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.

Что приходит вам в голову, когда вы слышите слово «электричество» или «электрический»? Один человек представит себе розетку, другой - линию электропередач, трансформатор или сварочный аппарат, рыбак подумает о молнии, домохозяйка вспомнит пальчиковую батарейку или зарядное устройство для мобильного телефона, токарь - электродвигатель, а кто-нибудь и вовсе представит , сидящего в своей лаборатории возле извергающей молнии индукционной катушки, испытывающей резонанс.

Так или иначе, проявлений электричества в современном мире очень много. Цивилизацию сегодняшнего дня вообще невозможно представить без электричества. Однако что мы знаем о нем? Давайте освежим в памяти эти сведения.

От электростанции - к электроприбору

Когда мы у себя дома вставляем вилку в розетку, включая электрочайник, или нажимаем на выключатель, привычно желая зажечь электрическую лампочку, то в этот момент мы замыкаем электрическую цепь между и , чтобы предоставить электрическому заряду путь для движения, например через спираль чайника.

Источником электричества у нас дома, как правило, является розетка. Движущийся через проводник (которым в нашем примере является нихромовая спираль чайника) электрический заряд - это и есть . Проводник соединяет розетку с потребителем двумя проводами: по одному проводу заряд движется от розетки - к потребителю, по второму проводу в этот же самый момент - от потребителя - к розетке. Если ток переменный, то провода меняются ролями по 50 раз каждую секунду.

Источником энергии для движения электрических зарядов (или проще говоря - источником электричества) в городской сети прежде всего выступает электростанция. На электростанции электричество вырабатывается посредством мощного , ротор которого приводится во вращение ядерной установкой или силовой установкой другого типа (например гидротурбиной).

Внутри генератора намагниченный ротор пересекает провода статора, наводя в них , порождающую напряжение между выводами генератора. И это всегда именно , поскольку ротор генератора имеет 2 магнитных полюса и вращается с частотой 3000 оборотов в минуту, либо имеет 4 полюса и частоту вращения 1500 оборотов в минуту.

От трансформаторов электростанций сверхвысокое переменное напряжение величиной 110, 220 или 500 киловольт подается на провода , с которых оно затем поступает на понижающие подстанции, где с помощью трансформаторов в конце концов и понижается до уровня бытовых сетей - 220 вольт.

Это и есть напряжение в нашей розетке, которым мы пользуемся каждый день, даже не задумываясь от электростанции до нашей розетки со скоростью света (299792458 метров в секунду - скорость распространения по проводам электрического поля, которое толкает внутри них электроны, создавая ток).

Переменное напряжение 220 вольт в розетке

Генерируемое для розеток напряжение является переменным потому, что: во-первых, его легко можно трансформировать (понизить или повысить), а во-вторых генерируется оно проще и передается с меньшими потерями в проводах, чем постоянное.

Подавая на провода, к которым присоединен , переменное напряжение, мы получаем , который гармонически изменяя свое направление 50 раз в секунду, способен генерировать в магнитопроводе трансформатора переменное магнитное поле, которое в свою очередь опять же способно возбуждать электрический ток в проводах вторичных обмоток, обвивающих магнитопровод…

Если бы магнитное поле было постоянным в пространстве, охваченном обмоткой, то ток бы в обмотках просто не навелся (см. ).

Чтобы получить ток, необходимо изменять магнитный поток в пространстве, тогда вокруг получится , оно станет действовать на электрический заряд, который например может находится внутри медного провода (свободные электроны), расположенного вокруг этого пространства с изменяющимся магнитным потоком.

На данном принципе основана работа как генераторов, так и трансформаторов, с той лишь разницей, что в трансформаторе отсутствуют движущиеся рабочие части: источником переменного магнитного потока в трансформаторе выступает переменный ток первичной обмотки, а в генераторе - вращающийся ротор с постоянным магнитным полем.

И там и там изменяющееся магнитное поле по закону электромагнитной индукции порождает вихревое электрическое поле, которое действует на свободные электроны внутри проводников, приводя эти электроны в движение. Если цепь замкнуть на потребитель - получится ток через потребитель.

Накопление электричества и постоянный ток

Накапливать электричество в быту удобнее всего в форме химической энергии, а именно . Химическая реакция меду электродами способна создать ток при замкнутой на потребитель внешней цепи, и чем больше площадь электродов аккумулятора - тем больший ток может быть от него получен, а в зависимости от материала электродов и от количества соединенных последовательно внутри аккумулятора ячеек - генерируемое аккумулятором напряжение может быть разным.

Так, для литий-ионного аккумулятора стандартное напряжение одной ячейки составляет 3,7 вольта и может достигать 4,2 вольта. Положительно заряженные ионы лития при разряде движутся в электролите от анода(-) на основе меди и графита - к катоду(+) на основе алюминия, а при заряде - от катода - к аноду, где под действием ЭДС зарядного устройства образуется соединение графита с литием, в результате чего и накапливается энергия в форме химического соединения.

Похожим образом работают электролитические конденсаторы, отличающиеся от аккумуляторов меньшей электроемкостью, но большим количеством жизненных циклов заряда-разряда.

Для литий-ионного аккумулятора продолжительность полноценной жизни ограничивается максимум 1000 циклами заряда-разряда, а удельная энергоемкость достигает 250 Втч/кг. Что касается электролитических конденсаторов, то их ресурс работы на выпрямленном токе исчисляется десятками тысяч часов, но энергоемкость обычно менее 0,25 Втч/кг.

Статическое электричество

Если шелковую простыню постелить на шерстяное покрывало, хорошенько прижать их друг к другу, а затем попытаться развести в стороны, то возникнет . Это случится потому, что в условиях трения тел с разной диэлектрической проницаемостью произойдет разделение зарядов на их поверхностях: материал с большей диэлектрической проницаемостью зарядится положительно, а с меньшей диэлектрической проницаемостью - отрицательно.

Чем больше разница этих параметров - тем сильнее электризация. При трении ногами о шерстяной ковер, вы заряжаетесь отрицательно, а ковер - положительно. Уровни потенциалов могут достигать здесь десятков тысяч вольт, и дотронувшись например до водопроводного крана, соединенного с чем-нибудь заземленным, вы испытаете удар током. Но поскольку электроемкость мизерна, это неприятное событие не окажется крупной угрозой для вашей жизни.

Другое дело - электрофорная машина, в которой статический заряд, получаемый трением, накапливается в конденсаторе. Накопленный в лейденской банке заряд уже опасен для жизни.

Физика электричества - это то, с чем приходится сталкиваться каждому из нас. В статье мы рассмотрим основные понятия, связанные с ней.

Что такое электричество? Для человека непосвященного оно ассоциируется со вспышкой молнии или с энергией, питающей телевизор и стиральную машину. Он знает, что электропоезда используют О чем еще он может рассказать? О нашей зависимости от электричества ему напоминают линии электропередач. Кто-то сможет привести и несколько других примеров.

Однако с электричеством связано немало других, не столь очевидных, но повседневных явлений. Со всеми ними нас знакомит физика. Электричество (задачи, определения и формулы) мы начинаем изучать еще в школе. И узнаем много интересного. Оказывается, бьющееся сердце, бегущий спортсмен, спящий ребенок и плавающая рыба - все вырабатывает электрическую энергию.

Электроны и протоны

Определим основные понятия. С точки зрения ученого, физика электричества связана с движением электронов и других заряженных частиц в различных веществах. Поэтому научное понимание природы интересующего нас явления зависит от уровня знаний об атомах и составляющих их субатомных частицах. Ключом к этому пониманию служит крошечный электрон. Атомы любого вещества содержат один или более электронов, движущихся по различным орбитам вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Обычно в атоме равно количеству протонов в ядре. Однако протоны, будучи значительно тяжелее электронов, можно считать как бы закрепленными в центре атома. Этой предельно упрощенной модели атома вполне достаточно, чтобы объяснить основы такого явления, как физика электричества.

О чем еще необходимо знать? Электроны и протоны имеют одинаковый по величине (но разного знака), поэтому они притягиваются друг к другу. Заряд протона является положительным, а электрона - отрицательным. Атом, имеющий электронов больше или меньше, чем обычно, называется ионом. Если в атоме их недостаточно, то он называется положительным ионом. Если же он содержит их избыток, то его называют отрицательным ионом.

Когда электрон покидает атом, тот приобретает некоторый положительный заряд. Электрон, лишенный своей противоположности - протона, либо движется к другому атому, либо возвращается к прежнему.

Почему электроны покидают атомы?

Это объясняется несколькими причинами. Наиболее общая состоит в том, что под воздействием импульса света или какого-то внешнего электрона движущийся в атоме электрон может быть выбит со своей орбиты. Тепло заставляет атомы колебаться быстрее. Это означает, что электроны могут вылететь из своего атома. При химических реакциях они также перемещаются от атома к атому.

Хороший пример взаимосвязи химической и электрической активности дают нам мышцы. Их волокна сокращаются при воздействии электрического сигнала, поступающего из нервной системы. Электрический ток стимулирует химические реакции. Они-то и приводят к сокращению мышцы. Внешние электрические сигналы нередко используются для искусственного стимулирования мышечной активности.

Проводимость

В некоторых веществах электроны под действием внешнего электрического поля движутся более свободно, чем в других. Говорят, что такие вещества обладают хорошей проводимостью. Их называют проводниками. К ним относится большинство металлов, нагретые газы и некоторые жидкости. Воздух, резина, масло, полиэтилен и стекло плохо проводят электричество. Их называют диэлектриками и используют для изоляции хороших проводников. Идеальных изоляторов (абсолютно не проводящих тока) не существует. При определенных условиях электроны можно удалить из любого атома. Однако обычно эти условия столь трудно выполнить, что с практической точки зрения подобные вещества можно считать непроводящими.

Знакомясь с такой наукой, как "Электричество"), мы узнаем, что существует особая группа веществ. Это полупроводники. Они ведут себя отчасти как диэлектрики, а отчасти - как проводники. К ним, в частности, относятся: германий, кремний, окись меди. Благодаря своим свойствам полупроводник находит множество применений. Например, он может служить электрическим вентилем: подобно клапану велосипедной шины он позволяет зарядам двигаться только в одном направлении. Такие устройства называются выпрямителями. Они используются и в миниатюрных радиоприемниках, и на больших электростанциях для преобразования переменного тока в постоянный.

Тепло представляет собой хаотичную форму движения молекул или атомов, а температура - мера интенсивности этого движения (у большинства металлов с понижением температуры движение электронов становится более свободным). Это означает, что сопротивление свободному движению электронов падает с уменьшением температуры. Другими словами, проводимость металлов возрастает.

Сверхпроводимость

В некоторых веществах при очень низких температурах сопротивление потоку электронов исчезает полностью, и электроны, начав движение, продолжают его неограниченно. Это явление называется сверхпроводимостью. При температуре несколько градусов выше абсолютного нуля (— 273 °С) она наблюдается в таких металлах, как олово, свинец, алюминий и ниобий.

Генераторы Ван де Граафа

В школьную программу входят различные опыты с электричеством. Существует можество видов генераторов, об одном из которых нам хотелось бы подробнее рассказать. Генератор Ван де Граафа используется для получения сверхвысоких напряжений. Если предмет, содержащий избыток положительных ионов, поместить внутрь контейнера, то на внутренней поверхности последнего появятся электроны, а на внешней - такое же количество положительных ионов. Если теперь коснуться внутренней поверхности заряженным предметом, то на него перейдут все свободные электроны. На внешней же положительные заряды останутся.

В положительные ионы от источника наносятся на ленту конвейера, проходящего внутри металлической сферы. Лента связана с внутренней поверхностью сферы с помощью проводника в виде гребня. Электроны стекают с внутренней поверхности сферы. На внешней же стороне ее появляются положительные ионы. Эффект можно усилить, используя два генератора.

Электрический ток

В школьный курс физики входит и такое понятие, как электрический ток. Что же это такое? Электрический ток обусловлен движением электрических зарядов. Когда электрическая лампа, соединенная с батареей, включена, ток течет по проводу от одного полюса батареи к лампе, затем через ее волосок, вызывая его свечение, и возвращается назад по второму проводу к другому полюсу батареи. Если выключатель повернуть, то цепь разомкнется - движение тока прекратится, и лампа погаснет.

Движение электронов

Ток в большинстве случаев представляет собой упорядоченное движение электронов в металле, служащем проводником. Во всех проводниках и некоторых других веществах всегда происходит какое-то случайное их движение, даже если ток не протекает. Электроны в веществе могут быть относительно свободны или сильно связаны. Хорошие проводники имеют свободные электроны, способные перемещаться. А вот в плохих проводниках, или изоляторах, большинство этих частиц достаточно прочно связано с атомами, что препятствует их движению.

Иногда естественным или искусственным путем в проводнике создается движение электронов в определенном направлении. Этот поток и называют электрическим током. Он измеряется в амперах (А). Носителями тока могут служить также ионы (в газах или растворах) и «дырки» (нехватка электронов в некоторых видах полупроводников. Последние ведут себя как положительно заряженные носители электрического тока. Чтобы заставить электроны двигаться в том или ином направлении, необходима некая сила. В природе ее источниками могут быть: воздействие солнечного света, магнитные эффекты и химические реакции. Некоторые из них используются для получения электрического тока. Обычно для этой цели служат: генератор, использующий магнитные эффекты, и элемент (батарея), действие которого обусловлено химическими реакциями. Оба устройства, создавая заставляют электроны двигаться в одном направлении по цепи. Величина ЭДС измеряется в вольтах (В). Таковы основные единицы измерения электричества.

Величина ЭДС и сила тока связаны между собой, как давление и поток в жидкости. Водопроводные трубы всегда заполнены водой под определенным давлением, но вода начинает течь, только когда открывают кран.

Аналогично может быть соединена с источником ЭДС, но ток в ней не потечет до тех пор, пока не будет создан путь, по которому могут двигаться электроны. Им может быть, скажем, электрическая лампа или пылесос, выключатель здесь играет роль крана, «выпускающего» ток.

Соотношение между током и напряжением

По мере роста напряжения в цепи растет и ток. Изучая курс физики, мы узнаем, что электрические цепи состоят из нескольких различных участков: обычно это выключатель, проводники и прибор - потребитель электричества. Все они, соединенные вместе, создают сопротивление электрическому току, которое (при условии постоянства температуры) для этих компонентов не изменяется со временем, но для каждого из них различно. Поэтому, если одно и то же напряжение применить к лампочке и к утюгу, то поток электронов в каждом из приборов будет различен, поскольку различны их сопротивления. Следовательно, сила тока, протекающего через определенный участок цепи, определяется не только напряжением, но и сопротивлением проводников и приборов.

Закон Ома

Величина электрического сопротивления измеряется в омах (Ом) в такой науке, как физика. Электричество (формулы, определения, опыты) - обширная тема. Мы не будем выводить сложные формулы. Для первого знакомства с темой достаточно того, что было сказано выше. Однако одну формулу все-таки стоит вывести. Она совсем несложная. Для любого проводника или системы проводников и приборов соотношение между напряжением, током и сопротивлением задается формулой: напряжение = ток х сопротивление. Это математическое выражение закона Ома, названного так в честь Георга Ома (1787-1854 гг.), который первым установил взаимосвязь этих трех параметров.

Физика электричества - очень интересный раздел науки. Мы рассмотрели лишь основные понятия, связанные с ней. Вы узнали, что такое электричество, как оно образуется. Надеемся, эта информация вам пригодится.

Одной из важнейших вех в истории планеты является изобретение электричества. Именно это открытие помогает и по сей день развиваться нашей цивилизации. Электричество - один из наиболее экологичных Кому принадлежит открытие этого явления? Каким образом электричество получают и применяют? Можно ли самостоятельно создать гальванический элемент?

История изобретения электричества кратко

Электричество было обнаружено еще в 7 веке до нашей эры древнегреческим философом Фалесом. Он выяснил, что натертый шерстью янтарь способен притягивать меньшие по массе предметы.

Однако масштабные эксперименты с электричеством начинаются в эпоху возрождения в Европе. В 1650 г. магдебургским бургомистром фон Герике была построена электростатическая установка. В 1729 г. Стивеном Греем был поставлен опыт по на расстояние. В 1747 издал очерк, где была собраны все известные факты об электричестве и выдвинуты новые теории. В 1785-м был открыт закон Кулона.

1800 год стал переломным: итальянец Вольт изобретает первый источник постоянного тока. В 1820-м датским ученым Эрстедом было обнаружено предметов. Годом позднее Ампер выяснил, что магнитное поле создается электрическим током, но не статическими зарядами.

Такие великие исследователи, как Гаусс, Джоуль, Ленц, Ом внесли неоценимый вклад в изобретение электричества. Год 1830-й также стал важным, ведь Гауссом была разработана теория и разработка двигателя, работающего на токе, принадлежит Майклу Фарадею.

В конце 19 века опыты с электричеством проводились многими учеными, в их числе Лачинов, Герц, Томсон, Резерфорд. В начале 20 века появилась теория квантовой электродинамики.

Электричество в природе

Открытие и изобретение электричества произошло уже очень давно. Однако ранее считалось, что в природе его просто нет. Но американец Франклин выяснил, что такое явление, как молния, имеет чисто электрическую природу. Долгое время его точка зрения отвергалась научным сообществом.

Электричество имеет огромное значение в природе. Многие ученые полагают, что благодаря разрядам молний осуществился синтез аминокислот, в результате чего на Земле зародилась жизнь. Без нервных импульсов невозможно функционирование организма ни одного животного. Существуют разновидности морских организмов, которые применяют электричество как средство для обороны, нападения, ориентации в пространстве и поиска пищи.

Получение электричества

Изобретение электричества оказало влияние на научно-технический прогресс. Для получения электроэнергии создаются вот уже на протяжении многих десятилетий электростанции. Электричество создается с помощью генераторов энергии, а затем оно передается по ЛЭП. Принцип создания тока заключается в переводе механической энергии в электрическую. Электростанции подразделяются на следующие типы:

• атомные;
• ветровые;
• гидроэнергетические;
• приливно-отличные;
• солнечные;
• тепловые.

Применение электричества

Изобретение электричества по праву является величайшим открытием, ведь без него становится невозможной современная жизнь. Оно имеется почти в каждом доме и применяется для освещения, обмена информацией, приготовления пищи, обогрева, функционирования бытовых приборов. Также электроэнергия необходима для движения трамваем, троллейбусов, метро, электропоездов. Работа компьютера, сотового телефона тоже невозможна без электричества.

Любопытный опыт

Оказывается, гальванический элемент можно изготовить самостоятельно, и делается это достаточно просто. Такой способ получил известность в начале 20 века.

Для начала необходимо пополам разрезать достаточно острым ножом лимон посередине. Крайне нежелательно снимать или срывать перегородки между дольками. После этого нужно к каждой дольке подсоединить поочередно небольшой кусок проволоки, размером около 2 сантиметров. В ячейках должны чередоваться медная и цинковая проволоки. Затем следует концы торчащих проволок последовательно соединить металлической проволокой меньшего диаметра. Таким образом можно получить элемент питания. Как проверить, работает ли он? Для этого можно замерить напряжение вольтметром.

Одним из важнейших открытий в истории человечества стало изобретение электричества. Дата открытия точно неизвестна. Однако эксперименты начал проводить еще древнегреческий ученый Фалес. Активное изучение электричества началось в эпоху возрождения. Без него невозможна деятельность ни одного живого организма. Сегодня без этого изобретения мы практически не можем представить свою жизнь. Люди уже давно научились получать, передавать и использовать электроэнергию.

Warning : strtotime(): It is not safe to rely on the system"s timezone settings. You are *required* to use the date.timezone setting or the date_default_timezone_set() function. In case you used any of those methods and you are still getting this warning, you most likely misspelled the timezone identifier. We selected the timezone "UTC" for now, but please set date.timezone to select your timezone. in on line 56

Warning : date(): It is not safe to rely on the system"s timezone settings. You are *required* to use the date.timezone setting or the date_default_timezone_set() function. In case you used any of those methods and you are still getting this warning, you most likely misspelled the timezone identifier. We selected the timezone "UTC" for now, but please set date.timezone to select your timezone. in /var/www/vhosts/сайт/htdocs/libraries/joomla/utilities/date.php on line 198

Каждый из нас ещё из школьного курса помнит, что электрический ток – направленное движение электрических частиц под воздействием электрического поля. Такими частицами могут быть электроны, ионы и т. д. Тем не менее, несмотря на простую формулировку, многие признаются, что не до конца знают, что же такое электричество, из чего оно состоит, как и, вообще, почему работает вся электротехника.

Для начала стоит обратиться к истории этого вопроса. Впервые термин «электричество» появился ещё в 1600 году в сочинениях английского естествоиспытателя Уильяма Гилберта. Он изучал магнитные свойства тел, в своих сочинениях затрагивая магнитные полюса нашей планеты, описывал несколько опытов с наэлектризованными телами, которые сам провёл.

Об этом можно прочитать в его труде «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле». Главным выводом его работы был такой, что многие тела и вещества могут наэлектризоваться, из-за чего у них появляются магнитные свойства. Его исследования применялись при создании компасов и во многих других областях.

Но Ульям Гилберт отнюдь не является первым, кто обнаружил подобные свойства тел, он просто первый, кто стал изучать их. Ещё в 7 веке до нашей эры греческий философ Фалес заметил, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает удивительные свойства – он начинает притягивать к себе предметы. Знания об электричестве ещё на протяжении нескольких веков так и оставались на этом уровне.

Такое положение оставалось вплоть до 17-18 веков. Это время можно назвать рассветом науки об электричестве. Ульям Гилберт был первым, после него этим вопросом занимались множество других учёных со всего мира: Франклин, Кулон, Гальвани, Вольт, Фарадей, Ампер, а также, русский учёный Василий Петров, открывший в 1802 году вольтову дугу.

Все эти учёные сделали выдающиеся открытия в области электричества, которые положили основу для последующего изучения этого вопроса. С тех пор электричество перестало быть чем-то загадочным, но, несмотря на большие достижения в этом вопросе, загадок и неясностей оставалось ещё очень много.

Самым главным вопросов, как и всегда, был: как же использовать все эти достижения на благо человечества? Потому что, несмотря на значительные успехи в области изучения природы электричества, до внедрения его в жизнь было ещё далеко. Оно всё ещё казалось чем-то загадочным и недостижимым.

Это можно сравнить с тем, как сейчас учёные всего мира изучают космос и ближайшую планету Марс. Уже получено множество сведений, установлено, что до него можно долететь и даже высадиться на поверхность и прочее, но до реального достижения подобных целей пока ещё очень много работы.

Говоря о природе электричества, нельзя не упомянуть о самом главном проявлении его в природе. Ведь именно там человек столкнулся с ним впервые, именно в природе он начал его изучать и старался понять, и делал первые попытки приручить и извлечь пользу для себя.

Конечно, когда мы говорим о природном проявлении электричества, то каждому на ум приходят молнии. Хотя сначала ещё было не понятно, что они собой представляют, а их электрическая природа была установлена только в 18 веке, когда началось активное изучение этого феномена в совокупности с ранее полученными знаниями. Кстати, по одной из версий, именно молнии повлияли на появления жизни на Земле, потому что без них бы не начался бы синтез аминокислот.

Внутри тела человека также есть электричество, без него бы не работала нервная система, а нервный импульс возникает в результате кратковременного напряжения. В океанах и морях живёт множество рыб, которые используют электричество для охоты и защиты. К примеру, электрический угорь может достигать напряжения до 500 Вольт, а у ската мощность разрядов составляет примерно 0,5 киловатт.

Некоторые виды рыб создают вокруг себя легкое электрическое поле, которое искажается от всех предметов в воде, так они могут с лёгкостью ориентироваться даже в очень мутной воде и имеют преимущества перед другими рыбами.

Так что с древних времён электричество часто встречалось в природе, без него невозможно было бы появление человека, а многие животные используют его для нахождения пропитания. Впервые человек столкнулся с этими явлениями именно в природном проявлении, это и подталкивало его на дальнейшие изучения.

Практическое применение электричества

Со временем человек продолжал накапливать знания об этом удивительном феномене. Электричество нехотя раскрывало свои тайны перед ним. Примерно с середины 19 века электричество начало проникать в жизнь человеческой цивилизации. В первую очередь оно стало использоваться для освещения, когда была изобретена лампочка. С его помощью стали передавать информацию на большие расстояния: появилось радио, телевидение, телеграф и т.д.

Но отдельное внимание заслуживает появление различных механизмов и устройств, которые приводились в движение с помощью электричества. И по сей день трудно представить работу какого-либо прибора или машины без электричества. Вся бытовая техника в современном доме работает только на электричестве.

Большим прорывом были и достижения в области добывания электричества, так начали создаваться всё более мощные электростанции, генераторы; для хранения были придуманы аккумуляторные батареи.

Электричество помогло сделать множество других открытий, оно помогает в науке и при исследовании новых вопросов. Некоторые технологии работают на основе электрических свойств, они используются в медицине, промышленности и, конечно, в быту.

Так что же такое электричество?

Как бы странно это не звучало, но повсеместное использование электричества не делает его более понятным. Все знают основные принципы работы, техники безопасности и всё. Одни люди признаются, что вообще не представляют, что такое электричество, другие не знают, почему оно работает именно так, а не иначе, третьи не понимают разницы между напряжением, мощностью и сопротивлением и подобных примеров множество.

Проще всего понять природу электричества на молекулярном уровне. Все вещества состоят из молекул, все молекулы состоят из атомов, а каждый атом же, состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны.

Электроны и являются «переносчиками» электричества, а электрический ток – это непрерывное перемещение большого количества таких электронов.

Электротехника достигла больших успехов за время своего развития, однако, по-прежнему изучение её природы требует больших усилий, ведь многие задачи до сих пор остаются нерешёнными или те решения, которые найдены, не столь эффективны, как могли бы быть. В основе всего лежит превращение сил. Электрическую энергию сегодня можно легко преобразовать в световую, используя для освещения, с её помощью можно двигать различные механизмы и прочее.

Другой особенностью и главным преимуществом электрической перед другими видами энергии является её распространённость, неограниченность в пространстве. Электричество непрерывно сопровождает человека во всех сферах его жизни, считается примером эволюции и взглядов в будущее, а процесс развития техники непрерывно связан с развитием науки и новыми достижениями.

Это расширяет возможности человека, совершенствует его инструменты и гарантирует ему постоянное развитие и движение вперёд в будущее, а многие задачи со временем уже перестают казаться невыполнимыми.

Warning : strftime(): It is not safe to rely on the system"s timezone settings. You are *required* to use the date.timezone setting or the date_default_timezone_set() function. In case you used any of those methods and you are still getting this warning, you most likely misspelled the timezone identifier. We selected the timezone "UTC" for now, but please set date.timezone to select your timezone. in /var/www/vhosts/сайт/htdocs/libraries/joomla/utilities/date.php on line 250