Ха­рак­те­ри­сти­ка обо­ру­до­ва­ния

Ре­ги­стра­ция за­ря­жен­ных ча­стиц

 

Рас­про­странённым при­бо­ром для ре­ги­стра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц яв­ля­ет­ся га­зо­раз­ряд­ный счётчик Гей­ге­ра–Мюл­ле­ра. Га­зо­раз­ряд­ный счётчик пред­став­ля­ет собой ме­тал­ли­че­ский ци­линдр, по оси ко­то­ро­го на­тя­ну­та тон­кая про­во­ло­ка, изо­ли­ро­ван­ная от ци­лин­дра. Ци­линдр за­пол­ня­ет­ся спе­ци­аль­ной сме­сью газов (на­при­мер, аргон + пары спир­та), дав­ле­ние ко­то­рых1000–1500 мм рт. ст. Счётчик вклю­ча­ет­ся в цепь: ци­линдр со­еди­ня­ет­ся с от­ри­ца­тель­ным по­лю­сом ис­точ­ни­ка тока, а нить с по­ло­жи­тель­ным; на них подаётся на­пря­же­ние по­ряд­ка 1000 В.

По­па­да­ние в счётчик быст­рой за­ря­жен­ной ча­сти­цы вы­зы­ва­ет иони­за­цию газа. При этом об­ра­зу­ет­ся сво­бод­ный элек­трон. Он дви­жет­ся к по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ной нити, и в об­ла­сти силь­но­го поля вб­ли­зи нити иони­зи­ру­ет атомы газа. Про­дук­ты иони­за­ции — элек­тро­ны — уско­ря­ют­ся полем и в свою оче­редь иони­зи­ру­ют газ, об­ра­зуя новые сво­бод­ные элек­тро­ны, ко­то­рые участ­ву­ют в даль­ней­шей иони­за­ции ато­мов газа.

Число иони­зи­ро­ван­ных ато­мов ла­ви­но­об­раз­но воз­рас­та­ет — в газе счётчика вспы­хи­ва­ет элек­три­че­ский раз­ряд. При этом по цепи счётчика про­хо­дит крат­ко­вре­мен­ный им­пульс элек­три­че­ско­го тока. От­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные элек­тро­ны со­би­ра­ют­ся вб­ли­зи нити, а более мас­сив­ные по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ные ионы мед­лен­но дви­жут­ся к стен­кам ци­лин­дра. Элек­тро­ны умень­ша­ют по­ло­жи­тель­ный заряд нити, а по­ло­жи­тель­ные ионы — от­ри­ца­тель­ный заряд ци­лин­дра; со­от­вет­ствен­но, элек­три­че­ское поле внут­ри ци­лин­дра осла­бе­ва­ет. Через про­ме­жу­ток вре­ме­ни по­ряд­ка мик­ро­се­кун­ды поле ослаб­ля­ет­ся на­столь­ко, что элек­тро­ны не будут иметь ско­ро­сти, не­об­хо­ди­мой для иони­за­ции. Иони­за­ция пре­кра­ща­ет­ся, и раз­ряд об­ры­ва­ет­ся.

За счёт при­то­ка за­ря­дов из ис­точ­ни­ка тока счётчик снова будет готов к ра­бо­те через 100–2000 мкс после вспыш­ки. Таким об­ра­зом, в счётчике воз­ни­ка­ют крат­ко­вре­мен­ные раз­ря­ды, ко­то­рые могут быть под­счи­та­ны спе­ци­аль­ным устрой­ством. По их числу можно оце­нить число ча­стиц, по­па­да­ю­щих в счётчик.

22. За­да­ние 21 № 153. В каких ча­стях зем­ной ат­мо­сфе­ры на­блю­да­ет­ся наи­боль­шая ак­тив­ность по­ляр­ных си­я­ний?

 

1) толь­ко около Се­вер­но­го по­лю­са

2) толь­ко в эк­ва­то­ри­аль­ных ши­ро­тах

3) около маг­нит­ных по­лю­сов Земли

4) в любых ме­стах зем­ной ат­мо­сфе­ры

 

По­ляр­ные си­я­ния

По­ляр­ное си­я­ние — одно из самых кра­си­вых яв­ле­ний в при­ро­де. Формы по­ляр­но­го си­я­ния очень раз­но­об­раз­ны: то это свое­об­раз­ные свет­лые стол­бы, то изу­мруд­но-зелёные с крас­ной ба­хро­мой пы­ла­ю­щие длин­ные ленты, рас­хо­дя­щи­е­ся мно­го­чис­лен­ные лучи-стре­лы, а то и про­сто бес­фор­мен­ные свет­лые, ино­гда цвет­ные пятна на небе.

При­чуд­ли­вый свет на небе свер­ка­ет, как пламя, охва­ты­вая порой боль­ше чем пол­не­ба. Эта фан­та­сти­че­ская игра при­род­ных сил длит­ся не­сколь­ко часов, то уга­сая, то раз­го­ра­ясь.

По­ляр­ные си­я­ния чаще всего на­блю­да­ют­ся в при­по­ляр­ных ре­ги­о­нах, от­ку­да и про­ис­хо­дит это на­зва­ние. По­ляр­ные си­я­ния могут быть видны не толь­ко на далёком Се­ве­ре, но и южнее. На­при­мер, в 1938 году по­ляр­ное си­я­ние на­блю­да­лось на южном бе­ре­гу Крыма, что объ­яс­ня­ет­ся уве­ли­че­ни­ем мощ­но­сти воз­бу­ди­те­ля све­че­ния — сол­неч­но­го ветра.

На­ча­ло изу­че­нию по­ляр­ных си­я­ний по­ло­жил ве­ли­кий рус­ский учёный М. В. Ло­мо­но­сов, вы­ска­зав­ший ги­по­те­зу о том, что при­чи­ной этого яв­ле­ния слу­жат элек­три­че­ские раз­ря­ды в раз­ре­жен­ном воз­ду­хе.

Опыты под­твер­ди­ли на­уч­ное пред­по­ло­же­ние учёного.

По­ляр­ные си­я­ния — это элек­три­че­ское све­че­ние верх­них очень раз­ре­жен­ных слоёв ат­мо­сфе­ры на вы­со­те (обыч­но) от 80 до 1000 км. Све­че­ние это про­ис­хо­дит под вли­я­ни­ем быст­ро дви­жу­щих­ся элек­три­че­ски за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов и про­то­нов), при­хо­дя­щих от Солн­ца. Вза­и­мо­дей­ствие сол­неч­но­го ветра с маг­нит­ным полем Земли при­во­дит к по­вы­шен­ной кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц в зонах, окру­жа­ю­щих гео­маг­нит­ные по­лю­са Земли. Имен­но в этих зонах и на­блю­да­ет­ся наи­боль­шая ак­тив­ность по­ляр­ных си­я­ний.

Столк­но­ве­ния быст­рых элек­тро­нов и про­то­нов с ато­ма­ми кис­ло­ро­да и азота при­во­дят атомы в воз­буждённое со­сто­я­ние. Вы­де­ляя из­бы­ток энер­гии, атомы кис­ло­ро­да дают яркое из­лу­че­ние в зелёной и крас­ной об­ла­стях спек­тра, мо­ле­ку­лы азота — в фи­о­ле­то­вой. Со­че­та­ние всех этих из­лу­че­ний и придаёт по­ляр­ным си­я­ни­ям кра­си­вую, часто ме­ня­ю­щу­ю­ся окрас­ку. Такие про­цес­сы могут про­ис­хо­дить толь­ко в верх­них слоях ат­мо­сфе­ры, по­то­му что, во-пер­вых, в ниж­них плот­ных слоях столк­но­ве­ния ато­мов и мо­ле­кул воз­ду­ха друг с дру­гом сразу от­ни­ма­ют у них энер­гию, по­лу­ча­е­мую от сол­неч­ных ча­стиц, а во-вто­рых, сами кос­ми­че­ские ча­сти­цы не могут про­ник­нуть глу­бо­ко в зем­ную ат­мо­сфе­ру.

По­ляр­ные си­я­ния про­ис­хо­дят чаще и бы­ва­ют ярче в годы мак­си­му­ма сол­неч­ной ак­тив­но­сти, а также в дни по­яв­ле­ния на Солн­це мощ­ных вспы­шек и дру­гих форм уси­ле­ния сол­неч­ной ак­тив­но­сти, так как с её по­вы­ше­ни­ем уси­ли­ва­ет­ся ин­тен­сив­ность сол­неч­но­го ветра, ко­то­рый яв­ля­ет­ся при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния по­ляр­ных си­я­ний.

23. За­да­ние 22 № 698. В на­ча­ле XX века фран­цуз­ский уче­ный Поль Лан­же­вен изобрёл из­лу­ча­тель уль­тра­зву­ко­вых волн. За­ря­жая грани квар­це­во­го кри­стал­ла элек­три­че­ством от ге­не­ра­то­ра пе­ре­мен­но­го тока вы­со­кой ча­сто­ты, он уста­но­вил, что кри­сталл со­вер­ша­ет при этом ко­ле­ба­ния с ча­сто­той, рав­ной ча­сто­те из­ме­не­ния на­пря­же­ния. Какой (пря­мой или об­рат­ный) пье­зо­элек­три­че­ский эф­фект лежит в ос­но­ве дей­ствия из­лу­ча­те­ля? Ответ по­яс­ни­те.

 

Пье­зо­элек­три­че­ство

В 1880 году фран­цуз­ские учёные — бра­тья Пьер и Поль Кюри — ис­сле­до­ва­ли свой­ства кри­стал­лов. Они за­ме­ти­ли, что если кри­сталл квар­ца сжать с двух сто­рон, то на его гра­нях, пер­пен­ди­ку­ляр­ных на­прав­ле­нию сжа­тия, воз­ни­ка­ют элек­три­че­ские за­ря­ды: на одной грани по­ло­жи­тель­ные, на дру­гой — от­ри­ца­тель­ные. Таким же свой­ством об­ла­да­ют кри­стал­лы тур­ма­ли­на, се­гне­то­вой соли, даже са­ха­ра. За­ря­ды на гра­нях кри­стал­ла воз­ни­ка­ют и при его рас­тя­же­нии. При­чем если при сжа­тии на грани на­кап­ли­вал­ся по­ло­жи­тель­ный заряд, то при рас­тя­же­нии на этой грани будет на­кап­ли­вать­ся от­ри­ца­тель­ный заряд, и на­о­бо­рот. Это яв­ле­ние было на­зва­но пье­зо­элек­три­че­ством (от гре­че­ско­го слова «пьезо» — давлю). Кри­сталл с таким свой­ством на­зы­ва­ют пъ­е­зо­элек­три­ком.

В даль­ней­шем бра­тья Кюри об­на­ру­жи­ли, что пье­зо­элек­три­че­ский эф­фект об­ра­тим: если на гра­нях кри­стал­ла со­здать раз­но­имённые элек­три­че­ские за­ря­ды, он либо сожмётся, либо рас­тя­нет­ся в за­ви­си­мо­сти от того, к какой грани при­ло­жен по­ло­жи­тель­ный и к какой — от­ри­ца­тель­ный заряд.

На яв­ле­нии пье­зо­элек­три­че­ства ос­но­ва­но дей­ствие ши­ро­ко рас­про­странённых пье­зо­элек­три­че­ских за­жи­га­лок. Ос­нов­ной ча­стью такой за­жи­гал­ки яв­ля­ет­ся пье­зо­эле­мент — ке­ра­ми­че­ский пье­зо­элек­три­че­ский ци­линдр с ме­тал­ли­че­ски­ми элек­тро­да­ми на ос­но­ва­ни­ях. При по­мо­щи ме­ха­ни­че­ско­го устрой­ства про­из­во­дит­ся крат­ко­вре­мен­ный удар по пье­зо­эле­мен­ту. При этом на двух его сто­ро­нах, рас­по­ло­жен­ных пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­нию дей­ствия де­фор­ми­ру­ю­щей силы, по­яв­ля­ют­ся раз­но­имённые элек­три­че­ские за­ря­ды. На­пря­же­ние между этими сто­ро­на­ми может до­сти­гать не­сколь­ких тысяч вольт. По изо­ли­ро­ван­ным про­во­дам на­пря­же­ние под­во­дит­ся к двум элек­тро­дам, рас­по­ло­жен­ным в на­ко­неч­ни­ке за­жи­гал­ки на рас­сто­я­нии 3-4 мм друг от друга. Воз­ни­ка­ю­щий между элек­тро­да­ми ис­кро­вой раз­ряд под­жи­га­ет смесь газа и воз­ду­ха.

Не­смот­ря на очень боль­шие на­пря­же­ния (-10 кВ), опыты с пье­зо­за­жи­гал­кой со­вер­шен­но без­опас­ны, так как даже при ко­рот­ком за­мы­ка­нии сила тока ока­зы­ва­ет­ся такой же ни­чтож­но малой и без­опас­ной для здо­ро­вья че­ло­ве­ка, как при элек­тро­ста­ти­че­ских раз­ря­дах при сни­ма­нии шер­стя­ной или син­те­ти­че­ской одеж­ды в сухую по­го­ду.

24. За­да­ние 23 № 1103. (По ма­те­ри­а­лам Кам­зее­вой Е. Е.)

Ис­поль­зуя ка­рет­ку (бру­сок) с крюч­ком, ди­на­мо­метр, один груз, на­прав­ля­ю­щую рейку, со­бе­ри­те экс­пе­ри­мен­таль­ную уста­нов­ку для опре­де­ле­ния ко­эф­фи­ци­ен­та тре­ния сколь­же­ния между ка­рет­кой и по­верх­но­стью рейки.

В от­ве­те:

1) сде­лай­те ри­су­нок экс­пе­ри­мен­таль­ной уста­нов­ки;

2) за­пи­ши­те фор­му­лу для расчёта ко­эф­фи­ци­ен­та тре­ния сколь­же­ния;

3) ука­жи­те ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ния веса ка­рет­ки с гру­зом и силы тре­ния сколь­же­ния при дви­же­нии ка­рет­ки по по­верх­но­сти рейки;

4) за­пи­ши­те чис­лен­ное зна­че­ние ко­эф­фи­ци­ен­та тре­ния сколь­же­ния.

 

Ха­рак­те­ри­сти­ка обо­ру­до­ва­ния

При вы­пол­не­нии за­да­ния ис­поль­зу­ет­ся ком­плект обо­ру­до­ва­ния в со­ста­ве:

· ка­рет­ка мас­сой (100 ± 2) г;

· 1 груз мас­сой (100 ± 2) г;

· ди­на­мо­метр школь­ный с пре­де­лом из­ме­ре­ния 4 Н (C = 0,1 Н);

· на­прав­ля­ю­щая рейка.

25. За­да­ние 24 № 565. Два оди­на­ко­вых ла­тун­ных ша­ри­ка па­да­ют с одной и той же вы­со­ты. Пер­вый шарик упал в песок и оста­но­вил­ся, а вто­рой, уда­рив­шись о ка­мень, от­ско­чил и был пой­ман рукой на не­ко­то­рой вы­со­те. Внут­рен­няя энер­гия ка­ко­го ша­ри­ка из­ме­ни­лась на боль­шую ве­ли­чи­ну? Ответ по­яс­ни­те.

26. За­да­ние 25 № 809. Груз мас­сой 2 кг рав­но­мер­но втас­ки­ва­ют по ше­ро­хо­ва­той на­клон­ной плос­ко­сти, име­ю­щей вы­со­ту 0,6 м и длину 1 м, дей­ствуя на него силой, рав­ной по мо­ду­лю 20 Н и на­прав­лен­ной вдоль на­клон­ной плос­ко­сти. Чему равен КПД на­клон­ной плос­ко­сти?

27. За­да­ние 26 № 162. В алю­ми­ни­е­вый ка­ло­ри­метр мас­сой 50 г на­ли­то 120 г воды и опу­щен элек­три­че­ский на­гре­ва­тель мощ­но­стью 12,5 Вт. На сколь­ко гра­ду­сов на­гре­ет­ся ка­ло­ри­метр с водой за 22 мин, если теп­ло­вые по­те­ри в окру­жа­ю­щую среду со­став­ля­ют 20%?