ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПОЛЕ

5-1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ

Природа электрического заряда (электричества) долго оставалась неизвестной. Электричество уже нашло много­численные практические применения, но что такое электри­ческий заряд, движение которого образует электрический ток, оставалось неясным. Не есть ли электричество особое вещество или, как говорят химики, особый элемент, такой как медь, кислород и т. п.? Ставился и такой вопрос.

Атомы, электроны, ионы. В Настоящее время на основа­нии многочисленных исследований, оправдавшихся догадок и тонки. х опытов твердо установлено, что в состав всех обычных физических тел входят мельчайшие частицы, об­ладающие электрически. м зарядом. Каждый атом — самая мелкая частица любого элемента (легчайшего газа — водо — 176

к.--"'
рис. 5-1. модель про-
стейшего атома —
атома водорода.
в середине изображено положительное ядро атома (протон). вокруг него движется частица, обладающая отрнцатель.чым зарядом (электрон). заряды протона и электрона отличаются только знаком— по абсолютной ве-личине они одинаковы (как +1 h —1). honpotoh примерно в 1 800 раз тяжелее электрона—он обладает в 1 800 раз большей массой.

Рода, угля, металлов, тяжелого урана и др.) — состоит из ядра, обладающего положительным электрическим заря­дом, и электронов, образующих его оболочку и движущих­ся вокруг ядра (рис. 5-1). Электроны обладают отрица­тельным электрическим зарядом. Общий отрицательный заряд оболочки атома равен положительному заряду ядра: — 1 и +1 в атоме водорода, —6 и +6

В атоме углерода, —29 и +29 в атоме меди и т. п. Здесь за меру элек­трического заряда принят заряд элек­трона.

Благодаря одинаковому количе­ству положительного и отрицательно­го электричества в атоме атом в це­лом кажется не обладающим заря­дом—действие положительного заря­да уравновешивается действием отри­цательного. Целый атом, как говорят, электрически нейтрален —он не поло­жителен и не отрицателен.

Великий русский ученый Д. И. Мен­делеев, исследуя свойства различных элементов, расположил их в опреде­ленном порядке в таблице (знамени­тая таблица Менделеева) и приписал каждому элементу свой порядковый номер (от 1 до 92) [†].

Порядковый номер элемента со­ответствует положительному заряду ядра и числу электро­нов в его оболочке.

Все наблюдаемое многообразие многих миллионов раз­личных веществ, обладающих самы. ми разнообразными свойствами, образуется из различных соединений простых элементов (их около сотни).

В сложных телах атомы различных элементов соеди­няются в группы, называемые молекулами; так, молекула воды состоит из устойчивого соединения двух атомов во­дорода C одним атомом кислорода. Часто и внутри про­стых элементов однородные атомы соединяются в моле­кулы (например, в водороде два атома образуют устойчи­вую молекулу водорода).

Под влиянием различных физико-химических воздей­ствий оболочка атома может терять часть электронов. К оболочке атома могут присоединяться и лишние элек­троны. В обоих случаях общий заряд атома (или образо­ванной ими молекулы) уже не равен нулю, — ато. м (или молекула) перестает быть нейтральным. Такие атомы (или молекулы) называют ионами. Положительный ион—это атом, потерявший один или несколько электронов. Отрица­тельный ион — это атом, к оболочке которого присоедини­лись лишние электроны.

Заметим, что потеря электронов в оболочке легко вос­полняется — освободившееся место легко занимают при­ходящие извне электроны. То же самое можно сказать и о лишних электронах. Потеря или приобретение лишних электронов — ионизация’—не меняет основных свойств атома. Ионизированный атом кислорода или меди остает­ся все же атомом именно кислорода или, соответственно, меди. Напротив, изменение заряда атомного ядра сопря­жено C глубочайшими изменениями всего атома. Такие изменения наблюдаются только при ядерных реакциях, связанных C превращением одного элемента в другой. Обычно такие превращения сопровождаются исключитель­но большими изменениями энергии атома Ч

5-2. ИЗОЛЯТОРЫ И ПРОВОДНИКИ

Электрические свойства различных тел прежде всего определяются тем, насколько свободно в них могут пере­двигаться электрические заряды.

В изолирующих телах (таких, как фарфор, масло, смола, бумага) электрические заряды занимают определенное положение и не могут свободно перемещать­ся. Свободное движение зарядов не может происходить и в газах, если большинство его молекул и атомов находится в нейтральном состоянии. В обычном состоянии газы (в том числе и воздух) являются хорошими изоляторами, так как лишь ничтожное количество его частиц находится в ионизированном состоянии.

В растворах солей, щелочей и кислот (электролиты) атомы соединяются в группы, обладающие положительным

Или отрицательным зарядом (« + » и «—» ионы). Протека­ние тока через такие растворы обусловлено подвижностью ионов и обязательно сопровождается переносом атомов от одного электрода к другому. В металлах электроны мо­гут легко перемещаться между положительными ионами, образующими жесткий костяк тела (кристаллическая ре­щетка из связанных между собой ионов). В какой-то мере свободные электроны внутри металла похожи на жидкость, заполняющую пористое губчатое тело. Протекание тока че­рез металл, обусловленное движением электронов, не со­пряжено C переносо. м атомов; если, например, в цепь тока, образованного медными проводами, вставить кусок про­волоки из другого металла, скажем, из серебра, то сколь бы долго по такой цепи ни проходил ток, атомы меди не войдут в серебряную проволоку и атомы серебра не войдут в медную.

Электроны в медной и серебряной проволоках одинако­вы, поэтому их переход из одной в другую не связан с на­блюдением каких бы то ни было химических изменений.

Заметим здесь, что заряды (электроны и ионы) при протекании даже больших токов движутся сравнительно медленно, — огромная скорость распространения электромагнитного состояиия вдоль прово­дов электрической цепи совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны, а не со скоростью движения заряда в про­водах.

Электролиты и металлы — хорощие проводники, их удельное сопротивление очень мало.

Хорощими проводниками являются и многие газы (в том числе и воздух), но только тогда, когда их атомы (или мо­лекулы) находятся в ионизированном состоянии. В иони­зированном газе электроны, вырванные из а томных оболо­чек, могут свободно передвигаться между положительными ионами (рис. 5-2).

Ионизация газа может быть вызвана разными при­чинами.

Введем внутрь стеклянной трубки, заполненной разре­женным газом, металлические электроды (проволоки, пла­стины) и присоединим их к источнику достаточно высокого напряжения.

Если напряжение постепенно увеличивать, то легко за­метить, что сначала ток в цепи чрезвычайно мал, но как только напряжение достигнет известного предела, ток резко возрастет. Это и значит, что произощла ионизация газа. В тог момент, когда через трубку с газом начал протекать ток, газ в трубке начнет светиться. Трубка зажглась.

Поле ∈>→-

-с—© -*-O

-*-θ ©■*■ ©-»•

Ток

Рис. 5-2. Схематическое
изображение тока з иони-
зированном газе.
Тяжелые положительные ио 1Ы
передвигаются в направлении
силы электрического поля {§ 5 3),
Легкие более подвижные эл^к
троны движутся навстречу Важ-
но обратить внимание на то, что
общий заряд газа при этом мо-
жет быть равен нутю (одинако-
вое копичество отрицательных
H по. южнтельных зарядов}

Свечение газа обусловлено сильной и непрерывной иони­зацией его. Атомы излучают свет, когда электроны отры­ваются от одних атомов и затем соединяются с другими или даже меняют свое положение внутри атомной обо­лочки.

В рассмотренном случае ионизация вызвана электриче­ским напряжением.

Ионизацию газа вызывает и свет. Особенно сильная ионизация наблюдается при освещении газа кварцевой лампой. Еще сильнее ионизи­руют газ рентгеновские лучи. Обычный окружающий нас воз­дух также содержит небольщое число ионизированных атомов.

Испускание электронов метал­лами. Нагретые металлы испус­кают в окружающую их среду свободные электроны. Тепловое испускание электронов походу на испарение нагретой жидкости. При нагревании увеличивается скорость движения частиц, обра­зующих нагреваемое тело. При высокой температуре скорость движения отдельных частиц (в том числе и электронов) на­столько возрастает, что эти ча­стицы, преодолевая сдерживаю­щие силы, вылетают наружу.

Испускание свободных электронов легче всего наблю­дать, когда нагреваемый металл помещен в трубку с отка­чанным из нее воздухом (если испускаемые электроны по­падают в воздух, они быстро теряют подвижность, сталки­ваясь C частицами газа).

Легко произвести такой опыт; возьмем одну из элек­тронных ламп (рис. 5-3) с двумя впаянными в стекло элек­тродами и включим ее в цепь источника последовательно C миллиамперметром (рис. 5-4). Ток в электрической цепи не пойдет до тех пор, пока один из электродов не будет подогрет. Для подогрева предусмотрена специальная про­волочка, нагреваемая током от дополнительного источника. Если нижний электрод — называемый катодом—разогреть, то он начнет испускать электроны. Электроны, свободно пробегая внутри трубки по безвоздущному пространству 180

рис. 5-3. электронная лампа c двумя электродами и с цепью для подогрева. показанная лампа применяется для выпрямления тока. справа — внешний вид лампы, слева—ее электрическая схема.

(в вакууме), переходят от нижнего отрицательного элек­трода к верхнему положительному электроду (к аноду).

Миллиамперметр отклонится, показывая, что в цепи установился электрический ток.

Справа на рис. 5-4 изображена цепь электронной лам­пы, в которой изменена полярность источника. В такой цепи тока не будет — электроны, вылетающие из нижнего электрода (положительного), притягиваются к нему элек-

рис. 5-4. включение в цепь электронной лампы рис. 5-3.,.зов

Через лампу проходит ток, если нижний электрод подогрет и соединен с отрица­тельным полюсом источника При изменении порядка присоединения полюсов чер^з

Лампу ток не проходит, несмотря на то, что напряжение увеличено в 4 раза

Трическими силами. Вылетевшие электроны возвращаются обратно, если накален положительный электрод. Электрон­ная лампа проводит ток только в одно. м направлении (см. § 2-17, а также § 9-1).

Испускание электронов поверхностью металла происхо­дит также при освещении металла светом, — чем сильнее свет, падающий на поверхность металла, тем больше элек­тронов вырывается с его поверхности.

Первое обстоятельное исследование воздействия света на образование свободных электронов (фотоэффекта) было произведено в Москве проф. А. Г. Столетовым в 1888 г. Открытие фотоэффекта нашло себе применение в устройстве фотоэлементов—элементов электрической це­пи, проводимость которых зависит от их освещения.

В настоящее время в электротехнике широко приме­няются электронные и ионные приборы. Мы еще вернемся к рассмотрению некоторых\ из них, а сейчас перейдем к описанию нескольких простых опытов с неподвижными (статическими) зарядами. Эти классические опыты позво­лили установить ряд основных законов.

Рассмотрение этих опытов должно внести ясность в по­нимание важнейших положений науки об электричестве.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *