Раздел 1. Электрическая цепь и ее основные законы

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВ И ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. Строение вещества. Наукой установлено, что все тела состоят из отдельных очень малых частиц — атомов и молекул. В природе, имеется свыше 100 видов атомов, которые различаются массой и хи­мическими свойствами. Каждый химический элемент — водород, гелий, кислород, углерод, железо, медь, алюминий, золото, радий, уран и пр. — состоит из атомов определенного вида. Молекулы образованы из нескольких атомов одного или различных химических элементов. Например, молекулы воды содержат атомы водорода и ато­мы кислорода, молекулы поваренной соли — атомы хлора и атомы натрия и т. д.

Строение атома весьма сложно. Упрощенно атом можно предста­вить в виде ядра, окруженного оболочкой. Оболочка образована из постоянно движущихся с чрезвычайно большой скоростью мель­чайших частиц — электронов, ядро — из протонов и нейтронов. Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть даже в самый сильный микроскоп. В атомах разных химических элементов содержится раз­личное количество протонов, нейтронов и электронов.

Электроны располагаются вокруг ядра Я (рис. 1) несколькими слоями (оболочками) на очень большом по сравнению со своими раз­мерами расстоянии. Оболочки обозначаются латинскими буквами К, L, М, N, О, Р и Q (в порядке удаления их от ядра). Самым простым атомом является атом водорода: он имеет только один электрон, рас­положенный на оболочке К. Атом гелия (рис. 2, а) имеет два электро­на, расположенных на оболочке К; атом кислорода (рис 2, б) — восемь электронов, расположенных на оболочках K и L. В атоме алюми­ния (см.рис. 1, а) электроны располагаются на трех электронных оболочках; в атоме меди (см. рис 1,б) — на четырех оболочках. В наи­более сложных атомах радия и урана электроны располагаются на всех семи возможных оболочках. В пределах каждой оболочки элек­троны могут двигаться вокруг ядра только по строго определенным или, как их принято называть, разрешенным орбитам (см. рис. 2).

Согласно еовременным представлениям каждый из имеющихся в атоме электронов стремится занять одну из ближайших к ядру разре­шенных орбит, остальные возможные орбиты пустуют. Электрон, вра­щающийся на самой близкой к ядру орбите, обладает минимальным количеством энергии, а вращающийся на самой удаленной — максимальной энергией (точно так же, как маховик малого диаметра может запасти значительно меньше энергии, чем махо­вик большого диаметра). Переход электрона с одной ор­биты на другую связан с изменением его энергетическо­го уровня.

Электроны, расположен­ные на внешней, самой удаленной от ядра оболочке, называются валентными. Ими определяются способность атомов данного элемента вступать в химические связи между собой и с атомами других элементов, а также электропроводность различных материалов.

Ядро и электроны обладают электрическими зарядами. Прото­ны имеют положительный заряд, электроны — отрицательный. За­ряды протона и электрона равны между собой. Нейтроны не имеют электрического заряда, т. е. являются нейтральными частицами. Между отрицательно заряженными электронами и положительно за­ряженным ядром возникают элетктрические силы, которые удерживают электроны в атоме и заставляют их двигаться вокруг ядра. Эти элек­трические силы определяют и размеры атомов. При очень тесном сбли­жении двух атомов возникают огромные силы отталкивания между их электронами. Они препятствуют дальнейшему сближению и определяют объем, занимаемый атомом; внутрь этого объема не может про­никнуть другой атом.

Ядра атомов являются значительно более устойчивыми системами, чем их электронные оболочки. Объясняется это тем, что между прото­нами и нейтронами действуют огромные силы взаимного притяжения, называемые ядерными силами. Эти силы значительно больше сил взаимного отталкивания между одноименными электрическими зарядами протонов. Поэтому ядра атомов большинства химических элементов разделить на части очень трудно. Существуют, однако, и такие вещества (радий, уран, плутоний и др.), ядра атомов которых постепенно и самопроизвольно распадаются с выделением энергии. Эта энергия уносит­ся в пространство в виде излучений. Такие вещества называются радиоактивными. Энергию, выделяющуюся при самопроизвольных, а также вызванных искусственным путем превращениях ядер атомов, называют атомной, иди ядерной энергией.

Несмотря на то, что все атомы состоят из электрически заряженных частиц, мы не наблюдаем электрических сил притяжения и отталки­вания между окружающими нас телами. Это происходит потому, что общий отрицательный заряд всех электронов в атоме равен положи­тельному заряду ядра, а атом в целом электрически нейтрален. По­этому и тело, состоящее из атомов, не обладает электрическим зарядом и не проявляет электрических свойств.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга не только числом электронов, но и строением ядер. Чем больше электронов в оболочке атома, тем больше должно быть протонов в его ядре. Заряд ядра зависит от числа положительных частиц—протонов. Масса ядра атома зависит от числа протонов и нейтронов.

В природе существует несколько видов атомов, имеющих одина­ковый заряд ядра, но разную массу. Это означает, что атомы таких элементов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Такие атомы получили название изотопов. Радиоактивные изотопы, которые нашли сейчас широкое применение в науке и тех­нике, можно получать искусственным путем в так называемых реак­торах.

Физическая природа электричества. Многие электрические явле­ния и электрические свойства тел можно весьма просто и наглядно объяснить на основе электронной теории. Согласно этой теории атомы при определенных условиях могут терять электроны или приобретать их от соседних атомов. В этом случае они перестают быть нейтраль­ными, так как равновесие их электрических зарядов нарушается. Атомы, потерявшие часть своих электронов, становятся положитель­но заряженными и называются положительными ионами. Атомы, получившие избыточные электроны, становятся отрицательно заряжен­ными и называются отрицательными ионами.

Процесс превращения нейтральных атомов в электрически заряжен­ные частицы — ионы — называют ионизацией. Ионизация может воз­никнуть только при сообщении атому определенного количества энер­гии: в виде тепла, путем бомбардировки его какими-либо частицами, при воздействии внешнего электрического поля и т. д. Наибольшая энергия требуется для освобождения валентных электронов. При сообщении атому сравнительно небольшой энергии валентные элек­троны кратковременно переходят на более удаленную орбиту, а затем перескакивают на прежнюю, более близкую к ядру. Однако при до­статочно большой энергии (энергии ионизации) эти электроны могут совершенно оторваться от ядра и стать свободными.

Если в каком-либо теле накопятся электроны или ионы, то гово­рят, что в теле накопилось электричество. Такое тело становится электрически заряженным и приобретает электрические свойства. Эти свойства есть по сути дела проявление электрических сил, дейст­вующих между электронами и ядрами атомов. Тело, приобретая элек­троны, тем самым получает отрицательный заряд. При потере электро­нов тело приобретает положительный заряд.

Электрические заряды. Количество электричества, содержащееся в заряженном теле, называется электрическим зарядом. Заряды бывают двух знаков: положительные (обозначаются знаком «+») и от­рицательные (обозначаются знаком «—»).

Единицей электрического заряда в физике принято считать за­ряд электрона. В этих единицах измеряют количество электричества, запасенное в атомах разных веществ. Однако заряд электрона очень мал, поэтому им практически неудобно измерять количество элек­тричества, проходящее по проводам или поступающее в различные электрические устройства. В практической электротехнике для изме­рения электрических и магнитных величин принята Международная система единиц (СИ — система интернациональная). В этой системе электрические заряды, т. е. количество электричества, измеряют в кулонах (Кл); 1 Кл больше заряда электрона в 6,29·10¹⁸ раз. Если по проводу прошло 6,29·10¹⁸ электронов, то говорят, что по проводу про­шло количество электричества, равное 1 Кл.

При взаимодействии электрических зарядов (электрически заря­женных тел) между ними возникают электрические силы притяжения или отталкивания. Одноименные заряды создают силы отталкивания, разноименные — силы притяжения (рис. 3).

Date: 2015-11-13; view: 1017; Нарушение авторских прав