Электроны и протоны. Проводимость

Для человека непосвященного электричество ассоциируется с вспышкой молнии или с энергией, питающей телевизор и стиральную машину. Он знает, что электропоезда используют электрическую энергию, и о нашей зависимости от электричества ему напоминают линии электропередач или авария электросети, лишающая его привычного электрического освещения. Однако с электричеством связано немало других повседневных явлений. Бьющееся сердце, бегущий спортсмен, спящий ребенок и плавающая рыба-все вырабатывают электрическую энергию.

Молния появляется вследствие возникновения разности потенциалов либо между соседними облаками, либо между облаком и поверхностью земли. В нижней части облака накапливаются электроны, которые притягиваются положительными ионами участка поверхности земли, расположенного под ним. Когда разность потенциалов возрастает до критического уровня, внезапно образуется лавина электронов (вспышка), нейтрализующая и облако, и поверхность земли.

Электроны и протоны. С точки зрения ученого электричество связано с движением электронов и других заряженных частиц в различных веществах. Поэтому научное понимание природы электричества зависит от уровня знаний об атомах и составляющих их субатомных частицах. Ключом к этому пониманию служит крошечный электрон.

Атомы любого вещества содержат один или более электронов, движущихся по различным орбитам вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Обычно число электронов в атоме равно числу протонов в ядре.

Однако протоны, будучи значительно тяжелее электронов, можно считать как бы закрепленными в центре атома. Этой предельно упрощенной модели атома вполне достаточно, чтобы объяснить основы электричества.

Электроны и протоны обладают одинаковым по величине электрическим зарядом (но разного знака), поэтому они притягиваются друг к другу. Заряд протона является положительным, а электрона-отрицательным. Атом, имеющий электронов больше или меньше, чем обычно, называется ионом. Если в атоме недостаточно электронов, то он называется положительным ионом, если же он содержит избыток электронов, то его называют отрицательным ионом.

Когда электрон покидает атом, тот приобретает некоторый положительный заряд. Электрон, лишенный своей «противоположности»-протона, либо движется к другому атому, либо возвращается к прежнему.

А почему электроны покидают атомы? Это объясняется несколькими причинами. Наиболее общая состоит в том, что под воздействием импульса света или какого-то внешнего электрона движущийся в атоме электрон может быть выбит со своей орбиты. Тепло заставляет атомы колебаться быстрее, так что электроны могут вылететь из своего атома. При химических реакциях электроны также перемещаются от атома к атому.

Хороший пример взаимосвязи химической и электрической активности дают нам мышцы. Мышечные волокна сокращаются при воздействии электрического сигнала, поступающего из нервной системы. Электрический ток стимулирует химические реакции, которые и приводят к сокращению мышцы. Внешние электрические сигналы нередко используются для искусственного стимулирования мышечной активности.

Образованию молнии предшествует появление большого дождевого облака (А), где значительны перепады температур. Внутри облака электроны перемещаются вниз, а положительные ионы-вверх. При этом на лежащем под облаком участке поверхности земли концентрируются положительные ионы. Когда в облаке накапливается достаточно электронов, внезапно происходит пробой воздуха и лавина электронов устремляется к земле (Б) навстречу восходящему потоку положительных ионов (В).

Бенджамин Франклин (17061790) был первым, кто понял истинную природу молнии. Во время грозы он вызывал электрический разряд между концом воздушного змея и поверхностью земли

Проводимость. В некоторых веществах электроны под действием внешнего электрического ПОЛЯ движутся более свободно, чем в других. Говорят, что такие вещества обладают хорошей проводимостью. Их называют проводниками. К ним относятся большинство металлов, нагретые газы и некоторые жидкости. Воздух, резина, масло, полиэтилен и стекло плохо проводят электричество. Их называют диэлектриками и используют для изоляции хороших проводников.

Идеальных изоляторов (абсолютно не проводящих тока) не существует. При определенных условиях электроны можно удалить из любого атома. Однако обычно эти условия столь трудно выполнить, что с практической точки зрения подобные вещества можно считать непроводящими.

Существует группа веществ-полупроводники,-которые ведут себя отчасти как диэлектрики, а отчасти как проводники. К ним, в частности, относятся германий, кремний, окись меди. Благодаря своим свойствам полупроводники находят множество применений. Например, полупроводник может #служить электрическим вентилем: подобно клапану велосипедной шины, он позволяет зарядам двигаться только в одном направлении. Такие устройства называются выпрямителями; они используются и в миниатюрных радиоприемниках, и на больших электростанциях для преобразования переменного тока в постоянный.

Тепло представляет собой хаотическую форму движения молекул или атомов, а температура - мера интенсивности этого движения (у большинства металлов с понижением температуры движение электронов становится более свободным). Это означает, что электрическое сопротивление свободному движению электронов падает с уменьшением температуры, т. е. электрическая проводимость металлов возрастает.

Электрон - основной носитель электричества. Он входит в состав любого атома. На рисунке изображена чрезвычайно упрощенная модель атома лития. Три электрона (красные) движутся вокруг ядра. Ядро состоит из более крупных частиц-протонов (голубые) и нейтронов (серые). Электрон обладает отрицательным элементарным зарядом, а протон- положительным элементарным зарядом. Поэтому заряды трех электронов и трех протонов полностью компенсируют друг друга, и атом в целом электрически нейтрален. В проводниках (к ним относится большинство металлов) внешняя электродвижущая сила (напряжение) заставляет электроны «дрейфовать» от одного атома к другому. Возникающий в результате поток электронов и образует электрический ток. Движение электронов в проводниках возникает потому, что внешние электроны там слабо связаны с ядрами атомов. Наоборот, в диэлектриках электроны связаны с ядрами очень сильно и не могут с легкостью покидать атомы. При некоторых условиях атомы могут терять или присоединять один или более электронов и становиться заряженными ионами, которые также могут служить носителями электрического тока.

Работающее сердце создает слабые электрические импульсы, которые после соответствующего усиления можно наблюдать на экране электронно-лучевого осциллографа. Эти импульсы записывают на специальную бумажную ленту, называемую электро- 9 кардиограммой (1). Запись электрических сигналов мозга дает электроэнцефалограмму (2). Подобные исследования позволяют проводить диагностику состояния этих органов.

Частица высокой энергии, проходя через газ, выбивает электроны из нейтральных атомов (А) и оставляет за собой поток свободных электронов (голубые, Б). Если они обладают достаточной энергией, то сами выбивают электроны из атомов. Это явление используется в счетчике Гейгера (В, Г). Субатомные частицы попадают туда ускоренными и создают большой ток электронов, величина которого зависит от напряжения V между пластинами (Д). Ток регистрируется специальным измерительным прибором или оценивается по шуму, создаваемому им в наушниках. Величина этого тока характеризует радиоактивность источника.

Для получения сверхвысоких напряжений используются генераторы Ван-де-Граафа (Б). Если предмет, содержащий избыток положительных ионов, поместить внутрь контейнера, то на внутренней поверхности контейнера появятся электроны (А), а на внешней-такое же количество положительных ионов. Если теперь коснуться внутренней поверхности контейнера заряженным предметом, то на него перейдут все свободные электроны. На внешней же поверхности контейнера положительные заряды останутся. В генераторе Ван-де-Граафа положительные ионы от источника (1) наносятся на ленту конвейера, проходящего внутри металлической сферы. Лента связана с внутренней поверхностью сферы с помощью проводника в виде гребня (2). Электроны стекают с внутренней поверхности сферы, на внешней же стороне ее появляются положительные ионы (3). Эффект можно усилить, используя два генератора (В).

Сверхпроводимость. В некоторых веществах при очень низких температурах сопротивление потоку электронов исчезает полностью, и электроны, начав движение, продолжают его неограниченно. Это явление называется сверхпроводимостью. При температуре несколько градусов выше абсолютного нуля ( — 273°С) она наблюдается в таких металлах, как олово, свинец, алюминий и ниобий.

6. В быту используются медные провода, покрытые резиной или пластиком (А, В). Для обеспечения огнеустойчивости провода покрывают невоспламеняющимся составом и заключают в медную трубку (Б).

7. Сверхпроводниками могут служить сплавы некоторых металлов (олова, свинца и ниобия) при температурах, близких к абсолютному нулю. Электроны, покинувшие «свои» атомы, продолжают движение через сверхохлажденный проводник, не тормозясь и практически бесконечно. При столь низких температурах атомы металла колеблются очень слабо.