Номер 2, страница 122 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

2. Как движутся электроны металла при возникновении в нём электрического поля?

1. Электрический ток представляет собой упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В различных средах носителями заряда могут быть разные частицы. В металлах носителями электрического заряда являются свободные электроны.

Металлы имеют кристаллическую структуру. В узлах кристаллической решётки находятся положительно заряженные ионы, а в пространстве между ними хаотически движутся электроны, которые отделились от атомов (так называемые валентные электроны). Эти электроны не связаны с конкретным атомом и могут свободно перемещаться по всему объёму металла, образуя "электронный газ". Именно направленное движение этих свободных электронов под действием электрического поля и создаёт электрический ток в металлах.

Ответ: Электрический ток в металлах образуют свободные электроны.

2. Движение электронов в металле при возникновении в нём электрического поля является сложным. Оно складывается из двух основных видов движения:

1. Хаотическое тепловое движение. Даже в отсутствие электрического поля свободные электроны в металле находятся в непрерывном беспорядочном движении, подобно молекулам газа. Они сталкиваются друг с другом и с ионами кристаллической решётки. Скорость этого теплового движения очень велика (порядка $10^5 - 10^6$ м/с при комнатной температуре), но из-за хаотичности направления в среднем переноса заряда не происходит.

2. Упорядоченное дрейфовое движение. Когда в металлическом проводнике создаётся электрическое поле, на каждый свободный электрон начинает действовать электрическая сила $ \vec{F} = -e\vec{E} $ (где $e$ – элементарный заряд, $ \vec{E} $ – напряжённость поля). Эта сила направлена против вектора напряжённости поля, так как заряд электрона отрицателен. Под действием этой силы электроны получают дополнительное ускорение. Однако их движение постоянно прерывается столкновениями с ионами решётки. В результате на хаотическое тепловое движение накладывается медленное направленное смещение (дрейф) всех электронов в сторону, противоположную направлению электрического поля.

Скорость этого дрейфа (дрейфовая скорость) очень мала и составляет всего доли миллиметра в секунду (порядка $10^{-4} - 10^{-5}$ м/с), но именно это упорядоченное движение и представляет собой электрический ток.

Ответ: При возникновении в металле электрического поля электроны, продолжая своё быстрое хаотическое тепловое движение, начинают также медленно смещаться (дрейфовать) в направлении, противоположном вектору напряжённости электрического поля.

3. Природа носителей тока в металлах была установлена благодаря нескольким фундаментальным экспериментам. Основными из них являются опыты, доказавшие, что ток переносят не ионы металла, а лёгкие отрицательно заряженные частицы — электроны.

Опыт К. Рикке (1901 г.). Этот эксперимент доказал, что ионы кристаллической решётки не участвуют в переносе заряда. Рикке взял три тщательно взвешенных цилиндра — два медных и один алюминиевый — и плотно прижал их торцами друг к другу в последовательности медь–алюминий–медь. Через эту цепь в течение года пропускали постоянный электрический ток, в результате чего через цилиндры прошёл очень большой заряд (около $3.5 \cdot 10^6$ Кл). Если бы ток создавался движением ионов металла, то произошёл бы перенос вещества: ионы меди должны были бы проникнуть в алюминиевый цилиндр, а ионы алюминия — в медные. Однако после окончания эксперимента и повторного взвешивания цилиндров с высокой точностью не было обнаружено ни изменения их массы, ни следов диффузии одного металла в другой. Это доказывало, что ионы металла остаются на своих местах в кристаллической решётке, а носители тока являются общими для всех металлов.

Опыты Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси (1913 г.), а также Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г.). Эти инерционные эксперименты непосредственно доказали, что носителями тока в металлах являются электроны. В опыте Стюарта и Толмена катушку с большим количеством витков тонкой проволоки приводили в быстрое вращение вокруг своей оси, а затем резко тормозили. В момент торможения свободные электроны внутри провода, обладая инерцией, продолжали некоторое время двигаться относительно остановившейся кристаллической решётки. Это кратковременное упорядоченное движение электронов создавало импульс тока, который регистрировался чувствительным гальванометром, подключённым к концам катушки. Направление тока указывало на то, что движущиеся носители заряда отрицательны. Измерив полный заряд, протёкший через гальванометр, и зная параметры катушки и скорость её вращения, учёные смогли вычислить удельный заряд (отношение заряда к массе $q/m$) носителей тока. Полученное значение с хорошей точностью совпало с удельным зарядом электрона, известным из других опытов.

Ответ: Эксперимент Рикке показал, что ионы металла не участвуют в переносе тока. Инерционные эксперименты Мандельштама-Папалекси и Стюарта-Толмена доказали, что носители заряда в металлах имеют отрицательный знак и их удельный заряд совпадает с удельным зарядом электрона, тем самым установив, что ток в металлах — это упорядоченное движение электронов.