Электричество, совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрических зарядов - электростатического поля).
Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т. е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие (учение о магнетизме является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат Максвелла уравнения
Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий (электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существующих в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположных знаков, взаимодействия между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой - являются дальнодействующими в отличие от сильных взаимодействий. Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (химические силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.
Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь (греч. электрон, elektron, отсюда термин электричество), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различие между электрическими и магнитными явлениями. Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар - гигантский магнит.
В XVII - 1-й половине XVIII вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации трением, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (английский учёный С. Грей). С изобретением первого конденсатора - лейденской банки (1745) - появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрёл молниеотвод.
Во 2-й половине XVIII в. началось количественное изучение электрических и магнитных явлений. Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш.Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879).
Этот основной закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерения электрических зарядов по силам взаимодействия между ними. Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.
Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в конце XVIII в. Л.Гальвани "животного электричества" и работами А.Вольты , который изобрёл первый источник электрического тока - гальванический элемент (т. н. вольтов столб, 1800), создающий непрерывный (постоянный) ток в течение длительного времени. В 1802 В.В.Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применений её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы - натрий и калий. Дж,П.Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорционально квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э.Х.Ленца (закон Джоуля - Ленца).
Г.Ом установил (1826) количественную зависимость электрического тока от напряжения в цепи. К.Ф.Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики.
Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х.Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку - явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А.М.Ампер установил закон взаимодействия электрических токов (Ампера закон). Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи (молекулярные токи). Т. о., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учения об электричестве.
Со 2-й четверти XIX в. началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30-40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг.- электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применение электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное, влияние на учение об электричестве.
В 30-40-х гг. XIX в. в развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.Фарадей - творец общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действия электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея различали "обыкновенное" (полученное при электризации трением), атмосферное, "гальваническое", магнитное, термоэлектрическое, "животное" и другие виды Э.].
Опыт Араго ("магнетизм вращения").
В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную - возбуждение электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.
Фарадей впервые ввёл представление об электрическом и магнитном полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстоянии действуют друг на друга.
Согласно идеям Фарадея, взаимодействие между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрическое или (соответственно) магнитное поля, с помощью которых взаимодействие передаётся от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрическом и магнитном полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал как механические образования в гипотетической среде - эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.
Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание. Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана ф. Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия.
Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимоиндукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон (лорд Кельвин) развил (1853) теорию электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность).
Большое значение для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений, созданная Гауссом и В.Вебером.
В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядоченного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющую собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющую размерность скорости.
При экспериментальном определении (Вебер и ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определённым указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.
В 1861-73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений и введя гипотезу о порождении магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире.
Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений, - существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г.Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.
В конце XIX - начале XX вв. начался новый этап в развитии теории электричества. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж. Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц, опираясь на открытие Томсона и выводы молекулярно-кинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества. В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрически заряженных частиц, движение которых подчинено законам классической механики. Уравнения Максвелла получаются из уравнений электронной теории статистическим усреднением.
Попытки применения законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришёл (1905) к относительности теории. Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.
На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией электричества. Квантовая теория электромагнитных процессов - квантовая электродинамика - была создана во 2-й четверти XX в. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об электричестве, изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения.
С открытием новых фактов и созданием новых теорий значение классического учения об электричестве не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории электричества.
Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла.
Одним из самых величайших открытий человечества стало электричество, с самого начала своего появления оно помогало нашей цивилизации активно развиваться. Электричество – это, пожалуй, самый экологический вид энергии. И не исключено, что в скором времени оно станет основным видом энергии, если на планете не останется сырьевых ресурсов.
Итак, кто изобрел электричество?
Электричество обнаружил ещё в прошлой эре греческий философ Фалес (VII век до нашей эры). Он увидел, что при трении янтаря о шерсть, камень начинает притягивать к себе лёгкие предметы. Кстати, электрон в греческом значит «янтарь», а электричество - «янтарность». Данные термины появились лишь в 1600 году, т.к. наблюдения Фалеса так и ни к чему не привели.
В 1650 году Магдебургским бургомистром Отто фоном Герике была построена электростатическая установка. Выглядела она как металлический стержень с шаром из серы. Это устройство помогало наблюдать свойства притягивания и отталкивания.
В 1729 году англичанин Стивен Грей проводил опыты по передаче электричества на расстояние. Эти опыты показали, что не каждому материалу свойственно проводить электричество, т.е. все материалы можно разделить на электрики и диэлектрики.
В 1733 году Шарль Дюфе открыл 2 вида электричества, получившие названия: стеклянное и смоляное. Обнаружить их удалось во время трения смолы о шерсть и стекол о шёлк.
В 1745 году появился первый электрический конденсатор с названием – Лейденская банка. Автором данного изобретения стал голландец Питер ван Мушенбрук.
В 1747 году американец Бенджамин Франклин написал очерк «Эксперименты и наблюдения над электричеством». Эта работа, по сути, является первой теорией электричества, где Франклином применяется к электричеству термин «нематериальная жидкость». В ней также была выдвинута теория о существовании положительных и отрицательных зарядов. Ещё Бенджамин Франклин придумал громоотвод и с его помощью наглядно доказал, что молния имеет именно электрическую природу.
1785 год стал переломным, исследование электричества попало в научную плоскость. Это открытие Закона Кулона.
В 1800 год – время ещё одного ключевого изобретения, когда удалось исследовать электричество более досконально, поставив много важных опытов. Итальянец Вольт придумал первый источник постоянного тока. Это изобретение было первым гальваническим элементом, состоящим из серебряных и цинковых кружков; между ними помещали бумагу, смоченную в соленой воде.
1820 году датским физиком Эрстедом было открыто электромагнитное взаимодействие, обнаружил которое он практически случайно, заметив колебания стрелки компаса, лежащего рядом с проводником. Электрический ток на проводник подавался циклично, при этом стрелка компаса колебалась в такт с включениями проводника в электрическую цепь.
Уже в 1821 году французский физик Ампер сделал открытие – магнетизм вокруг проводника образуется во время подачи на него электрического тока, в то время как при статическом электричестве магнетизма нет.
Также немалый вклад в изучение электричества был внесён учеными Джоулем, Ленцем, Омом и Гауссом. Гаусс в 1830 году уже описал главную теорию электростатического поля.
Вышеперечисленные открытия в области исследования электричества помогли Майклу Фарадею в 1831 году открыть электромагнитную индукцию. Это был важнейший момент в изучении электричества и его свойств. Благодаря этому открытию Фарадей создал первый электрогенератор. Он задвигал катушку в намагниченный сердечник, в результате на обмотке катушки появлялся электрический ток. Чуть позже, в 1834 году Фарадеем были открыты законы электролиза. После чего он описал новые термины: электрическое и магнитное поля.
Фарадей также придумал самый первый электродвигатель – проводник с электрическим током, способный вращаться вокруг постоянного магнита.
Как видите, появлению электричества поспособствовали многие учёные, но кого именно стоит считать его изобретателем, ответить крайне сложно.
Вместе со статьёй «Кто изобрел электричество?» читают:
Трудно найти человека, который не был бы знаком с электричеством. А вот найти того, кто знает историю его открытия, гораздо сложнее. Кто открыл электричество? Что представляет собой это явление?
Немного об электричестве
Понятие «электричество» обозначает охватывает явление существования и взаимодействия заряженных частиц. Термин появился в 1600 году от слова «электрон», что с греческого переводится как «янтарь». Автор этого понятия - Уильям Гилберт - человек открывший электричество Европе.
Это понятие, прежде всего не искусственное изобретение, а явление, связанное со свойством некоторых тел. Поэтому на вопрос: "Кто открыл электричество?" - ответить не так легко. В природе оно проявляется в что обусловлено различными зарядами верхних и нижних слоев атмосферы планеты.
Оно является важной частью жизни человека и животных, ведь работа нервной системы осуществляется благодаря электрическим импульсам. Некоторые рыбы, например, скаты и угри, генерируют электричество для поражения добычи или врага. Многие растения, такие как венерина мухоловка, мимоза стыдливая, также способны вырабатывать электрические разряды.
Кто открыл электричество?
Существует предположение, что люди изучали электричество ещё в Древнем Китае и Индии. Однако подтверждения этому нет. Более достоверно считать, что открыл древнегреческий ученый Фалес.
Он был известным математиком и философом, проживал в городе Милет, примерно в VI-V веках до нашей эры. Считается, что Фалес обнаружил свойство янтаря притягивать мелкие предметы, например перо или волос, если натереть его шерстяной тканью. Никакого практического применения такому явлению не нашлось, и его оставили без внимания.
В англичанин Уильям Гилберт публикует труд о магнитных телах, где приводятся факты о родственной и электричества, а также приводятся доказательства, что наэлектризовываться, кроме янтаря, могут и другие минералы, например, опал, аметист, алмаз, сапфир. Тела, способные наэлектризовываться ученый окрестил электриками, а само свойство - электричеством. Именно он впервые предположил, что молния связана с электричеством.
Электрические опыты
После Гилберта исследованиями в этой области занялся немецкий бургомистр Отто фон Герике. Он, хоть и не был тем, кто первый открыл электричество, все же сумел повлиять на ход научной истории. Отто стал автором электростатической машины, которая выглядела как серный шар, вращающийся на металлическом стержне. Благодаря этому изобретению удалось узнать, что наэлектризованные тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться. Исследования бургомистра легли в основу электростатики.
Далее последовала череда исследований, в том числе с использованием электростатической машины. Стивен Грей в 1729 году изменил устройство Герике, заменив серный шар стеклянным, и, продолжив опыты, открыл явление электропроводности. Чуть позже Шарль Дюфе обнаруживает наличие двух видов заряда - от стекла и от смол.
В 1745 году Питер ван Мушенбрук и Юрген фон Клейст, считая, что вода накапливает заряд, создают «лейденскую банку» - первый в мире конденсатор. Бенджамин Франклин утверждает, что накапливает заряд не вода, а стекло. Он также вводит термины «плюс» и «минус» для электрических зарядов, "конденсатор", "заряд" и "проводник".
Великие открытия
В конце XVIII века электричество становится серьезным объектом исследований. Теперь особое внимание уделяется изучению динамических процессов и взаимодействию частиц. На сцену выходит электрический ток.
В 1791 году Гальвани говорит о существовании физиологического электричества, которое присутствует в мышцах животных. Вслед за ним Алессандро Вольта изобретает гальванический элемент - вольтов столб. Это был первый источник постоянного тока. Таким образом, Вольта - ученый, открывший электричество заново, ведь его изобретение послужило началом для практического и многофункционального применения электричества.
В 1802 году происходит открытие Василием Петровым. Антуан Нолле создает электроскоп и исследует эффект электричества на живые организмы. А уже в 1809 году Физик Деларю изобретает лампу накаливания.
Далее изучается связь магнетизма и электричества. Над исследованиями работают Ом, Ленц, Гаусс, Ампер, Джоуль, Фарадей. Последний создает первый генератор энергии и электродвигатель, открывает закон электролиза и электромагнитную индукцию.
В XX веке исследованиями электричества занимается также электромагнитных явлений), Кюри (открыл пьезоэлектричество), Томсон (открыл электрон) и многие другие.
Заключение
Конечно, нельзя с уверенностью сказать, кто открыл электричество на самом деле. Явление это существует в природе, и вполне возможно, что открыли его ещё до Фалеса. Однако многие ученые, такие как Уильям Гилберт, Отто фон Герике, Вольта и Гальвани, Ом, Ампер, определенно внесли свой вклад в нашу сегодняшнюю жизнь.
Что такое электричество?
Электричество - это совокупность физических явлений, связанных с наличием электрического заряда. Хотя изначально электричество рассматривалось как явление, отдельное от магнетизма, но с разработкой уравнений Максвелла оба эти явления были признаны частью единого явления: электромагнетизма. Различные распространенные явления связаны с электричеством, такие как молнии, статическое электричество, электрическое отопление, электрические разряды и многие другие. Кроме того, электричество лежит в основе многих современных технологий.
Наличие электрического заряда, который может быть либо положительным, либо отрицательным, порождает электрическое поле. С другой стороны, движение электрических зарядов, которое называется электрическим током, создает магнитное поле.
Когда заряд помещается в точку с ненулевым электрическим полем, на него действует сила. Величина этой силы определяется законом Кулона. Таким образом, если бы этот заряд был перемещен, электрическое поле выполнило бы работу по перемещению (торможению) электрического заряда. Таким образом, можно говорить об электрическом потенциале в определенной точке пространства, равному работе, выполняемой внешним агентом при переносе единицы положительного заряда из произвольно выбранной точки отсчета до этой точки без какого-либо ускорения и, как правило, измеряемому в вольтах.
В электротехнике, электричество используется для:
- подачи электроэнергии туда, где электрический ток используется для питания оборудования;
- в электронике, имеющей дело с электрическими цепями, которые включают активные электрические компоненты, такие как вакуумные трубки, транзисторы, диоды и интегральные схемы, и связанные с ними пассивные элементы.
Электрические явления изучались с античных времен, хотя прогресс в теоретическом понимании начался в XVII и XVIII веках. Даже тогда практическое применение электричества было редкостью, и инженеры смогли использовать его в промышленных и жилых целях только в конце XIX века. Быстрое расширение электрических технологий в это время трансформировало промышленность и общество. Универсальность электричества заключается в том, что оно может использоваться почти в безграничном множестве отраслей, таких как транспорт, отопление, освещение, коммуникации и вычисления. Электроэнергия в настоящее время является основой современного индустриального общества.
История электричества
Задолго до того, как зародились какие-либо знания об электричестве, люди уже знали об ударах током электрической рыбы. Древнеегипетские тексты, датируемые 2750 годом до н. э., называли этих рыб "Громовержцы Нила" и описывали их как "защитников" всех других рыб. Свидетельства об электрических рыбах снова появляются тысячелетиями позже от древнегреческих, римских и арабских естествоиспытателей и врачей. Несколько древних писателей, такие, как Плиний Старший и Скрибониус Ларгус, свидетельствуют об онемении, как эффекте поражения электрическим током, производимым сомиками и электрическими скатами, а также они знали, что такие удары могут передаваться через проводящие ток предметы. Пациентам, страдающим от заболеваний, таких как подагра или головная боль прописывались прикосновения к таким рыбам с надеждой, что мощный электроудар может вылечить их. Возможно, что самое раннее и ближайшее приближение к открытию идентичности молнии и электричества из любого другого источника, было совершено арабами, у которых до 15-го века в языке слово "молния" (раад) применялось к электрическим скатам.
Древние культуры Средиземноморья знали, что если некоторые предметы, такие как янтарные палочки, потереть кошачьим мехом, то он нанёт притягивать легкие предметы, такие как перья. Фалес Милетский сделал ряд наблюдений статического электричества примерно в 600 г. до н.э., из которых он вывел, что для того, чтобы сделать янтарь способным притягивать предметы необходимо трение, в отличие от минералов, таких как магнетит, которым трение было не нужно. Фалес ошибался, полагая, что притяжение янтаря было связано с магнитным эффектом, но позже наука доказала связь между магнетизмом и электричеством. Согласно спорной теории, основанной на обнаружении Багдадской батареи в 1936 году, которая напоминает гальваническую ячейку, хотя неясно, был ли артефакт электрическим по своей природе, парфяне, возможно, знали о гальванотехнике.
Электричество продолжало вызывать не более, чем интеллектуальное любопытство на протяжении тысячелетий до 1600 года, когда английский ученый Уильям Гилберт провел тщательное изучение электричества и магнетизма, и выявил отличая "магнетитного" эффекта от статического электричества, производимого путем трения янтаря. Он придумал новое латинское слово electricus ("янтарный" или "как янтарь", от ἤλεκτρον, Elektron, с греческого: «янтарь») для обозначения свойства предметов притягивать мелкие предметы после натирания. Эта лингвистическая ассоциация породила английские слова «электрический» и «электричество», которые впервые появились в печати в работе Томаса Брауна "Pseudodoxia Epidemica" в 1646 году.
Дальнейшую работу проводили Отто фон Герике, Роберт Бойль, Стивен Грей и Шарль Франсуа Дюфе. В 18 веке Бенджамин Франклин провел обширные исследования в области электричества, продав свои владения для финансирования своей работы. В июне 1752 года он, как известно, прикрепил металлический ключ к нижней части нити воздушного змея и запустил змея в грозовое небо. Последовательность искр, соскакивающих с ключа на тыльную сторону ладони показала, что молния действительно имеет электрическую природу. Он также объяснил кажущее парадоксальным поведение лейденской банки в качестве устройства для хранения большого количества электрического заряда с точки зрения электричества, состоящего из положительных и отрицательных зарядов.
В 1791 году Луиджи Гальвани объявил о своем открытии биоэлектромагнетизма, демонстрируя, что электричество является средством, с помощью которого нейроны передают сигналы к мышцам. Аккумуляторная батарея Алессандро Вольта или гальванический столб 1800-х годов изготавливались из чередующихся слоев цинка и меди. Для ученых это был более надежный источник электрической энергии, чем электростатические машины, используемые ранее. Понимание электромагнетизма как единства электрических и магнитных явлений произошло благодаря Эрстеду и Андре-Мари Амперу в 1819-1820 годах. Майкл Фарадей изобрел электрический двигатель в 1821 году, а Георг Ом математически проанализировал электрическую цепь в 1827году. Электричество и магнетизм (и свет) были окончательно связаны Джеймсом Максвеллом, в частности, в его работе «О физических силовых линиях» в 1861 и 1862 годах.
В то время как в начале 19-го века мир стал свидетелем стремительного прогресса в науке об электричестве, в конце 19 века наибольший прогресс случился в области электротехники. С помощью таких людей, как Александр Грэхем Белл, Отто Титус Блати, Томас Эдисон, Галилео Феррарис, Оливер Хевисайда, Аньош Иштван Йедлик, Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин, Чарльз Алджернон Парсонс, Вернер фон Сименс, Джозеф Уилсон Суон, Реджинальд Фессенден, Никола Тесла и Джордж Вестингауз, электричество превратилась из научного любопытства в незаменимый инструмент для современной жизни, став движущей силой второй промышленной революции.
В 1887 году Генрих Герц обнаружил, что электроды освещенные ультрафиолетовым светом, создают электрические искры более легко, чем не освещенные. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой были объяснены экспериментальные данные фотоэлектрического эффекта как результат переноса световой энергии дискретными квантованными пакетами, возбуждающими электроны. Это открытие привело к квантовой революции. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году за "открытие закона фотоэлектрического эффекта". Фотоэлектрический эффект также используется в фотоэлементах таких, какие можно найти в панелях солнечных батарей, и это часто используется для выработки электроэнергии в коммерческих целях.
Первым полупроводниковым устройством стал детектор "кошачий ус", который был первым в использовании в радиоприемниках в 1900-х годах. Усоподобная проволочка приводится в легкое контактное прикосновение с твердым кристаллом (например, кристаллом германия) для того, чтобы продетектировать радиосигнал посредством контактно-переходного эффекта. В полупроводниковом узле, ток подается в полупроводниковые элементы и соединения, сконструированные специально для переключения и усиления тока. Электрический ток может представляться в двух формах: в виде отрицательно заряженных электронов, а также положительно заряженными вакансиями электронов (незаполненными электронами местами в атоме полупроводника), называемыми дырками. Эти заряды и дырки понимаются с позиции квантовой физики. Строительным материалом чаще всего является кристаллический полупроводник.
Развитие полупроводниковых устройств началось с изобретением транзистора в 1947 году. Распространенными полупроводниковыми устройствами являются транзисторы, микропроцессорные чипы и чипы оперативной памяти. Специализированный тип памяти, называемый флэш-памятью используется в USB флэш-накопителях, и совсем недавно полупроводниковыми накопителями стали заменять и накопители на механически вращающихся жестких магнитных дисках. Полупроводниковые устройства стали распространенными в 1950-х и 1960-х годах, в период перехода от вакуумных ламп к полупроводниковым диодам, транзисторам, интегральным схемам (ИС) и светодиодам (LED).
Основные понятия электричества
Электрический заряд
Наличие заряда порождает электростатическую силу: заряды оказывают друг на друга силовое действие, этот эффект был известен в древности, хотя и не был тогда понятен. Легкий шарик, подвешенный на веревочке может быть заряжен прикосновением к нему стеклянной палочкой, которая сама до этого была заряжена при трении о ткань. Подобный шар, заряженный тем же стеклянным стержнем будет отталкиваться от первого: заряд заставляет два шара отделяться друг от друга. Два шара, которые заряжаются от натертого янтарного стержня также отталкиваются друг от друга. Тем не менее, если один шар заряжается от стеклянной палочки, а другой - от янтарного стержня, то оба шара начинают притягиваются друг к другу. Эти явления были исследованы в конце восемнадцатого века Шарлем Огюстеном де Кулоном, который сделал вывод, что заряд проявляется в двух противоположных формах. Это открытие привело к известной аксиоме: одинаково заряженные объекты отталкиваются, а противоположно заряженные объекты притягиваются.
Сила действует на сами заряженные частицы, следовательно, заряд имеет тенденцию к как можно более равномерному распространению по проводящей поверхности. Величина электромагнитной силы, будь то притяжение или отталкивание, определяется законом Кулона, который гласит, что электростатическая сила пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Электромагнитное взаимодействие является очень сильным, оно уступает по силе только сильному взаимодействию, но в отличие от последнего, оно действует на любых расстояниях. По сравнению с гораздо более слабым гравитационным взаимодействием, электромагнитная сила, расталкивает два электрона в 1042 раз сильнее, чем гравитационная сила притягивает их.
Исследование показало, что источником заряда являются определенные типы субатомных частиц, которые обладают свойством электрического заряда. Электрический заряд порождает электромагнитную силу, которая является одной из четырех фундаментальных сил природы, и взаимодействует с ней. Наиболее известными носителями электрического заряда являются электрон и протон. Эксперимент показал, что заряд - сохраняющаяся величина, то есть, суммарный заряд внутри изолированной системы всегда будет оставаться постоянным вне зависимости от каких-либо изменений, которые происходят в пределах этой системы. В системе заряд может передаваться между телами либо прямым контактом, либо путем передачи по проводящему материалу, например проводу. Неофициальный термин "статическое электричество" означает чистое присутствие заряда (или "дисбаланс" зарядов) на теле, обычно вызываемое тем, что разнородные материалы, будучи потертыми друг о друга, передают заряд от один другому.
Заряды электронов и протонов противоположны по знаку, следовательно, суммарный заряд может быть как положительным, так и отрицательным. По соглашению, заряд переносимый электронами, считается отрицательным, а переносимый протонами - положительным, по традиции, заложенной работами Бенджамина Франклина. Величина заряда (количество электричества) обычно обозначается символом Q и выражается в кулонах; каждый электрон несет один и тот же заряд, приблизительно -1,6022 × 10-19 кулона. Протон имеет заряд, равный по значению и противоположный по знаку, и, таким образом, + 1,6022 × 10-19 Кулона. Зарядом обладает не только вещество, но и антивещество, каждая античастица несет равный заряд, но противоположный по знаку к заряду его соответствующей частицы.
Заряд можно измерить несколькими способами: ранний прибор-электроскоп с золотыми лепестками, который, хотя все еще используется для учебных демонстраций, в настоящее время вместо него применяется электронный электрометр.
Электрический ток
Движение электрических зарядов называется электрическим током, интенсивность его обычно измеряется в амперах. Ток может создаваться какими-либо движущимися заряженными частицами; чаще всего это электроны, но в принципе любой заряд приведенный в движение представляет собой ток.
По исторически сложившейся договоренности положительный ток определяется направлением движения положительных зарядов, перетекающих из более положительной части цепи в более отрицательную часть. Ток, определенный таким образом, называется условным током. Одной из наиболее известной формой тока является движение отрицательно заряженных электронов по цепи, и таким образом, положительное направление тока сориентировано в противоположном движению электронов направлении. Тем не менее, в зависимости от условий, электрический ток может состоять из потока заряженных частиц движущегося в любом направлении, и даже в обоих направлениях одновременно. Договоренность считать положительным направлением тока направление движения положительных зарядов широко используется для упрощения этой ситуации.
Процесс, при котором электрический ток проходит через материал, называется электрической проводимостью, и её природа изменяется в зависимости от того, какими заряженными частицами она осуществляется и от материала, через который они перемещаются. В качестве примеров электрических токов можно привести металлическую проводимость, осуществляемую потоком электронов через проводник, такой как металл, и электролиз, осуществляемый потоком ионов (заряженных атомов) через жидкость или плазму, как в электрических искрах. В то время как сами частицы могут двигаться очень медленно, иногда со средней скоростью дрейфа только доли миллиметра в секунду, электрическое поле, что приводит их в движение распространяется со скоростью близкой к скорости света, позволяя электрическим сигналам быстро проходить по проводам.
Ток вызывает ряд наблюдаемых эффектов, которые исторически являлись признаком его присутствия. Возможность разложения воды под действием тока от гальванического столба была обнаружена Николсоном и Карлайлом в 1800 году. Этот процесс теперь называется электролиз. Их работа была значительно расширена Майклом Фарадеем в 1833 году. Ток, протекая через сопротивление, вызывает локализованный нагрев. Данный эффект Джеймс Джоуль описал математически в 1840 году. Одно из наиболее важных открытий, касающихся тока было сделано случайно Эрстедом в 1820 году, когда при подготовке лекции, он обнаружил, что ток, протекающий по проводу, вызвал поворот стрелки магнитного компаса. Так он открыл электромагнетизм, фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитных выбросов, генерируемых электрической дугой, достаточно высок для получения электромагнитных помех, которые могут нанести ущерб работе смежного оборудования.Он обнаружил электромагнетизм, фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитных излучений, генерируемых электрической дугой достаточно высок, чтобы производить электромагнитные помехи, которые могут вызвать помехи в работе находящегося поблизости оборудования.
Для технического или бытового применения ток часто характеризуется как либо постоянный (DC), либо переменный (AC). Эти термины относятся к тому, как ток изменяется во времени. Постоянный ток, производимый, например, батареей и требуемый для большинства электронных устройств, является однонаправленным потоком от положительного потенциала цепи к отрицательному. Если этот поток, что чаще случается, переносится электронами, они будут перемещаться в противоположном направлении. Переменным током называется любой ток, который непрерывно меняет направление, он почти всегда имеет форму синусоиды. Переменный ток пульсирует назад и вперед внутри проводника без перемещения заряда на какое-нибудь конечное расстояние за длительный промежуток времени. Усредненное по времени значение переменного тока равно нулю, но он доставляет энергию сначала в одном направлении, а затем в обратном. Переменный ток зависит от электрических свойств, которые не проявляют себя при стационарном режиме постоянного тока, например, от индуктивности и емкости. Эти свойства, однако, могут проявить себя, когда схема подвергается переходным процессам, например, при первоначальной подаче энергии.
Электрическое поле
Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем. Электрическое поле создается заряженным телом в пространстве, которое окружает тело, и приводит к силе, действующей на любые другие заряды, расположенные в поле. Электрическое поле действует между двумя зарядами аналогично гравитационному полю, действующему между двумя массами, и также простирается до бесконечности и обратно пропорционально квадрату расстояния между телами. Тем не менее, есть существенная разница. Сила тяжести всегда притягивает, заставляя соединиться две массы, в то время как электрическое поле может привести либо притяжению, либо к отталкиванию. Так как крупные тела, такие как планеты в целом имеют нулевой суммарный заряд, их электрическое поле на расстоянии обычно равно нулю. Таким образом, сила тяжести является доминирующей силой на больших расстояниях во Вселенной, несмотря на то, что сама она гораздо слабее.
Электрическое поле, как правило, различается в различных точках пространства, а его напряженность в любой точке определяется как сила (отнесенная к единице заряда), которую будет испытывать неподвижный, ничтожно малый заряд, если его поместить в эту точку. Абстрактный заряд, называемый "пробным зарядом", должен иметь исчезающе малое значение, чтобы его собственным электрическим полем, нарушающим основное поле, можно было пренебречь, а также должен быть стационарным (неподвижным), чтобы предотвратить влияние магнитных полей. Поскольку электрическое поле определяется в терминах силы, а сила является вектором, то электрическое поле также является вектором, имеющим как величину, так и направление. А если конкретнее, то электрическое поле является векторным полем.
Учение о электрических полях, создаваемых неподвижными зарядами, называется электростатикой. Поле может быть визуализировано с помощью набора воображаемых линий, направление которых в любой точке пространства совпадает с направлением поля. Это понятие было введено Фарадеем, и термин «силовые линии» до сих пор иногда встречается. Линии поля - это пути, по которым точечный положительный заряд будет совершать движение под действием поля. Они, однако, являются абстрактным, а не физическим объектом, а поле пронизывает всё промежуточное пространство между линиями. Линии поля, исходящие из стационарных зарядов, имеют несколько ключевых свойств: во-первых, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах; во-вторых, они должны входить в любой идеальный проводник под прямым углом (нормально), и в-третьих, они никогда не пересекаются и не замыкаются сами на себя.
Полое проводящее тело содержит весь свой заряд на своей внешней поверхности. Поэтому поле равно нулю во всех местах внутри тела. На этом принципе работает клетка Фарадея - металлическая оболочка, которая изолирует свое внутреннее пространтсво от внешних электрических воздействий.
Принципы электростатики имеют важное значение при проектировании элементов высоковольтного оборудования. Существует конечный предел напряженности электрического поля, которая может быть выдержана любом материалом. Выше этого значения происходит электрический пробой, который вызывает электрическую дугу между заряженными частями. Например, в воздухе электрический пробой наступает при небольших зазорах при напряженности электрического поля, превышающем 30 кВ на сантиметр. При увеличении зазора предельная напряженность пробоя снижается, примерно, до 1 кВ на сантиметр. Наиболее заметное подобное естественное явление - это молния. Она возникает, когда заряды разделяются в облаках восходящими колоннами воздуха, и электрическое поле в воздухе начинает превышать значение пробоя. Напряжение большого грозового облака может достигать 100 МВ и иметь величину энергии разряда 250 кВт-час.
На величину напряженности поля сильно влияют находящиеся поблизости проводящие объекты, и напряженность особенно велика, когда полю приходится огибать заостренные объекты. Этот принцип используется в громоотводах, острые шпили которых принуждают молнии разряжаться в них, а не в здания, которые они защищают.
Электрический потенциал
Понятие электрического потенциала тесно связано с электрическим полем. Небольшой заряд, помещенный в электрическое поле, испытывает силу, и для того, чтобы переместить заряд против этой силы, требуется совершить работу. Электрический потенциал в любой точке определяется как энергия, которую необходимо затратить, чтобы крайне медленно переместить единичный пробный заряд с бесконечности до этой точки. Потенциал обычно измеряется в вольтах, и потенциал в один вольт - это потенциал, при котором необходимо затратить один джоуль работы, чтобы переместить заряд в один кулон из бесконечности. Это формальное определение потенциала имеет небольшое практическое применение, и более полезным является понятие электрической разности потенциалов, то есть энергия, необходимая для перемещения единицы заряда между двумя заданными точками. Электрическое поле имеет одну особенность, оно является консервативным, что означает, что путь, пройденный пробным зарядом не имеет никакого значения: на прохождение всевозможных путей между двумя заданными точками всегда будет затрачена одна и та же энергия, и, таким образом, существует единственное значение разности потенциалов между двумя положениями. Вольт настолько сильно закрепился в качестве единицы измерения и описания разности электрических потенциалов, что термин вольтаж используется широко и повседневно.
Для практических целей полезно определить общую точку отсчета, относительно которой потенциалы могут быть выражены и сравниваться. Хотя, она может находиться и на бесконечности, гораздо более практично использовать в качестве нулевого потенциала саму Землю, которая во всех местах, как предполагается, имеет один и тот же потенциал. Эту точка отсчета, естественно, обозначают как "земля" (ground). Земля является бесконечным источником равного количества положительных и отрицательных зарядов и, следовательно, она электрически нейтральна и незаряжаема.
Электрический потенциал является скалярной величиной, то есть, он имеет только значение и не имеет направления. Его можно рассматривать как аналог высоты: подобно тому, как выпущенный объект будет падать посредством разности высот, вызванной гравитационным полем, так и заряд будет "падать" посредством напряжения, вызванного электрическим полем. Как на картах обозначается рельеф посредством контурных линий, соединяющих точки одинаковой высоты, так и набор линий, соединяющих точки равного потенциала (известные как эквипотенциали) могут быть прорисованы вокруг электростатически заряженного объекта. Эквипотенциали пересекают все силовые линии под прямым углом. Они также должны лежать параллельно поверхности проводника, в противном случае будет производиться сила, перемещающая носители зарядов по эквипотенциальной поверхности проводника.
Электрическое поле формально определяется как сила, оказываемая на единицу заряда, но понятие потенциала предоставляет более полезное и эквивалентное определение: электрическое поле - это локальный градиент электрического потенциала. Как правило, оно выражается в вольтах на метр, а направление вектора поля является линией наибольшего изменения потенциала, то есть в направлении ближайшего расположения другой эквипотенциали.
Электромагниты
Открытие Эрстедом в 1821 году того факта, что магнитное поле существует вокруг всех сторон провода, несущего электрический ток, показало, что существует прямая связь между электричеством и магнетизмом. Более того, взаимодействие казалось отличающимся от гравитационных и электростатических сил, двух сил природы, тогда известных. Сила действовала на стрелку компаса, не направляя ее к проводу с током или от него, а действовала под прямым углом к нему. Немного неясными словами "электрический конфликт имеет вращающее поведение" Эрстед выразил своё наблюдение. Эта сила также зависела от направления тока, ибо, если ток менял направление, то магнитная сила меняла его тоже.
Эрстед не в полной мере смог понять свое открытие, но наблюдаемый им эффект был взаимным: ток оказывает силовое воздействие на магнит, и магнитное поле оказывает силовое воздействие на ток. Феномен был в дальнейшем изучен Ампером, который обнаружил, что два параллельных провода с током, оказывают силовое действие друг на друга: два провода, с протекающими по ним токами в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу, в то время как провода, содержащие токи в противоположных направлениях друг от друга, отталкиваются. Это взаимодействие происходит посредством магнитного поля, которое каждый ток создает, и на основе этого явления определяется единица измерения тока - Ампер в международной системе единиц.
Эта связь между магнитными полями и токами является чрезвычайно важной, поскольку она привела к изобретению Майклом Фарадеем электродвигателя в 1821 году. Его униполярный двигатель состоял из постоянного магнита, помещенного в сосуд с ртутью. Ток пропускался по проводу, подвешенному на шарнирном подвесе над магнитом и погруженному в ртуть. Магнит оказывал тангенциальную силу на провод, что заставляло последний вращаться вокруг магнита до тех пор, пока в проводе поддерживался ток.
Эксперимент, проведенный Фарадеем в 1831 году, показал, что провод, движущийся перпендикулярно магнитному полю, создавал разность потенциалов на концах. Дальнейший анализ этого процесса, известного как электромагнитная индукция, позволил ему сформулировать принцип, теперь известный как закон индукции Фарадея, что разность потенциалов, наведенная в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока пронизывающего контур. Разработка этого открытия позволили Фарадею изобрести первый электрический генератор, в 1831 году, в котором преобразуется механическая энергия вращающегося медного диска в электрическую энергию. Диск Фарадея был неэффективным и не использовался в качестве практического генератора, но он показал возможность выработки электроэнергии с использованием магнетизма, и эта возможность была взята на вооружение теми, кто последовал за его разработками.
Способность химических реакций производить электроэнергию, и, обратная способность электроэнергии производить химические реакцие имеет широкий спектр применений.
Электрохимия всегда была важной частью учения о электричестве. Из первоначального изобретения вольтова столба, гальванические элементы эволюционировали в самые разнообразные типы батарей, гальванические и электролизные элементы. Алюминий получают в огромных количествах электролизным способом, и во многих портативных электронных устройствах используются перезаряжаемые источники электроэнергии.
Электрические схемы
Электрическая цепь представляет собой соединение электрических компонентов таким образом, что электрический заряд, вынужденный проходить по замкнутой траектории (контуру), обычно выполняет ряд некоторых полезных задач.
Компоненты в электрической цепи могут принимать различные формы, выступая в роли таких элементов, как резисторы, конденсаторы, выключатели, трансформаторы и электронные компоненты. Электронные схемы содержат активные компоненты, такие как полупроводники, которые обычно работают в нелинейном режиме и требуют применения к ним комплексного анализа. Наиболее простыми электрическими компонентами являются те, которые называются пассивными и линейными: хотя они могут временно хранить энергию, они не содержат ее источников и работают в линейном режиме.
Резистор, пожалуй, самый простой из пассивных элементов схемы: как предполагает его название, он сопротивляется току, протекающему через него, рассеивая электроэнергию в виде тепла. Сопротивление является следствием движения заряда через проводник: в металлах, например, сопротивление в первую очередь связано со столкновениями электронов и ионов. Закон Ома является основным законом теории цепей, и гласит, что ток, проходящий через сопротивление прямо пропорционален разности потенциалов на нем. Сопротивление большинства материалов относительно постоянно в широком диапазоне температур и токов; материалы, удовлетворяющие этим условиям, известны как "омические". Ом - единица сопротивления, была названа в честь Георга Ома и обозначается греческой буквой Ω. 1 ом - это сопротивление, которое создает разность потенциалов в один вольт при пропускании через него тока величиной в один ампер.
Конденсатор является модернизацией лейденской банки и представляет собой устройство, которое может хранить заряд, и тем самым накапливать электрическую энергию в создающемся поле. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных тонким изолирующим слоем диэлектрика; на практике это пара тонких полосок металлической фольги, смотанных вместе, для увеличения площади поверхности в единице объема и, следовательно, емкости. Единицей емкости является фарад, названный в честь Майкла Фарадея и обозначается символом F: один фарад является емкость, которая создает разность потенциалов в один вольт, при хранении заряда в один кулон. Через конденсатор, подключенный к источнику питания вначале протекает ток, так как в конденсаторе происходит накопление заряда; этот ток будет, однако уменьшаться по мере того, как конденсатор будет заряжаться, и в конце концов станет равным нулю. Конденсатор поэтому не пропускает постоянный ток, а блокирует его.
Индуктивность является проводником, как правило, мотком провода, которая хранит энергию в магнитном поле, возникающем при прохождении тока через неё. При изменении тока, магнитное поле также изменяется, создавая напряжение между концами проводника. Индуцированное напряжение пропорционально скорости изменения тока. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью. Единица индуктивности - генри, названна в честь Джозефа Генри, современника Фарадея. Индуктивность в один генри - это индуктивность, которая вызывает разность потенциалов в один вольт, при скорости изменения тока, проходящего через неё, в один ампер в секунду. Поведение индуктивности противоположенное поведению конденсатора: она будет свободно пропускать постоянный и блокировать быстро меняющийся ток.
Электрическая мощность
Электрическая мощность - это скорость, с которой электрическая энергия передается электрической цепью. Единица СИ мощности - ватт, равный одному джоулю в секунду.
Электрическая мощность как и механическая является скоростью выполнения работы, измеряется в ваттах и обозначается буквой P. Термин потребляемая мощность, используемый в просторечии, означает "электрическую мощность в ваттах." Электрическая мощность в ваттах, производимая электрическим током I, равным прохождению заряда Q кулон каждые t секунд через электрическую разность потенциалов (напряжение) V равна
P = QV/t = IV
- Q - электрический заряд в кулонах
- t - время в секундах
- I - электрический ток в амперах
- V - электрический потенциал или напряжение в вольтах
Генерация электроэнергии часто производится с помощью электрогенераторов, но также может производиться химическими источниками, такими как электрические батареи или другими способами с помощью самых разнообразных источников энергии. Электрическая мощность, как правило, поставляется на предприятия и в дома электроэнергетическими компаниями. Оплата за электроэнергию обычно происходит за киловатт-час (3,6 МДж), который является произведенной мощностью в киловаттах, умноженной на время работы в часах. В электроэнергетике измерения мощности производят с использованием счетчиков электроэнергии, которые запоминают количество общей электрической энергии, отдаваемой клиенту. В отличие от ископаемого топлива, электроэнергия является низкоэнтропийной формой энергии и может быть преобразована в энергию движения или многие другие виды энергии с высокой эффективностью.
Электроника
Электроника имеет дело с электрическими цепями, которые включают в себя активные электрические компоненты, такие как вакуумные трубки, транзисторы, диоды и интегральных схемы, и связанные с ними пассивные элементы и элементы коммутации. Нелинейное поведение активных компонентов и их способность контролировать потоки электронов позволяет усиливать слабые сигналы и широко использовать электронику в обработке информации, телекоммуникации и обработке сигналов. Способность электронных устройств работать в качестве переключателей позволяет проводить цифровую обработку информации. Элементы коммутации, такие как печатные платы, технологии компоновки и другие разнообразные формы коммуникационной инфраструктуры дополняют функциональные возможности схемы и превращают разнородные компоненты в обычную рабочую систему.
Сегодня большинство электронных устройств используют полупроводниковые компоненты для осуществления электронного управления. Изучение полупроводниковых приборов и связанных с ними технологий рассматривается как отрасль физики твердого тела, тогда как проектирование и конструирование электронных схем для решения практических задач относятся к области электроники.
Электромагнитные волны
Работы Фарадея и Ампера показали, что изменяющееся во времени магнитное поле порождало электрическое поле, а изменяющееся во времени электрическое поле являлось источником магнитного поля. Таким образом, когда одно поле меняется во времени, то всегда индуцируется другое поле. Такое явление обладает волновым свойствами и естественно называется электромагнитной волной. Электромагнитные волны были теоретически проанализированы Джеймсом Максвеллом в 1864 году. Максвелл разработал ряд уравнений, которые могли однозначно описать взаимосвязь между электрическим полем, магнитным полем, электрическим зарядом и электрическим током. Он смог к тому же доказать, что такая волна обязательно распространяется со скоростью света, и, таким образом, и свет сам является формой электромагнитного излучения. Разработка законов Максвелла, которые объединяют свет, поля и заряд, является одним из важнейших этапов в истории теоретической физики.
Таким образом, работа многих исследователей позволила использовать электронику для преобразования сигналов в высокочастотные колебательные токи, а через соответствующим образом сформированные проводники электричество позволяет передавать и принимать эти сигналы посредством радиоволн на очень большие расстояния.
Производство и использование электрической энергии
Генерация и передача электрического тока
В 6 веке до н. э. греческий философ Фалес Милетский экспериментировал с янтарными стержнями, и эти эксперименты стали первыми исследованиями в области производства электрической энергии. Пока этот метод, теперь известный как трибоэлектрический эффект, мог только поднимать легкие предметы и генерировать искры, он был крайне неэффективен. С изобретением вольтова столба в восемнадцатом веке жизнеспособный источник электроэнергии стал доступным. Вольтов столб и его современный потомок - электрическая батарея, хранит энергию в химическом виде и выдает её в виде электрической энергии по требованию. Батарея является универсальным и очень распространенным источником питания, который идеально подходит для многих применений, но энергия, хранящаяся в ней, конечна, и как только она расходуется, батарею необходимо утилизировать или заряжать. Для больших потребностей электрическая энергия должна генерироваться и передаваться непрерывно по проводящим линиям электропередачи.
Электроэнергия обычно генерируется электромеханическими генераторами, приводимыми в движение паром, получаемым от сжигания ископаемого топлива, или теплом, выделяемым в ядерных реакциях; или из других источников, таких как кинетическая энергия, извлеченная из ветра или проточной воды. Современная паровая турбина, разработанная сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году, сегодня производит около 80 процентов электроэнергии в мире с использованием различных источников тепла. Такие генераторы не имеют никакого сходства с униполярным генератором - диском Фарадея 1831 года, но они по-прежнему полагаться на его электромагнитный принцип, согласно которому проводник, сцепляясь с изменяющимся магнитным полем, индуцирует разность потенциалов на своих концах. Изобретение в конце ХIХ века трансформатора означало, что электрическая энергия может передаваться более эффективно при более высоком напряжении, но более низком токе. Эффективная электрическая передача означает, в свою очередь, что электроэнергия может производиться на централизованных электростанциях с выгодой от масштабной экономии, а затем передаваться на относительно большие расстояния туда, где в ней есть необходимость.
Поскольку электрическая энергия не может быть легко сохранена в количествах, достаточных для удовлетворения потребностей в национальном масштабе, её должно производиться в любое время столько, сколько в данный момент её требуется. Это обязывает энергокомпании тщательно прогнозировать свои электрические нагрузки и постоянно согласовывать эти данные с электростанциями. Некоторое количество генерирующих мощностей должно всегда храниться в запасе в качестве подушки безопасности для электросетей на случай резкого повышения спроса на электроэнергию.
Спрос на электроэнергию растет с большой скоростью по мере модернизации страны и развития ее экономики. Соединенные Штаты демонстрировали 12-процентный рост спроса в течение каждого года первых трех десятилетий ХХ века. Такой темп роста в настоящее время наблюдается в странах с формирующейся экономикой, таких как Индия или Китай. Исторически темпы роста спроса на электроэнергию опережают темпы роста спроса на другие виды энергии.
Экологические проблемы, связанные с производством электроэнергии, привели к усилению внимания к производству электроэнергии из возобновляемых источников, в частности на ветряных и гидроэлектростанциях. Несмотря на то, что можно ожидать продолжения дебатов о воздействии на окружающую среду различных средств производства электроэнергии, её окончательная форма относительно чистая.
Способы применения электричества
Передача электричества является весьма удобным способом передачи энергии, и она была адаптирована к огромному, и продолжающему расти, количеству применений. Изобретение практической лампы накаливания в 1870-х годах привело к тому, что освещение стало одним из первых массово доступных применений электроэнергии. Несмотря на то, что электрификация подразумевала собой определенные риски, замена открытого пламени газового освещения значительно снизила опасность возгорания внутри домов и фабрик. Во многих городах были созданы коммунальные предприятия, ориентированные на растущий рынок электрического освещения.
Нагревающий резистивный эффект Джоуля используется в нитях ламп накаливания и также находит более непосредственное применение в системах электрического отопления. Хотя этот метод отопления универсальный и управляемый, его можно считать расточительным, поскольку для большинства способов электрогенерации уже потребовалось производство тепловой энергии на электростанции. В ряде стран, таких как Дания, выпустили законы, ограничивающие или запрещающие применение резистивного электрического нагрева в новых зданиях. Электричество, однако, до сих пор остается весьма практичным источником энергии для отопления и охлаждения, причем кондиционеры или тепловые насосы представляют собой растущий сектор спроса на электроэнергию для отопления и охлаждения, последствия которого коммунальные предприятия все в большей степени обязаны учитывать.
Электричество используется в сфере телекоммуникаций, и на самом деле электрический телеграф, коммерческое использование которого было продемонстрировано в 1837 году Куком и Уитстоном, было одним из самых ранних электрических телекоммуникационных применений. При строительстве первых межконтинентальных, а затем трансатлантической, телеграфных систем в 1860-х годах, электричество позволило обеспечивать связь в течение нескольких минут со всем земном шаром. Оптоволоконная и спутниковая связь заняли часть рынка систем связи, однако можно ожидать, что электроэнергия будет оставаться важной частью этого процесса.
Наиболее очевидное использование эффектов электромагнетизма происходит в электродвигателе, который представляет собой чистое и эффективное средство движущей силы. Стационарный двигатель, такой как лебедка, легко обеспечить электропитанием, но двигателю для мобильного применения, такого как электрическое транспортное средство, необходимо либо перемещать вместе с собой источники питания, такие как батареи, либо собирать ток скользящим контактом, известным как пантограф.
Электронные устройства используют транзистор, пожалуй, одно из важнейших изобретений ХХ века, который является фундаментальным строительным блоком всех современных схем. Современная интегральная схема может содержать несколько миллиардов миниатюризованных транзисторов на площади всего несколько квадратных сантиметров.
Электричество также используется в качестве источника топлива для общественного транспорта, в том числе в электрических автобусах и поездах.
Влияние электричества на живые организмы
Действие электрического тока на организм человека
Напряжение, приложенное к человеческому телу, вызывает прохождение электрического тока через ткани, и хотя это отношение нелинейно, но чем большее напряжение приложено, тем больший оно вызывает ток. Порог восприятия варьируется в зависимости от частоты питания и местом прохождения тока, он составляет приблизительно от 0,1 мА до 1 мА для электричества сетевой частоты, хотя и ток, настолько малый, как один микроампер, может быть обнаружен как эффект электровибрации при определенных условиях. Если ток достаточно большой, то он может вызвать сокращение мышц, аритмию сердца, а также ожоги тканей. Отсутствие каких-либо видимых признаков того, что проводник находится под напряжением, делает электричество особенно опасным. Боль, вызванная электрическим током может быть интенсивной, что приводит к тому, что электричество иногда используют в качестве метода пытки. Смертная казнь, приведенная в исполнение поражением электрическим током, называется казнью на электрическом стуле (electrocution). Казнь на электрическом стуле до сих пор остается средством судебного наказания в некоторых странах, хотя его использование стало более редким в последнее время.
Электрические явления в природе
Электричество не является изобретением человека, оно может наблюдаться в нескольких формах в природе, заметным проявлением которого является молния. Многие взаимодействия, знакомые на макроскопическом уровне, такие как прикосновение, трение или химическая связь, обусловлены взаимодействиями между электрическими полями на атомном уровне. Магнитное поле Земли, как полагают, возникает из-за естественного производства циркулирующих токов в ядре планеты. Некоторые кристаллы, такие как кварц, или даже сахар, способны создавать разность потенциалов на своих поверхностях, когда подвергаются внешнему давлению. Это явление, известное как пьезоэлектричество, от греческого piezein (πιέζειν), что означает "нажать", было обнаружено в 1880 году Пьером и Жаком Кюри. Этот эффект обратим, и когда пьезоэлектрический материал подвергается воздействию электрического поля, происходит небольшое изменение его физических размеров.
Некоторые организмы, такие как акулы, способны обнаруживать и реагировать на изменения электрических полей, эта способность известна как электрорецепция. В то же время другие организмы, именуемые электрогенными, способны генерировать напряжения сами, что служит им в качестве оборонительного или хищного оружия. Рыбы отряда гимнотообразных, самым известным представителем которого является электрический угорь, могут обнаруживать или оглушать свою добычу с помощью высокого напряжения, генерируемого видоизмененными мышечными клетками, называемыми электричесикими клетками (electrocytes). Все животные передают информацию по клеточным мембранам импульсами напряжения, называемыми потенциалами действия, в чью функцию входит обеспечение нервной системы связью между нейронами и мышцами. Поражение электрическим током стимулирует эту систему, и вызывает сокращение мышц. Потенциалы действия также отвечают за координацию деятельности определенных растений.
В 1850 году Уильям Гладстон спросил ученого Майкла Фарадея, в чем ценность электричества. Фарадей ответил: "В один прекрасный день, сэр, вы сможете обложить его налогом».
В 19-м и начале 20-го века, электричество не было частью повседневной жизни многих людей, даже в промышленно развитом западном мире. Популярная культура того времени, соответственно, часто изображала его как таинственную, квази-магическую силу, которая может умертвлять живых, воскрешать мертвых или иным образом изменять законы природы. Такой взгляд начал царить с опытов Гальвани 1771 года, в которых демонстрировались ноги мертвых лягушек дергающимися при применении животного электричества. Об "оживлении" или реанимации очевидно мертвых или утопленников было сообщено в медицинской литературе вскоре после работы Гальвани. Об этих сообщениях стало известно Мэри Шелли, когда она принялась за написание Франкенштейна (1819), хотя она и не указывает на такой метод оживления монстра. Оживление монстров с помощью электричества стало актуальной темой фильмов ужасов позже.
По мере того, как углублялось общественное знакомство с электричеством, как источником жизненной силы второй промышленной революции, его обладатели чаще показывались в положительном свете, например, электромонтажники, про которых сказано "смерть сквозь перчатки им леденит пальцы, сплетающие провода" в стихотворении Редьярда Киплинга 1907 года "Сыновья Марфы". Разнообразные транспортные средства с электрическим приводом заняли видное место в приключенческих рассказах Жюля Верна и Тома Свифта. Специалисты в области электроэнергетики, будь то вымышленные или реальные - в том числе ученые, такие как Томас Эдисон, Чарльз Штайнмец или Никола Тесла - широко воспринимались как кудесники, наделенные волшебными полномочиями.
По мере того, как электричество переставало быть новинкой и становилось необходимостью в повседневной жизни во второй половине 20-го века, оно обратило к себе особое внимание со стороны популярной культуры только тогда, когда оно переставало поступать, что являлось событием, которое обычно сигнализирует о бедствии. Люди, которые поддерживают его поступление, такие как безымянный герой песни Джимми Уэбба "Монтер из Уичито" (1968), все чаще представлялись в качестве героических и волшебных персонажей.
. (история открытия явления)
До 1600 г. знания европейцев об электричестве оставалось на уровне древних греков, что повторяло историю развития теории паровых реактивных двигателей ("Элеопил" А. Герона).
Основоположником науки об электричестве в Европе стал выпускник Кембриджа и Оксфорда английский физик и придворный врач королевы Елизаветы - Уильям Гилберт (1544-1603). С помощью своего "версора" (первого электроскопа) У. Гильберт показал, что способностью притягивать легкие тела (соломинки) обладает не только натертый янтарь, но и алмаз, сапфир, карборунд, опал, аметист, горный хрусталь, стекло, сланцы и др., которые он назвал "электрическими" минералами.
Кроме того, Гильберт заметил, что пламя "уничтожает" электрические свойства тел, приобретенные при трении, и впервые исследовал магнитные явления, установив, что:
Магнит всегда имеет два полюса - северный и южный;
- одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются;
- распиливая магнит, нельзя получить магнит только с одним полюсом;
- железные предметы под влиянием магнита приобретают магнитные свойства (магнитная индукция);
- природный магнетизм может быть усилен с помощью железной арматуры.
Изучая магнитные свойства намагниченного шара с помощью магнитной стрелки, Гильберт пришел к выводу, что они соответствуют магнитным свойствам Земли, а Земля является самым большим магнитом, что и объясняет постоянное наклонение магнитной стрелки.
1650 г.: Отто фон Герике (1602-1686) создает первую электрическую машину, извлекавшую из натираемого шара, отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. Однако тайна свойств «электрической жидкости» , как в то время называли это явление, не получила тогда никакого объяснения.
1733 г.: французский физик , член Парижской Академии наук, Шарль Франсуа Дюфе (Dufay, Du Fay, 1698-1739) открыл существование двух видов электричества, которые назвал "стеклянным" и "смоляным". Первое возникает на стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, шерсти, волосах и т. д.; второе - на янтаре, шелке, бумаге и т. п.
После многочисленных экспериментов Ш. Дюфе впервые электризовал тело человека и "получил" из него искры. В область его научных интересов входил магнетизм, фосфоресценция и двойное лучепреломление в кристаллах, ставшее впоследствии основой для создания оптических лазеров. Для обнаружения измерения электричества пользовался версором Гилберта, сделав его намного более чувствительным. Впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома.
1745 г.: выпускник Лейденского университета (Голландия) физик Питер ван Мушенбрук (Musschenbroek Pieter van, 1692-1761) изобрел первый автономный источник электроэнергии - лейденскую банку и провел с ней ряд опытов, в ходе которых установил взаимозвязь электрического разряда с его физиологическим действием на живой организм.
 |
Лейденская банка представляла собой стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри были оклеены свинцовой фольгой, и являлась первым электрическим конденсатором. Если обкладки прибора, заряженного от электростатического генератора О. фон Герике соединяли тонкой проволокой, то она быстро нагревалась, а иногда и плавилась, что указывало на наличие в банке источника энергии, которую можно было транспортировать далеко от места ее зарядки.
1747 г.: член Парижской Академии наук, французский физик-экспериментатор Жан Антуан Нолле (1700-1770) изобрел первый прибор для оценки электрического потенциала - электроскоп , зарегистрировал факт более быстрого "стекания" электричества с острых тел и впервые сформировал теорию действия электричества на живые организмы и растения.
1747–1753 гг.:
американский государственный деятель, ученый и просветитель Бенджамин (Вениамин) Франклин
(Franklin, 1706-1790) публикует цикл работ по физике электричества, в которых:
- ввел общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+»
и «–»
;
- объяснил принцип действия лейденской банки, установив, что главную роль в ней играет диэлектрик, разделяющий проводящие обкладки;
- установил тождество атмосферного и получаемого с помощью трения электричества и привел доказательство электрической природы молнии;
- установил, что металлические острия, соединённые с землёй, снимают электрические заряды с заряженных тел даже без соприкосновения с ними и предложил молниеотвод;
- выдвинул идею электрического двигателя и продемонстрировал «электрическое колесо», вращающееся под действием электростатических сил;
- впервые применил электрическую искру для взрыва пороха.
1759 г.: В России физик Франц Ульрих Теодор Эпинус (Aepinus, 1724-1802),впервые выдвигает гипотезу о наличии связи между электрическими и магнитными явлениями.
1761 г.: Швейцарский механик, физик и астроном Леонард Эйлер (L. Euler, 1707-1783) описывает новую электростатическую машину, состоящую из вращающегося диска из изоляционного материала с радиально наклеенными кожаными пластинами. Для съема электрического заряда к диску надо было подвести шелковые контакты, присоединенные к медным стержням со сферическими окончаниями. Приближая сферы друг к другу, можно было наблюдать процесс электрического пробоя атмосферы (искусственная молния).
 |
1785-1789 гг.: Французский физик Шарль Огюстен Кулон (S. Coulomb, 1736-1806) публикует семь работ. в которых описывает закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (закон Кулона), вводит понятие магнитного момента и поляризации зарядов и доказывает, что электрические заряды всегда располагаются на поверхности проводника.
1791 г.: В Италии издается трактат Луиджи Гальвани (L. Galvani, 1737-1798), «De Viribus Electricitatis In Motu Musculari Commentarius» («Трактат о силах электричества при мышечном движении»), в котором доказывалось, что электричество вырабатывается живым организмом и наиболее эффективно проявляется в контакте разнородных проводников. В настоящее время этот эффект лежит в основе принципа действия электрокардиографов.
1795 г.: Итальянский профессор Александр Вольта (Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta, 1745-1827) исследует явление контактной разности потенциалов различных металлов и с помощью электрометра собственной конструкции дает численную оценку этому явлению. Результаты своих опытов А.Вольта впервые описывает 1 августа 1786 г. в письме своему другу. В настоящее время эффект контакной разности потенциалов используется в термопарах и системах анодной (электрохимической) защиты металлических сооружений.
1799 г:. А. Вольта изобретает источник гальванического (электрического) тока - вольтов столб . Первый вольтов столб состоял из 20 пар медных и цинковых кружочков, разделенных суконными кусочками, смоченными соленой водой, и предположительно мог давать напряжение 40-50 В и ток до 1 А.
В 1800 г. в журнале «Philosophical Transactions of the Royal Society, Vol. 90» под названием «On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds» («Электричество, получаемое в результате простого контакта разных веществ») было описано устройство, названное «электродвижущий аппарат», А. Вольта считал, что в основе принципа действия его источника тока лежит контактная разность потенциалов, и только спустя много лет было установлено, что причиной возникновения э.д.с. в гальваническом элементе является химическое взаимодействие металлов с проводящей жидкостью - электролитом. Осенью 1801 г. в России была создана первая гальваническая батарея, состоящая из 150 серебряных и цинковых дисков. Через год, осенью 1802 г., была изготовлена батарея из 4200 медных и цинковых дисков, дающая напряжение в 1500 В.
1820 г.: датский физик Ханс Кристиан Эрстед (Ersted, 1777-1851) в ходе опытов по отклонению магнитной стрелки под действием проводника с током, установил связь между электрическими и магнитными явлениями. Сообщение об этом явлении, опубликованное в 1820 г., стимулировало исследования в области электромагнетизма, что, в конечном счете, привело к формированию основ современной электротехники.
 |
Первым последователем Х.Эрстеда стал французский физик Андре Мари Ампер (1775-1836) сформулировавший в том-же году правило определения направления действия электрического тока на магнитную стрелку, названное им "правилом пловца" (правило Ампера или правой руки), после чего были определены законы взаимодействия электрических и магнитных полей (1820 г.), в рамках которых впервые была сформулирована идея об использовании электромагнитных явлений для дистанционной передачи электрического сигнала.
В 1822 г. А. Ампер создает первый усилитель электромагнитного поля - многовитковые катушки из медного провода, внутри которых помещались сердечники из мягкого железа (соленоиды), ставшие технологической основой для изобретенного им в 1829 г. электромагнитного телеграфа, открывшего эру современной электросвязи.
821 г.: английский физик Майкл Фарадей (М. Faraday, 1791-1867) познакомился с работой Х. Эрстеда об отклонении магнитной стрелки вблизи проводника с током (1820) и после исследования взаимосвязи электрических и магнитных явлений установил факт вращения магнита вокруг проводника с током и вращения проводника с током вокруг магнита.
В течение последующих 10 лет М. Фарадей пытался «превратить магнетизм в электричество», результатом чего стало открытие в 1831 электромагнитной индукции , что привело к формированию основ теории электромагнитного поля и появлению новой отрасли промышленности - электротехники. В 1832 г. М. Фарадей публикует работу, в которой выдвигается идея о том, что распространение электромагнитных взаимодействий есть волновой процесс, происходящий в атмосфере с конечной скоростью, что стало основой для появления новой отрасли знаний - радиотехники.
Стремясь установить количественные соотношения между различными видами электричества, М. Фарадей начал исследования по электролизу и в 1833–1834 гг. сформулировал его законы. В 1845 г., исследуя магнитные свойства различных материалов, М. Фарадей открывает явления парамагнетизма и диамагнетизма и установливает факт вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Это было первое наблюдение связи между магнитными и оптическими явлениями, которое позднее было объяснено в рамках электромагнитной теории света Дж. Максвелла.
Примерно в это-же время свойства электричества изучал немецкий физик Георг Симон Ом (G.S. Ohm, 1787-1854). Проведя серию экспериментов, Г. Ом в 1826 г. сформулировал основной закон электрической цепи (закон Ома) и в 1827 г. дал его теоретическое обоснование, ввел понятия «электродвижущая сила», падение напряжения в цепи и «проводимость».
Закон Ома устанавливает, что сила постоянного электрического тока I в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника т.е. RI = U . Коэффициент пропорциональности R , получивший в 1881 г. название омическое сопротивление или просто сопротивление зависит от температуры проводника и его геометрических и электрических свойств.
Исследования Г. Ома завершают второй этап развития электротехники, а именно фомирования теоретической базы для расчета характеристик электрических цепей, что стало основой современной электроэнергетики.
