Номер 5, страница 68, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

5. Электрический ток в металлическом проводнике представляет собой направленное движение свободных электронов, сталкивающихся с ионами, из которых построена кристаллическая решетка металла, и отдающих при этом ионам энергию и импульс, которые они приобрели до соударения. Почему же металлический проводник, по которому идет ток, не испытывает никаких механических воздействий в направлении движения электронов?

Решение

Вопрос затрагивает фундаментальные принципы взаимодействия электрического тока с веществом и закон сохранения импульса. Действительно, при протекании тока свободные электроны, ускоренные электрическим полем, сталкиваются с ионами кристаллической решетки и передают им свой импульс. Это приводит к возникновению силы, действующей на решетку со стороны движущихся электронов. Эту силу иногда называют «электронным ветром».

Однако, чтобы понять, почему проводник в целом не приходит в движение, необходимо рассмотреть все силы, действующие на него. Электрический ток в проводнике создается внешним электрическим полем $\text{E}$. Это поле действует не только на свободные электроны, но и на все заряженные частицы внутри проводника, включая положительно заряженные ионы, образующие его кристаллическую решетку.

Рассмотрим силы, действующие со стороны электрического поля:

1. Сила, действующая на свободные электроны. Электрическое поле $\text{E}$ оказывает силу на каждый электрон $F_{эл} = -eE$, где $-e$ – заряд электрона. Эта сила заставляет электроны двигаться направленно (против вектора $\text{E}$). Суммарная сила, действующая на все свободные электроны в объеме проводника, равна $F_{электроны} = Q_{эл}E$, где $Q_{эл}$ – суммарный отрицательный заряд всех свободных электронов.

2. Сила, действующая на ионы кристаллической решетки. То же самое электрическое поле $\text{E}$ оказывает силу на положительные ионы решетки. Суммарная сила, действующая на все ионы, равна $F_{ионы} = Q_{ион}E$, где $Q_{ион}$ – суммарный положительный заряд всех ионов решетки.

Проводник в целом является электрически нейтральным. Это означает, что суммарный заряд свободных электронов $Q_{эл}$ равен по модулю и противоположен по знаку суммарному заряду ионов решетки $Q_{ион}$: $Q_{эл} + Q_{ион} = 0$ или $Q_{эл} = -Q_{ион}$.

Суммарная сила, которую электрическое поле прикладывает к проводнику как к единому целому, равна векторной сумме сил, действующих на электроны и на ионы: $F_{полная} = F_{электроны} + F_{ионы} = Q_{эл}E + Q_{ион}E = (Q_{эл} + Q_{ион})E = 0 \cdot E = 0$.

Таким образом, внешнее электрическое поле не создает результирующей силы, способной сдвинуть проводник с места. Передача импульса от электронов к ионам является внутренним процессом. Сила «электронного ветра», толкающая решетку в направлении движения электронов, в точности уравновешивается силой, с которой электрическое поле действует непосредственно на ионы решетки, толкая их в противоположном направлении. В результате результирующая сила, приложенная к кристаллической решетке (т.е. к самому проводнику), равна нулю, и он не испытывает механического воздействия.

Ответ: Металлический проводник не испытывает механических воздействий, потому что сила, с которой движущиеся электроны действуют на кристаллическую решетку («электронный ветер»), точно компенсируется силой, с которой внешнее электрическое поле действует непосредственно на положительные ионы самой решетки. Так как проводник в целом электрически нейтрален, суммарная сила, приложенная к нему, равна нулю.