§1. Основные сведения о строении вещества и физической природе электричества

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 K, L, М, N, O, 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, о) имеет два электрона, расположенных на оболочке К; атом кислорода (рис. 2, б) — восемь электронов, расположенных на оболочках К и L. В атоме алюминия (см. рис. 1, а) электроны располагаются на трех электронных оболочках, в атоме меди (см. рис. 1,6) —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 современным 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.

Рис. I. Схематическое изображение атомов алюминия (а) и меди (б)

Электроны, расположенные на внешней, самой удаленной от ядра оболочке, называются валентными. Ими определяется способность атомов данного элемента вступать в химические связи друг с другом 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. Нейтроны не имеют электрического заряда, т. е. являются нейтральными частицами. Между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженным ядром возникают электрические 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

Рис. 2. Атомы гелия (а) и кислорода (б)

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, или 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.

Рис. 3. Схемы взаимодействия электрических зарядов одноименных (а и б) и разноименных (в)

зации) 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); 1Кл больше заряда электрона в 6,29*10 18 раз. Если по проводу прошло 6,29*10 18 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).