Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ЗОВНІШНЄ НЕЗАЛЕЖНЕ ОЦІНЮВАННЯ 2018 - ФІЗИКА КОМПЛЕКСНЕ ВИДАННЯ

Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

3. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

3.5. СТРУМ У ВАКУУМІ (СТРУМ ПЕРЕНОСУ)

3.5.1. СТРУМ У ВАКУУМІ

Вакуум — розріджений до такої міри газ, що середня довжина вільного пробігу молекул перебільшує лінійні розміри посудини.

♦ У вакуумі практично відсутні вільні носії заряду, тому струм у вакуумі можливий тільки завдяки зарядженим частинкам, що виникають при емісійних явищах.

Термоелектронна емісія — випромінювання електронів твердими та рідкими тілами при їх нагріванні. Вилітають електрони, кінетична енергія яких більша або дорівнює роботі виходу їх із металу (роботі на подолання зв'язку електрона з металом) (рис. 3.21).

Рис. 3.21

Фотоелектронна емісія — випромінювання електронів з поверхні тіла під дією світла.

Вторинна емісія — вибивання електронів з металу у вакуумі при його бомбардуванні зарядженими частинками.

Електричний струм у вакуумі — напрямлений рух вільних електронів, отриманих завдяки електронній емісії.

3.5.2. ВАКУУМНІ ПРИЛАДИ

Вакуумний (ламповий) діод — пристрій із однобічною провідністю, дія якого базується на електричному струмі у вакуумі (рис. 3.22).

Рис. 3.22

♦ Будова. Діод складається зі скляного балона, із якого відкачене повітря та вмонтовані два електроди: катод (гарячий електрод) та анод (холодний електрод).

♦ Принцип дії. Якщо потенціал катода менший, ніж потенціал анода (рис. 3.23, а), то термоелектрони, що вилітають із розжареного катода, прискорюються електричним полем , досягають анода і замикають коло.

Якщо потенціал катода більший, ніж потенціал анода (рис. 3.23, б), то термоелектрони затримуються електричним полем , і струм в колі не йде. Отже, вакуумний діод пропускає струм лише в одному напрямку.

Рис. 3.23

♦ Вольт-амперна характеристика лампового діода є нелінійною (рис. 3.24, а). Струм насичення досягається тоді, коли всі електрони, випущені катодом, переносяться до анода.

Якщо нитку розжарення покрити шаром оксидів лужних металів із малою роботою виходу, то струм насичення практично не досягається, а вольт-амперна характеристика мас вигляд, як на рис. 3.24, б.

Рис. 3.24

Електронно-променева трубка — пристрій, який перетворює електромагнітні сигнали на світлові (рис. 3.25).

♦ Будова. Електронно-променева трубка являє собою вакуумний балон, одна зі стінок якого слугує екраном. Екран покритий шаром люмінофора — речовини, яка світиться, коли на неї потрапляє пучок електронів. На протилежному від екрана кінці трубки розташована електронна гармата, призначена для формування електронного пучка. Електронна гармата складається із підігрівного катода й анодів. Форма катода й анодів дібрана таким чином, що електрони, які вилітають із катода, розганяються до великих швидкостей і фокусуються на екрані майже у точку. На шляху електронного пучка за допомогою керівних пластин створюється електричне (або магнітне) поле.

Рис 3.25

♦ Принцип дії. Електронний пучок потрапляє в електричне поле керівних пластин (або електромагнітів). Якщо напруга подається на вертикальні пластини, то пучок відхиляється по горизонталі, якщо на горизонтальні — то по вертикалі. Таким чином, подаючи різну напругу, можна керувати електронним пучком.

♦ Застосування. В осцилографах — для вивчення електромагнітних сигналів; в телевізійних трубках — для формування зображення.

ПРИКЛАДИ РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ТЕСТОВИХ ЗАВДАНЬ

1. Серед наведених тверджень, що характеризують електричний струм у різних середовищах, укажіть правильне.

А Коли відбувається самостійний розряд у газах, виконується закон Ома.

Б Коли електричний струм проходить через електроліт, усі вільні носії заряду рухаються в один бік.

В Носіями електричного заряду в напівпровідниках є електрони й позитивні йони.

Г Коли електричний струм проходить через напівпровідник, напрямлений рух дірок і електронів відбувається в протилежних напрямках.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Газовий розряд, що триває після того, як припиниться дія зовнішнього йонізатора, називається самостійним газовим розрядом. На рисунку наведена вольт-амперна характеристика газового розряду.

З рисунку видно, що при самостійному газовому розряді (початок самостійного розряду відповідає точці А) сила струму не пропорційна прикладеній напрузі, тобто закон Ома в цьому випадку не виконується.

□ Твердження Б є неправильним. Коли струм проходить через електроліт, позитивні йони рухаються до катода (негативний електрод), а негативні йони — до анода (позитивний електрод). Таким чином, катіони й аніони рухаються в протилежних напрямках.

□ Твердження В є неправильним. Провідність чистих напівпровідників (власна провідність) здійснюється переміщенням вільних електронів (електронна провідність) і переміщенням зв'язаних електронів на вакантні місця парноелектронних зв'язків (діркова провідність).

□ Твердження Г є правильним. Якщо напівпровідник приєднати до джерела струму так, щоб його електронна область з'єднувалася з негативним полюсом джерела, а діркова — з позитивним, то електричне поле, утворене джерелом струму, буде напрямлене так, що воно переміщуватиме основні носії струму в кожній області напівпровідника до р—n-переходу (див. рисунок).

Приконтактна область збагачуватиметься основними носіями струму, і її опір зменшиться. Через контакт буде проходити помітний струм.

При цьому напрямлений рух дірок і електронів відбувається в протилежних напрямках.

Відповідь: Г.

2. Серед наведених тверджень, що характеризують електричний струм у різних середовищах, укажіть правильне.

A Опір електроліту збільшується зі зростанням температури.

Б Провідність напівпровідників зі зростанням температури зменшується.

В Опір р—n-переходу залежить від напрямку струму.

Г У напівпровіднику n-типу значно більше дірок, ніж електронів.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Між процесами електролітичної дисоціації і рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага, коли кількість молекул, що розпадаються на йони за одиницю часу, дорівнює кількості пар йонів, які за цей час поєднуються в нейтральні молекули. Відношення кількості молекул, що розпалися, до загальної кількості молекул розчину називають ступенем дисоціації.

Чим більший ступінь дисоціації, тим більше вільних носіїв заряду в розчині, тим менший питомий опір. Ступінь дисоціації з підвищенням температури збільшується, бо тепловий рух стає інтенсивнішим.

Тому питомий опір електролітів унаслідок нагрівання зменшується.

□ Твердження Б є неправильним. Кількість електронів провідності і дірок великою мірою залежить від температури.

З підвищенням температури кількість електронів з енергією, достатньою для того, щоб покинути свої атоми й стати електронами провідності, швидко збільшується. Збільшується відповідно й кількість дірок.

Це збільшення приводить до того, що з підвищенням температури провідність напівпровідників зростає.

□ Твердження В є правильним. Якщо напівпровідник приєднати до джерела струму так, щоб його електронна область з'єднувалася з негативним полюсом джерела, а діркова — з позитивним, то електричне поле, утворене джерелом струму, буде напрямлене так, що воно переміщуватиме основні носії струму в кожній області напівпровідника до р—n-переходу.

Приконтактна область збагачуватиметься основними носіями струму, і її опір зменшиться. Через контакт буде проходити помітний струм. Напрямок струму в цьому випадку називають пропускним, або прямим.

Якщо ж приєднати напівпровідник n-типу до позитивного, а p-типу до негативного полюса джерела, то приконтактна область розширюється. Опір області значно збільшується. Струм через перехідний шар буде дуже малим. Цей напрямок струму називають замикальним, або зворотним.

□ Твердження Г є неправильним. Якщо додати одну десятимільйонну частку атомів донорної домішки, концентрація вільних електронів значно зросте.

Оскільки напівпровідники, у яких є донорні домішки, мають більше вільних електронів, ніж дірок, їх називають напівпровідниками n-типу.

У напівпровіднику n-типу електрони є основними носіями заряду, а дірки — неосновними.

Відповідь: В.

3. Серед тверджень, що характеризують електричний струм у газах, укажіть правильне.

A Провідність газу зумовлена тільки рухом електронів.

Б Провідність газу зумовлена рухом електронів та йонів.

В Провідність газу зумовлена тільки рухом йонів.

Г Струм у газі напрямлений у той бік, куди рухаються негативні йони.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Гази, на відміну від металів та електролітів, складаються з електрично нейтральних атомів та молекул і в нормальних умовах не містять вільних носіїв струму (електронів і йонів).

Гази в нормальних умовах є діелектриками. Щоб електрон відірвався від атома, необхідна певна енергія, яку називають енергією йонізації (йонізація газів — це відрив електронів від їхніх атомів або молекул).

Йонізатор щосекунди утворює в просторі між електродами певну кількість йонів та електронів. Тому говорити, що провідність газу зумовлена тільки рухом електронів, не можна.

□ Твердження Б є правильним. Йонізатор щосекунди утворює в просторі між електродами певну кількість йонів та електронів. Стільки ж йонів та електронів, з'єднуючись між собою, утворюють нейтральні атоми. Така динамічна рівновага існує доти, доки між електродами немає електричного поля.

Тільки-но між електродами буде утворене поле, відразу ж на частинки, що несуть заряди з різним знаком, почнуть діяти сили, напрямлені протилежно. Тому рух не є лише безладним: заряджені частинки переміщуватимуться в напрямку дії на них електричного поля.

Цей напрямлений рух частинок (йонів та електронів) під дією електричного поля і являє собою струм у газі.

□ Твердження В є неправильним. На підставі наведених вище міркувань можна зробити висновок: йонізований газ — це провідник, носії заряду в ньому — позитивні і негативні йони, а також електрони.

□ Твердження Г є неправильним. За напрямок струму умовно беруть той напрямок, у якому могли б рухатися позитивно заряджені частинки, тобто напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного.

Відповідь: Б.

4. У ході електролізу розчину азотнокислого срібла виділилося протягом години 9,4 г срібла, kсріб = 1,12 ∙ 10-6 кг/Кл. Укажіть правильне твердження.

А Срібло осідає на аноді.

Б Срібло осідає на негативному електроді.

В Через електроліт пройшов заряд, більший за 104 Кл.

Г Струм у ході електролізу менший за 2 А.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. У разі йонної провідності проходження струму пов'язане з перенесенням речовини. На електродах виділяються ті речовини, що входять до складу електролітів. На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони, а на катоді позитивні йони одержують електрони, яких їм не вистачає. Тому срібло осідає на катоді.

□ Твердження Б є правильним. Коли струм проходить через електроліт, позитивні йони срібла рухаються до електрода, з'єднаного з негативним полюсом джерела.

□ Твердження В є неправильним. Відповідно до закону Фарадея для електролізу маса речовини, що виділилася на електроді внаслідок проходження електричного струму, пропорційна заряду, який пройшов через розчин: m = kq.

Звідси q = = = 8,4 ∙ 103 (Кл).

□ Твердження Г є неправильним. Оскільки згідно з визначенням сила струму дорівнює

I = , то I = = 2,3 (A).

Відповідь: Б.

5. За допомогою електролізу одержано 2,5 дм3 водню за температури 25 °С і тиску 100 кПа. Напруга на пристрої дорівнює 5 В, ККД пристрою становить 75 %. Укажіть правильне твердження. А Водень виділявся на аноді.

Б Маса одержаного водню перевищує 0,25 г.

В Витрата електроенергії більша ніж 1,5 ∙ 105 Дж.

Г Електрохімічний еквівалент залежить від молярної маси речовини.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Оскільки йони Гідрогену позитивні, то водень виділяється під час електролізу на катоді.

□ Твердження Б є неправильним. Згідно із законом Менделєєва—Клапейрона, pV = RT, звідки

m = .

Отже, в ході електролізу виділилася певна кількість водню:

m = = 2 ∙ 10-4 (кг) = 0,2 г.

□ Твердження В є неправильним. Із закону Фарадея для електролізу m = klt знаходимо, що

It = .

Витрата електроенергії під час електролізу А = ηIUt, звідки

А = η.

Підставляючи числові значення, одержуємо: А = 0,75 = 7,2 ∙ 104 (Дж).

□ Твердження Г є правильним. Коефіцієнт k називають електрохімічним еквівалентом речовини. Зміст цього коефіцієнта можна з'ясувати з виразу k = ([k] = ).

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кілограмах, яка виділяється під час проходження 1 Кл електрики.

Коефіцієнт k залежить від молярної маси речовини й валентності.

Отже, електрохімічні еквіваленти не однакові не тільки для різних елементів, але й для того самого елемента в різних сполуках, у яких він має різну валентність (наприклад, СuСІ і CuSO4).

Відповідь: Г.

ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗАННЯ

1. Установіть відповідність між поняттям, пов'язаним з протіканням електричного струму в різних середовищах, і його фізичним змістом.

1 Несамостійний розряд

2 Самостійний розряд

3 Електронна провідність

4 Діркова провідність

А Газовий розряд, що триває після того, як припиниться дія зовнішнього йонізатора

Б Процес протікання струму в газі тільки в присутності йонізатора

В Провідність напівпровідників зумовлена наявністю домішок

Г Провідність напівпровідників зумовлена наявністю в них вільних електронів

Д Провідність напівпровідників зумовлена рухом дірок

2. Установіть відповідність між видом самостійного газового розряду та умовою його виникнення.

1

Дуговий

А

Велика поверхнева

2

Іскровий

густина заряду

3

Коронний

Б

Висока температура

4

Тліючий

В

Висока напруга

Г

Низька температура

Д

Низький тиск

3. Установіть відповідність між видом самостійного газового розряду та його застосуванням у техніці.

1

Дуговий

А

Громовідвід

2

Іскровий

Б

Запалювання пальної суміші у двигунах

3

Коронний

4

Тліючий

В

Міцні прожектори

Г

Освітлювання приміщень

Д

Рафінування

4. Установіть відповідність між провідним середовищем та причиною появи в ньому вільних заряджених частинок.

1

Вакуум

А

Йонізація

2

Газ

Б

Електролітична дисоціація

3

Електроліт

В

Поляризація

4

Метал

Г

Слабкий зв'язок із ядром атома

Д

Термоелектронна емісія

5. Нікелювання металевої пластинки, що має площу поверхні 48 см2, тривало 5 год, а сила струму при цьому становила 0,2 А. Електрохімічний еквівалент нікелю 0,3 мг/Кл, густина нікелю 9 г/см3. Укажіть правильне твердження. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними.

А Нікель виділявся на аноді.

Б За 5 год через електроліт пройшов заряд 1 Кл.

В На пластинці відклалося більше за 2 г нікелю.

Г На пластинці утворився шар нікелю завтовшки 2,5 мкм.









загрузка...

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами. Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посилання на сайт, будьте вдячними ми затратили багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2008-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.