Урок 1. Электричество: куда бегут электроны

– В Европе теперь никто на пианино не играет,

играют на электричестве.

–На электричестве играть нельзя – током убьет.

–А они в резиновых перчатках играют…

–Э! В резиновых перчатках можно!

«Мимино»

Странно… Играют на электричестве, а убивает почему-то каким-то там током… Откуда в электричестве ток? И что это за ток? Здравствуйте, уважаемые! Давайте разбираться.



Ну, во-первых, начнём с того, почему это играть на электричестве в резиновых перчатках всё-таки можно, а, например, в железных или свинцовых – нельзя, хотя металлические прочнее? Дело все в том, что резина не проводит электричество, а железо и свинец – проводят, поэтому и током ударит. Стоп-стоп… Мы идем не в ту сторону, давайте, разворачиваемся… Ага… Начинать нужно с того, что все в нашей Вселенной состоит из мельчайших частичек – атомов. Эти частички настолько малы, что, например, человеческий волос по толщине в несколько миллионов раз превосходит размер самого маленького атома водорода. Атом состоит (см. рисунок 1.1) из двух основных частей – положительно заряженного ядра, состоящего в свою очередь из нейтронов и протонов и вращающихся по определенным орбитам вокруг ядра электронов.



Рисунок 1.1 – Строение электрона

Суммарный электрический заряд атома всегда (!) равен нулю, то есть атом электрически нейтрален. Электроны имеют довольно сильную связь с атомным ядром, однако, если приложить некоторую силу и «вырвать» один или несколько электронов из атома (посредством нагревания или трения, например), то атом превратиться в положительно заряженный ион, поскольку величина положительного заряда его ядра будет больше величины отрицательного суммарного заряда оставшихся электронов. И наоборот, – если каким-либо образом добавить к атому один или несколько электронов (но не посредством охлаждения…), то атом превратится в отрицательно заряженный ион.

Электроны, входящие в состав атомов любого элемента,абсолютно идентичны по своим характеристикам: заряду, размеру, массе. Теперь, если посмотреть на внутренний состав любого элемента можно увидеть, что не весь объем элемента занимают атомы. Всегда, в любом материале так же присутствуют как отрицательно заряженные, так и положительно заряженные ионы, причем процесс преобразования «отрицательно заряженный ион–атом–положительно заряженный ион» происходит постоянно. В процессе этого преобразования образуются так называемые свободные электроны – электроны, не связанные ни с одним из атомов или ионом. Оказывается, что различных веществ количество этих свободных электронов разное.

Так же из курса физики известно, что вокруг любого заряженного тела (даже такого ничтожно малого, как электрон) существует так называемое невидимое электрическое поле, основными характеристиками которого являются напряженность и направление. Условно принято, что поле всегда направлено из точки положительного заряда к точке отрицательного заряда. Такое поле возникает, например, при натирании эбонитовой или стеклянной палочки о шерсть, при этом в процессе можно услышать характерный треск, явление которого мы рассмотрим позже. Причем, на стеклянной палочке будет образовываться положительный заряд, а на эбонитовой – отрицательный. Это как раз и будет означать переход свободных электронов одного вещества в другое (со стеклянной палочки в шерсть и из шерсти в эбонитовую палочку). Переход электронов означает изменение заряда. Для оценки этого явления существует специальная физическая величина – количество электричества, названная кулон, причем 1Кл= 6.24•10¹⁸ электронов. Исходя из этого соотношения заряд одного электрона (или его по-другому называют элементарным электрическим зарядом) равен:



Так при чем же здесь все эти электроны и атомы… А вот при чём. Если взять материал с большим содержанием свободных электронов и поместить его в электрическое поле, то все свободные электроны будут двигаться в направлении положительной точки поля, а ионы – поскольку они имеют сильные межатомные (межионные) связи –оставаться внутри материала, хотя по идее они должны двигаться к той точке поля, заряд которой противоположен заряду иона. Это было доказано с помощью простого эксперимента.

Два различных материала (серебро и золото) соединили друг с другом и поместили в электрическое поле на несколько месяцев. Если бы наблюдалось движение ионов между материалами, то в месте контакта должен был бы произойти процесс диффузии и в узкой зоне серебра образоваться золото, а в узкой зоне золота – серебро, но такого не произошло, что и доказало неподвижность «тяжелых» ионов. На рисунке 2.1 показано движение положительной и отрицательной частиц в электрическом поле: отрицательно заряженные электроны движутся против направления поля, а положительно заряженные частицы – по направлению поля. Однако это справедливо только для частиц, не входящих в кристаллическую решетку какого-либо материала и не связанных между собой межатомными связями.



Рисунок 1.2 – Движение точечного заряда в электрическом поле

Движение происходит именно таким образом, потому как одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются: на частицу всегда действуют две силы: сила притяжения и сила отталкивания.

Так вот, именно упорядоченное движение заряженных частиц и называют электрическим током. Существует забавный факт: изначально считалось (до открытия электрона), что электрический ток порождён именно положительными частицами, поэтому направление тока соответствовало движению положительных частиц от «плюса» к «минусу», однако впоследствии обнаружилось обратное, но направление тока решено было оставить прежним, и в современной электротехнике осталась эта традиция. Так что всё на самом деле наоборот!



Рисунок 1.3 – Строение атома

Электрическое поле можно, хоть и характеризуется величиной напряженности, но создается вокруг любого заряженного тела. Например, если всё ту же стеклянную и эбонитовую палочки натереть о шерсть, то вокруг них возникнет электрическое поле. Электрическое поле существует около любого объекта и воздействует на другие объекты, сколь угодно далеко они бы ни располагались.Однако с ростом расстояния между ними напряженность поля уменьшается и её величиной можно пренебречь, так что два человека, стоящие рядом и имеющие некоторый заряд, хоть и создают электрическое поле, и между ними протекает электрический ток, но он настолько мал, что его величину трудно зафиксировать даже специальными приборами.

Так вот, пора бы уже побольше рассказать о том, что это за характеристика – напряженность электрического поля. Начинается всё с того, что в 1785 году французский военный инженер Шарль Огюстен де Кулон, отвлекшись от рисования военных карт, вывел закон, описывающий взаимодействие двух точечных зарядов:



Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Мы не будем углубляться в то, почему это именно так, просто поверим на слово господину Кулону и введём некоторые условия для соблюдения этого закона:

• точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными не пересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;
• их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;
• взаимодействие в вакууме.

Математически закон записывается следующим образом:



где q₁,q₂ – величины взаимодействующих точечных зарядов,

r – расстояние между этими зарядами,

k – некоторый коэффициент, описывающий влияние среды.

На рисунке ниже приведено графическое пояснение закона Кулона.



Рисунок 1.4 – Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона

Таким образом, сила взаимодействия между двумя точечными зарядами возрастает при увеличении этих зарядов и уменьшается при увеличении расстояния между зарядами, причём увеличение расстояния в два раза приводит к уменьшению силы в четыре раза. Однако подобная сила возникает не только между двумя зарядами, но и между зарядом и полем (и опять электрический ток!). Логично было бы предположить, что на различные заряды одно и то же поле оказывает различное влияние. Так вот отношение силы взаимодействия поля и заряда к величине этого заряда и называется напряжённостью электрического поля. При условии, что заряд и поле неподвижны и не изменяют своих характеристик с течением времени.



где F – сила взаимодействия,

q – заряд.

Причём, как говорилось ранее, поле имеет направление, и это возникает именно исходя из того, что сила взаимодействия имеет направление (является векторной величиной: одноимённые заряды притягиваются, разноимённые – отталкиваются).

После того, как я написал этот урок, я попросил моего друга прочитать его, оценить, так скажем. Кроме того, я задал ему один интересный на мой взгляд вопрос как раз по теме этого материала. Каково же было моё удивление, когда он ответил неверно. Попробуйте и Вы ответить на этот вопрос (он помещен в раздел задач в конце урока) и аргументировать свою точку зрения в комментариях.

И последнее: поскольку поле может переместить заряд из одной точки пространства в другую, оно обладает энергией, а, следовательно, может совершать работу. Этот факт пригодится нам в дальнейшем при рассмотрении вопросов работы электрического тока.

На этом первый урок окончен, но у нас так и остался без ответа вопрос, почему же, в резиновых перчатках током не убьет. Оставим его как интригу на следующий урок. Спасибо за внимание, до новых встреч!

• Наличие свободных электронов в веществе является условием для возникновения электрического тока.
• Для возникновения электрического тока необходимо электрическое поле, которое существует только вокруг тел, обладающих зарядом.
• Направление протекания электрического тока обратно направлению движения свободных электронов – ток течёт от «плюса» к «минусу», а электроны наоборот – от «минуса» к «плюсу».
• Заряд электрона равен 1.602•10^-19 Кл
• Закон Кулона: модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Задачка:

• Предположим, что в городе-герое Москве имеется некая розетка, самая такая обычная розетка, которые есть и у Вас дома. Так же предположим, что мы протянули провода из Москвы во Владивосток и подключили во Владивостоке лампочку (опять же, лампа совершенно обычная, такая же освещает сейчас комнату и мне, и Вам). Итого, что мы имеем: лампочка, присоединенная к концам двух проводов во Владивостоке и розетку в Москве. Теперь вставим «московские» провода в розетку. Если мы не будем учитывать массу всяких условий и просто предположим, что лампочка во Владивостоке загорелась, то попробуйте предположить, доберутся ли электроны, которые в данный момент находятся в розетке в Москве в нить накала лампочки во Владивостоке? Что случится, если мы подключим лампочку не к розетке, а к аккумулятору?

← Введение | Содержание | Урок 2: Как пересчитать электроны →