Номер 2, страница 132 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Вопросы после параграфа. § 36. Электрический ток в металлах. Глава 2. Электрические явления - номер 2, страница 132.

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

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

Движение электронов в металле можно рассматривать в двух ситуациях: без электрического поля и при его наличии.

В отсутствие внешнего электрического поля свободные электроны в металле находятся в непрерывном хаотическом движении, подобно молекулам газа. Это тепловое движение происходит с огромными скоростями (при комнатной температуре средняя скорость составляет около $10^5 - 10^6$ м/с). Электроны постоянно сталкиваются с ионами кристаллической решетки и друг с другом. Из-за случайности направлений скоростей в любой момент времени средняя скорость всех электронов в любом заданном направлении равна нулю. В результате, несмотря на высокую скорость отдельных частиц, переноса заряда не происходит и электрический ток отсутствует.

При возникновении в металле электрического поля (например, при подключении к источнику напряжения) на каждый свободный электрон начинает действовать электрическая сила $\vec{F} = q\vec{E} = -e\vec{E}$, где $e$ – элементарный заряд, а $\vec{E}$ – напряженность электрического поля. Эта сила направлена против вектора напряженности поля $\vec{E}$, так как заряд электрона отрицателен.

Под действием этой силы электроны получают ускорение и начинают двигаться упорядоченно. Однако их движение не является равноускоренным, поскольку оно постоянно прерывается столкновениями с ионами кристаллической решетки. Между столкновениями электрон набирает дополнительную скорость в направлении, противоположном полю, но при столкновении эта направленная скорость практически теряется, и процесс ускорения начинается заново.

В итоге на хаотическое тепловое движение электронов накладывается их медленное упорядоченное движение (дрейф) в направлении, противоположном вектору напряженности электрического поля. Скорость этого упорядоченного движения называется дрейфовой скоростью ($\vec{v}_д$). Дрейфовая скорость очень мала по сравнению со скоростью теплового движения и обычно составляет доли миллиметра в секунду (порядка $10^{-4}$ м/с). Именно это упорядоченное движение (дрейф) свободных электронов и представляет собой электрический ток в металлах.

Ответ: При возникновении электрического поля в металле электроны, сохраняя свое быстрое хаотическое тепловое движение, начинают дополнительно смещаться (дрейфовать) в направлении, противоположном направлению электрического поля. Это упорядоченное движение, называемое дрейфом, происходит с очень малой скоростью и является причиной электрического тока.

3. Опишите эксперименты, установившие природу носителей заряда в металлах.

Природа носителей заряда в металлах была установлена благодаря нескольким ключевым экспериментам, наиболее известными из которых являются опыт Рикке и опыты Толмена и Стюарта.

Опыт Карла Рикке (1899 г.)

Цель: Выяснить, являются ли ионы металла носителями тока.

Проведение: Рикке взял три тщательно взвешенных металлических цилиндра: два медных и один алюминиевый. Он соединил их последовательно (медь-алюминий-медь) и пропускал через эту цепь постоянный электрический ток силой около 1 А в течение длительного времени (около года). За это время через проводники прошел огромный заряд – примерно $3.5 \cdot 10^6$ Кл.

Результат: После окончания эксперимента цилиндры были разъединены и снова взвешены. В пределах точности измерений их массы не изменились. Также на границах соприкосновения металлов не было обнаружено следов диффузии (проникновения атомов одного металла в другой).

Вывод: Если бы ток создавался движением ионов меди и алюминия, то произошел бы перенос массы: ионы меди переместились бы в алюминиевый цилиндр, а ионы алюминия – в медные, что привело бы к изменению их масс. Отсутствие переноса вещества доказало, что ионы в кристаллической решетке металла остаются на своих местах и не участвуют в создании тока. Следовательно, носителями заряда являются какие-то другие частицы, общие для всех металлов.

Опыты Ричарда Толмена и Томаса Стюарта (1916 г.)

Цель: Прямое доказательство того, что носителями тока в металлах являются электроны, и измерение их удельного заряда (отношения заряда к массе $e/m$).

Проведение: Экспериментальная установка представляла собой катушку с большим количеством витков тонкой проволоки, концы которой были присоединены к чувствительному гальванометру. Катушку приводили в быстрое вращение вокруг своей оси, а затем резко тормозили до полной остановки.

Идея: Когда катушка вращается, вместе с ней движется и кристаллическая решетка, и свободные электроны. При резкой остановке катушки кристаллическая решетка останавливается, а свободные электроны, обладая инерцией, продолжают некоторое время двигаться по инерции относительно провода. Это кратковременное упорядоченное движение электронов представляет собой импульс электрического тока.

Результат: Гальванометр зафиксировал кратковременный импульс тока в момент остановки. Направление этого тока указывало на то, что движущиеся по инерции частицы имеют отрицательный знак заряда. Измерив полный заряд, прошедший через гальванометр, а также зная параметры катушки и скорость ее вращения, ученые смогли рассчитать удельный заряд носителей тока.

Вывод: Полученное в опыте значение удельного заряда с хорошей точностью совпало со значением $e/m_e$ для электрона, измеренным ранее Дж. Дж. Томсоном. Этот результат стал решающим доказательством того, что носителями свободного заряда в металлах являются именно электроны.

Ответ: Природа носителей заряда в металлах была установлена в опытах Рикке, который показал, что ионы металла не участвуют в переносе заряда, и в опытах Толмена и Стюарта, которые с помощью инерционных эффектов напрямую доказали, что носителями тока являются отрицательно заряженные частицы, и измерили их удельный заряд, который оказался равен удельному заряду электрона.