Глава 1. Основы электричества

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Дать определения атома, материи, элемента и молекулы.

• Перечислить части атома.

• Дать определение валентной оболочки атома.

• Знать, в каких единицах измеряется ток.

• Изобразить символ, используемый для обозначения тока в цепи.

• Описать разницу между проводниками, изоляторами и полупроводниками.

• Дать определения разности потенциалов, электродвижущей силы и напряжения.

• Изобразить символ, используемый для обозначения напряжения.

• Знать, в каких единицах измеряется напряжение.

• Дать определение сопротивления.

• Знать характеристики сопротивления в цепи.

• Знать, в каких единицах измеряется сопротивление.

• Изобразить символ, используемый для обозначения сопротивления в цепи.

Любая вещь, созданная природой или человеком, может быть разбита на мельчайшие кусочки. Однако наименьшей частью вещества является атом. Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны сгруппированы в центре атома и образуют ядро. Электроны расположены на оболочках на различных расстояниях от ядра.

Когда соответствующая внешняя сила воздействует на электроны, находящиеся на внешней оболочке, они отрываются от атома и становятся свободными. Движение свободных электронов называется током. Внешняя сила, необходимая для создания тока, называется напряжением.

На своем пути ток встречает некоторое противодействие, называемое сопротивлением.

В этой главе рассмотрено, как связаны между собой ток, напряжение и сопротивление — эти основополагающие понятия учения об электричестве.

1–1. МАТЕРИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ И СОЕДИНЕНИЯ

Материей является все, что занимает окружающее нас пространство и имеет вес. Материя бывает в одном из трех основных состояний: твердом, жидком или газообразном. Примерами материи являются: воздух, которым мы дышим, вода, которую пьем, одежда, которую носим, и мы сами. Материя может быть либо элементом, либо соединением.

Элемент является основным строительным материалом природы. Он представляет собой субстанцию, которая не может быть разделена на более простые субстанции химическим путем. В настоящее время известно около 100 элементов. Примерами элементов являются золото, серебро, медь и кислород.

Химическая комбинация двух или более элементов называется соединением (рис. 1–1).

Рис. 1–1. Химическая комбинация двух или более элементов называется соединением. Молекула — это химическая комбинация двух или более атомов. Примерами являются вода (Н₂О) и соль (NaCl).

Соединение может быть разделено химическим, но не механическим способом.

Примерами соединений являются вода, которая состоит из кислорода и водорода, и поваренная соль, состоящая из натрия и хлора. Наименьшая частица соединения, которая еще сохраняет его свойства, называется молекулой. Молекула — это химическая комбинация двух или более атомов. Атом — это наименьшая частица элемента, сохраняющая характеристики элемента.

Комбинация элементов и соединений, не вступивших в химическую реакцию, называется смесью. Примерами смесей являются воздух, состоящий из кислорода, азота, углекислого газа и других газов, и соленая вода, которая состоит из соли и воды.

1–1. Вопросы

1. В каких состояниях бывает материя?

2. Как называется субстанция, которая не может быть разделена на более простые субстанции химическим путем?

3. Что является наименьшей частицей соединения, которая сохраняет его характеристики?

4. Что является наименьшей частицей, которая сохраняет характеристики элемента?

1-2. ЗНАКОМСТВО С АТОМАМИ

Атом является наименьшей частицей элемента, сохраняющей его характеристики. Атомы различных элементов отличаются друг от друга. Поскольку существует свыше 100 различных элементов, то существует и свыше 100 различных видов атомов.

Каждый атом имеет ядро. Ядро расположено в центре атома. Оно содержит положительно заряженные частицы — протоны и незаряженные частицы — нейтроны. Отрицательно заряженные частицы — электроны вращаются вокруг ядер (рис. 1–2).

Рис. 1–2. Части атома.

Количество протонов в ядре атома называется атомным номером элемента. Атомные номера позволяют отличить один элемент от другого.

Каждый элемент имеет атомный вес. Атомный вес — это масса атома, которая определяется общим числом протонов и нейтронов в ядре. Электроны практически не дают вклада в общую массу атома, масса электрона составляет только 1/1845 часть массы протона и ею можно пренебречь.

Электроны вращаются по концентрическим орбитам вокруг ядра. Каждая орбита называется оболочкой. Эти оболочки заполняются в следующей последовательности: сначала заполняется оболочка К, затем L, М, N и т. д. (рис. 1–3).

Рис. 1–3. Электроны расположены на оболочках вокруг ядра.

Максимальное количество электронов, которое может разместиться на каждой оболочке показано на рис. 1–4.

Рис. 1–4. Количество электронов, которое может принять каждая оболочка.

Внешняя оболочка называется валентной, и количество электронов, содержащееся в ней, называется валентностью.

Чем дальше от ядра валентная оболочка, тем меньшее притяжение со стороны ядра испытывает каждый валентный электрон. Таким образом, потенциальная возможность атома присоединять или терять электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и расположена достаточно далеко от ядра.

Электроны валентной оболочки могут получать энергию. Если эти электроны получат достаточно энергии от внешних сил, они могут покинуть атом и стать свободными электронами, произвольно перемещающимися от атома к атому.

Материалы, содержащие большое количество свободных электронов называются проводниками. На рис. 1–5 сравниваются проводимости различных металлов, используемых в качестве проводников. В таблице серебро, медь и золото имеют валентность равную единице (рис. 1–6). Однако серебро является лучшим проводником, поскольку его валентные электроны слабее связаны.

Рис. 1–5. Проводимость различных металлов, используемых в качестве проводников.

Рис. 1–6. Валентность меди равна 1.

Изоляторы, в противоположность проводникам, препятствуют протеканию электричества. Изоляторы стабильны благодаря тому, что валентные электроны одних атомов присоединяются к другим атомам, заполняя их валентные оболочки, препятствуя, таким образом, образованию свободных электронов. Материалы, классифицируемые как изоляторы, сравниваются на рис. 1–7.

Рис. 1–7. Диэлектрические свойства различных материалов, используемых в качестве изоляторов.

Слюда является наилучшим изолятором, потому что она имеет наименьшее число свободных электронов на своих валентных оболочках.

Промежуточное положение между проводниками и изоляторами занимают полупроводники. Полупроводники не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, но они важны, потому что их проводимость можно изменять от проводника до изолятора.

Кремний и германий являются полупроводниковыми материалами.

Об атоме, который имеет одинаковое число электронов и протонов, говорят, что он электрически нейтрален. Атом, получающий один или более электронов, не является электрически нейтральным. Он становится отрицательно заряженным и называется отрицательным ионом. Если атом теряет один или более электронов, то он становится положительно заряженным и называется положительным ионом. Процесс присоединения или потери электронов называется ионизацией. Ионизация играет большую роль в протекании электрического тока.

1–2. Вопросы

1. Какая атомная частица имеет положительный заряд и большую массу?

2. Какая атомная частица не имеет заряда вообще?

3. Какая атомная частица имеет отрицательный заряд и маленькую массу?

4. Что определяется количеством электронов на самой внешней оболочке атома?

5. Каким термином описывается присоединение и потеря электронов атомом?

1–3. ТОК

При наличии внешней силы движение электронов направлено от отрицательно заряженных атомов к положительно заряженным. Этот поток электронов называется током (I). Ток измеряется суммой зарядов всех электронов, прошедших через заданную точку.

Электрон имеет очень маленький заряд, такой, что заряд 6 280 000 000 000 000 000 электронов, собранных вместе, называется кулоном (Кл). Когда заряд в один кулон проходит через заданную точку за одну секунду, это означает, что по проводнику течет ток в один ампер (А). Единица силы тока названа в честь французского физика Андре Мари Ампера (1775–1836). Сила тока измеряется в амперах.

1–3. Вопросы

1. Какое действие приводит к появлению тока в электрической цепи?

2. Какое действие приводит к появлению тока в один ампер?

3. Какой символ используется для обозначения силы тока?

4. Какой символ используется для обозначения единицы силы тока?

1–4. НАПРЯЖЕНИЕ

Если имеет место избыток электронов (отрицательный заряд) на одном конце проводника и дефицит электронов (положительный заряд) на другом конце проводника, то по проводнику течет ток. Ток будет течь до тех пор, пока эти условия выполняются. Источник, который создает избыток электронов на одном конце проводника и дефицит электронов на другом конце, характеризуется потенциалом. Потенциал — это способность источника выполнять электрическую работу.

Реальная работа, производимая в цепи, является результатом наличия разности потенциалов на двух концах проводника. Именно эта разность потенциалов заставляет электроны двигаться или течь в цепи (рис. 1–8).

1–8. Поток электронов в цепи, обусловленный разностью потенциалов.

Разность потенциалов связана с электродвижущей силой (э.д.с.) или напряжением. Напряжение — это сила, которая перемещает электроны в цепи. Напряжение можно представить как давление или насос, перемещающий электроны.

Символ Е используется в электронике для обозначения напряжения. Единицей измерения напряжения является вольт (В), названный в честь графа Алессандро Вольта (1745–1827), изобретателя первого элемента, вырабатывающего электричество. Один вольт — это потенциал, приложенный к проводнику сопротивлением в один ом, для получения тока в один ампер.

1–4. Вопросы

1. Как называется устройство, которое создает напряжение?

2. Каким термином обозначается потенциал между двумя концами проводника?

3. Какой символ используется для обозначения напряжения?

4. Какой символ используется для обозначения единицы напряжения?

1-5. СОПРОТИВЛЕНИЕ

Когда свободные электроны перемещаются по цепи, они встречают на своем пути атомы, которые не очень охотно уступают им дорогу. Это противодействие потоку электронов (току) называется сопротивлением (R).

Каждый материал обладает некоторым сопротивлением или противодействием току. Степень сопротивления материала зависит от его размера, формы и температуры.

Материалы с низким сопротивлением называются проводниками. Проводники содержат много свободных электронов и оказывают малое сопротивление току. Как упоминалось раньше, серебро, медь, золото и алюминий являются примерами хороших проводников.

Материалы с высоким сопротивлением называются изоляторами. Изоляторы содержат немного свободных электронов и оказывают высокое сопротивление току. Как упоминалось ранее, стекло, резина и пластмасса являются примерами хороших изоляторов.

Сопротивление измеряется в омах (Ом), эта единица названа в честь немецкого физика Георга Симона Ома (1787–1854). Один ом — это такое сопротивление, которое позволяет течь току в один ампер при приложенном напряжении в один вольт. Символом, обозначающим ом, является греческая буква омега (Ω).

1–5. Вопросы

1. Какой термин используется для обозначения противодействия току?

2. Какое основное отличие между проводниками и изоляторами?

3. Какой символ используется для обозначения сопротивления?

4. Какой символ используется для обозначения единицы сопротивления?

РЕЗЮМЕ

• Материей является все, что заполняет окружающее нас пространство.

• Материя может быть элементом или соединением.

• Элемент является основным строительным материалом природы.

• Соединение — это комбинация двух или более элементов.

• Молекула — это наименьшая частица соединения, которая сохраняет его свойства.

• Атом — это наименьшая частица материи, которая сохраняет структуру элемента.

• Атом состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны. Он также содержит электроны, находящиеся на орбитах вокруг ядра.

• Протоны имеют положительный заряд, электроны имеют отрицательный заряд, а нейтроны не имеют заряда.

• Атомный номер элемента — это число протонов в ядре.

• Атомная масса элемента является суммой масс протонов и нейтронов.

• Орбиты, по которым движутся электроны, называются оболочками.

• Внешняя оболочка атома называется валентной оболочкой.

• Число электронов на валентной оболочке называется валентностью.

• Атом, который имеет одинаковое число протонов и электронов, называется электрически нейтральным.

• Процесс, при котором атом присоединяет или теряет электроны, называется ионизацией.

• Поток электронов называется током.

• Ток обозначается символом I.

• Заряд 6 280 000 000 000 000 000 электронов называется кулон.

• Ток в один ампер означает, что через данную точку за одну секунду проходит один кулон заряда.

• Ампер обозначается символом А.

• Ток измеряется в амперах.

• Электрический ток течет через проводник при наличии избытка электронов на одном конце проводника и дефицита на другом конце.

• Источник, обеспечивающий избыток электронов, характеризуется потенциалом или электродвижущей силой.

• Потенциал или электродвижущая сила связаны с напряжением.

• Напряжение — это сила, перемещающая электроны в цепи.

• Для обозначения напряжения используется символ Е.

• Единицей измерения напряжения является вольт (В).

• Сопротивление — это противодействие току.

• Сопротивление обозначается символом R.

• Все материалы оказывают некоторое сопротивление току.

• Сопротивление материала зависит от размеров материала, его формы и температуры.

• Проводники — это материалы с низким сопротивлением.

• Изоляторы — это материалы с высоким сопротивлением.

• Сопротивление измеряется в омах (Ом).

• Для обозначения омов используется греческая буква омега (Ω).

Глава 1. САМОПРОВЕРКА

1. Каким критериям должен удовлетворять атом хорошего проводника?

2. Что определяет принадлежность материала к проводникам, полупроводникам или изоляторам.

3. Почему важно понимание связи между проводниками, полупроводниками и изоляторами?

4. Объясните разницу между током, напряжением и сопротивлением.

5. Опишите, как определяется сопротивление материала.