Страница 5 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

4. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?

Движение заряженных частиц в проводнике кардинально отличается в зависимости от того, есть ли внешнее электрическое поле или нет.

Движение заряженных частиц в отсутствие внешнего электрического поля

В проводниках, таких как металлы, существует огромное количество свободных носителей заряда — электронов. Эти электроны не привязаны к конкретным атомам и могут свободно перемещаться по всему объему проводника. В отсутствие внешнего электрического поля они участвуют в непрерывном и хаотическом тепловом движении. Это движение похоже на движение молекул газа: электроны движутся с очень большими скоростями (при комнатной температуре их скорость составляет порядка $10^5 - 10^6$ м/с) по ломаным траекториям, постоянно сталкиваясь с ионами кристаллической решетки и другими электронами. Из-за полной случайности направлений скоростей, в любой момент времени средняя скорость всех электронов в любом заданном направлении равна нулю. Это означает, что нет упорядоченного переноса электрического заряда через сечение проводника, и, следовательно, электрический ток отсутствует.

Ответ: В отсутствие внешнего электрического поля движение заряженных частиц в проводнике является хаотическим тепловым движением, при котором нет направленного переноса заряда, а значит, нет и электрического тока.

Движение заряженных частиц при наличии внешнего электрического поля

Когда в проводнике создается внешнее электрическое поле (например, при подключении его к источнику напряжения), ситуация меняется. На каждую заряженную частицу (электрон) начинает действовать электрическая сила $F=qE$, где $q$ — заряд частицы (для электрона он отрицателен), а $E$ — напряженность электрического поля. Эта сила заставляет электроны двигаться направленно — против вектора напряженности поля $E$. В результате на хаотическое тепловое движение накладывается упорядоченное движение, называемое дрейфом. Электроны по-прежнему движутся хаотично и сталкиваются с ионами, но при этом вся совокупность электронов ("электронный газ") медленно смещается в одном направлении. Скорость этого направленного движения, или дрейфовая скорость ($v_д$), очень мала по сравнению со скоростью теплового движения и составляет всего доли миллиметра в секунду (порядка $10^{-4}$ м/с). Однако именно это упорядоченное движение заряженных частиц и представляет собой электрический ток.

Ответ: При наличии внешнего электрического поля на хаотическое тепловое движение заряженных частиц накладывается их медленное упорядоченное движение (дрейф) в определенном направлении, которое и является электрическим током.

5. Как выбирается направление электрического тока? В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?

Как выбирается направление электрического тока?

Исторически, еще до того как была понята природа электричества и открыт электрон, ученые договорились о направлении тока. По этому соглашению, которое используется и по сей день, за направление электрического тока принимается направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Таким образом, во внешней электрической цепи ток направлен от положительного полюса источника тока (где избыток положительного заряда, или «высокий» потенциал) к его отрицательному полюсу (где недостаток положительного заряда, или «низкий» потенциал). Это направление называют «классическим» или «техническим».

Ответ: За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов, то есть от положительного полюса (+) источника к отрицательному (−) во внешней цепи.

В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике, по которому протекает электрический ток?

В металлических проводниках носителями заряда являются свободные электроны. Электрон — это частица с отрицательным зарядом. Поскольку противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются, электроны в проводнике движутся под действием электрического поля в направлении, противоположном силе, которая действовала бы на положительный заряд. Это означает, что электроны движутся от точки с низким потенциалом (отрицательный полюс источника, «минус») к точке с высоким потенциалом (положительный полюс источника, «плюс»). Следовательно, реальное движение электронов в металлах происходит в направлении, противоположном общепринятому направлению тока.

Ответ: Электроны в металлическом проводнике движутся от отрицательного полюса (−) источника тока к положительному (+), то есть в направлении, обратном принятому направлению электрического тока.