Глава 1 Электротехника

1.1 Понятие об электричестве

1.1.1 Строение вещества

Все тела, которые имеются в природе, состоят из мельчайших частичек, называемых молекулами. Молекулы разных веществ воды, железа, кислорода — отличаются друг от друга. Молекулы же одного вещества одинаковы. Они могут существовать отдельно и сохранять химические свойства этого вещества. В свою очередь молекулы состоят из еще более мелких частичек, которые назы­ваются атомами.

Атомом называется мельчайшая химически неделимая час­тица вещества. Так, молекула воды при делении распадается на два атома водорода и один атом кислорода; молекула соляной кис­лоты — на атом водорода и атом хлора. При этом свойства воды и кислоты теряются.

Молекулы различных веществ отличаются чис­лом входящих в них атомов и их видом.

Великий русский ученый Д. И. Менделеев все простые тела, называемые элементами, на основании их свойств расположил в стройную таблицу, состоящую из рядов по восьми элементов в каждом (за исключением первого ряда), и открыл знаменитый периодический закон строения вещества, носящий его имя. На основании этого закона были предсказаны свойства элементов, ко­торые тогда еще были неизвестны. Впоследствии часть этих эле­ментов была открыта, причем предсказания Менделеева полно­стью подтвердились.

Молекулы и атомы располагаются на некотором расстоянии друг от друга и находятся в непрерывном движении. Это движе­ние называют тепловые. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся молекулы и атомы.

Раньше считали, что атом является пределом делимости веще­ства. Слово атом означает неделимый. Однако научные открытия в конце прошлого века показали, что атомы имеют сложное строе­ние. Наглядные, но несколько упрощенные схемы строения неко­торых атомов представлены на рис. 1.1.

Каждый атом состоит из ядра, относительно которого по кру­говым или эллиптическим орбитам непрерывно движутся еще бо­лее мелкие частички, называемые электронами. Каждый электрон характеризуется отрицательным зарядом (q = e= 1,6• 10^-19 Кл), массой (m = 9,l1 • 10^-31 кг) и собственным механическим моментом импульса, называемым спином (S=±¹/₂)

Число вращающиеся вокруг ядра электронов и расположение их зависят от того, в каком месте периодической системы Менде­леева находится тот или другой элемент. Первые три ряда таб­лицы периодической системы элементов Д. И. Менделеева приведены в табл. 1.

Так, например, водород помещается на первом месте первого ряда таблицы, следовательно, вокруг ядра его атома вращается один электрон (рис. 1.1,а); натрий стоит под одиннадцатым но­мером (первое место третьего ряда) таблицы, следовательно, во­круг ядра атома его вращается 11 электронов, расположенных в три слоя: в первом — два, во втором — восемь (по числу элемен­тов в рядах таблицы) и в третьем слое — один электрон (соответ­ственно месту атома в ряду таблицы, т.е. валентности элемента). Кремний стоит на 14-м месте и имеет 14 электронов: два — в пер­вом слое, восемь — во втором и четыре — в третьем.

Строение атомов натрия и кремния показано на рис. 1.1,б и 1.1,в.

Полное число электронов в слое равно числу элементов в ряду периодической системы.

Ядро атома также имеет сложное строение. Оно состоит из по­ложительно заряженных частиц вещества, называемых протонами, и не заряженных электричеством частичек, которые называются нейтронами.

Заряд протона равен заряду электрона по величине, но по зна­ку противоположен. Число протонов в ядре атома равно числу электронов. Поэтому положительный заряд равен сумме отрица­тельных зарядов всех электронов, вращающихся вокруг ядра, и атом в целом нейтрален. Электроны, протоны и нейтроны в атом всех веществ одинаковы. Атомы различных веществ различаются между собой числом протонов и нейтронов в ядре и числом элек­тронов, вращающихся вокруг ядра.

Если атом теряет или приобретает несколько электронов, то он становится электрически заряженным ионом. Нейтральный атом, потерявший электрон, является положительным ионом, а полу­чивший электрон — отрицательным ионом.

Электрически заряженные частицы взаимодействуют между собой. Частицы, несущие разноименные электрические заряды, притягиваются, а несущие одноименные заряды, отталкиваются друг от друга. Ядро атома очень мало. Протоны, входящие в его состав, находятся на очень близких расстояниях. Сила взаимного отталкивания обратно пропорциональна квадрату расстояния ме­жду ними н поэтому очень велика. Однако под действием этих сил ядра не распадаются. Объясняется это тем, что кроме элек­трических в ядре действуют внутриядерные силы притяжения. Они прочно связывают все частицы ядра.

Проблема нарушения ядерных сил и деления ядра атома на­укой и техникой решена. Огромная энергия, выделяющаяся при этом, называется атомной энергией, которая используется как в мирных, так и в военных целях.