מטען חשמלי

מאמר על מטען חשמלי באטומים

אנא התבוננו באחד העצמים שנמצאים סביבכם. אם אתם הורסים עצם, למשל, אבן, האבן תתחלק לחתיכות קטנות יותר. אם חלק מהאבן נהרס שוב, חתיכות האבן יהפכו לחתיכות קטנות יותר. מה אם האבן נהרסת שוב? כמובן, האבן קטנה יותר. האם ניתן להרוס אבנים לחתיכות קטנות יותר עד אינסופיות? המציאות מראה שעצם מחולק לחתיכות קטנות יותר ומגיע לנקודה שבה החלק הקטן ביותר של העצם לא ניתן לחלוקה לחתיכות קטנות יותר. החלק הקטן ביותר של עצם שלא ניתן לחלוקה נקרא אטום. לכן, אטומים הם החלק הקטן ביותר של כל חומר ביקום.

אטומים מורכבים מאלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים. פרוטונים ונייטרונים יוצרים גרעינים אטומיים שאורכם כ-10-15 מטרים. האלקטרונים נמצאים מחוץ לגרעין ונעים סביב גרעין האטום כמו כוכבי לכת הנעים סביב השמש. אם מניחים שקוטר האטום הוא כמה קילומטרים, אז גרעין האטום הוא בגודל של כדור ביליארד,

והאלקטרונים נמצאים בין הגרעין ומגיעים למרחק של כ-10-10 ^מטרים מהליבה. בין הליבה לאלקטרון יש רווח.

אלקטרונים טעונים שלילית ממוקמים בשולי האטומים, והפרוטונים המטעונים החיוביים ממוקמים בגרעין האטום. כדי שאלקטרונים ימשיכו לנוע בגרעין ולא לברוח מהאטום, גרעין האטום המטעון החיובי חייב להפעיל כוח משיכה על האלקטרון. הכוח המושך אלקטרונים להישאר סביב הגרעין ולא ניתן להפריד אותם מהאטום נקרא כוח חשמלי.

מצד שני, בתוך גרעין האטום, ישנם פרוטונים בעלי מטען חיובי כך שהפרוטונים חייבים לדחות זה את זה בגלל אותו מטען. כדי שהפרוטונים יישארו יחד בגרעין ולא נפרדים מהאטום, חייב להיות כוח המאחד את הפרוטונים. הכוח הקושר את הפרוטונים כדי שיישארו יחד בגרעין האטום נקרא כוח גרעיני.

מסת הפרוטון כמעט זהה למסת הנויטרונים. כ-99.9% ממסת האטום ממוקדת בגרעין האטום, בעוד שלאלקטרונים יש מסות זעירות. מסת האלקטרון (me) = 9.1093897 x 10-31 ^ק"ג , מסת הנויטרון (mn) = 1.6749286 x 10-27 ^ק"ג , מסת הפרוטון (mp) = 1.6726231 x 10-27 ^ק"ג.

כמות החשמל

אלקטרונים הם שליליים, פרוטונים הם חיוביים וניוטרונים הם ניטרליים. פרוטונים או נויטרונים מורכבים מקווארקים, בעלי מטען גדול פי ± 1/3 ו- ± פי 2/3 מאלקטרונים. קווארקים הם החלקיקים הקטנים ביותר היוצרים אטומים, אך עד כה, קווארקים לא נמצאו כחלקיקים בודדים.

כמות מטען האלקטרון או מטען הפרוטון היא יחידת המטען הבסיסית. המטען החשמלי של עצם הוא כפולה של מטען האלקטרון או מטען הפרוטון. זה נקרא מטען כמותי. לדוגמה, אם השבר הקטן ביותר של המטבע שאנו משתמשים בו הוא 1, אז סכום הכסף שאדם ציין בכפולות של המטבע הקטן ביותר הוא 1. לדוגמה, סכום הכסף שלי הוא 2 ו-3.

כמות המטען של אלקטרון היא –e וגודל המטען של פרוטון הוא +e. כמות המטען של גוף היא כפולה של e או 1.60 x 10-19 ^קולון וניתן לבטא אותה באמצעות Q = ± Ne. Q = מספר המטענים, ± מייצג את סוג המטען, N = מספר שלם, e = 1.60 x 10-19 ^קולון.

מטען חשמלי בעצמים

אם לאטום יש מספר אלקטרונים זהה לפרוטון, אז המטען החשמלי הכולל באטום הוא אפס, והוא ניטרלי או שאינו טעון חשמלית. מספר הפרוטונים או האלקטרונים באטום ניטרלי נקרא מספר אטומי (Z). אם האלקטרונים גדולים מפרוטון אחד, אז האטום טעון שלילי. לעומת זאת, אם האלקטרונים קטנים מפרוטונים, הם טעונים חיובית. אטומים טעונים שלילי נקראים יונים שליליים, בעוד שאטומים טעונים חיובית נקראים יונים חיוביים. תהליך קליטה או שחרור אלקטרונים מאטום נקרא יינון. כשאנו אומרים שאטום טעון, הכוונה היא למטען נטו. לדוגמה, לאטום יש 10 אלקטרונים ו-7 פרוטונים. אטום זה טעון שלילי מכיוון שיש לו עודף של 3 אלקטרונים. לכן, המטען נטו של אטום זה הוא 3, וסוג זה של מטען אטומי הוא שלילי. איורים 3, 7, 10 הם רק דוגמאות כדי להקל על ההבנה. במציאות, כמות המטען החשמלי של עצם היא כפולה של מטען האלקטרון או מטען הפרוטון.

אם לעצם יש מספר אלקטרונים זהה למספר הפרוטונים, אזי העצם ניטרלי או שאינו טעון חשמלית. אם לעצם יש יותר אלקטרונים מפרוטון אחד, העצם טעון שלילית, ואילו אם לעצם יש פחות אלקטרונים מפרוטון אחד, העצם טעון חיובית. עצמים שהיו בתחילה ניטרליים יכולים להיות טעונים שלילית על ידי הוספת אלקטרונים לעצם. אחרת, עצמים יכולים להיות טעונים חיובית על ידי הפחתת אלקטרונים בעצם.