Лишь в прошлом веке стало ясно, что понимание электричества начинается с самой структуры атома. В последующих главах мы обсудим строение атома и идеи, которые привели к современным представлениям об атоме, более подробно. Однако для лучшего понимания электричества будет полезно кратко рассмотреть эту тему уже сейчас.
Упрощенная модель атома представляет его как имеющий крошечное, но массивное положительно заряженное ядро, окруженное одним или несколькими отрицательно заряженными электронами (рис. 16–3).
Ядро содержит протоны, которые заряжены положительно, и нейтроны, которые не имеют электрического заряда. Все протоны и все электроны имеют точно одинаковую величину электрического заряда, но их знаки противоположны. Таким образом, нейтральные атомы, не имеющие суммарного заряда, содержат равное количество протонов и электронов. Иногда атом может потерять один или несколько своих электронов либо приобрести дополнительные электроны; в этом случае он будет иметь суммарный положительный или отрицательный заряд и называться ионом.
В твердых материалах ядра атомов, как правило, остаются близко к фиксированным положениям, тогда как некоторые электроны могут двигаться довольно свободно. Когда объект нейтрален, он содержит равное количество положительного и отрицательного заряда. Зарядка твердого объекта путем трения может быть объяснена переносом электронов с одного объекта на другой. Когда пластмассовая линейка получает отрицательный заряд при трении бумажным полотенцем, электроны переходят с полотенца на пластмассу, оставляя полотенце с положительным зарядом, равным по величине отрицательному заряду, приобретенному пластмассой. В жидкостях и газах, наряду с электронами, могут перемещаться и ядра или ионы.
Обычно, когда объекты заряжаются трением, они сохраняют свой заряд лишь в течение ограниченного времени и в конечном итоге возвращаются в нейтральное состояние. Куда же исчезает заряд? Обычно избыточный заряд «стекает» на молекулы воды в воздухе. Это связано с тем, что молекулы воды являются полярными — то есть, хотя они и нейтральны, их заряд распределен неравномерно (рис. 16–4).
Таким образом, лишние электроны, например, на заряженной пластмассовой линейке, могут «утекать» в воздух, так как они притягиваются к положительному полюсу молекул воды. С другой стороны, положительно заряженный объект может быть нейтрализован за счет передачи слабосвязанных электронов от молекул воды в воздухе.
В сухие дни статическое электричество заметно больше, поскольку в воздухе содержится меньше молекул воды, которые могли бы способствовать утечке заряда. В сырую или дождливую погоду гораздо труднее заставить какой-либо объект долго удерживать суммарный заряд.