Номер 1.14, страница 5 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 1. Электрический ток. Сила тока. Сопротивление проводника - номер 1.14, страница 5.

Условие.

1.14. Скорость упорядоченного движения электронов проводимости в металлическом проводнике — несколько миллиметров в секунду. Как в связи с этим объяснить то, что электрическая лампочка зажигается одновременно с замыканием цепи?

Решение.

Кажущееся противоречие между низкой скоростью движения электронов и мгновенным загоранием лампочки объясняется тем, что для возникновения тока не нужно, чтобы один и тот же электрон прошел весь путь от выключателя до лампы. Металлический проводник по всей своей длине уже заполнен огромным количеством свободных электронов проводимости, которые можно представить как "электронный газ".

Когда мы замыкаем цепь, по всему проводнику практически мгновенно (со скоростью, близкой к скорости света, $c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с) распространяется электрическое поле. Это поле действует силой на все свободные электроны в цепи одновременно, заставляя их приходить в упорядоченное движение.

Таким образом, электроны, которые уже находились в нити накаливания лампочки, начинают двигаться и вызывать ее свечение почти в тот же момент, когда замыкается выключатель, даже если он находится на большом расстоянии. Скорость распространения электрического сигнала (поля) по цепи огромна, в то время как скорость дрейфа каждого отдельного электрона мала.

Хорошей аналогией является водопроводная труба, полностью заполненная водой. Как только мы открываем кран, вода из другого конца трубы начинает течь почти сразу, так как давление передается по воде очень быстро, хотя каждая отдельная молекула воды сдвигается очень медленно.

Ответ: Электрическая лампочка загорается практически мгновенно, потому что электрическое поле, заставляющее электроны двигаться, распространяется по всей цепи со скоростью, близкой к скорости света. Это поле одновременно приводит в движение все свободные электроны в проводе, в том числе и те, которые уже находятся в нити накала лампы, что и вызывает ее свечение.