Файл: Электричество и магнетизм.doc

Глава 1. Электрическая цепь и ее основные законы

1. Основные сведения о строении вещества и физической природе электричества

Электронной теорией строения атома вещества установлено, что все вещества, как простые, так и сложные, состоят из молекул, а молекулы из атомов.

Наименьшая частица вещества, которая сохраняет его свойства, называется молекулой. Молекула — это химическая комбинация двух или более атомов. Атом — это наименьшая частица элемента, которая сохраняет химические характеристики элемента. Химический элемент — составная часть вещества, построенная из одинаковых атомов.

Простые вещества — медь, алюминий, цинк, свинец и др. — состоят из одинаковых атомов данного вещества. Молекулы сложных веществ состоят из нескольких атомов различных химических элементов. Например, поваренная соль (хлористый натрий) состоит из атомов хлора и атомов натрия. Молекулы воды содержат атомы водорода и атомы кислорода.

Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны сгруппированы в центре атома и образуют ядро. Протоны заряжены положительно, нейтроны заряда не имеют. Электроны расположены и вращаются на оболочках на различных расстояниях от ядра.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга. Поскольку существует свыше 100 различных элементов, то существует и свыше 100 различных атомов.

Самым простым атомом является атом водорода: он имеет только один электрон, расположенный на первой электронной оболочке. Атом гелия (рис. 2, а) имеет два электрона, расположенных на первой оболочке (К), атом кислорода (рис. 2, б) — два на первой и шесть на второй (всего восемь, расположенных на оболочках К и L).

Внешняя оболочка называется валентной и количество электронов, которое она содержит, называется валентностью. Чем дальше от ядра валентная оболочка, тем меньшие силы притяжения со стороны ядра испытывает каждый

валентный электрон.

Таким образом, потен-циальная возможность атома терять увеличивается. Именно валентными электронами определяется способность атомов данного элемента вступать в химические связи друг с другом и с атомами других элементов, а также электропроводность различных материалов.

Физическая природа электричества. Многие электрические явления объясняются на основе электронной теории строения атома. Согласно этой теории,

если электроны валентной оболочки получат достаточно энергии от внешних сил, то они могут покинуть атом и стать свободными электронами, произвольно перемещаясь от атома к атому.

В этом случае они перестают быть нейтральными. Атомы, потерявшие часть своих электронов, становятся положительно заряженными ионами. Атомы, получившие избыточные электроны, становятся отрицательно заряженными ионами.

Если в каком-либо теле накопятся электроны или ионы, то говорят, что в теле накопилось электричество. Такое тело становится электрически заряженным и приобретает электрические свойства. Эти свойства есть по сути дела проявление электрических сил, действующих между электронами и ядрами атомов.

Электрические заряды. Количество электричества, содержащееся в заряженном теле, называется электрическим зарядом. Заряды бывают двух знаков: положительные (обозначаются знаком « + ») и отрицательные (обозначаются знаком « — »).

В Международной системе единиц СИ электрические заряды, т. е. количество электричества, измеряют в Кулонах (Кл). Если по проводу прошло 6,29·10¹⁸ электронов, то говорят, что по проводу прошло количество электричества, равное 1 Кл.

При взаимодействии электрических зарядов (электрически заряженных тел) (рис. 2) между ними возникают электрические силы притяжения или отталкивания.

2. Электрическое поле. Напряженность поля, электрический потенциал и напряжение.

В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое

поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает энергией, которая проявляется в виде сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела.

Электрическое поле условно изображают в виде силовых линий, которые направлены в ту сторону, в которую двигалась бы в поле положительно заряженная частица.

Напряженность поля. Электрическое поле действует на внесенный в него заряд q (рис. 4) с некоторой силой F. Следовательно, об интенсивности электрического поля можно судить по значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый электрический заряд. В электротехнике интенсивность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е, под которой понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду q этого тела:

E= F/q

По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т. е. напряженность поля E уменьшается (рис. 3,а,б и в). Только в однородном электрическом поле (рис. 3,г) напряженность одинакова во всех его точках.

Электрический потенциал. Электрическое поле обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу, которая может быть реализована, если внести в него какой-либо заряд. Этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определенную работу. Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля, введено специальное понятие — электрический потенциал. Электрический потенциал φ поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

За нулевой потенциал условно принимают потенциал, который имеет поверхность земли.

Электрическое напряжение.Разные точки электрического поля обладают разными потенциалами. Обычно нас мало интересует абсолютная величина потенциалов отдельных точек электрического поля, важнее знать разность потенциалов φ₁-φ₂ между двумя точками поля А и Б (рис. 5). Разность потенциалов φ₁ и φ₂ двух точек поля характеризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую - точку с меньшим потенциалом и носит название электрического

напряжения. Электрическое напряжение обозначают буквой U.

Единицей электрического напряжения служит Вольт (В).

3. Электрический ток и электропроводность вещества.

В веществе, помещенном в электрическое поле, возникает процесс направленного движения элементарных носителей электричества. Заряженными частицами являются электроны или ионы. Движение этих электрически заряженных частиц называется электрическим током.

Единицей силы тока служит Ампер (А). Это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное 1 Кл. В формулах ток обозначают буквой I.

В электротехнике широко применяют как постоянный, так и переменный ток. Постоянным называют ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются неизменными (рис. 6, а). Токи, значение и направление которых не остаются постоянными, называют изменяющимися, или переменными.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называют электропроводностью. Электропроводность различных веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем их больше, тем больше электропроводность данного вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делят на три группы: проводники, диэлектрики (изолирующие материалы) и полупроводники.

Высокая электропроводность металлов объясняется электронной теорией строения атома, согласно которой атомы металлов имеют такое строение, при котором электроны на последней электронной орбите сравнительно слабо связаны с ядрами атомов. Поэтому они свободно перемещаются между атомами, переходя от одного к другому и заполняя пространство между ними. Эти электроны называются свободными.

Если внести металлический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Таким образом, электрическим током в металлических проводниках называется упорядоченное (направленное) движение свободных электронов.