Elektrischer Strom in Gasen und im Vakuum
1.Wie entsteht elektrischer Strom in Gasen und im Vakuum?
Lösung:
Elektrischer Strom in Gasen (eine Entladung) ist die gerichtete Bewegung freier Ionen und Elektronen. Nur ein ionisiertes Gas leitet elektrischen Strom. Die Ionisierungsenergie ist die kleinstmögliche Energie, die zur Ionisation eines Gases erforderlich ist (um ein neutrales Atom in Ionen und Elektronen zu zerlegen).
Ionisierungsenergie:
| Quecksilber | 10,4eV |
| Wasserstoff | 13,6eV |
| Sauerstoff | 13,6eV |
| Stickstoff | 14,5eV |
| Neon | 21,6eV |
m = Masse des Teilchens,
v = Geschwindigkeit des Teilchens,
Q = Ladung des Teilchens,
λ = mittlere freie Weglänge des Teilchens,
E = Betrag der elektrischen Feldstärke,
U = Spannung zwischen den Elektroden
Elektrischer Strom im Vakuum — Kathodenstrahlen — ist ein gerichteter Elektronenstrom, der senkrecht von der Kathode emittiert wird.
- Photoemission von Elektronen = Emission durch intensives Licht
- Thermoemission von Elektronen = Emission durch hohe Temperatur
- Austrittsarbeit = die kleinste Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Körper zu lösen
| Cäsium | 1.93 eV | Eisen | 4.77 eV |
|---|---|---|---|
| Magnesium | 3.69 eV | Nickel | 5.00 eV |
| Wolfram | 4.15 eV | Platin | 5.36 eV |
2.Zwischen den Platten eines Kondensators mit Luft als Dielektrikum, die 0,5 cm voneinander entfernt sind, liegt eine elektrische Spannung von 10 kV an. Welche Geschwindigkeit hat ein Elektron im Moment der Kollision mit einem Sauerstoffmolekül, das es ionisiert hat? Wie groß ist die mittlere freie Weglänge des Elektrons?
Lösung:
Analyse:
l = 5.10–3m, U = 104V, Ei = 13,6eV = 13,6.1,602.10–19J = 21,787.10–19J, Q = e =1,602.10–19C,
me = 9,1.10–31kg,
- Das Elektron hatte im Moment der Kollision mit einem Sauerstoffmolekül die Geschwindigkeit v = 2,2.106m.s–1
- Die mittlere freie Weglänge des Elektrons beträgt 6,8 μm.
3.Bei welcher Spannung leuchtet eine Neonlampe auf, wenn die Ionisierungsenergie 21,6eV beträgt und die mittlere freie Weglänge der Elektronen 1 mm ist? Der Abstand zwischen den Elektroden der Lampe beträgt 1 cm.
Lösung:
Analyse:
Ei(Ne) = 21,6eV = 34,6.10-19J, λ = 10–3m, l = 10–2m, Q = e = 1,602.10-19C, U = ?
Ei = Q.E.λ
Die Neonlampe leuchtet bei einer Spannung von U = 216 V.
4.Die Spannung zwischen Anode und Kathode, die 10 cm voneinander entfernt sind, beträgt 300 V. Bestimmen Sie den Betrag der Elektronengeschwindigkeit beim Aufprall auf die Anode, ihre Beschleunigung und die Flugzeit von der Kathode zur Anode.
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5.Bestimmen Sie, um wie viel die Elektronengeschwindigkeit beim Aufprall auf die Anode bei der Spannung U1=360V größer ist als bei der Spannung U2=40V.
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6.Ein Elektron trat in die horizontalen Ablenkplatten eines Fernsehbildschirms ein. Unter der Annahme eines homogenen elektrischen Feldes zwischen ihnen mit der Feldstärke 105V.m–1 und bei Vernachlässigung des Gravitationsfeldes bestimmen Sie die Beschleunigung des Elektrons im elektrischen Feld!
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7.Wenn die elektrische Feldstärke 3.106V.m–1 beträgt, tritt bei Normaldruck in Luft eine Funkenentladung auf. Berechnen Sie die kinetische Energie eines Elektrons, die es erreicht, wenn seine mittlere freie Weglänge 5.10–6m beträgt.
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8.Bei einer Spannung von 800 V entsteht in einer Kathodenröhre ein Strom von 5 mA. Wie viel Wärme wird an der Anode in 1 Minute frei, wenn angenommen wird, dass die gesamte kinetische Energie in Wärme umgewandelt wird?
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9.Ein Elektron, das sich in einem elektrischen Feld von Punkt A nach Punkt B bewegte, erhöhte seine Geschwindigkeit von 800 km.s–1 auf 4000 km.s–1. Bestimmen Sie die Spannung zwischen diesen Punkten!
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10.Zwischen dem Boden und einer Wolke trat eine Entladung in Form eines Blitzes auf, bei der eine Ladung von 20 C übertragen wurde. Der Potentialunterschied zwischen der Wolke und dem Boden betrug 106V. Der Blitz dauerte 10–3s. Bestimmen Sie die Energie der Entladung und den Strom.
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11.Wasserdampf wird durch β-Strahlung (Elektronen) ionisiert. Welche Mindestgeschwindigkeit müssen die ionisierenden Elektronen haben, damit die Ionisation erfolgt?
12.Wie groß ist die mittlere freie Weglänge eines Elektrons, wenn die elektrische Feldstärke, in der sich Quecksilberdampf befindet,
E = 104 V·m-1 beträgt? Die Ionisationsenergie von Quecksilber ist Ei = 10.4eV.
13.Gegeben ist die Tabelle:
Bestimmen Sie, wie oft die Geschwindigkeit der Elektronen, die auf die Elektrode bei einem Strom I1 = 610mA auftreffen, größer ist als bei einem Strom I2 = 115mA. Werte in der Tabelle.
14.Welche Geschwindigkeit erhält ein Elektron beim Auftreffen auf die Anode einer evakuierten Röhre, wenn U = 3000V und die Anfangsgeschwindigkeit v0 = 0 ist?
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Bitte melden Sie sich an, um die Lösung anzuzeigen.18.Bestimmen Sie die elektrische Feldstärke E, die zur Stoßionisation eines Elektrons in Luft (Ei = 15eV) bei Normaldruck erforderlich ist. Die freie Weglänge des Elektrons beträgt λ = 3×10-6 m.
Bitte melden Sie sich an, um die Lösung anzuzeigen.19.Ein Elektron tritt mit einer Geschwindigkeit v = 6×107 m·s–1 zwischen die Platten eines Plattenkondensators in horizontaler Richtung ein. Der Abstand zwischen den Platten beträgt d = 1cm. Die Spannung zwischen den Platten ist U = 600V. Bestimmen Sie die Beschleunigung des Elektrons.
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