§1. Основні відомості про будову речовини та фізичну природу електрики
Наукою встановлено, що це тіла складаються з окремих дуже малих частинок — атомів і молекул. У природі є понад 100 видів атомів, які різняться масою та хімічними властивостями. Кожен хімічний елемент - водень, гелій, кисень, вуглець, залізо, мідь, алюміній, золото, радій, уран та ін - складається з атомів певного виду. Молекули утворені з кількох атомів одного чи різних хімічних елементів. Наприклад, молекули води містять атоми водню та атоми кисню, молекули кухонної солі — атоми хлору та атоми натрію тощо. Будова атома дуже складна. Спрощено атом можна подати у вигляді ядра, оточеного оболонкою. Оболонка утворена з дрібних частинок, що постійно рухаються з надзвичайно великою швидкістю — 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 та електронів. Електрони розташовуються навколо ядра Я (рис. 1) декількома шарами (оболонками) на дуже великій у порівнянні зі своїми розмірами відстані. Оболонки позначаються латинськими літерами K, L, М, N, O, Р і Q (як видалення від ядра). Найпростішим атомом є атом водню: він має лише один електрон, розташований на оболонці К. Атом гелію (рис. 2, о) має два електрони, розташовані 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 та урану електрони розташовуються на всіх семи можливих оболонках. У межах кожної оболонки електрони можуть рухатися навколо ядра тільки суворопевним або, як їх прийнято називати, дозволеним орбітам (див. рис. 2). Згідно з сучасним уявленням кожен з наявних в атомі електронів прагне зайняти одну з найближчих до ядра дозволених орбіт, інші можливі орбіти порожні. Електрон, що обертається на найближчій до ядра орбіті, має мінімальну кількість енергії, а що обертається на найвіддаленішій — максимальною енергією (так само, як маховик малого діаметра може запасти значно менше енергії, ніж маховик великого діаметра). Перехід електрона з однієї орбіти в іншу пов'язані з зміною його енергетичного рівня.
Мал. I. Схематичне зображення атомів алюмінію (а) та міді (б)
Електрони, розташовані на зовнішній, найвіддаленішій від ядра оболонці, називаються валентними. Ними визначається здатність атомів даного елемента вступати в хімічні зв'язки один з одним та з атомами інших елементів, а також електропровідність різних матеріалів. Ядро і електрони мають електричні заряди. Протони мають позитивний заряд, електрони негативний. Заряди протона та електрона рівні. Нейтрони немає електричного заряду, т. е. є нейтральними частинками. Між негативно зарядженими електронами та позитивно зарядженим ядром виникають електричні сили, які утримують електрони в атомі та змушують їх рухатися навколо ядра. Ці електричні сили визначають розміри атомів. За дуже тісного зближення двох атомів виникають величезні сили відштовхування між їхніми електронами. Вони перешкоджають подальшому зближенню і визначають об'єм атома; всередину цього обсягу неспроможна проникнути інший атом. Ядра атомів є значно стійкішими системами, ніж їх електронні оболонки. Пояснюється це тим, що між протонами танейтронами діють величезні сили взаємного тяжіння, які називають ядерними силами. Ці сили значно більші за сили взаємного відштовхування між однойменними.
Мал. 2. Атоми гелію (а) та кисню (б)
електричні заряди протонів, тому ядра атомів більшості хімічних елементів розділити на частини дуже важко. Існують, однак, і такі речовини (радій, уран, плутоній та ін.), Ядра атомів яких поступово і мимоволі розпадаються з виділенням енергії. Ця енергія уноситься у простір у вигляді випромінювань. Такі речовини називають радіоактивними. Енергію, що виділяється при мимовільних, а також викликаних штучним шляхом перетворення ядер атомів, називають атомною, або ядерною, енергією. Незважаючи на те, що всі атоми складаються з електрично заряджених частинок, ми не спостерігаємо електричних сил тяжіння і відштовхування між оточуючими нас тілами. Це тому, що загальний негативний заряд всіх електронів у атомі дорівнює позитивному заряду ядра, а атом загалом електрично нейтральний. Тому і тіло, що складається з атомів, не має електричного заряду і не виявляє електричних властивостей. Атоми різних елементів відрізняються один від одного не тільки числом електронів, а й будовою ядер. Чим більше електронів в оболонці атома, тим більше має бути протонів у його ядрі. Заряд ядра залежить від кількості позитивних частинок - протонів. Маса ядра атома залежить від кількості протонів та нейтронів. У природі існує кілька видів атомів, що мають однаковий заряд ядра, але різну масу. Це означає, що атоми таких елементів містять однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Такі атоми дістали назву ізотопів. Радіоактивні ізотопи, які знайшли зараз широке застосування в науці та техніці, можна отримуватиштучним шляхом у про реакторах. Фізична природа електрики. Багато електричних явищ і електричних властивостей тіл можна дуже просто і наочно пояснити на основі електронної теорії. Відповідно до цієї теорії атоми за певних умов можуть втрачати електрони або набувати їх від сусідніх атомів. І тут вони перестають бути нейтральними, оскільки рівновага їх електричних зарядів порушується. Атоми, що втратили частину своїх електронів, стають позитивно зарядженими та називаються позитивними іонами. Атоми, отримали надлишкові електрони, стають негативно зарядженими і називаються негативними іонами. Процес перетворення нейтральних атомів на електрично заряджені частинки — іони — називають іонізацією. Іонізація може виникнути тільки при повідомленні атома певної кількості енергії: у вигляді тепла, шляхом бомбардування його будь-якими частинками, вплив зовнішнього електричного поля і т. д. Найбільша енергія потрібна для звільнення валентних електронів. При повідомленні атому порівняно невеликої енергії валентні електрони короткочасно переходять на віддаленішу орбіту, а потім перескакують на колишню, ближчу до ядра. Однак при досить великій енергії (енергії іоні-
Мал. 3. Схеми взаємодії електричних зарядів однойменних (а і б) та різноіменних (в)
ції) ці електрони можуть повністю відірватися від ядра і стати вільними. Якщо в якомусь тілі накопичаться електрони або іони, то кажуть, що в тілі накопичилася електрика. Таке тіло стає електрично зарядженим і набуває електричних властивостей. Ці властивості є по суті прояв електричних сил, що діють між електронами та ядрами атомів. Тіло, купуючи електрони, цим отримуєнегативний заряд. При втраті електронів тіло набуває позитивного заряду. Електричні заряди. Кількість електрики, що міститься у зарядженому тілі, називається електричним зарядом. Заряди бувають двох знаків: позитивні (позначаються знаком "+") та негативні (позначаються знаком "-"). Одиницею електричного заряду у фізиці прийнято вважати заряд електрона. У цих одиницях вимірюють кількість електрики, що запасена в атомах різних речовин. Однак заряд електрона дуже малий, тому їм практично незручно вимірювати кількість електрики, що проходить по дротах або надходить до різних електричних пристроїв. У практичній електротехніці для вимірювання електричних та магнітних величин прийнята Міжнародна система одиниць (СІ - система міжнародна). У цій системі електричні заряди, тобто кількість електрики, вимірюють у кулонах (Кл); 1Кл більше заряду електрона в 6,29 * 10 18 разів. Якщо з проводу пройшло 6,29*10 18 електронів, то кажуть, що з проводу пройшло кількість електрики, що дорівнює 1 Кл. При взаємодії електричних зарядів (електрично заряджених тіл) між ними виникають електричні сили тяжіння чи відштовхування. Однойменні заряди утворюють сили відштовхування, різноїменні — сили тяжіння (рис. 3).