Страница 2 из 5
Ядро атома, как и электроны, обладает электрическим зарядом. Причиной этому являются протоны, входящие в состав ядра и имеющие такие же по величине электрические заряды, как и электроны. Но протоны, в противоположность электронам, малоподвижны, масса их почти в две тысячи раз больше массы электрона. Частица нейтрон, входящая в ядро атома, не имеет никакого электрического заряда, т. е. она нейтральна.
Таким образом, электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, и протоны, входящие в состав ядра, являются носителями равных по величине электрических зарядов. Установлено, что между электроном и протоном всегда действует сила взаимного притяжения, а между электронами, так же как и между протонами, – сила взаимного отталкивания.
В силу этого различия условились считать, что электрон обладает отрицательным электрическим зарядом, а протон – положительным.
Следовательно, существуют как бы два рода электричества – положительное и отрицательное, о чем люди знали задолго до открытия электрического тока, но правильно объяснить этого не могли.
Наличие в атоме разноименно заряженных частиц приводит к тому, что между положительно заряженным ядром атома и вращающимися вокруг него электронами действуют силы взаимного притяжения, скрепляющие атом в одно целое.
Чем же отличаются один от другого атомы различных веществ? Различие атомов состоит прежде всего в разном количестве протонов и нейтронов в их ядрах, в силу чего неодинаков и положительный заряд ядер атомов различных веществ. Количество вращающихся электронов у атомов различных веществ также неодинаково и определяется величиной положительного заряда ядра. Наконец, у атомов одних веществ электроны прочно связаны с ядром, в то время как у атомов других веществ эта связь значительно слабее.
В атоме любого вещества количество электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов, содержащихся в ядре. Так как электрические заряды электрона и протона равны по величине, то общий (суммарный) отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Эти заряды взаимно уравновешивают друг друга, в результате чего сам атом не имеет электрического заряда, т. е. является нейтральным.
В каждом атоме электроны составляют вокруг ядра оболочку, которую принято называть электронной оболочкой. Ядро атома вместе с окружающей его электронной оболочкой находится в непрерывном колебательном движении.
При движении атомы сталкиваются друг с другом и от них отрешаются (вылетают из электронной оболочки) один или несколько электронов. В этом случае атом перестает быть нейтральным и становится положительно заряженным, так как его положительный заряд стал больше отрицательного. Однако такое нарушение электронной оболочки происходит у атомов только тех веществ, у которых чрезвычайно слаба связь между ядром и электронами. К таким веществам относятся все металлы и уголь, в противоположность другим твердым телам, таким как дерево, стекло, эбонит, у которых связь электронов с ядром атома настолько прочна, что в обычных условиях нарушения электронных оболочек не происходит.
Оторвавшиеся от атомов электроны называются свободными электронами. Свободные электроны, беспорядочно двигаясь в междуатомном пространстве, частично захватываются другими атомами, потерявшими также в результате столкновений свои электроны. Взамен электронов, захваченных атомами, образуются новые свободные электроны.
Такой процесс появления и исчезновения свободных электронов в теле происходит непрерывно. С увеличением температуры тела скорость колебательного движения атомов возрастает, столкновения их между собой учащаются и становятся сильнее, в результате чего количество свободных электронов в теле увеличивается. Однако, несмотря на увеличение количества свободных электронов внутри тела, оно не получает электрического заряда, так как общее (суммарное) количество электронов и протонов в теле не меняется, и тело остается электрически нейтральным.
Если каким-либо образом удалить из тела некоторое количество свободных электронов, то общий (суммарный) положительный заряд его будет больше суммарного отрицательного заряда и, следовательно, тело окажется заряженным положительно. И, наоборот, если телу прибавить некоторое количество электронов, то оно получит отрицательный заряд. При этом как удаление из тела электронов, так и сообщение ему их извне совершенно не изменяет свойств тела, и оно остается точно таким, каким было до сообщения ему заряда.
Итак, если в теле создается недостаток электронов, то оно заряжается положительно, если же избыток – отрицательно, причем, чем больше избыток или недостаток электронов в теле, тем большим электрическим зарядом это тело обладает.
В некоторых телах электрические заряды могут свободно перемещаться между различными частями, в других же это невозможно. В первом случае тела называют проводниками, а во втором – диэлектриками или изоляторами.
Проводниками являются все металлы, водные растворы солей и кислот и др. Примерами изоляторов могут служить янтарь, кварц, эбонит и все газы, находящиеся в нормальных условиях.
Тем не менее нужно отметить, что деление тел на проводники и диэлектрики весьма условно. Все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество.
В самом простом случае электрический ток возникает при соединении проводником наэлектризованного тела с землей. Такого рода ток просуществует недолго, потому что в наэлектризованном теле кончится заряд. Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо постоянно поддерживать разность потенциалов.
Разность потенциалов
Известно, что одно тело можно нагреть больше, а другое меньше. Степень нагрева тела называется его температурой. Подобно этому одно тело можно наэлектризовать больше другого. Степень электризации тела характеризует величину, называемую электрическим потенциалом.
При этом тело, заряженное положительно, обладает положительным потенциалом, а тело, заряженное отрицательно, – отрицательным потенциалом.
Разность уровней электрических зарядов двух тел принято называть разностью электрических потенциалов или просто разностью потенциалов.
Следует иметь в виду, что если два одинаковых тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то между ними также будет существовать разность потенциалов.
Кроме того, разность потенциалов существует между двумя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Так, например, если какое-либо тело, изолированное от земли, имеет некоторый потенциал, то разность потенциалов между ним и землей (потенциал которой принято считать равным нулю) численно равна потенциалу этого тела.
Итак, если два тела заряжены таким образом, что потенциалы их неодинаковы, между ними неизбежно существует разность потенциалов.
Разность потенциалов может возникнуть не только между двумя заряженными телами, но и между различными частями (точками) одного и того же тела.
Так, например, рассмотрим, что произойдет в куске медной проволоки, если под действием какой-либо внешней силы нам удастся свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместить к одному концу ее. Очевидно, на другом конце проволоки получится недостаток электронов, и тогда между концами проволоки возникнет разность потенциалов.
Стоит нам прекратить действие внешней силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к противоположному концу проволоки, заряженному положительно Возникает электрический ток, который будет присутствовать до наступления электрического равновесия.
Электродвижущая сила и напряжение
Для поддержания электрического тока в проводнике необходим какой-то внешний источник энергии, который все время поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника.
Такими источниками энергии служат так называемые источники электрического тока, обладающие определенной электродвижущей силой, которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов на концах проводника.