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.

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.

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.

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.

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://fazaa.ru/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://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=Ifg9mcJvmo4

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