-->
|
|
|
Ãëàâà 16. Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ § 116. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå «Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõÍàèáîëåå ïðîñòû êîëè÷åñòâåííûå çàêîíîìåðíîñòè äëÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà â ìåòàëëàõ è ýëåêòðîëèòàõ. Çàäà÷è íà çàêîí Îìà, êîòîðûé âûïîëíÿåòñÿ äëÿ ýòèõ ïðîâîäíèêîâ, áûëè ïðèâåäåíû â ãëàâå 15.  äàííîé ãëàâå ïðåèìóùåñòâåííî ðàññìàòðèâàþòñÿ çàäà÷è íà ïðèìåíåíèå çàêîíà ýëåêòðîëèçà. Êðîìå òîãî, ïðè ðåøåíèè íåêîòîðûõ çàäà÷ íàäî èñïîëüçîâàòü ôîðìóëó (16.1) äëÿ çàâèñèìîñòè ñîïðîòèâëåíèÿ ìåòàëëè÷åñêèõ ïðîâîäíèêîâ îò òåìïåðàòóðû. Çàäà÷à 1. Ïðîâîäÿùàÿ ñôåðà ðàäèóñîì R = 5 ñì ïîìåùåíà â ýëåêòðîëèòè÷åñêóþ âàííó, íàïîëíåííóþ ðàñòâîðîì ìåäíîãî êóïîðîñà. Íàñêîëüêî óâåëè÷èòñÿ ìàññà ñôåðû, åñëè îòëîæåíèå ìåäè äëèòñÿ t — 30 ìèí, à ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä, ïîñòóïàþùèé íà êàæäûé êâàäðàòíûé ñàíòèìåòð ïîâåðõíîñòè ñôåðû çà 1 ñ, q = 0,01 Êë? Ìîëÿðíàÿ ìàññà ìåäè Ì = 0,0635 êã/ìîëü. Ð å ø å í è å. Ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ñôåðû S = 4πR2 = 314 ñì2. Ñëåäîâàòåëüíî, çàðÿä, ïåðåíåñ¸ííûé èîíàìè çà t = 30 ìèí = 1800 ñ, ðàâåí Δq = qSt = 0,01 Êë/(ñì2 • ñ) • 314 ñì2 • 1800 ñ = 5652 Êë. Ìàññà âûäåëèâøåéñÿ ìåäè ðàâíà:
Çàäà÷à 2. Ïðè ýëåêòðîëèçå, äëèâøåìñÿ â òå÷åíèå îäíîãî ÷àñà, ñèëà òîêà áûëà ðàâíà 5 À. ×åìó ðàâíà òåìïåðàòóðà âûäåëèâøåãîñÿ àòîìàðíîãî âîäîðîäà, åñëè ïðè äàâëåíèè, ðàâíîì 105 Ïà, åãî îáú¸ì ðàâåí 1,5 ë? Ýëåêòðîõèìè÷åñêèè ýêâèâàëåíò âîäîðîäà Ð å ø å í è å. Ïî çàêîíó Ôàðàäåÿ ìàññà m âûäåëèâøåãîñÿ âîäîðîäà: m = kIt. (1) Èç óðàâíåíèÿ Ìåíäåëååâà—Êëàïåéðîíà
Èç âûðàæåíèé (1) è (2) îïðåäåëèì òåìïåðàòóðó: Çàäà÷à 3. Ïðè íèêåëèðîâàíèè èçäåëèÿ â òå÷åíèå 1 ÷ îòëîæèëñÿ ñëîé íèêåëÿ òîëùèíîé l = 0,01 ìì. Îïðåäåëèòå ïëîòíîñòü òîêà, åñëè ìîëÿðíàÿ ìàññà íèêåëÿ Ì = 0,0587 êã/ìîëü, âàëåíòíîñòü n = 2, ïëîòíîñòü íèêåëÿ Ð å ø å í è å. Ñîãëàñíî çàêîíó ýëåêòðîëèçà Ôàðàäåÿ ìàññà âûäåëèâøåãîñÿ íà êàòîäå íèêåëÿ
ãäå m = ρV = ρlS, à I = jS, ãäå S — ïëîùàäü ïîêðûòèÿ íèêåëåì; F — ïîñòîÿííàÿ Ôàðàäåÿ, Çàäà÷à 4. Îïðåäåëèòå ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ, çàòðà÷åííóþ íà ïîëó÷åíèå ñåðåáðà ìàññîé 200 ã, åñëè ÊÏÄ óñòàíîâêè 80%, à ýëåêòðîëèç ïðîâîäÿò ïðè íàïðÿæåíèè 20 Â. Ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ýêâèâàëåíò ñåðåáðà ðàâåí Ð å ø å í è å. Ýíåðãèÿ, èäóùàÿ òîëüêî íà ýëåêòðîëèç, ðàâíà: W'ý = qU. (1) Ñîãëàñíî çàêîíó Ôàðàäåÿ m = kq, îòêóäà Ïîäñòàâèâ âûðàæåíèå äëÿ q â ôîðìóëó (1), ïîëó÷èì Ïîëíàÿ çàòðà÷åííàÿ ýíåðãèÿ Wý ñâÿçàíà ñ W'ý âûðàæåíèåì Çàäà÷à 5. Îáúÿñíèòå, ïî÷åìó ïðè äóãîâîì ðàçðÿäå ïðè óâåëè÷åíèè ñèëû òîêà íàïðÿæåíèå óìåíüøàåòñÿ. Ð å ø å í è å. Ïðè óâåëè÷åíèè ñèëû òîêà âîçðàñòàåò òåðìîýëåêòðîííàÿ ýìèññèÿ ñ êàòîäà, íîñèòåëåé çàðÿäà ñòàíîâèòñÿ áîëüøå, à ñëåäîâàòåëüíî, ñîïðîòèâëåíèå ïðîìåæóòêà ìåæäó ýëåêòðîäàìè óìåíüøàåòñÿ. Ïðè ýòîì óìåíüøåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ ïðîèñõîäèò áûñòðåå, ÷åì óâåëè÷åíèå ñèëû òîêà (â ãàçàõ íàðóøàåòñÿ ëèíåéíûé çàêîí Îìà U = IR), ïîýòîìó íàïðÿæåíèå óìåíüøàåòñÿ. Çàäà÷à 6. Ïîêàæèòå, ÷òî ïðè óïðóãîì ñòîëêíîâåíèè ýëåêòðîíà ñ ìîëåêóëîé ýëåêòðîí ïåðåäà¸ò åé ìåíüøóþ ýíåðãèþ, ÷åì ïðè àáñîëþòíî íåóïðóãîì óäàðå. Ð å ø å í è å. Ïðè ïðÿìîì àáñîëþòíî óïðóãîì ñòîëêíîâåíèè ýëåêòðîíà ñ ìîëåêóëîé âûïîëíÿþòñÿ çàêîíû ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè è èìïóëüñà:
ãäå me è m — ìàññû ýëåêòðîíà è ìîëåêóëû; υ1 è υ2 — èõ ñêîðîñòè ïîñëå ñòîëêíîâåíèÿ. Ðåøàÿ ýòó ñèñòåìó îòíîñèòåëüíî υ1 è υ2, ïîëó÷àåì Ýíåðãèÿ, ïåðåäàâàåìàÿ ìîëåêóëå, Èç ïîëó÷åííîãî âûðàæåíèÿ ñëåäóåò, ÷òî ìîëåêóëå ïåðåäà¸òñÿ î÷åíü ìàëåíüêàÿ ÷àñòü ïåðâîíà÷àëüíîé ýíåðãèè ýëåêòðîíà, òàê êàê me << m. Ïðè íåóïðóãîì ñòîëêíîâåíèè âûïîëíÿåòñÿ òîëüêî çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà meυ0 = (m + me)υ, è, òàêèì îáðàçîì, ýëåêòðîí òåðÿåò ýíåðãèþ
Òàê êàê me << m, ìû ìîæåì ñ÷èòàòü, ÷òî äðîáü â ñêîáêàõ ðàâíà íóëþ, îòêóäà Çàäà÷è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðåøåíèÿ1. Îäíîðîäíîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå íàïðÿæ¸ííîñòüþ Å ñîçäàíî â ìåòàëëå è â âàêóóìå. Îäèíàêîâîå ëè ðàññòîÿíèå ïðîéä¸ò çà îäíî è òî æå âðåìÿ ýëåêòðîí â òîì è äðóãîì ñëó÷àÿõ? Íà÷àëüíàÿ ñêîðîñòü ýëåêòðîíà ðàâíà íóëþ. 2. Äëèííàÿ ïðîâîëîêà, íà êîíöàõ êîòîðîé ïîääåðæèâàåòñÿ ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå, íàêàëèëàñü äîêðàñíà. Ïîëîâèíó ïðîâîëîêè îïóñòèëè â õîëîäíóþ âîäó. Ïî÷åìó ÷àñòü ïðîâîëîêè, îñòàâøàÿñÿ íàä âîäîé, íàãðåâàåòñÿ ñèëüíåå? 3. Ñïèðàëü ýëåêòðè÷åñêîé ïëèòêè ïåðåãîðåëà è ïîñëå ñîåäèíåíèÿ êîíöîâ îêàçàëàñü íåñêîëüêî êîðî÷å. Êàê èçìåíèëîñü êîëè÷åñòâî òåïëîòû, âûäåëÿåìîé ïëèòêîé çà åäèíèöó âðåìåíè? 4. Àëþìèíèåâàÿ îáìîòêà ýëåêòðîìàãíèòà ïðè òåìïåðàòóðå Î °Ñ ïîòðåáëÿåò ìîùíîñòü 5 êÂò. ×åìó áóäåò ðàâíà ïîòðåáëÿåìàÿ ìîùíîñòü, åñëè âî âðåìÿ ðàáîòû òåìïåðàòóðà îáìîòêè ïîâûñèòñÿ äî 60 °Ñ, à íàïðÿæåíèå îñòàíåòñÿ íåèçìåííûì? ×òî áóäåò, åñëè íåèçìåííîé îñòàíåòñÿ ñèëà òîêà â îáìîòêå? Òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ñîïðîòèâëåíèÿ àëþìèíèÿ 3,8 • 10-3 Ê-1. 5. Êîíöåíòðàöèÿ ýëåêòðîíîâ ïðîâîäèìîñòè â êðåìíèè ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå n1 = 1017 ì-3, à ïðè 700 °Ñ — n2 — 1024 ì-3. Êàêóþ ÷àñòü ñîñòàâëÿåò ÷èñëî ýëåêòðîíîâ ïðîâîäèìîñòè îò îáùåãî ÷èñëà àòîìîâ êðåìíèÿ? Ïëîòíîñòü êðåìíèÿ 2300 êã/ì3. 6. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïðèìåñíîé ïðîâîäèìîñòè ïðèìåíÿþò èíäèé, ìûøüÿê, ôîñôîð, ãàëëèé, ñóðüìó, âèñìóò. Êàêèå èç ýòèõ ýëåìåíòîâ ìîæíî ââåñòè â êà÷åñòâå ïðèìåñè â êðåìíèé, ÷òîáû ïîëó÷èòü ýëåêòðîííóþ ïðîâîäèìîñòü? 7. Êàêîé òèï ïîëóïðîâîäíèêà ïîëó÷èòñÿ, åñëè â êðåìíèé ââåñòè íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî àëþìèíèÿ? 8. Äëÿ ïîêðûòèÿ öèíêîì ìåòàëëè÷åñêèõ èçäåëèé â ýëåêòðîëèòè÷åñêóþ âàííó ïîìåù¸í öèíêîâûé ýëåêòðîä ìàññîé m = 0,01 êã. Êàêîé çàðÿä äîëæåí ïðîéòè ÷åðåç âàííó, ÷òîáû ýëåêòðîä áûë ïîëíîñòüþ èçðàñõîäîâàí? Ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ýêâèâàëåíò öèíêà k = 3,4 • 10-7 êã/Êë. 9. Ïðè ñèëå òîêà 1,6 À íà êàòîäå ýëåêòðîëèòè÷åñêîé âàííû çà 10 ìèí îòëîæèëàñü ìåäü ìàññîé 0,316 ã. Îïðåäåëèòå ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ýêâèâàëåíò ìåäè. 10. Îïðåäåëèòå êîëè÷åñòâî âûäåëèâøåãîñÿ íà êàòîäå ïðè ýëåêòðîëèçå àëþìèíèÿ (ýëåêòðîëèò Al2SO4), åñëè çàòðà÷åíà ýíåðãèÿ 20 êÂò • ÷ ïðè íàïðÿæåíèè íà ýëåêòðîäàõ 12 Â, ÊÏÄ óñòàíîâêè 80%. Ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ýêâèâàëåíò àëþìèíèÿ 11. Êàê íàäî ðàñïîëîæèòü ýëåêòðîäû, ÷òîáû ýëåêòðîëèòè÷åñêè ïîêðûòü âíóòðåííþþ ïîâåðõíîñòü ïîëîãî ìåòàëëè÷åñêîãî ïðåäìåòà? 12. Ïðè íèêåëèðîâàíèè äåòàëè â òå÷åíèå 2 ÷ ñèëà òîêà, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç âàííó, áûëà 25 À. Ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ýêâèâàëåíò íèêåëÿ k = 3 • 10-7 êã/Êë, åãî ïëîòíîñòü ρ = 8,9 • 103 êã/ì3. ×åìó ðàâíà òîëùèíà ñëîÿ íèêåëÿ, âûäåëèâøåãîñÿ íà äåòàëè, åñëè ïëîùàäü äåòàëè S = 0,2 ì2? 13. Îïðåäåëèòå ñêîðîñòü ýëåêòðîíîâ ïðè âûõîäå èç ýëåêòðîííîé ïóøêè â äâóõ ñëó÷àÿõ — ïðè ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì 500  è 5000 Â. Ïîâòîðèòå ìàòåðèàë ãëàâû 16 ïî ñëåäóþùåìó ïëàíó1. Âûïèøèòå îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è ôèçè÷åñêèå âåëè÷èíû è äàéòå èì îïðåäåëåíèå. 2. Ñôîðìóëèðóéòå çàêîíû è çàïèøèòå îñíîâíûå ôîðìóëû. 3. Óêàæèòå åäèíèöû ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èè è èõ âûðàæåíèå ÷åðåç îñíîâíûå åäèíèöû ÑÈ. 4. Îïèøèòå îñíîâíûå îïûòû, ïîäòâåðæäàþùèå ñïðàâåäëèâîñòü çàêîíîâ.
|
|
|