Cała materia złożona jest z atomów. Układ okresowy pierwiastków
obejmuje wszystkie znane typy atomów i ich własności. Na atom składają się
następujące elementy:
-
elektrony – cząstki naładowane ujemnie, które poruszają się po
orbitach wokół jądra,
-
protony – cząstki naładowane dodatnio,
-
neutrony – cząstki bez ładunku (obojętne).
Protony i neutrony tworzą centralną część atomu zwaną jądrem.
Aby
lepiej zrozumieć elektryczne właściwości pierwiastków/substancji, należy
odnaleźć hel (He) w układzie okresowym pierwiastków.
Liczba atomowa helu to 2, co oznacza, że składa się on z 2 protonów i
2 elektronów. Jego masa atomowa to 4. Odejmując liczbę atomową (2) od masy
atomowej (4), można się przekonać, że hel ma również 2 neutrony.
Duński
fizyk Niels Bohr opracował uproszczony model atomu.
Ilustracja przedstawia model atomu helu. Gdyby protony i neutrony w
atomie miały takie rozmiary, że razem tworzyłyby bryłę o wielkości piłki
futbolowej znajdującej się na środku boiska, jedynymi mniejszymi elementami
byłyby elektrony. Miałyby one rozmiar wiśni i orbitowałyby w okolicach
najdalszych krańców stadionu. Innymi słowy, całkowity rozmiar tego atomu, z
uwzględnieniem orbit elektronów, byłby zbliżony do rozmiaru stadionu. Natomiast
samo jądro atomu, w którym znajdują się protony i neutrony, miałoby rozmiar
piłki.
Jedno z praw przyrody, zwane prawem Coulomba, mówi, że ładunki różnoimienne
(przeciwne) oddziałują na siebie siłą, która powoduje, że wzajemnie się
przyciągają. Ładunki jednoimienne (podobne) oddziałują na siebie siłą, która
powoduje, że się odpychają. Zarówno w przypadku ładunków różnoimiennych, jak i
jednoimiennych, siła zwiększa się w miarę zbliżania się ładunków do siebie i
jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Gdy
cząsteczki znajdują się bardzo blisko siebie, siły jądrowe równoważą
odpychającą siłę elektrostatyczną, sprawiając, że nukleony w jądrze utrzymują
się razem. Właśnie dlatego jądra nie rozpadają się.

Przyjrzyjmy się modelowi atomu helu proponowanemu przez Bohra. Jeśli prawo
Coulomba jest prawdziwe, a model Bohra opisuje atomy helu jako stabilne, to
działać muszą jeszcze jakieś inne prawa przyrody. W jaki sposób zarówno prawo
Coulomba, jak i model Bohra mogą być jednocześnie prawdziwe?
-
Prawo Coulomba – ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne
przyciągają.
-
Model Bohra – protony mają ładunki dodatnie, a elektrony ładunki
ujemne. W jądrze znajduje się kilka protonów.
Elektrony pozostają na orbitach, mimo iż protony je przyciągają.
Elektrony mają wystarczającą prędkość, aby utrzymywać się na orbicie i nie
zostać wciągnięte na jądro, podobnie jak dzieje się to w wypadku Księżyca
krążącego wokół Ziemi.
Protony nie oddalają od siebie z powodu sił
jądrowych, które związane są z neutronami. Siły jądrowe to niewiarygodnie duże
siły, które działają jak klej, utrzymując protony blisko siebie.
Protony
i neutrony są ze sobą związane bardzo wielką siłą, natomiast elektrony są
utrzymywane na orbicie wokół jądra przez siłę znacznie mniejszą. Tak więc
elektrony niektórych atomów, na przykład atomów metali, mogą zostać odciągnięte
od atomu i zmuszone do przepływu. Właśnie dzięki temu morzu elektronów, w
niewielkim stopniu związanych z atomami, możliwa jest elektryczność.
Elektryczność to swobodny przepływ elektronów.
Uwolnione elektrony,
które pozostają w jednym miejscu bez ruchu i mają ładunek ujemny, nazywane są
elektrycznością statyczną.
Jeśli te statyczne elektrony będą miały możliwość przeskoczenia na
przewodnik, może dojść do wyładowania elektrostatycznego (ESD). Przewodniki
zostaną omówione w dalszej części tego rozdziału.
Wyładowanie
elektrostatyczne, które jest zazwyczaj bezpieczne dla ludzi, może być
niebezpieczne dla wrażliwego sprzętu elektronicznego. Wyładowanie statyczne
może uszkodzić układy scalone komputera, przechowywane na nim dane lub jedno i
drugie. Obwody logiczne układów scalonych komputera są bardzo wrażliwe na
wyładowania elektrostatyczne. Podczas wykonywania czynności wewnątrz komputera,
routera lub innych urządzeń należy zachować w związku z tym ostrożność.
Substancje zbudowane z atomów lub grup atomów, zwane cząsteczkami, często
określa się terminem „materiały". Materiały klasyfikuje się pod względem
przynależności do jednej z trzech grup w zależności od tego, z jaką łatwością
może przez nie przepływać prąd elektryczny, czyli wolne elektrony.
Wiedza, w jaki sposób izolatory, przewodniki i półprzewodniki kontrolują
przepływ elektronów i pracują ze sobą w różnych kombinacjach, ma zasadnicze
znaczenie, jeżeli chodzi o wszystkie urządzenia elektroniczne.