Что такое электричество?

В повседневной жизни мы в значительной степени зависим от электричества, но редко задумываемся о том, что это такое на самом деле. Сегодня мы обсудим основы электричества и, надеюсь, поймем, насколько ценен этот замечательный источник энергии, находящийся в нашем распоряжении. Чтобы понять основы электричества, мы должны сначала понять основы атома. Всё во Вселенной состоит из атомов. Это микроскопические частицы, из которых состоит вся материя, и они считаются строительными блоками Вселенной. Атом состоит из ещё более мелких частиц, называемых протонами, нейтронами и электронами. И протоны, и электроны несут электрический заряд, который представляет собой силу, действующую внутри частиц. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Положительный заряд обычно обозначается знаком «плюс», а отрицательный — знаком «минус». Нейтроны не имеют заряда и поэтому считаются нейтральными. Атомы имеют центр, известный как ядро, которое состоит из протонов и нейтронов и имеет положительный заряд. Положительно заряженное ядро атома притягивает и окружается отрицательно заряженными электронами. Это происходит потому, что противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые заряды отталкиваются. Положительный заряд протонов равен отрицательному заряду электронов, несмотря на то, что масса электрона составляет примерно 1/2000 массы протона. Когда атом находится в равновесии, он имеет равное количество протонов и электронов. Атом становится отрицательно заряженным ионом, когда содержит больше электронов, чем протонов, и положительно заряженным ионом, когда содержит больше протонов, чем электронов. Нейтроны не несут заряда, и их число может варьироваться. Число протонов в атоме определяет тип атома или элемента. Элемент — это вещество, в котором все атомы идентичны. Атомы одного элемента имеют одинаковое число протонов, но могут иметь разное число электронов и нейтронов, в этом случае они называются изотопами. Электроны обычно остаются на постоянном расстоянии от ядра в точно определенных оболочках. Оболочка, ближайшая к ядру, может содержать до двух электронов. Вторая оболочка может содержать до восьми. Третья оболочка содержит до 18 электронов, а внешние оболочки могут вмещать ещё больше. Некоторые атомы с большим количеством протонов могут иметь до семи оболочек с электронами. Эти оболочки заполняются электронами изнутри наружу. Это означает, что любой добавленный электрон естественным образом сначала заполнит самые внутренние оболочки, а затем внешнюю, которая называется валентной оболочкой. Валентная оболочка содержит валентные электроны и определяет реакционную способность атома. Когда валентная оболочка заполнена, атом обычно стабилен и менее реактивен. Примером этого может служить атом водорода, который содержит только один протон и один электрон. Положительный заряд протона и отрицательный заряд электрона уравновешивают друг друга, что приводит к тому, что электрон прочно удерживается протоном в ядре атома водорода. Поскольку атом водорода идеально сбалансирован, электрон не может быть легко удалён со своей орбиты. Однако атом меди содержит 29 протонов и 29 электронов, которые вращаются вокруг ядра атома. Поскольку первые 28 электронов занимают первые 3 оболочки, у нас остаётся один электрон для 4-й внешней оболочки атома меди. Этот электрон называется свободным электроном или валентным электроном, который легко удаляется из атома меди из-за его расстояния от ядра. Аналогично, атом серебра содержит 47 электронов, которые занимают 5 оболочек, причём первые 46 электронов находятся в первых 4 оболочках, оставляя только один электрон для орбиты на 5-й оболочке. Валентный электрон атома серебра находится дальше от центра, чем атом меди, и его ещё легче удалить с орбиты, поскольку сила притяжения там не так сильна, как в более близких оболочках. Таким образом, структура атома определяет, насколько легко можно удалить электрон. Валентные электроны, которые легко удаляются со своих орбит, очень важны для изучения электричества. Теперь, когда мы знаем, что приложение силы может заставить электроны перемещаться из одного атома в другой, мы заключаем, что электричество — это не что иное, как поток электронов.