Удельная проводимость электролита определяется формулой
a - степень диссоциации, С [моль/м3] - молярная концентрация, Z - валентность, F - постоянная Фарадея, u +и u - [м /(В-с)] - подвижность ионов. При этом a=nq/nn - отношение числа диссоциированных молекул в единице объема к числу всех молекул растворенного вещества в этом объеме. Величина n=CZ [моль/м3] - называется эквивалентной концентрацией, а величина L=s/h [м2/(Ом·моль)] -эквивалентной проводимостью. При небольших плотностях тока, текущего в газе, имеет место закон Ома: где Е - напряженность поля, s - удельная проводимость газа, q - заряд иона, п [м-3]- число ионов каждого знака (число пар ионов), находящихся в единице объема газа. При этом где N [м-3с-1] - число пар ионов, создаваемых ионизирующим агентом в единице объема в единицу времени, g [м3/с] - коэффициент рекомбинации. Плотность тока насыщения в газе определяется формулой JH = Nqd где d - расстояние между электродами. Чтобы вырваться из металла наружу, электрон должен обладать кинетической энергией где А - работа выхода электрона из данного металла. Плотность тока насыщения при термоэлектронной эмиссии определяется формулой где Т - термодинамическая температура катода, А - работа выхода, k = 1,38·10-23 Дж/К - постоянная Больцмана, В [А/(м2·К2)] - эмиссионная постоянная, разная для различных металлов. Задача 60 При электролизе медного купороса за время t =l ч выделилась масса т =0,5 г меди. Площадь каждого электрода S =75 см2. Найти плотность тока j.
По второму закону Фарадея -электрохимический эквивалент пропорционален химическому эквиваленту
(3) Подставляя формулу (3) в (2) получившееся выражение подставляем в формулу (1) получаем Вычисления: Ответ: плотность тока в электролите j =56,3 А/м2. Задача 61 Две электролитические ванны с растворами AgNO3 и CuSO4 соединены последовательно. Какая масса m2 меди выделится за время, в течение которого выделилась масса серебра, равная m1 =180 мг?
(1) По первому закону Фарадея применительно к раствору CuSO4, найдем, что (2) Подставим выражение (1) в формулу (2), получаем Вычисления: Ответ: за одинаковое время в последовательно соединенных ваннах с растворами AgNO3 и CuSO4 выделилось т2 =53·10-6 кг меди во втором растворе. Задача 62 Какую электрическую энергию W надо затратить, чтобы при электролизе раствора AgNO3 выделилось т =500 мг серебра? Разность потенциалов на электродах U =4 В.
По первому закону Фарадея: (2) Подставим (2) в (1), получаем Вычисления: Ответ: для выполнения поставленных в задаче целей надо затратить электрическую энергию, равную W =l,79·103 Дж. Задача 63 Через раствор азотной кислоты пропускается ток I =2А. Какое количество электричества q переносится за t =l мин ионами каждого знака?
Отсюда q++q_=It При небольших плотностях тока имеет место соотношения q - заряд иона,
n - число ионов каждого знака, находящихся в единице объема электролита, Е - напряженность поля. Отсюда составим отношение (2) Мы знаем, что q=It=jSt Количество электричества q+ и q_, переносимое за время t ионами каждого знака q+=j+St q-=j-St Составим соотношение (3) Приравнивая отношения (1) и (2) получаем отношение (4) На основе уравнений (1) и (4) составим систему уравнений
Отсюда Вычисления: Ответ: количество электричества, переносимого за время t ионами отрицательного и положительного знака соответственно равно q_ = 20 Кл и q+ = 100 Кл. Задача 64 Найти сопротивление R раствора AgNO3, заполняющего трубку длиной l =84 см и площадью поперечного сечения S =5 мм2. Эквивалентная концентрация раствора h =0,1 моль/л, степень диссоциации a = 8 1%.
s =ahF(u+ + u_) Подставим выражение (2) в (1), получаем Вычисления: Ответ: сопротивление раствора AgNO3, заполняющего трубку, равно R =180·103 0м. Задача 65 Удельная проводимость децинормального раствора соляной кислоты s = 3,5 См/м. Найти степень диссоциации a.
Вычисления: Ответ: степень диссоциации данного раствора равна a = 9 2%. Задача 66 К электродам разрядной трубки приложена разность потенциалов U =5 В, расстояние между ними d =10 см. Газ, находящийся в трубке, однократно ионизирован. Число ионов каждого знака в единице объема газа п =108 м-3 подвижность ионов и+ =3·10-2 м2/(В·с) и и_ =3·10-2 м2/(В·с). Найти плотность тока j в трубке. Какая часть полного тока переносится положительными ионами?
(2)
Подставляя (2) в (1), получаем: Зная, что j+=enu+E, (3) j-=enu-E, (4) найдем часть полного тока, переносимого положительными зарядами, т.е. отношение . Подставим в это выражение формулы (3) и (4). С учетом формулы (2) получаем Вычисления: Ответ: плотность тока в трубке равна j =2,4·10-7 А/м2, часть полного тока переносимого положительными ионами равна Задача 67 Площадь каждого электрода ионизационной камеры S =0,01 м2, расстояние между ними d =6,2 см. Найти ток насыщения IH в такой камере, если в единице объема в единицу времени образуется число однозарядных ионов каждого знака n =1015м-3c-2?
, отсюда ток насыщения равен:
Вычисления: IH= 1015·1,6·10-19·0,062·10-2=10-7 (А) Ответ: ток насыщения в этой камере равен IH 10-7 А. Задача 68 Найти сопротивление R трубки длиной l =84 см и площадью поперечного сечения S =5 мм2 если она заполнена воздухом, ионизированным так, что в единице объема при равновесии находится п =1013 м-3 однозарядных ионов каждого знака. Подвижность ионов u+ =1,3·10-4м2/(В·с) и u+ =1,8·10-4м2/(В·с)
может быть найдена из формулы: s = qn (u++u-) = en (u++u-) Подставим (2) в (1), получаем: Вычисления: Ответ: сопротивление трубки с воздухом будет равно R =3,4·1014 Ом. Тема 8 Магнитное поле По закону Био-Савара-Лапласа элемент контура dl, по которому течет ток I, создает в некоторой точке А пространства магнитное поле напряженностью где r - расстояние от точки А до элемента тока dl, а - угол между радиус - вектором r и элементом тока dl. Применим закон Био-Савара-Лапласа к контурам различного вида.
Напряженность магнитного поля в центре кругового тока где R - радиус кругового контура с током. Напряженность магнитного поля, созданного бесконечно длинным прямолинейным проводником где а - расстояние от точки, где ищется напряженность, до проводника с током. Напряженность магнитного поля на оси кругового тока где R - радиус кругового контура с током, а — расстояние от точки до плоскости контура. Напряженность поля внутри тороида и бесконечно длинного соленоида Н=Iп, где п - число витков на единицу длины соленоида. Напряженность магнитного поля на оси соленоида конечной длины , где b1 и b 2- углы между осью соленоида и радиус - вектором, проведенным из рассматриваемой точки к концам соленоида. Задача 69 Найти напряженности Н магнитного поля в точке, отстоящей на расстоянии а =2 м от бесконечно длинного проводника, по которому течет ток I =5 А.
Вектор расположен по касательной к окружности, направление определяется правилом буравчика. Вычисления: Ответ: напряженность магнитного поля в точке, отстоящей на данном расстоянии от бесконечно длинного проводника, по которому течет ток, равна Н =0,39 А/м. Задача 70 Найти напряженность Н магнитного поля в центре кругового проволочного витка радиусом R =l с которому течет ток I =1 А.
Вычисления: Вывод данной формулы В этом случае все элементы проводника перпендикулярны к радиус - вектору и sin j =l. Расстояние всех элементов провода до центра круга одинаково и равно радиусу круга R. Поэтому, используя закон Био-Савара - Лапласа получаем: Все элементы тока создают магнитное поле одинакового направления, перпендикулярное к плоскости витка, и поэтому полная напряженность поля в центре кругового витка равна где l - длина окружности. Направление магнитного поля находим по правилу правого буравчика. Ответ: напряженность магнитного поля в центре кругового проволочного витка равна 50 А/м. Задача 71 На рисунке изображены сечения двух прямолинейных бесконечно длинных проводников с токами. Расстояние между проводниками АВ =10 см, токи I1 =20A и I2 =30A. Найти напряженность Н магнитного поля, вызванного токами I1 и I2 в точках M1, М2, М3. Расстояния M1а =2 см, АМ2 =4 см, ВМ3 = 3см.
Н1 и Н2 - напряженности магнитных полей, создаваемые в этой точке токами I1 и I2 соответственно. Спроецируем данные вектора на ось х, получаем что Н = Н1 - Н2 Найдем Н1 и Н2, подставляя данные из условия задачи в формулу (1), т.е.
Тогда
2) Найдем напряженность магнитного поля, вызванного токами Н1 и Н2 в точке М2. Согласно принципу суперпозиции, в точке М2 напряженность где Н1 и Н2 - напряженности магнитных полей, создаваемые в этой точке токами I1 и I2 соответственно. Спроецируем данные вектора на ось х, получаем что Н = Н1 + Н2 Найдем Н1 и Н2, подставляя данные из условия задачи в формулу (1), т.е.
Тогда
3) Найдем напряженность магнитного поля, вызванного токами I1 и I2 в точке М3. Согласно принципу суперпозиции, в точке М3 напряженность где Н1 и Н2 - напряженности магнитных полей, создаваемые в этой точке токами I1 и I2 соответственно. Спроецируем данные вектора на ось х, получаем что Н = Н2 - Н1 Найдем Н1 и Н2, подставляя данные из условия задачи в формулу (1), т.е. ; Тогда
Вычисления:
Положительный знак у результирующей напряженности в данной точке говорит о сонаправленности результирующей напряженности с выбранным направлением координатной оси. Ответ: напряженности магнитного поля, вызванного токами I1 и I2 в точках М1, М2, М3 соответственно равны H1 =120 А/м, Н2 =159 А/м, Н3 =135 А/м. Задача 72 На рисунке изображены сечения трех прямолинейных бесконечно длинных проводников с токами. Расстояния АВ=ВС =5 см, токи I1 = I2=I и I3 = 2 I. Найти точку на прямой АС, в которой напряженность магнитного поля, вызванного токами I1, I2 и I3, равна нулю.
1) Попробуем найти точку, в которой Hрез = 0 в отрезке АВ прямой АВС, свяжем систему координат с точкой местонахождения тока I1, т.е. предположим местонахождение этой точки определяет точка с координатами (х,0). Согласно принципу суперпозиции Спроецируем вектора на ось Оу, получаем с учетом того, что Н =0: Н2 - Н1 - Н3 = 0 Подставим в данное выражение числовые значения H1, Н2, Н3, сокращая при этом на , т.к. это отношение не равно нулю. Получаем: 0,15 х = 0,005, т.к. (0,1- х)(0,05- х) х ¹ 0 Отсюда х = 0,033 (м) Искомая точка удалена от проводника I1 на расстояние х =0,033 м. 2) Предположим, что искомая точка находится на отрезке (¥,А], свяжем систему координат с точкой местонахождения проводника I1, координата точки будет (х, О). Согласно принципу суперпозиции
Спроецируем вектора на ось Оу, получаем с учетом того, что Н =0: Н2 - Н1 + Н3 = 0 Подставим в данное выражение числовые значения H1, Н2, Н3, сокращая при этом на , т.к. это отношение не равно нулю. Получаем: -0,15 х = 0,005, т.к. (0,1+ х)(0,05+ х) х ¹ 0 Отсюда х = -0,033 (м) Этот результат подтверждает ранее полученный. Рассматривая две ранее полученные системы координат мы видим, что полученные координаты для точки в этой системе координат совпадает с полученными координатами искомой точки в первом случае, если совмещать две системы. 3) Предположим, что искомая точка находится на отрезке ВС. В данном случае векторная сумма не может равняться нулю, т.е. , т.к. векторы , и сонаправлены. 4) Предположим, что искомая точка находится на отрезке [С,¥), свяжем систему координат с местонахождением проводника I3 и координата точки будет (х,0). Согласно принципу суперпозиции Спроецируем вектора на ось Оу, получаем с учетом того, что Н =0: Н3 - Н1 - Н2 = 0 Подставим в данное выражение числовые значения H1, Н2, Н3, сокращая при этом на , т.к. это отношение не равно нулю. Получаем: 0,15 х = - 0,01, т.к. (0,1+ х)(0,05+ х) х ¹ 0 Отсюда х = -0,066 (м) Этот результат подтверждает ранее полученные, т.к. координата полученной точки совпадает с искомой, полученной в первом пункте. Ответ: точка, в которой напряженность магнитного поля, вызванного токами I1, I2 и I3 равна нулю, находится между точками I1 и I2 на расстоянии а =0,033 м от точки А. Задача 73 Два прямолинейных бесконечно длинных проводника расположены перпендикулярно друг к другу и находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях. Найти напряженности H1 и H2 магнитного поля в точках M1 и M2, если токи I1 =2 А и I2 =3A. Расстояния AM1 = AM2 =l см и АВ = 2см.
1) Найдем напряженность H1 в точке M1. Векторы напряженности H1 и H2 магнитного поля, вызванного токами I1 и I2 находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях. Вектор , является гипотенузой прямоугольного треугольника, у которого катетами являются вектора H1 и H2. Воспользовавшись теоремой Пифагора, найдем Напряженность магнитного поля, созданного бесконечно длинным прямолинейным проводником
где а - расстояние от проводника до рассматриваемой точки. Воспользовавшись этим выражением, найдем и
Отсюда
2) Найдем напряженность H2 в точке M2. Векторы напряженности и магнитного поля, вызванного токами I1 и I2 находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях. Вектор является гипотенузой прямоугольного треугольника, у которого катетами являются векторы и . Воспользовавшись теоремой Пифагора, найдем Воспользовавшись формулой (2), найдем и
Вычисления: Ответ: напряженность магнитного поля в точках M1 и M2 соответственно равны Н1 =35,6 А/м и Н2 =57,4 А/м. Задача 74 Два прямолинейных длинных проводника расположены параллельно на расстоянии а =10 см друг от друга. По проводникам текут токи I1 = I2=5 А в противоположных направлениях. Найти модуль и направление напряженности магнитного поля в точке, находящейся на расстоянии а =10см от каждого проводника.
Согласно принципу суперпозиции и - напряженности магнитных полей, созданных бесконечно длинными проводниками I1 и I2. Вектор Н является диагональю параллелограмма со сторонами и . Воспользовавшись теоремой косинусов, найдем (1) где угол j = 60°, т.к. Ð DAC =360°-60°-2×90°=120°, т.к. DАВ¢С¢ - равносторонний, т.к. ÐDAC является прилежащим углом к ÐBCA в параллелограмме ABCD, то ÐBCA=0,5×(360°-240°)=60° Напряженность магнитного поля, созданного бесконечно длинным проводником:
Используя данную формулу, найдем Н1 и Н2: (2) (2) Подставим (2), (3) в (1), получаем: Вычисления: Ответ: модуль напряженности магнитного поля в точке, находящейся на расстоянии а =10 см от каждого проводника, равна Н =8 А/м. Напряженность магнитного поля направлена перпендикулярно к плоскости, проходящей через оба провода. Задача 75 Найти напряженность Н магнитного поля, создаваемого отрезком АВ прямолинейного проводника с током в точке С, расположенной на перпендикуляре к середине этого отрезка на расстоянии а =5 см от него. По проводнику течет ток I =20 А. Отрезок АВ проводника виден из точки С под углом 60 градусов.
Из математических соображений l = a·ctga, ; Так как то Вычисления: Ответ: напряженность магнитного поля, создаваемого отрезком АВ прямолинейного проводника с током, в точке, расположенной на перпендикуляре к середине этого отрезка на данном расстоянии равна Н =31,8 А/м. Задача 76 Два круговых витка радиусом R =4 см каждый расположены в параллельных плоскостях на расстоянии а =10 см друг от друга. По виткам текут токи I1 = I2= 1 А. Найти напряженность Н магнитного поля на оси витков в точке, находящейся на равном расстоянии от них. Задачу решить, когда: а) токи в витках текут в одном направлении; б) токи в витках текут в противоположных направлениях.
Учитывая вышесказанное для первого случая Н = Н1 + Н2 Известно, что напряженность магнитного поля на оси кругового тока (2) где a1 - расстояние от точки, где ищется напряженность, до плоскости контура; по условию задачи Подставляя данные из условия в (2), мы видим, что по модулю и равны, учитывая это условие подставим выражение для Hi и Н1 и Н2 в формулу (1), получаем б) Рассмотрим второй случай, когда токи в витках текут в противоположных направлениях. Ранее нами было замечено, что векторы и по модулю равны, а как видно из геометрических построений в искомой тоске векторы и противоположно направлены, а это значит по принципу суперпозиции результирующий вектор будет равен нулю, т.е. Н1 - Н2 = 0 и Н = 0 Вычисления: Ответ: напряженность магнитного поля на оси витков в точке, находящейся на равном расстоянии от них, когда: а) токи в витках текут в одном направлении равна Н =12,2 А/м; б) токи в витках текут в противоположных направлениях Н =0 А/м. Задача 77 Ток I =20 А идет по длинному проводнику, согнутому под прямым углом. Найти напряженность Н магнитного поля в точке, лежащей на биссектрисе этого угла и отстоящей от вершины на расстояние r =10 см.
кулярной плоскости, в которой находятся отрезки данного проводника. Напряженность магнитного поля в точке будет равна, с учетом закона Био - Савара - Лапласа Но l = a·ctga, Далее Следовательно: (1) Для первого отрезка, а именно (-¥;А], углы: a1 =0°, a2 =45°, Для второго отрезка, а именно [А;+ ¥), углы: a1 =45°, a2 =180°. Согласно принципу суперпозиции Так как Н1 Н2 и на одной прямой с Н, то: Н = Н1 + Н2 (2) Подставляя (1) в (2), получаем при этом замечая, что а - перпендикуляр, проведенный из точки В на отрезки, для этих отрезков расстояние а одинаково, и может быть найдена по теореме Пифагора из DАВС, учитывая то, что катеты равны по величине и равны а, гипотенуза равна г, отсюда: Подставляя сначала (3) в (1), потом (1) в (2), получаем Вычисления: Ответ: напряженность магнитного поля в точке, лежащей на биссектрисе угла, созданного длинным прямолинейным проводником, и отстоящей от вершины угла на данное расстояние равна Н=13,2A/м. Задача 78 Из проволоки длиной L =1м сделана квадратная рамка. По рамке течет ток I =10 А. Найти напряженность Н магнитного поля в центре рамки.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|