Страница 133 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

2. Сравните направление электрического тока в цепи, схема которой показана на рисунке 71, и направление движения электронов.

Для сравнения направления электрического тока и направления движения электронов в цепи необходимо рассмотреть два ключевых аспекта: принятое по соглашению (условное) направление тока и физическую реальность движения носителей заряда в металлах.

Направление электрического тока: Исторически, задолго до открытия электрона, было принято считать, что электрический ток представляет собой движение положительных зарядов. В соответствии с этим международным соглашением, направлением электрического тока во внешней цепи считается направление от положительного полюса (+) источника тока к отрицательному полюсу (−). Это условное, или "техническое", направление тока, которое используется при анализе всех электрических схем, включая ту, что на рисунке 71.

Направление движения электронов: В металлических проводниках, из которых обычно состоят электрические цепи, носителями заряда являются свободные электроны. Электрон – это частица, обладающая отрицательным элементарным зарядом ($e^−$). Так как одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, электроны в проводнике движутся под действием электрического поля от точки с отрицательным потенциалом к точке с положительным потенциалом. Иными словами, движение электронов направлено от отрицательного полюса (−) источника тока к его положительному полюсу (+).

Таким образом, сравнивая эти два направления, мы приходим к выводу, что они прямо противоположны друг другу.

Ответ: Направление электрического тока в цепи, принятое по соглашению (от положительного полюса источника к отрицательному), и направление упорядоченного движения электронов (от отрицательного полюса к положительному) являются противоположными.

3. В чём различие в движении свободных электронов в металлическом проводнике, когда он присоединён к источнику тока и когда отключён от него?

Различие в движении свободных электронов в металлическом проводнике заключается в характере их движения: является ли оно полностью хаотическим или имеет упорядоченную составляющую.

Когда проводник отключён от источника тока

В отсутствие внешнего электрического поля свободные электроны в металле находятся в непрерывном и хаотическом тепловом движении. Это движение аналогично движению молекул идеального газа. Электроны движутся с очень большими скоростями (при комнатной температуре их скорость достигает $10^5$ – $10^6$ м/с) по случайным траекториям, постоянно сталкиваясь с ионами, расположенными в узлах кристаллической решётки. Поскольку движение абсолютно беспорядочно, в любой момент времени через любое поперечное сечение проводника проходит в среднем одинаковое количество электронов в обоих направлениях. В результате этого суммарный перенос электрического заряда равен нулю, и, следовательно, электрический ток отсутствует.

Когда проводник присоединён к источнику тока

При подключении проводника к полюсам источника тока (например, батареи) внутри проводника создаётся электрическое поле, направленное от положительного полюса к отрицательному. Это поле действует на каждый свободный электрон с силой $F = qE$, где $q$ — это заряд электрона ($q = -e$), а $E$ — напряжённость поля. Под действием этой силы электроны, сохраняя своё хаотическое тепловое движение, приобретают дополнительную небольшую скорость, направленную против вектора напряжённости электрического поля (то есть к положительному полюсу источника). Это упорядоченное движение всех свободных электронов в одном направлении называется дрейфом, а средняя скорость этого движения — дрейфовой скоростью. Дрейфовая скорость очень мала по сравнению со скоростью теплового движения и составляет всего лишь доли миллиметра в секунду (порядка $10^{-4}$ – $10^{-3}$ м/с). Однако именно это упорядоченное движение (дрейф) огромного числа электронов и создаёт электрический ток в проводнике.

Ответ: Когда проводник отключён от источника тока, свободные электроны в нём совершают только хаотическое тепловое движение, и электрический ток отсутствует. Когда проводник присоединён к источнику тока, на это хаотическое движение накладывается упорядоченное направленное движение (дрейф) электронов под действием электрического поля, которое и представляет собой электрический ток.