Атомистическая природа электричества Проводники и диэлектрики
Атомы любого вещества состоят из ядра и окружающих его электронов. В ядре сосредоточена основная масса атома и оно имеет положительный заряд, равный общему заряду электронов. Электрон есть частица с незначительной по сравнению с ядром массой, имеющая элементарный, т. е. наименьший встречающийся в природе, отрицательный заряд («атом электричества»). Число электронов в атоме соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.
Согласно предложенной Резерфордом модели электроны под действием сил взаимного притяжения между ними и ядром, подобно планетам, двигаются вокруг ядра по круговым или эллиптическим орбитам и в соответствии с величиной их энергии группируются в несколько слоев или оболочек. Для примера на рис., а приведено схематичное изображение атома натрия, имеющего 11 электронов. На рис. , б показано условное изображение атома с обозначением только электронных оболочек.
Ядро атома имеет диаметр порядка 10-12 см. Диаметр наружной электронной оболочки атомов различных элементов имеет порядок 10-8 см, т. е. превышает размеры ядра в 104 (десять тысяч раз). Между ядром и электронами образуется электрическое поле, которое и занимает основное пространство в атоме.
Согласно современным представлениям планетарная модель атома заменяется волновой моделью. Однако на первых ступенях изучения можно ограничиться планетарной моделью в связи с ее простотой и наглядностью.
Атом в целом электрически нейтрален. Однако электроны, принадлежащие к внешней оболочке атома и имеющие наиболее слабую связь с ядром, при определенных условиях могут отрываться от атома и оставаться в свободном состоянии или присоединяться к другому атому. При этом атомы превращаются в заряженные частицы, называемые ионами: при отрыве электрона — в положительный ион, а при его присоединении — в отрицательный ион.
Таким образом, в веществе носители электрических зарядов могут быть в форме положительных, отрицательных ионов и электронов.
Проводники и диэлектрики
В зависимости от подвижности носителей зарядов все вещества делятся на проводники, полупроводники и непроводники, или диэлектрики. Вещества, в которых носители электрических зарядов могут перемещаться по всей массе вещества, называются проводниками (металлы, водные растворы солей, кислот и оснований и т. д.).
Вещества, в которых нет свободных носителей электрических зарядов, называются непроводниками, или диэлектриками; имеющиеся в таких веществах носители зарядов могут только смещаться в пределах атома или молекулы (чистые и сухие газы, дистиллированная вода, янтарь, слюда, парафин, резина и т. п.).
В настоящее время все большее значение в физике приобретает группа веществ, называемых полупроводниками. В полупроводниках носители зарядов в обычных условиях, особенно при низких температурах, связаны с атомами или молекулами, но легко освобождаются под влиянием некоторых внешних воздействий и, в частности, при нагревании.
Единицы измерения электрических величин
В разделе электричества основной является системе единиц СИ, но довольно широко применяется и физическая система СГ (Гаусса), в которой для измерения электрических величин применяются единицы абсолютной электростатической системы (СГСЭ,) а для магнитных величин — единицы абсолютной электромагнитной системы (СГСМ).
Основной величиной в системе СГС является количество электричества или заряд. При этом абсолютная электростатическая единица заряда определяется, исходя из закона Кулона, как заряд, который действует в вакууме на равный ему заряд, находящийся на расстоянии одного сантиметра, с силой, равной одной дине. Соответственно абсолютная электростатическая единица силы тока определяется как сила тока, при которой через поперечное сечение проводника в 1 сек проходит заряд, равный 1 эл. ст. ед
В системе СИ за основную величину принята сила тока; единица силы тока — ампер определяется по магнитному действию тока. В связи с этим единица заряда в системе СИ — кулон (к) определяется как заряд или количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в течение 1 сек при силе постоянного тока в 1 а; 1 к= 3-109 эл. ст. ед. заряда. Заряд электрона равен 4,8•10-10 эл. ст. ед. заряда или 1,6•10-19 к.
Разность потенциалов или напряжение
Третьей основной величиной в этих системах является разность потенциалов или напряжение. В системе СГС абсолютная электростатическая единица разности потенциалов равняется разности потенциалов между двумя точками электрического поля, при перемещении между которыми одной электростатической единицы заряда совершается работа в один эрг.
В системе СИ единица разности потенциалов или напряжения связывается с мощностью электрического тока. Эта единица — вольт (в) определяется как разность потенциалов между двумя точками линейного проводника, по которому протекает постоянный ток силой в 1 а, если мощность, потребляемая между этими точками, составляет 1 вт.
Вольту дается также такое определение: вольт равен разности потенциалов двух точек электрического поля или электрической цепи, при перемещении между которыми заряда в 1 к совершается работа в 1 дж; 1 в= 1/300 эл. ст. ед
Основные единицы измерения магнитных величин будут даны в соответствующем разделе.
Статья на тему Атомистическая природа электричества