Добавить сайт в закладки

Электричество: общие понятия

Электрические явления стали известны человеку сначала в грозной форме молнии - разрядов атмосферного электричества, затем было открыто и исследовано электричество, получаемое посредством трения (например, кожи о стекло и т. д.); наконец, после открытия химических источников тока (гальванических элементов в 1800 г.) возникла и быстро развилась электротехника. В Советском государстве мы являлись свидетелями блестящего расцвета электротехники. Русские ученые немало способствовали такому быстрому прогрессу.

Тем не менее затруднительно дать простой ответ на вопрос: «Что такое электричество? ». Можно сказать, что «электричество есть электрические заряды и связанные с ними электромагнитные поля». Но такой ответ требует обстоятель­ных дальнейших разъяснений: «Что такое электрические заряды и электромагнитные поля?» Постепенно мы покажем, насколько сложно по существу понятие «электричество», хотя очень по­дробно изучены чрезвычайно разнообразные электрические яв­ления, а параллельно с более глубоким их пониманием расширя­лась и область практического применения электричества.

Изобретатели первых электрических машин представляли се­бе электрический ток как движение особой электрической жид­кости в металлических проводах, но для создания электронных ламп необходимо было знать электронную природу электриче­ского тока.

Современное учение об электричестве тесно связано с уче­нием о строении вещества. Мельчайшей частицей вещества, со­храняющей его химические свойства, является молекула (от лат. слова "moles" - масса).

Эта частица очень мала, например, молекула воды имеет диаметр около 3/ 1000 000 000 = 3/10 8 = 3*10 -8 см. и объем 29.7*10 -24.

Чтобы представить себе нагляднее, насколько малы такие молекулы, какое громадное число их помещается в небольшом объеме, осуществим мысленно следующий опыт. Каким-то спо­собом отметим все молекулы в рюмке воды (50 см 3) и выльем эту воду в Черное море. Вообразим, что молекулы, содержав­шиеся в этих 50 см 3 , равномерно распределились во всем об­ширном мировом океане, который занимает 71% площади зем­ного шара; зачерпнем затем из этого океана, хотя бы во Вла­дивостоке, опять рюмку воды. Есть ли вероятность найти в этой рюмке хотя бы одну из меченых нами молекул?

Объем мирового океана огромен. Его поверхность - 361,1 млн.км 2 . Его средняя глубина - 3795 м. Сле­довательно, его объем - 361,1*10 6 *З,795 км 3 , т. е. около 1 370 ООО ООО км 3 = 1,37*10 9 км 3 - 1,37*10 24 см 3 .

Но в 50 см 3 воды содержится 1,69*10 24 молекул. Следова­тельно, после перемешивания в каждом кубическом сантиметре воды океана будет находиться- 1.69/1.37 меченых молекул, и в нашу рюмку во Владивостоке попадет около 66 меченых молекул.

Как ни малы молекулы, но они состоят из еще меньших ча­стиц - атомов.

Атом есть наименьшая часть химического элемента, явля­ющаяся носителем его химических свойств. Под химическим эле­ментом принято понимать вещество, состоящее из одинаковых атомов. Молекулы могут образовывать одинаковые атомы (на­пример, молекула газа водорода Н 2 состоит из двух атомов) или различные атомы (молекула воды Н 2 0 состоит из двух атомов водорода Н 2 и атома кислорода О). В последнем случае при делении молекул на атомы химические и физические свойства вещества изменяются. Например, при разложении молекул жид­кого тела, воды, освобождаются два газа - водород и кислород. Число атомов в молекулах различно: от двух (в молекуле водо­рода) до сотен и тысяч атомов (у белков и высокомолекулярных соединений). Ряд веществ, в частности металлы, не образует молекул, т. е состоит непосредственно из атомов, не связанных внутри молекулярными связями.

Долгое время считали атом мельчайшей частицей материи (само название атом происходит от греческого слова атомос- неделимый). В настоящее время известно, что атом представля­ет собой сложную систему. В его ядре сосредоточена большая часть массы атома. Вокруг ядра по определенным орбитам обращаются легчайшие электрически заряженные элементарные частицы - электроны подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Силы тяготения удерживают планеты на их орбитах, а электроны притягиваются к ядру электрическими силами. Электрические заряды могут быть двух различных ви­дов: положительными и отрицательными. Из опыта мы знаем, что взаимно притягиваются лишь разноименные электрические заряды. Следовательно, заряды ядра и электронов тоже должны быть различны по знаку. Условно принято считать заряд элек­тронов отрицательным, а заряд ядра положительным.

Все электроны независимо от способа их получения обладают одинаковыми электрическими зарядами и массой 9,108*10 -28 г. Следовательно, электроны, входящие в состав атомов любых элементов, можно считать одинаковыми.

Вместе с тем заряд электрона (его принято обозначать е) является элементарным, т. е. наименьшим возможным электри­ческим зарядом. Попытки доказать существование меньших за­рядов оказались безуспешными.

Принадлежность атома к тому или иному химическому эле­менту обуславливается величиной положительного заряда ядра. Общий отрицательный зарядZ электронов атома равен поло­жительному заряду его ядра, следовательно, величина положи­тельного заряда ядра должна бытьeZ . Число Z определяет ме­сто элемента в периодической системе элементов Менде­леева.

Часть электронов в атоме находится на внутренних орбитах, а часть - на внешних орбитах. Первые относительно прочно удерживаются на своих орбитах атомными связями. Вторые могут сравнительно легко отделяться от атома и переходить к другому атому или же некоторое время оставаться свободными. Эти электроны внешних орбит определяют электрические и хи­мические свойства атома.

Пока сумма отрицательных зарядов электронов равна поло­жительному заряду ядра, атом или молекула нейтральны. Но если атом потерял один или несколько электронов, то вследствие избытка положительного заряда ядра он становится положитель­ным ионом (от греч. слова ион - идущий). Если же атом захватил излишние электроны, то он служит отрицательным ионом. Таким же путем ионы могут образовываться из нейт­ральных молекул.

Носителями положительных зарядов в ядре атома являются протоны (от греч. слова «протос» - первый). Протон служит ядром водорода - первого элемента в таблице периодической системы. Его положительный заряд е + численно равен отрица­тельному заряду электрона. Но масса протона в 1836 раз боль­ше массы электрона. Протоны вместе с нейтронами образуют ядра всех химических элементов. Нейтрон (от лат. слова «neuter» - ни тот, ни другой) не обладает зарядом и его масса в 1838 раз больше массы электрона. Таким образом, основными частями атомов являются электроны, протоны и нейтроны. Из них протоны и нейтроны прочно удерживаются в ядре атома и лишь электроны могут перемещаться внутри вещества, а поло­жительные заряды в обычных условиях могут перемещаться лишь вместе с атомами в виде ионов.

Количество свободных электронов в веществе зависит от строения его атомов. Если этих электронов много, то данное вещество хорошо пропускает через себя движущиеся электриче­ские заряды. Оно называется проводником. К проводникам от­носятся все металлы. Особенно хорошими проводниками явля­ются серебро, медь и алюминий. Если под тем или иным внеш­ним воздействием проводник потерял часть свободных электро­нов, то преобладание положительных зарядов его атомов со­здаст эффект положительного заряда проводника в целом, т. е. проводник будет притягивать отрицательные заряды - свобод­ные электроны и отрицательные ионы. В противном случае при избытке свободных электронов проводник будет заряжен отри­цательно.

Ряд веществ содержит очень мало свободных электронов. Та­кие вещества называются диэлектриками или изолятора­ми. Они плохо пропускают или практически не пропускают элек­трические заряды. Диэлектриками являются фарфор, стекло, эбо­нит, большинство пластмасс, воздух и т. д.

В электротехнических устройствах по проводникам движутся электрические заряды, а диэлектрики служат для направления этого движения.

Мельчайшая частица химического элемента, способная существовать самостоятельно, называется атом.
Атомом называется мельчайшая частица химического элемента, неделимая лишь в химическом отношении.
Атом - мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все химические свойства этого элемента. Атомы могут существовать в свободном состоянии и в соединениях с атомами того же или других элементов.
Атом представляет собой мельчайшую частицу химического элемента, способную существовать самостоятельно.
По современным взглядам, атом представляет собой мельчайшую частицу химического элемента, обладающую всеми его химическими свойствами. Соединяясь друг с другом, атомы образуют молекулы, которые являются мельчайшими частицами вещества - носителями всех его химических свойств.
В предыдущей главе были изложены наши представления об. атоме - мельчайшей частице химического элемента. Мельчайшей частицей вещества является молекула, образующаяся из атомов, между которыми действуют химические силы, или химическая связь.
Понятие об электричестве неразрывно связано с понятием о строении атомов - мельчайших частиц химического элемента.
Из химии и предыдущих разделов физики мы знаем, что все тела построены из отдельных, очень малых частиц - атомов и молекул, Под атомами понимают мельчайшую частицу химического элемента. Молекулой называют более сложную частицу, состоящую из нескольких атомов. Физические и химические свойства элементов определяются свойствами атомов этих элементов.
Решающими в утверждении атомистических представлений в химии стали работы английского ученого Джона Дальтона (1766 - 1844), который ввел в химию и сам термин атом как мельчайшую частицу химического элемента; атомы разных элементов, по Дальтону, имеют разную массу и тем отличаются друг от друга.
Атом - мельчайшая частица химического элемента, сложная система, состоящая из центрального положительно заряженного ядра и оболочки из движущихся вокруг ядра отрицательно заряженных частиц - электронов.
Из химии и предыдущих разделов физики мы знаем, что все тела построены из отдельных, очень малых частиц - атомов и молекул. Под атомами понимают мельчайшую частицу химического элемента. Молекулой называют более сложную частицу, состоящую из нескольких атомов. Физические и химические свойства элементов определяются свойствами атомов этих элементов.
Из химии и предыдущих разделов физики мы знаем, что все тела построены из отдельных, очень малых частиц - атомов и молекул. Под атомом понимают мельчайшую частицу химического элемента. Молекулой называют более сложную частицу, состоящую из нескольких атомов. Физические и химические свойства элементов определяются свойствами атомов этих элементов.
Явления, подтверждающие сложное строение атома. О строении атома - мельчайшей частицы химического элемента - можно судить, с одной стороны, по тем сигналам, которые он сам посылает в виде лучей и даже частиц, с другой - по результатам бомбардировки атомов вещества быстрыми заряженными частицами.
Идея о том, что все тела состоят из предельно малых и далее неделимых частиц - атомов, широко обсуждалась еще до нашей эры древнегреческими философами. Современное представление об атомах как мельчайших частицах химических элементов, способных связываться в более крупные частицы - молекулы, из которых состоят вещества, было впервые высказано М. В. Ломоносовым в 1741 г. в работе Элементы математической химии; эти взгляды пропагандировались им на протяжении всей его научной деятельности. Современники не обратили должного внимания на работы М. В. Ломоносова, хотя они были опубликованы в изданиях Петербургской Академии наук, получаемых всеми крупными библиотеками того времени.

Идея о том, что все тела состоят из предельно малых и далее неделимых частиц - атомов, обсуждалась еще в Древней Греции. Современное представление об атомах как мельчайших частицах химических элементов, способных связываться в более крупные частицы - молекулы, из которых состоят вещества, было впервые высказано М. В. Ломоносовым в 1741 г. в работе Элементы математической химии; эти взгляды он пропагандировал на протяжении всей своей научной деятельности.
Идея о том, что все тела состоят из предельно малых и далее неделимых частиц - атомов, широко обсуждалась еще до нашей эры древнегреческими философами. Современное представление об атомах как мельчайших частицах химических элементов, способных связываться в более крупные частицы - молекулы, из которых состоят вещества, было впервые высказано М. В.Ломоносовым в 1741 г. в работе Элементы математической химии; эти взгляды он пропагандировал на протяжении всей своей научной деятельности.
Идея о том, что все тела состоят из предельно малых и далее неделимых частиц - атомов, широко обсуждалась еще древнегреческими философами. Современное представление об атомах как мельчайших частицах химических элементов, способных связываться в более крупные частицы - молекулы, из которых состоят вещества, было впервые высказано М. В. Ломоносовым в 1741 г. в работе Элементы математической химии; эти взгляды он пропагандировал на протяжении всей своей научнсш деятельности.
На стехиометрических законах основаны всевозможные количественные расчеты масс и объемов веществ, принимающих участие в химических реакциях. В связи с этим стехиометрические законы совершенно справедливо относятся к основным законам химии и являются отражением реального существования атомов и молекул, обладающих определенной массой мельчайших частиц химических элементов и их соединений. В силу этого стехиометрические законы стали прочным фундаментом, на котором было построено современное атомно-молекулярное учение.
На стехиометрических законах основаны всевозможные количественные расчеты масс и объемов веществ, принимающих участие в химических реакциях. В связи с этим стехиометрические законы совершенно справедливо относятся к основным, законам химии и являются отражением реального существования атомов и молекул, обладающих определенной массой мельчайших частиц химических элементов и их соединений. В силу этого стехиометрические законы стали прочным фундаментом, на котором было построено современное атомно-молекулярное учение.
Явления, подтверждающие сложное строение атома. О строении атома - мельчайшей частицы химического элемента - можно судить, с одной стороны, по тем сигналам, которые он посылает в виде лучей и даже частиц, с другой - по результатам бомбардировки атомов вещества быстрыми заряженными частицами.
Следует отметить, что создание квантовой физики было непосредственно стимулировано попытками осмыслить строение атома и закономерности спектров излучения атомов. В результате экспериментов было обнаружено, что в центре атома находится маленькое (по сравнению с его размерами), но массивное ядро. Атом - это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Свое название он получил от греческого dtomos, что значит неделимый. Неделимость атома имеет место в химических превращениях, а также при соударениях атомов, происходящих в газах. И в то же время всегда возникал вопрос, не состоит ли атом из меньших частей.
Объектом изучения в химии являются химические элементы и их соединения. Химическими элементами называются совокупности атомов с одинаковыми зарядами ядер. В свою очередь атомом называется мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства.
Суть этого отказа от гипотезы Авогадро заключалась в нежелании вводить особое понятие молекулы (частицы), отражающее качественно отличную от атомов дискретную форму материи. В самом деле: простые атомы Дальтона соответствуют мельчайшим частицам химических элементов, а его сложные атомы - мельчайшим частицам химических соединений. Из-за этих-то нескольких случаев не стоило ломать всю систему воззрений, в основе кото-рых лежало одно понятие атома.
Рассмотренные стехиометрические законы положены в основу всевозможных количественных расчетов масс и объемов веществ, принимающих участие в химических реакциях. В связи с этим стехиометрические законы совершенно справедливо относятся к о с-н о в н ы м законам химии. Стехиометрические законы являются отражением реального существования атомов и молекул, которые, будучи мельчайшими частицами химических элементов и их соединений, обладают вполне определенной массой. В силу этого стехиометрические законы стали прочным фундаментом, на котором построено современное атомно-молекулярное учение.

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц: молекул и атомов.
Основоположником идеи дискретного строения вещества (т.е. состоящего из отдельных частиц) считается древнегреческий философ Демокрит, живший около 470 года до новой эры. Демокрит считал, что все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазу, неделимых частиц. "Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела, а в природе существуют только атомы и пустота.
Догадка Демокрита была надолго забыта. Однако, его взгляды на строение вещества дошли до нас благодаря римскому поэту Лукрецию Кару: "... все вещи, как мы замечаем, становятся меньше, И как бы тают они в течение долгого века..."
Атомы.
Атомы очень малы. Их невозможно разглядеть не только простым глазом, но и с помощью даже самого мощного оптического микроскопа.
Глаз человека не способен разглядеть атомы и промежутки между ними, поэтому любое вещество кажется нам сплошным.
В 1951 году Эрвин Мюллер изобрёл ионный микроскоп, позволивший в деталях разглядеть атомную структуру металла.
Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга. Различия атомов элементов можно определить по периодической таблице Менделеева.
Молекулы.
Молекула - это мельчайшая частица вещества, обладающая свойствами этого вещества. Так, молекула сахара - сладкая, а соли - соленая.
Молекулы состоят из атомов.
Размеры молекул ничтожно малы.

Как увидеть молекулу? - с помощью электронного микроскопа.

Как добыть молекулу из вещества? - механическим дроблением вещества. Каждому веществу соответствует определеенный вид молекул. У разных веществ молекулы могут состоять из одного атома (инертные газы) или из нескольких одинаковых или различных атомов, или даже из сотен тысяч атомов (полимеры). Молекулы различных веществ могут иметь форму треугольника, пирамиды и других геометрических фигур, а также быть линейными.

Молекулы одного и того же вещества во всех агрегатных состояниях одинаковы.

Между молекулами в веществе существуют промежутки. Доказательствами существования промежутков служат изменение объема вещества, т.е. расширение и сжатие вещества при изменении температуры

Домашняя работа.
Задание. Ответить на вопросы:
№ 1.
1. Из чего состоят вещества?
2. Какие опыты подтверждают, что ве¬щества состоят из мельчайших частиц?
3. Как меняется объём тела при изменении расстояния между частицами?
4. Какой опыт пока¬зывает, что частицы вещества очень малы?
5. Что такое молекула?
6. Что вы знаете о размерах молекул?
7. Из каких частиц состоит молекула воды?
8. Как изображается схемати¬чески молекула воды?
№ 2.
1. Одинаков ли состав молекул воды в горячем чае и в охлаждённом напитке «Кола»?
2. Почему изнашиваются подмётки у ботинок и стираются до дыр локти пиджаков?
3. Как объяснить высыхание лака на ногтях?
4. Вы проходите мимо пекарни. Из нее доносится аппетитный запах свежего хлеба…. Как это могло произойти?

Опыт Роберта Рэлея.

Размеры молекул были определены во многих опытах. Один из них провел английский ученый Роберт Рэлей.
В чистый широкий сосуд налили воду и на ее поверхность поместили каплю оливкового масла. Капля растеклась по поверхности воды и образовала круглую пленку. Постепенно площадь пленки увеличивалась, но затем растекание прекратилось и площадь перестала изменяться. Релей предположил, что молекулы расположились в один ряд, т.е. толщина пленки стала равна как раз размеру одной молекулы, и решил определить ее толщину. При этом, конечно, нужно учесть, что объем пленки равен объему капли.
По тем данным, которые были получены в опыте Рэлея, рассчитаем толщину пленки и узнаем, чему равен линейный размер молекулы масла. Капля имела объем 0,0009 см3, а площадь пленки, образовавшейся из капли, была равна 5500 см2. Отсюда толщина пленки:

Экспериментальное задание:

Проделать в домашних условиях опыт по определению размеров молекул масла.
Для опыта удобно воспользоваться чистым машинным маслом. Сначала определите объем одной капли масла. Придумайте сами, как это сделать при помощи пипетки и мензурки (можно воспользоваться мензуркой, которой отмеривают лекарства).
Налейте в тарелку воды и на ее поверхность поместите каплю масла. Когда капля растечется, измерьте диаметр пленки линейкой, положив ее на края тарелки. Если поверхность пленки не будет иметь форму круга, то или подождите, когда она примет такую форму, или сделайте несколько измерений и определите ее средний диаметр. Затем вычислите площадь пленки и ее толщину.
Какое число вы получили? Во сколько раз оно отличается от действительных размеров молекулы масла?

Так, например, молекула воды является мельчайшим представителем такого вещества как вода.

Почему мы не замечаем, что вещества состоят из молекул? Ответ прост: молекулы так малы, что для человеческого глаза просто незаметны. Так какого же они размера?

Опыт по определению размера молекулы провел английский физик Релей. В чистый сосуд была налита вода, а на ее поверхность помещена капля масла, Масло растеклось по поверхности воды и образовала круглую пленку. Постепенно площадь пленки увеличивалась, но затем растекание прекратилось и площадь перестала изменяться. Релей предположил, что толщина пленки стала равной размеру одной молекулы. Путем математических вычислений установлено, что размер молекулы примерно равен 16*10 -10 м.

Молекулы малы настолько, что в небольших объемах вещества их содержится огромное количество. Например, одна капля воды содержит столько же молекул, сколько таких капель в Черном море.

Молекулы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Можно получить фотографии молекул и атомов с помощью электронного микроскопа, изобретенный в 30 годах XX века.

Молекулы разных веществ различаются по размерам, составу, а молекулы одного и того же вещества всегда одинаковы. Например, молекула воды всегда одна и та же: и в воде, и в снежинке и в паре.

Хотя молекулы и очень маленькие частицы, но и они делимы. Частицы, из которых состоят молекулы, называют атомами. Атомы каждого вида принято обозначать специальными символами. Например, атом кислорода - О, атом водорода - Н, атом углерода - С. Всего в природе существует 93 различных атома, еще около 20 ученые создали в своих лабораториях. Русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев упорядочил все элементы и расположил их в периодической таблице, с которой более подробно мы познакомимся на уроках химии.

Молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов кислорода, молекула воды из трех атомов – двух атомов водорода и одного атома кислорода. Сами по себе водород и кислород не несут свойств воды. Наоборот, вода только и становится водой, когда образуется такая связь.

Размеры атомов очень малы, Например, если увеличить яблоко до размеров земного шара, то размер атома увеличится до размера яблока. В 1951 году Эрвин Мюллер изобрёл ионный микроскоп, позволивший в деталях разглядеть атомную структуру металла.

В наше время в отличие от времен Демокрита, атом больше не считается неделимым. В начале XX века ученым удалось изучить его внутреннее строение.

Выяснилось, что атом состоит из ядра и вращающихся вокруг ядра электронов . Позже выяснилось, что ядро в свою очередь состоит из протонов и нейтронов .

Так, полным ходом идут эксперименты на Большом Адронном Коллайдере - огромном сооружение, построенном под землей на границе между Францией и Швейцарией. Большой Адронный Коллайдер представляет собой 30 километровую замкнутую трубу, по которой разгоняются адроны (так называется протон, нейтрон или электрон). Разогнавшись почти до скорости света, адроны сталкиваются. Сила удара так велика, что протоны "разламываются" на части. Предполагается, что таким путем можно изучить внутреннее строение адронов

Очевидно, что чем дальше человек заходит в изучении внутреннего строения вещества, тем с большими трудностями он сталкивается. Не исключено, что неделимой частицы, которую воображал себе Демокрит, вообще не существует и делить частицы можно до бесконечности. Исследования в данной области являются одной из самх бурно развивающихся тем в современной физике.