Страница 178 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

49.2 [н] Создаёт ли электрический ток в вакууме пучок микроскопических частиц: электронов; протонов; ионов; нейтронов?

Электрический ток по определению — это упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц. Следовательно, для возникновения электрического тока в вакууме необходимо, чтобы пучок частиц состоял из носителей электрического заряда.

электронов

Электрон является элементарной частицей, обладающей отрицательным электрическим зарядом ($q_e \approx -1.6 \cdot 10^{-19}$ Кл). Пучок электронов в вакууме представляет собой направленное движение отрицательно заряженных частиц. Такое движение является электрическим током. По соглашению, направление тока принимается противоположным направлению движения электронов.

Ответ: да, создаёт.

протонов

Протон — это частица, входящая в состав атомного ядра и имеющая положительный элементарный электрический заряд ($q_p \approx +1.6 \cdot 10^{-19}$ Кл). Пучок протонов — это направленное движение положительно заряженных частиц, что по определению является электрическим током. Направление тока в этом случае совпадает с направлением движения протонов.

Ответ: да, создаёт.

ионов

Ион — это атом или молекула, которая приобрела или потеряла один или несколько электронов и, следовательно, обладает электрическим зарядом (положительным или отрицательным). Направленное движение ионов (как положительных, так и отрицательных) представляет собой перенос электрического заряда. Таким образом, пучок ионов в вакууме создаёт электрический ток.

Ответ: да, создаёт.

нейтронов

Нейтрон — это частица, не имеющая электрического заряда ($q_n = 0$), то есть она электрически нейтральна. Поскольку нейтроны не являются носителями заряда, их упорядоченное движение не приводит к переносу электрического заряда. Следовательно, пучок нейтронов в вакууме не создаёт электрический ток.

Ответ: нет, не создаёт.

49.3 [1230] Положительный и отрицательный ионы водорода после соединения образуют молекулу водорода. Можно ли говорить о наличии тока в процессе взаимодействия этих ионов?

Электрический ток по определению — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы ответить на вопрос, необходимо проанализировать движение ионов водорода.

В данном процессе участвуют два вида заряженных частиц:

• Положительный ион водорода $H^+$ (протон), обладающий положительным зарядом, равным по модулю элементарному заряду $e$.
• Отрицательный ион водорода $H^-$ (гидрид-ион), обладающий отрицательным зарядом, равным по модулю элементарному заряду $-e$.

Под действием электростатических сил притяжения эти два иона начинают двигаться навстречу друг другу. Такое движение является упорядоченным, так как имеет определенное направление для каждого типа ионов.

Рассмотрим, как движение каждого иона вносит вклад в электрический ток:

1. Движение положительного иона $H^+$ создает электрический ток. По соглашению, направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов.
2. Движение отрицательного иона $H^-$ также создает электрический ток. Направление тока, создаваемого отрицательными зарядами, по соглашению, противоположно направлению их движения. Поскольку ион $H^-$ движется навстречу иону $H^+$, создаваемый им ток направлен в ту же сторону, что и ток от движения положительного иона.

Таким образом, в процессе сближения ионов мы имеем два направленных потока заряженных частиц, движущихся во встречных направлениях. Оба этих потока создают электрический ток, причем направления этих токов совпадают. Этот суммарный ток существует до тех пор, пока ионы не соединятся, образуя электрически нейтральную молекулу водорода $H_2$.

Ответ: да, можно говорить о наличии электрического тока, поскольку в процессе взаимодействия ионов происходит упорядоченное встречное движение заряженных частиц, что и является определением электрического тока.

49.4 [1231] Электроскоп заряжается потому, что капли воды (см. рис. VII-13) несут на себе заряд. Можно ли говорить о наличии электрического тока: в стержне электроскопа; в воздухе между бюреткой (стеклянным сосудом) и электроскопом?

Дано:

Электроскоп, который заряжается от падающих на него заряженных капель воды, вытекающих из бюретки (стеклянного сосуда).

Найти:

Определить, можно ли говорить о наличии электрического тока в следующих случаях:

1. в стержне электроскопа;

2. в воздухе между бюреткой и электроскопом.

Решение:

Электрический ток по определению — это любое упорядоченное (направленное) движение носителей электрического заряда. Сила тока $I$ определяется как отношение заряда $\Delta q$, прошедшего через определенную поверхность за промежуток времени $\Delta t$, к этому промежутку времени: $I = \frac{\Delta q}{\Delta t}$.

в стержне электроскопа

Когда заряженная капля воды касается шарика электроскопа, она передает ему свой заряд. Электроскоп (шарик, стержень и лепестки) представляет собой единую проводящую систему. Чтобы лепестки электроскопа разошлись, на них должен появиться заряд. Этот заряд перемещается от шарика по металлическому стержню к лепесткам. Стержень является проводником, и носителями заряда в нем являются свободные электроны. Их направленное, хотя и кратковременное, движение по стержню как раз и является электрическим током. Этот ток существует в моменты перераспределения заряда по электроскопу после попадания каждой капли.

Ответ: да, можно говорить о наличии кратковременного электрического тока в стержне электроскопа.

в воздухе между бюреткой (стеклянным сосудом) и электроскопом

В условии задачи сказано, что капли воды несут на себе заряд. Падая из бюретки, эти заряженные капли направленно движутся в пространстве (в воздухе) к электроскопу. Такое упорядоченное движение заряженных тел (в данном случае — макроскопических капель воды) также является электрическим током. Этот вид тока называется конвекционным. Поток заряженных капель осуществляет перенос заряда во времени и пространстве от бюретки к электроскопу, что полностью соответствует определению электрического тока.

Ответ: да, можно говорить о наличии электрического (конвекционного) тока в воздухе, который создается потоком заряженных капель.

49.5 [1232] Электроскоп разрядили, коснувшись рукой шарика заряженного электроскопа. Можно ли говорить о наличии электрического тока в стержне электроскопа при его разрядке?

Решение

Электрический ток по определению — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В проводниках, таких как металлический стержень электроскопа, носителями заряда являются свободные электроны.

Процесс разрядки электроскопа при касании его рукой заключается в перераспределении электрического заряда. Тело человека является проводником, и касаясь электроскопа, мы соединяем его с Землей, которая обладает огромной электрической емкостью и условно имеет нулевой потенциал. Возникает разность потенциалов между электроскопом и Землей, что и вызывает движение зарядов.

Рассмотрим два случая:

1. Электроскоп заряжен положительно. Это означает, что на нем недостаток электронов. Его потенциал положителен относительно Земли. Когда человек касается шарика, электроны из Земли через тело человека начинают перетекать на электроскоп, чтобы скомпенсировать недостаток. Эти электроны движутся по всему проводнику, включая стержень электроскопа, от шарика к лепесткам. Такое направленное движение электронов и является электрическим током.

2. Электроскоп заряжен отрицательно. Это означает, что на нем избыток электронов. Его потенциал отрицателен относительно Земли. При касании избыточные электроны с лепестков и стержня электроскопа устремляются через стержень и шарик в тело человека и далее в Землю. Это также направленное движение заряженных частиц, то есть электрический ток.

В обоих случаях в процессе разрядки происходит кратковременное, но упорядоченное движение электронов через стержень электроскопа. Следовательно, в стержне электроскопа при его разрядке возникает электрический ток.

Ответ: Да, можно говорить о наличии электрического тока в стержне электроскопа при его разрядке, так как разрядка представляет собой кратковременное упорядоченное движение заряженных частиц (электронов) через стержень.

49.6 [1233] Имеются заряженный электроскоп и металлическая палочка. Что следует сделать, чтобы в палочке возник электрический ток?

Решение

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В металлической палочке носителями заряда являются свободные электроны. Для возникновения электрического тока в проводнике, каковым является палочка, необходимо создать в нём электрическое поле. Электрическое поле, в свою очередь, создаётся при наличии разности электрических потенциалов ($ \Delta\phi $) на концах проводника. Таким образом, чтобы в палочке возник ток, нужно обеспечить на её концах разность потенциалов.

Заряженный электроскоп имеет электрический потенциал ($ \phi_{э} $), отличный от потенциала незаряженных тел, например, Земли. Потенциал Земли (а также заземленных предметов, включая тело человека) условно принимается равным нулю. Следовательно, между заряженным электроскопом и Землёй существует разность потенциалов.

Чтобы создать ток в палочке, нужно использовать её для соединения тел с разными потенциалами. Для этого следует одним концом металлической палочки коснуться заряженного электроскопа, а другой её конец заземлить. Самый простой способ заземлить палочку — это держать её рукой.

В момент такого соединения между концами палочки возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов создаст в палочке электрическое поле, которое заставит свободные электроны двигаться упорядоченно. Это движение электронов и есть электрический ток. Ток будет кратковременным: он прекратится, как только заряд с электроскопа перетечёт на землю (или с земли на электроскоп, в зависимости от знака заряда электроскопа) и их потенциалы выровняются.

Ответ:

Чтобы в палочке возник электрический ток, необходимо создать на её концах разность потенциалов. Для этого следует одним концом палочки коснуться шарика заряженного электроскопа, а другой её конец заземлить (например, держа палочку рукой). В результате по палочке потечёт кратковременный электрический ток.

49.7 [1234] На рисунке VII-25, а, б, в, г показаны заряженные электроскопы, расположенные парами. В каком направлении пойдёт ток в каждом случае, если металлической палочкой с изолирующей ручкой одновременно коснуться шариков двух электроскопов?

а) Левый электроскоп: $+$, Правый электроскоп: $+$.

б) Левый электроскоп: $+$, Правый электроскоп: $-$.

в) Левый электроскоп: $-$, Правый электроскоп: $+$.

г) Левый электроскоп: $-$, Правый электроскоп: $-$.

Рис. VII-25

Электрический ток в проводниках представляет собой упорядоченное движение свободных заряженных частиц (в металлах — электронов). По соглашению, за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. Это означает, что ток течет от точки с более высоким электрическим потенциалом к точке с более низким потенциалом. В свою очередь, электроны (отрицательно заряженные частицы) движутся в противоположном направлении: от точки с низким потенциалом к точке с высоким потенциалом. Величина заряда на электроскопе определяет его потенциал: больший положительный заряд означает более высокий потенциал, а больший по модулю отрицательный заряд — более низкий потенциал.

а) Оба электроскопа заряжены положительно. Лепестки левого электроскопа разошлись на больший угол, следовательно, его положительный заряд и электрический потенциал $φ_{лев}$ больше, чем у правого электроскопа $φ_{прав}$. Имеем соотношение $φ_{лев} > φ_{прав}$. Так как ток течет от большего потенциала к меньшему, он будет направлен от левого электроскопа к правому.

Ответ: ток пойдет от левого электроскопа к правому.

б) Левый электроскоп заряжен положительно, его потенциал $φ_{лев} > 0$. Правый электроскоп заряжен отрицательно, его потенциал $φ_{прав} < 0$. Потенциал положительно заряженного тела всегда выше потенциала отрицательно заряженного тела, то есть $φ_{лев} > φ_{прав}$. Следовательно, ток будет течь от левого электроскопа к правому.

Ответ: ток пойдет от левого электроскопа к правому.

в) Левый электроскоп заряжен отрицательно ($φ_{лев} < 0$), а правый — положительно ($φ_{прав} > 0$). Потенциал правого электроскопа выше потенциала левого: $φ_{прав} > φ_{лев}$. Ток течет от большего потенциала к меньшему, поэтому он будет направлен от правого электроскопа к левому.

Ответ: ток пойдет от правого электроскопа к левому.

г) Оба электроскопа заряжены отрицательно. Лепестки правого электроскопа разошлись на больший угол, это значит, что его отрицательный заряд по модулю больше, а электрический потенциал, соответственно, ниже, чем у левого электроскопа. Таким образом, $φ_{лев} > φ_{прав}$. Ток будет течь от точки с более высоким потенциалом (левый электроскоп) к точке с более низким потенциалом (правый электроскоп).

Ответ: ток пойдет от левого электроскопа к правому.

49.8 [н] Существует ли электрический ток при движении макроскопических заряженных частиц, например капель дождя, частиц пыли, оседающих на землю?

49.8 [Н]

Да, при движении макроскопических заряженных частиц, таких как капли дождя или частицы пыли, возникает электрический ток.

По определению, электрический ток — это любое упорядоченное (направленное) движение носителей электрического заряда. Сила тока $I$ определяется как количество заряда $\Delta q$, которое проходит через некоторую поверхность (например, поперечное сечение) за промежуток времени $\Delta t$:

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

Носителями заряда могут быть не только электроны в металлах или ионы в жидкостях и газах, но и любые заряженные макроскопические тела.

Капли дождя и частицы пыли могут приобретать электрический заряд в атмосфере в результате различных процессов (например, трения друг о друга, о воздух, или в результате электризации в грозовых облаках). Когда эти заряженные частицы движутся упорядоченно, например, падают на землю под действием силы тяжести, их движение представляет собой направленный перенос электрического заряда. Этот перенос заряда и является электрическим током.

Такой ток, обусловленный движением заряженных макроскопических тел (а не движением зарядов внутри проводника), называется конвекционным током.

Ответ: Да, существует. Такое направленное движение заряженных макроскопических частиц является электрическим током, который называется конвекционным.

49.9 [н] Обратитесь к рисунку VII-7 и определите направление кратковременного электрического тока, если вы мысленно соедините проводником шарики: B и A; B и C; C и A.

Решение

Для решения задачи необходимо обратиться к рисунку VII-7, который обычно для таких задач представляет собой три проводящих шарика, помещенных в однородное электростатическое поле. Будем считать, что шарики A, B и C расположены в однородном электрическом поле, вектор напряженности которого $\vec{E}$ направлен слева направо. Положение шариков вдоль силовой линии поля следующее: C, B, A (слева направо).

Кратковременный электрический ток возникает при наличии разности потенциалов между двумя точками. По общепринятому соглашению, направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов, то есть от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом.

Потенциал $\phi$ электростатического поля убывает вдоль направления силовых линий, то есть в направлении вектора напряженности $\vec{E}$. Так как шарики расположены в порядке C, B, A вдоль поля, их потенциалы находятся в следующем соотношении: $\phi_C > \phi_B > \phi_A$.

На основе этого правила определим направление тока для каждой пары шариков.

В и А; Поскольку потенциал шарика B больше потенциала шарика A ($\phi_B > \phi_A$), при их соединении проводником кратковременный электрический ток потечет от шарика B к шарику A.

Ответ: ток направлен от B к A.

В и С; Потенциал шарика C больше потенциала шарика B ($\phi_C > \phi_B$), поэтому при их соединении проводником ток будет направлен от шарика C к шарику B.

Ответ: ток направлен от C к B.

С и А. Потенциал шарика C является самым высоким, а потенциал шарика A — самым низким ($\phi_C > \phi_A$). Следовательно, при их соединении проводником ток будет направлен от шарика C к шарику A.

Ответ: ток направлен от C к A.

49.10 [н] Учитель переносит заряженный электрометр с одного края демонстрационного стола на другой край, совершая направленное перемещение заряда. Возникает ли при этом электрический ток?

49.10 [н]

Решение

По определению, электрический ток — это любое упорядоченное (направленное) движение носителей электрического заряда.

В рассматриваемом случае учитель переносит заряженный электрометр. Вместе с электрометром перемещается и его электрический заряд. Поскольку перемещение происходит от одного края стола к другому, это движение заряда является направленным.

Направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток. Следовательно, при переносе заряженного электрометра возникает электрический ток. Если заряд электрометра равен $q$ и время переноса составляет $\Delta t$, то средняя сила тока будет равна $I = \frac{q}{\Delta t}$.

Такой ток, связанный с механическим переносом заряженного макроскопического тела, называют конвекционным током. Он, как и любой другой электрический ток (например, ток проводимости в металлах), создает в окружающем пространстве магнитное поле.

Ответ: да, возникает. Направленное движение заряженного электрометра представляет собой направленное движение электрического заряда, что по определению и есть электрический ток. Такой ток называют конвекционным.