Как изобрели электричество – Электричество — Википедия

Дополнительная информация. Открытие графена и получение из него новых токопроводящих материалов предрекают грандиозные перемены в сфере использования электричества.

Наука не стоит на месте. С каждым годом человечество становится свидетелем появления более совершенных источников электроэнергии, вместе с этим и создания приборов, машин и различных агрегатов, потребляющих экологически чистую энергию в виде электрического тока.

Видео

amperof.ru

Электричество — Википедия

Электри́чество — физическое явление, обусловленное существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества^[1].

История

Одним из первых, чьё внимание привлекло электричество, был греческий философ Фалес Милетский, который в VII веке до н. э. обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον: электрон) приобретает свойства притягивать лёгкие предметы^[2]. Однако, долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году Уильям Гилберт ввёл в обращение сам термин электричество («янтарность»), а в 1663 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания^[3]. В 1729 году англичанин Стивен Грей провёл опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество^[4]. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть^[5]. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создаёт первый электрический конденсатор — Лейденскую банку. Примерно в эти же годы работы по изучению атмосферного электричества вели и русские учёные — Г. В. Рихман и М. В. Ломоносов.

Первую теорию электричества создаёт американец Бенджамин Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения с электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний^[6]. Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году закона Кулона.

Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой^[1]. В 1802 году Василий Петров обнаружил вольтову дугу.

В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830).

Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создаёт на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привёл Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы — частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами», — утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита. Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка английским физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 году.

В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год).

В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.

В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 году был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединённую теорию электрослабых взаимодействий.

Теория

Электрический заряд — это свойство тел (количественно характеризуемое физической величиной того же названия), проявляющееся, прежде всего, в способности создавать вокруг себя электрическое поле и посредством него оказывать воздействие на другие заряженные (то есть обладающие электрическим зарядом) тела^[7]. Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные (выбор, какой именно заряд назвать положительным, а какой отрицательным, считается в науке чисто условным, однако этот выбор уже исторически сделан и теперь — хоть и условно — за каждым из зарядов закреплён вполне определённый знак). Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются. При движении заряженных тел (как макроскопических тел, так и микроскопических заряженных частиц, переносящих электрический ток в проводниках) возникает магнитное поле и, таким образом, имеют место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм) (Эрстед, Фарадей, Максвелл). В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к заряженным элементарным частицам, например, электрон имеет отрицательный заряд, а протон и позитрон — положительный.

Наиболее общая фундаментальная наука, изучающая электрические заряды, их взаимодействие и поля, ими порождаемые и действующие на них (то есть практически полностью покрывающая тему электричества, за исключением таких деталей, как электрические свойства конкретных веществ, как то электропроводность (и т. п.) — это электродинамика. Квантовые свойства электромагнитных полей, заряженных частиц (и т. п.) изучаются наиболее глубоко квантовой электродинамикой, хотя часть из них может быть объяснена более простыми квантовыми теориями.

Электричество в природе

Ярким проявлением электричества в природе служат молнии, электрическая природа которых была установлена в XVIII веке. Молнии издавна вызывали лесные пожары. По одной из версий, именно молнии привели к первоначальному синтезу аминокислот и появлению жизни на земле (Эксперимент Миллера — Юри и Теория Опарина — Холдейна). Атмосфера Земли представляет собой гигантский конденсатор, нижняя обкладка которого (земная поверхность) заряжена отрицательно, а верхняя обкладка (верхние слои атмосферы до высоты 50 км) положительно. Разность потенциалов между поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы составляет 400 кВ, вблизи поверхности Земли существует постоянное электрическое поле напряжённостью 100 В/м. Отрицательный заряд земной поверхности поддерживается молниями Весьма сомнительное утверждение^{[источник не указан 214 дней][8]}.

Для процессов в нервной системе человека и животных решающее значение имеет зависимость пропускной способности клеточной мембраны для ионов натрия от потенциала внутриклеточной среды. После повышения напряжения на клеточной мембране натриевый канал открывается на время порядка 0,1 — 1,0 мс., что приводит к скачкообразному росту напряжения, затем разность потенциалов на мембране снова возвращается к своему первоначальному значению. Описанный процесс кратко называется нервным импульсом. В нервной системе животных и человека информацию от одной клетки к другой передают нервные импульсы возбуждения длительностью около 1 мс. Нервное волокно представляет собой цилиндр, наполненный электролитом. Сигнал возбуждения передаётся без уменьшения амплитуды вследствие эффекта кратковременного увеличения проницаемости мембраны для ионов натрия^[9].

Многие рыбы используют электричество для защиты и поиска добычи под водой. Южноамериканский электрический угорь способен генерировать электрические разряды напряжением до 500 вольт. Мощность разрядов электрического ската может достигать 0,5 кВт. Акулы, миноги, некоторые сомообразные используют электричество для поиска добычи. Электрический орган рыб работает с частотой несколько сотен герц и создаёт напряжение в несколько вольт. Электрическое поле улавливается электрорецепторами. Находящиеся в воде предметы искажают электрическое поле. По этим искажениям рыбы легко ориентируются в мутной воде^[10].

Производство и практическое использование

Генерирование и передача

Ранние эксперименты эпохи античности, такие, как опыты Фалеса с янтарными палочками, были фактически первыми попытками изучения вопросов, связанных с производством электрической энергии. Этот метод в настоящее время известен как трибоэлектрический эффект, и хотя с его помощью можно притягивать лёгкие предметы и порождать искры, в сущности он чрезвычайно малоэффективен^[11]. Функциональный источник электричества появился только в 1800 году, когда было изобретено первое устройство для его получения — вольтов столб. Он и его современный вариант, электрическая батарея, являются химическими источниками электрического тока: в основе их работы лежит взаимодействие веществ в электролите. Батарея даёт возможность получить электричество в случае необходимости, является многофункциональным и широко распространённым источником питания, который хорошо подходит для применения в различных условиях и ситуациях, однако её запас энергии конечен, и после истощения последнего батарея нуждается в замене или перезарядке. Для удовлетворения более существенных потребностей в большем её объёме электрическая энергия должна непрерывно генерироваться и передаваться по линиям электропередач.

Обычно для её порождения применяются электромеханические генераторы, приводимые в действие либо за счёт сжигания ископаемого топлива, либо с использованием энергии от ядерных реакций, либо посредством силы воздушных или водных течений. Современная паровая турбина, изобретённая Ч. Парсонсом в 1884 году, в настоящее время генерирует примерно 80 % всего электричества в мире, используя те или иные источники нагрева. Эти устройства более не напоминают униполярный дисковый генератор Фарадея, созданный им в 1831 году, однако в их основе по-прежнему лежит открытый им принцип электромагнитной индукции — возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него^[12]. Ближе к концу XIX века был изобретён трансформатор, что позволило более эффективно передавать электроэнергию при более высоком напряжении и меньшей силе тока. В свою очередь, эффективность передачи энергии обусловливала возможность генерировать электричество на централизованных электростанциях с выгодой для последних и затем перенаправлять его на довольно протяжённые дистанции к конечным потребителям^[13][14].

Поскольку электроэнергию затруднительно хранить в таких количествах, которые были бы достаточны в масштабах государства, необходимо соблюдать баланс: генерировать ровно столько электричества, сколько потребляется пользователями. Для этого энергетическим компаниям необходимо тщательно прогнозировать нагрузку и постоянно координировать производственный процесс со своими электростанциями. Некоторое количество мощностей при этом держится в резерве, чтобы в случае возникновения тех или иных проблем или потерь энергии подстраховывать электросети.

По мере того, как идёт модернизация и развивается экономика того или иного государства, спрос на электричество быстро возрастает. В частности, для Соединенных Штатов этот показатель составил 12 % роста в год на протяжении первой трети XX века^[15], а в настоящее время аналогичный прогресс наблюдается у таких интенсивно развивающихся экономик, как Китай и Индия^[16][17]. Исторически рост потребности в электричестве опережает аналогичные показатели для других видов энергоносителей^[18]. Следует также заметить, что беспокойство по поводу влияния производств электроэнергии на окружающую среду привело к сосредоточению внимания на генерировании электричества посредством возобновляемых источников — в особенности за счёт энергии ветра и воды^[19].

Применение

Использование электричества обеспечивает довольно удобный^{[источник не указан 1101 день]} способ передачи энергии, и в силу этого оно было адаптировано для существенного и по сей день растущего спектра практических приложений^[20]. Одним из первых общедоступных способов применения электричества было освещение; условия для этого оказались созданы после изобретения лампы накаливания в 1870-х годах. Создателем лампы накаливания является русский электротехник А.Н. Лодыгин^[21]. Первая лампа накаливания представляла собой замкнутый сосуд без воздуха с угольным стержнем.^[22]. Хотя с электрификацией были сопряжены свои риски, замена открытого огня на электрическое освещение в значительной степени сократила количество возгораний в быту и на производстве^[23].

В целом, начиная с XIX века, электричество плотно входит в жизнь современной цивилизации. Электричество используют не только для освещения^[24], но и для передачи информации (телеграф, телефон, радио, телевидение), а также для приведения механизмов в движение (электродвигатель), что активно используется на транспорте^[25] (трамвай, метро, троллейбус, электричка) и в бытовой технике (утюг, кухонный комбайн, стиральная машина, посудомоечная машина).

В целях получения электричества созданы оснащённые электрогенераторами электростанции, а для его хранения — аккумуляторы и электрические батареи.

Сегодня также электричество используют для получения материалов (электролиз), для их обработки (сварка, сверление, резка) и создания музыки (электрогитара).

Закон Джоуля-Ленца о тепловом действии электрического тока обусловливает возможности для электрического отопления помещений. Хотя такой способ довольно универсален и обеспечивает определённую степень управляемости, его можно рассматривать как излишне ресурсозатратный — в силу того, что генерирование используемого в нём электричества уже потребовало производства тепла на электростанции^[26]. В некоторых странах, например — в Дании, были даже приняты законодательные нормы, ограничивающие или полностью запрещающие использование электрических средств отопления в новых домах^[27]. В то же время электричество — это практичный источник энергии для охлаждения, и одной из активно растущих областей спроса на электричество является кондиционирование воздуха^[28][29].

По данным Всемирного банка, на сегодняшний день (2015) более миллиарда человек в мире живут без использования электричества в быту. Около 3 млрд человек используют для приготовления пищи и отопления керосин, дрова, древесный уголь и навоз.^[30].

Хронология основных открытий и изобретений

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Спиридонов О. П. «Универсальные физические постоянные», М., «Просвещение», 1984, с. 52, ББК 22.3 С72
2. ↑ Электричество до Франклина
3. ↑ Электростатическая машина Герике
4. ↑ Первые опыты по передаче электричества на расстояние
5. ↑ История электричества
6. ↑ Открытие электричества
7. ↑ Это не единственное свойство заряженных тел; например, заряженные тела при движении способны создавать ещё и магнитное поле, а также подвергаются воздействию последнего (также в случае своего движения).
8. ↑ Электричество и магнетизм, 2004, с. 178.
9. ↑ Электричество в живых организмах, 1988, с. 66.
10. ↑ Богданов К. Ю. Физик в гостях у биолога. — М.: «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986, 144 с. (Б-чка «Квант», Вып. 49) тир. 135000 экз., ББК 22.3 + 28 Гл. 1. Живое электричество.
11. ↑ Dell, Ronald & Rand, David (2001), «Understanding Batteries», Unknown (Royal Society of Chemistry) . — Т. 86: 2–4, ISBN 0-85404-605-4 
12. ↑ McLaren, Peter G. (1984), Elementary Electric Power and Machines, Ellis Horwood, сс. 182–183, ISBN 0-85312-269-5 
13. ↑ Patterson, Walter C. (1999), Transforming Electricity: The Coming Generation of Change, Earthscan, сс. 44–48, ISBN 1-85383-341-X 
14. ↑ Edison Electric Institute, History of the Electric Power Industry, <http://www.eei.org/industry_issues/industry_overview_and_statistics/history>. Проверено 8 декабря 2007. 
15. ↑ Edison Electric Institute, History of the U.S. Electric Power Industry, 1882-1991, <http://www.eia.doe.gov/cneaf/electricity/chg_stru_update/appa.html>. Проверено 8 декабря 2007. 
16. ↑ Carbon Sequestration Leadership Forum, An Energy Summary of India, <http://www.cslforum.org/india.htm>. Проверено 8 декабря 2007. 
17. ↑ IndexMundi, China Electricity — consumption, <http://www.indexmundi.com/china/electricity_consumption.html>. Проверено 8 декабря 2007. 
18. ↑ National Research Council (1986), Electricity in Economic Growth, National Academies Press, с. 16, ISBN 0-309-03677-1 
19. ↑ National Research Council (1986), Electricity in Economic Growth, National Academies Press, с. 89, ISBN 0-309-03677-1 
20. ↑ Wald, Matthew (21 March 1990), «Growing Use of Electricity Raises Questions on Supply», New York Times, <http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9C0CE6DD1F3AF932A15750C0A966958260>. Проверено 9 декабря 2007. 
21. ↑ Один из первых коммерчески успешных вариантов электрической лампы накаливания был разработан Т. Эдисоном.
22. ↑ Большая советская энциклопедия
23. ↑ d’Alroy Jones, Peter, The Consumer Society: A History of American Capitalism, Penguin Books, с. 211 
24. ↑ Жителям Подмосковья электричество не светит
25. ↑ Из-за отключения электричества в Санкт-Петербурге встал электротранспорт
26. ↑ ReVelle, Charles and Penelope (1992), The Global Environment: Securing a Sustainable Future, Jones & Bartlett, с. 298, ISBN 0-86720-321-8 
27. ↑ Danish Ministry of Environment and Energy, F.2 The Heat Supply Act, <http://glwww.mst.dk/udgiv/Publications/1997/87-7810-983-3/html/annexf.htm>. Проверено 9 декабря 2007. 
28. ↑ Brown, Charles E. (2002), Power resources, Springer, ISBN 3-540-42634-5 
29. ↑ Hojjati, B. & Battles, S., The Growth in Electricity Demand in U.S. Households, 1981-2001: Implications for Carbon Emissions, <http://www.eia.doe.gov/emeu/efficiency/2005_USAEE.pdf>. Проверено 9 декабря 2007. 
30. ↑ Более миллиарда людей в мире живут без электричества — ИА «Финмаркет»

Литература

• Калашников С. Г. Электричество. — М., Наука, 1985. — 576 с.
• Эйхенвальд А. А. Электричество. — М., Государственное технико-теоретическое издательство, 1933
• Беркинблит М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в живых организмах. — М.: Наука, 1988. — 288 с.
• Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике. Т. 5. Электричество и магнетизм. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 304 с.

Ссылки

wikipedia.green

Кто изобрёл электричество? — История изобретений

Как и другие великие изобретения, открытие электричества заняло тысячи лет, так как было достаточно сложно разработать правильную теорию, объясняющую суть феномена. Учёные-физики объединили магнетизм и электричество, пытаясь выяснить, как эти силы способны притягивать предметы, вызывать онемение частей тела и даже вызвать пожары. В этой статье вы узнаете, когда изобрели электричество и историю электричества.

Было три основных факта проявления электрических сил, которые привели учёных к изобретению электричества: электрические рыбы, статическое электричество и магнетизм. Древнеегипетские врачи знали об электрических разрядах, которые генерировал нильский сом. Они даже пытались использовать измельчённого до порошка сома как лекарство. Платон и Аристотель в 300-х годах до н.э. упоминали об электрических скатах, которые оглушают электричеством людей. Преемник их идей Теофраст знал, что электрические скаты могут оглушить человека, даже не прикасаясь к нему напрямую, посредством мокрых конопляных сетей рыбаков или их трезубцев.

Плутарх добавил новую информацию о скатах (читайте также статью о животных, способных чувствовать и генерировать электромагнитное поле):

те, кто экспериментировал с ним, сообщают, что если его выбрасывает на берег живым, а вы будете лить на него воду сверху, то можете почувствовать онемение, восходящее по руке, и притупление чувствительности от прикосновения воды. Кажется, будто рука оказалась чем-то инфицирована.

Плиний Старший продвигается дальше в изучении скатов и отмечает новую информацию, связанную с проводимостью электричества различными веществами. Так, он обратил внимание на то, что металл и вода проводят электричество лучше, чем всё остальное. Также он обратил внимание на ряд целебных свойств при поедании скатов. Такие римские врачи, как Скрикониус Ларгус, Диоскуридес и Гален, начали использовать скатов, чтобы лечить хронические головные боли, подагру и даже геморрой. Гален полагал, что электричество ската как-то связано со свойствами магнетита. Стоит отметить, что инки также знали об электрических угрях.

Около 1000 шода нашей эры ибн Сина также выяснил, что электрические удары скатов могут излечить хроническую головную боль. В 1100-х годах ибн Рушд в Испании писал о скатах и о том, как они могут вызвать онемение у рук рыбаков, даже не трогая сеть. Ибн Рашд пришёл к выводу, что эта сила оказывает такой эффект лишь на некоторые предметы, в то время как другие могли спокойно пропускать её через себя. Абд аль-Латиф, работавший в Египте около 1200 года н.э., сообщил, что электрический сом в Ниле может делать то же самое, что и скаты, но намного сильнее.

Другие учёные начали изучать статическое электричество. Греческий учёный Фалес около 630 года до нашей эры знал, что если потереть янтарь о шерсть, а затем коснуться его, то можно получить электрический разряд.

Само слово «электричество», вероятно, происходит из финикийского языка от слова, означающего «светящийся свет» или «солнечный луч», которое греки использовали для обозначения янтаря (др.-греч. ἤλεκτρον: электрон). Теофраст в 300-х годах до нашей эры знал другой особый камень — турмалин, который притягивает к себе небольшие предметы, такие как кусочки ясеня или меха, если его разогреть. В 100-х годах н.э. в Риме Сенека сделал несколько замечаний о молниях и феномене огней святого Эльма. Уильям Гилберт в 1600 году узнал, что стекло может получить статический заряд, также как и янтарь. По мере колонизации Европа становилась всё богаче, происходило развитие образования. В 1660 году Отто фон Герике создал вращающуюся машину для производства статического электричества.

Огни святого Эльма

Первая электрическая машина Отто Герике. Большой шар из застывшей серы вращается, а учёный прижимает к нему руку или шерсть, чтобы наэлектризовать его.

В третьем направлении изучения электричества учёные работали с магнитами и магнетитом. Фалес знал, что магний способен намагнитить железные прутья. Индийский хирург Сушрута около 500 г. до н.э. использовал магнетит для хирургического удаления железных осколков. Около 450 г. до н.э. Эмпедокл, работавший в Сицилии, считал, что, возможно, невидимые частицы каким-то образом тянули железо к магниту, подобно реке. Он сравнивал это с тем, как невидимые частицы света проникают к нам в глаза, чтобы мы могли видеть. Философ Эпикур последовал за идеей Эмпедокла. Между тем в Китае учёные тоже не сидели без дела. В 300-х годах н.э. они также работали с магнитами, используя недавно изобретённую швейную иглу. Они разработали способ изготовления искусственных магнитов, а около 100 г. до н.э. они изобрели магнитный компас.

Магнетит

В 1088 году н.э. Шэнь Го в Китае писал о магнитном компасе и его способности находить север. К 1100-м годам китайские корабли были оснащены компасами. Около 1100 года н.э. исламские астрономы также переняли технологию изготовления китайских компасов, хотя в Европе к этому времени это уже было нормальным явлением, когда их упоминал Александр Некем в 1190 году. В 1269 году, вскоре после создания Неаполитанского университета, когда Европа стала ещё более развитой, Питер Перегрин на юге Италии написал первое европейское исследование о магнитах. Ульиям Гилберт в 1600 году понял, что компасы работают потому, что сама Земля представляет из себя магнит.

Примерно в 1700 году эти три направления исследований начали объединяться, поскольку учёные увидели их взаимосвязь.

В 1729 году Стивен Грей показывает, что электричество можно передавать между вещами, соединяя их. В 1734 году Шарль Франсуа Дюфе понял, что электричество способно притягивать и отталкивать. В 1745 году в городе Лейден учёным Питером ван Мушенбруком и его учеником Кюнеусом создана банка, которая может хранить электроэнергию и сразу же разряжать её, тем самым став первым в мире конденсатором. Бенджамин Франклин начинает свои собственные эксперименты с батареями (как он их называет), которые способны хранить электричество, постепенно разряжая их. Также он начал свои эксперимент с электрическими угрями и прочим. В 1819 году Ганс Христиан Эрстед понял, что электрический ток может влиять на стрелку компаса. Изобретение электромагнита в 1826 году начинает эру электрических технологий, таких как телеграф или электрических двигатель, способный экономить нам массу времени и изобретать другие машины. Что уже говорить про изобретение телефона, транзисторов или компьютера.

Лейденская банка

kakizobreli.ru

история создания, как оно получается, объяснение свойств с позиции физики и применение в жизни

Трудно представить, что еще два столетия назад люди не использовали электричество столь же широко, как сейчас. Открытие и изучение свойств этой энергии сделали возможным появление бытовой техники, интернета, телевидения и высокоскоростного транспорта, без которых трудно представить комфортное существование. Однако не всем известно, что этим достижениям предшествовала многовековая исследовательская работа.

Состав невидимого потока

С точки зрения физики, сама возможность возникновения электричества исходит из способностей физической материи накапливать и сохранять электрический заряд. Вокруг этих накопителей образуется энергетическое поле.

В основе действия тока лежит сила невидимого потока заряженных частиц, движущихся в едином направлении, что образует магнитное поле, родственное по принципу действия с электрическим. Они могут влиять на другие тела, обладающие зарядом того или иного вида:

• отрицательным;
• положительным.

Согласно научным исследованиям, электроны вращаются вокруг центрального ядра любого атома, входящего в состав молекул, образующих все физические тела. Под воздействием магнитных полей они могут отрываться от родного ядра и присоединяться к другому, вследствие чего у одной молекулы получается недостаток электронов, а у другой возникает их переизбыток.

Но сама суть этих элементов состоит в стремлении восполнить нехватку в матрице — они всегда стремятся туда, где их наименьшее количество. Такая постоянная миграция наглядно показывает, как получается электричество, ведь на близком расстоянии электроны стремительно переходят от одного центра атома к другому. Это приводит к образованию тока, о нюансах действия которого интересно знать следующие факты:

• вектор — его направление всегда исходит из отрицательного заряженного полюса и стремится к положительному;
• атомы с избытком электронов имеют заряд «минус» и именуются «ионами», недостаток же этих элементов создает «плюс»;
• в контактах проводов «минусовой» заряд называют «фаза», а «плюс» обозначается нулем;
• наименьшее расстояние между атомами — в составе металлов, поэтому они являются наилучшими проводниками тока;
• наибольшая межатомная дистанция зафиксирована в резине и твердых телах — мрамор, янтарь, фарфор, — которые являются диэлектриками, неспособными проводить ток, поэтому их еще называют «изоляторами»;
• энергия, образующаяся при движении электронов и разогревающая проводники, именуется «мощностью», которую принято измерять в ваттах.

Интересно, что все свойства явления до сих пор не изучены до конца, хотя квантовая физика и термодинамика проводят постоянные исследования. Проще всего обозначить определение электричества через тезис ученого Вильяма Гилберта, сказавшего, что это энергия движущихся заряженных частиц и освещение, получаемое с использованием данной силы.

От янтаря к молнии — долгая история

Нет однозначного ответа на вопрос, кто создал электричество, выделив его как отдельную управляемую энергию. С древнейших времен до наших дней величайшие деятели науки работали над этой темой и добавляли к предыдущей теории собственные знания и опыты по применению на практике.

Первые шаги ученых прошлого

Лексический корень, который лег в основу понятия, произошел от древнегреческого слова «электрон», что означает «янтарь». Ученый и философ Фалес, живший в 7 веке до н. э., случайно заметил в ходе других физических опытов, что если тщательно потереть необработанный янтарь о шерсть, он начнет притягивать пыль и нити, а большой камень — ткань и тонкие кусочки папируса.

Заинтересовавшись, Фалес провел ряд опытов и вышел на теорию заряженных частиц, однако в то время не было подходящего оборудования для доказательств его выводов. Исследования не получили продолжения, однако имя ученого навсегда вошло в историю как первооткрывателя. Позже Аристотель изучал морских угрей и скатов, поражающих жертву электроразрядом, а Плиний интересовался смолой как проводником заряда.

После долгих лет средневекового невежества интерес к исканиям античных ученых возник только в 17 веке, причем одновременно в нескольких европейских странах. Бургомистр Магдебурга Отто фон Герике, интересовавшийся наукой больше, чем скучной работой чиновника, именно на основе древних рукописей создал механизм научно-исследовательского характера, использующий статическое электричество.

Он представлял собой прибор, состоящий из железного штифта и шарика серы вместо янтаря сверху. Механизм был сделан не для практической пользы, а для дальнейших исследований, в ходе которых Герике удалось создать подобие современной лампочки с серным зерном в центре.

Немногим позже британский врач и физик Вильям Гилберт изобрел усовершенствованный прибор для более глубокого изучения свойств

новой энергии, назвав его электроскопом. Это было простое устройство из стрелы, крутившейся на толстой металлической игле по принципу компаса, однако благодаря ему Гилберт выявил взаимосвязи огня и электричества, смог понять и доказать, что вместо янтаря можно использовать драгоценные камни и самоцветы, а также стекло и хрусталь. Он определил целый ряд так называемых «электрических» предметов.

Открытия эпохи просвещения

Ученые 18 века пришли к выводу, что сила трения вызывает разные виды электричества в зависимости от того, какой материал взят за основу. Английские исследователи Гренвиль Уиллер и Стивен Грей обнаружили, что некоторые вещества не обладают пропускной способностью, тогда как через определенные материалы ток проходит мгновенно.

Они и обозначили ряд «проводников» электроэнергии — металлы, солевые растворы, мокрая земля и даже человеческое тело. В 1729 году Уиллер и Грей провели невероятный по своему влиянию на промышленный прогресс опыт — передали электрический ток на небольшое расстояние.

В том же знаменательном году голландский физик и математик Мушенбрук вместе с немцем Эдвальдом фон Клейстом придумали устройство, вошедшее в историю электричества как «лейденская банка» — по названию университета, где впервые были продемонстрированы их опыты. Вода в стеклянном сосуде получала заряд через металлическую палку, которую вставляли через отверстие в крышке из станиоля. Дно банки также находилось на тарелке из аналогичного материала. Наружный металл выступал в качестве электродов для накапливания энергии внутри сосуда. Почти полтора века «лейденская банка» служила источником тока для первых электроприборов.

Такие успехи вдохновили ученых всего мира на дальнейшие опыты и открытия:

1. Французский химик Шарль Дюфе сконструировал электроскоп с золотыми пластинками, а также выявил в ходе исследований, что бумага, натертая смолой, отталкивается от нее, но притягивается к стеклу, как к магниту, и наоборот. Он выделил два вида электричества — смоляное и стеклянное, на основе чего поделил все физические тела на две группы, согласно их реакции на смолу и стекло;
2. Русский ученый Михаил Ломоносов изучал природу атмосферного электричества, возникающего при грозах, пробуя измерить его совместно с немецким исследователем Рихманом. Для этого ими была придумана громомерная машина, с ее помощью Ломоносов узнал о разности потенциалов молний и измерял уровень электричества в атмосфере не только при грозе, но и в обычное время;
3. Французский ученый Шарль Кулон выявил закон электростатики с основным тезисом взаимодействия зарядов согласно квадрату расстояния между ними, а также определил силу отталкивания и притяжения одинаковых и противоположных «полюсов»;
4. Итальянец Гальвани придумал первую батарейку, смастерив ее из круглых серебряных цилиндров, между которыми была размоченная в солевом растворе бумага;
5. Англичанин Майкл Фарадей и француз Ампер разработали законы электродинамики, изучив химические свойства силы тока и их изменения при воздействии магнитного поля Земли, и доказали, что именно оно формирует электрическую энергию. С тех пор единица силы тока названа именем Ампера;
6. Русский ученый Лодыгин придумал подобие современных ламп накаливания с основой из углевой пластины, а француз Жорж Клод изобретал устройство, близкое по конструкции к неоновым лампочкам;
7. Итальянский химик Алессандро Вольта изобрел источник постоянного тока. Он пришел к выводу о необходимости подключения замкнутой цепи, в составе которой должны быть как металлические, так и жидкостные проводники. Он стал основоположником теории «контактного электричества», а его соотечественник Гальвани доказал присутствие этой энергии в теле человека.

Невозможно выделить одного ученого, которому можно приписать честь открытия и создания самой мощной энергии нашего времени. Каждый внес неоценимый вклад в общее дело.

Тесла и Франклин

Однако двое ученых все же выделяются из плеяды исследователей. Бенджамин Франклин проанализировал и синтезировал работы и опыты коллег, опубликовав самые аргументированные в одной книге под личной редакцией.

Он особо выделял теорию о положительных и отрицательных зарядах, а также доказал природное электрическое происхождение молний. После этого была выдвинута версия о том, что жизнь на планете зародилась вследствие синтеза первичных аминокислот, толчком к которому послужили молнии.

Франклин также впервые озвучил теорию об электрической природе нервных импульсов в человеческом теле, предшествующих двигательному процессу, циклу вдоха-выдоха, сенсорным ощущениям, что произвело революцию в научном мире.

Имя сербского ученого Никола Теслы является самым известным в народе и ассоциируется с открытиями в области электроэнергии. Он и правда посвятил этому всю жизнь, еще в детстве увидев, как светится шерсть любимой черной кошки от частых поглаживаний.

Тесла умел не только создавать теории, но и доказывать их экспериментами, которые бывали очень опасными. Он сконструировал и успешно применял высокочастотный механизм, получивший название «катушка Теслы», напряжение которого могло обеспечить работу компьютеров и телевизоров, тем более что их появление в будущем также было предсказано Теслой. К числу его гениальных изобретений можно отнести следующее:

• способ сохранения света и передачи освещения, неоновые лампы;
• переменный ток как безопасная альтернатива постоянному;
• электродвигатель на вращающихся магнитных полях;
• рентгеновские лучи и фотография;
• радиосигналы и дистанционное управление на их частотах;
• роботы и лазерные лучи.

Многие исследования ученого были связаны с разработкой машины времени и возможностью телепортации, но удалось ли ему осуществить эти теории, никто не знает. Он сжег многие свои работы, осознав, что человечество может использовать ценные знания во вред, а не во благо.

Освещение России

Русские ученые внесли огромный практический вклад в историю развития электричества, начиная с М. В. Ломоносова. Многие их идеи были заимствованы европейскими коллегами, однако в плане внедрения изобретений в практическую работу на пользу людям Россия всегда опережала другие страны.

Например, уже в 1879 году лампы фонарей на Литейном мосту были заменены на электрические, что было прогрессивным и смелым решением для того времени. В 1880 году был открыт отдел по делам электрификации городских районов при Русском техническом обществе. Первым населенным пунктом в мире, в котором было введено повсеместное освещение в вечернее и ночное время, стало Царское Село в 1881 году.

Весной 1883 года на Софийской набережной построили электростанцию и успешно провели праздничное освещение центра города, приуроченное к церемонии коронации нового императора — Александра ІІІ.

Праздничная иллюминация без сбоев и возгораний наглядно показала людям, пришедшим на праздник в большом количестве, как работает электричество в деле, и сторонников прогресса стало больше.

В этом же году был полностью электрифицирован центр Петербурга и его сердце — Зимний дворец. Небольшой отдел при техническом обществе вырос за пару лет в Ассоциацию электроосвещения Российской империи, стараниями которой было проведено множество работ по установке фонарей на улицах Москвы и Петербурга, включая отдаленные районы. Всего через два года по всей стране начнут строить электростанции, и население России окончательно встанет на путь прогресса.

Обыкновенное чудо природных явлений

Интересно, что тела человека и многих живых существ не просто являются проводниками электрических импульсов, но и способны вырабатывать эту энергию самостоятельно. Показательными примерами являются электрические скаты, миноги и угри, у которых есть специальные отростки в строении туловища, служащие своеобразной накопительной иглой, с помощью которой они поражают жертву разрядом частотой в несколько сотен герц.

Большинство ученых считают, что тело человека подобно электростанции с автономной системой саморегуляции. Бывали случаи, когда люди не только выживали после удара молнией, но и обретали исцеление от болезней и новые способности. Каждый из этих счастливцев обладал сильным природным иммунитетом, вследствие чего удар природного электричества только укрепил их врожденную силу.

В природе есть м

rusenergetics.ru