Номер 1, страница 353 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 106. Электрический ток. Сила тока. Глава 15. Законы постоянного тока - номер 1, страница 353.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Средняя скорость дрейфа свободных электронов — это средняя скорость их упорядоченного (направленного) движения в проводнике под действием внешнего электрического поля. Эта направленная скорость накладывается на хаотическое тепловое движение электронов, которое имеет гораздо большие значения (порядка $10^5 - 10^6$ м/с), но его векторная сумма в среднем равна нулю.

Скорость дрейфа можно выразить через макроскопические параметры электрического тока. Сила тока $I$ в проводнике определяется как общий заряд, проходящий через поперечное сечение проводника $S$ за единицу времени. Этот заряд можно рассчитать, зная концентрацию свободных электронов $n$ (число электронов в единице объема), элементарный заряд $e$, среднюю скорость их дрейфа $v_d$ и площадь поперечного сечения $S$.

Формула для силы тока выглядит следующим образом: $I = n \cdot e \cdot v_d \cdot S$

Выражая из этой формулы среднюю скорость дрейфа, получаем: $v_d = \frac{I}{n \cdot e \cdot S}$

Из данной формулы видно, что средняя скорость дрейфа свободных электронов определяется следующими основными факторами:

• Силой тока ($I$) в проводнике: Скорость дрейфа прямо пропорциональна силе тока. Чем больше сила тока, тем выше скорость дрейфа.
• Свойствами материала проводника:
  • Концентрация свободных носителей заряда ($n$): Это характеристика вещества. Разные металлы имеют разную концентрацию свободных электронов. Чем она меньше, тем выше должна быть скорость дрейфа для обеспечения той же силы тока.
• Геометрическими размерами проводника:
  • Площадь поперечного сечения ($S$): Скорость дрейфа обратно пропорциональна площади сечения. При одной и той же силе тока в более тонком проводнике электронам приходится двигаться быстрее.

Также скорость дрейфа можно связать с напряженностью электрического поля $E$ в проводнике через подвижность электронов $\mu$: $v_d = \mu \cdot E$

Подвижность электронов $\mu$, в свою очередь, зависит от свойств материала и внешних условий, таких как:

• Температура: С ростом температуры увеличиваются колебания ионов в узлах кристаллической решетки. Это приводит к более частым столкновениям электронов с ионами, что уменьшает среднее время свободного пробега и, следовательно, снижает подвижность и скорость дрейфа.
• Примеси и дефекты в кристалле: Любые нарушения в идеальной структуре кристалла служат дополнительными центрами рассеяния для электронов, что также уменьшает их подвижность и скорость дрейфа.

Ответ: Средняя скорость дрейфа свободных электронов определяется силой тока, площадью поперечного сечения проводника и свойствами самого материала (в первую очередь, концентрацией свободных носителей заряда). Кроме того, она зависит от внешних условий, таких как температура, и от чистоты материала (наличия примесей и дефектов), так как эти факторы влияют на подвижность электронов в проводнике.