Номер 3, страница 4 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 1. Электрический ток. Глава 1. Постоянный электрический ток - номер 3, страница 4.

3. Почему движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим?

Движение заряженных частиц (в металлах — свободных электронов) в проводнике в отсутствие внешнего электрического поля является хаотическим по нескольким взаимосвязанным причинам, которые обусловлены внутренним строением проводника и тепловым движением частиц.

1. Тепловое движение

Согласно молекулярно-кинетической теории, все частицы вещества, температура которого выше абсолютного нуля ($T > 0 \text{ К}$), находятся в непрерывном и беспорядочном (хаотическом) движении. Энергия этого движения называется тепловой. Это относится как к ионам кристаллической решетки металла, которые совершают колебания около своих положений равновесия, так и к свободным электронам. Скорость этого теплового движения электронов очень велика, она достигает $10^5 - 10^6$ м/с при комнатной температуре.

2. Строение проводника (модель "электронного газа")

Металлический проводник состоит из кристаллической решетки, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, и большого количества свободных электронов, которые не связаны с конкретными атомами и могут перемещаться по всему объему металла. Эти свободные электроны образуют так называемый "электронный газ".

3. Столкновения и отсутствие направленной силы

В своем быстром тепловом движении свободные электроны постоянно сталкиваются с колеблющимися ионами кристаллической решетки и друг с другом. Каждое такое столкновение меняет скорость электрона как по модулю, так и по направлению. В отсутствие внешнего электрического поля на электроны не действует никакая сила, которая бы придавала их движению упорядоченный, направленный характер. После каждого столкновения направление полета электрона становится совершенно случайным.

В результате, хотя каждый отдельный электрон движется с огромной скоростью, их движения в целом полностью хаотичны и разнонаправлены. В любой момент времени для каждого электрона, движущегося в одном направлении, в среднем найдется другой электрон, движущийся в прямо противоположном. Поэтому векторная сумма скоростей всех свободных электронов равна нулю, и их средняя скорость (так называемая дрейфовая скорость) также равна нулю:

$\vec{v}_{ср} = \frac{\sum_{i=1}^{N} \vec{v_i}}{N} = \vec{0}$

Раз средняя скорость равна нулю, то нет и направленного перемещения зарядов через поперечное сечение проводника, а значит, нет и электрического тока. Это беспорядочное движение и является хаотическим.

Ответ:

Движение заряженных частиц в проводнике без внешнего электрического поля является хаотическим, так как оно представляет собой тепловое движение. Свободные электроны в металле обладают большой кинетической энергией из-за температуры и движутся с высокими скоростями, но их траектории постоянно и случайным образом меняются из-за столкновений с ионами кристаллической решетки. Поскольку отсутствует внешняя направляющая сила, движения всех электронов в совокупности не имеют выделенного направления, их средняя скорость равна нулю, и направленный перенос заряда (электрический ток) отсутствует.