Что такое электричество?.. Определение электричества.. Атомный уровень материи.. Атом - строительный «кирпичик» вещества.. Строительные элементы атома - протоны, нейтроны и электроны.. Свободные электроны.. Ионы.. Электрическое поле.. Электрический ток..
Мы живем в электрическом веке. Невозможно представить нашу жизнь без электричества - оно, буквально, окружает нас: это освещение и тепло в наших домах, наши сотовые телефоны и компьютеры, микроволновки и кондиционеры. Это трамваи и троллейбусы, поезда в метро и электрички. Это навигационные приборы на корабле и в подводной лодке, самолете и космической ракете… Перечислять можно сколь угодно долго...
Даже в природе мы сталкиваемся со всевозможными проявлениями электричества, от молнии в грозу до нервных импульсов в нейронах нашего организма.
Но что такое есть электричество?
Это очень непростой вопрос. Поскольку – если не копать глубже – невозможно получить простой и окончательный ответ, кроме общих абстрактных представлений о том, как электричество проявляется в окружающем мире.
Есть много определений электричества. Вот одно из них:
Электричество есть свойство материи (вещества), обусловленное взаимодействием и движением электрических зарядов.
Определение, которое не лучше и не хуже многих других, зато короткое. Надо сказать, что любые определения электричества будут поверхностными, поскольку не раскрывают базовых понятий. Что такое электрические заряды? Какими свойствами они обладают? Как электрические заряды взаимодействуют? Почему они движутся? Как обнаружить это движение?...
Строительные «кирпичики» вещества
Чтобы получить ответы на эти и многие другие вопросы, мы должны изменить масштаб, перейти с внешнего видимого уровня на внутренний - атомный уровень.
Атом – один из основных строительных «кирпичиков» материи, как и жизни тоже. Атомы существуют в более чем ста различных формах, как химические элементы: водород, углерод, кислород, медь и т. д. Атомы многих видов могут объединяться и создавать молекулы, из которых строятся различные вещества, которые мы можем физически увидеть и потрогать.
Атомы представляют собой крошечные частицы, размером не более 300 пм (это 300 ·10 -12 или 3 ·10 -10 или 0,0000000003 м). Однако даже атом не достаточно мал, чтобы объяснить, как получается электричество. Мы должны нырнуть глубже, на следующий уровень и посмотреть, из каких строительных элементов, в свою очередь, состоит сам атом.
Строительные элементы атома
Атом представляет собой комбинацию из трех различных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Каждый атом имеет центральное ядро, в котором протоны и нейтроны плотно упакованы вместе. Ядро окружает группа орбитальных электронов (рис. 1).
До 30-х годов прошлого века думали, что электроны вращаются на отдельных орбитах вокруг ядра атома, как планеты солнечной системы вокруг Солнца. Дальнейшие исследования показали, что орбиты – не совсем подходящее понятие для описания электронов. Сегодня считается, что электроны существуют, как бы в «облаке», что окружает атомное ядро.
В любой заданный момент электрон имеет некоторую статистическую вероятность нахождения его где-то в «облаке». Это пока все, что можно об этом сказать.
Каждый атом должен иметь, по крайней мере, один протон. Число протонов в атоме определяет, какой химический элемент представляет атом. Например, атом с одним протоном – это атом водорода. Атом с 29 протонами – медь. Атом с 94 протонами – плутоний…
Таким образом, количество протонов в атоме определяет его атомный номер в таблице Менделеева.
Партнеры протона по ядру – нейтроны играют важную роль в стабильности ядра и определяют изотопы атомов. Они не имеют решающего значения для понимания электричества.
Электроны – именно они имеют решающее значение для объяснения электрического тока. Поскольку электроны и протоны – противоположно заряженные частицы (электроны несут отрицательный заряд, а протоны – положительный), то в стабильном состоянии каждый атом предпочитает иметь одинаковое число электронов и протонов. Нейтроны, оправдывая свое название, являются нейтральными, они не имеют заряда. Следовательно, атом в целом электрически нейтрален. В стабильном, уравновешенном состоянии, у атома всегда будет такое же число электронов, как и протонов. Так, ядро с 29 протонами (атом меди) окружено «облаком» из 29 электронов.
Свободные электроны
Вкратце разобравшись со строением атома, мы вплотную подошли к объяснению природы электрического тока в проводниках.
Не все электроны вечно связаны с атомом. Электрон, расположенный на внешней оболочке атома (по причине его слабой связи с ядром) под воздействием внешней силы может покинуть орбиту атома и стать свободным (рис. 2). Появляется атом с отсутствующим электроном, который называется ионом. Из-за отсутствия электрона на внешней оболочке указанный ион становится положительно заряженным.
Этот ион может привлечь на свою внешнюю оболочку другие электроны, которые ранее были отделены от любого другого атома и, следовательно, этот ион снова становится нейтральным атомом. Потом он снова может стать положительно заряженным...
Электроны, которые движутся в проводнике от атома к атому случайным образом, называются свободными электронами. Наличие свободных электронов - вот ключ к пониманию природы электрического тока в проводнике.
Если теперь к проводнику приложить электрическое поле (рис. 3), то свободные электроны начинают дрейфовать в определенном направлении в соответствии с полярностью приложенного напряжения.
Такое направленное (упорядоченное) движение электронов в проводнике под действием электрического поля называется электрическим током.
Какое направление движения тока принимается для расчетов и каково действительное направление движения электронов? Что такое постоянный и переменный ток?... Об этом и многом другом - в следующих уроках.
Похожие статьи: 1. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
2. Направление электрического тока
3. Постоянный и переменный ток
4. Проводники и изоляторы. Полупроводники
5. О скорости распространения электрического тока
6. Электрический ток в жидкостях
7. Проводимость в газах
7. Электрический ток в вакууме
8. О проводимости полупроводников
Мы живем в электрическом веке. Невозможно представить нашу жизнь без электричества - оно, буквально, окружает нас: это освещение и тепло в наших домах, наши сотовые телефоны и компьютеры, микроволновки и кондиционеры. Это трамваи и троллейбусы, поезда в метро и электрички. Это навигационные приборы на корабле и в подводной лодке, самолете и космической ракете… Перечислять можно сколь угодно долго...
Но что такое есть электричество?
Это очень непростой вопрос. Поскольку – если не копать глубже – невозможно получить простой и окончательный ответ, кроме общих абстрактных представлений о том, как электричество проявляется в окружающем мире.
Есть много определений электричества. Вот одно из них:
Электричество есть свойство материи (вещества), обусловленное взаимодействием и движением электрических зарядов.
Определение, которое не лучше и не хуже многих других, зато короткое. Надо сказать, что любые определения электричества будут поверхностными, поскольку не раскрывают базовых понятий. Что такое электрические заряды? Какими свойствами они обладают? Как электрические заряды взаимодействуют? Почему они движутся? Как обнаружить это движение?...
Строительные «кирпичики» вещества
Чтобы получить ответы на эти и многие другие вопросы, мы должны изменить масштаб, перейти с внешнего видимого уровня на внутренний - атомный уровень.
Атом – один из основных строительных «кирпичиков» материи, как и жизни тоже. Атомы существуют в более чем ста различных формах, как химические элементы: водород, углерод, кислород, медь и т. д. Атомы многих видов могут объединяться и создавать молекулы, из которых строятся различные вещества, которые мы можем физически увидеть и потрогать.
Атомы представляют собой крошечные частицы, размером не более 300 пм (это 300 ·10 -12 или 3 ·10 -10 или 0,0000000003 м). Однако даже атом не достаточно мал, чтобы объяснить, как получается электричество. Мы должны нырнуть глубже, на следующий уровень и посмотреть, из каких строительных элементов, в свою очередь, состоит сам атом.
Строительные элементы атома
Атом представляет собой комбинацию из трех различных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Каждый атом имеет центральное ядро, в котором протоны и нейтроны плотно упакованы вместе. Ядро окружает группа орбитальных электронов (рис. 1).
До 30-х годов прошлого века думали, что электроны вращаются на отдельных орбитах вокруг ядра атома, как планеты солнечной системы вокруг Солнца. Дальнейшие исследования показали, что орбиты – не совсем подходящее понятие для описания электронов. Сегодня считается, что электроны существуют, как бы в «облаке», что окружает атомное ядро.
В любой заданный момент электрон имеет некоторую статистическую вероятность нахождения его где-то в «облаке». Это пока все, что можно об этом сказать.
Каждый атом должен иметь, по крайней мере, один протон. Число протонов в атоме определяет, какой химический элемент представляет атом. Например, атом с одним протоном – это атом водорода. Атом с 29 протонами – медь. Атом с 94 протонами – плутоний…
Таким образом, количество протонов в атоме определяет его атомный номер в таблице Менделеева.
Партнеры протона по ядру – нейтроны играют важную роль в стабильности ядра и определяют изотопы атомов. Они не имеют решающего значения для понимания электричества.
Электроны – именно они имеют решающее значение для объяснения электрического тока. Поскольку электроны и протоны – противоположно заряженные частицы (электроны несут отрицательный заряд, а протоны – положительный), то в стабильном состоянии каждый атом предпочитает иметь одинаковое число электронов и протонов. Нейтроны, оправдывая свое название, являются нейтральными, они не имеют заряда. Следовательно, атом в целом электрически нейтрален. В стабильном, уравновешенном состоянии, у атома всегда будет такое же число электронов, как и протонов. Так, ядро с 29 протонами (атом меди) окружено «облаком» из 29 электронов.
Свободные электроны
Не все электроны вечно связаны с атомом. Электрон, расположенный на внешней оболочке атома (по причине его слабой связи с ядром) под воздействием внешней силы может покинуть орбиту атома и стать свободным (рис. 2). Появляется атом с отсутствующим электроном, который называется ионом. Из-за отсутствия электрона на внешней оболочке указанный ион становится положительно заряженным.
Этот ион может привлечь на свою внешнюю оболочку другие электроны, которые ранее были отделены от любого другого атома и, следовательно, этот ион снова становится нейтральным атомом. Потом он снова может стать положительно заряженным...
Электроны, которые движутся в проводнике от атома к атому случайным образом, называются свободными электронами. Наличие свободных электронов - вот ключ к пониманию природы электрического тока в проводнике.
Если теперь к проводнику приложить электрическое поле (рис. 3), то свободные электроны начинают дрейфовать в определенном направлении в соответствии с полярностью приложенного напряжения.
Такое направленное (упорядоченное) движение электронов в проводнике под действием электрического поля называется электрическим током.
Какое направление движения тока принимается для расчетов и каково действительное направление движения электронов? Что такое постоянный и переменный ток?... Об этом и многом другом - в следующих уроках.
Похожие статьи: 1. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
2. Направление электрического тока
3. Постоянный и переменный ток
4. Проводники и изоляторы. Полупроводники
5. О скорости распространения электрического тока
6. Электрический ток в жидкостях
7. Проводимость в газах
7. Электрический ток в вакууме
8. О проводимости полупроводников
Комментариев нет:
Отправить комментарий