"Системные задачи электропроводности газов прикладной физики морского флота"

Автор: Мищик Сергей Александрович
Должность: доцент кафедры "физика"
Учебное заведение: Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова
Населённый пункт: город НОВОРОССИЙСК
Наименование материала: Методическая разработка
Тема: "Системные задачи электропроводности газов прикладной физики морского флота"
Дата публикации: 26.07.2016







Вернуться назад       Перейти в раздел





Текстовая часть публикации

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 морско - го 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, находя- щихся 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 приклад - ной физики морского флота необходимо применять основные положения тео - рии деятельности, системного анализа и теории формирования интеллекта. Системный анализ предполагает выполнение последовательности систем - ных аналитических действий: выделить объект анализа –задачу электропровод - ности газов прикладной физики морского флота (ЗЭГПФМФ) как систему; уста- новить порождающую среду ЗЭГПФМФ; определить уровни анализа ЗЭГПФ - МФ; представить целостные свойства ЗЭГПФМФ относительно пространствен - ных, и временных характеристик и их комбинаций; выделить структуру уровня анализа ЗЭГПФМФ; установить структурные элементы уровня анализа ЗЭГПФ- МФ; определить системообразующие связи данного уровня анализа ЗЭГПФ - МФ; представить межуровневые связи анализа ЗЭГПФМФ; выделить форму ор- ганизации ЗЭГПФМФ; установить системные свойства и поведение ЗЭГПФ - МФ.

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 = 10

8

м

-3
; подвижности ионов
u

+

=3·10

-2

м

2

/(В·с)
и
u

-

=3·10

2

м

2

/(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/м

2

; I

+

/ I= 0,01%.

Задача 2
В разрядной трубе судового электронного комплекса площадь каждого электро - да ионизационной камеры
S = 0,01 м

2
, расстояние между ними
d = 6,2 см
. Опре- делить ток насыщения
I

н
в разрядной камере-трубе судового электронного комплекса, если в единице объема в единицу времени образуется число одноза - рядных ионов каждого знака
N=10

15

м

-3

·с

-1
.
Ответ:

I

н

= 0,1 мкА.

Задача 3
В разрядной трубе судового электронного комплекса площадь каждого электро - да ионизационной камеры
S = 0,01 м

2
, расстояние между ними
d = 6,2 см
. Опре- делить наибольшее возможное число ионов
n
каждого знака, находящихся в единице объема в разрядной камере-трубе судового электронного комплекса, если коэффициент рекомбинации
γ = 10

-12

м

3


.
Ответ: наибольшее возможное число ионов каждого знака в единице объема

камеры получится при условии, что убывание ионов происходит только за

счет их рекомбинации

n = 3,2·10

13

м

-3

.

Задача 4

В судовом электронном комплексе определить сопротивление
R
разрядной трубки длиной
ℓ = 84 см
и площадью поперечного сечения
S = 5 мм

2
, если она заполнена воздухом, ионизованным так, что в единице объема при равновесии находится
n = 10

13

м

-3
однозарядных ионов каждого знака. Подвижности ионов в разрядной трубке судового электронного комплекса
n

+

= 1,3·10

-4

м

2

/(B·c)
и
n

-

=

1,8·10

-4

м

2

/(В·с).

Ответ: R =3,4·10

14

Ом.

Задача 5
В разрядной трубе судового электронного комплекса площадь каждого электро - да ионизационной камеры
S = 0,01 м

2
, расстояние между ними
d = 6,2 см
. Опре- делить силу тока
I
между электродами ионизационной камеры судового элек - тронного комплекса, если к электродам приложена разность потенциалов
U=20

В
. Подвижности ионов судового электронного комплекса
n

+

= n

-

= 10

-4

м

2

/(В·с)
, коэффициент рекомбинации
γ = 10

-12

м

3


. Какую долю силы тока насыщения со - ставляет рассчитанная сила тока?
Ответ:

I = 3,3 нА; I / I

н

= 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 каме - ры судового электронного комплекса? Потенциал ионизации атома водорода
U

=13,5 В
.
Ответ:

v = 2,2·10

6

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, доста - точную для ионизации. Потенциал ионизации атома ртути в разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса
U =10,4 В.


Ответ:

Т = 8·10

4

К.

Задача 8
В разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса происходит ионизация атомов гелия. Потенциал ионизации атома гелия в раз - рядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса
U =24,5

В
. Определить работу ионизации
А
атомов гелия в разрядной трубе ионизаци - онной 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 см

3
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 дм

2
, расстояние между ними
d = 5,0 см.

Ответ:

N = 2,5·10

7

см

-3



Задача 10
В разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса происходит ионизация атомов газа. Определить расстояние
d
между пластина - ми ионизационной камеры судового электронного комплекса, если число пар ионов, возникающих под действием ионизатора ежесекундно в объёме
V = 1

см

3
разрядной трубки ионизационной камеры судового электронного комплекса, равно
N

=

12,5·10

6

пар
при силе тока насыщения
I = 1·10

-10

А
. Площадь каждого электрода ионизационной камеры судового электронного комплекса
S = 100

см

2

.

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 комплек -
са, чтобы при длине свободного пробега
ℓ = 0,5 мкм
электрон смог ионизиро - вать атом газа с энергией ионизации
W= 2,4·10

-18

Дж .

Ответ: E = 3·10

7

В/м .

Задача 12
В разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса электрон влетает со скоростью
v = 1,83·10

6

м/с
в однородное электрическое поле в направлении, противоположном направлению напряжённости поля. Опреде - лить разность потенциалов
U,
которую должен пройти электрон в разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса, чтобы ионизи - ровать 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
I

н
при не- самостоятельном газовом разряде в разрядной трубе ионизационной камеры су - дового электронного комплекса , если число пар ионов, возникающих под дей - ствием ионизатора ежесекундно в объёме
V = 1 см

3
разрядной трубки ионизаци- онной камеры судового электронного комплекса, равно
N

=

10

9

пар
. Площадь каждого электрода ионизационной камеры судового электронного комплекса
S

= 100 см

2
, расстояние между ними
d = 5,0 см.

Ответ: I

н

= 80 нА.

Задача 14
В разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса на- чинается самостоятельный разряд в водороде. Определить напряжённость элек - тростатического поля, при которой начнётся самостоятельный разряд в разряд - ной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса. Энергия ионизации молекул газа
W= 2,5·10

-18

Дж
, средняя длина свободного пробега


= 5 мкм.
Определить скорость электронов при ударе о молекулу водорода в раз - рядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса.
Ответ: Е = 3,1 МВ/м; v = 2,3·10

6

м/с
.

Задача 15
В разрядной трубе ионизационной камеры судового электронного комплекса на- чинается ударная ионизация воздуха, при этом плоский конденсатор ионизаци - онной камеры подключён к источнику напряжения
U = 6 кВ
. Определить рас - стояние между пластинами конденсатора, соответствующее началу пробоя воз - душного 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 на- чинается ударная ионизация воздуха, при этом плоский конденсатор ионизаци - онной камеры ёмкостью
С = 10 пФ
соединен последовательно с резистором, имеющим сопротивление
R = 1,0 кОм
. Расстояние между пластинами конденса- тора ионизационной камеры судового электронного комплекса
d = 3,0 мм
. Воз- дух между пластинами конденсатора ионизируется рентгеновским излучением: каждую секунду
t = 1 c
в
V = 1 см

3
воздуха образуется
n = 5•10

4

пар ионов
с за- рядом
q = е = 1,6•10

-19

Кл
. 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 ка - мере судового электронного комплекса, чтобы ионизировать неподвижный атом неона? Потенциал ионизации неона
φ = 21,5 В.

Ответ: v = 2700 км/с.

Литература:
Иродов И. Е. Задачи по общей физике. М.: Наука, 1979 - С.368