ионизации

Основную роль играют электроны. Они в тысячи раз легче ионов, поэтому в поле разгоняются гораздо быстрее и на одном и том же свободном пробеге успевают набрать энергию, нужную для ионизации. Тяжёлые ионы инертны, разгоняются медленно и ионизируют газ слабо.

Оценка отношения энергий

Когда частица с зарядом $$q$$ проходит ускоряющую разность потенциалов $$U$$ , поле совершает над ней работу $$A=qU$$ . По теореме о кинетической энергии вся эта работа переходит в кинетическую энергию: $$E_к=qU$$ . У электрона заряд по модулю $$e$$ , у протона тоже $$e$$ . Значит:

$E_{к,\,э}=eU,\qquad E_{к,\,p}=eU.$

Их отношение $\dfrac{E_{к,\,э}}{E_{к,\,p}}=\dfrac{eU}{eU}=1$ . Энергии одинаковы — масса в этот расчёт не входит (различаются у них не энергии, а скорости: лёгкий электрон при той же энергии летит гораздо быстрее тяжёлого протона).

Ответ: кинетические энергии электрона и протона после ускорения в одном поле равны (отношение 1); ионизацию обеспечивают в основном электроны.

Ответ

Кинетические энергии электрона и протона после ускорения в одном и том же поле одинаковы (отличаются в 1 раз), потому что у них одинаковый по модулю заряд. Основную роль в ионизации играют электроны.

Другие задания по теме «Электрические Цепи» (8)