Номер 1, страница 333 - гдз по физике 10 класс учебник Хижнякова, Синявина

Основы электродинамики. Глава 12. Разность потенциалов. Энергия электростатического поля. Параграф 60. Проводники в электростатическом поле. Вопросы - номер 1, страница 333.

Условие.

1. С помощью какого опыта можно доказать существование свободных носителей заряда в металлах?

Решение.

1. Существование свободных носителей заряда в металлах можно доказать с помощью опыта, демонстрирующего их инерционные свойства. Классическим таким экспериментом является опыт Толмена и Стюарта, проведенный в 1916 году.

Суть опыта заключается в следующем:

1. Берут катушку с большим числом витков из металлической проволоки и приводят её в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки при этом замкнуты на чувствительный гальванометр.

2. Пока катушка вращается с постоянной скоростью, свободные электроны внутри проводника движутся вместе с кристаллической решеткой металла. Гальванометр не показывает ток, так как нет относительного движения зарядов.

3. Затем катушку резко останавливают (тормозят). Кристаллическая решетка металла прекращает свое движение практически мгновенно.

4. Свободные электроны, обладая массой, по инерции продолжают двигаться в прежнем направлении еще некоторое время. Их упорядоченное движение относительно неподвижной теперь решетки и представляет собой кратковременный электрический ток.

5. Этот импульс тока регистрируется гальванометром.

Таким образом, возникновение тока в момент резкой остановки вращающейся катушки прямо доказывает, что в металлах есть свободные носители заряда, которые обладают массой (инерцией) и могут перемещаться независимо от ионов в узлах кристаллической решетки. В ходе этого опыта Толмен и Стюарт смогли также измерить удельный заряд носителей тока (отношение заряда к массе $q/m_e$) и подтвердили, что он совпадает с удельным зарядом электрона.

Другим важным экспериментом, доказывающим наличие свободных носителей заряда, является эффект Холла. В этом опыте на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Лоренца, которая отклоняет носители заряда к одной из граней проводника. Это приводит к возникновению поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла), что было бы невозможно без свободных, подвижных зарядов.

Ответ: Существование свободных носителей заряда в металлах можно доказать с помощью опыта Толмена и Стюарта, в котором регистрируется импульс тока при резкой остановке вращающейся металлической катушки. Этот ток возникает из-за инерции свободных электронов.