Основні відомості про будову речовини і фізичну природу електрики

Наукою встановлено, що всі тіла складаються з окремих дуже малих часток – атомів і молекул. У природі є понад 100 видів атомів, які розрізняються масою і хімічними властивостями. Кожен хімічний елемент – водень, гелій, кисень, вуглець, залізо, мідь, алюміній, золото, радій, уран і пр.- складається з атомів певного виду. Молекули утворені з кількох атомів одного або різних хімічних елементів. Наприклад, молекули води містять атоми водню і атоми кисню, молекули кухонної солі – атоми хлору й атоми натрію і т. Д.

Будова атома вельми складно. Спрощено атом можна представити у вигляді ядра, оточеного оболонкою. Оболонка утворена з постійно рухаються з надзвичайно великою швидкістю найдрібніших частинок – електронів, ядро ??- з протонів і нейтронів. Атоми настільки малі, що їх не можна побачити навіть у найсильніший мікроскоп. В атомах різних хімічних елементів міститься різна кількість протонів, нейтронів і електронів.
Електрони розташовуються навколо ядра Я (рис. 1) декількома шарами (оболонками) на дуже великому в порівнянні зі своїми розмірами відстані. Оболонки позначаються латинськими літерами K, L, M, N, O, Р і Q (у порядку видалення їх від ядра). Найпростішим атомом є атом водню: він має тільки один електрон, розташований на оболонці К. Атом гелію (рис. 2, о) має два електрони, розташованих на оболонці К; атом кисню (рис. 2, б) – вісім електронів, розташованих на оболонках К і L. В атомі алюмінію (див. рис. 1, а) електрони розташовуються на трьох електронних оболонках, в атомі міді (див. рис. 1,6 ) -на чотирьох оболонках. У найбільш складних атомах радію й урану електрони розташовуються на всіх семи можливих оболонках. У межах кожної оболонки електрони можуть рухатися навколо ядра тільки по строго визначеним або, як їх прийнято називати, дозволеним орбітах (див., Рис. 2).
Згідно сучасним уявленням кожен з наявних в атомі електронів прагне зайняти одну з найближчих до ядра дозволених орбіт, інші можливі орбіти пустують. Електрон, що обертається на найближчій до ядру орбіті, володіє мінімальною кількістю енергії, а обертається на найвіддаленішої – максимальною енергією (точно так само, як маховик малого діаметру може запасти значно менше енергії, ніж маховик великого діаметра). Перехід електрона з однієї орбіти на іншу пов’язаний зі зміною його енергетичного рівня.

Електрони, розташовані на зовнішній, найвіддаленішої від ядра оболонці,
називаються валентними. Ними визначається здатність атомів даного елемента вступати в хімічні зв’язки один з одним і з атомами інших елементів, а також електропровідність різних матеріалів.
Ядро і електрони мають електричними зарядами. Протони мають позитивний заряд, електрони – негативний. Заряди протона і електрона рівні. Нейтрони не мають електричного заряду, т. Е. Є нейтральними частинками. Між негативно зарядженими електронами і позитивно зарядженим ядром виникають електричні сили, які утримують електрони в атомі і змушують їх рухатися навколо ядра. Ці електричні сили визначають і розміри атомів. При дуже тісному зближенні двох атомів виникають величезні сили відштовхування між їх електронами. Вони перешкоджають подальшому зближенню і визначають обсяг, займаний атомом; всередину цього обсягу не може проникнути інший атом.

Ядра атомів є значно більш стійкими системами, ніж їхні електронні оболонки. Пояснюється це тим, що між протонами і нейтронами діють величезні сили взаємного тяжіння, звані ядерними силами. Ці сили значно більше сил взаємного відштовхування між однойменними

електричними зарядами протонів, тому ядра атомів більшості хімічних елементів розділити на частини дуже важко. Існують, однак, і такі речовини (радій, уран, плутоній і ін.), Ядра атомів яких поступово і мимовільно розпадаються з виділенням енергії. Ця енергія несеться в простір у вигляді випромінювань. Такі речовини називаються радіоактивними. Енергію, що виділяється при мимовільних, а також викликаних штучним шляхом перетвореннях ядер атомів, називають атомної, або ядерної, енергією.

Незважаючи на те, що всі атоми складаються з електрично заряджених частинок, ми не спостерігаємо електричних сил тяжіння і відштовхування між навколишніми нас тілами. Це відбувається тому, що загальний негативний заряд всіх електронів в атомі дорівнює позитивному заряду ядра, а атом в цілому електрично нейтральний. Тому й тіло, що складається з атомів, не володіє електричним зарядом і не проявляє електричних властивостей.
Атоми різних елементів відрізняються один від одного не тільки числом електронів, але і будовою ядер. Чим більше електронів в оболонці атома, тим більше має бути протонів в його ядрі. Заряд ядра залежить від числа позитивних частинок – протонів. Маса ядра атома залежить від числа протонів і нейтронів.
У природі існує декілька видів атомів, що мають однаковий заряд ядра, але різну масу. Це означає, що атоми таких елементів містять однакове число протонів, але різне число нейтронів. Такі атоми отримали назву ізотопів. Радіоактивні ізотопи, які знайшли зараз широке застосування в науці і техніці, можна отримувати штучним шляхом в так званих реакторах.

Фізична природа електрики. Багато електричні явища і електричні властивості тіл можна досить просто і наочно пояснити на основі електронної теорії. Відповідно до цієї теорії атоми при певних умовах можуть втрачати електрони або купувати їх від сусідніх атомів. У цьому випадку вони перестають бути нейтральними, так як рівновага їх електричних зарядів порушується. Атоми, що втратили частину своїх електронів, стають позитивно зарядженими і називаються позитивними іонами. Атоми, що отримали надлишкові електрони, стають негативно зарядженими і називаються негативними іонами.
Процес перетворення нейтральних атомів в електрично заряджені частинки – іони – називають іонізацією. Іонізація може виникнути тільки при повідомленні атому певної кількості енергії: у вигляді тепла, шляхом бомбардування його будь-якими частками, при впливі зовнішнього електричного поля і т. Д. Найбільша енергія потрібна для звільнення валентних електронів. При повідомленні атому порівняно невеликий енергії валентні електрони короткочасно переходять на більш віддалену орбіту, а потім перескакують на колишню, ближчу до ядра. Однак при досить великої енергії (енергії иони-

Рис. 3. Схеми взаємодії електричних зарядів однойменних (а і б) і різнойменних (в) Рис. 3. Схеми взаємодії електричних зарядів однойменних (а і б) і різнойменних (в)

зації) ці електрони можуть абсолютно відірватися від ядра і стати вільними.
Якщо в якому-небудь тілі нагромадяться електрони або іони, то кажуть, що в тілі накопичилося електрику. Таке тіло стає електрично зарядженою і набуває електричні властивості. Ці властивості є по суті справи прояв електричних сил, що діють між електронами і ядрами атомів. Тіло, набуваючи електрони, тим самим отримує негативний заряд. При втраті електронів тіло здобуває позитивний заряд.

Електричні заряди. Кількість електрики, що міститься в зарядженому тілі, називається електричним зарядом. Заряди бувають двох знаків: позитивні (позначаються знаком «+») і негативні (позначаються знаком «-»).
Одиницею електричного заряду у фізиці прийнято вважати заряд електрона. В цих одиницях вимірюють кількість електрики, запасеної в атомах різних речовин. Однак заряд електрона дуже малий, тому їм практично незручно вимірювати кількість електрики, що проходить по проводах або надходить в різні електричні пристрої. У практичній електротехніці для вимірювання електричних і магнітних величин прийнята Міжнародна система одиниць (СІ – система інтернаціональна). У цій системі електричні заряди, т. Е. Кількість електрики, вимірюють в кулонах (Кл); 1кл більше заряду електрона в 6,29 * 1018 разів. Якщо по дроту пройшло 6,29 * 1018 електронів, то кажуть, що по дроту пройшло кількість електрики, рівне 1 Кл.

При взаємодії електричних зарядів (електрично заряджених тіл) між ними виникають електричні сили тяжіння або відштовхування. Однойменні заряди створюють сили відштовхування, різнойменні – сили тяжіння (рис. 3).

Посилання на основну публікацію