Номер 2, страница 366 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. При каком условии прекращается движение свободных электрических зарядов внутри проводника, который движется в магнитном поле?

2. Решение

Когда проводник движется в магнитном поле, свободные носители заряда (например, электроны), находящиеся внутри него, движутся вместе с ним. На каждый такой заряд $\text{q}$, движущийся со скоростью проводника $\vec{v}$ в магнитном поле с индукцией $\vec{B}$, начинает действовать магнитная сила Лоренца: $\vec{F}_м = q[\vec{v} \times \vec{B}]$. Эта сила вызывает упорядоченное движение свободных зарядов вдоль проводника. Положительные и отрицательные заряды смещаются в противоположные стороны, что приводит к их накоплению на противоположных концах (или поверхностях) проводника. Этот процесс называется разделением зарядов.

Накопленные на концах проводника заряды создают внутри него собственное электростатическое поле с напряженностью $\vec{E}$. Это поле, в свою очередь, действует на свободные заряды с электрической силой $\vec{F}_э = q\vec{E}$. Направление этой силы противоположно направлению магнитной силы $\vec{F}_м$.

По мере накопления зарядов напряженность поля $\vec{E}$ и, соответственно, сила $\vec{F}_э$ возрастают. Упорядоченное движение (дрейф) свободных зарядов внутри проводника прекратится в тот момент, когда электрическая сила $\vec{F}_э$ полностью скомпенсирует магнитную силу $\vec{F}_м$. В этот момент результирующая сила, действующая на свободные заряды, станет равной нулю: $\vec{F}_м + \vec{F}_э = 0$.

Ответ: Движение свободных электрических зарядов внутри проводника, который движется в магнитном поле, прекращается при достижении электростатического равновесия, то есть когда возникающая в результате разделения зарядов электрическая сила становится равной по модулю и противоположной по направлению магнитной силе Лоренца, действующей на эти заряды.

3. Решение

Вопрос касается разделения зарядов в неподвижном проводнике. Такое явление может быть вызвано либо внешним электростатическим полем, либо, что более вероятно в контексте предыдущего вопроса, переменным магнитным полем. Рассмотрим второй, более общий случай, описываемый явлением электромагнитной индукции.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, любое изменение магнитного поля во времени порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. В отличие от электростатического (потенциального) поля, которое создается неподвижными зарядами, линии напряженности вихревого электрического поля являются замкнутыми.

Именно это индуцированное вихревое электрическое поле является причиной, вызывающей разделение электрических зарядов в неподвижном проводнике. На свободные заряды $\text{q}$ внутри проводника начинает действовать сила со стороны этого поля: $\vec{F} = q\vec{E}$. Под действием этой силы заряды приходят в движение. Если проводник не замкнут, это движение приводит к накоплению разноименных зарядов на его концах. Если проводник образует замкнутый контур, возникает индукционный электрический ток.

Ответ: Причиной, вызывающей разделение электрических зарядов в неподвижном проводнике, является вихревое электрическое поле, которое порождается переменным во времени магнитным полем, пронизывающим этот проводник (согласно явлению электромагнитной индукции).