Страница 132 — Глава 2. Электрические явления. § 36. Электрический…

Электрический ток в металлах образуют свободные электроны. В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, которые лишь колеблются около положений равновесия и не могут перемещаться по проводнику. Внешние электроны атомов металла связаны с ядрами очень слабо, легко отрываются и становятся свободными: они беспорядочно движутся между ионами по всему металлу. Под действием электрического поля именно эти свободные электроны начинают двигаться упорядоченно, создавая ток, а ионы остаются на своих местах.

Без поля свободные электроны движутся хаотично, и никакого направленного перемещения заряда нет. При возникновении электрического поля электроны, сохраняя хаотическое движение, начинают дополнительно смещаться в сторону положительного полюса источника тока, то есть против направления поля и принятого направления тока. Такое упорядоченное движение — электрический ток. Скорость хаотического движения электронов велика (порядка сотни километров в секунду), а скорость направленного движения мала (порядка миллиметров в секунду). Это похоже на то, как рой мошек, беспорядочно толкущихся, перемещается в одну сторону под действием ветра.

Первый опыт поставил в 1901 г. немецкий физик Карл Рикке. Три цилиндра с тщательно отполированными торцами — медный, алюминиевый и снова медный — поставили друг на друга и присоединили к источнику тока. В течение года по ним пропускали ток, но никаких химических изменений в цилиндрах не обнаружили. Значит, ток не связан с переносом ионов, которые у разных металлов разные, а создаётся частицами, одинаковыми во всех металлах, — электронами.
В 1913 г. российские физики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси раскручивали катушку из большого числа витков, а затем резко тормозили её. В момент торможения в цепи катушки возникал кратковременный ток: свободные заряженные частицы по инерции продолжали двигаться в проводнике. В 1916 г. Т. Стюарт и Р. Толмен усовершенствовали опыт: по направлению тока они определили знак заряда частиц (отрицательный) и вычислили отношение заряда частиц к их массе, которое оказалось одинаковым для всех металлов и равным этому отношению для электрона. Итак, ток в металлах — упорядоченное движение свободных электронов.

При замыкании цепи электрическое поле распространяется по проводнику практически мгновенно (с очень большой скоростью, близкой к скорости света), и движение свободных электронов начинается на всём протяжении проводов почти одновременно. Свободные электроны есть и в проводах, и в нити лампочки, поэтому электроны в нити приходят в движение сразу после нажатия на клавишу, и лампа загорается без задержки. Электрону вовсе не нужно пройти весь путь от выключателя до лампы. Поэтому, говоря о скорости распространения тока в проводнике, имеют в виду скорость распространения электрического поля, а не скорость электронов. Аналогия: если открыть кран в трубе, полностью заполненной водой, вода из другого конца потечёт сразу, хотя сама она движется медленно.

Решение. Электроны в металлическом стержне движутся под действием электрического поля заряженного электрометра, всегда от отрицательно заряженного тела к положительно заряженному.
а) Левый электрометр заряжен положительно (у него недостаток электронов), правый не заряжен. Электроны в стержне потекут справа налево, от правого электрометра к левому. Правый электрометр при этом потеряет часть электронов и приобретёт положительный заряд, у левого положительный заряд уменьшится, пока заряды не выровняются.
б) Левый электрометр заряжен отрицательно (избыток электронов), правый не заряжен. Электроны потекут слева направо, от левого электрометра к правому, пока заряды не станут одинаковыми; стрелка левого опустится, правого — отклонится.
в) Оба электрометра не заряжены, электрическое поле в стержне отсутствует, поэтому направленного движения электронов нет: они продолжают лишь хаотическое тепловое движение, ток не возникает.
Ответ: а) справа налево; б) слева направо; в) электроны направленно не движутся.