Электричество: общие понятия

Электрические явления стали известны человеку сначала в грозной форме молнии - разрядов атмосферного электричества, затем было открыто и исследовано электричество, получаемое посредством трения (например, кожи о стекло и т. д.); наконец, после открытия химических источников тока (гальванических элементов в 1800 г.) возникла и быстро развилась электротехника. В Советском государстве мы являлись свидетелями блестящего расцвета электротехники. Русские ученые немало способствовали такому быстрому прогрессу.

Схемы строения атома гелия и урана

Схемы строения атома гелия и урана.

Тем не менее затруднительно дать простой ответ на вопрос: «Что такое электричество?». Можно сказать, что «электричество есть электрические заряды и связанные с ними электромагнитные поля». Но такой ответ требует обстоятель­ных дальнейших разъяснений: «Что такое электрические заряды и электромагнитные поля?» Постепенно мы покажем, насколько сложно по существу понятие «электричество», хотя очень по­дробно изучены чрезвычайно разнообразные электрические яв­ления, а параллельно с более глубоким их пониманием расширя­лась и область практического применения электричества.

Изобретатели первых электрических машин представляли се­бе электрический ток как движение особой электрической жид­кости в металлических проводах, но для создания электронных ламп необходимо было знать электронную природу электриче­ского тока.

Современное учение об электричестве тесно связано с уче­нием о строении вещества. Мельчайшей частицей вещества, со­храняющей его химические свойства, является молекула (от лат. слова "moles" - масса).

Эта частица очень мала, например, молекула воды имеет диаметр около 3/ 1000 000 000 = 3/108 = 3*10-8 см. и объем 29.7*10-24.

Схема движение заряженных частиц в проводнике

Схема движение заряженных частиц в проводнике.

Чтобы представить себе нагляднее, насколько малы такие молекулы, какое громадное число их помещается в небольшом объеме, осуществим мысленно следующий опыт. Каким-то спо­собом отметим все молекулы в рюмке воды (50 см3) и выльем эту воду в Черное море. Вообразим, что молекулы, содержав­шиеся в этих 50 см3, равномерно распределились во всем об­ширном мировом океане, который занимает 71% площади зем­ного шара; зачерпнем затем из этого океана, хотя бы во Вла­дивостоке, опять рюмку воды. Есть ли вероятность найти в этой рюмке хотя бы одну из меченых нами молекул?

Объем мирового океана огромен. Его поверхность - 361,1 млн.км2. Его средняя глубина - 3795 м. Сле­довательно, его объем - 361,1*106*З,795 км3, т. е. около 1 370 ООО ООО км3 = 1,37*109 км3 1,37*1024 см3.

Но в 50 см3 воды содержится 1,69*1024 молекул. Следова­тельно, после перемешивания в каждом кубическом сантиметре воды океана будет находиться- 1.69/1.37 меченых молекул, и в нашу рюмку во Владивостоке попадет около 66 меченых молекул.

Как ни малы молекулы, но они состоят из еще меньших ча­стиц - атомов.

Атом есть наименьшая часть химического элемента, явля­ющаяся носителем его химических свойств. Под химическим эле­ментом принято понимать вещество, состоящее из одинаковых атомов. Молекулы могут образовывать одинаковые атомы (на­пример, молекула газа водорода Н2 состоит из двух атомов) или различные атомы (молекула воды Н20 состоит из двух атомов водорода Н2и атома кислорода О). В последнем случае при делении молекул на атомы химические и физические свойства вещества изменяются. Например, при разложении молекул жид­кого тела, воды, освобождаются два газа — водород и кислород. Число атомов в молекулах различно: от двух (в молекуле водо­рода) до сотен и тысяч атомов (у белков и высокомолекулярных соединений). Ряд веществ, в частности металлы, не образует молекул, т. е состоит непосредственно из атомов, не связанных внутри молекулярными связями.

Схема устройства атома

Схема устройства атома.

Долгое время считали атом мельчайшей частицей материи (само название атом происходит от греческого слова атомос— неделимый). В настоящее время известно, что атом представля­ет собой сложную систему. В его ядре сосредоточена большая часть массы атома. Вокруг ядра по определенным орбитам обращаются легчайшие электрически заряженные элементарные частицы — электроны подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Силы тяготения удерживают планеты на их орбитах, а электроны притягиваются к ядру электрическими силами. Электрические заряды могут быть двух различных ви­дов: положительными и отрицательными. Из опыта мы знаем, что взаимно притягиваются лишь разноименные электрические заряды. Следовательно, заряды ядра и электронов тоже должны быть различны по знаку. Условно принято считать заряд элек­тронов отрицательным, а заряд ядра положительным.

Все электроны независимо от способа их получения обладают одинаковыми электрическими зарядами и массой 9,108*10-28 г. Следовательно, электроны, входящие в состав атомов любых элементов, можно считать одинаковыми.

Вместе с тем заряд электрона (его принято обозначать е) является элементарным, т. е. наименьшим возможным электри­ческим зарядом. Попытки доказать существование меньших за­рядов оказались безуспешными.

Принадлежность атома к тому или иному химическому эле­менту обуславливается величиной положительного заряда ядра. Общий отрицательный зарядZ электронов атома равен поло­жительному заряду его ядра, следовательно, величина положи­тельного заряда ядра должна бытьeZ. Число Z определяет ме­сто элемента в периодической системе элементов Менде­леева.

Часть электронов в атоме находится на внутренних орбитах, а часть — на внешних орбитах. Первые относительно прочно удерживаются на своих орбитах атомными связями. Вторые могут сравнительно легко отделяться от атома и переходить к другому атому или же некоторое время оставаться свободными. Эти электроны внешних орбит определяют электрические и хи­мические свойства атома.

Схема структуры протона

Схема структуры протона.

Пока сумма отрицательных зарядов электронов равна поло­жительному заряду ядра,  атом или молекула нейтральны. Но если атом потерял один или несколько электронов, то вследствие избытка положительного заряда ядра он становится положитель­ным ионом (от греч. слова ион — идущий). Если же атом захватил излишние электроны, то он служит отрицательным ионом. Таким же путем ионы могут образовываться из нейт­ральных молекул.

Носителями положительных зарядов в ядре атома являются протоны (от греч. слова «протос» — первый). Протон служит ядром водорода — первого элемента в таблице периодической системы. Его положительный заряд е+ численно равен отрица­тельному заряду электрона. Но масса протона в 1836 раз боль­ше массы электрона. Протоны вместе с нейтронами образуют ядра всех химических элементов. Нейтрон (от лат. слова «neuter» — ни тот, ни другой) не обладает зарядом и его масса в 1838 раз больше массы электрона. Таким образом, основными частями атомов являются электроны, протоны и нейтроны. Из них протоны и нейтроны прочно удерживаются в ядре атома и лишь электроны могут перемещаться внутри вещества, а поло­жительные заряды в обычных условиях могут перемещаться лишь вместе с атомами в виде ионов.

http://www.youtube.com/watch?v=qACgog72T94

Количество свободных электронов в веществе зависит от строения его атомов. Если этих электронов много, то данное вещество хорошо пропускает через себя движущиеся электриче­ские заряды. Оно называется проводником. К проводникам от­носятся все металлы. Особенно хорошими проводниками явля­ются серебро, медь и алюминий. Если под тем или иным внеш­ним воздействием проводник потерял часть свободных электро­нов, то преобладание положительных зарядов его атомов со­здаст эффект положительного заряда проводника в целом, т. е. проводник будет притягивать отрицательные заряды — свобод­ные электроны и отрицательные ионы. В противном случае при избытке свободных электронов проводник будет заряжен отри­цательно.

Ряд веществ содержит очень мало свободных электронов. Та­кие вещества называются диэлектриками или изолятора­ми. Они плохо пропускают или практически не пропускают элек­трические заряды. Диэлектриками являются фарфор, стекло, эбо­нит, большинство пластмасс, воздух и т. д.

http://www.youtube.com/watch?v=Ifg9mcJvmo4

В электротехнических устройствах по проводникам движутся электрические заряды, а диэлектрики служат для направления этого движения.

КОММЕНТАРИИ
  1. vladimirphizik

    Электрический заряд – это совокупный результат проявления таких свойств двухкомпонентных вихрей, как направление вращения вихря и направление движения поля-эфира по его каналам-силовым линиям gravitus.ucoz.ru/news/ehlektricheskij_zarjad/2014-09-06-30

    Ответить
  • Добавить комментарий

×
Top