В давние времена было обнаружено интересное и казавшееся странным явление: при трении некоторых веществ друг о друга они приобретали способность притягивать к себе легкие предметы (рис. 1) и давать иногда маленькие искорки. Так как эти явления впервые были обнаружены при натирании янтаря, который на древнегреческом языке назывался электроном, то впоследствии их стали называть электрическими явлениями. Про тело, находящееся в состоянии, при котором наблюдались электрические явления, говорили, что оно заряжено электричеством или что оно приобрело электрический заряд.

Первые исследователи электрических явлений вскоре пришли к выводу, что существуют

два рода электричества; одно из них назвали положительным электричеством и стали обозначать знаком плюс (+), а другое - отрицательным электричеством и стали обозначать знаком минус (-).

Затем было установлено, что электрические заряды взаимодействуют по правилу: одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются, т. е. если тела заряжены электричеством одинакового знака, они отталкиваются один от другого, а если разного - притягиваются (рис. 2). Силы притяжения и отталкивания зарядов, как оказалось, очень быстро уменьшаются с увеличением расстояния. Если, например, расстояние между зарядами увеличивалось в два раза, то сила притяжения или отталкивания уменьшалась в четыре раза. Если расстояние увеличивалось в три раза, то

Рис. 1. Потертая о кожу стеклянная палочка притягивает к себе легкие кусочки бумаги

сила притяжения или отталкивания уменьшалась в девять раз и т. д. В физике этот закон выражается так: сила притяжения и отталкивания зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Позднее было установлено, что по некоторым вешествам заряды могут переходить с одного тела на другое; такие вещества стали называть проводниками электричества, а сам переход - перетекание электрических зарядов-электрическим током.

Еще позднее было выяснено, что электрический ток, протекая по проводнику, нагревает его, заставляет отклоняться магнитную

Рис. 2. Взаимодействие электрических зарядов. Разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются

стрелку, помещенную рядом, взаимодействует с током, протекающим по другому проводнику, и т. д.

Однако, проводя опыты с электричеством, ученые в то же время о самом электричестве, о том, что оно собой представляет, о сущности электрических явлений долгое время ничего не знали.

Лишь постепенно, используя работы М. В. Ломоносова и его последователей, ученые все глубже познавали тайны строения вещества, тайны электричества и находили ответы на многие ранее непонятные вопросы.

Строение вещества

Мир, в котором мы живем, богат и разнообразен. Воздух и вода, железо и алмазы, уголь и нефть, стебель растения и ткань живого организма - все это разнообразие веществ и составляет окружающую нас природу. Большинство веществ имеет сложный состав. Их можно разложить на простые вещества, которые уже никакими химическими способами разложить на более простые нельзя. Такие простые вещества называют химическими элементами.

Всего нам известно около ста химических элементов. К ним относятся некоторые металлы, например железо, медь, алюминий, серебро, ряд газов: азот, кислород, водород и другие, а также так называемые металлоиды: кремний, сера, углерод и пр. Соединяясь в различных пропорциях друг с другом, они образуют все существующие в природе вещества.

Все химические элементы состоят из мельчайших частиц, невидимых даже в сильнейшие микроскопы и называемых атомами. Атом каждого элемента имеет присущее ему одному строение. Различие в строении атомов определяет и различие в свойствах химических элементов.

Мельчайшими частицами сложных веществ являются молекулы.

Молекулы представляют собой группы определенных атомов, имеющие строго постоянное строение. Например, молекула воды (рис. 3) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода; молекула обыкновенной соли состоит из одного атома металла натрия и одного атома хлора и т. д.

Молеиула eodbi

Молекула соли

Рис. 3, Состав некоторых молекул

Иногда встречаются также и молекулы простых веществ. Например, природные газы обычно состоят из молекул, каждая из* которых содержит в себе по два атома элемента этого газа.

Сложные вещества можно химическим путем разложить на составные элементы, и, наоборот, из элементов можно искусственно получить сложные вещества.

Несмотря на то что в молекулах иной раз соединяется очень большое количество атомов (сравнительно несложная молекула сахара состоит из 22 атомов водорода, 12 атомов углерода и 11 атомов кислорода), они все же являются чрезвычайно маленькими частицами, невидимыми, как и атомы, в самые сильные оптические микроскопы.

Молекулы и атомы всех веществ находятся в непрерывном движении. Скорость этого движения характеризует температуру данного тела. Отличие горячего тела от холодного заключается в большей скорости движения его молекул и атомов.

Строение атомов

Атом в переводе на русский язык означает неделимый. Такое название было дано этим частицам материи потому, что долгое время считалось невозможным разделить их на более мелкие составные части.

В конце 19-го века обнаружилось, что эта точка зрения неверна, а впоследствии было твердо установлено, что атом делим и что его строение очень сложное. Было доказано существование еще

более мелких частиц материи, важнейшими из которых являются электроны, протоны и нейтроны.

Изучение этих частиц позволило получить интересные данные об их строении и свойствах. Оказалось, что электроны и протоны обладают электрическими зарядами. Заряды

---их равны по величине, но противоположны по

\ знаку. Заряд электрона относится к тому / электричеству, которое было названо отрица-

/ (Т\ I тельным, а заряд протона - к тому, которое > I было названо положительным. \ / Электрон гораздо легче и подвижнее про-

\ У тона. Его масса меньше массы протона при-

- мерно в 1840 раз.

4 г Поскольку электроны и протоны обладают

cSfe * изображение электрическими зарядами, они подчиняются атома водорода известному закону 0 взаимодействии электрических зарядов: одноименные отталкиваются, т. е. электроны отталкиваются от электронов, протоны от протонов, а разноименные притягиваются, т. е. электроны притягиваются к протонам.

Третья частица, входящая в состав атома,- нейтрон - по своей массе равна протону. Но нейтрон не обладает никаким электрическим зарядом; электрически он нейтрален, отсюда егр название - нейтрон.

Атом в целом, как уже говорилось, имеет очень сложное строение, однако при первом знакомстве с радиотехникой достаточно ограничиться следующим' упрощенным представлением о его строении.

В центре атома находится ядро, состоящее из заряженных частиц- протонов и нейтральных (незаряженных) частиц - нейтронов. Вокруг ядра на сравнительно большом расстоянии, в десятки и сотни тысяч раз превосходящем его размеры, вращаются электроны.

Атомы различных веществ отличаются один от другого составом своего ядра и количеством вращаюи1ихся вокруг него электронов.

Самый простой по устройству атом - это атом водорода. Ядро его состоит из одного протона, вокруг которого вращается один электрон (рис. 4). .

Следующий по сложности атом - атом гелия (рис, 5). Ядро его состоит из двух протонов и двух нейтронов, а вокруг него вращаются два электрона.

Одним из сложнейших по устройству атомов является атом металла урана. В его ядре имеется 92 протона и 146 нейтронов, а вокруг ядра вращается 92 электрона.

Великий русский ученый Д. И. Менделеев расположил все элементы в периодической таблице в порядке возрастания их атомного веса и предсказал существование ряда неизвестных в его время элементов. Как выяснилось в дальнейшем, элементы в этой

таблице оказались расположенными по количеству вращающихся вокруг ядра электронов в последовательный ряд, начиная с водорода и кончая ураном и недавно полученными так называемыми заурановыми элементами.

Так как во всяком атоме количество протонов, обладающих положительным зарядом, всегда равно количеству электронов, обла-дающ,их отрицательным зарядом, то заряды электронов и протонов взаимно уравновещиваются и атом в целом оказывается электрически нейтральным.

л ® А

Рис. 5. Схематическое изображение атомов гелия и лития

Ион

Если при помощи какой-либо внешней силы удалить из атома один или несколько электронов, то электрическое равновесие в атоме нарушится, положительный заряд протонов ядра станет преобладать и атом в целом окажется заряженным положительно.

Может быть и обратное явление. В атом попадает лишний электрон, и тогда атом оказывается Заряженным отрицательно. Такие заряженные атомы, т. е. потерявшие или получившие дополнительно один или несколько электронов, называются ионами.

Точно такие же явления могут происходить не с одним, а с группой атомов, т. е. с каким-либо веществом. Если вещество заряжено отрицательно, значит оно приобрело лишние электроны; если оно заряжено положительно, значит оно потеряло часть своих электронов.

.Не зная сущности происходящих при электрическом заряде явлений, древние ученые пришли к мысли о существовании двух совершенно различных и не связанных друг с другом родов электричества. Одно из них образуется при трении, например, янтаря о шерсть, а другое - стекла о кожу. В действительности же при трении, например, стекла о кожу появляются сразу оба рода электричества, причем вследствие удаления части электронов со стекла оно заряжается положительно а вследствие перехода этих электронов на кожу она заряжается отрицательно.

Атом, электрон и количество электричества

Только в последнее время в электронные микроскопы удалось увидеть наиболее крупные молекулы. Атомы же настолько малы, что их нельзя увидеть даже в самый сильный микроскоп; тем более невозможно увидеть электрон.

Однако ученым все же удалось, не видя ни атомов, ни электронов, узнать кое-какие особенности их строения.

Так, например, ученые установили размеры атомов и даже их ядер. Представление об этих размерах можно получить из следующего примера. Если увеличить атом водорода до размеров футбольного поля, т. е. примерно в миллион миллионов раз, то ядро его будет выглядеть как шарик величиной с маковое зернышко, лежащий в центре поля, а где-то за границами беговой дорожки разместится электронная орбита атома.

Масса атома водорода, самого легкого из всех атомов, составляет 0,000 ООО ООО ООО ООО ООО ООО 001 66 г, а самого тяжелого из есте-ственных атомов-атома урана - 0,000 ООО ООО ООО ООО ООО ООО 392 г.

Чтобы удобнее было читать такие цифры, эти дроби принято писать TaKi

1,66.10-24 2 и 392-10-24 г.

Масса электрона в 1840 раз меньше массы атома водорода и составляет 9-10-28 Насколько мала эта величина, можно представить себе на таком примере: чтобы получить один грамм электронов, их надо взять более 10 штук.

Если бы за пересчет этого количества электронов усадить все население земного шара - свыше двух миллиардов человек-и каждый отсчитывал бы в секунду по миллиону электронов, то при восьмичасовом рабочем дне грамм электронов был бы сосчитан примерно через 50 ООО лет.

Электрический заряд электрона чрезвычайно мал. Многочисленные попытки точнейшими приборами обнаружить еще меньший заряд пока ни к чему не привели. Это заставило ученых считать электрон мельчайшей частицей электричества - атомом электричества.

Практически приходится встречаться сразу с огромным количеством электронов. Например, через обычную горящую пятидесятиваттную электрическую лампочку, включенную в сеть переменного тока напряжением 220 в, каждую секунду проходит 1,43-10 электронов. На практике с такими цифрами обращаться очень неудобно, поэтому для измерения количества электричества была выбрана (еще до открытия электрона) другая, большая единица- кулон (обозначается к), равная 6,3* 10 электронам.

Когда говорят, что данное тело обладает зарядом в 1 кулон положительного электричества, это значит, что в этом теле не хватает 6,3* 10 электронов. Один кулон отрицательного электричества означает, наоборот, избыток указанного количества электронов.

Электрическое поле

Выше уже говорилось, что первым исследованным электрическим явлением было притяжение заряженными телами легких предметов.

Дальнейшие исследования показали, что все электрические заряды - отдельные электроны или протоны или заряженные тела - взаимодействуют один с другим. В зависимости от знаков взаимодействующих зарядов они либо притягиваются (разноименные заряды), либо отталкиваются (одноимеи- , Шложительыый Отрицательный

ные заряды). заряд заряд

Сила этого взаимодей- рдс g, изображение полей одиночных элек-ствия, как известно, из- трических зарядов

меняется обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами. Но, несмотря на ослабление, силы взаимодействия все же существуют и на очень больших расстояниях, причем действуют они без всяких видимых связей между зарядами. Будь между зарядами пустота, силы взаимодействия передадутся и через нее.

Современная наука установила, что наряду с привычной для нас материей в виде всевозможных веществ существует еще особый вид материй в виде полей (электрического, магнитного, силы тяжести). В частности, вокруг электрических зарядов имеется электрическое поле. Характерной особенностью этого поля является механическая сила, действующая-на электрические заряды, находящиеся в данном поле. На рисунках электрическое поле изображают обычно в виде линий со стрелками, показывающими направление, в котором бы двигался под действием сил этого поля свободный положительный заряд. Эти линии часто называют также силовыми линиями.

Линии поля положительного заряда изображаются расходящимися во все стороны в бесконечность (рис. 6), так как от одиночного положительного заряда свободный положительный заряд отталкивался бы как можно дальше. , ,

К одиночному отрицательному заряду свободный положительный заряд притягивался бы, поэтому линии поля отрицательного заряда изображают приходящими из бесконечности и оканчивающимися на-поверхности заряженного тела.

Если имеются два заряда разных знаков, то силовые линии поля начинаются у положительного заряда и оканчиваются у отрицательного (рис. 7). Поле двух одноименных зарядов изображено на рис. 8.

Для обозначения более сильного поля условились гуще рисовать силовые линии. В действительности никаких линий вокруг

зарядов нет. Они лишь условно обозначают направления, по которым действуют силы электрического поля.

Изображение направления действия сил поля можно получить и практически. Если на стекло, положенное на два сильно заряженных тела, насыпать растертый в мелкий порошок кристаллический гипс, то пылинки гипса расположатся стройными цепочками от одного заряженного тела к другому и дадут изображение электрического поля в плоскости. Изображение электрического поля в пространстве можно получить в жидком масле, к которому подмешана манная крупа, погрузив в него заряженные тела.

Рис. 7. Изображение поля двух разноименных зарядов

Рис. 8. Изображение поля двух одноименных зарядов

V Проводники и изоляторы

в различных веществах прочность связи электронов со своими атомами различна. В одних веществах, например во всех металлах, электроны довольно легко покидают свои атомы и беспорядочно движутся от одного атома к другому (рис. 9). В таких телах электроны напоминают рой мошек, кружащихся в воздухе в безветренную погоду. Электроны, слабо связанные со своими атомами и легко покидающие их, называются свободными электронами. Атомы с недостатком электронов - ионы - в твердых телах очень прочно держатся на своих местах, образуя как бы каркас данного тела.

Если в одной точке такого вещества создать избыток, а в другой- недостаток электронов, то свободные электроны, сохраняя беспорядочное движение, начнут всей массой перемещаться в ту сторону, где ощущается их недостаток. Это направленное в одну сторону движение электронов (напоминающее тот же рой мошек, уносимый ветром) называется электрическим током.

Вещества, в которых имеются свободные электроны, способные перемещаться с места на место, называются проводниками электрического тока.

В некоторых веществах, например в фарфоре, слюде, резине, электроны, наоборот, очень прочно связаны со своими, атомами и при обычных условиях не могут их покинуть (рис. 10). В таких веществах электрический ток возникнуть не может, и поэтому они

называются непроводниками, или изоляторами. Хотя в изоляторах в одной точке может быть большой избыток электронов, а по соседству их будет не хватать, все же электроны не могут свободно перемещаться, так как каждый из них прочно привязан к своему атому.

е Ф

Рис. 9. В проводниках часть электронов свободна и непрерывно движется в различных направлениях

Рис. 10. В изоляторах электроны очень прочно связаны со своими атомами

Электрический потенциал

Подобно тому к^к в один и тот же баллон можно накачать и один, и два, и три грамма воздуха (только давление во втором случае повысится в два, а в третьем случае - в три раза по сравнению с первым), на какой-нибудь металлический шарик можно поместить и один, и два, и три миллиарда избыточных электронов. Электронное давление - силы отталкивания электронов друг от друга - во втором случае будет в два а в третьем случае в три раза больше, чем в первом.

Взяв два баллона одинаковых размеров, можно в один из них накачать 5 г, а в другой 15 г воздуха. Ясно, что во втором баллоне давление будет в три раза больше, чем в первом. Если теперь соединить баллоны трубкой, то воздух из второго баллона, где давление больше, начнет переходить в первый, где давление меньше, и переход этот будет продолжаться до тех пор, пока давления в баллонах не сравняются и в каждом баллоне не окажется по 10 г воздуха.

Если взять два одинаковых металлических шарика и на одном из них поместить миллиард, а на другом три миллиарда электронов, то при соединении этих шари-

2 Ю. в. Костыков, л. Н. Ермолаев

Рис. 11. Где электронов больше, там они отталкиваются один от другого сильнее и переходят туда, где их меньше

ков проводником электроны начнут переходить со второго шарика на первый (рис. 11). Этот переход будет продолжаться до тех пор, пока густота электронов, электронное давление на шариках не сравняются и на каждом из них не окажется по два миллиарда электронов.

Это электронное давление , являющееся результатом взаимного отталкивания электронов и зависящее от их плотности (от густоты ), называется электрическим потенциалом, а разность электронных давлений на двух заряженных телах-разностью потенциалов между ними.