§ 19. Електрон. Електричні властивості речовини

Ви дізнаєтесь

Які електричні властивості мають речовини

Пригадайте

Будову атома
Будову речовини

Електрон. У багатьох із вас, можливо, виникли запитання. Чому вступає у взаємодію незаряджена гільза? Чому електризацію ми досліджуємо за допомогою ебоніту, скла, шкіри, а не металевих предметів? Щоб дати відповіді на ці запитання, детальніше розглянемо будову атома.

В основному, атом порожнистий: у його центрі міститься дуже маленьке й дуже щільне ядро, навколо якого рухаються електрони. Електрони дуже швидко обертаються, і здається, що вони ніби «розмазані» в просторі на деякій відстані від ядра, у так званих електронних хмарах (мал. 79, а). Вдаючись до фізичного моделювання, структуру атома прийнято схематично зображати так, як показано на малюнку 79, б.

Мал. 79. Внутрішня структура атома: а — фото атома Гідрогену; б — схематичне зображення атома Берилію

У свою чергу, ядро атома також подільне — воно складається із частинок двох типів: протонів і нейтронів.

Електрони й протони мають унікальні природні властивості — саме вони є носіями елементарного електричного заряду, тобто найменшої порції електричного заряду. Домовились називати найменшу порцію електричного заряду, яка є на електроні, негативним елементарним електричним зарядом (позначають e^-), а таку саму за значенням кількість позитивного електричного заряду, що міститься на протоні, — позитивним елементарним електричним зарядом (позначають p⁺).

Оскільки електричні заряди протона й електрона є їхніми природними властивостями, то вченим вдалося виміряти їхні значення. Встановлено, що значення елементарного електричного заряду е = 1,6 • 10^-19 Кл. Електричний заряд тіла завжди кратний елементарному електричному заряду: q = Ne , де N — ціле число.

Електрон і протон — це заряджені частинки, нейтрон — не має електричного заряду. В атомів різних речовин свої фіксовані кількості електронів і протонів. Якщо взяти будь-який атом із таблиці хімічних елементів, наприклад Берилій, то цифра 4, яка визначає його порядковий номер у таблиці, вказує на кількість протонів у ядрі, а отже — і кількість електронів в оболонках, оскільки атом електрично нейтральний. Важливо зрозуміти, що протон й електрон ніколи не «втрачають» свого електричного заряду. Наявність у електронів і протонів електричного заряду є їхньою природною властивістю! А в атомі сумарна дія цих зарядів компенсується. Саме тому атом є електрично нейтральним.

Ознайомлюємось із провідниками, діелектриками та напівпровідниками. Оскільки електрично заряджені частинки є складовими будь-яких речовин, із яких виготовлені тіла, то природним буде запитання: як різні речовини проявляють свої електричні властивості?

Упродовж вивчення розділу ми детальніше будемо досліджувати електричні властивості металів, рідин і газів. У цьому параграфі лише з’ясуємо, які речовини називають провідниками, напівпровідниками та діелектриками.

Досліджуючи теплопровідність різних речовин (§ 6), ми вже звертали увагу на особливості внутрішньої будови металів. Пригадуєте? Це наявність вільних електронів, які можуть вільно переміщуватись між вузлами кристалічних ґраток. Оскільки електрони містяться в оболонках атома, то вони взаємодіють як із протонами свого ядра, так і з електронами сусідніх атомів. Саме для металів притаманним є те, що деякі електрони можуть «покинути» межі атома. При цьому утворюються позитивні йони та електрони, які вільно переміщуються в будь-якому напрямі (мал. 80). Як буде з’ясовано нами згодом, існують такі умови, які змушують електрони рухатись упорядковано. Властивість речовини, що проявляється в можливості руху її електрично заряджених частинок, покладено в основу поділу речовин на провідники, діелектрики та напівпровідники.

Мал. 80. Внутрішня структура металу

Провідниками (мал. 81) називають речовини, які мають заряджені частинки, що внаслідок електромагнітної дії здатні рухатися впорядковано по всьому об’єму тіла. Провідниками є всі метали, деякі хімічні сполуки, водні розчини солей, кислот, лугів, розплави солей тощо. Провідником є й тіло людини, яке на дві третини складається з рідини.

Мал. 81. Практичне використання металевих провідників

Діелектриками, або ізоляторами, називають речовини, які за певних умов не мають вільних носіїв електричного заряду.

До діелектриків належать усі гази за нормальних умов, рідини (гас, спирти, ацетон, дистильована вода та ін.), тверді тіла (скло, пластмаси, сухе дерево, папір, гума тощо) (мал. 82). Повітря також є діелектриком.

Мал. 82. Використання діелектриків як ізоляторів

Серед твердих діелектриків існує група речовин, які можуть тривалий час зберігати наелектризований стан. До них належить ряд органічних (парафін, бджолиний віск, нейлон, ебоніт тощо) і неорганічних (сірка, борне скло та ін.) речовин.

Існує й третя група речовин — напівпровідники, які займають проміжне місце між провідниками та діелектриками. Особливістю напівпровідників є те, що їхні електричні властивості можна змінювати, наприклад, під час нагрівання або освітлення в них можуть виникнути вільні електричні заряди.

До напівпровідників належить значно більше речовин, ніж до провідників і діелектриків разом узятих. Напівпровідниками є ряд простих речовин (силіцій, германій, селен) та деякі сполуки (оксиди, сульфіди, телуриди). Сьогодні напівпровідники використовують у виготовленні сонячних батарей, комп’ютерів, мобільних телефонів (мал. 83, с. 127).

Мал. 83. Практичне використання напівпровідників

Підбиваємо підсумки

Носіями однакових за значенням, але протилежних за знаками елементарних електричних зарядів є мікрочастинки атома: електрони та протони. Заряд електрона прийнято вважати негативним, а протона — позитивним.

Значення елементарного електричного заряду е = 1,6 • 10^-19 Кл. Електричний заряд тіла завжди кратний елементарному електричному заряду: q = Ne, де N — ціле число.

Властивість речовини, що проявляється в можливості руху її електрично заряджених частинок, покладено в основу поділу речовин на класи: провідники, напівпровідники та діелектрики.

Я знаю, вмію й розумію

1. Що називається атомом? Яка його будова? З яких частинок складається атомне ядро?
2. Які частинки атома мають негативний заряд, а які — позитивний? Де вони розташовані? Чи всі частинки атома мають електричний заряд?
3. Який фізичний зміст порядкового номера хімічного елемента?
4. Що таке елементарний електричний заряд? Яке його значення?
5. За якою ознакою речовини поділяють на провідники, діелектрики та напівпровідники? Наведіть приклади провідників і діелектриків.

ПОЯСНІТЬ

1. Як ви доведете вислів: «Електричний заряд — це природна властивість електрона»?
2. Які зміни відбуваються з атомом, якщо він: а) втрачає електрон; б) отримує електрон?
3. Чому в металах легше переміщуються саме негативно заряджені електрони, а не позитивно заряджені йони?

Вправа 7

1. Знайдіть у таблиці хімічних елементів атоми Гідрогену, Літію, Натрію, Алюмінію. Яка кількість протонів й електронів міститься в кожному з цих атомів?

2. Накресліть схематичне зображення позитивного йона Літію й атома Літію.

3. Установіть відповідність між схематичним зображенням та назвою частинки речовини (мал. 84):

Мал. 84. До завдання 3

4. На малюнку 85 зображено електромагнітну взаємодію однієї великої та двох маленьких металевих кульок. Які заряди мають маленькі кульки, якщо велика куля заряджена позитивно?