Применение электричества: Применение электричества

Применение электричества

Возможно ли представить современную жизнь без электричества? Нет электричества – и остановились все фабрики и заводы, выключились компьютеры в офисах, погас свет в магазинах и домах. Применение электричества сегодня настолько широко, что мы порой даже не замечаем его и не задумываемся, какой бы была наша жизнь без этого чудесного явления.

Первое применение электричества

Интерес к такому явлению, как электричество сопровождал жизнь людей с самых древних времен. Первым его исследователем стал древнегреческий философ Фалес. Еще в VII в. до н.э. он обратил внимание, что если потереть янтарь кусочком шерсти, то янтарь начинает притягивать к себе ткань. Не случайно электричество и получило свое название от древнегреческого слова «электрон», что в переводе означает «янтарь». Однако долгое время полезное свойство, обнаруженное Фалесом, никак не использовалось (хотя, например, Аристотель исследовал электрические свойства угрей, которые им использовались против своих врагов).

Лишь в 17 веке появился и термин «электричество» и первые серьезные исследования в этой области. Термин ввел английский ученый Уильям Гилберт в своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле», который в результате опытов выявил, что электризоваться может не только янтарь, но и другие предметы. В этот же период Отто фон Герике была создана первая электростатическая машина. Она представляла собой серный шар на металлическом стержне и могла не только притягивать, но и отталкивать предметы. Но еще очень долго электричество не приносило никакой практической пользы, хотя это явление будоражило умы многих ученых и активно изучалось ими. 18-19 века прошло под знаком активного исследования явления элекричества, были выявлены его многие полезные свойства. В частности, возможность передачи электрической энергии на некоторые расстояния, наличие тока в молнии и мышцах животных.

Конец 18- начало 19 веков ознаменовано изучением практической ценности электричества. В частности, ученый Вольта создает источник постоянного тока, который носит название гальванического элемента. В числе титулованных ученых, занимавшихся изучением электричества, нельзя не упомянуть Майкла Фарадея, который основал учение об электромагнитных полях, ввел многие термины и законы. Именно он стал создателем самого первого генератора электроэнергии, что стало основополагающим открытием в последующем развитии и распространении электричества. Ему же принадлежит честь создания первого электродвигателя, что сделало электричество уже не абстрактной научной субстанцией, а изобретением, полезным на практике.

Область применения электричества

Сказать, что сегодня область применения электричества широка – это не сказать практически ничего. Пожалуй, сложно найти сферу, где электричество е применялось бы.

Конечно, самый очевидный и общедоступный способ применения электроэнергии, о котором знает даже ребенок, — это освещение. Эта система освещения получила свое распространение с изобретением ламп накаливания русским электротехником А.Н. Лодыгиным во второй половине XIX века. Первые лампы состояли из закрытого сосуда без кислорода и со стержнем из угля внутри. Замена свечного освещения на электрическое существенно повысило пожарную безопасность.

Сфера применения электричества не ограничивается освещением. Оно также широко применяется для передачи информации. Такие устройства, как телефоны, телеграф, радио и телевидение не смогли бы работать без электричества.

Все мы с детства знаем виды транспорта, работающие на электроэнергии – это трамваи, троллейбусы, поезда, в том числе и в метро. Из-за роста цен на бензин все большее распространение получается и частный электротранспорт, например, на Западе уже достаточно широко используются электромобили.

Электричество достаточно широко применяется в сфере отопления или охлаждения. Надо отметить, что электрическое отопление является достаточно дорогим и ресурсозатратным, поэтому в некоторых странах оно запрещено к применению. А вот системы конидиционирования воздуха, работающие с применением электроэнергии, используются практически повсеместно.

Работа бытовой и офисной техники также невозможна без электричества – это утюги, стиральные и посудомоечные машины, электроплиты, принтеры, сканеры и многое другое. Не смогут работать без электроэнергии и компьютеры и планшеты, без которых сложно представить современную жизнь. Ведь приходя домой вечером, мы обязательно ставим свой телефон или планшет на зарядку, которая происходит от электрической розетки.

Электроэнергия широко применяется для таких процессов, как производство и обработка материалов (без электричества не работали бы аппараты для сварки, сверления, резки).

Еще одной сферой, где сегодня достаточно широко применяется электричество, является медицина. Многие обследования и процедуры были бы невозможны без него (электрофорез, электрокардиограмма и многие другие).

Очень важным вопросом сегодня является генерация электроэнергии. Для этого создаются электростанции.Все большее распространение получают электростанции, работающие за счет природных явлений – солнца, ветра, приливов.

Благодаря существованию линий электропередач (ЛЭП) электроэнергию возможно передавать на очень большие расстояния. Это позволяет электрифицировать даже самые отдаленные уголки (хотя, стоит отметить, что по информации Всемирного банка, существует большое число стран, где электроэнергия практически не используется, больше миллиарда людей на Земле не пользуются электричеством. Но как правило, это представители достаточно отсталых стран, например, в Африке).

Для хранения электроэнергии применяются всем нам знакомые аккумуляторы и батареи. Сегодня их можно приобрести практически в любом магазине, в любой точке планеты.

Что происходит сейчас, и где человек использует электричество

В современном мире электричество играет наиболее важную роль, без него нельзя представить ни одну сферу нашей жизни. Вы просыпаетесь по будильнику, который звенит утром. А питается он как раз электроэнергией. А засыпаете, когда гасите ночник. На страже вашего спокойствия находится сигнализация, о приходе гостей оповестит дверной звонок, а потом вы включите электрический водонагреватель, чтобы принять утренний душ. Всё начинается с электричества, им же и заканчивается каждый день, вне зависимости от выходных и праздников. Но ваши бытовые потребности были бы не покрыты, если бы эта энергия не получила широкое распространение в промышленности.

Где применяется электричество

Рассмотрим основные укрупненные сферы, где электричество используется чаще всего:

• Химическая промышленность. Реакции электролиза, постоянное осаждение и прочие взаимодействия между веществами проходят исключительно в присутствии высокого напряжения. Все любят обладать красивыми хромированными или никелированными предметами, но здесь также участвует электричество. Процедуры химической очистки, разделения и соединения делают в присутствии пары электродов. Подогрев субстанция производится мощнейшими ТЭН, позволяющими контролировать процесс с минимальной погрешностью.
• Освещение. Чрезвычайная опасность костров, лучин и прочих открытых источников огня не оценивается до тех пор, пока мы щёлкаем выключателем, и загорается светодиодная лампочка. Ровный счёт с отрегулированными параметрами позволил сохранить зрение миллионам людей. Сейчас эффективность осветительных приборов несоразмерна прошлому поколению ламп с нитями накаливания. Продукция высоких технологий теперь доступна каждому человеку. Эти лампочки не представляют вреда для окружающей среды.

• Выращивание овощей и фруктов в закрытых теплицах позволило избежать в мире глобального голода. Подобные явления уже неактуальны именно благодаря точному контролю параметров. Современные цветоводы не зависят от сезона, именно поэтому можно дарить букеты в любое время года, а также есть свежие помидоры, когда на улице бушует метель и трещат сильнейшие морозы. Необходимо купить фитолампы, чтобы достичь такого эффекта. Они имеют большое количество модификаций, но каждая из них позволяет полностью имитировать солнечные лучи. Всё быстро поспевает благодаря практически круглосуточной подсветке. Это отличное решение для любителей кактусов. Можно добиться цветения практически любого экземпляра.
• Электрические инструменты. Представьте выполнение ремонта без дрели, болгарки и сварочного аппарата. Вы не сможете сделать ничего, придётся в строительстве снова возвращаться к саманным блокам и брёвнам, потому что ничего другого вы сделать не сможете. Профессия строителя сейчас является достаточно трудоёмкой, а без соответствующего электроинструмента процесс будет замедлен как минимум в 10 раз, а некоторые операции не будут представляться возможными. Взять хотя бы сверление металла.

• Возможность использования бытовых электроприборов в любое время. Вы можете выйти из душа (вода в котором также подогревается бойлером), а потом высушить волосы феном и пойти на улицу в холодную погоду. Всё это является благами цивилизации, к которым мы привыкли, но не замечаем их в ежедневном использовании.
• Приготовление пищи при помощи электропечей является одним из важнейших достижений современного мира. Всегда можно выставить температуру строго по рецепту, что позволит получить 100% результат. Именно поэтому профессионалы никогда не используют газовые плиты. Также доступно большое количество опций, таких как вращение вертела для гриля и конвекции, позволяющей пропекать толстый слой теста или мяса.

Пользуемся и наслаждаемся цивилизацией

Все, что имеется в вашем доме, обязательно создано при участии электроэнергии. Огромные фабрики работают круглосуточно, производя продукцию высшего качества, что позволяет существенно поднять уровень жизни. Мы не видим этого, но всё сразу станет заметно, если всё отобрать в один момент. Поэтому у человечества в этой сфере нет другого пути, кроме развития.

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].

Получение электричества из кинетической энергии ветра набирает популярность во многих странах мира

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

Лампа накаливания

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

одно из величайших открытий человечества

В современном мире человек просто не может представить свою жизнь без электричества. Так сильно оно вошло в его работу и быт. В тёмное время суток электричество даёт освещение домов и улиц населённых пунктов. У себя дома каждый человек постоянно видит бытовые электроприборы, помогающие ему в повседневной жизни и создающие комфортное проживание. К ним можно отнести: электроплиту, холодильник, микроволновую печь, миксер, телевизор, компьютер, сотовый телефон и многое другое. Люди, проживающие выше третьего этажа многоквартирных домов, не представляют свою жизнь без лифта. Если спуститься вниз ещё можно по лестнице, то подниматься вверх с сумками на десятый этаж выдержит далеко не каждый человек. Всем известная мировая информационная сеть интернет без электричества просто существовать не будет, как наверно и любой другой современный вид связи. На электричестве полностью работает часть городского транспорта (трамвай, троллейбус, метро и т.п.). Даже в обычном автомобиле электричество играет огромную роль, без которой он с места не сдвинется. Можно приводить ещё множество примеров, но и этого уже вполне достаточно, чтобы понять – без электричества современный человек существовать просто не сможет. Удивительно, но в жизнь человека электричество вошло практически не так давно, каких-нибудь полторы сотни лет назад, хотя известно о нём было намного раньше.

История электричества

Давным-давно, в VII веке до нашей эры, греческий философ Фалес Милетский (624 – 545 гг. до н.э.) заметил, что потёртый о шерсть янтарь приобретает свойство притягивать лёгкие предметы. Что интересно, греки называли янтарь электроном, по имени звезды Электра из созвездия Тельца. С тех давних пор прошло больше двух тысячелетий и только в 1600 году английский физик Уильям Гилберт (1544 – 1603 гг.) издаёт книгу, в которой описывает свои опыты над магнитами и электрическими свойствами тел. Он заметил, что не только янтарь, но и ряд других тел после натирания обладают способностью притягивать мелкие лёгкие предметы. Отдавая честь янтарю, Уильям Гилберт назвал это явление электрическим (от латинского слова electricus – янтарный) и впервые ввёл термин «электричество». Под ним подразумевается совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. 

В последующие годы многие учёные занимались исследованием электричества. Они сделали большое количество открытий в этой области, благодаря которым человечество использует данный вид энергии. В память о заслугах отдельных учёных их фамилиями были названы некоторые единицы измерений. Среди них: итальянский физик, химик и физиолог Александро Вольта (1745 – 1827 гг.), французский физик, математик и естествоиспытатель Андре-Мари Ампер (1775 – 1836 гг.), немецкий физик Георг Симон Ом (1789 – 1854 гг.) и ряд других учёных. Благодаря таким людям, сейчас мы используем электричество для своего блага и удобства. 

Не всем известно, что к изучению электричества имел отношение Бенджамин Франклин (1706 – 1790 гг.). Большинство людей знают его как великую историческую личность, внёсшую огромный вклад в становление США (Соединённых Штатов Америки) как независимого государства. В память о политических заслугах Бенджамина Франклина установлены памятники, а на стодолларовых купюрах с 1914 года печатают его портрет. Как говорят: «Талантливый человек талантлив во всём». Оказывается, он был не только политиком, но ещё исследователем и изобретателем. Бенджамин Франклин ввёл понятие положительного и отрицательного заряда. Вот те самые «+» (плюсы) и «-» (минусы), которые в наше время можно увидеть на любой простой батарейке. Ещё он проводил исследования грозовых явлений и обнаружил присутствие электричества в воздухе, так называемое атмосферное электричество. В 1752 году Бенджамин Франклин изобрёл молниеотвод (в быту его чаще называют громоотвод, хотя к грому это устройство отношения не имеет). Металлический штырь, соединённый толстой проволокой с заземлителем, снимал во время грозы напряжённость электрического поля. В редких случаях удара молнии пропускал её через себя в землю. Это изобретение имело большое практическое значение. Теперь высокие здания, колокольни и т.п., оборудованные такими устройствами, могли больше не бояться молнии. 

Электрический ток

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В зависимости от среды материи (вещества) частицы могут быть разные: в металлах – электроны, в электролитах – ионы, в полупроводниках – электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость). 

Если говорить сильно упрощённо, то вся окружающая нас материя (всё, что мы видим вокруг) состоит из молекул. В свою очередь молекулы состоят из атомов. Сами атомы представляют из себя ядро (протоны и нейтроны) и вращающиеся вокруг него электроны. Для более наглядного понимания электрического тока возьмём обычную батарейку. Внутри неё протекает химическая реакция. В результате этого электроны переходят от одних атомов к другим. Поэтому получается, что атомы одного вещества (клемма «плюс») испытывают недостаток электронов, а атомы другого вещества (клемма «минус») избыток. То есть вещества клемм батарейки имеют разноимённые заряды. Если соединить их (клеммы) между собой проводником с нагрузкой, то электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое (от отрицательной клеммы к положительной). Это перемещение электронов и есть электрический ток. Он будет течь пока заряды веществ не уровняются. 

В качестве проводника для передачи электрического тока сейчас в основном используют медные или алюминиевые провода. Возьмём, например, медную проволоку. В атоме меди вокруг ядра по четырём орбитам вращаются 29 электронов. Электроны, находящиеся на крайних орбитах, испытывают меньшую силу притяжения, чем их собратья, расположенные ближе к ядру. Поскольку атомы меди находятся очень плотно друг к другу, то дальние электроны испытывают силу притяжения не только своего, но и соседнего ядра. Они могут покинуть свой атом и перейти к другому. Такие электроны называют свободными. При подключении к проводнику внешнего электрического поля (например, батарейки) движение свободных электронов становится упорядоченным и направленным от «-» к «+» батарейки. В результате по цепи начинает течь постоянный электрический ток. 

При рассмотрении принципа работы различных электронных схем принято использовать направление постоянного тока от плюса к минусу.  Этот выбор изначально был сделан не очень корректно, так как в то время о движении свободных электронов ещё не знали. За направление тока условно приняли то направление, по которому могли бы двигаться в проводнике положительные заряды. В последующем этот выбор менять никто не стал. 

В любом веществе атомы располагаются на расстоянии друг от друга. В меди, алюминии и других металлах эти расстояния очень малы. Электронные оболочки соседних атомов практически соприкасаются друг с другом. Это даёт возможность электронам переходить от одного атома к другому. Поэтому металлы и ряд других веществ называют «проводниками» электрического тока. Существуют вещества, где атомы располагаются на значительном расстоянии друг от друга. Их электроны не могут преодолеть силу притяжения ядра своего атома, а сила ядра соседнего атома (куда электрон может перейти) очень мала из-за относительно большого расстояния. Даже если к такому веществу подключить электрическое поле, то электрон всё равно останется у своего атома (электрический ток не потечёт). Подобные вещества называют «диэлектриками». Они не пропускают электрический ток. 

Сила тока

Если взять в качестве проводника электрического тока медную проволоку и под прямым углом перерезать её, то размер среза будет представлять собой поперечное сечение данного проводника. Количество заряженных частиц (в нашем случае электронов), протекающих через поперечное сечение проводника, называется силой тока. Для её измерения существует специальный прибор – амперметр. За единицу величины силы тока принят один ампер (А). Это довольно большой ток. В различных электронных приборах и схемах протекают более маленькие токи. Для удобства работы применяются следующие величины измерения: микроампер (мкА, 0,000001 А), миллиампер (мА, 0,001А), ампер (А, 1А). На схемах и в формулах электрический ток обозначается буквой «I» (и). 

Напряжение

Разность потенциалов двух точек внутри электрического поля называется напряжением. Чем больше будет величина различия, тем сильнее электроны будут стремиться перейти к веществу с противоположным зарядом. Если сказать проще, то напряжение – это сила, которая перемещает электроны от одного атома к другому. Напряжение измеряется вольтметром. За единицу измерения напряжения принят один «вольт» (В). Для удобства работы применяются следующие величины измерения: микровольт (мкВ, 0,000001 В), милливольт (мВ, 0,001 В), вольт (В, 1В), киловольт (кВ, 1000 В), мегавольт (МВ, 1000000 В). На схемах и в формулах напряжение обозначается буквой «U» (у). 

Сопротивление

Свойство материала проводника препятствовать прохождению электрического тока, называется электрическим сопротивлением. При движении по проводнику свободные электроны взаимодействуют на своём пути с атомами и другими электронами. Это приводит к потере ими части своей энергии. Можно сказать, что электрон испытывает сопротивление своему движению. Различные материалы имеют различное атомное строение. Соответственно, они оказывают различное сопротивление электрическому току. Сопротивление измеряется омметром. За единицу измерения сопротивления принят один «ом» (Ом). Это очень маленькое сопротивление. Для удобства работы применяются следующие величины измерения: ом (Ом, 1Ом), килоом (кОм, 1000 Ом), мегаом (Мом, 1000000 Ом). На схемах и в формулах сопротивление обозначается буквой «R» (эр). 

Сила тока, напряжение и сопротивление – взаимосвязанные величины, которые влияют друг на друга. Такую зависимость хорошо показывает закон Ома для участка цепи. Он гласит: ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Его можно записать в виде формулы  I = U/R.

Прямая пропорция показывает, что если увеличить в несколько раз напряжение, то ток увеличится во столько же раз. Обратная пропорция показывает, что если увеличить в несколько раз сопротивление, то ток уменьшится во столько же раз. 

Мощность

Мощность электрического тока — количество работы, совершаемое током за одну секунду времени. Тем больше будет совершаться работы, чем больше разность потенциалов и чем большее количество электричества ежесекундно проходит через поперечное сечение проводника. За единицу измерения мощности принят один «ватт» (Вт). Такое название единица получила в честь шотландского инженера и изобретателя Джеймса Уатта (1736 — 1819 гг.). На схемах и в формулах мощность обозначается буквой «P» (п). Определение мощности можно записать в виде формулы P = I x U. Если известна мощность электроприбора (обычно указывается на специальной бирочке, прикреплённой к корпусу), то всегда можно узнать протекаемый по цепи ток, к которой будет подключено это устройство. Он рассчитывается по формуле I = P/U. 

Электричество вокруг нас

Скорость электрического тока

Скорость движения свободных электронов в проводнике довольно маленькая. Однако, если взять электрическую лампочку, удалённую от источника на несколько километров, и соединить её такими же длинными проводниками с ним (источником), то электрический ток возникнет практически мгновенно после создания цепи. То есть, лампочка загорится сразу же при подключении к источнику питания. Дело в том, что через лампочку начинают идти электроны не от источника питания, а те свободные электроны, которые находятся в самом проводнике. На место ушедшего электрона приходит электрон от соседнего атома проводника, на его место от следующего атома. Получается своеобразная цепочка из электронов. А электроны из источника питания постепенно приходят на их место. В качестве пояснения можно привести пример с поливочным шлангом на даче. Если его наполнить водой и один конец подключить к водопроводу, то при открытии крана вода на другом конце начнёт сразу же вытекать из шланга. Молекулы воды, которыми в первый момент осуществляется полив, будут не из водопровода, а из шланга. Потом на их место придут молекулы воды из водопровода.

Переменный ток

В начале электрической эры все потребители пользовались постоянным электрическим током. Большой вклад в развитие и распространение сетей с постоянным током внёс американский изобретатель и предприниматель Томас Алва Эдисон (1847 – 1931 гг.). Человек удивительной работоспособности. Только в США он получил 1093 патента. Если брать другие страны мира, то это ещё около трёх тысяч запатентованных изобретения. Томас Эдисон стоял у истоков широкомасштабного применения электричества. Его вариант электрической лампы накаливания с прочной нитью в колбе с вакуумом имел большой коммерческий успех. Не без влияния Томаса Эдисона на промышленных предприятиях стали заменять паровые машины на электродвигатели постоянного тока (на переменном токе электродвигателей ещё не было). Одним словом, в конце XIX века электричество начало семимильными шагами входить в жизнь людей. 

К сожалению, у электрического тока в то время был обнаружен один существенный недостаток. Его очень сложно передавать на большие расстояния. Как мы знаем любой проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока. На маленьких расстояниях это практически незаметно, а на больших сопротивление прибавляется и потери становятся сильно ощутимы. Единственным приемлемым выходом из этой ситуации является передача электроэнергии на повышенном напряжении (десятки и сотни тысяч вольт). Чтобы на передающей стороне повысить, а на принимающей стороне опять понизить напряжение нужны специальные трансформаторы. С постоянным током трансформаторы не работают. Соответствующее решение предложил Никола Тесла (1856 – 1943 гг.). Именно он разработал системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока, в которую входили генераторы, повышающие и понижающие трансформаторы, а также в качестве потребителей были представлены электрические машины (в том числе, изобретённый им асинхронный электродвигатель переменного тока). 

Опора высоковольтной линии электропередачи

Переменный ток – электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению. Например, в обычной домашней розетке плюс с минусом на правой и левой клеммах меняются местами 50 раз в течение одной секунды. Человеческий глаз не может различать такую частоту. Поэтому, при включении дома обычной лампы накаливания мы видим ровное (без морганий) освещение. Количество изменений за 1 сек. называется частотой переменного тока и обозначается буквой F (эф). За единицу измерения частоты принят один «герц» (Гц). Такое название единица получила в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца (1857 – 1894 гг.). В России, как и во многих странах мира, стандарт частоты переменного тока равен 50 Гц. 

Переменный электрический ток вырабатывается на электростанциях (гидроэлектростанции, теплоэлектростанции и атомные электростанции). Принцип везде одинаков – механическое движение турбины передаётся ротору генератора, вращение которого приводит к возникновению напряжения в обмотках статора. На гидроэлектростанциях (ГЭС) турбину вращает поток воды. На теплоэлектростанциях (ТЭЦ) энергия сжигаемого топлива (бензин, керосин, дизельное топливо, газ и т.п.) нагревает в котлах воду до состояния пара, который вращает паровую турбину. На атомных электростанциях (АЭС) энергия ядерной реакции нагревает теплоноситель первого контура. Затем этим теплом до состояния пара нагревается вода второго контура, которая опять же вращает паровую турбину. 

Электробезопасность

Нет такого человека, который в настоящее время не использовал бы различные электроприборы. При всей пользе электрического тока существует опасность его воздействия на организм людей. Ещё в XVIII веке итальянский врач, физиолог и физик Луиджи Гальвани (1737 – 1798 гг.) открыл феномен сокращения мышц мёртвой лягушки от воздействия электрического тока. Он предположил, что любой живой организм для управления мышцами сам вырабатывает «животное электричество». Заслуги учёного не остались без внимания. Его называют отцом современной электрофизиологии. В последующем учёные доказали, что мозг является генератором электрической активности (были открыты биотоки мозга). Если сказать проще, то мозг использует свои импульсы для управления мышцами, передавая их по нервам. 

Естественно, что любой внешний электрический ток, протекая через организм человека, нарушает работу биотоков мозга. Ток как бы блокирует импульсы мозга и не даёт сокращаться мышцам. Это очень чревато для живого организма. Например, из-за остановки мышц лёгких человек прекращает дышать (наступает асфиксия), а при несокращающихся мышцах сердца останавливается кровообращение. Иногда бывает, что человек попадает под действие электрического тока и сам освободиться от него не может. Рукой взялся за оголённый электрический провод, а бросить не получается. То есть, посылаемый мозгом к мышце руки соответствующий импульс, не может превысить действие внешнего источника электрического тока. 

Для защиты людей на производстве есть целый раздел техники безопасности – электробезопасность. Специальные люди должны проводить соответствующие инструктажи, где подробно указаны меры электробезопасности на конкретном рабочем месте. В домашних условиях такого нет, но все бытовые электроприборы выпускаются с соответствующим классом защиты от поражения электрическим током. Бояться нечего, нужно просто пользоваться исправными бытовыми электроприборами и применять их только по назначению. При соблюдении мер безопасности электричество всегда будет хорошим помощником в вашей жизни. 

Электричество — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Электри́чество (от греч. elektron — янтарь) — совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием посредством электромагнитного поля заряженных тел или частиц — носителей электрических зарядов.Учение об электричестве — один из основных разделов физики. Часто под электричеством понимают электрическую энергию, напр., когда говорят об использовании электричества в народном хозяйстве; значение термина «электричество» менялось в процессе развития физики и техники. О применении электричества в технике см. Электротехника. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов осуществляется посредством электростатического поля. Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим полем возбуждают и магнитное поле, то есть порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия. Таким образом, электричество неразрывно связано с магнетизмом. Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.

Простейшие электрические и магнитные явления известны с глубокой древности. Близ города Магнесия в Малой Азии были найдены удивительные камни (по месту нахождения их назвали магнитными, или магнитами), которые притягивали железо. Кроме того, древние греки обнаружили, что кусочек янтаря (греч. elektron, электрон), потертый о шерсть, мог поднять маленькие клочки папируса. Именно словам «магнит» и «электрон» обязаны своим происхождением термины «магнетизм», «электричество» и производные от них.

Классическая теория электричества охватывает огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди четырех типов взаимодействий — электромагнитных, гравитационных, сильных (ядерных) и слабых, существующих в природе, электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни, за исключением притяжения к Земле и приливов в океане, человек встречается в основном только с проявлениями электромагнитных сил. В частности, упругая сила пара имеет электромагнитную природу. Поэтому смена «века пара» «веком электричества» означала лишь смену эпохи, когда не умели управлять электромагнитными силами, на эпоху, когда научились распоряжаться этими силами по своему усмотрению.

Трудно даже перечислить все проявления электрических (точнее, электромагнитных) сил. Они определяют устойчивость атомов, объединяют атомы в молекулы, обусловливают взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию конденсированных (жидких и твердых) тел. Все виды сил упругости и трения также имеют электромагнитную природу.

Велика роль электрических сил в ядре атома. В ядерном реакторе и при взрыве атомной бомбы именно эти силы разгоняют осколки ядер и приводят к выделению огромной энергии. Наконец, взаимодействие между телами осуществляется посредством электромагнитных волн — света, радиоволн, теплового излучения и др.

Электромагнитные силы не универсальны. Они действуют лишь между электрически заряженными частицами. Тем не менее они определяют структуру материи и физические процессы в широком пространственном интервале масштабов — от 10^-13 до 10⁷ см (на меньших расстояниях определяющими становятся ядерные взаимодействия, а на больших — нужно учитывать и гравитационные силы). Главная причина в том, что вещество построено из электрически заряженных частиц — отрицательных — электронов и положительных атомных ядер. Именно существование зарядов двух знаков — положительных и отрицательных — обеспечивает действие как сил притяжения между разноименными зарядами, так и сил отталкивания между одноименными, и эти силы очень велики по сравнению с гравитационными.

С увеличением расстояния между заряженными частицами электромагнитные силы медленно (обратно пропорционально квадрату расстояния) убывают, подобно гравитационным силам. Но заряженные частицы образуют нейтральные системы — атомы и молекулы, силы взаимодействия между которыми проявляются лишь на очень малых расстояниях. Существенен также сложный характер электромагнитных взаимодействий: они зависят не только от расстояний между заряженными частицами, но и от их скоростей и даже ускорений.

Широкое практическое использование электрических явлений началось лишь во второй половине 19 в., после создания Дж. К. Максвелломклассической электродинамики. Изобретение радио А. С. Поповым и Г. Маркони — одно из важнейших применений принципов новой теории. Впервые в истории человечества научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории теплоты (термодинамики), то сконструировать электродвигатель или осуществить радиосвязь оказалось возможным только после открытия и изучения законов электродинамики.

Широкое применение электричества связано с тем, что электрическую энергию легко передавать по проводам на большие расстояния и, главное, преобразовывать с помощью сравнительно несложных устройств в другие виды энергии: механическую, тепловую, энергию излучения и т. д. Законы электродинамики лежат в основе всей электротехники и радиотехники, включая телевидение, видеозапись и почти все средства связи. Теория электричества составляет фундамент таких актуальных направлений современной науки, как физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, лазерная оптика, магнитная гидродинамика, астрофизика, конструирование вычислительных машин, ускорителей элементарных частиц и др.

Бесчисленные практические применения электромагнитных явлений преобразовали жизнь людей на земном шаре. Человечество создало вокруг себя «электрическую среду» — с повсеместной электрической лампочкой и штепсельной розеткой почти на каждой стене.

С прогрессом науки значение классического учения об электричестве не уменьшилось. Были определены лишь границы применения классической электродинамики. Эти границы устанавливаются квантовой теорией. Классическая электродинамика успешно описывает поведение электромагнитного поля при достаточно медленных колебаниях этого поля. Чем больше частота колебаний, тем отчетливее обнаруживаются квантовые (корпускулярные) свойства электромагнитного поля.

• Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля: Пер. с англ. М., 1952.
• Кудрявцев П. С. История физики. М., 1956.
• Льоцци М. История физики: Пер. с итал. М., 1970.
• Тамм И. Е. Основы теории электричества. 10 изд. М., 1989.
• Кабисов К. С. Электричество и магнетизм. – М.: Изд-во МГОУ, 2006.
• Бодин А. П. Электричество в вашем доме: справочник. – М.: Энергосервис, 2004.
• Калашников С. Г. Электричество. – М.: Физматлит, 2004.
• Манойлов В. Е. Электричество и человек. – М.: Мир: Хайдерабад Вишалаандхра паблишинг Хаус, 1989.
• Стребков Д. С. Резонансные методы передачи электрической энергии. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004.

Что такое электричество и как оно возникает ⋆ diodov.net

Электроника – это замечательная прикладная и теоретическая наука, которая с каждым днем набирает обороты, распространяется и внедряется во все отрасли. Изучение ее следует начинать с самых общих понятий и физических процессов. Знание которых, в дальнейшем упростит понимание принципов работы различных электронных приборов и устройств. И первое понятие, которое нам нужно усвоить – это, что такое электричество?

Открытие электричества

Впервые свойства электричества были обнаружены более 2,5 тысяч лет назад древним философом Фалесом Милетским, когда он протирал шерстью янтарь.

Внимательный философ заметил, что к уже натертому драгоценному камню притягиваются мелкие предметы. Хотя по логике, сформированной на уровне знаний того времени, все предметы должны были притягиваться к земле, т.е. падать на землю под действием сил притяжения. Однако натертый шерстью янтарь приобретал некоторое загадочное свойство, впоследствии названое зарядом, который создавал силу по величине превосходящую силу земного притяжения. И эта сила получила название «электричество». Так как слово «электрон» с греческого переводится «янтарь», то электричество дословно можно перевести янтаричество.

В те давние времена считалось, что только янтарь обладает неким загадочным свойством, способным после натирания шерстью притягивать легкие предметы, преодолевая силу земного притяжения. Однако сейчас подобный опыт довольно просто повторить, если вместо этого камня взять пластмассовую палочку и потереть ее об одежду, содержащую в своем составе шерсть. Затем, при поднесении натертой палочки к мелким кусочкам бумаги под действием электрических сил кусочки бумаги притянутся к палочке.

Из выше сказанного давайте выделим два важнейших момента:

1. Только после натирания о шерсть пластмассовая палочка приобретает некие свойства.
2. Приобретенные свойства порождают некую силу, под действие которой к палочке притягиваются кусочки бумаги.

Теперь мы четко знаем, на какие вопросы на нужно найти ответ, чтобы понять, что такое электричество.

Давайте рассмотрим физику происходящего процесса. И первым делом, чтобы анализировать, что происходит с веществом (в данном случае с пластмассой и шерстью) нам понадобятся знания о строении любого вещества. Заранее скажем, что в дальнейшем рассказе будем принимать обобщения и упрощения, однако они не исказят суть данной темы.

Строение атома

И так, начнем. Любое вещество, будь то дерево, камень, стекло или вода, состоит из более мелких элементов, которые называются молекулами. Например, капля воды состоит из множества отдельных молекул, имеющих знакомую нам химическую формулу H₂O. Далее молекулу вещества можно разделить еще на более мелкие частицы – атомы.

Одно время считалось, что атом является наименьшей частичкой, существующей в природе и на более мелкие элементы разделить его уже невозможно. Поэтому слово «атом» переводится з древнегреческого «неделимый».

Сейчас известны всего лишь более ста различных атомов, однако они могут образовать миллионы разных молекул и соответственно столько же разных веществ. Например, молекулу воды H₂O образуют два атома водорода H и один кислорода O.

Со временем, проделав множество кропотливых опытов, ученые пришли к выводу о существовании еще гораздо меньших частичек.

Планетарная модель атома

Центральный и наиболее тяжелым элементом атома считается ядро. Вокруг него на некотором расстоянии по разным орбитам перемещаются электроны. Ядро не является цельным элементом, его составляют протоны и нейтроны.

Электроны обладает отрицательным зарядом, а протоны – положительным. Нейтрон не проявляет свойств ни тех, ни других зарядов, т.е. он нейтрален, отсюда и получил свое название.

Для упрощения некоторых процессов применяется планетарная модель атома. По аналогии с Солнцем, вокруг которого по орбитам движутся планеты, в атоме вокруг ядра движутся электроны. Но электрон – это не какая-то плотная частичка, а размазанный в пространстве сгусток энергии, наподобие расплюснутой шаровой молнии.

Масса протона приблизительно в 2000 раз превышает массу электрона. Но суммарный положительный электрический заряд всех протонов равен суммарному отрицательному заряду всех электронов. Поэтому при нормальных условиях (по умолчанию) атом электрически нейтрален и за его пределами не ощущаются никакие силы. Положительные и отрицательные заряды как бы нейтрализуют друг друга.

В периодической системе химических элементов, известной нам, как таблица Менделеева, все атомы расположены в строгой последовательности: от наиболее легкого до наиболее тяжелого – по величине относительной атомной массе, основную долю которой составляют протоны. Нейтроны также имею массу, но о них мы говорить не будем, поскольку они не обладают выраженным электрическим зарядом.

Наиболее легким химическим элементом является водород, поэтому он первый размещен в таблице Менделеева. Атом водород имеет один протон и один электрон. Другие химические элементы содержат несколько протонов в ядре. А вокруг ядра по нескольким орбитам перемещаются электроны. Чем ближе электрон находится к ядру, тем сильнее, с большей силой он притянут к протону. Электроны, расположенные на наиболее отдаленных орбитах, имеют самую слабую электрическую связь с протонами. И если атому придать некоторой энергии из вне, например нагреть его, то под действием избыточной энергии электрон может покинуть свою орбиту, и соответственно свой атом.

Однако он может не только покинуть совой атом, но и занять место на орбите другого атома. Именно те электроны, которые расположены на самых удаленных от ядра орбитах, в электронике имеют практическое применение, поскольку при наличии дополнительной энергии они легко покидают свои орбиты и становятся свободными. А свободный электрон при перемещении уже может выполнять некоторую полезную работу.

Положительный и отрицательный ионы

Как мы уже ранее заметили, по умолчанию атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны и компенсируют другу друга. Но как только хотя-бы один электрон покинет сове место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов преобладает отрицательный заряд всех оставшихся электронов, поэтому такой атом вцелом имеет свойства положительного заряда и называется положительный ион.

Если атом получил дополнительный электрон, то в нем будет преобладать отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.

Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.

Электризация

Процесс получения дополнительного электрона или, наоборот потеря электрона, называется электризация. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, т.е. явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.

Теперь настало время вернуться к нашему опыту с натиранием шерстью пластмассовой палочки. При натирании пластмассы за счет сил трения, электронам, находящимся в атомах шерсти сообщается некоторая энергия, под действие которой они покидают свои атомы и занимают место на орбитах атомов пластмассы. В результате этого пластмассовая палочка приобретает отрицательный заряд за счет избытка электронов, поступивших из шерсти.

При натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.

Таким образом, изменение количества электронов в верхних слоях рассматриваемых материалов во время их трения, называют электризация трением.

Здесь следует заметить, что вследствие трения лишь очень мизерная часть атомов отдает свои электроны. Даже если сказать, что одна миллиардная часть атомов остается без электронов на внешней орбите, то это все еще будет слишком большим преувеличением, поэтому массы наэлектризованных тел остаются практически неизменными.

Также нужно заметить, что в результате электризации электроны ни откуда не возникают и никуда не деваются, а лишь переходят с атомов одного тела к атомам другого тела.

В нашем опыте мы использовали стекло, пластмассу, шерсть, шелк. По этим материалам очень плохо перемещаются электроны, поэтому они относятся к хорошим диэлектрикам – материалам, которые в отличие от проводников, имеют очень плохую проводимость.

В диэлектриках заряд остается на месте его возникновения и не может перейти по поверхности через все тело на другие, соприкасающиеся с ним предметы. Поэтому, когда мы натираем шерстью пластмассовую палочку, то образовавшиеся свободные заряды остаются на своих местах: электроны, покинув шерсть находят новые места на поверхности пластмассовой палочки.

Электризация металла

Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например кусок металла, то при натирании его о диэлектрик, образовавшийся на поверхности металла заряд, мгновенно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Поскольку в отличии от рассматриваемых диэлектриков наше тело обладает относительно хорошей проводимостью и по нему сравнительно легко перемещаются заряды.

Опыт электризации трением не получится оценить и в том случае, когда мы возьмём два металлических предмета даже с хорошо изолированными рукоятками. При взаимном трении металл об металл, как и в предыдущих опытах возникнут свободные электроны. Однако вследствие наличия неизбежной шероховатости поверхностей не получится одновременно по всей поверхности отделить оба металлические предмета, и в последней точке соприкосновения двух поверхностей электроны перетекут через так называемый «мостик» пока их количество снова не станет таким же, как и до натирания.

Статическое электричество

И так, с первым пунктом мы разобрались и теперь знаем, что при натирании рассмотренных предметов, некоторые электроны получают избыточную энергию и покидают атомы одного тело, которое становится положительно заряженным и занимают места на орбитах атомов другого вещества, которое приобретает свойства отрицательного заряда. При этом заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разных знаков – притягиваются. Силы, порождаемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействие называют электричество.

В рассмотренных примерах получают так называемое статическое электричество.

Электрическая сила

Теперь рассмотрим второй пункт нашего опыта. Что же происходит с кусочком бумаги? Почему она притягивается к заряженной пластмассовой палочке?

Сущность физического процесса здесь заключается в следующем. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил происходит перемещение электронов к одному из краев тела. И этот край тела ввиду избытка электронов становится отрицательно заряженным, а противоположный край соответственно положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряженной. Таким образом, заряды смещаются по краям данного тела.

Ближе к поднесенному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палочка заряжена положительно, то к ней притянется бумага, той поверхностью, на которой скопились отрицательные заряды. И наоборот.

Такое воздействие заряженным телом на другие тела, находящиеся на расстоянии, называют индуцированным воздействием.

Перемещение зарядов в проводниках при воздействии на него заряженным телом, происходит под воздействием силы электрического поля, свойства которого мы рассмотрим отдельно.

Здесь же мы еще заметим, что сила, с которой притягиваются либо отталкиваются тела, определяется величиной заряда, расстоянием между телами и средой, в которой находятся заряженные тела. Эта зависимость была установлена известным ученым Кулоном, и получила название закон Кулона.

Подытожим выше сказанное. Что такое электричество? Электричество – это наличие и взаимодействие зарядов разного знака. В дальнейшем вы увидим, что заряды образуются не только путем электризации трением, но и другими способами, например под действием протекания химических реакций. Именно так появляются электричество в батарейке, которую правильно называть гальванический элемент.

Еще статьи по данной теме

Изобретение электричества: история, применение, получение

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 видов энергии. 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 передаче электроэнергии на расстояние. В 1747 Бенджамин Франклин 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 электромагнитное взаимодействие 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 электростатического поля. Явление электромагнитной индукции и разработка двигателя, работающего на токе, принадлежит Майклу Фарадею.

В конце 19 века опыты с электричеством проводились многими учеными, в их числе Пьер Кюри, 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.

применений статического электричества | HubPages

Мы все так или иначе сталкивались со статическим электричеством. Те неожиданные небольшие удары, которые мы получаем, когда дотрагиваемся до дверной ручки или другого металлического предмета, воздушные шары, которые прилипают к стене после того, как их растирают по голове, или сами волосы, выпрямляющиеся при приближении, – все это вызвано статическим электричеством.

Все это обычное дело в нашей повседневной жизни, и в большинстве случаев на них интересно смотреть, но есть ли какое-нибудь практическое применение статического электричества? или это просто забавное, но бесполезное электронное явление?

Что такое статическое электричество?

Статическое электричество генерируется, когда какой-либо материал получает или теряет электроны и становится положительно (когда он теряет электроны) или отрицательно заряжается (когда он получает электроны).Накопленные заряды называются статическим электричеством.

Это называется статическим, потому что заряды не перемещаются от места их образования, в отличие от электричества, используемого для питания электронных устройств, которое течет от одного полюса батареи или источника питания к другому. В большинстве случаев он возникает, когда два предмета соприкасаются или трются друг о друга.

Чтобы статический заряд оставался в объекте, он должен обладать высоким сопротивлением потоку электричества. Поэтому пластиковые шары и волосы остаются заряженными, они плохо проводят электричество.Другие материалы, такие как алюминий, могут иметь статический заряд, но он очень быстро рассеивается из-за низкого сопротивления потоку электронов.

Практическое использование статических зарядов

Способность противоположных зарядов в статическом электричестве используется при разработке приложений для него.

• Удаление пыли: Существуют устройства, способные удалять пыль из воздуха, например очистители воздуха. Они используют статическое электричество, чтобы изменить заряды в частицах пыли, так что они прилипают к пластине или фильтру очистителя, который имеет заряд, противоположный заряду пыли (противоположные заряды притягиваются друг к другу).

  Этот эффект также используется в промышленных дымовых трубах, чтобы уменьшить загрязнение, которое они производят, хотя они работают в очень больших масштабах, эффект в основном такой же, как у домашних очистителей воздуха.

• Фотокопия: Копировальные аппараты используют статику, чтобы чернила притягивались к тем областям, где нам нужно скопировать информацию. Он использует заряды для нанесения чернил только в тех областях, где копируемая бумага более темная (обычно это текст или другая информация), а не там, где бумага белая, этот процесс называется ксерографией.
• Покраска автомобиля: Чтобы убедиться, что краска автомобиля однородна и выдержит высокие скорости и погодные условия, чтобы защитить металлический салон автомобиля, наносится статический заряд. Металлический корпус автомобиля погружен в вещество, которое заряжает его положительно, а краска заряжается отрицательно с помощью распылителя краски.

  Этот процесс обеспечивает равномерный слой краски, поскольку, когда в автомобиле достаточно негативной краски, лишняя краска будет отталкиваться краской, уже находящейся в автомобиле.

  Это также гарантирует, что краска не упадет, поскольку электрическое притяжение между краской и автомобилем сильнее, чем если бы она была просто распылена.

Во всех этих процессах используются электронные схемы для генерации статических зарядов и управления ими. Если вы интересуетесь электричеством и электроникой, посетите мой сайт электронных схем для начинающих, где вы найдете простые схемы, которые помогут вам начать работу. Когда вы научитесь достаточно, вы сможете создавать свои собственные практические схемы статического электричества для собственного использования!

Питание от статического электричества?

Многие люди задавались вопросом, можно ли использовать статическое электричество в качестве источника энергии для домов и промышленных предприятий.Несмотря на чрезвычайно высокое напряжение, которое может генерироваться статическим электричеством (десятки тысяч вольт по сравнению с 110 В обычной розетки), величина тока, которую он может генерировать, очень мала, от микроампер до нескольких миллиампер (ампер – это единица электрического тока) и только на очень короткое время.

Молния может производить значительное количество энергии, но высокое напряжение, ток, температура и скорость разряда делают ее использование или хранение чрезвычайно трудным и неэффективным.

Хранение электроэнергии настолько неэффективно, что электростанции будут просто продавать дополнительную энергию по более низкой цене или оставлять ее неиспользованной и потерянной вместо того, чтобы хранить ее, из-за стоимости, а также количество энергии, которое может быть сохранено, недостаточно значимо, чтобы компенсировать расходы.

,

электроэнергии | Определение, факты и типы

Электростатика – это исследование электромагнитных явлений, которые происходят при отсутствии движущихся зарядов, то есть после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов.И наоборот, имея набор проводников с известными потенциалами, можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников. Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, хранится в нем как электростатическая энергия электрического поля.

Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, тренных друг о друга в сухой среде. Объяснение статического электричества и его проявлений в повседневной жизни. Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Статическое электричество – это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы передаются от одного тела к другому. Например, если два предмета трутся друг о друга, особенно если они являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают одинаковые и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения.Объект, теряющий электроны, становится заряженным положительно, а другой – отрицательно. Сила – это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы были описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона. Электрическая сила на заряде Q ₁ в этих условиях, вызванная зарядом Q ₂ на расстоянии r , задается законом Кулона

Жирным шрифтом в уравнении обозначается вектор характер силы, а единичный вектор r̂ – это вектор, размер которого равен единице, и который указывает от заряда Q ₂ до заряда Q ₁ .Константа пропорциональности k равна 10 ⁻⁷ c ² , где c – скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 ⁹ ньютонов на квадратный метр на квадратный кулон (Нм ² / C ² ). На рисунке 1 показано усилие на Q ₁ , обусловленное Q ₂ . Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q ₁ , и Q ₂ произвольно выбраны как положительные заряды, каждый с величиной 10 ⁻⁶ кулонов.Заряд Q ₁ расположен в координатах x , y , z со значениями 0,03, 0, 0 соответственно, а Q ₂ имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты указаны в метрах. Таким образом, расстояние между Q ₁ и Q ₂ составляет 0,05 метра.

электрическая сила между двумя зарядами Рисунок 1: Электрическая сила между двумя зарядами. Предоставлено Департаментом физики и астрономии Мичиганского государственного университета Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской.Подпишитесь сегодня

Величина силы F на заряде Q ₁ , рассчитанная по уравнению (1), составляет 3,6 ньютона; его направление показано на рисунке 1. Сила, действующая на Q ₂ , обусловленная Q ₁ , составляет – F , что также имеет величину 3,6 ньютона; его направление, однако, противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее составляющие по осям x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y .Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, и результаты показаны на рисунке 2. Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в состоянии покоя. Если заряды имеют противоположные знаки, сила будет притягивающей; притяжение будет указано в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q ₁ будет иметь направление, противоположное единичному вектору r̂ , и будет указывать от Q ₁ к Q ₂ .В декартовых координатах это привело бы к изменению знаков компонентов силы x и y в уравнении (2).

компоненты кулоновской силы Рисунок 2: Компоненты x и y силы F на рисунке 4 (см. Текст). Предоставлено Департаментом физики и астрономии Мичиганского государственного университета

Как можно понять эту электрическую силу на Q ₁ ? По сути, сила возникает из-за наличия электрического поля в позиции Q ₁ .Поле создается вторым зарядом Q ₂ и имеет величину, пропорциональную размеру Q ₂ . При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.

,

Наука об электричестве – Управление энергетической информации США (EIA)

Все состоит из атомов

Для понимания электричества полезны некоторые основные сведения об атомах. Атомы – это строительные блоки вселенной. Все во Вселенной состоит из атомов – каждая звезда, каждое дерево и каждое животное. Человеческое тело состоит из атомов. Воздух и вода тоже состоят из атомов. Атомы настолько малы, что миллионы их поместятся на булавочной головке.

Атомы состоят из еще более мелких частиц

Центр атома называется ядром . Ядро состоит из частиц, называемых протонов и нейтронов . Электроны вращаются вокруг ядра в оболочках . Если бы ядро ​​было размером с теннисный мяч, атом был бы размером со сферу диаметром около 1450 футов, или размером с один из крупнейших спортивных стадионов в мире. Атомы – это в основном пустое пространство.

Если бы невооруженный глаз мог видеть атом, он был бы немного похож на крошечное скопление шаров, окруженное гигантскими невидимыми пузырями (или оболочек ). Электроны будут на поверхности пузырей, постоянно вращаясь и перемещаясь, чтобы держаться как можно дальше друг от друга. Электроны удерживаются в своих оболочках за счет электрической силы.

Протоны и электроны атома притягиваются друг к другу.Оба они несут электрический заряд . Протоны имеют положительный заряд (+), а электроны – отрицательный заряд (-). Положительный заряд протонов равен отрицательному заряду электронов. Противоположные заряды притягивают друг друга. Атом находится в равновесии, когда в нем равное количество протонов и электронов. Нейтроны не несут заряда, и их количество может меняться.

Число протонов в атоме определяет вид атома, или элемент , это. Элемент – это вещество, состоящее из одного типа атомов.В Периодической таблице элементов показаны элементы с их атомными номерами – количеством протонов, которые они имеют. Например, каждый атом водорода (H) имеет один протон, а каждый атом углерода (C) имеет шесть протонов.

Электричество – это движение электронов между атомами

Электроны обычно остаются на постоянном расстоянии от ядра атома в точных оболочках. Ближайшая к ядру оболочка может содержать два электрона. Следующий снаряд может вместить до восьми штук. Внешние оболочки могут вместить даже больше.Некоторые атомы с большим количеством протонов могут иметь до семи оболочек с электронами в них.

Электроны в оболочках, ближайших к ядру, обладают сильной силой притяжения к протонам. Иногда электроны в самых внешних оболочках атома не обладают сильной силой притяжения к протонам. Эти электроны могут быть вытеснены со своих орбит. Применение силы может заставить их переходить от одного атома к другому. Эти смещающиеся электроны – электричество.

Статическое электричество существует в природе

Молния – это форма электричества.Молния – это электроны, перемещающиеся из одного облака в другое, или электроны, прыгающие из облака на землю. Вы когда-нибудь испытывали шок, когда дотрагивались до предмета после прогулки по ковру? От этого объекта к вам прыгнул поток электронов. Это называется статическим электричеством .

Вы когда-нибудь заставляли волосы встать дыбом, натирая их воздушным шариком? Если да, то вы стерли с воздушного шара несколько электронов. Электроны переместились в ваши волосы из воздушного шара. Электроны пытались уйти друг от друга, двигаясь к кончикам ваших волос.Они толкались или отталкивались друг от друга, заставляя волосы шевелиться. Подобно тому, как противоположные заряды притягиваются друг к другу, как заряды отталкиваются.

Последнее обновление: 8 января 2020 г.

,

Магниты и электричество – Управление энергетической информации США (EIA)

Вращение электронов вокруг ядра атома создает крошечное магнитное поле. Электроны в большинстве объектов вращаются в случайных направлениях, и их магнитные силы нейтрализуют друг друга.

Магниты отличаются, потому что молекулы в магнитах расположены так, что их электроны вращаются в одном направлении. Такое расположение и движение создают магнитную силу, которая исходит от полюса, направленного на север, и от полюса, направленного на юг.Эта магнитная сила создает вокруг магнита магнитное поле .

Вы когда-нибудь держали два магнита близко друг к другу? Они не действуют как большинство предметов. Если вы попытаетесь столкнуть два северных полюса или два южных полюса вместе, они отталкиваются друг от друга. Но если вы сложите вместе северный и южный полюсы, магниты слипнутся, потому что северный и южный полюса притягиваются друг к другу. Как протоны и электроны – в магнитах притягиваются противоположности.

Магнитное поле вокруг стержневого магнита

Источник: Национальный проект развития энергетического образования (общественное достояние)

Из магнитных полей можно производить электричество

Свойства магнитов используются для производства электричества.Движущиеся магнитные поля притягивают и выталкивают электроны. Металлы, такие как медь и алюминий, имеют слабые электроны. Перемещение магнита вокруг катушки с проволокой или перемещение катушки с проволокой вокруг магнита толкает электроны в проволоке и создает электрический ток. Генераторы электричества по существу преобразуют кинетическую энергию (энергию движения) в электрическую.

Последнее обновление: 8 января 2020 г.

,