Введение. Краткие теоретические сведения об электрическом заряде и строении атома

Технической основой информатики является электроника. Название электроника берёт своё начало от слова электрон, что в переводе с греческого означает – янтарь. Древние греки подметили свойство янтаря при натирании шерстью притягивать к себе мелкие и лёгкие предметы: пушинки, кусочки пергамента и т.д. Подобным свойством обладают и многие пластмассы. Например: если плоской пластмассовой расчёской причесать сухие хорошо вымытые волосы на голове, то расчёска начинает притягивать к себе кусочки тонкой бумаги, фольги и т.п. Свойство такого притягивания имеет и стекло, натёртое шёлком. Так, если одной рукой удерживать стекло (например: стеклянную полоску или стеклянную крышку от графина), а другой рукой шёлковой тряпочкой натирать стекло, то через несколько секунд стекло будет притягивать мелкие кусочки тонкой бумаги. Многие полимеры (в том числе синтетические ткани, из которых шьют рубашки) обладают таким же свойством, что янтарь и стекло. Появляющаяся способность притягивания является следствием процесса электризации физических тел. Говорят, что при электризации происходит электрический заряд физического тела или его части. Само тело, участвующее в таком процессе, называют наэлектризованным или заряженным. По истечении некоторого времени тело перестаёт быть наэлектризованным. Проявляется это в том, что тело теряет свойство притягивания. Исчезновение наэлектризованности называют электрическим разрядом. Явления заряда и разряда связаны (соседствуют) между собой. Например: в процессе снятия шерстяного свитера, одетого поверх рубашки из синтетики, происходят чередующиеся явления заряда и разряда; в данном случае разряд сопровождается лёгким потрескиванием. Многие из вас были свидетелями и такого события, когда при приближении пальцев руки к металлической ручке двери или к любому другому железному предмету, ощущается электрический щелчок по пальцам. Происходит электрический разряд, означающий, что до этого вы были наэлектризованы, то есть заряжены вследствие трения предметов вашей одежды. Самым известным природным явлением, связанным с электрическим зарядом и разрядом, является молния. Причина её появления заключается в электризации капелек дождя при движении их в толще туч. Покидая тучу, капельки оставляют её наэлектризованной. В результате со временем может произойти гигантский электрический разряд - природное явление, именуемое ленточной молнией. Ленточная молния и электрический щелчок по пальцу имеют одинаковую природу; с точки зрения физики они отличаются только масштабами. Действительно, нередко, снимая с себя в темноте шерстяной свитер и касаясь рукой металлического предмета, можно видеть маленькие молнии, как если бы мы наблюдали из космоса поверхность ночной планеты, в атмосфере которой происходят бурные грозы. По сути, мы создали действующую модель такой атмосферы, хотя причины электризации туч в масштабах атмосферы несколько иные, чем причина электризации нашей одежды. Главная же причина одна – при электризации с поверхности на поверхность переносится часть присутствующих во всех телах чрезвычайно малых частиц - электронов. Эти частицы и являются главными участниками процесса заряда и разряда физических тел, так как каждый электрон является частицей, обладающей свойством минимального электрического заряда. Можно сказать, что процесс заряда и разряда физических тел связан с упорядоченным перемещением большого количества электронов. Где же место электронов в системе мироздания? Мы знаем, что все физические тела окружающего нас мира состоят из атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Ядро атома содержит протоны и нейтроны. Протоны менее подвижны, чем электроны. Только у атома водорода ядро не содержит нейтронов и состоит из одного протона.

Рассмотрим свойство образующих атом частиц, которое в физике определяют понятием электрический заряд. Построим таблицу. При этом будем пользоваться следующими условными обозначениями: символ 0 (ноль) будет обозначать отсутствие, а символ 1 (единица) - присутствие исследуемого свойства.

Н

Частица	Есть ли электрический заряд
Протон	есть	1	+
Нейтрон	нет	0	0
Электрон	есть	1	-

Рис.1

аукой установлено, что электрон и протон обладают свойством минимального по величине электрического заряда. Однако эти заряды, будучи равными по величине, являются противоположными по знаку. В физике заряду протона приписан знак плюс, электрону - знак минус.

Выбор противоположных знаков отображает тот факт, что в окружающем нас мире наиболее распространённым состоянием тел и, следовательно, их атомарной структуры, является электрически нейтральное состояние. Такое состояние может быть в том случае, если сумма положительных зарядов скомпенсирована суммой отрицательных зарядов, то есть алгебраическая сумма зарядов равна 0. Тела, в которых количество электронов и протонов неодинаково, называются наэлектризованными.

На рис. 2 изображены электрически нейтральные атомы двух химических элементов: водорода (в химии обозначается буквой Н) и бора (обозначается буквой В). Заряд электрически нейтрального атома водорода равен нулю (сумма заряда одного электрона и одного протона равна 0, 1-1=0). Это справедливо и для атома бора (5 электронов и 5 протонов, 5-5=0).

Модель атома, изображённая на рис. 2, называется планетарной моделью атома. Её авторы – великие физики Эрнест Резерфорд (1871-1937) и Нильс Бор (1885-1962), в честь которого назван элемент под номером 5 в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1908). Э. Резерфорд и Н. Бор построили планетарную модель атома вовсе не потому, что атом именно так «выглядит». Никому его не удавалось тщательно рассмотреть, так как он слишком мал. Атом во столько раз меньше небольшого яблока, во сколько раз яблоко меньше Земного шара. Модель атома Э. Резерфорда и Н. Бора принята в науке потому, что она позволяет объяснить многие явления, происходящие с атомами. Однако данная модель атома не означает, что электрон маленький, круглый и отрицательно заряженный. Для объяснения физических явлений окружающего мира оказалось удобным выбрать такую (отметим, одну из возможных) моделей представления атома.

Выше мы упомянули периодическую таблицу элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. В ней упорядочены известные науке химические элементы. Наименьшей частицей химического элемента является атом. Из химии нам известно, что химические элементы в процессе своего взаимодействия образуют вещества. Наименьшей частицей вещества, сохраняющей его химические свойства, является молекула. Молекула состоит из атомов элементов, которые входят в состав данного вещества.

Выше, исходя из планетарной модели атома, его электрической нейтральности отмечалось, что наэлектризованными будут такие тела, в которых количество электронов и протонов неодинаково. При этом если число электронов будет превышать число протонов, то атом будем считать отрицательно заряженным; если число электронов будет меньше числа протонов, то атом будем считать положительно заряженным.

Для того, чтобы нам более осязаемо ощутить явления, связанные с электризацией, интуитивно понять правильность выше изложенных теоретических предпосылок и подготовиться к восприятию последующего материала, проделаем следующий эксперимент.

1. Возьмём две толстые книги высотой около 20 сантиметров, могущие стоять торцами на столе.

2. Установим эти книги параллельно друг другу на расстоянии приблизительно 20 сантиметров.

3. Положим между этими книгами школьную линейку.

4. Вырежем из фольги, в которую обёртываются шоколадные плитки, прямоугольник размером приблизительно 4х8 миллиметров.

5. Перегнём прямоугольник пополам по стороне 8 миллиметров.

6. Возьмём иголку с продетой в неё тонкой сухой ниткой длиной около 30 сантиметров.

7. Проткнём иголкой квадратик из фольги в точке, находящейся приблизительно на пересечении диагоналей.

8. Привяжем эту фольгу концом нитки.

9. Другой конец нитки привяжем к линейке посередине расстояния между книгами так, чтобы фольга не касалась стола, а длина нити была 18-20 сантиметров.

10. Положим на стол плоскую пластмассовую расчёску, стекло (его полоску, палочку или крышку от графина и т.п.), шёлковую тряпочку.

11. Предполагая, что на вашей голове чистые сухие волосы, перейдём непосредственно к эксперименту.

12. Расчёской в течение приблизительно 10 секунд причешем волосы и сразу же поднесём расчёску к висящей на ниточке фольге. Обратим внимание, что в момент касания фольга как бы прилипает к расчёске, а затем отталкивается от неё.

13. Вновь в течение 5-7 секунд причешем волосы и поднесём сбоку расчёску к фольге. Фольга будет отталкиваться от расчёски.

14. В течение приблизительно 10 секунд натрём шёлковой тряпочкой стекло. Затем поднесём стекло к фольге. Мы увидим, что фольга устремится (прилипнет) к стеклу, а потом оттолкнётся от него.

15. Вновь в течение 5-7 секунд натрём шёлковой тряпочкой стекло. Затем поднесём стекло к фольге. Мы увидим, что фольга будет от него отталкиваться.

Выполним анализ эксперимента. В пункте 12 в процессе причёсывания мы наэлектризовали расчёску. Такая электризация вызвана некоторым упорядоченным перемещением большого числа электронов, каждый из которых обладает свойством минимального электрического заряда. В результате такого перемещения формируется суммарный электрический заряд. В момент соприкосновения расчёски с фольгой электрический заряд перетекает с расчёски на листик фольги. В пункте 13 мы вновь сообщили расчёске электрический заряд, естественно, того же знака, что был в пункте 12, так как мы не меняли условия эксперимента. Можно сказать, что в момент отталкивания на фольге и на расчёске находились одноимённые (однознаковые) электрические заряды. Если с этих же позиций рассмотреть пункты 14 и 15, то можно сделать следующий вывод: одноимённые заряды отталкиваются.

Выполним анализ эксперимента при переходе от пункта 13 к пункту 14. В пункте 13 мы сообщили фольге электрический заряд от наэлектризованной расчёски, а в пункте 14 мы изменили условие эксперимента и сообщили фольге электрический заряд от наэлектризованного стекла. Естественно объяснить факт притяжения (прилипания) фольги к стеклу тем, что при электризации стекла на нём формируется заряд другого знака, по сравнению со знаком того электрического заряда, который был на фольге до этого. Отсюда вывод: разноимённые заряды притягиваются, как бы стараясь нейтрализовать друг друга. Такой вывод на качественном (интуитивном) уровне позволяет нам согласиться с планетарной моделью атома, то есть понять, почему электроны не убегают от ядра. Но можно поставить и такой вопрос: Почему электроны не падают на ядро, стараясь нейтрализовать его электрический заряд?  Наверное, потому, что в атоме есть центробежные силы, вызванные быстрым вращением электронов вокруг ядра. Аналогия: Земля и её спутник Луна.

Выше на качественном экспериментальном уровне мы установили взаимодействие заряженных тел. Количественную оценку такого взаимодействия сделал французский физик Шарль Кулон (1736-1806). В 1785 году он экспериментально открыл закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел. Согласно этому закону сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

(1)

Здесь коэффициент k в общем случае зависит от выбора единицы измерения электрического заряда и электрических свойств среды, в которой взаимодействуют заряды. Этот закон, как и закон всемирного тяготения называют основным (не выводимым теоретически) законом.

Рассмотрим закон Кулона в векторной форме. Пусть в точке 1 находится заряд +q₁ , а в точке 2 - заряд +q₂. В этом случае на заряд +q₁ со стороны заряда +q₂ будет действовать сила F_1,2 , а на заряд +q₂ со стороны заряда +q₁ будет действовать сила F_2,1 (рис. 3).

Согласно третьему закону Ньютона, гласящему о том, что силы взаимодействия двух тел равны по величине и противоположны по направлению, можно записать

F _1,2 = - F_2,1 .

Обозначим через r_1,2 радиус-вектор, проведённый от заряда +q₂ к заряду +q₁ (рис. 4).

Тогда сила, действующая на заряд +q₁, может быть записана так:

(2)

Если знаки зарядов q₁ и q₂ одинаковы, то направление силы F_1,2 совпадает с направлением вектора r_1,2 . Если знаки зарядов противоположны, то вектор F_1,2 будет направлен в противоположную сторону. Векторная форма удобна тем, что позволяет найти результирующую силу F, действующую на заряд со стороны многих точечных зарядов. Подобная схема взаимодействия зарядов наиболее часто встречается на практике.

А как же количественно измерять сам заряд? Выбрать единицу измерения электрического заряда можно произвольно. Выше мы отмечали, что свойством минимального электрического заряда обладает электрон. Но если измерять величину заряда в электронах, то придётся выражать его огромными числами. Поэтому в международной системе единиц (СИ) за единицу измерения заряда принят кулон (Кл). Это - огромный заряд, который несут приблизительно 6*10¹⁸ электронов. Два таких заряда, находящиеся друг от друга на расстоянии 1 км, отталкивались бы с такой силой, с которой земной шар притягивает груз массой в 1 тонну!