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《电路分析导论(原书第12版)》一2.2 原子及其结构

简介:

本节书摘来华章计算机《电路分析导论(原书第12版)》一书中的第2章 ,第2.2节,(美) Robert L.Boylestad 著 陈希有 张新燕 李冠林 等译更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

2.2 原子及其结构

准确理解电流和电压的基本概念需要熟悉物质的原子结构。最简单的原子是氢原子,它包括质子和电子两个基本粒子,图2.1a代表了它们的相对位置。氢的原子核只有质子,是一种带有正电的粒子。
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围绕原子核旋转的电子带有负电荷,其值等于质子所带的正电荷。
除氢以外的其他元素,原子核中还含有中子,它略重于质子,不带电。例如氦原子,除了两个电子和两个质子外,还有两个中子,如图2.1b所示。一般地,任何稳定的原子结构具有相等个数的电子和质子。
不同元素的原子具有不同数量的电子,电子在同心轨道上围绕原子核旋转,这些轨道称为电子层。第一层最靠近原子核,只包含两个电子。如果原子有三个电子,多余的电子就必须处在下一层。每一电子层所存在的最多电子数量可用2n2来计算,其中n代表电子层序号。每个电子层又根据电子的数量被细分成s、p、d、f亚层,亚层的最多电子数分别为2、6、10和14。
铜是在电气和电子技术中得到广泛应用的金属,它的原子结构如图2.2所示。它共有
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29个电子,这些电子在不同的轨道上环绕着原子核,第29个电子出现在第4层。在每一个电子层和亚层上的电子数量都符合上面的计算式。图2.2中有两个重要的特征需要注意:第一,第4层可以有总数为2n2=2×42=32个电子,可现在它只有1个电子。所以最远的电子层是不完整的,并且离完整所需要的32个电子相差很多。外层有完整层的原子(即电子的数量等于2n2)通常是相当稳定的。如果外层电子数占总电子数的比例较小,这样的原子通常是不稳定和易挥发的。第二,第29个电子距原子核最远。由于异性电荷相互吸引,并且距离越远,吸引力越小,因此第29个电子受到原子核的吸引力明显小于其他电子。原子核和第29个电子之间的吸引力可以由库仑定律来计算。18世纪末期,
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式中,F表示电荷之间的作用力,单位为牛(N);k为常数,等于9.0×109N·m2/C2;Q1和Q2表示电荷量,单位为库仑(C);r表示两个电荷之间的距离,单位为米(m)。
库仑定律的最重要特征就是电荷之间的距离以平方的形式出现在分母中。所以,随着距离的增加,作用力将显著减小。例如,如果距离加倍,作用力将下降到原来的1/4。如果距离增加到4倍,作用力将下降到原来的1/16。因此,铜的第29个电子与原子核之间的吸引力远远小于第一层电子与原子核之间的吸引力。如果外界给第29个电子施加一微小的力,就可能使其离开原子。
如果第29个电子从外界获得了足够的能量,使得它脱离了原子,这个电子便称为自由电子。在室温条件下,1立方英寸体积的铜大约有1.4×1024个自由电子,可见其数量是相当惊人的,不是能够轻易数清的。此外,铜的自由电子数量清楚表明,在数学计算中要熟练应用10的乘方来表达特别大和特别小的数字。
与铜具有相同特性但程度不同的其他金属还有银、金、铝和一些稀有金属,例如钨。关于导体的其他特性见后续各节。

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