В этой статье мы узнаем, что такое электрический заряд и как работает электричество. Чтобы понять электричество, начнем с атома. Всё в нашем мире состоит из атомов: и мы, и все вокруг.
Атомы – это чрезвычайно маленькие частицы, которые мы не можем видеть глазами. Для представления структуры атома часто использовалась упрощенная модель, названная моделью Бора.
В центре атома находится ядро, в котором содержатся нейтроны (без заряда) и протоны (с положительным зарядом). Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.
Зная число нейтронов, протонов и электронов в атоме, можно определить, из какого материала он состоит. Электроны, гораздо легче протонов, движутся с невероятной скоростью вокруг ядра по определенным орбитам или оболочкам. Каждая оболочка может содержать определенное количество электронов: первая - два, вторая - восемь, третья - до 18 и так далее.
Внешняя оболочка атома, известная как валентная, играет ключевую роль в химической активности элемента. Если она полностью заполнена электронами, атом стабилен. Электроны в этой оболочке называются валентными электронами. В некоторых материалах эти электроны свободно перемещаются между атомами. Они известны как свободные электроны.
Насколько легко электроны перемещаются, зависит от материала. Материалы делятся на проводники, такие как металлы, где электроны свободно перемещаются, и изоляторы, например, пластик или стекло, которые удерживают электроны на месте.
Обычно атомы несут нейтральный заряд, что означает равное количество электронов и протонов в их составе. Иными словами, их общий электрический заряд равен нулю. Это наименьший возможный уровень энергии атома, известный как основное состояние. Однако мы можем изменить заряд атома, заставив его принять или отдать электроны. Если атом приобретает электроны, он становится отрицательно заряженным. Если же атом теряет электроны, он становится положительно заряженным. Заряженные атомы называются ионами.
Природа всегда стремится к балансу и нейтральному заряду. На протяжении этого процесса новые заряды не создаются. Общий заряд между объектами остается нулевым. Это демонстрирует закон сохранения электрического заряда, который гласит, что невозможно создать электрический заряд из ничего. Заряд может только перемещаться из одного места в другое. На самом деле, электрический заряд — это ключевая характеристика протонов и электронов.
Заряд обозначается символом q, а его единица измерения — кулон. Объекты могут нести как положительный, так и отрицательный заряд, что означает, что q может принимать оба этих значения. Заряд одного электрона или протона называется элементарным зарядом и обозначается маленькой буквой e. Протоны имеют заряд равный +e, а электроны — −e.
Током называют поток электронов. Если мы рассмотрим, например, кусок медного провода, то увидим, что в нем атомы легко обмениваются электронами. Эти электроны могут перемещаться от одного атома к другому в любом направлении. Создав замкнутую цепь, соединив медный провод с источником питания, таким как батарейка, напряжение заставит электроны двигаться в одном направлении от одного вывода батареи к другому, то есть от отрицательного к положительному. Если добавить к этой цепи лампочку, электроны будут проходить через нее, создавая свет. Электрический ток представляет собой перемещение электронов.
Однако в некоторых контекстах, например, в электролитах или полупроводниках, ток может быть вызван также и движением положительных зарядов.
- Металлические проводники: В металлах, таких как медь или золото, множество электронов находятся в "свободном" состоянии — это значит, что они не привязаны к конкретным атомам и могут двигаться по всему материалу. Когда приложено напряжение, эти свободные электроны начинают двигаться, создавая электрический ток. Это движение электронов является причиной того, что металлы являются хорошими проводниками.
- Электролиты: Электролиты — это вещества, которые в растворенном или расплавленном состоянии проводят ток за счет движения ионов. Например, когда кухонная соль растворяется в воде, она распадается на положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора . Если приложить напряжение к такому раствору, ионы будут двигаться к противоположно заряженным электродам, создавая электрический ток.
- Полупроводники: Полупроводники, такие как кремний или германий, отличаются от металлов тем, что они имеют намного меньше свободных электронов при комнатной температуре. Однако при добавлении примесей или при увеличении температуры количество свободных зарядов может увеличиваться. В полупроводниках может происходить движение как электронов (называемых мажоритарными носителями заряда в n-типе полупроводников), так и "дырок" — мест, которые оставляют электроны, двигаясь из своих мест. Эти "дырки" ведут себя как положительные носители заряда и могут также двигаться, создавая ток (мажоритарные носители в p-типе полупроводников).
Электрический ток представляет собой поток электрического заряда в проводнике за определенный промежуток времени. Символ для обозначения электрического тока — I. Если через провод проходит один кулон заряда в течение одной секунды, это соответствует одному амперу тока. Ампер — это единица измерения электрического тока.
После глубокого погружения в мир электричества становится очевидным, что электрический ток - это не просто "течение" электричества, но сложный процесс, связанный с передачей энергии на уровне атомов. Понимание механизмов, лежащих в основе электрического тока, поможет нам не только лучше понять окружающий мир, но и правильно использовать и уважать силу электричества.
Ваши комментарии и обратная связь по статье крайне ценны для нас. Если у вас возникли вопросы или предложения, пожалуйста, не стесняйтесь делиться ими в комментариях ниже. Наша цель - делать наши материалы максимально информативными и понятными для всех читателей. Благодарим за внимание и интерес к теме!
