Природа происхождения электричества

Электричество мы используем повсюду, однако в большинство из нас имеет очень слабое представление откуда вообще взялось электричество- ведь в нашем понимании источник электроэнергии это или электророзетка в доме, аккумулятор в машине или батарейка купленная в магазине.

Конечно-же, пусть для простого обывателя все так и останется, но нам, как людям изучающим электронику, не мешало-бы узнать и поглубже- откуда взялось электричество, так сказать его природа происхождения.

Начнем с того что весь наш окружающий мир состоит из атомов.

Слово это придумали древние греки. Они вообще были крайне любознательны и поэтому очень многие слова, применяемые в современном мире, имеют древнегреческое происхождение… 😎 

Итак- в переводе с греческого,  слово АТОМ означает «неделимый». Конечно-же в древности никто не знал ни о молекулярной структуре веществ, и уж тем более о атоме и поэтому в понимании наших далеких предков слово АТОМ означало примерно следующее- если взять любое вещество, измельчить его в мелкую пыль, то самая мелкая пылинка, которую дальше измельчить же нельзя- это и будет атом.

С тех пор прошли многие годы и сейчас мы уже знаем, что все вещества имеют молекулярную структуру, а уже сама молекула состоит из атомов.
Однако и сам атом тоже имеет довольно сложную структуру- он, в свою очередь, так-же состоит из нескольких составляющих- ядро и вращающихся вокруг его электронов.

Вообще структуру атома принято представлять как модель солнечной системы (ее так и назвали- «планетарная модель»): точно так-же как вокруг солнца вращаются планеты, так и в атом имеет свое ядро, вокруг которого вращаются электроны.
Однако тут есть небольшая разница: в солнечной системе планеты на своих орбитах держатся за счет солнечного притяжения (гравитации), а в атоме электроны удерживаются за счет электрического притяжения.

Почему возникает между электроном и ядром возникает притяжение? Да потому что электрон имеет отрицательный заряд, а в составе ядра содержится элемент, который называется протон, и этот протон имеет положительный заряд.

Конечно-же все это очень образно и солнечную систему напоминает лишь издалека: электроны в атоме вращаются не по спокойным орбитам, а как бы, «размазаны» в пространстве- образуют так называемую «электронную оболочку», да и само ядро это тоже не просто шарик- в нем постоянно происходят различные процессы, впрочем, для нас в данный момент это особого значения не имеет…

Разные вещества имеют разное количество электронов:

У водорода- один электрон, у гелия- два, у углерода их уже шесть и так далее.
Бывают еще, так называемые, изотопы- вещества, в ядре которых содержатся дополнительные элементы, имеющие нейтральный заряд. Эти элементы называются нейтроны.
С увеличением числа электронов, увеличивается и число протонов в ядре, и тем самым как-бы общий электрический заряд атома как-бы уравновешивается.

Электроны вращаются вокруг ядра по разным орбитам, располагающихся слоями- одни из них расположены близко к ядру и имеют всего по два электрона (за исключением атома водорода- там всего один электрон), во втором слое, расположенном дальше ядра может быть уже до восьми орбит, в третьем- до восемнадцати, и конечно на самых удаленных орбитах сила притяжения электронов к ядру может немного ослабевать, и вот тут-то и начинается самое интересное- некоторые электроны могут отрываться со своей орбиты и пускаться в «свободное плавание».

Таким образом (в случае потери электрона), у атома нарушается электрическое равновесие- в нем начинает преобладать положительный заряд.

В статье Электричество, история исследования мы уже как-то отметили что еще в древности было отмечено что если натереть шерстью янтарную палочку, то палочка притягивает к себе легкие предметы, скажем клочки ткани, и вот теперь, зная устройство атома, мы это явление можем объяснить: при натирании, мы как-бы «выдираем» электроны из поверхностного слоя атомов шерсти, и «вталкиваем» их в янтарную палочку, и таким образом придаем ей электрический заряд.

Уровень этого заряда принято называть электрический потенциал, он имеет научную формулировку, имеет даже и формулы для его расчета, однако мы с Вами сейчас не будем вдаваться в скучный мир формул, а просто продолжим наше повествование…

Какое все это может иметь практическое значение? Да по-сути никакое! Натирая до бесконечности палочку шерстью мы с Вами «вечный источник» электроэнергии никак не получим (ведь мы не можем «выдирать» электроны до бесконечности!), однако мы можем сделать очень важный вывод: для того чтобы получить электрическую энергию, нам необходимо иметь какой-то источник для поддержания электрического заряда на постоянном уровне- то есть что-то такое, что будет постоянно снабжать нас заряженными частицами.

Относительно постоянный источник электрических заряженных частиц можно получить при помощи химической реакции- за счет протекания химических процессов, электроны из одного вещества как-бы начинают перетекать в другое. Именно на таком способе и построены химические элементы: они имеют два вывода, выполненных из разных материалов, внутри элемента происходит химическая реакция, одно из веществ начинает выделять электроны (тем самым приобретая положительный потенциал), а сами эти выделенные электроны начинают скапливаться в другом веществе, придавая ему отрицательный заряд.

Таким образом у нас имеется возможность получать электрическую энергию химическим путем, об этом подробнее в материале ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

В принципе на этом наше повествование на тему природа происхождения электричества можно было-бы и закончить, однако оно было-бы не полным, если-бы мы не подметили пару очень важных моментов:
* Первое: в любом из веществ могут присутствовать свободные электроны. Именно они переносят электрический заряд. Однако их количество в разных веществах может очень сильно отличаться и за счет этого не все вещества одинаково проводят электричество.
Об этом подробнее можно будет ознакомиться в статьях Проводники и диэлектрики а также Полупроводники
* Второе: разнополярные заряды имеют свойство притягиваться, а однополярные-отталкиваются. Это свойство получило название электромагнетизм.