Что такое электричество и как оно возникает

Электроника – это замечательная прикладная и теоретическая наука, которая с каждым днем набирает обороты, распространяется и внедряется во все отрасли. Изучение ее следует начинать с самых общих понятий и физических процессов. Знание которых, в дальнейшем упростит понимание принципов работы различных электронных приборов и устройств. И первое понятие, которое нам нужно усвоить – это, что такое электричество?

Открытие электричества

Впервые свойства электричества были обнаружены более 2,5 тысяч лет назад древним философом Фалесом Милетским, когда он протирал шерстью янтарь.

Внимательный философ заметил, что к уже натертому драгоценному камню притягиваются мелкие предметы. Хотя по логике, сформированной на уровне знаний того времени, все предметы должны были притягиваться к земле, т.е. падать на землю под действием сил притяжения. Однако натертый шерстью янтарь приобретал некоторое загадочное свойство, впоследствии названое зарядом, который создавал силу по величине превосходящую силу земного притяжения. И эта сила получила название «электричество». Так как слово «электрон» с греческого переводится «янтарь», то электричество дословно можно перевести янтаричество.

В те давние времена считалось, что только янтарь обладает неким загадочным свойством, способным после натирания шерстью притягивать легкие предметы, преодолевая силу земного притяжения. Однако сейчас подобный опыт довольно просто повторить, если вместо этого камня взять пластмассовую палочку и потереть ее об одежду, содержащую в своем составе шерсть. Затем, при поднесении натертой палочки к мелким кусочкам бумаги под действием электрических сил кусочки бумаги притянутся к палочке.

Из выше сказанного давайте выделим два важнейших момента:

1. Только после натирания о шерсть пластмассовая палочка приобретает некие свойства.
2. Приобретенные свойства порождают некую силу, под действие которой к палочке притягиваются кусочки бумаги.

Теперь мы четко знаем, на какие вопросы на нужно найти ответ, чтобы понять, что такое электричество.

Давайте рассмотрим физику происходящего процесса. И первым делом, чтобы анализировать, что происходит с веществом (в данном случае с пластмассой и шерстью) нам понадобятся знания о строении любого вещества. Заранее скажем, что в дальнейшем рассказе будем принимать обобщения и упрощения, однако они не исказят суть данной темы.

Строение атома

И так, начнем. Любое вещество, будь то дерево, камень, стекло или вода, состоит из более мелких элементов, которые называются молекулами. Например, капля воды состоит из множества отдельных молекул, имеющих знакомую нам химическую формулу H₂O. Далее молекулу вещества можно разделить еще на более мелкие частицы – атомы.

Одно время считалось, что атом является наименьшей частичкой, существующей в природе и на более мелкие элементы разделить его уже невозможно. Поэтому слово «атом» переводится з древнегреческого «неделимый».

Сейчас известны всего лишь более ста различных атомов, однако они могут образовать миллионы разных молекул и соответственно столько же разных веществ. Например, молекулу воды H₂O образуют два атома водорода H и один кислорода O.

Со временем, проделав множество кропотливых опытов, ученые пришли к выводу о существовании еще гораздо меньших частичек.

Планетарная модель атома

Центральный и наиболее тяжелым элементом атома считается ядро. Вокруг него на некотором расстоянии по разным орбитам перемещаются электроны. Ядро не является цельным элементом, его составляют протоны и нейтроны.

Электроны обладает отрицательным зарядом, а протоны – положительным. Нейтрон не проявляет свойств ни тех, ни других зарядов, т.е. он нейтрален, отсюда и получил свое название.

Для упрощения некоторых процессов применяется планетарная модель атома. По аналогии с Солнцем, вокруг которого по орбитам движутся планеты, в атоме вокруг ядра движутся электроны. Но электрон – это не какая-то плотная частичка, а размазанный в пространстве сгусток энергии, наподобие расплюснутой шаровой молнии.

Масса протона приблизительно в 2000 раз превышает массу электрона. Но суммарный положительный электрический заряд всех протонов равен суммарному отрицательному заряду всех электронов. Поэтому при нормальных условиях (по умолчанию) атом электрически нейтрален и за его пределами не ощущаются никакие силы. Положительные и отрицательные заряды как бы нейтрализуют друг друга.

В периодической системе химических элементов, известной нам, как таблица Менделеева, все атомы расположены в строгой последовательности: от наиболее легкого до наиболее тяжелого – по величине относительной атомной массе, основную долю которой составляют протоны. Нейтроны также имею массу, но о них мы говорить не будем, поскольку они не обладают выраженным электрическим зарядом.

Наиболее легким химическим элементом является водород, поэтому он первый размещен в таблице Менделеева. Атом водород имеет один протон и один электрон. Другие химические элементы содержат несколько протонов в ядре. А вокруг ядра по нескольким орбитам перемещаются электроны. Чем ближе электрон находится к ядру, тем сильнее, с большей силой он притянут к протону. Электроны, расположенные на наиболее отдаленных орбитах, имеют самую слабую электрическую связь с протонами. И если атому придать некоторой энергии из вне, например нагреть его, то под действием избыточной энергии электрон может покинуть свою орбиту, и соответственно свой атом.

Однако он может не только покинуть совой атом, но и занять место на орбите другого атома. Именно те электроны, которые расположены на самых удаленных от ядра орбитах, в электронике имеют практическое применение, поскольку при наличии дополнительной энергии они легко покидают свои орбиты и становятся свободными. А свободный электрон при перемещении уже может выполнять некоторую полезную работу.

Положительный и отрицательный ионы

Как мы уже ранее заметили, по умолчанию атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны и компенсируют другу друга. Но как только хотя-бы один электрон покинет сове место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов преобладает отрицательный заряд всех оставшихся электронов, поэтому такой атом вцелом имеет свойства положительного заряда и называется положительный ион.

Если атом получил дополнительный электрон, то в нем будет преобладать отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.

Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.

Электризация

Процесс получения дополнительного электрона или, наоборот потеря электрона, называется электризация. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, т.е. явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.

Теперь настало время вернуться к нашему опыту с натиранием шерстью пластмассовой палочки. При натирании пластмассы за счет сил трения, электронам, находящимся в атомах шерсти сообщается некоторая энергия, под действие которой они покидают свои атомы и занимают место на орбитах атомов пластмассы. В результате этого пластмассовая палочка приобретает отрицательный заряд за счет избытка электронов, поступивших из шерсти.

При натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.

Таким образом, изменение количества электронов в верхних слоях рассматриваемых материалов во время их трения, называют электризация трением.

Здесь следует заметить, что вследствие трения лишь очень мизерная часть атомов отдает свои электроны. Даже если сказать, что одна миллиардная часть атомов остается без электронов на внешней орбите, то это все еще будет слишком большим преувеличением, поэтому массы наэлектризованных тел остаются практически неизменными.

Также нужно заметить, что в результате электризации электроны ни откуда не возникают и никуда не деваются, а лишь переходят с атомов одного тела к атомам другого тела.

В нашем опыте мы использовали стекло, пластмассу, шерсть, шелк. По этим материалам очень плохо перемещаются электроны, поэтому они относятся к хорошим диэлектрикам – материалам, которые в отличие от проводников, имеют очень плохую проводимость.

В диэлектриках заряд остается на месте его возникновения и не может перейти по поверхности через все тело на другие, соприкасающиеся с ним предметы. Поэтому, когда мы натираем шерстью пластмассовую палочку, то образовавшиеся свободные заряды остаются на своих местах: электроны, покинув шерсть находят новые места на поверхности пластмассовой палочки.

Электризация металла

Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например кусок металла, то при натирании его о диэлектрик, образовавшийся на поверхности металла заряд, мгновенно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Поскольку в отличии от рассматриваемых диэлектриков наше тело обладает относительно хорошей проводимостью и по нему сравнительно легко перемещаются заряды.

Опыт электризации трением не получится оценить и в том случае, когда мы возьмём два металлических предмета даже с хорошо изолированными рукоятками. При взаимном трении металл об металл, как и в предыдущих опытах возникнут свободные электроны. Однако вследствие наличия неизбежной шероховатости поверхностей не получится одновременно по всей поверхности отделить оба металлические предмета, и в последней точке соприкосновения двух поверхностей электроны перетекут через так называемый «мостик» пока их количество снова не станет таким же, как и до натирания.

Статическое электричество

И так, с первым пунктом мы разобрались и теперь знаем, что при натирании рассмотренных предметов, некоторые электроны получают избыточную энергию и покидают атомы одного тело, которое становится положительно заряженным и занимают места на орбитах атомов другого вещества, которое приобретает свойства отрицательного заряда. При этом заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разных знаков – притягиваются. Силы, порождаемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействие называют электричество.

В рассмотренных примерах получают так называемое статическое электричество.

Электрическая сила

Теперь рассмотрим второй пункт нашего опыта. Что же происходит с кусочком бумаги? Почему она притягивается к заряженной пластмассовой палочке?

Сущность физического процесса здесь заключается в следующем. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил происходит перемещение электронов к одному из краев тела. И этот край тела ввиду избытка электронов становится отрицательно заряженным, а противоположный край соответственно положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряженной. Таким образом, заряды смещаются по краям данного тела.

Ближе к поднесенному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палочка заряжена положительно, то к ней притянется бумага, той поверхностью, на которой скопились отрицательные заряды. И наоборот.

Такое воздействие заряженным телом на другие тела, находящиеся на расстоянии, называют индуцированным воздействием.

Перемещение зарядов в проводниках при воздействии на него заряженным телом, происходит под воздействием силы электрического поля, свойства которого мы рассмотрим отдельно.

Здесь же мы еще заметим, что сила, с которой притягиваются либо отталкиваются тела, определяется величиной заряда, расстоянием между телами и средой, в которой находятся заряженные тела. Эта зависимость была установлена известным ученым Кулоном, и получила название закон Кулона.

Подытожим выше сказанное. Что такое электричество? Электричество – это наличие и взаимодействие зарядов разного знака. В дальнейшем вы увидим, что заряды образуются не только путем электризации трением, но и другими способами, например под действием протекания химических реакций. Именно так появляются электричество в батарейке, которую правильно называть гальванический элемент.