Практически каждый знает, что в природе существуют проводники и диэлектрики. Первые из них проводят электрический ток, вторые нет. От чего зависит это свойство? Ведь практически любой элемент – это атом, состоящий из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Причем и электроны, и протоны, и нейтроны (последние два входят в состав ядра), из которых состоят атомы всех известных на сегодня элементов периодической таблицы, абсолютно одинаковые. Но по одним элементам ток бежит, по другим нет. Сегодня мы постараемся разобраться в этом вопросе.
Атомы и электроны
Итак, атом любого вещества состоит из ядра и электронов, которые вращаются вокруг него. Само ядро, как выяснили советские ученые Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон, имеет в своем составе протоны и нейтроны. Первые имеют положительный заряд, вторые нейтральны. Вокруг ядра вращаются электроны, которые заряжены отрицательно. Количество протонов и электронов в атоме любого элемента – от кислорода до кремния – всегда равно. Сколько в ядре протонов, столько в атоме и электронов. Таким образом, положительный и отрицательный заряды уравновешиваются, а общий заряд атома по отношению к другим частицам вещества равен нулю.
Так чем же отличается один элемент от другого? Количеством протонов и электронов. Именно это и определяет химические и физические свойства вещества или правильнее – элемента.
Ионы
Электроны, как уже отмечалось, постоянно вращаются по нескольким орбитам или, как принято говорить, слоям. В первом слое, расположенном ближе всего к ядру, количество электронов не может превышать двух, во втором – восьми, в третьем – восемнадцати и т.д. Наиболее стабильными и «безразличными» к остальной материи являются атомы, имеющие в своем внешнем слое восемь электронов. Наглядный пример – инертные газы.
Если электронов 7 или 6, то «обделенный» атом старается захватить электроны у других элементов, чтобы довести это число до восьми. «Украв» недостающие электроны, такой атом получает дополнительный отрицательный заряд и превращается в отрицательный ион.
Если во внешнем слое электронов совсем мало, то атом легко их отдает более «наглым» элементам. В результате он получает положительный заряд (точнее, теряет часть отрицательного) и превращается в положительный ион.
Свободные электроны
В некоторых веществах, в основном в металлах, электроны, находящиеся на внешней орбите, очень слабо удерживаются ядром. Благодаря этому они могут свободно «бродить» между атомами в любых направлениях и даже хаотично замещать друг друга. При наличии внешней электрической силы, движение электронов становится упорядоченным.
Предположим, в нашем распоряжении есть две пластины из вещества, имеющего свободные электроны. Зарядим одну положительно (недостаток электронов), а вторую отрицательно (их избыток). Между пластинами появится некоторая разность потенциалов. Если теперь соединить пластины при помощи провода, изготовленного из подобного материала, то электроны с правой пластины устремятся по проводу к левой, стараясь выровнять их заряды.
На заметку. Такое упорядоченное движение электронов мы называем электрическим током, а материалы, способные его проводить, – проводниками. Если же вещество не имеет свободных электронов – все они прочно удерживаются атомами, – то его называют диэлектрик, поскольку такое вещество не проводит электрический ток.
Вот мы и выяснили, почему одни вещества проводят ток, а другие, вроде бы изготовленные из тех же «кирпичиков», являются диэлектриками.