ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА 1 глава

· Вещества как простые, так и сложные состоят из молекул, а молекулы — из атомов.

· Простые вещества — медь, алюминий, цинк, свинец и др. — ..образуются из одинаковых атомов данного вещества.

· Это значит, что молекулы меди содержат только атомы меди, .а молекулы алюминия — только атомы алюминия. Молекулы сложных веществ образованы из атомов различных химических элементов. Например, молекулы поваренной соли (хлористого натрия) .состоят из атомов хлора и атомов натрия. Молекулы воды содержат атомы водорода и атомы кислорода и т. д.

· По своим размерам и весу молекулы и атомы очень малы. Диаметр атома наиболее легкого элемента — водорода примерно равен:

· Если бы удалось уложить атомы водорода в один ряд, то на отрезке длиной 1 см их поместилось бы сто миллионов.

· Вес атома меди составляет 10•10^-22 г. В 1 см³ меди содержится 8•10²² атомов, т. е. это число выражается цифрой 8 с 22 нулями.

·
Каждый атом имеет ядро, состоящее из протонов, нейтронов и других частиц. Вокруг ядра движутся по определенным орбитам электроны. Размеры электронов, протонов и других частиц атомов измеряются единицами, во много раз меньшими миллиметра.

· Вес электрона меньше веса протона примерно в 1840 раз.

· В обычном состоянии атомы веществ содержат равное количество электронов и протонов. Так, атом водорода содержит один электрон и один протон, а атом селена имеет 34 электрона и 34 протона. Электроны и протоны являются частицами материи, имеющими электрический заряд.

· Электроны обладают отрицательным, а протоны — положительным электрическим зарядом.

· Число электронов, содержащихся в атомах химических элементов, совпадает с номером каждого элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Заряды электронов и протонов по величине одинаковы.

· Рассмотрим в качестве примера структуру атомов некоторых металлов.

· Схему строения атома алюминия, расположенного в таблице Менделеева под номером 13 (рис. 1), можно представить в виде ядра, в котором имеется 13 протонов. Вокруг ядра на трех электронных оболочках[1] размещены 13 электронов. На первой оболочке (слое) находятся два электрона, на второй — восемь, на третьей, наиболее удаленной от ядра,— три электрона.

· Атом меди содержит 29 электронов и такое же количество протонов. Электроны атомов меди расположены вокруг ядра на четырех оболочках. На первой находятся два электрона, на второй — восемь, на третьей — восемнадцать, на четвертой, наиболее удаленной от ядра, — один электрон. Число электронов, расположенных на наиболее удаленной от ядра оболочке, совпадает с номером группы данного элемента в периодической системе Д. И. Менделеева, а общий отрицательный заряд электронов атома равен положительному заряду протонов, содержащихся в ядре. Равные по величине положительные и отрицательные заряды по отношению к внешней среде электрически уравновешиваются — взаимно нейтрализуются. В результате этого атомы вещества в обычном состоянии электрически нейтральны.

· [1] Электронная оболочка – область, внутри которой движутся электроны.

· §2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯДОВ. ЗАКОН КУЛОНА

· Электрические заряды взаимодействуют между собой, т.е. одноименные заряды взаимно отталкиваются, а разноименные притягиваются. Силы взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона и направлены по прямой линии, соединяющей точки, в которых сосредоточены заряды.

· Согласно закону Кулона, сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональна произведению количеств электричества в этих зарядах, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой находятся заряды:

· где F— сила взаимодействия зарядов, н (ньютон[2]),

· q₁, q₂, — количество электричества каждого заряда, к (кулон[3]),

· r— расстояние между зарядами, м,

· _a— абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (материала) ; эта величина характеризует электрические свойства той среды, в которой находятся взаимодействующие заряды.

· В Международной системе единиц (СИ) _a измеряется в (ф/м). Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды

· где ₀ — электрическая постоянная, равная абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума (пустоты). Она равна 8,86•10^-12 ф/м.

· Величина , показывающая, во сколько раз в данной среде электрические заряды взаимодействуют между собой слабее, чем в вакууме (табл. 1), называется диэлектрической проницаемостью.

· Величина  есть отношение абсолютной диэлектрической проницаемости данного материала к диэлектрической проницаемости вакуума:

· Для вакуума =1. Диэлектрическая проницаемость воздуха практически равна единице.

· Н а основании закона Кулона можно сделать вывод, что большие электрические заряды взаимодействуют сильнее, чем малые. С увеличением расстояния между зарядами сила их взаимодействия значительно слабее. Так, с увеличением расстояния между зарядами в 6 раз уменьшается сила их взаимодействия в 36 раз. При сокращении расстояния между зарядами в 9 раз увеличивается сила их взаимодействия в 81 раз. Взаимодействие зарядов также зависит от материала, находящегося между зарядами.

· Пример. Между электрическими зарядами Q1=2 • 10-6 к и Q2=4, • 10-6 к, расположенными на расстоянии 0,5 м, помещена слюда (=6). Вычислить силу взаимодействия указанных зарядов.

· Решение. Подставляя в формулу значения известных величин, получим:

· Если в вакууме электрические заряды взаимодействуют с силой F_в, то, поместив между этими зарядами, например, фарфор, их взаимодействие можно ослабить в 6,5 раз, т. е. в  раз. Это значит, что сила взаимодействия между зарядами может быть определена как отношение

· Пример. Одноименные электрические заряды взаимодействуют в вакууме с силой F_в =0,25 н. С какой силой будут отталкиваться два заряда, если пространство между ними заполнено бакелитом? Диэлектрическая проницаемость этого материала равна 5.

· Решение. Сила взаимодействия электрических зарядов

· Так как один ньютон 102 г силы, то 0,05 н составляет 5,1 г.

· [2] Один ньютон содержит 102 г силы

· [3] Один кулон содержит 6,3• 10¹⁸ зарядов электрона

· § 3. ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ ТЕЛ

· Известно, что электроны находятся на разном расстоянии от ядра атома. В связи с этим, согласно закону Кулона, взаимодействие положительно заряженных протонов ядра с электронами, расположенными в слое, ближайшем к ядру, значительно сильнее взаимодействия протонов с электронами, находящимися в наиболее удаленном слое.

· Если от атомов того или иного вещества «оторвать» один или несколько таких слабо связанных (свободных) с ядром электронов, то нарушится электрическое равновесие в атомах и вещество будет заряжено положительным электричеством.

· Наоборот, если у атомов вещества количество электронов больше количества протонов, то тело приобретает отрицательный заряд. Атом с отрицательным зарядом называют отрицательным ионом.

· Изменить количество электронов в атомах различных твердых материалов (наэлектризовать тела) можно, например, воздействием световой энергии, нагреванием, использованием химических процессов, деформацией кристаллов.

· Электризация световой энергией. Профессор А. Г. Столетов в 1888 г. установил, что под действием света из таких материалов, как цинк, алюминий, цезий, натрий, свинец, калий и т. п., вылетают электроны и эти материалы заряжаются положительным электричеством. В этом можно убедиться на опыте.

· На стержне электроскопа укрепим полированный диск из цинка. При отсутствии электрического заряда на цинке лепестки электроскопа будут опущены.

· Если на диск направить световой поток (рис. 2, а), лепестки электроскопа оттолкнутся и разойдутся на некоторый угол. Это показывает, что диск электроскопа и листочки, прикрепленные к его стержню, зарядились одноименными электрическими зарядами. По углу отклонения листочков можно судить о величине заряда.

· Рис.2 Приборы, определяющие электризацию тел:

· а - под действием светового потока, б – при нагревании нити.

· в – под действием химической реакции, г – под давлением кристалла

· Явление, при котором под воздействием света из материалов вырываются электроны, называется фотоэффектом. На использовании его основано действие фотоэлементов (см. гл. XIV).

· Электризация нагреванием. При сильном нагревании металлов электроны приобретают такую энергию, что вылетают за пределы нагретого металла. В результате этого металл «теряет» электроны и заряжается положительно.

· Если к металлической пластинке 1, помещенной в вакууме (рис. 2, б), присоединить электроскоп и нагреть нить 2, то лепестки электроскопа, отталкиваясь друг от друга, разойдутся на некоторый угол. Это объясняется тем, что из накаленной нити вылетают электроны. Через пластинку 1 они попадают на электроскоп и заряжают его.

· Явление, при котором из сильно нагретых металлов в окружающую среду вылетают электроны, называется термоэлектронной эмиссией. На использовании этого явления основана работа электронных ламп (см. гл. XIII).

· Электризация при химической реакции. В химических источниках электрической энергии (элементах, аккумуляторах) имеются два полюса: « + » и «—». Положительные и отрицательные заряды в них образуются в результате химических реакций окисления и восстановления, происходящих внутри элементов (рис. 2, в) и аккумуляторов. При окислении атомы вещества отдают электроны. В этом случае атомы и вещество в целом приобретают положительный заряд « + ». При химической реакции восстановления атомы вещества присоединяют к себе электроны и приобретают отрицательный заряд « —».

· Электризация давлением. Материалы, у которых под действием давления возникают электрические заряды, называются пьезоэлектриками[4]. К ним относятся кварц, сегнетовая соль, фосфат аммония и др.

· Если пластинку пьезоэлектрика (рис. 2, г) поместить между двумя электродами и давить на нее с силой F, то одна грань ее электризуется положительным электрическим зарядом, а противоположная — отрицательным.

· При изменении направления действия сил — при растягивающем усилии — знак заряда на пьезоэлектрике изменяется. Это связано с тем, что под действием механической силы электрические заряды атомов вещества смещаются. Чем больше усилие, действующее на пьезоэлектрик, тем сильнее он электризуется. Свойства электризации пьезоэлектрика используются в автоматике и других областях новой техники.

· [4] Пьезо – греческое слово, озночает «давлю»

· § 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

· Пространство, в котором обнаруживается действие каких-либо сил, можно назвать полем этих сил. Пространство, в котором на электрически заряженные частицы и тела воздействует сила, соответственно называется электрическим полем.

· Рис. 3. Условное обозначение электрического поля:

· а — положительного заряда, б — отрицательного заряда, в- двух

· разноименных зарядов

· Электрическое поле неотделимо от заряда, существует вместе с ним и окружает его. Под действием сил электрического поля происходит рассмотренное выше взаимодействие зарядов — их взаимное притяжение и отталкивание.

· Электрическое поле возникает вокруг заряда в любой среде и даже в вакууме.

· Поле всякого заряженного тела складывается из полей, принадлежащих отдельным элементарным зарядам — электронам и протонам.

· Если в электрическое поле поместить пробный положительный заряд, то силы этого поля окажут на него воздействие, стремясь переместить его в определенном направлении.

· Линия, по которой будет перемещаться пробный положительный заряд под действием сил электрического поля, называется силовой линией. Электрическое поле изображается при помощи силовых линий (рис. 3).

· § 5. ПОТЕНЦИАЛ

· Основными величинами, характеризующими каждую точку электрического поля, являются потенциал и напряженность поля.

· При внесении электрического заряда в электрическое поле приходится затрачивать определенную работу на преодоление сил этого поля.

· Величина, определяющая запас энергии (потенциальную энергию) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля, называется потенциалом.

· Потенциал данной точки электрического поля численно равен работе, затрачиваемой на внесение заряда в один кулон из бесконечности в эту точку поля. Эта работа равна потенциальной энергии, которой обладает заряд в один кулон в рассматриваемой точке поля.

· Таким образом,

· Работа А сил электрического поля определяется произведением силы на путь

· А=FS,

· где F— сила, н,

· S — путь, м,

· А — работа, н-м,

· q — количество электричества, к.

· Подставив эти величины в формулу , получим: [][5] = . Поскольку 1н • 1м = 1 дж, то [] = . Единица дж/к называется вольтом (в). Следовательно, потенциал измеряется в вольтах.

· Пример. Определить потенциал точки электрического поля, в которую из бесконечности внесен заряд q= 3 • 10^-6 к, если при этом силами поля совершена работа А =6 • 10^-6 дж.

· Решение. Потенциал точки электрического поля

· В электрическом поле положительного заряда потенциал любой точки положителен, а в поле отрицательного заряда -отрицателен.

· Рис. 4 Разность потенциалов между различными точками электрического поля

· При перемещении заряда в пределах электрического поля (рис. 4) из точки А в точку Б, потенциалы которых соответственно равны А и Б, работа, совершаемая силами поля, будет равна разности потенциальной энергии, которой этот заряд обладает в начальной и конечной точках своего пути, т. е. в точках А и Б.

· Таким образом, работа А заряда выразится формулой

· Разность потенциалов А - Б принято называть напряжением, обозначать буквой U и измерять так же, как потенциал, в вольтах.

· Пример. Пусть в точке А электрического поля потенциал относительно земли А=15 в, в точке Б потенциал Б =10 в, а в точке В потенциал В = -2 в.

· Следовательно, разность потенциалов — напряжение между этими точками:

· Нетрудно понять, что при перемещении заряда из одной точки поля в другие указанные точки совершается различная работа. Это связано с тем, что между этими точками поля разность электрических потенциалов различная. Вычислим работу сил электрического поля, совершаемую при перемещении заряда q = 5 к из точки А в точку Б, из точки Б в точку В:

· Из сказанного следует, что напряжение между двумя точками цоля равно по величине работе, совершаемой под действием сил электрического поля, при перемещении единицы электрического заряда из одной точки поля в другую.

· [5] Знак [] объясняет размерность приведенных величин

· § 6. НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ

· Электрическое поле в каждой своей точке характеризуется напряженностью. Чем больше сила F, с которой электрическое поле действует на заряд q, внесенный в его пределы, тем больше напряженность поля. В различных точках электрического поля напряженность может быть разной.

· Следовательно, напряженность поля

· (5)

· где F— сила действия электрического поля на заряд, н;

· q — величина электрического заряда, к.

· Известно, что работа сил электрического поля равна произведению силы на путь.

· А=FS.

· Из этого выражения следует, что сила

·

· Подставив это выражение в формулу ,получим, что напряженность электрического поля.

· Так как = вольт, то напряженность электрического поля

· (в/м)

· Пример. Вычислим напряженность двух различных электрических полей, действующих на заряд q=0,004 к с силой F₁=0,08 н и F₂=0,012 н.

· Напряженность первого поля

·

· Напряженность второго поля

·

· Не следует путать понятия «напряженность электрического поля» и «напряжение».

· Напряженность электрического поля характеризует поле в какой-либо одной точке посредством силы, действующей на единичный заряд, внесенный в эту точку, а напряжение — это разность потенциалов между двумя точками электрического поля, т. е.

· заряда из одной точки в другую.

· Примером практического использования свойств электрического поля и взаимодействия электрических зарядов может служить окрашивание промышленных изделий в электрическом поле.

· Известно, что для защиты металлических изделий от коррозии наряду с другими способами в промышленности применяют окрашивание готовой продукции.

· За последнее время широкое распространение получило окрашивание изделий в электрическом поле (рис. 5). Отрицательный полюс источника электрической энергии высокого напряжения (100—150 кв) соединяют с электродами 1, вокруг которых возникает электрическое поле.

· Между электродами в электрическом поле перемещаются на конвейере изделия 2. Направление их перемещения показано стрелкой. Конвейер и изделия, укрепленные на нем, имеют положительную полярность.

· Навстречу перемещаемым изделиям из бака 4 с красителем через распылитель 3 поступает под определенным углом распыленная краска. Частицы краски электризуются в электрическом поле отрицательным зарядом, под действием сил поля притягиваются к окрашиваемому изделию, имеющему положительный потенциал, и плотно покрывают его равномерным слоем.

· После окраски изделия поступают в сушильное устройство.

· При окрашивании изделий в электрическом поле подается под небольшим давлением сжатый воздух, который распыляет краситель. Направление распыления частиц краски на поверхность окрашиваемого изделия осуществляется под воздействием электрического поля.

· Окрашивание изделий в электрическом поле по сравнению с обычным методом покраски позволяет значительно повысить производительность окрашивания изделий, экономить красящие материалы на 40—50%, наносить слой краски необходимой толщины. При этом достигается полная автоматизация процесса и исключается необходимость пребывания рабочего в зоне опыления изделия краской, что резко улучшает условия труда.

· § 7. ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТОКЕ

·

· В металлах вокруг ядра каждого атома электроны, движущиеся по внешним, орбитам, слабо связаны с ядром. Часть этих электронов, оторвавшихся от своих ядер, находится в беспорядочном движении. Такие электроны принято называть свободными.

· Действием сил электрического поля можно упорядочить перемещение свободных электронов.

· Движение (дрейф) свободных электронов в определенном направлении называется электрическим током[6]. Г Сила тока определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в секунду. Сила электрического тока измеряется в амперах. Один ампер — это сила тока, при которой через поперечное сечение проводника в секунду проходит один кулон электричества, т. е. 6,3 • 10¹⁸ электронов.

·

· Пример. За время t=300 сек по проводнику прошло 30 к электричества. Определить силу тока в этом проводнике.

· Решение. Сила тока a. Для измерения малой силы тока применяют единицы: миллиампер (ма) и микроампер (мка).

· 1 а=1000 ма, 1 а=1000000 мка.

· Сила тока измеряется приборами: амперметром, миллиамперметром и микроамперметром.

· Условно принято считать, что электрический ток в металлах течет в направлении, противоположном перемещению свободных электронов.

·
·
· [6] Такое определение электрического тока справедливо только для твердых (металлических) проводников

·

· § 8. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

·

· Перемещение электронов в определенном направлении и возникновение электрического тока возможно не во всех материалах. Так, если соединить палочкой из резины, фарфора или стекла два электроскопа, заряженных разноименными электрическими зарядами, то заряды на шарах электроскопов сохраняются и листочки электроскопов не опустятся. Это объясняется тем, что в таких материалах, как, например, фарфор, резина, мрамор, слюда, свободных электронов практически нет, а все имеющиеся электроны прочно связаны с ядром. Поэтому электрические поля зарядов не могут вызвать перемещения электронов в определенном направлении и по таким материалам электрический ток не проходит. Эти материалы называются непроводниками — диэлектриками.

· К диэлектрикам относятся воздух, газы, а также слюда, мрамор, пластмасса, лаки и эмали, электрофарфор, лакоткани, стекловолокно и многие другие материалы.

· Если же эти заряженные электроскопы соединить металлической проволокой, то заряды на шарах электроскопов исчезнут и их листочки опустятся. Это связано с тем, что в металлах много свободных электронов и под действием сил электрического поля происходит перемещение электрических зарядов с шара, имеющего избыток электронов («—»), к шару с недостатком электронов (« + »), и по металлу будет протекать электрический ток.

·

· Материалы, проводящие электрический ток, называются проводниками. К ним относятся металлы, растворы солей, кислот и щелочей, уголь, графит и др.

·

· § 9. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ. КОНДЕНСАТОРЫ

·

· Электрическая емкость проводника или устройства, состоящего из двух проводников, разделенных диэлектриком, характеризует их способность накапливать электрические заряды.

· В технике широко применяют конденсаторы — устройства, которые при сравнительно малых размерах способны накапливать значительные электрические заряды. Они используются в энергетических установках, в устройствах электроники, автоматики и др.

· Плоский конденсатор в простейшем виде состоит из двух металлических пластин-обкладок, разделенных диэлектриком, например воздухом, слюдой, парафинированной бумагой и др.

· В зависимости от вида диэлектрика конденсатор называют бумажным, слюдяным, воздушным и т. д.

· Электрическая емкость конденсатора определяется отношением величины заряда на его пластинах к напряжению между ними. Следовательно, электрическая емкость

·

· Электрическая емкость измеряется в фарадах. Емкость конденсатора равна одной фараде, если увеличение его заряда на один кулон электричества вызывает повышение напряжения между его обкладками на один вольт.

· Фарада — очень крупная единица емкости, которая практически не применяется. Обычно пользуются более мелкими единицами емкости: микрофарадой (мкф) и пикофарадой (пф).

· Фарада содержит миллион микрофарад: 1ф=10⁶ мкф. Микрофарада содержит миллион пикофарад: 1 мкф=10⁶ пф.

· Емкость конденсатора зависит от площади его пластин. При одном и том же напряжении и одинаковом расстоянии между пластинами конденсатор, у которого пластины имеют большую площадь, заряжается большим количеством электричества и в связи с этим обладает большей емкостью, чем такой же конденсатор с тем же диэлектриком, но с пластинами малого размера.

· Емкость конденсатора зависит от расстояния между его пластинами (от толщины диэлектрика). Конденсатор, у которого пластины находятся на большом расстоянии друг от друга, обладает меньшей емкостью, чем такой же конденсатор, пластины которого сближены. Это объясняется тем, что при малом расстоянии между пластинами взаимодействие их разноименных зарядов сильнее, а потому конденсатор накапливает большее количество электричества.

· Емкость конденсатора зависит от свойств материала диэлектрика—от его диэлектрической проницаемости. Например, при равных размерах пластин и равном расстоянии между ними конденсатор, у которого диэлектриком является слюда, имеет примерно в шесть раз большую емкость, чем конденсатор с воздушным диэлектриком. При тех же условиях бумажный конденсатор имеет в 2,2 раза большую емкость, чем воздушный, но меньшую, чем слюдяной.

· I Для вычисления емкости плоского конденсатора, имеющего две пластины, служит формула

·

· где С — емкость конденсатора, пф,

· S — поверхность одной пластины, см²,

· d — расстояние между пластинами, см,

·  — диэлектрическая проницаемость (см. табл. 1),

· 0,09 — постоянный коэффициент, переводящий емкость в пикофарады.

· Пример. Конденсатор имеет две пластины. Площадь каждой пластины составляет 15 см². Между пластинами помещен диэлектрик — пропарафинированная бумага толщиной 0,02 см. Вычислить емкость этого конденсатора.

· Решение. Из табл. 1 следует, что диэлектрическая проницаемость, пропарафинированной бумаги =2,2.

· Емкость конденсатора

·

·

· § 10. ЗАРЯД И РАЗРЯД КОНДЕНСАТОРА

·

· Конденсатор накапливает электрические заряды — заряжается. Накопление зарядов происходит в том случае, если конденсатор подключить к источнику электрической энергии.

<12 3 4 5 6 7 >

Дата добавления: 2021-04-21; просмотров: 325;