Budowa materii ,a elektryczność

1. Co to jest elektrotechnika?
Elektrotechnika jest nauką o wytwarzaniu, przesyłaniu, transmisji i rozprowadzaniu energii elektrycznej oraz jej praktycznym wykorzystaniu we wszystkich dziedzinach ludzkiej działalności, np. w przemyśle, gospodarce rolnej, w transporcie, telekomunikacji, w pracach domowych itp.

2. Jakie znaczenie ma elektryczność względnie energia elektryczna?
Elektryczność jako energia elektryczna należy do najbardziej efektywnych i ekonomicznych rodzajów energii. Można ją uzyskać stosunkowo łatwo z innych form energii i na odwrót ? można ją łatwo zamienić na inną postać energii, np. na cieplną (w grzejniku), na mechaniczną (w silniku elektrycznym), na świetlną (w żarówce), na chemiczną (w procesie elektrolizy), na elektromagnetyczną (w radiu i tv). Energię elektryczną można dowolnie dawkować i ekonomicznie, z niezmiernie dużą prędkością, przesyłać na bardzo duże odległości.
Elektryczność uwolniła człowieka od ciężkiej pracy fizycznej, podwyższyła jego poziom życia, najbardziej przyczyniła się do ekonomicznego rozwoju wszystkich krajów świata. Umożliwiła ona dokonanie mechanizacji i automatyzacji złożonych procesów produkcyjnych i wytworzenie nowych, postępowych technik, np. przy rozwiązywaniu skomplikowanych matematyczno-logicznych problemów z pomocą układów zliczających itp.

3. Co wiemy o elektryczności?
Nie potrafimy dokładnie wyjaśnić zjawiska elektryczności, ale za to dobrze znamy jego działanie. W praktyce nie musimy wiedzieć, co to jest elektryczność, a do objaśnienia podstawowych zjawisk elektrycznych wystarczy ją przedstawić jako ruchliwą substancję, która przepływa przez przewód podobnie jak woda przez rurę wodociągową.
Gdy powiemy, że szklana płytka (po potarciu) ma pewną ilość elektryczności dodatniej, oznacza to tylko, że płytka zachowuje się w pewien określony sposób w stosunku do innych przedmiotów. Elektryczność jest przyczyną stanu ciała, podobnie jak ciepło jest przyczyną pewnego stanu ciała, wyrażanego jako temperatura.
Wielki postęp w produkcji energii elektrycznej umożliwiło odkrycie ogólnych praw i reguł rządzących elektrycznością. Tam, gdzie występują siły, musi być masa, a gdzie jest elektryczność, tam także jest masa. Elektryczność jest zatem fizycznym stanem masy.

4. Co nam wyjaśnia teoria elektronowa?
Teoria elektronowa wyjaśnia zjawiska elektryczne i magnetyczne w zależności od stanów masy. Atomy pierwiastków składają się z kilku podstawowych cząsteczek masy, z których elektron ma elementarny ładunek ujemny, a proton równej wartości ładunek dodatni. Ujemny ładunek ciał wynika z nadmiaru elektronów, dodatni zaś z ich niedostatku. A więc na podstawie istnienia i właściwości elektronów teoria elektronowa może wyjaśnić prawie wszystkie znane zjawiska elektryczne i magnetyczne.

5. Jak opisać stan masy wg modelu Bohra?
Jeśli chcemy dowiedzieć się czegoś więcej na temat podstaw elektryczności, musimy przynajmniej powierzchownie poznać pogląd na budowę masy. Wszystkie zjawiska elektryczne i magnetyczne są przejawami istnienia masy. Bez masy nie ma elektryczności i magnetyzmu. Każda masa składa się z bardzo małych cząstek zwanych atomami. O istnieniu atomów możemy się przekonać dopiero na podstawie ich oddziaływań fizycznych i chemicznych.
Dla wyjaśnienia budowy materii wystarczy nam prosty model atomu Bohra z 1915r.

Rys.1 Rys.2 Rys.3

Atom dowolnego pierwiastka składa się z jądra i powłoki elektronowej obsadzonej elektronami. Jądro składa się z protonów i neutronów. Wodór H jest najprostszym pierwiastkiem, a jego atom ma jądro, które zawiera tylko jeden proton (rys. 1). Liczba protonów w jądrze równa jest liczbie atomowej pierwiastka. Masa protonu jest aż 1840 razy większa od masy elektronu. Neutron ma taką samą masę co proton, jednak nie ma ładunku elektrycznego. Proton ma ładunek dodatni równy ujemnemu ładunkowi elektronu.
Elektron jest najmniejszą cząsteczką masy o najmniejszym ładunku elektrycznym ujemnym. Neutron powoduje w atomie tylko przyrost masy. Gdy jednak ten sam pierwiastek o tej samej liczbie protonów ma w różnych warunkach różne (o jeden lub więcej) liczby neutronów w jądrze, wtedy mówimy, że taki pierwiastek ma izotopy.
Od liczby protonów w jądrze zależą właściwości chemiczne pierwiastka.
Elektron krąży dookoła jądra z taką prędkością, aby jego siła odśrodkowa równała się sile przyciągania między dodatnim protonem i ujemnym elektronem.
Hel He ma liczbę atomową równą 2. Oznacza to, że w atomie helu są dwa protony i dwa elektrony, co wytwarza elektryczną równowagę oraz dwa neutrony (rys. 2). Suma mas protonów i elektronów tworzy masę atomową pierwiastka. Masa atomowa helu wynosi zatem 4 (dwa protony plus dwa neutrony).
Atomami o większej liczbie powłok (orbit) są np. atom tlenu O (rys. 3), atom sodu Na i chloru CL (rys. 4). Atom tlenu, pokazany schematycznie na płaszczyźnie, ma jądro, które zawiera 8 protonów i 8 neutronów, tj. ma masę atomową 16. na dwóch orbitach K i L znajduje się 8 ujemnych elektronów. Orbitę najbliższą jądra nazywamy literą K, drugą L, dalsze zaś kolejno literami M, N, O, P, Q.

Na-Cl

Rys. 4


Jądro atomu sodu Na zawiera 11 protonów i 12 neutronów. Na orbicie K krążą dwa elektrony, na orbicie L ? 8 elektronów, a na zewnętrznej orbicie M tylko jeden elektron. Jądro atomu chloru Cl zawiera 17 protonów. Na orbicie K znajdują się dwa elektrony, na orbicie L jest ich 8, a na zewnętrznej orbicie M znajduje się 7 elektronów walencyjnych.
Atom ma jeszcze inne elementarne cząsteczki masy, np. pozytrony, mezony, neutrina, co wskazuje na to, że rozwój poglądów na budowę materii nie jest zakończony. Opisany model atomu Bohra, choć nieco przestarzały, wystarczy do łatwiejszego przedstawienia atomu względnie budowy cząsteczki, a tym samym także masy. W rzeczywistości, elektrony krążą dookoła jądra nie po torach płaskich, ale po torach przestrzennych.

6. Jaka jest zależność między budową atomu a elektrycznością?
Dla poznania budowy elektryczności, tj. powstawania elektryczności względnie magnetyzmu, musimy mieć podstawowe wiadomości o budowie masy, tj. atomu. Elektrycznie neutralne neutrony w jądrze atomu zwiększają tylko jego masę. Protony są naelektryzowane dodatnio i odpychają się wzajemnie. Skoro jednak, mimo tego, protony i neutrony utrzymują się razem w jądrze, to muszą między nimi działać jeszcze inne duże siły wiązania (nieelektryczne, jądrowe), które można pokonać tylko przez rozbicie atomu.
Każdy atom jest w stanie elektrycznie obojętnym, jeżeli ma jednakową liczbę protonów i elektronów.
Między dodatnimi protonami w jądrze a ujemnymi elektronami na orbicie występują siły elektryczne (przyciągania). Te siły przyciągania są równoważone siłami odśrodkowymi krążących po orbitach elektronów. Przez oderwanie lub dodanie elektronu z orbity zewnętrznej atomu, atom zostaje naelektryzowany. Na przykład, przeskok elektronu z orbity zewnętrznej atomu sodu na orbitę boczną atomu chloru powoduje, że dodatni atom sodu (z braku jednego elektronu) będzie elektrycznie przyciągać ujemny atom chloru (wzbogacony o jeden elektron). Ta elektryczna więź między atomami Na i Cl umożliwia powstanie cząsteczki chlorku sodu NaCl (rys. 4).

7. Co to są elektrony swobodne atomu?
Na orbicie zewnętrznej może znajdować się jeden lub maksymalnie 8 elektronów. Gdy liczba elektronów krążących na orbicie zewnętrznej waha się w granicach 1-3 (mniej niż połowa maksymalnej liczby 8 elektronów), można je wtedy uwolnić za pomocą zewnętrznego działania (polem elektrycznym, promieniowaniem). Dotyczy to zwłaszcza metali, np. sodu Na. Elektrony znajdujące się najdalej od jądra atomu są słabo związane z jądrem (np. w miedzi, aluminium) i dlatego łatwo uwalniają się od przyciągania jądra; są one nazywane elektronami swobodnymi.

8. Jaka jest różnica między prądem elektronowym a elektrycznym?
Gdy na elektrony swobodne będziemy działali zewnętrznym polem elektrycznym, wytworzymy uporządkowany ruch w pewnym kierunku ? powstanie prąd elektronów swobodnych. Poruszają się one wtedy w danym kierunku w poprzek całego przekroju metalu, podobnie jak woda przepływa przez rurę wodociągową. Ruch elektronów swobodnych, czyli prąd elektronowy w przewodniku 1, czyli w metalu, ma kierunek od minusa bieguna elektrycznego (elektrycznego źródła, np. baterii) do bieguna dodatniego.
Kierunek prądu elektrycznego jest więc przeciwny do tego kierunku (od zacisku baterii plus do minus). Oznaczenie kierunku prądu elektrycznego wynikło omyłkowo przy przypadkowym oznaczeniu biegunów ciał pocieranych: np. gdy się pociera szkło powstaje niedostatek elektronów i taką elektryczność oznacza się jako dodatnią, natomiast ebonit po potarciu posiada nadmiar elektronów, co oznaczono jako elektryczność ujemną.

9. Jak powstaje jon dodatni i ujemny w ciałach stałych?
Weźmy np. atom sodu, który na zewnętrznej orbicie ma tylko jeden elektron. Jeżeli elektron wyjdzie poza sferę przyciągania jądra, to będzie on elektronem swobodnym, ale zostanie naruszona elektryczna równowaga atomu. W atomie będzie brakowało elektronu, a atom będzie czynny elektrycznie, tj. będzie naładowany jednym elementarnym ładunkiem dodatnim, ponieważ liczba protonów w jądrze jest teraz o jeden większa niż liczba elektronów na orbitach (11 dodatnich protonów, a tylko 10 ujemnych elektronów). Taki atom nazywamy jednowartościowym jonem dodatnim.
Takie atomy pierwiastków, które mają na zewnętrznej orbicie więcej niż cztery elektrony, ale jeszcze nie mają pełnej liczby elektronów, łatwo przyjmują na swą orbitę inne swobodne elektrony (rys. 4). W ten sposób powstaje w atomie nadmiar elektronów ujemnych ? atom zostaje naelektryzowany, czyli jest jonem ujemnym.

10. Co wiemy o powstawaniu dodatnich i ujemnych jonów w roztworze soli?
Jony (dodatnie i ujemne) powstają w niektórych roztworach wodnych soli, kwasów lub zasad w wyniku rozpadu zwanego dysocjacją. Takie jony mogą się swobodnie poruszać w roztworach i są nośnikami ładunków elektrycznych. Gdy poruszają się one pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, powstaje w roztworze prąd elektryczny (np. przy elektrolizie). Przykładowo wodny roztwór soli kuchennej NaCl zawiera w wyniku dysocjacji cząsteczek dodatnie jony sodu Na oraz ujemne jony chloru Cl. Gdy do takiego roztworu zanurzymy elektrody połączone ze źródłem stałego napięcia, zacznie się ruch jonów: dodatnie jony sodu Na będą przyciągane przez elektrodę ujemną i na odwrót ? ujemne jony chloru Cl będą przyciągane przez elektrodę dodatnią.

11. Jaka jest różnica między jonami w ciałach stałych i w roztworach?
Jony, które powstają w ciałach stałych na skutek utraty elektronów swobodnych, nie mogą poruszać się swobodnie, ponieważ są nawzajem związane. W tym przypadku jony tylko drgają dookoła swoich stałych położeń równowagi w siatce krystalicznej i nie mogą się przyczynić do przewodzenia prądu elektrycznego.
Jony, które powstają w roztworze soli, kwasów i zasad, mogą się poruszać w roztworze, gdy włożymy do niego elektrody połączone ze źródłem stałego napięcia. Przykładowo dodatnia elektroda z niedostatkiem elektronów przyciąga jony ujemne z nadmiarem elektronów i na odwrót ujemna elektroda przyciąga jony dodatnie.

12. Kiedy powstaje prąd elektryczny?
Nośnikami ładunków elektrycznych są swobodne elektrony i swobodne jony. Prąd elektryczny powstaje wtedy, gdy pod działaniem zewnętrznych przyczyn (np. pola elektrycznego wytworzonego przez źródło elektryczności) poruszają się w jednym kierunku albo swobodne elektrony (w przewodniku) albo swobodne jony (w roztworach, gazach).

13. Co to są przewodniki, izolatory i półprzewodniki prądu elektrycznego?
Przewodnikami są substancje, ciała, które mają wiele swobodnych nośników ładunków elektrycznych, a te umożliwiają powstanie dostatecznie wielkiego prądu elektrycznego. Przewodniki dzielimy na:
-przewodniki o przewodnictwie elektronowym, czyli takie, w których prąd elektryczny wytwarza strumień swobodnych elektronów; do tej grupy należą zwłaszcza metale, które pod wpływem przepływu prądu nie ulegają przemianom chemicznym
-przewodniki o przewodnictwie jonowym, czyli takie, w których prąd elektryczny wytwarza strumień dodatnich i ujemnych jonów; do tej grupy należą elektrolity, które w wyniku przepływu prądu stałego ulegają zmianom chemicznym (elektrolizie)
Ciałami nieprzewodzącymi elektryczności, czyli izolatorami lub dielektrykami są np. szkło, mika, guma. Nie przewodzą one elektryczności, ponieważ mają małą liczbę elektronów swobodnych. Dosko0nałym izolatorem jest próżnia, bo nie zawiera ona żadnych cząsteczek.
Półprzewodniki tworzą specjalną grupę ciał, których przewodność można zmieniać w wielkim zakresie przez działanie czynników zewnętrznych. Są to związki chemiczne różnych pierwiastków, szczególnie węgla i krzemu, oraz różne mieszaniny nieorganicznych i organicznych substancji. Szczególne znaczenie mają: selen, krzem, german.
Przewodność względnie opór substancji, zależy także od warunków fizycznych, np. temperatury, ciśnienia, stanu skupienia itp.
Dzięki.Proszę o ocenę.