Страница 4 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

1. Дайте определение электрического тока.

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц.

Для того чтобы в среде существовал электрический ток, должны выполняться два обязательных условия:

1. Наличие свободных носителей заряда — частиц, способных свободно перемещаться по всему объему вещества (например, электронов в металле).
2. Наличие электрического поля, которое создает и поддерживает упорядоченное движение этих частиц. Электрическое поле создается источниками тока (например, батарейкой или генератором).

В зависимости от вещества или среды, носители заряда могут быть разными:

• В металлах — это свободные электроны.
• В электролитах (растворах и расплавах солей, кислот, щелочей) — это положительные и отрицательные ионы.
• В газах при ионизации — это ионы и свободные электроны.
• В полупроводниках — это электроны и так называемые "дырки".

Основной количественной характеристикой тока является сила тока ($I$). Сила тока — это физическая величина, равная отношению электрического заряда ($q$), прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени ($t$), в течение которого он проходил. Для постоянного тока формула выглядит так:

$I = \frac{q}{t}$

Единицей измерения силы тока в Международной системе единиц (СИ) является Ампер (А).

Исторически сложилось, что за направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Поэтому в металлических проводниках, где ток представляет собой поток отрицательно заряженных электронов, направление тока считается противоположным направлению движения электронов.

Ответ: Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение частиц, являющихся носителями электрического заряда.

2. При каких условиях возникает электрический ток?

Для возникновения и длительного существования электрического тока необходимо одновременное выполнение трех основных условий.

Первое условие — наличие в среде свободных носителей электрического заряда. Это заряженные частицы, которые не связаны с конкретными атомами или молекулами и могут свободно перемещаться по всему объему вещества. В зависимости от типа проводящей среды носителями заряда могут быть:

• в металлах и их сплавах — свободные электроны;
• в электролитах (растворах и расплавах солей, кислот, щелочей) — положительные и отрицательные ионы;
• в ионизированных газах (плазме) — свободные электроны и ионы;
• в полупроводниках — электроны и так называемые «дырки» (квазичастицы с положительным зарядом).

Второе условие — наличие электрического поля внутри проводника. Именно электрическое поле создает силу, действующую на свободные заряды и заставляющую их двигаться упорядоченно в определенном направлении. Эта сила, называемая электрической силой, описывается формулой $F = qE$, где $q$ — это заряд частицы, а $E$ — напряженность электрического поля. Электрическое поле в цепи создается и поддерживается источником тока (например, батарейкой, аккумулятором, генератором), который обеспечивает разность потенциалов (напряжение) на концах проводника.

Третье условие — замкнутость электрической цепи. Чтобы ток протекал непрерывно, необходимо обеспечить замкнутый путь для движения зарядов. Электрическая цепь должна состоять из источника тока, потребителей (нагрузки) и соединительных проводов, образуя непрерывный контур. Если цепь разомкнуть (например, выключить выключатель), движение зарядов прекратится, так как исчезнет поддерживающее его электрическое поле, и ток перестанет течь.

Ответ: Электрический ток возникает при одновременном выполнении трех условий: 1) наличие в проводнике свободных носителей электрического заряда; 2) наличие в этом проводнике электрического поля, создаваемого источником тока; 3) замкнутость электрической цепи.

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.