Wolne elektrony. Niezwykłe cegły Skąd się biorą elektrony?
Słowo „elektron” po grecku oznacza "bursztyn".
Tales z Miletu (600 r. p.n.e.) zauważył, że bursztyn pocierany mocno o szmatkę zaczyna przyciągać jasne przedmioty. Przez długi czas uważano, że tę właściwość posiada tylko bursztyn. To samo dzieje się jednak z przedmiotami wykonanymi z tworzyw sztucznych i innych materiałów syntetycznych. Zjawisko to można łatwo zaobserwować za pomocą grzebienia i włosów: po czesaniu grzebień zaczyna przyciągać włosy (a same czesane włosy, uwaga, zaczynają się odpychać).
Opisane zjawiska opierają się na zjawisku Elektryczność . Polega na oddziaływaniu mikroskopijnych cząstek z ładunkiem - dodatnim lub ujemnym. Cząstki o tym samym ładunku odpychają się, a cząstki o przeciwnych ładunkach przyciągają się. Elektrony- Są to najmniejsze cząstki elementarne posiadające ładunek elektryczny. Nazwę elektrony nadał Anglik J. J. Stoney. Zaproponował, aby tak nazwać niepodzielną cząstkę ładunku.
Jak już wiesz, wszystkie substancje składają się z atomów - mikroskopijnych cząstek. Z kolei każdy atom składa się z rdzenia i powłoki. Rdzeń składa się z protonów i neutronów, ale powłoka składa się z elektronów i dlatego nazywa się ją Chmura elektronowa.
Nie tylko elektrony mają ładunek elektryczny, ale także protony (neutrony są elektrycznie obojętne, jak sugeruje ich nazwa). W atomie elektrony są przyciągane do jądra, ponieważ ma ono ładunek dodatni ze względu na ładunek protonów, podczas gdy elektrony mają ładunek ujemny. Ale pomimo tych właściwości elektrony nie łączą się całkowicie z jądrem, ponieważ są w ciągłym ruchu. A sam atom jest całkowicie elektrycznie obojętny, ponieważ w atomie liczba protonów jest równa liczbie elektronów.
W metalach niektóre elektrony nie są związane z atomami i mogą się swobodnie poruszać. Ukierunkowany ruch tych elektronów powoduje zjawisko, bez którego trudno sobie wyobrazić nasze życie – prąd elektryczny. Dlatego nazywa się metale dyrygenci : mogą prowadzić Elektryczność. Substancje, które nie mogą przewodzić prądu, nazywane są substancjami izolatory , Lub dielektryki .
Wróćmy do początku naszej historii i odpowiedzmy sobie na pytanie: dlaczego bursztyn jest naelektryzowany? Przede wszystkim należy pamiętać, że tylko izolatory mogą być elektryzowane przez tarcie. Kiedy dwa ciała ocierają się o siebie, część elektronów przenosi się z jednego ciała na drugie. W rezultacie ciała uzyskują przeciwne ładunki. Tylko izolatory mogą zostać naelektryzowane poprzez tarcie, ponieważ tylko w tych ciałach elektrony przemieszczające się z jednego ciała do drugiego pozostają tam, gdzie trafiły. Zaczynają się swobodnie poruszać w przewodnikach.
Jak już zapewne się domyślacie, całkowity ładunek pary ciał, które ocierały się o siebie, jest równy zeru, czyli taki pływający elektrycznie neutralny.
Bursztyn bardzo łatwo ulega elektryzowaniu poprzez tarcie, podobnie jak ebonit, szkło czy kocie futro.
W metalu, jak we wszystkich ciałach stałych, każdy atom zajmuje określone miejsce. To prawda, że w pewnych warunkach atomy ciał stałych mogą opuścić swoje miejsca, ale w każdym razie pozostają „przywiązane” do określonego miejsca przez długi czas. W zależności od temperatury każdy atom wibruje mniej lub bardziej silnie wokół tego miejsca, nie oddalając się od niego. W przeciwieństwie do innych ciał stałych, metale mają jedną interesującą cechę: wolne elektrony, czyli elektrony niezwiązane z określonymi atomami, poruszają się w przestrzeni pomiędzy atomami metalu.
Skąd pochodzą te wolne elektrony?
Faktem jest, że w atomach nie wszystkie elektrony są trzymane równie mocno przez jądro. W powłokach elektronowych atomów metalu zawsze znajduje się jeden, dwa lub trzy elektrony, bardzo słabo związane z jądrem. Dlatego np. po rozpuszczeniu różnych soli atomy metali zawarte w ich składzie z łatwością oddają te elektrony innym atomom, a same zamieniają się w jony dodatnie. Oddzielenie elektronów od atomów zachodzi również w kawałku dowolnego metalu, ale wszystkie elektrony, które utraciły połączenie z atomami, pozostają w samym metalu pomiędzy utworzonymi jonami.
Liczba wolnych elektronów w metalu jest ogromna. Jest ich w przybliżeniu tyle samo, ile jest atomów. Jednakże cały kawałek metalu pozostaje oczywiście nienaładowany, ponieważ dodatni ładunek wszystkich jonów jest dokładnie równy ładunkowi ujemnemu wszystkich elektronów.
Zatem możemy sobie wyobrazić strukturę metalu w tej formie. Atomy metali, które straciły 1-2 elektrony, stały się jonami. Siedzą stosunkowo stabilnie na swoich miejscach i tworzą, można powiedzieć, sztywny „szkielet” z kawałka metalu. Elektrony poruszają się szybko pomiędzy jonami we wszystkich kierunkach. Niektóre elektrony podczas ruchu są zwalniane, inne przyspieszane, więc wśród nich zawsze są zarówno szybkie, jak i wolne.
Ruch wolnych elektronów jest całkowicie losowy. Nie da się w nim wyłapać żadnych strumyków, wypływów, żadnej konsystencji. Swobodne elektrony poruszają się w metalu mniej więcej tak, jak muszki biegają po ciepłym powietrzu w letni wieczór: w roju każda z muszek leci samodzielnie, czasem szybciej, czasem wolniej, a cały rój stoi w miejscu.
Wśród losowo poruszających się elektronów zawsze znajdują się takie, które lecą w stronę powierzchni metalu. Czy wylecą z metalu? W końcu, jeśli zostawisz otwarte naczynie z gazem, którego cząsteczki również poruszają się losowo, jak elektrony w metalu, wówczas cząsteczki gazu szybko rozproszą się w powietrzu. Jednak w normalnych warunkach elektrony nie wylatują z metalu. Co ich powstrzymuje? Przyciąganie jonami. Kiedy elektron unosi się nieco nad powierzchnię metalu, nie ma już nad nim jonów, ale są one poniżej, na powierzchni. Jony te przyciągają wznoszący się elektron, który opada na powierzchnię metalu, tak jak kamień rzucony w górę spada na ziemię.
Gdyby kamień miał wystarczająco dużą prędkość początkową, mógłby pokonać grawitację Ziemi i
Poleć w przestrzeń międzyplanetarną niczym kula armatnia z powieści Juliusza Verne’a. Bardzo szybkie elektrony mogą również pokonać siły przyciągania elektrycznego i opuścić metal. Tak się dzieje po podgrzaniu.
Kiedy metal się nagrzewa, zwiększa się ruch nie tylko atomów, ale także elektronów, a przy wysokich temperaturach z metalu wylatuje tak wiele elektronów, że można wykryć ich przepływ. Spójrz na rys. 7. Pokazuje niezwykłą żarówkę. W jego cylindrze, w pewnej odległości od żarnika, zamocowana jest metalowa płytka. Płytka nazywana jest anodą, a gwint katodą. Do jednego końca gwintu (nie ma znaczenia który) i do anody podłącza się baterię, a pomiędzy baterię a anodę podłącza się urządzenie w tzw. obwodzie „anodowym”, sygnalizującym obecność napięcia elektrycznego aktualny. To urządzenie nazywa się galwanometrem. Sam żarnik lampy jest podłączony do sieci elektrycznej i jest gorący do czerwoności. Jeśli anoda zostanie podłączona do bieguna ujemnego akumulatora, a gwint zostanie podłączony do bieguna dodatniego, wówczas w obwodzie anodowym nie będzie prądu (ryc. 7 po lewej). Spróbujmy teraz zmienić bieguny i podłączyć płytkę do „plusa” akumulatora. W obwodzie natychmiast pojawi się prąd (ryc. 7 po prawej). Ten eksperyment pokazuje, że gorący żarnik lampy w rzeczywistości emituje ładunki ujemne – elektrony, które są odpychane od anody, jeśli jest ona naładowana ujemnie (ryc. 7 po lewej), i przenoszone przez siły elektryczne do anody, jeśli jest ona podłączona do bieguna dodatniego akumulatora (Rys. 7 po prawej).
Emisja elektronów przez gorące metale ma ogromne znaczenie praktyczne. Dość powiedzieć, że jest on stosowany we wszystkich lampach radiowych (o lampach radiowych porozmawiamy w ostatniej części książki).
Możesz zwiększyć energię elektronów i sprawić, że wylatują z metalu nie tylko poprzez ogrzewanie, ale także oświetlenie. Zjawiska takie badał w 1888 roku rosyjski fizyk, profesor Uniwersytetu Moskiewskiego A.G. Stoletow. Strumień promieni świetlnych niesie energię, a jeśli światło pada na metal, to część tej energii jest przez metal pochłaniana i przekazywana elektronom. Po otrzymaniu dodatkowej energii niektóre elektrony pokonują przyciąganie jonów i wylatują z metalu. Zjawisko to nazywane jest efektem fotoelektrycznym. Efekt fotoelektryczny wykorzystywany jest w bardzo ważnym urządzeniu technologicznym – fotokomórce. Schemat fotokomórki pokazano na rysunku 8.
Szklany pojemnik, z którego usunięto powietrze, pokryty jest od wewnątrz warstwą metalu, najczęściej sodu, potasu lub cezu, który został poddany specjalnej obróbce (elektrony łatwo wybijają się z tych metali pod wpływem światła widzialnego); Jedynie małe okienko przepuszczające światło nie jest osłonięte metalem. Warstwa metalu służy jako katoda fotokomórki (fotokatoda). Na środku cylindra umieszczony jest cienki metalowy drut lub siatka. To jest anoda. Fotokatoda jest podłączona do ujemnego bieguna akumulatora, a anoda jest podłączona do dodatniego bieguna. Gdy tylko promienie świetlne padną na fotokatodę, część elektronów uzyskuje większą energię i ucieka z jej powierzchni. Siła przyciągania elektrycznego kieruje je w stronę anody, a w obwodzie pojawia się prąd. Jeśli oświetlenie przestanie działać, prąd zaniknie). Należy zauważyć, że obie opisane metody są w stanie wydobyć z metali jedynie bardzo małą część obecnych w nich wolnych elektronów.
Łatwo zrozumieć, że elektryfikacja poprzez tarcie jest procesem wyrzucania elektronów. Na przykład, gdy szkło pociera się o skórę, elektrony wyekstrahowane ze szkła są przenoszone na skórę.
Wiemy więc, że elektrony można wyodrębnić z atomów. Zobaczmy teraz, jak możemy kontrolować elektrony, które opuściły atomy.
Na pytanie Skąd biorą się elektrony w przewodniku? Dlaczego się nie wyczerpują, skoro liczba elektronów w atomie jest ograniczona? podane przez autora Aleksander Władysławowicz najlepsza odpowiedź brzmi Prawdopodobnie słyszałeś nie raz, że metale mają „wolne” elektrony. Zatem „wolne” elektrony nie są całkowicie poprawne. Tak naprawdę nie są one całkowicie darmowe. Spójrzmy na przewodnik miedziany, powiedzmy pierścień z drutu miedzianego. Każdy atom miedzi składa się z jądra o ładunku (+29) i 29 elektronów (każdy o ładunku (-1)). Te elektrony nie są takie same; są rozmieszczone na różnych poziomach energii. Elektroniczna formuła miedzi to 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Elektrony znajdujące się na poziomach energii 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 są trzymane przez jądro dość mocno i każdy znajduje się w pobliżu swojego „własnego” jądra, natomiast elektron znajdujący się na poziomie energii 4s1 jest trzymany bardzo słabo. Mówiąc obrazowo, wystarczy „dmuchnąć”, aby nie wyrwać go całkowicie, ale przenieść z jednego rdzenia na drugi. To drugie jądro będzie miało dodatkowy elektron, ale ono (jądro) nie będzie w stanie zatrzymać dodatkowego elektronu i przeniesie go do trzeciego, następnego itd. To przenoszenie elektronów przy braku sił zewnętrznych jest chaotyczne, bez określonego kierunku. W końcu ten dodatkowy elektron dotrze do jądra, z którego go „wydmuchnęliśmy”. Zatem elektrony znajdujące się na poziomach energetycznych 4s1 wszystkich atomów stale i bardzo łatwo przemieszczają się z jednego atomu na drugi. W tym sensie nazywa się je wolnymi.
Rozważmy teraz ten sam miedziany pierścień, którego jedna część jest umieszczona w polu magnetycznym i pod działaniem siły zewnętrznej (mechanicznej) porusza się w nim po liniach pola magnetycznego (ta część pierścienia jest generatorem, a pozostałe części to przewody i odbiornik, na przykład żarówka). W rzeczywistości, jeśli zejdziesz na poziom atomowy, jądra i elektrony poruszają się pod wpływem przyłożonej siły mechanicznej. Zgodnie z prawem nie pamiętam, na które (zupełnie zapomniałem fizykę) na ładunki poruszające się w polu magnetycznym działa siła skierowana prostopadle do kierunku ruchu całego przewodnika. Siła ta nie może spowodować ruchu jąder (są bardzo ciężkie) i związanych z nimi elektronów, znajdujących się na poziomach energetycznych 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10. Zmusza to jednak tak zwane „swobodne elektrony” (na poziomie 4s) do przemieszczania się wzdłuż przewodnika. Teraz ruch „wolnych” elektronów nie jest chaotyczny, ale ściśle ukierunkowany. Elektron przemieszcza się od pierwszego atomu do drugiego, od drugiego do trzeciego, od trzeciego... i tak dalej. Wreszcie elektron z ostatniego atomu przechodzi do pierwszego (nie zapominaj, że nasz przewodnik jest zwinięty w pierścień.
Zatem każdy atom miedzi ponownie ma 29 elektronów, ale elektrony 4s nie są własne, ale pochodzą od sąsiada. W następnym momencie wszystkie „wolne” elektrony przesuną się o kolejne 1 położenie w tym samym kierunku. Działanie generatorów prądu przemiennego jest zorganizowane w taki sposób, że z grubsza rama z prądem obraca się w stałym polu magnetycznym (w przemysłowych o częstotliwości 50 herców). Dlatego w pierwszej połowie obrotu przewodnik (jedna strona ramy) przecina linie siły w pobliżu północnego bieguna magnesu, a elektrony poruszają się w jednym kierunku. W drugiej połowie obrotu ramy omawiany przewodnik przecina linie siły w pobliżu południowego bieguna magnesu, a elektrony poruszają się w przeciwnym kierunku i tak dalej 50 razy na sekundę. To prawda, że natężenie pola magnetycznego, przez które przechodzi przewodnik, nie jest stałe, ale zmienia się wzdłuż sinusoidy, ale nie zmienia to istoty tego, co się dzieje. W rezultacie powstaje przemienny prąd elektryczny, co oznacza, że elektrony w rzeczywistości nie oddalają się daleko od swoich jąder, ale „wisają” tam i z powrotem, jak na huśtawce. Coś w tym stylu. Dziękuję bardzo, całe życie dręczyło mnie to pytanie.
Nie rozumiałem jednak, jak wtedy wszelkiego rodzaju transformatory Tesli rozprowadzają prąd w powietrzu, czyli same pioruny, czy też powietrze przepuszcza te „wolne” elektrony, ale w tym przypadku nie będą mogły wrócić do źródła, bo nie ma obwodu.
Ogólnie chciałbym Was zapytać, czy możecie polecić jakąś literaturę?
Odpowiedź od Dr. Kutas[guru]
więc w miejsce tych, którzy odeszli, przychodzą inni. Prąd płynie tylko w obwodzie zamkniętym, pamiętasz? Oznacza to, że elektrony krążą po okręgu
Odpowiedź od Aleksander Szewczenko[aktywny]
elektrony nigdzie nie biegną, pozostają na miejscu, przekazują sobie ładunek wzdłuż łańcucha.
Odpowiedź od Pinochet[guru]
Niech te elektrony nigdzie nie biegną.
Powiem Wam, że żaden naukowiec nie wie dokładnie, czym jest e-mail. prąd, wtedy stracisz wiarę w ludzkość.))
Są tylko hipotezy, czyli założenia, więc przynajmniej część obliczeń można poczynić.
I możesz sam wysnuć mnóstwo hipotez.
Elektrony nigdzie nie uciekają, po prostu biją się w tyłki, żeby zobaczyć, kto poleci najdalej.
Coś jak kule w bilardzie.
A kiedy mają uciekać? -Prędkość prądu jest równa prędkości światła. Po prostu przekazują sobie nawzajem ładunek i to wszystko.
Odpowiedź od Tata ziemniaczany[guru]
wolne elektrony.
Nie kończą się, ponieważ prąd elektryczny jest zawsze procesem zamkniętym. Jeśli coś odeszło, coś przybyło.
Odpowiedź od Glob[guru]
Nie wiem, co oznacza wyrażenie „ładunek za przeniesienie elektronów”, ale w moim skromnym rozumieniu tak właśnie jest.
Kiedy włączymy przełącznik, zaburzenie przemieszcza się przez przewodnik z prędkością światła. Prawdopodobnie widziałeś pociąg towarowy opuszczający stację? Lokomotywa ciągnie pierwszy wagon, który ciągnie drugi i tak brzęk sprzęgu automatycznego rozchodzi się po całym łańcuchu (a prędkość tego brzęku jest znacznie większa niż prędkość zarówno lokomotywy, jak i wagonów). Tak też jest – elektrony pędzą do plusa, sąsiednie poruszają się na swoich miejscach itd. Impuls elektromagnetyczny przebiega przez przewodnik z prędkością światła.
Pamiętajmy ponadto, że natężenie prądu to ładunek, który przechodzi przez określony przekrój przewodnika w jednostce czasu. Prędkość pojedynczego elektronu może być niewielka, ale przekroczył ten przekrój i w ten sposób przyczynił się do powstania prądu.
W przewodniku jest dużo wolnych elektronów: około 10^23 (rzędu stałej Avogadra). I chociaż ładunek jednego elektronu wynosi około 10^-19 C, wystarczy, że 0,01% wszystkich elektronów zacznie się poruszać - i przez przewodnik popłynie prąd o natężeniu 1A.
Dzieje się tak przy stałym prądzie. W zmiennej wszystko jest jeszcze prostsze - tam elektrony nie mogą się nigdzie poruszać, a po prostu oscylować zgodnie z okresową zmianą kierunku pola elektrycznego.
I na koniec o spadku. Jeśli w przewodniku będzie mniej elektronów, wówczas zostanie on naładowany dodatnio i albo prąd ustanie, albo zacznie przyciągać elektrony z minusa akumulatora.
Odpowiedź od Giennadij Karpow[guru]
Elektrony biegają i biegają.
A pole elektryczne sprawia, że biegają.
Elektron ma ładunek i porusza się pod wpływem pola elektrycznego.
W przewodnikach (metalach, na przykład w elektrolitach, półprzewodnikach... nieco inny obraz) ze względu na specyfikę ich struktury znajdują się wolne elektrony.
Niektórzy uciekają, a inni przybiegają na ich miejsce, z innego podłączonego przewodu (na przykład przełącznika po włączeniu). Przewodnik ten jest podłączony do źródła prądu, a źródło napędza je po okręgu.
Dzieje się tak przy stałym prądzie.
Jeśli prąd jest przemienny (pamiętaj o częstotliwości około 50 Hz w sieci), wówczas oscylują one „w tę i tamtą stronę” 50 razy na sekundę. I pozostają prawie na swoim miejscu.
Pole elektryczne w przewodniku rozchodzi się szybko, z prędkością światła (prędkość propagacji pola elektrycznego). A same elektrony podróżują znacznie wolniej.
Odpowiedź od Jewgienij M.[guru]
Kiedy coś krąży po okręgu, nigdy się nie zmniejsza.
Dlaczego nie przyszła Ci do głowy taka prosta myśl? (Albo twój nauczyciel?)
Mechanizm procesu nie jest wcale ważny, szczegóły nie są wcale ważne. Nie ma na przykład znaczenia, czy jednemu konkretnemu elektronowi uda się okrążyć cały przewodnik po zamkniętej drodze i wrócić, czy tylko wleci do sąsiedniego atomu i zajmie tam wyemitowany elektron.
Najważniejsze jest to, że prąd stały ZAWSZE płynie tylko po zamkniętej ścieżce. Jeśli ścieżka nie jest zamknięta, prąd zawsze się zatrzymuje (wyczerpują się elektrony).
Jeśli ścieżka nie jest zamknięta, w takim systemie może istnieć tylko prąd przemienny. (Na przykład ścieżkę może przerwać kondensator.) Przy prądzie przemiennym elektrony zazwyczaj nigdzie nie odlatują. Znajdują się blisko swoich atomów i wykonują ruchy oscylacyjne jedynie przy częstotliwości prądu przemiennego.
Odpowiedź od Lekarz[guru]
W przewodniku znajdują się elektrony - znajdują się one na orbitali wokół jąder atomów. Ale w przewodnikach są bezpłatne. Oznacza to, że pod wpływem sił zewnętrznych mogą poruszać się bez przeszkód. . Są zdani na siebie.
Kiedy pojawia się pole elektryczne, zaczynają się one poruszać w uporządkowany sposób.
Zgodnie z prawem Kirkhoffa suma prądów wynosi zero. Dlatego się nie kończą – nigdzie się nie marnują – tylko krążą w kółko w zamkniętym łańcuchu.
Po drugie, w atomach nie ma orbit)
Istnieją orbitale - zbiór punktów, w których lokalizacja elektronu jest bardziej prawdopodobna. Używasz starego modelu atomu boru.
Odpowiedź od MwenMas[guru]
Krótko mówiąc, elektrony nie uciekają z przewodnika. Zawsze w nim pozostają i poruszają się pod wpływem pola elektrycznego, albo w jednym kierunku przy prądzie stałym, albo tam i z powrotem przy prądzie przemiennym. Wyobraź sobie, że w systemie grzewczym pompa napędza wodę, ale ona nigdzie nie wypływa, nie maleje. To samo z elektronami.
Odpowiedź od Orij Semykin[guru]
Zmartwychwstanie Einsteina jest dla biologów i lekarzy.
Nie potrzeba tu fizyki, wystarczy zdrowy rozsądek, aby to zrozumieć. Elektrony nie znikają, a jedynie się przesuwają. W przeciwnym razie część obwodu szybko zostałaby naładowana dodatnio. Ponieważ pozostaje neutralny, ładunek jest kompensowany. Wiadomo, że są to elektrony. W rzeczywistości elektrony nie „płyną” w postaci prądu, ale porusza się fala elektromagnetyczna. To będzie trudniejsze do zrozumienia.
Odpowiedź od Aleks[Nowicjusz]
I do wszystkiego, co zostało powiedziane, w jaki sposób ładunek (energia) elektronów odnawia się w obwodzie zamkniętym, biorąc pod uwagę, że część energii jest wydawana na ciepło podczas pracy konsumenta?
Odpowiedź od Diamenty Maxima[guru]
jest takie słowo jak rezonans...
Odpowiedź od Jergiej[aktywny]
Nauka nie jest w stanie wyjaśnić wielu zjawisk za pomocą teorii elektronów. Należą do nich pojawianie się i zanikanie elektryczności statycznej, zjawisko magnetyzmu, neutralność przewodnika, przewodność i nieprzewodność substancji prądu elektrycznego, efekt piezoelektryczny, obecność prądu elektrycznego w obwodzie otwartym, brak pozytonów w wytwarzanie prądu elektrycznego i ich obecność w generowaniu wyładowań elektrycznych, przejaw dualizmu cząstek i wiele więcej.
Odpowiedź od Jura Jeżow[Nowicjusz]
A jeśli w obwodzie znajduje się żarówka. Wykorzystuje energię w postaci światła i ciepła, więc okazuje się, że elektrony są naładowane i przekazują ładunek żarówce. Skąd więc dostaną nową opłatę? Z pola magnetycznego? Albo dlatego, że nadal kopią się w kółko
?
Bezpłatny model elektronowy w Wikipedii
Spójrz na artykuł w Wikipedii na temat Model swobodnych elektronów
– W Europie nikt już nie gra na pianinie,
bawić się prądem.
„Nie możesz bawić się na prądzie, bo cię porazi prądem”.
-I bawią się w gumowych rękawiczkach...
-Ech! Można nosić gumowe rękawiczki!
„Mimino”
To dziwne... Bawią się prądem, ale z jakiegoś powodu zabijają jakimś prądem... Skąd się bierze prąd w elektryczności? A co to za prąd? Witam Was kochani! Rozwiążmy to.
No cóż, na początek zacznijmy od tego, dlaczego w rękawiczkach gumowych nadal można bawić się prądem, ale np. w rękawicach żelaznych czy ołowianych nie da się tego zrobić, chociaż metalowe są mocniejsze? Rzecz w tym, że guma nie przewodzi prądu, ale żelazo i ołów tak, więc grozi porażeniem prądem. Stop, stop... Jedziemy w złym kierunku, zawróćmy... Tak... Musimy zacząć od tego, że wszystko w naszym Wszechświecie składa się z maleńkich cząstek - atomów. Cząsteczki te są tak małe, że np. ludzki włos jest kilka milionów razy grubszy od najmniejszego atomu wodoru. Atom składa się (patrz rysunek 1.1) z dwóch głównych części - dodatnio naładowanego jądra, które z kolei składa się z neutronów oraz protonów i elektronów krążących po określonych orbitach wokół jądra.
Rysunek 1.1 – Struktura elektronu
Całkowity ładunek elektryczny atomu jest zawsze (!) równy zeru, co oznacza, że atom jest elektrycznie obojętny. Elektrony mają dość mocne wiązanie z jądrem atomowym, jednak jeśli przyłożymy pewną siłę i „wyrwiemy” z atomu jeden lub więcej elektronów (np. poprzez ogrzewanie lub tarcie), wówczas atom zamieni się w dodatnio naładowany jon, ponieważ dodatni ładunek jego jądra będzie większy od ujemnego całkowitego ładunku pozostałych elektronów. I odwrotnie - jeśli do atomu w jakiś sposób dodamy jeden lub więcej elektronów (ale nie poprzez chłodzenie...), atom zamieni się w ujemnie naładowany jon.
Elektrony tworzące atomy dowolnego pierwiastka mają absolutnie identyczne właściwości: ładunek, rozmiar, masę.
Teraz, jeśli spojrzysz na wewnętrzny skład dowolnego pierwiastka, zobaczysz, że nie cała objętość pierwiastka jest zajęta przez atomy. Zawsze w każdym materiale znajdują się zarówno jony naładowane ujemnie, jak i dodatnio, a proces konwersji „jon naładowany ujemnie – atom – jon naładowany dodatnio” zachodzi stale. Podczas tej przemiany powstają tzw. wolne elektrony – elektrony, które nie są związane z żadnym z atomów czy jonów. Okazuje się, że różne substancje mają różną ilość tych wolnych elektronów.
Z kursu fizyki wiadomo również, że wokół każdego naładowanego ciała (nawet tak nieistotnego jak elektron) istnieje tzw. Niewidzialne pole elektryczne, którego głównymi cechami są natężenie i kierunek. Tradycyjnie przyjmuje się, że pole jest zawsze kierowane od punktu ładunku dodatniego do punktu ładunku ujemnego. Takie pole powstaje np. podczas pocierania wełną prętem ebonitowym lub szklanym i przy tym słychać charakterystyczny trzaskający dźwięk, którego zjawisko omówimy później. Co więcej, na pręcie szklanym utworzy się ładunek dodatni, a na pręcie ebonitowym ładunek ujemny. Będzie to dokładnie oznaczać przeniesienie wolnych elektronów z jednej substancji na drugą (z pręta szklanego na wełnę i z wełny na pręt ebonitowy). Przeniesienie elektronów oznacza zmianę ładunku. Aby ocenić to zjawisko, istnieje specjalna wielkość fizyczna - ilość energii elektrycznej, zwana kulombem, przy 1C = 6,24 · 10 · 18 elektronów. Na podstawie tej zależności ładunek jednego elektronu (inaczej nazywany elementarnym ładunkiem elektrycznym) jest równy: 
Więc co mają z tym wspólnego te wszystkie elektrony i atomy... Ale oto, co to ma z tym wspólnego. Jeśli weźmiemy materiał o dużej zawartości wolnych elektronów i umieścimy go w polu elektrycznym, wówczas wszystkie swobodne elektrony będą przemieszczać się w kierunku dodatniego punktu pola, a jony - ponieważ mają silne właściwości międzyatomowe (międzyjonowe) wiązania - pozostaną wewnątrz materiału, chociaż teoretycznie powinny przenieść się do tego punktu pola, którego ładunek jest przeciwny do ładunku jonu. Zostało to udowodnione za pomocą prostego eksperymentu.
Dwa różne materiały (srebro i złoto) połączono ze sobą i umieszczono w polu elektrycznym na kilka miesięcy. Gdyby zaobserwowano ruch jonów pomiędzy materiałami, to w miejscu styku powinien nastąpić proces dyfuzji i złoto powstałoby w wąskiej strefie srebra, a srebro w wąskiej strefie złota, ale tak się nie stało , co dowodziło bezruchu „ciężkich” jonów. Rysunek 2.1 pokazuje ruch cząstek dodatnich i ujemnych w polu elektrycznym: ujemnie naładowane elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym do pola, a cząstki naładowane dodatnio poruszają się w kierunku pola. Dotyczy to jednak tylko cząstek, które nie są zawarte w sieci krystalicznej żadnego materiału i nie są połączone wiązaniami międzyatomowymi. 
Rysunek 1.2 – Ruch ładunku punktowego w polu elektrycznym
Ruch zachodzi w ten sposób, ponieważ podobne ładunki odpychają się, a odmienne ładunki przyciągają: na cząstkę zawsze działają dwie siły: siła przyciągania i siła odpychania.
Zatem to uporządkowany ruch naładowanych cząstek nazywany jest prądem elektrycznym. Zabawny fakt: początkowo sądzono (przed odkryciem elektronu), że prąd elektryczny jest generowany właśnie przez cząstki dodatnie, więc kierunek prądu odpowiadał ruchowi cząstek dodatnich od „plus” do „minus” , ale później odkryto coś przeciwnego, ale zdecydowano się pozostawić kierunek prądu bez zmian, a tradycja ta pozostała we współczesnej elektrotechnice. Więc właściwie jest na odwrót! 
Rysunek 1.3 – Budowa atomu
Pole elektryczne, choć charakteryzuje się wielkością natężenia, powstaje wokół każdego naładowanego ciała. Na przykład, jeśli te same pręty szklane i ebonitowe zostaną pocierane o wełnę, wokół nich powstanie pole elektryczne. Pole elektryczne istnieje w pobliżu dowolnego obiektu i oddziałuje na inne obiekty, niezależnie od tego, jak daleko się one znajdują. Jednakże wraz ze wzrostem odległości między nimi natężenie pola maleje, a jego wielkość można pominąć, tak że dwie osoby stojące obok siebie mogą się spotkać. posiadające określony ładunek, wprawdzie wytwarzają pole elektryczne i przepływa między nimi prąd elektryczny, lecz jest on na tyle mały, że jego wartość jest trudna do zarejestrowania nawet za pomocą specjalnych przyrządów.
Czas więc porozmawiać więcej o tym, czym jest ta cecha – natężeniem pola elektrycznego. Wszystko zaczyna się od tego, że w 1785 roku francuski inżynier wojskowy Charles Augustin de Coulomb, robiąc sobie przerwę w rysowaniu map wojskowych, wyprowadził prawo opisujące oddziaływanie dwóch ładunków punktowych:
Moduł siły oddziaływania między dwoma ładunkami punktowymi w próżni jest wprost proporcjonalny do iloczynu modułów tych ładunków i odwrotnie proporcjonalny do kwadratu odległości między nimi.
Nie będziemy wnikać w to, dlaczego tak się dzieje, po prostu uwierzymy panu Coulombowi na słowo i wprowadzimy pewne warunki przestrzegania tego prawa:
- ładunki punktowe - czyli odległość między naładowanymi ciałami jest znacznie większa niż ich rozmiary - można jednak wykazać, że siła oddziaływania dwóch ładunków o rozkładzie objętościowym o sferycznie symetrycznych, nie przecinających się rozkładach przestrzennych jest równa sile oddziaływanie dwóch równoważnych ładunków punktowych znajdujących się w środkach symetrii sferycznej;
- ich bezruch. W przeciwnym razie wchodzą w życie dodatkowe efekty: pole magnetyczne poruszającego się ładunku i odpowiadająca mu dodatkowa siła Lorentza działająca na inny poruszający się ładunek;
- interakcja w próżni.
Matematycznie prawo jest zapisane w następujący sposób: 
gdzie q 1 , q 2 to wartości oddziałujących ładunków punktowych,
r jest odległością między tymi ładunkami,
k jest pewnym współczynnikiem opisującym wpływ środowiska.
Poniższy rysunek przedstawia graficzne wyjaśnienie prawa Coulomba. 
Rysunek 1.4 – Interakcja ładunków punktowych. prawo Coulomba
Zatem siła oddziaływania między dwoma ładunkami punktowymi wzrasta wraz ze wzrostem tych ładunków i maleje wraz ze wzrostem odległości między ładunkami, a podwojenie odległości prowadzi do czterokrotnego zmniejszenia siły. Jednak taka siła powstaje nie tylko między dwoma ładunkami, ale także między ładunkiem a polem (i znowu prądem elektrycznym!). Logiczne byłoby założenie, że to samo pole ma różny wpływ na różne ładunki. Zatem stosunek siły oddziaływania pola i ładunku do wielkości tego ładunku nazywany jest natężeniem pola elektrycznego. Pod warunkiem, że ładunek i pole są nieruchome i nie zmieniają swoich właściwości w czasie. 
gdzie F jest siłą oddziaływania,
q – ładunek.
Ponadto, jak wspomniano wcześniej, pole ma kierunek, a to wynika właśnie z tego, że siła oddziaływania ma kierunek (jest to wielkość wektorowa: podobnie jak ładunki się przyciągają, w przeciwieństwie do ładunków odpychają).
Po napisaniu tej lekcji poprosiłem przyjaciela, aby ją przeczytał, że tak powiem, ocenił. Ponadto zadałem mu jedno interesujące, moim zdaniem, pytanie właśnie na temat tego materiału. Wyobraź sobie moje zdziwienie, gdy odpowiedział błędnie. Spróbuj odpowiedzieć na to pytanie (umieszczono je w sekcji zadań na końcu lekcji) i uzasadnij swój punkt widzenia w komentarzach.
I wreszcie, ponieważ pole może przenieść ładunek z jednego punktu przestrzeni do drugiego, posiada energię, a zatem może wykonać pracę. Fakt ten przyda nam się później przy rozważaniu zagadnień działania prądu elektrycznego.
Na tym pierwsza lekcja dobiegła końca, ale wciąż pozostaje pytanie bez odpowiedzi: dlaczego noszenie gumowych rękawiczek nie zabije Cię porażeniem prądem. Zostawmy to jako intrygę na następną lekcję. Dziękuję za uwagę, do zobaczenia ponownie!
- Załóżmy, że w bohaterskim mieście Moskwie jest pewien outlet, ten sam zwykły outlet, który masz w domu. Załóżmy też, że rozciągnęliśmy przewody z Moskwy do Władywostoku i podłączyliśmy żarówkę we Władywostoku (znowu lampa jest zupełnie zwyczajna, ta sama oświetla teraz pokój i mnie, i Tobie). Mamy więc: żarówkę podłączoną do końcówek dwóch przewodów we Władywostoku i gniazdko w Moskwie. Teraz włóżmy przewody „moskiewskie” do gniazdka. Jeśli nie weźmiemy pod uwagę wielu różnych warunków i po prostu założymy, że żarówka we Władywostoku się zapali, to spróbujmy zgadnąć, czy elektrony, które aktualnie znajdują się w moskiewskim gniazdku, dotrą do żarnika żarówki we Władywostoku? Co się stanie, jeśli podłączymy żarówkę nie do gniazdka, ale do akumulatora?
Kikoin A.K. Dwie tajemnice rozpadu beta // Quantum. - 1985. - nr 5. - s. 30-31, 34.
Na podstawie specjalnego porozumienia z redakcją i redakcją czasopisma „Kvant”
Jak wiadomo, naturalny rozpad beta-radioaktywny polega na tym, że jądra atomów jednego pierwiastka samorzutnie emitują cząstki beta, czyli elektrony, i jednocześnie zamieniają się w jądra innego pierwiastka o liczbie atomowej o jeden większej, ale o tej samej masie („Fizyka 10”, § 103). Symbolicznie tę transformację zapisuje się w następujący sposób:
\(~^M_ZX \to \ ^M_(Z+1)Y +\ ^0_(-1)e\) .
Tutaj X- oryginalny rdzeń, Y- produkt rozkładu, mi- elektron (indeks górny „0” oznacza, że masa elektronu w porównaniu z jednostką masy atomowej jest bardzo mała).
Dokładne badanie rozpadu beta wykazało, że zjawisko to skrywa dwie tajemnice.
Zagadka pierwsza: „utrata” energii
Jeśli rdzeń X samoistnie przekształca się w jądro Y, oznacza to, że energia W Rdzenie X X więcej niż energia W Rdzeń Y Y. A energia emitowanej cząstki beta powinna w tym przypadku być równa różnicy energii W X- W Y (jeśli pominiemy energię odrzutu).
Ponieważ wszystkie oryginalne jądra X są identyczne, jak również wszystkie powstałe jądra są identyczne Y, wszystkie wyemitowane cząstki beta muszą mieć tę samą energię. Eksperymenty pokazują, że energia prawie wszystkich cząstek beta jest mniejsza niż różnica energii W X- W Y. Dokładniej: β -cząstki mają różne energie i wszystkie wahają się od zera do maksymalnej wartości równej W X- W Y. Na przykład dla cząstek beta emitowanych przez jądra \(~\ ^(210)_(83)Bi\) (okres półtrwania 5 dni) maksymalna wartość energii wynosi około 1 MeV, a średnia energia na cząstkę jest mniejsza niż 0,4 MeV.
Wydawało się, że rozpad beta to proces, w którym z naruszeniem prawa zachowania energii energia znika bez śladu. Niektórzy fizycy byli skłonni sądzić, że prawo zachowania energii, które z pewnością obowiązuje w świecie procesów makroskopowych, „nie jest konieczne” w przypadku niektórych procesów związanych z cząstkami elementarnymi. Nawet taki fizyk jak Niels Bohr był skłonny do tego pomysłu (o możliwości naruszenia prawa zachowania energii). Wyrażano także inne opinie, że mogą zaistnieć procesy, w których energia nie znika bez śladu (jak w przypadku rozpadu beta), ale pojawia się znikąd.
Neutrino
Prawo zachowania energii zostało jednak „uratowane” przez szwajcarskiego fizyka teoretycznego Wolfganga Pauli. W 1930 roku zasugerował, że podczas rozpadu beta z jądra emitowany jest nie tylko elektron, ale także inna cząstka, która odpowiada za brakującą energię. Ale dlaczego ta cząstka nie ujawnia się w żaden sposób: nie jonizuje gazu jak elektron; jego energia podczas zderzeń z atomami nie zamienia się w ciepło itp.? Pauli wyjaśnił to, mówiąc, że wynaleziona przez niego cząstka jest elektrycznie obojętna i nie ma masy spoczynkowej.
Cząstka ta, której włoski fizyk Enri Co Fermi nadał nazwę neutrino, wydawała się bardzo dziwna. Celem neutrina było „uratowanie” prawa zachowania energii. Fizycy nigdy wcześniej nie mieli do czynienia z takimi cząstkami. Niemniej jednak pomysł Pauliego dotyczący nowej cząstki szybko zyskał powszechną akceptację. Radziecki fizyk A.I. Leypunsky już w 1936 roku wymyślił sposób na jego wykrycie. Jednak jego prawdziwe istnienie zostało ostatecznie udowodnione dopiero w 1956 roku, prawie 26 lat po tym, jak „narodził się” w mózgu obdarzonego wyobraźnią fizyka B. Pauli.
Zagadka druga: skąd się biorą elektrony?
Na tym polegała ta tajemnica rozpadu beta (można ją postawić na pierwszym miejscu).
Jak wiadomo („Fizyka 10”, § 107), jądra atomowe wszystkich pierwiastków składają się wyłącznie z protonów i neutronów. Jak elektrony, których nie ma, i neutrina, których też nie ma, mogą wylatywać z jąder?
Ten zdumiewający fakt (coś, czego nie ma, wylatuje z jądra) można wytłumaczyć jedynie faktem, że cząstki - protony i neutrony tworzące jądro - są zdolne do wzajemnego przekształcania się w siebie. W szczególności rozpad beta ma miejsce, gdy jeden z neutronów wchodzących do jądra pierwiastka promieniotwórczego zamienia się w proton.
W tym przypadku w jądrze jest o jeden proton więcej niż było, a całkowita liczba cząstek pozostaje taka sama. Tylko jeden z neutronów stał się protonem. Gdyby jednak ograniczyć się do tego, naruszone byłoby prawo zachowania ładunku elektrycznego. Natura nie pozwala na takie procesy! Okazuje się więc, że wraz z przemianą neutronu w proton w jądrze rodzi się elektron, którego ładunek ujemny kompensuje ładunek dodatni powstającego protonu, oraz neutrino, które zabiera pewną ilość energii. Zatem podczas rozpadu beta w jądrze jeden z neutronów przekształca się w proton i narodziny dwóch cząstek - elektronu i neutrina. Proton pozostaje w jądrze, ale elektron i neutrino, które „nie powinny znajdować się w jądrze”, wylatują z niego.
Należy pamiętać, że proces rozpadu beta promieniotwórczego przypomina nieco proces emisji kwantu światła (fotonu). Cząstka beta i neutrino powstają w momencie przejścia jądra z jednego stanu do drugiego, podobnie jak foton jest emitowany przez atom, gdy elektron będący częścią powłoki elektronowej atomu przechodzi z jednego poziom energii na inny.