Электричество - Electricity

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Множественные удары молнии по городу ночью
Молния - одно из самых драматических эффектов электричества.

Электричество есть множество физических явлений , связанные с наличием и движением от материи , которая имеет свойство электрического заряда . Электричество связано с магнетизмом , оба являются частью явления электромагнетизма , как описано уравнениями Максвелла . С электричеством связаны различные общие явления, в том числе молния , статическое электричество , электрический нагрев , электрические разряды и многие другие.

Наличие электрического заряда , который может быть как положительным, так и отрицательным, создает электрическое поле . Движение электрических зарядов представляет собой электрический ток и создает магнитное поле .

Когда заряд помещается в место с ненулевым электрическим полем, на него действует сила. Величина этой силы определяется законом Кулона . Если заряд движется, электрическое поле будет работать с электрическим зарядом. Таким образом, мы можем говорить об электрическом потенциале в определенной точке пространства, который равен работе, совершаемой внешним агентом по переносу единицы положительного заряда из произвольно выбранной точки отсчета в эту точку без какого-либо ускорения и обычно измеряется в вольтах. .

Электричество лежит в основе многих современных технологий, которые используются для:

Электрические явления изучались с древних времен, хотя прогресс в теоретическом понимании оставался медленным до семнадцатого и восемнадцатого веков. Теория электромагнетизма была разработана в XIX веке, и к концу этого века электричество стало использоваться в промышленных и жилых помещениях инженерами-электриками . Быстрое развитие электрических технологий в это время преобразовало промышленность и общество, став движущей силой Второй промышленной революции . Необычайная универсальность электричества означает, что его можно использовать в практически безграничном наборе приложений, включая транспорт , отопление , освещение , связь и вычисления . Электроэнергия сейчас является основой современного индустриального общества.

История

Бюст бородатого мужчины с растрепанными волосами
Фалес , самый ранний известный исследователь электричества

Задолго до того, как появились какие-либо знания об электричестве, люди знали о ударах электрических рыб . Древние египетские тексты, датируемые 2750 годом до нашей эры, называют этих рыб «Громовержцами Нила » и описывают их как «защитников» всех других рыб. Спустя тысячелетия о электрических рыбах снова сообщили древнегреческие , римские и арабские естествоиспытатели и врачи . Некоторые древние писатели, такие как Плиний Старший и Скрибоний Ларгус , засвидетельствовали ошеломляющее действие электрического шока, вызываемого электрическим сомом и электрическими лучами , и знали, что такие разряды могут распространяться по проводящим объектам. Пациентам, страдающим такими заболеваниями, как подагра или головная боль, приказывали прикоснуться к электрической рыбе в надежде, что мощный толчок их вылечит.

Древние культуры Средиземноморья знали, что определенные предметы, такие как янтарные стержни , можно натирать кошачьей шерстью, чтобы привлечь легкие предметы, например перья. Фалес Милетский провел серию наблюдений за статическим электричеством около 600 г. до н.э., из которых он полагал, что трение делает янтарь магнитным , в отличие от минералов, таких как магнетит , которые не нуждаются в трении. Фалес ошибался, полагая, что притяжение вызвано магнитным эффектом, но позже наука доказала связь между магнетизмом и электричеством. Согласно спорной теории, парфяне, возможно, знали гальваническое покрытие , основанное на открытии в 1936 году Багдадской батареи , которая напоминает гальванический элемент , хотя неясно, был ли артефакт электрическим по своей природе.

Поясной портрет лысого, несколько дородного мужчины в костюме-тройке.
Бенджамин Франклин провел обширные исследования электричества в 18 веке, как это было задокументировано Джозефом Пристли (1767) « История и современное состояние электричества» , с которым Франклин вел обширную переписку.

Электричество оставалось лишь интеллектуальным курьезом на протяжении тысячелетий до 1600 года, когда английский ученый Уильям Гилберт написал книгу « Де Магнете» , в которой провел тщательное исследование электричества и магнетизма, отличив магнитный эффект от статического электричества, возникающего при трении янтаря. Он придумал новое латинское слово electricus («из янтаря» или «подобный янтарь», от ἤλεκτρον, электрон , греческое слово , означающее «янтарь»), чтобы обозначать свойство притягивать мелкие предметы после того, как их потерли. Эта ассоциация дала начало английским словам «электрический» и «электричество», впервые появившимся в печати в книге Томаса Брауна « Pseudodoxia Epidemica» 1646 года.

Дальнейшие работы проводились в 17-м и начале 18-го веков Отто фон Герике , Робертом Бойлем , Стивеном Греем и К.Ф. дю Фэем . Позже в 18 веке Бенджамин Франклин провел обширные исследования в области электричества, продав свое имущество для финансирования своей работы. Считается, что в июне 1752 года он прикрепил металлический ключ к нижней части смоченной струны воздушного змея и запустил воздушного змея в грозовом небе. Последовательность искр, прыгающих от ключа к тыльной стороне его руки, показала, что молния действительно имела электрическую природу. Он также объяснил очевидно парадоксальное поведение лейденской банки как устройства для хранения большого количества электрического заряда в виде электричества, состоящего как из положительных, так и из отрицательных зарядов.

Поясной портрет маслом мужчины в темном костюме
Открытия
Майкла Фарадея легли в основу технологии электродвигателей.

В 1791 году Луиджи Гальвани опубликовал свое открытие биоэлектромагнетизма , продемонстрировав, что электричество является средой, с помощью которой нейроны передают сигналы мышцам. Батарея Алессандро Вольта , или гальваническая батарея 1800 г., сделанная из чередующихся слоев цинка и меди, предоставила ученым более надежный источник электроэнергии, чем использовавшиеся ранее электростатические машины . Признание электромагнетизма , единства электрических и магнитных явлений, принадлежит Гансу Кристиану Эрстеду и Андре-Мари Ампера в 1819–1820 годах. Майкл Фарадей изобрел электродвигатель в 1821 году, а Георг Ом математически проанализировал электрическую цепь в 1827 году. Электричество и магнетизм (и свет) были окончательно связаны Джеймсом Клерком Максвеллом , в частности, в его « О физических силовых линиях » в 1861 и 1862 годах. .

В то время как в начале 19 века произошел быстрый прогресс в области электротехники, в конце 19 века наблюдался наибольший прогресс в области электротехники . Через таких людей, как Александр Грэм Белл , Отто Блати , Томас Эдисон , Галилео Феррарис , Оливер Хевисайд , Аньос Йедлик , Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , Чарльз Алджернон Парсонс , Вернер фон Сименс , Джозеф Свон , Реджинальд Фессенден , Никола Тесла и Джордж Вестингауз , электричество превратилось из научного любопытства в незаменимый инструмент современной жизни.

В 1887 году Генрих Герц обнаружил, что электроды, освещенные ультрафиолетом, легче создают электрические искры . В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой объяснил экспериментальные данные о фотоэлектрическом эффекте как результат переноса световой энергии в дискретных квантованных пакетах, возбуждающих 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 как солнечные панели, и часто используется для коммерческого производства электроэнергии.

Первым твердотельным устройством был « детектор кошачьих усов », впервые использованный в 1900-х годах в радиоприемниках. Проволока в форме усов слегка соприкасается с твердым кристаллом (например, кристаллом германия ) для обнаружения радиосигнала по эффекту контактного перехода. В твердотельном компоненте ток ограничен твердыми элементами и соединениями, специально разработанными для его переключения и усиления. Поток тока можно понимать в двух формах: как отрицательно заряженные электроны и как положительно заряженные электронные дефекты, называемые дырками . Эти заряды и дыры понимаются с точки зрения квантовой физики. Строительный материал чаще всего представляет собой кристаллический полупроводник .

Твердотельная электроника получила признание с появлением транзисторной технологии. Первый рабочий транзистор, точечный транзистор на основе германия , был изобретен Джоном Бардином и Вальтером Хаузером Браттейном в Bell Labs в 1947 году, за ним последовал биполярный переходный транзистор в 1948 году. Эти ранние транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить. на основе серийного производства . Они были затем кремнием основанного МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевого транзистора, или МОП - транзистор), изобретенный Mohamed М. Atalla и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 г. Это был первым действительно компактный транзистор , который может быть миниатюрные и серийно производимые для широкого спектра применений, что привело к кремниевой революции . Твердотельные устройства начали становиться распространена с 1960 - х, с переходом от вакуумных ламп к полупроводниковым диодам , транзисторам, интегральная схема , и (IC) чипы, МОПУ - транзисторам светодиодных технологий (LED).

Самым распространенным электронным устройством является полевой МОП-транзистор, который стал самым широко производимым устройством в истории. Обычные твердотельные МОП-устройства включают микропроцессорные микросхемы и полупроводниковую память . Особым типом полупроводниковой памяти является флеш-память , которая используется в USB-накопителях и мобильных устройствах , а также в технологии твердотельных накопителей (SSD) для замены механически вращающихся жестких дисков с магнитными дисками (HDD).

Концепции

Электрический заряд

У прозрачного стеклянного купола есть внешний электрод, который через стекло соединяется с парой золотых листов.  Заряженный стержень касается внешнего электрода и заставляет листья отталкиваться.
Заряд на электроскопе с
золотым листом заставляет листья заметно отталкиваться друг от друга.

Наличие заряда порождает электростатическую силу: заряды действуют друг на друга, эффект, который был известен, хотя и не изучен в древности. Легкий шар, подвешенный на веревке, можно зарядить, коснувшись его стеклянным стержнем, который сам заряжается путем трения тканью. Если такой же шар заряжается тем же стеклянным стержнем, обнаруживается, что он отталкивает первый: этот заряд заставляет два шара разойтись. Два шара, заряженные натертым янтарным стержнем, также отталкиваются друг от друга. Однако, если один шар заряжается стеклянным стержнем, а другой - янтарным, оказывается, что два шара притягиваются друг к другу. Эти явления исследовал в конце восемнадцатого века Шарль-Огюстен де Кулон , который пришел к выводу, что обвинение проявляется в двух противоположных формах. Это открытие привело к хорошо известной аксиоме: объекты с одинаковым зарядом отталкиваются, а объекты с противоположным зарядом притягиваются .

Сила действует на сами заряженные частицы, поэтому заряд имеет тенденцию максимально равномерно распространяться по проводящей поверхности. Величина электромагнитной силы, притягивающей или отталкивающей, определяется законом Кулона , который связывает силу с произведением зарядов и имеет отношение обратных квадратов к расстоянию между ними. Электромагнитная сила очень сильна, уступая по силе только сильному взаимодействию , но в отличие от этой силы она действует на всех расстояниях. По сравнению с гораздо более слабой гравитационной силой , электромагнитная сила, отталкивающая два электрона, в 10 42 раз больше, чем гравитационное притяжение, стягивающее их вместе.

Заряд происходит от определенных типов субатомных частиц , наиболее известными переносчиками которых являются электрон и протон . Электрический заряд порождает и взаимодействует с электромагнитной силой , одной из четырех фундаментальных сил природы. Эксперимент показал, что заряд является постоянной величиной , то есть чистый заряд в электрически изолированной системе всегда будет оставаться постоянным, независимо от любых изменений, происходящих в этой системе. Внутри системы заряд может передаваться между телами либо путем прямого контакта, либо путем прохождения по проводящему материалу, например по проводу. Неофициальный термин « статическое электричество» относится к чистому наличию (или «дисбалансу») заряда на теле, обычно вызываемому трением разнородных материалов друг о друга, передавая заряд от одного к другому.

Заряд электронов и протонов противоположен по знаку, поэтому величина заряда может быть выражена как отрицательная или положительная. По соглашению, заряд, переносимый электронами, считается отрицательным, а заряд протонов - положительным, что возникло в результате работы Бенджамина Франклина . Величина заряда обычно обозначается символом Q и выражается в кулонах ; каждый электрон несет одинаковый заряд примерно -1,6022 × 10-19   кулонов . Протон имеет заряд, равный и противоположный, и, следовательно, +1,6022 · 10 −19   кулонов. Зарядом обладает не только материя , но и антивещество , каждая античастица несет равный и противоположный заряд соответствующей частице.

Заряд можно измерить несколькими способами. Одним из первых инструментов был электроскоп с золотым листом , который, хотя до сих пор используется для демонстраций в классе, был заменен электронным электрометром .

Электрический ток

Движение электрического заряда известно как электрический ток , сила которого обычно измеряется в амперах . Ток может состоять из любых движущихся заряженных частиц; чаще всего это электроны, но любой движущийся заряд представляет собой ток. Электрический ток может протекать через некоторые предметы, электрические проводники , но не через электрический изолятор .

Исторически сложилось так, что положительный ток определяется как имеющий то же направление потока, что и любой положительный заряд, который он содержит, или как протекающий от наиболее положительной части цепи к наиболее отрицательной части. Определенный таким образом ток называется обычным током . Таким образом, движение отрицательно заряженных электронов по электрической цепи , одна из наиболее известных форм тока, считается положительным в направлении, противоположном движению электронов. Однако, в зависимости от условий, электрический ток может состоять из потока заряженных частиц в любом направлении или даже в обоих направлениях одновременно. Для упрощения этой ситуации широко используется переход от положительного к отрицательному.

Две металлические проволоки образуют перевернутую букву V.  Между их кончиками течет ослепительно яркая оранжево-белая электрическая дуга.
Электрическая дуга обеспечивает энергетическую демонстрацию электрического тока

Процесс, посредством которого электрический ток проходит через материал, называется электрической проводимостью , и его природа зависит от заряженных частиц и материала, через который они проходят. Примеры электрических токов включают металлическую проводимость, когда электроны проходят через проводник, такой как металл, и электролиз , когда ионы (заряженные атомы ) проходят через жидкости, или через плазму, такую ​​как электрические искры. Хотя сами частицы могут двигаться довольно медленно, иногда со средней скоростью дрейфа всего доли миллиметра в секунду, электрическое поле, которое их движет, само распространяется со скоростью, близкой к скорости света , позволяя электрическим сигналам быстро проходить по проводам.

Ток вызывает несколько наблюдаемых эффектов, которые исторически были средством распознавания его присутствия. То, что вода может быть разложена током от гальванической батареи, было обнаружено Николсоном и Карлайлом в 1800 году. Этот процесс теперь известен как электролиз . Их работа была значительно расширена Майклом Фарадеем в 1833 году. Ток через сопротивление вызывает локальное нагревание - эффект, который Джеймс Прескотт Джоуль изучил математически в 1840 году. Одно из самых важных открытий, касающихся тока, было случайно сделано Гансом Кристианом Орстедом в 1820 году, когда , готовясь к лекции, он стал свидетелем того, как ток в проводе мешал стрелке магнитного компаса. Он открыл электромагнетизм , фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитного излучения, создаваемого электрической дугой, достаточно высок, чтобы создавать электромагнитные помехи , которые могут быть вредными для работы соседнего оборудования.

В инженерных или бытовых приложениях ток часто описывается как постоянный (DC) или переменный (AC) ток. Эти термины относятся к тому, как ток изменяется во времени. Постоянный ток, вырабатываемый, например, батареей и требуемый большинством электронных устройств, представляет собой однонаправленный поток от положительной части цепи к отрицательной. Если, как это обычно бывает, этот поток переносится электронами, они будут двигаться в противоположном направлении. Переменный ток - это любой ток, который неоднократно меняет направление; почти всегда это принимает форму синусоиды . Таким образом, переменный ток пульсирует взад и вперед внутри проводника, при этом заряд не перемещается на какое-либо расстояние во времени. Усредненное по времени значение переменного тока равно нулю, но он передает энергию сначала в одном направлении, а затем в обратном. На переменный ток влияют электрические свойства, которые не наблюдаются при установившемся постоянном токе, такие как индуктивность и емкость . Однако эти свойства могут стать важными, когда схема подвержена переходным процессам , например, при первом включении.

Электрическое поле

Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем . Электрическое поле создается заряженным телом в пространстве, которое его окружает, и приводит к силе, действующей на любые другие заряды, помещенные в поле. Электрическое поле действует между двумя зарядами аналогично тому, как гравитационное поле действует между двумя массами , и, подобно ему, простирается к бесконечности и показывает обратную квадратичную зависимость от расстояния. Однако есть важное отличие. Гравитация всегда действует как притяжение, сближая две массы, в то время как электрическое поле может приводить либо к притяжению, либо к отталкиванию. Поскольку большие тела, такие как планеты, обычно не несут чистого заряда, электрическое поле на расстоянии обычно равно нулю. Таким образом, гравитация является доминирующей силой на расстоянии во Вселенной, несмотря на то, что она намного слабее.

Силовые линии, исходящие от положительного заряда над плоским проводником

Электрическое поле обычно изменяется в пространстве, и его сила в любой точке определяется как сила (на единицу заряда), которую чувствовал бы неподвижный, незначительный заряд, если бы он был помещен в эту точку. Концептуальный заряд, называемый « пробным зарядом », должен быть исчезающе малым, чтобы его собственное электрическое поле не мешало основному полю, а также должен быть стационарным, чтобы предотвратить влияние магнитных полей . Поскольку электрическое поле определяется в терминах силы , а сила - это вектор , имеющий как величину , так и направление , отсюда следует, что электрическое поле является векторным полем .

Изучение электрических полей, создаваемых стационарными зарядами, называется электростатикой . Поле может быть визуализировано набором воображаемых линий, направление которых в любой точке совпадает с направлением поля. Эта концепция была введена Фарадеем, чей термин « силовые линии » все еще иногда находит применение. Линии поля - это пути, по которым точечный положительный заряд будет стремиться пройти, когда он был вынужден перемещаться внутри поля; однако они представляют собой воображаемую концепцию, не имеющую физического существования, и поле пронизывает все промежуточное пространство между линиями. Силовые линии, исходящие от стационарных зарядов, обладают несколькими ключевыми свойствами: во-первых, они возникают при положительных зарядах и заканчиваются при отрицательных зарядах; во-вторых, они должны входить в любой хороший проводник под прямым углом, и в-третьих, чтобы они никогда не пересекались или не приближались друг к другу.

Полое проводящее тело несет весь свой заряд на своей внешней поверхности. Таким образом, поле равно нулю во всех точках тела. Это принцип работы клетки Фарадея , проводящей металлической оболочки, которая изолирует ее внутреннюю часть от внешних электрических воздействий.

Принципы электростатики важны при проектировании высоковольтного оборудования. Существует конечный предел напряженности электрического поля, которому может противостоять любая среда. За пределами этой точки происходит электрический пробой, и электрическая дуга вызывает пробой между заряженными частями. Например, воздух имеет тенденцию образовывать дугу через небольшие промежутки при напряженности электрического поля, превышающей 30 кВ на сантиметр. На больших зазорах его прочность на пробой ниже, возможно, 1 кВ на сантиметр. Наиболее очевидным естественным явлением этого является молния , возникающая, когда заряд отделяется в облаках от восходящих столбов воздуха и увеличивает электрическое поле в воздухе до уровня, превышающего его способность выдерживать. Напряжение большого облака молнии может достигать 100 МВ, а энергия разряда - 250 кВтч.

На напряженность поля сильно влияют близлежащие проводящие объекты, и она особенно интенсивна, когда ему приходится огибать резко заостренные объекты. Этот принцип используется в молниеотводе , острый острие которого способствует развитию удара молнии в нем, а не в здании, которое он служит для защиты.

Электрический потенциал

Две батарейки AA имеют на одном конце знак «плюс».
Пара ячеек AA . Знак + указывает полярность разности потенциалов между клеммами аккумулятора.

Концепция электрического потенциала тесно связана с концепцией электрического поля. Небольшой заряд, помещенный в электрическое поле, испытывает силу, и для того, чтобы подвести этот заряд к этой точке против силы, требуется работа . Электрический потенциал в любой точке определяется как энергия, необходимая для медленного переноса тестового заряда с бесконечного расстояния в эту точку. Обычно он измеряется в вольтах , а один вольт - это потенциал, на который необходимо затратить один джоуль работы, чтобы вывести из бесконечности заряд в один кулон . Это определение потенциала, хотя и формальное, имеет мало практического применения, и более полезной концепцией является концепция разности электрических потенциалов , которая представляет собой энергию, необходимую для перемещения единичного заряда между двумя заданными точками. Электрическое поле обладает особым свойством консервативности , что означает, что путь, пройденный испытательным зарядом, не имеет значения: все пути между двумя указанными точками расходуют одинаковую энергию, и, таким образом, можно указать уникальное значение разности потенциалов. Вольт настолько четко обозначен как единица измерения и описания разности электрических потенциалов, что термин « напряжение» находит все большее применение в повседневной жизни.

Для практических целей полезно определить общую точку отсчета, с которой можно выражать и сравнивать потенциалы. Хотя это может быть бесконечность, гораздо более полезным ориентиром является сама Земля , которая, как предполагается, имеет одинаковый потенциал повсюду. Эта точка отсчета естественным образом носит название « земля» или « земля» . Предполагается, что Земля является бесконечным источником равных количеств положительного и отрицательного заряда и, следовательно, электрически незаряжена - и не заряжается.

Электрический потенциал - это скалярная величина , то есть он имеет только величину, а не направление. Его можно рассматривать как аналог высоты : точно так же, как выпущенный объект упадет через разницу в высоте, вызванную гравитационным полем, так и заряд «упадет» на напряжение, вызванное электрическим полем. Поскольку на рельефных картах показаны контурные линии, обозначающие точки одинаковой высоты, ряд линий, обозначающих точки с одинаковым потенциалом (известные как эквипотенциалы ), можно провести вокруг электростатически заряженного объекта. Эквипотенциалы пересекают все силовые линии под прямым углом. Они также должны лежать параллельно поверхности проводника , иначе это создаст силу, которая переместит носители заряда в соответствие с потенциалом поверхности.

Электрическое поле формально определялось как сила, действующая на единицу заряда, но концепция потенциала допускает более полезное и эквивалентное определение: электрическое поле - это локальный градиент электрического потенциала. Обычно выражается в вольтах на метр, направление вектора поля - это линия наибольшего наклона потенциала, где эквипотенциалы лежат ближе всего друг к другу.

Электромагниты

Провод проводит ток к считывателю.  Концентрические круги, представляющие магнитное поле, вращаются вокруг провода против часовой стрелки, как видит читатель.
Магнитное поле вращается вокруг тока

Открытие Эрстеда в 1821 году, что магнитное поле существует вокруг всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, указывает на прямую связь между электричеством и магнетизмом. Более того, взаимодействие казалось отличным от гравитационных и электростатических сил, двух известных тогда сил природы. Сила, действующая на стрелку компаса, не направляла ее к токоведущему проводу или от него, а действовала под прямым углом к ​​нему. По словам Эрстеда, «электрический конфликт действует постоянно». Сила также зависела от направления тока, потому что если поток был обратным, то сила тоже.

Эрстед не до конца понимал свое открытие, но он заметил, что эффект был обратным: ток воздействует на магнит, а магнитное поле действует на ток. Явление было далее исследовано Ампером , который обнаружил, что два параллельных токоведущих провода оказывают друг на друга силу: два провода, проводящие токи в одном направлении, притягиваются друг к другу, а провода, содержащие токи в противоположных направлениях, раздвигаются. Взаимодействие опосредуется магнитным полем, которое создает каждый ток, и составляет основу международного определения ампера .

Схема небольшого электродвигателя в разрезе
Электродвигатель использует важный эффект электромагнетизма: ток через магнитное поле испытывает силу, перпендикулярную как полю, так и току.

Эта взаимосвязь между магнитными полями и токами чрезвычайно важна, поскольку она привела к изобретению электродвигателя Майклом Фарадеем в 1821 году. Униполярный двигатель Фарадея состоял из постоянного магнита, находящегося в бассейне с ртутью . Пропускали ток через проволоку, подвешенную на стержне над магнитом, и погружали в ртуть. Магнит оказывал на провод тангенциальную силу, заставляя его вращаться вокруг магнита до тех пор, пока поддерживался ток.

Эксперименты Фарадея в 1831 году показали, что провод, движущийся перпендикулярно магнитному полю, создает разность потенциалов между своими концами. Дальнейший анализ этого процесса, известного как электромагнитная индукция , позволил ему сформулировать принцип, ныне известный как закон индукции Фарадея, согласно которому разность потенциалов, индуцированная в замкнутой цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока в контуре. Использование этого открытия позволило ему в 1831 году изобрести первый электрический генератор , в котором он преобразовал механическую энергию вращающегося медного диска в электрическую. Диск Фарадея был неэффективен и бесполезен в качестве практического генератора, но он показал возможность генерирования электроэнергии с помощью магнетизма, и эту возможность подумали те, кто последовал за его работой.

Электрохимия

Способность химических реакций производить электричество и, наоборот, способность электричества управлять химическими реакциями имеет широкий спектр применений.

Электрохимия всегда была важной частью электричества. С момента первого изобретения гальванической батареи электрохимические элементы превратились во множество различных типов батарей, гальванических и электролизных ячеек. Таким образом, алюминий производится в огромных количествах, и многие портативные устройства получают питание от перезаряжаемых элементов.

Электрические схемы

Основной электрический контур . Источник напряжения V на левой приводит в действие тока я вокруг цепи, обеспечивая электрическую энергию в резисторе R . От резистора ток возвращается к источнику, замыкая цепь.

Электрическая цепь - это соединение электрических компонентов таким образом, что электрический заряд движется по замкнутому пути (цепи), обычно для выполнения некоторой полезной задачи.

Компоненты в электрической цепи могут иметь множество форм, которые могут включать в себя такие элементы, как резисторы , конденсаторы , переключатели , трансформаторы и электронику . Электронные схемы содержат активные компоненты , обычно полупроводники , и обычно демонстрируют нелинейное поведение, требующее сложного анализа. Простейшие электрические компоненты называются пассивными и линейными : хотя они могут временно накапливать энергию, они не содержат ее источников и демонстрируют линейные ответы на стимулы.

Резистор , пожалуй , самый простой из пассивных элементов схемы: как предполагает его название, оно сопротивляется ток через него, рассеивая свою энергию в виде тепла. Сопротивление является следствием движения заряда через проводник: например, в металлах сопротивление в первую очередь возникает из-за столкновений между электронами и ионами. Закон Ома - это основной закон теории цепей , гласящий, что ток, проходящий через сопротивление, прямо пропорционален разности потенциалов на нем. Сопротивление большинства материалов относительно постоянно в диапазоне температур и токов; материалы в этих условиях известны как «омические». Ом , единица сопротивления, был назван в честь Георга Ома , и обозначается греческой буквой Ом. 1 Ом - это сопротивление, которое будет создавать разность потенциалов в один вольт в ответ на ток в один ампер.

Конденсатора является развитием лейденской банки и представляет собой устройство , которое может хранить заряд, и тем самым накопления электрической энергии в полученном поле. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных тонким изолирующим диэлектрическим слоем; на практике тонкие металлические фольги скручиваются вместе, увеличивая площадь поверхности на единицу объема и, следовательно, емкость . Единица измерения емкости - фарад , названная в честь Майкла Фарадея , и обозначенная символом F : один фарад - это емкость, которая развивает разность потенциалов в один вольт, когда он хранит заряд в один кулон. Конденсатор, подключенный к источнику напряжения, первоначально вызывает ток по мере накопления заряда; этот ток, однако, со временем спадет по мере заполнения конденсатора, в конечном итоге упав до нуля. Следовательно, конденсатор не пропускает установившийся ток, а вместо этого блокирует его.

Катушка индуктивности является проводником, как правило, катушка провода, которая хранит энергию в магнитном поле в ответ на ток через него. Когда меняется ток, меняется и магнитное поле, вызывая напряжение между концами проводника. Индуцированное напряжение пропорционально скорости изменения тока во времени. Константа пропорциональности называется индуктивностью . Единицей измерения индуктивности является генри , названный в честь Джозефа Генри , современника Фарадея. Один генри - это индуктивность, которая вызывает разность потенциалов в один вольт, если ток через нее изменяется со скоростью один ампер в секунду. Поведение индуктора в некотором смысле противоположно поведению конденсатора: он свободно пропускает неизменный ток, но противодействует быстро меняющемуся.

Электроэнергия

Электрическая мощность - это скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи . В системе СИ единица мощности - ватт , один джоуль в секунду .

Электроэнергия, как механическая мощность , является скорость делает работу , измеряется в ваттах , и обозначается буквой Р . Термин « мощность» в разговорной речи означает «электрическая мощность в ваттах». Электрическая мощность в ваттах, производимая электрическим током I, состоящим из заряда Q кулонов каждые t секунд, проходящего через разность электрических потенциалов ( напряжений ) V, равна

где

Q - электрический заряд в кулонах
t время в секундах
I - электрический ток в амперах
V - электрический потенциал или напряжение в вольтах

Выработка электроэнергии часто осуществляется с помощью электрических генераторов , но также может поставляться из химических источников, таких как электрические батареи, или другими способами из самых разных источников энергии. Электроэнергия обычно поставляется предприятиям и домам из электроэнергетики . Электроэнергия обычно продается за киловатт-час (3,6 МДж), который представляет собой произведение мощности в киловаттах на время работы в часах. Электроэнергетические компании измеряют мощность с помощью счетчиков электроэнергии , которые учитывают текущую сумму электроэнергии, доставленной потребителю. В отличие от ископаемого топлива, электричество является формой энергии с низкой энтропией и может быть преобразовано в движение или во многие другие формы энергии с высокой эффективностью.

Электроника

Электронные компоненты для
поверхностного монтажа

Электроника имеет дело с электрическими цепями, которые включают активные электрические компоненты, такие как вакуумные лампы , транзисторы , диоды , оптоэлектронику , датчики и интегральные схемы , а также связанные с ними технологии пассивных соединений. Нелинейное поведение активных компонентов и их способность контролировать потоки электронов делает усиление слабых сигналов и возможных электроники широко используемых в обработке информации , телекоммуникаций и обработки сигналов . Способность электронных устройств действовать как переключатели делает возможной цифровую обработку информации. Технологии соединения, такие как печатные платы , технология упаковки электроники и другие разнообразные формы инфраструктуры связи, дополняют функциональность схемы и превращают смешанные компоненты в обычную рабочую систему .

Сегодня в большинстве электронных устройств для управления электронами используются полупроводниковые компоненты. Изучение полупроводниковых устройств и связанных с ними технологий считается разделом физики твердого тела , тогда как проектирование и создание электронных схем для решения практических задач относится к области электроники .

Электромагнитная волна

Работа Фарадея и Ампера показали, что изменяющееся во времени магнитное поле действует как источник электрического поля, а изменяющееся во времени электрическое поле является источником магнитного поля. Таким образом, когда одно поле изменяется во времени, обязательно индуцируется поле другого. Такое явление имеет свойства волны и, естественно, называется электромагнитной волной . Электромагнитные волны были теоретически проанализированы Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году. Максвелл разработал систему уравнений, которые могли однозначно описывать взаимосвязь между электрическим полем, магнитным полем, электрическим зарядом и электрическим током. Более того, он мог доказать, что такая волна обязательно будет двигаться со скоростью света , и, таким образом, сам свет был формой электромагнитного излучения. Законы Максвелла , объединяющие свет, поля и заряд, являются одной из важнейших вех теоретической физики.

Таким образом, работа многих исследователей позволила использовать электронику для преобразования сигналов в высокочастотные колебательные токи, а через проводники соответствующей формы электричество позволяет передавать и принимать эти сигналы с помощью радиоволн на очень большие расстояния.

Производство и использование

Генерация и передача

Генератор начала ХХ века, изготовленный в Будапеште , Венгрия , в энергетическом зале гидроэлектростанции (фотография Прокудина-Горского , 1905–1915 гг.).

В VI веке до нашей эры греческий философ Фалес Милетский экспериментировал с янтарными стержнями, и эти эксперименты были первыми исследованиями производства электрической энергии. Хотя этот метод, теперь известный как трибоэлектрический эффект , может поднимать легкие объекты и генерировать искры, он крайне неэффективен. Только после изобретения гальванической батареи в восемнадцатом веке стал доступен жизнеспособный источник электричества. Гальваническая батарея и ее современный потомок, электрическая батарея , хранят энергию химически и делают ее доступной по запросу в виде электрической энергии. Батарея является универсальным и очень распространенным источником питания, который идеально подходит для многих приложений, но ее запас энергии ограничен, и после разрядки ее необходимо утилизировать или перезарядить. Для больших потребностей в электроэнергии электрическая энергия должна генерироваться и непрерывно передаваться по проводящим линиям передачи.

Электроэнергия обычно вырабатывается электромеханическими генераторами, приводимыми в действие паром, образующимся при сгорании ископаемого топлива , или теплом, выделяемым в результате ядерных реакций; или из других источников, таких как кинетическая энергия, извлекаемая из ветра или текущей воды. Современная паровая турбина, изобретенная сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году, сегодня вырабатывает около 80 процентов электроэнергии в мире, используя различные источники тепла. Такие генераторы не имеют ничего общего с униполярным дисковым генератором Фарадея 1831 года, но они по-прежнему полагаются на его электромагнитный принцип, согласно которому проводник, соединяющий изменяющееся магнитное поле, индуцирует разность потенциалов на своих концах. Изобретение в конце девятнадцатого века трансформатора означало, что электрическая энергия могла передаваться более эффективно при более высоком напряжении, но более низком токе. Эффективная передача электроэнергии означала, в свою очередь, что электроэнергию можно было вырабатывать на централизованных электростанциях , где она извлекала выгоду из эффекта масштаба , а затем отправлять ее на относительно большие расстояния туда, где она была необходима.

Ветряная электростанция из десятка трехлопастных ветряков белого цвета.
Энергия ветра приобретает все большее значение во многих странах.

Поскольку электрическая энергия не может быть легко сохранена в количествах, достаточно больших, чтобы удовлетворить потребности в национальном масштабе, всегда должно производиться ровно столько, сколько требуется. Это требует от электроэнергетических компаний тщательного прогнозирования своих электрических нагрузок и поддержания постоянной координации со своими электростанциями. Определенное количество генерации всегда должно храниться в резерве, чтобы защитить электрическую сеть от неизбежных сбоев и потерь.

Спрос на электроэнергию растет очень быстро по мере модернизации страны и развития ее экономики. В Соединенных Штатах в течение первых трех десятилетий двадцатого века каждый год в течение первых трех десятилетий двадцатого века спрос увеличивался на 12%, и этот темп роста наблюдается сейчас в странах с формирующейся рыночной экономикой, таких как Индия или Китай. Исторически сложилось так, что темпы роста спроса на электроэнергию опережали рост спроса на другие виды энергии.

Экологические проблемы с производством электроэнергии привели к тому, что все большее внимание уделяется производству из возобновляемых источников , в частности, из ветра и солнца . Хотя можно ожидать продолжения дебатов по поводу воздействия на окружающую среду различных средств производства электроэнергии, его окончательная форма относительно чиста.

Приложения

Лампочки , раннее применение электричества, действует посредством джоулева нагрева : прохождение тока через сопротивление , генерирующее тепло

Электричество - очень удобный способ передачи энергии, и он адаптирован для огромного и постоянно растущего числа пользователей. Изобретение практичной лампы накаливания в 1870-х годах привело к тому, что освещение стало одним из первых общедоступных приложений электроэнергии. Хотя электрификация принесла с собой свои опасности, замена открытого огня газового освещения значительно снизила опасность возгорания в домах и на фабриках. Коммунальные предприятия были созданы во многих городах, нацеленных на растущий рынок электрического освещения. В конце 20 века и в наше время тенденция начала двигаться в направлении дерегулирования в электроэнергетическом секторе.

Эффект резистивного нагрева Джоуля, используемый в лампах накаливания, также находит более прямое применение в электрическом нагреве . Хотя это универсально и поддается контролю, это можно рассматривать как расточительное, поскольку для большей части выработки электроэнергии уже потребовалось производство тепла на электростанции. Ряд стран, например Дания, издали законы, ограничивающие или запрещающие использование резистивного электрического отопления в новых зданиях. Однако электричество по-прежнему является весьма практичным источником энергии для отопления и охлаждения , поскольку системы кондиционирования воздуха / тепловые насосы представляют растущий сектор спроса на электроэнергию для отопления и охлаждения, влияние которого электроэнергетические компании все чаще вынуждены учитывать.

Электричество используется в телекоммуникациях , и действительно, электрический телеграф , коммерчески продемонстрированный в 1837 году Куком и Уитстоном , был одним из первых его применений. С созданием в 1860-х годах сначала трансконтинентальных , а затем трансатлантических телеграфных систем, электричество обеспечило связь по всему миру за считанные минуты. Оптоволокно и спутниковая связь заняли свою долю рынка систем связи, но можно ожидать, что электричество останется важной частью этого процесса.

Эффекты электромагнетизма наиболее заметно проявляются в электродвигателе , который обеспечивает чистые и эффективные средства движения. Стационарный двигатель, такой как лебедка , легко снабжен источником энергии, но двигатель, который движется вместе с ним, например электромобиль , обязан либо нести с собой источник энергии, такой как аккумулятор, либо собирать ток от скользящий контакт, такой как пантограф . Транспортные средства с электроприводом используются в общественном транспорте, например, электрические автобусы и поезда, и все большее количество электромобилей с батарейным питанием находится в частной собственности.

В электронных устройствах используется транзистор , возможно, одно из самых важных изобретений двадцатого века и фундаментальный строительный блок всех современных схем. Современная интегральная схема может содержать несколько миллиардов миниатюрных транзисторов на площади всего в несколько квадратных сантиметров.

Электричество и мир природы

Физиологические эффекты

Напряжение, приложенное к человеческому телу, вызывает электрический ток через ткани, и, хотя зависимость нелинейна, чем больше напряжение, тем больше ток. Порог восприятия изменяется в зависимости от частоты источника питания и пути прохождения тока, но составляет от 0,1 мА до 1 мА для электричества сетевой частоты, хотя ток величиной в микроампер может быть обнаружен как эффект электровибрации при определенных условиях. Если сила тока достаточно высока, это вызовет сокращение мышц, фибрилляцию сердца и ожоги тканей . Отсутствие каких-либо видимых признаков того, что проводник электрифицирован, делает электричество особенно опасным. Боль, вызванная поражением электрическим током, может быть очень сильной, и иногда электричество может использоваться как метод пытки . Смерть вызвана электрическим током, называется электрическим током . Казнь на электрическом стуле по-прежнему является средством судебной казни в некоторых юрисдикциях, хотя в последнее время его использование стало более редким.

Электрические явления в природе

Электрический угорь, Electrophorus electricus

Электричество - это не изобретение человека, и его можно наблюдать в природе в нескольких формах, ярким проявлением которых является молния . Многие взаимодействия, известные на макроскопическом уровне, такие как прикосновение , трение или химическая связь , происходят из-за взаимодействий между электрическими полями на атомном уровне. В магнитном поле Земли , как полагают, возникают из - за естественного динамо циркулирующих токов в ядре планеты. Некоторые кристаллы, такие как кварц или даже сахар , при внешнем давлении создают разность потенциалов на своих гранях. Это явление известно как пьезоэлектричество , от греческого слова piezein (πιέζειν), что означает «нажимать», и было открыто в 1880 году Пьером и Жаком Кюри . Эффект является обратным, и когда пьезоэлектрический материал подвергается воздействию электрического поля, происходит небольшое изменение физических размеров.

§Биоэлектрогенез в микробной жизни - заметное явление в экологии почв и отложений, являющееся результатом анаэробного дыхания . В микробных клетках топливо имитирует это повсеместно естественное явление.

Некоторые организмы, такие как акулы , способны обнаруживать изменения в электрических полях и реагировать на них - способность, известная как электрорецепция , в то время как другие, называемые электрогенными , способны сами генерировать напряжение, которое служит хищным или защитным оружием. Отряд Gymnotiformes , наиболее известным примером которого является электрический угорь , обнаруживает или оглушает свою добычу с помощью высокого напряжения, генерируемого модифицированными мышечными клетками, называемыми электроцитами . Все животные передают информацию через свои клеточные мембраны с помощью импульсов напряжения, называемых потенциалами действия , в функции которых входит связь нервной системой между нейронами и мышцами . Электрический шок стимулирует эту систему и заставляет мышцы сокращаться. Потенциалы действия также отвечают за координацию действий на определенных заводах.

Культурное восприятие

В 1850 году Уильям Гладстон спросил ученого Майкла Фарадея, почему электричество так ценно. Фарадей ответил: «Однажды, сэр, вы можете обложить налогом».

В 19-м и начале 20-го века электричество не было частью повседневной жизни многих людей, даже в промышленно развитом западном мире . Соответственно, популярная культура того времени часто изображала его как загадочную, квази-магическую силу, способную убивать живых, воскрешать мертвых или иным образом нарушать законы природы. Такое отношение началось с экспериментов Луиджи Гальвани 1771 года, в которых было показано, что ноги мертвых лягушек подергиваются под действием животного электричества . «Оживление» или реанимация явно мертвых или утонувших людей появилось в медицинской литературе вскоре после работы Гальвани. Эти результаты были известны Мэри Шелли, когда она написала « Франкенштейн» (1819), хотя она не называет метод оживления монстра. Оживление монстров электричеством позже стало основной темой фильмов ужасов.

По мере того, как общественное знакомство с электричеством как источником жизненной силы Второй промышленной революции росло, его обладатели все чаще воспринимались в положительном свете, например, рабочие, которые «трогают смерть кончиком своих перчаток, соединяя и переставляя живые провода» в Поэма Редьярда Киплинга 1907 года « Сыны Марфы» . Электромобили всех видов широко фигурировали в приключенческих историях, таких как истории Жюля Верна и Тома Свифта . Мастера электричества, вымышленные или реальные, включая таких ученых, как Томас Эдисон , Чарльз Стейнмец или Никола Тесла, обычно считались обладателями волшебных способностей.

Поскольку электричество перестало быть новинкой и стало необходимостью повседневной жизни во второй половине 20-го века, оно требовало особого внимания со стороны массовой культуры только тогда, когда перестало течь, а это событие обычно сигнализирует о катастрофе. Люди, которые поддерживают его, такие как безымянный герой песни Джимми Уэбба " Wichita Lineman " (1968), все еще часто изображаются героическими фигурами, похожими на волшебников.

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

Внешние ссылки