Номер 994, страница 133 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

994. Можно ли выбрать такую систему отсчёта, в которой магнитная индукция поля прямого проводника с током была бы равна нулю? Что можно сказать о направлении линий индукции, если система отсчёта движется со скоростью, большей скорости упорядоченного движения электронов в проводнике?

Можно ли выбрать такую систему отсчёта, в которой магнитная индукция поля прямого проводника с током была бы равна нулю?

Нет, выбрать такую систему отсчёта невозможно. По своей природе магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами (электрическим током). В металлическом проводнике с током существуют два типа заряженных частиц: отрицательно заряженные электроны проводимости, которые движутся упорядоченно, и положительно заряженные ионы кристаллической решётки, которые в системе отсчёта, связанной с проводником, неподвижны.

Электрический ток в проводнике представляет собой относительное движение электронов и ионов. Чтобы магнитная индукция стала равной нулю, необходимо, чтобы в выбранной системе отсчёта прекратилось всякое движение зарядов, то есть чтобы суммарный ток был равен нулю. Однако невозможно найти такую инерциальную систему отсчёта, в которой и электроны, и ионы решётки были бы одновременно неподвижны. Если мы перейдём в систему отсчёта, движущуюся вместе с электронами (где они покоятся), то в этой системе ионы кристаллической решётки будут двигаться в противоположном направлении. Это движение положительных зарядов само по себе создаёт электрический ток и, следовательно, магнитное поле.

Таким образом, пока в проводнике существует ток (то есть относительное движение зарядов), в любой инерциальной системе отсчёта будет существовать ненулевой электрический ток и, как следствие, ненулевое магнитное поле.

Ответ: Нет, невозможно, так как невозможно выбрать систему отсчёта, в которой одновременно покоились бы и электроны, и ионы кристаллической решётки, а значит, всегда будет существовать электрический ток, создающий магнитное поле.

Что можно сказать о направлении линий индукции, если система отсчёта движется со скоростью, большей скорости упорядоченного движения электронов в проводнике?

Направление линий магнитной индукции определяется направлением суммарного электрического тока в данной системе отсчёта (согласно правилу буравчика или правилу правой руки). Рассмотрим, как изменится ток при переходе в новую систему отсчёта.

Пусть в лабораторной системе отсчёта (К) по прямому проводнику течёт ток в определённом направлении. По определению, направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Значит, электроны движутся в сторону, противоположную направлению тока, со скоростью упорядоченного движения $v_e$. Положительные ионы решётки в системе К покоятся.

Теперь перейдём в систему отсчёта (К'), которая движется со скоростью $V$ ($V > v_e$) вдоль проводника. Возможны два случая направления движения К':

1. Система К' движется в направлении, противоположном движению электронов (то есть в направлении тока). В этой системе К' ионы решётки будут двигаться назад (в направлении, противоположном току), создавая ток в этом же "обратном" направлении. Электроны также будут двигаться назад, но с большей скоростью, создавая ток в "прямом" направлении (так как заряд электронов отрицателен). Расчёты (как нерелятивистские, так и строгие релятивистские) показывают, что суммарный ток, создаваемый движением ионов и электронов, будет направлен в ту же сторону, что и исходный ток в лабораторной системе отсчёта К.

2. Система К' движется в том же направлении, что и электроны. Так как скорость системы К' больше скорости электронов ($V > v_e$), то в этой системе отсчёта электроны будут двигаться в обратную для себя сторону (то есть в направлении тока). Ионы решётки будут двигаться в направлении тока. Таким образом, в системе К' мы имеем поток положительных ионов в направлении тока (создаёт ток в направлении тока) и поток отрицательных электронов также в направлении тока (создаёт ток в направлении, противоположном току). И в этом случае расчёты показывают, что результирующий ток сохранит своё первоначальное направление.

Следовательно, независимо от направления и скорости движения системы отсчёта вдоль проводника, направление результирующего электрического тока не изменяется. Изменяется лишь его величина, а также появляется электрическое поле, которого не было в лабораторной системе отсчёта. Поскольку направление тока сохраняется, то и направление линий магнитной индукции вокруг проводника остаётся прежним.

Ответ: Направление линий индукции не изменится. Оно останется таким же, как и в системе отсчёта, связанной с проводником.