Отправить

Что такое электричество?

Электричество - это совокупность физических явлений, связанных с наличием электрического заряда. Хотя изначально электричество рассматривалось как явление, отдельное от магнетизма, но с разработкой уравнений Максвелла оба эти явления были признаны частью единого явления: электромагнетизма. Различные распространенные явления связаны с электричеством, такие как молнии, статическое электричество, электрическое отопление, электрические разряды и многие другие. Кроме того, электричество лежит в основе многих современных технологий.

Наличие электрического заряда, который может быть либо положительным, либо отрицательным, порождает электрическое поле. С другой стороны, движение электрических зарядов, которое называется электрическим током, создает магнитное поле.

Когда заряд помещается в точку с ненулевым электрическим полем, на него действует сила. Величина этой силы определяется законом Кулона. Таким образом, если бы этот заряд был перемещен, электрическое поле выполнило бы работу по перемещению (торможению) электрического заряда. Таким образом, можно говорить об электрическом потенциале в определенной точке пространства, равному работе, выполняемой внешним агентом при переносе единицы положительного заряда из произвольно выбранной точки отсчета до этой точки без какого-либо ускорения и, как правило, измеряемому в вольтах.

В электротехнике, электричество используется для:

• подачи электроэнергии туда, где электрический ток используется для питания оборудования;
• в электронике, имеющей дело с электрическими цепями, которые включают активные электрические компоненты, такие как вакуумные трубки, транзисторы, диоды и интегральные схемы, и связанные с ними пассивные элементы.

Электрические явления изучались с античных времен, хотя прогресс в теоретическом понимании начался в XVII и XVIII веках. Даже тогда практическое применение электричества было редкостью, и инженеры смогли использовать его в промышленных и жилых целях только в конце XIX века. Быстрое расширение электрических технологий в это время трансформировало промышленность и общество. Универсальность электричества заключается в том, что оно может использоваться почти в безграничном множестве отраслей, таких как транспорт, отопление, освещение, коммуникации и вычисления. Электроэнергия в настоящее время является основой современного индустриального общества.

История электричества

Задолго до того, как зародились какие-либо знания об электричестве, люди уже знали об ударах током электрической рыбы. Древнеегипетские тексты, датируемые 2750 годом до н. э., называли этих рыб "Громовержцы Нила" и описывали их как "защитников" всех других рыб. Свидетельства об электрических рыбах снова появляются тысячелетиями позже от древнегреческих, римских и арабских естествоиспытателей и врачей. Несколько древних писателей, такие, как Плиний Старший и Скрибониус Ларгус, свидетельствуют об онемении, как эффекте поражения электрическим током, производимым сомиками и электрическими скатами, а также они знали, что такие удары могут передаваться через проводящие ток предметы. Пациентам, страдающим от заболеваний, таких как подагра или головная боль прописывались прикосновения к таким рыбам с надеждой, что мощный электроудар может вылечить их. Возможно, что самое раннее и ближайшее приближение к открытию идентичности молнии и электричества из любого другого источника, было совершено арабами, у которых до 15-го века в языке слово "молния" (раад) применялось к электрическим скатам.

Древние культуры Средиземноморья знали, что если некоторые предметы, такие как янтарные палочки, потереть кошачьим мехом, то он нанёт притягивать легкие предметы, такие как перья. Фалес Милетский сделал ряд наблюдений статического электричества примерно в 600 г. до н.э., из которых он вывел, что для того, чтобы сделать янтарь способным притягивать предметы необходимо трение, в отличие от минералов, таких как магнетит, которым трение было не нужно. Фалес ошибался, полагая, что притяжение янтаря было связано с магнитным эффектом, но позже наука доказала связь между магнетизмом и электричеством. Согласно спорной теории, основанной на обнаружении Багдадской батареи в 1936 году, которая напоминает гальваническую ячейку, хотя неясно, был ли артефакт электрическим по своей природе, парфяне, возможно, знали о гальванотехнике.

Электричество продолжало вызывать не более, чем интеллектуальное любопытство на протяжении тысячелетий до 1600 года, когда английский ученый Уильям Гилберт провел тщательное изучение электричества и магнетизма, и выявил отличая "магнетитного" эффекта от статического электричества, производимого путем трения янтаря. Он придумал новое латинское слово electricus ("янтарный" или "как янтарь", от ἤλεκτρον, Elektron, с греческого: «янтарь») для обозначения свойства предметов притягивать мелкие предметы после натирания. Эта лингвистическая ассоциация породила английские слова «электрический» и «электричество», которые впервые появились в печати в работе Томаса Брауна "Pseudodoxia Epidemica" в 1646 году.

Дальнейшую работу проводили Отто фон Герике, Роберт Бойль, Стивен Грей и Шарль Франсуа Дюфе. В 18 веке Бенджамин Франклин провел обширные исследования в области электричества, продав свои владения для финансирования своей работы. В июне 1752 года он, как известно, прикрепил металлический ключ к нижней части нити воздушного змея и запустил змея в грозовое небо. Последовательность искр, соскакивающих с ключа на тыльную сторону ладони показала, что молния действительно имеет электрическую природу. Он также объяснил кажущее парадоксальным поведение лейденской банки в качестве устройства для хранения большого количества электрического заряда с точки зрения электричества, состоящего из положительных и отрицательных зарядов.

В 1791 году Луиджи Гальвани объявил о своем открытии биоэлектромагнетизма, демонстрируя, что электричество является средством, с помощью которого нейроны передают сигналы к мышцам. Аккумуляторная батарея Алессандро Вольта или гальванический столб 1800-х годов изготавливались из чередующихся слоев цинка и меди. Для ученых это был более надежный источник электрической энергии, чем электростатические машины, используемые ранее. Понимание электромагнетизма как единства электрических и магнитных явлений произошло благодаря Эрстеду и Андре-Мари Амперу в 1819-1820 годах. Майкл Фарадей изобрел электрический двигатель в 1821 году, а Георг Ом математически проанализировал электрическую цепь в 1827году. Электричество и магнетизм (и свет) были окончательно связаны Джеймсом Максвеллом, в частности, в его работе «О физических силовых линиях» в 1861 и 1862 годах.

В то время как в начале 19-го века мир стал свидетелем стремительного прогресса в науке об электричестве, в конце 19 века наибольший прогресс случился в области электротехники. С помощью таких людей, как Александр Грэхем Белл, Отто Титус Блати, Томас Эдисон, Галилео Феррарис, Оливер Хевисайда, Аньош Иштван Йедлик, Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин, Чарльз Алджернон Парсонс, Вернер фон Сименс, Джозеф Уилсон Суон, Реджинальд Фессенден, Никола Тесла и Джордж Вестингауз, электричество превратилась из научного любопытства в незаменимый инструмент для современной жизни, став движущей силой второй промышленной революции.

В 1887 году Генрих Герц обнаружил, что электроды освещенные ультрафиолетовым светом, создают электрические искры более легко, чем не освещенные. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой были объяснены экспериментальные данные фотоэлектрического эффекта как результат переноса световой энергии дискретными квантованными пакетами, возбуждающими электроны. Это открытие привело к квантовой революции. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году за "открытие закона фотоэлектрического эффекта". Фотоэлектрический эффект также используется в фотоэлементах таких, какие можно найти в панелях солнечных батарей, и это часто используется для выработки электроэнергии в коммерческих целях.

Первым полупроводниковым устройством стал детектор "кошачий ус", который был первым в использовании в радиоприемниках в 1900-х годах. Усоподобная проволочка приводится в легкое контактное прикосновение с твердым кристаллом (например, кристаллом германия) для того, чтобы продетектировать радиосигнал посредством контактно-переходного эффекта. В полупроводниковом узле, ток подается в полупроводниковые элементы и соединения, сконструированные специально для переключения и усиления тока. Электрический ток может представляться в двух формах: в виде отрицательно заряженных электронов, а также положительно заряженными вакансиями электронов (незаполненными электронами местами в атоме полупроводника), называемыми дырками. Эти заряды и дырки понимаются с позиции квантовой физики. Строительным материалом чаще всего является кристаллический полупроводник.

Развитие полупроводниковых устройств началось с изобретением транзистора в 1947 году. Распространенными полупроводниковыми устройствами являются транзисторы, микропроцессорные чипы и чипы оперативной памяти. Специализированный тип памяти, называемый флэш-памятью используется в USB флэш-накопителях, и совсем недавно полупроводниковыми накопителями стали заменять и накопители на механически вращающихся жестких магнитных дисках. Полупроводниковые устройства стали распространенными в 1950-х и 1960-х годах, в период перехода от вакуумных ламп к полупроводниковым диодам, транзисторам, интегральным схемам (ИС) и светодиодам (LED).

Основные понятия электричества

Электрический заряд

Наличие заряда порождает электростатическую силу: заряды оказывают друг на друга силовое действие, этот эффект был известен в древности, хотя и не был тогда понятен. Легкий шарик, подвешенный на веревочке может быть заряжен прикосновением к нему стеклянной палочкой, которая сама до этого была заряжена при трении о ткань. Подобный шар, заряженный тем же стеклянным стержнем будет отталкиваться от первого: заряд заставляет два шара отделяться друг от друга. Два шара, которые заряжаются от натертого янтарного стержня также отталкиваются друг от друга. Тем не менее, если один шар заряжается от стеклянной палочки, а другой - от янтарного стержня, то оба шара начинают притягиваются друг к другу. Эти явления были исследованы в конце восемнадцатого века Шарлем Огюстеном де Кулоном, который сделал вывод, что заряд проявляется в двух противоположных формах. Это открытие привело к известной аксиоме: одинаково заряженные объекты отталкиваются, а противоположно заряженные объекты притягиваются.

Сила действует на сами заряженные частицы, следовательно, заряд имеет тенденцию к как можно более равномерному распространению по проводящей поверхности. Величина электромагнитной силы, будь то притяжение или отталкивание, определяется законом Кулона, который гласит, что электростатическая сила пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Электромагнитное взаимодействие является очень сильным, оно уступает по силе только сильному взаимодействию, но в отличие от последнего, оно действует на любых расстояниях. По сравнению с гораздо более слабым гравитационным взаимодействием, электромагнитная сила, расталкивает два электрона в 1042 раз сильнее, чем гравитационная сила притягивает их.

Исследование показало, что источником заряда являются определенные типы субатомных частиц, которые обладают свойством электрического заряда. Электрический заряд порождает электромагнитную силу, которая является одной из четырех фундаментальных сил природы, и взаимодействует с ней. Наиболее известными носителями электрического заряда являются электрон и протон. Эксперимент показал, что заряд - сохраняющаяся величина, то есть, суммарный заряд внутри изолированной системы всегда будет оставаться постоянным вне зависимости от каких-либо изменений, которые происходят в пределах этой системы. В системе заряд может передаваться между телами либо прямым контактом, либо путем передачи по проводящему материалу, например проводу. Неофициальный термин "статическое электричество" означает чистое присутствие заряда (или "дисбаланс" зарядов) на теле, обычно вызываемое тем, что разнородные материалы, будучи потертыми друг о друга, передают заряд от один другому.

Заряды электронов и протонов противоположны по знаку, следовательно, суммарный заряд может быть как положительным, так и отрицательным. По соглашению, заряд переносимый электронами, считается отрицательным, а переносимый протонами - положительным, по традиции, заложенной работами Бенджамина Франклина. Величина заряда (количество электричества) обычно обозначается символом Q и выражается в кулонах; каждый электрон несет один и тот же заряд, приблизительно -1,6022 × 10-19 кулона. Протон имеет заряд, равный по значению и противоположный по знаку, и, таким образом, + 1,6022 × 10-19 Кулона. Зарядом обладает не только вещество, но и антивещество, каждая античастица несет равный заряд, но противоположный по знаку к заряду его соответствующей частицы.

Заряд можно измерить несколькими способами: ранний прибор-электроскоп с золотыми лепестками, который, хотя все еще используется для учебных демонстраций, в настоящее время вместо него применяется электронный электрометр.

Электрический ток

Движение электрических зарядов называется электрическим током, интенсивность его обычно измеряется в амперах. Ток может создаваться какими-либо движущимися заряженными частицами; чаще всего это электроны, но в принципе любой заряд приведенный в движение представляет собой ток.

По исторически сложившейся договоренности положительный ток определяется направлением движения положительных зарядов, перетекающих из более положительной части цепи в более отрицательную часть. Ток, определенный таким образом, называется условным током. Одной из наиболее известной формой тока является движение отрицательно заряженных электронов по цепи, и таким образом, положительное направление тока сориентировано в противоположном движению электронов направлении. Тем не менее, в зависимости от условий, электрический ток может состоять из потока заряженных частиц движущегося в любом направлении, и даже в обоих направлениях одновременно. Договоренность считать положительным направлением тока направление движения положительных зарядов широко используется для упрощения этой ситуации.

Процесс, при котором электрический ток проходит через материал, называется электрической проводимостью, и её природа изменяется в зависимости от того, какими заряженными частицами она осуществляется и от материала, через который они перемещаются. В качестве примеров электрических токов можно привести металлическую проводимость, осуществляемую потоком электронов через проводник, такой как металл, и электролиз, осуществляемый потоком ионов (заряженных атомов) через жидкость или плазму, как в электрических искрах. В то время как сами частицы могут двигаться очень медленно, иногда со средней скоростью дрейфа только доли миллиметра в секунду, электрическое поле, что приводит их в движение распространяется со скоростью близкой к скорости света, позволяя электрическим сигналам быстро проходить по проводам.

Ток вызывает ряд наблюдаемых эффектов, которые исторически являлись признаком его присутствия. Возможность разложения воды под действием тока от гальванического столба была обнаружена Николсоном и Карлайлом в 1800 году. Этот процесс теперь называется электролиз. Их работа была значительно расширена Майклом Фарадеем в 1833 году. Ток, протекая через сопротивление, вызывает локализованный нагрев. Данный эффект Джеймс Джоуль описал математически в 1840 году. Одно из наиболее важных открытий, касающихся тока было сделано случайно Эрстедом в 1820 году, когда при подготовке лекции, он обнаружил, что ток, протекающий по проводу, вызвал поворот стрелки магнитного компаса. Так он открыл электромагнетизм, фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитных выбросов, генерируемых электрической дугой, достаточно высок для получения электромагнитных помех, которые могут нанести ущерб работе смежного оборудования.Он обнаружил электромагнетизм, фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитных излучений, генерируемых электрической дугой достаточно высок, чтобы производить электромагнитные помехи, которые могут вызвать помехи в работе находящегося поблизости оборудования.

Для технического или бытового применения ток часто характеризуется как либо постоянный (DC), либо переменный (AC). Эти термины относятся к тому, как ток изменяется во времени. Постоянный ток, производимый, например, батареей и требуемый для большинства электронных устройств, является однонаправленным потоком от положительного потенциала цепи к отрицательному. Если этот поток, что чаще случается, переносится электронами, они будут перемещаться в противоположном направлении. Переменным током называется любой ток, который непрерывно меняет направление, он почти всегда имеет форму синусоиды. Переменный ток пульсирует назад и вперед внутри проводника без перемещения заряда на какое-нибудь конечное расстояние за длительный промежуток времени. Усредненное по времени значение переменного тока равно нулю, но он доставляет энергию сначала в одном направлении, а затем в обратном. Переменный ток зависит от электрических свойств, которые не проявляют себя при стационарном режиме постоянного тока, например, от индуктивности и емкости. Эти свойства, однако, могут проявить себя, когда схема подвергается переходным процессам, например, при первоначальной подаче энергии.

Электрическое поле

Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем. Электрическое поле создается заряженным телом в пространстве, которое окружает тело, и приводит к силе, действующей на любые другие заряды, расположенные в поле. Электрическое поле действует между двумя зарядами аналогично гравитационному полю, действующему между двумя массами, и также простирается до бесконечности и обратно пропорционально квадрату расстояния между телами. Тем не менее, есть существенная разница. Сила тяжести всегда притягивает, заставляя соединиться две массы, в то время как электрическое поле может привести либо притяжению, либо к отталкиванию. Так как крупные тела, такие как планеты в целом имеют нулевой суммарный заряд, их электрическое поле на расстоянии обычно равно нулю. Таким образом, сила тяжести является доминирующей силой на больших расстояниях во Вселенной, несмотря на то, что сама она гораздо слабее.

Электрическое поле, как правило, различается в различных точках пространства, а его напряженность в любой точке определяется как сила (отнесенная к единице заряда), которую будет испытывать неподвижный, ничтожно малый заряд, если его поместить в эту точку. Абстрактный заряд, называемый "пробным зарядом", должен иметь исчезающе малое значение, чтобы его собственным электрическим полем, нарушающим основное поле, можно было пренебречь, а также должен быть стационарным (неподвижным), чтобы предотвратить влияние магнитных полей. Поскольку электрическое поле определяется в терминах силы, а сила является вектором, то электрическое поле также является вектором, имеющим как величину, так и направление. А если конкретнее, то электрическое поле является векторным полем.

Учение о электрических полях, создаваемых неподвижными зарядами, называется электростатикой. Поле может быть визуализировано с помощью набора воображаемых линий, направление которых в любой точке пространства совпадает с направлением поля. Это понятие было введено Фарадеем, и термин «силовые линии» до сих пор иногда встречается. Линии поля - это пути, по которым точечный положительный заряд будет совершать движение под действием поля. Они, однако, являются абстрактным, а не физическим объектом, а поле пронизывает всё промежуточное пространство между линиями. Линии поля, исходящие из стационарных зарядов, имеют несколько ключевых свойств: во-первых, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах; во-вторых, они должны входить в любой идеальный проводник под прямым углом (нормально), и в-третьих, они никогда не пересекаются и не замыкаются сами на себя.

Полое проводящее тело содержит весь свой заряд на своей внешней поверхности. Поэтому поле равно нулю во всех местах внутри тела. На этом принципе работает клетка Фарадея - металлическая оболочка, которая изолирует свое внутреннее пространтсво от внешних электрических воздействий.

Принципы электростатики имеют важное значение при проектировании элементов высоковольтного оборудования. Существует конечный предел напряженности электрического поля, которая может быть выдержана любом материалом. Выше этого значения происходит электрический пробой, который вызывает электрическую дугу между заряженными частями. Например, в воздухе электрический пробой наступает при небольших зазорах при напряженности электрического поля, превышающем 30 кВ на сантиметр. При увеличении зазора предельная напряженность пробоя снижается, примерно, до 1 кВ на сантиметр. Наиболее заметное подобное естественное явление - это молния. Она возникает, когда заряды разделяются в облаках восходящими колоннами воздуха, и электрическое поле в воздухе начинает превышать значение пробоя. Напряжение большого грозового облака может достигать 100 МВ и иметь величину энергии разряда 250 кВт-час.

На величину напряженности поля сильно влияют находящиеся поблизости проводящие объекты, и напряженность особенно велика, когда полю приходится огибать заостренные объекты. Этот принцип используется в громоотводах, острые шпили которых принуждают молнии разряжаться в них, а не в здания, которые они защищают.

Электрический потенциал

Понятие электрического потенциала тесно связано с электрическим полем. Небольшой заряд, помещенный в электрическое поле, испытывает силу, и для того, чтобы переместить заряд против этой силы, требуется совершить работу. Электрический потенциал в любой точке определяется как энергия, которую необходимо затратить, чтобы крайне медленно переместить единичный пробный заряд с бесконечности до этой точки. Потенциал обычно измеряется в вольтах, и потенциал в один вольт - это потенциал, при котором необходимо затратить один джоуль работы, чтобы переместить заряд в один кулон из бесконечности. Это формальное определение потенциала имеет небольшое практическое применение, и более полезным является понятие электрической разности потенциалов, то есть энергия, необходимая для перемещения единицы заряда между двумя заданными точками. Электрическое поле имеет одну особенность, оно является консервативным, что означает, что путь, пройденный пробным зарядом не имеет никакого значения: на прохождение всевозможных путей между двумя заданными точками всегда будет затрачена одна и та же энергия, и, таким образом, существует единственное значение разности потенциалов между двумя положениями. Вольт настолько сильно закрепился в качестве единицы измерения и описания разности электрических потенциалов, что термин вольтаж используется широко и повседневно.

Для практических целей полезно определить общую точку отсчета, относительно которой потенциалы могут быть выражены и сравниваться. Хотя, она может находиться и на бесконечности, гораздо более практично использовать в качестве нулевого потенциала саму Землю, которая во всех местах, как предполагается, имеет один и тот же потенциал. Эту точка отсчета, естественно, обозначают как "земля" (ground). Земля является бесконечным источником равного количества положительных и отрицательных зарядов и, следовательно, она электрически нейтральна и незаряжаема.

Электрический потенциал является скалярной величиной, то есть, он имеет только значение и не имеет направления. Его можно рассматривать как аналог высоты: подобно тому, как выпущенный объект будет падать посредством разности высот, вызванной гравитационным полем, так и заряд будет "падать" посредством напряжения, вызванного электрическим полем. Как на картах обозначается рельеф посредством контурных линий, соединяющих точки одинаковой высоты, так и набор линий, соединяющих точки равного потенциала (известные как эквипотенциали) могут быть прорисованы вокруг электростатически заряженного объекта. Эквипотенциали пересекают все силовые линии под прямым углом. Они также должны лежать параллельно поверхности проводника, в противном случае будет производиться сила, перемещающая носители зарядов по эквипотенциальной поверхности проводника.

Электрическое поле формально определяется как сила, оказываемая на единицу заряда, но понятие потенциала предоставляет более полезное и эквивалентное определение: электрическое поле - это локальный градиент электрического потенциала. Как правило, оно выражается в вольтах на метр, а направление вектора поля является линией наибольшего изменения потенциала, то есть в направлении ближайшего расположения другой эквипотенциали.

Электромагниты

Открытие Эрстедом в 1821 году того факта, что магнитное поле существует вокруг всех сторон провода, несущего электрический ток, показало, что существует прямая связь между электричеством и магнетизмом. Более того, взаимодействие казалось отличающимся от гравитационных и электростатических сил, двух сил природы, тогда известных. Сила действовала на стрелку компаса, не направляя ее к проводу с током или от него, а действовала под прямым углом к нему. Немного неясными словами "электрический конфликт имеет вращающее поведение" Эрстед выразил своё наблюдение. Эта сила также зависела от направления тока, ибо, если ток менял направление, то магнитная сила меняла его тоже.

Эрстед не в полной мере смог понять свое открытие, но наблюдаемый им эффект был взаимным: ток оказывает силовое воздействие на магнит, и магнитное поле оказывает силовое воздействие на ток. Феномен был в дальнейшем изучен Ампером, который обнаружил, что два параллельных провода с током, оказывают силовое действие друг на друга: два провода, с протекающими по ним токами в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу, в то время как провода, содержащие токи в противоположных направлениях друг от друга, отталкиваются. Это взаимодействие происходит посредством магнитного поля, которое каждый ток создает, и на основе этого явления определяется единица измерения тока - Ампер в международной системе единиц.

Эта связь между магнитными полями и токами является чрезвычайно важной, поскольку она привела к изобретению Майклом Фарадеем электродвигателя в 1821 году. Его униполярный двигатель состоял из постоянного магнита, помещенного в сосуд с ртутью. Ток пропускался по проводу, подвешенному на шарнирном подвесе над магнитом и погруженному в ртуть. Магнит оказывал тангенциальную силу на провод, что заставляло последний вращаться вокруг магнита до тех пор, пока в проводе поддерживался ток.

Эксперимент, проведенный Фарадеем в 1831 году, показал, что провод, движущийся перпендикулярно магнитному полю, создавал разность потенциалов на концах. Дальнейший анализ этого процесса, известного как электромагнитная индукция, позволил ему сформулировать принцип, теперь известный как закон индукции Фарадея, что разность потенциалов, наведенная в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока пронизывающего контур. Разработка этого открытия позволили Фарадею изобрести первый электрический генератор, в 1831 году, в котором преобразуется механическая энергия вращающегося медного диска в электрическую энергию. Диск Фарадея был неэффективным и не использовался в качестве практического генератора, но он показал возможность выработки электроэнергии с использованием магнетизма, и эта возможность была взята на вооружение теми, кто последовал за его разработками.

Способность химических реакций производить электроэнергию, и, обратная способность электроэнергии производить химические реакцие имеет широкий спектр применений.

Электрохимия всегда была важной частью учения о электричестве. Из первоначального изобретения вольтова столба, гальванические элементы эволюционировали в самые разнообразные типы батарей, гальванические и электролизные элементы. Алюминий получают в огромных количествах электролизным способом, и во многих портативных электронных устройствах используются перезаряжаемые источники электроэнергии.

Электрические схемы

Электрическая цепь представляет собой соединение электрических компонентов таким образом, что электрический заряд, вынужденный проходить по замкнутой траектории (контуру), обычно выполняет ряд некоторых полезных задач.

Компоненты в электрической цепи могут принимать различные формы, выступая в роли таких элементов, как резисторы, конденсаторы, выключатели, трансформаторы и электронные компоненты. Электронные схемы содержат активные компоненты, такие как полупроводники, которые обычно работают в нелинейном режиме и требуют применения к ним комплексного анализа. Наиболее простыми электрическими компонентами являются те, которые называются пассивными и линейными: хотя они могут временно хранить энергию, они не содержат ее источников и работают в линейном режиме.

Резистор, пожалуй, самый простой из пассивных элементов схемы: как предполагает его название, он сопротивляется току, протекающему через него, рассеивая электроэнергию в виде тепла. Сопротивление является следствием движения заряда через проводник: в металлах, например, сопротивление в первую очередь связано со столкновениями электронов и ионов. Закон Ома является основным законом теории цепей, и гласит, что ток, проходящий через сопротивление прямо пропорционален разности потенциалов на нем. Сопротивление большинства материалов относительно постоянно в широком диапазоне температур и токов; материалы, удовлетворяющие этим условиям, известны как "омические". Ом - единица сопротивления, была названа в честь Георга Ома и обозначается греческой буквой Ω. 1 ом - это сопротивление, которое создает разность потенциалов в один вольт при пропускании через него тока величиной в один ампер.

Конденсатор является модернизацией лейденской банки и представляет собой устройство, которое может хранить заряд, и тем самым накапливать электрическую энергию в создающемся поле. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных тонким изолирующим слоем диэлектрика; на практике это пара тонких полосок металлической фольги, смотанных вместе, для увеличения площади поверхности в единице объема и, следовательно, емкости. Единицей емкости является фарад, названный в честь Майкла Фарадея и обозначается символом F: один фарад является емкость, которая создает разность потенциалов в один вольт, при хранении заряда в один кулон. Через конденсатор, подключенный к источнику питания вначале протекает ток, так как в конденсаторе происходит накопление заряда; этот ток будет, однако уменьшаться по мере того, как конденсатор будет заряжаться, и в конце концов станет равным нулю. Конденсатор поэтому не пропускает постоянный ток, а блокирует его.

Индуктивность является проводником, как правило, мотком провода, которая хранит энергию в магнитном поле, возникающем при прохождении тока через неё. При изменении тока, магнитное поле также изменяется, создавая напряжение между концами проводника. Индуцированное напряжение пропорционально скорости изменения тока. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью. Единица индуктивности - генри, названна в честь Джозефа Генри, современника Фарадея. Индуктивность в один генри - это индуктивность, которая вызывает разность потенциалов в один вольт, при скорости изменения тока, проходящего через неё, в один ампер в секунду. Поведение индуктивности противоположенное поведению конденсатора: она будет свободно пропускать постоянный и блокировать быстро меняющийся ток.

Электрическая мощность

Электрическая мощность - это скорость, с которой электрическая энергия передается электрической цепью. Единица СИ мощности - ватт, равный одному джоулю в секунду.

Электрическая мощность как и механическая является скоростью выполнения работы, измеряется в ваттах и обозначается буквой P. Термин потребляемая мощность, используемый в просторечии, означает "электрическую мощность в ваттах." Электрическая мощность в ваттах, производимая электрическим током I, равным прохождению заряда Q кулон каждые t секунд через электрическую разность потенциалов (напряжение) V равна

P = QV/t = IV

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

Генерация электроэнергии часто производится с помощью электрогенераторов, но также может производиться химическими источниками, такими как электрические батареи или другими способами с помощью самых разнообразных источников энергии. Электрическая мощность, как правило, поставляется на предприятия и в дома электроэнергетическими компаниями. Оплата за электроэнергию обычно происходит за киловатт-час (3,6 МДж), который является произведенной мощностью в киловаттах, умноженной на время работы в часах. В электроэнергетике измерения мощности производят с использованием счетчиков электроэнергии, которые запоминают количество общей электрической энергии, отдаваемой клиенту. В отличие от ископаемого топлива, электроэнергия является низкоэнтропийной формой энергии и может быть преобразована в энергию движения или многие другие виды энергии с высокой эффективностью.

Электроника

Электроника имеет дело с электрическими цепями, которые включают в себя активные электрические компоненты, такие как вакуумные трубки, транзисторы, диоды и интегральных схемы, и связанные с ними пассивные элементы и элементы коммутации. Нелинейное поведение активных компонентов и их способность контролировать потоки электронов позволяет усиливать слабые сигналы и широко использовать электронику в обработке информации, телекоммуникации и обработке сигналов. Способность электронных устройств работать в качестве переключателей позволяет проводить цифровую обработку информации. Элементы коммутации, такие как печатные платы, технологии компоновки и другие разнообразные формы коммуникационной инфраструктуры дополняют функциональные возможности схемы и превращают разнородные компоненты в обычную рабочую систему.

Сегодня большинство электронных устройств используют полупроводниковые компоненты для осуществления электронного управления. Изучение полупроводниковых приборов и связанных с ними технологий рассматривается как отрасль физики твердого тела, тогда как проектирование и конструирование электронных схем для решения практических задач относятся к области электроники.

Электромагнитные волны

Работы Фарадея и Ампера показали, что изменяющееся во времени магнитное поле порождало электрическое поле, а изменяющееся во времени электрическое поле являлось источником магнитного поля. Таким образом, когда одно поле меняется во времени, то всегда индуцируется другое поле. Такое явление обладает волновым свойствами и естественно называется электромагнитной волной. Электромагнитные волны были теоретически проанализированы Джеймсом Максвеллом в 1864 году. Максвелл разработал ряд уравнений, которые могли однозначно описать взаимосвязь между электрическим полем, магнитным полем, электрическим зарядом и электрическим током. Он смог к тому же доказать, что такая волна обязательно распространяется со скоростью света, и, таким образом, и свет сам является формой электромагнитного излучения. Разработка законов Максвелла, которые объединяют свет, поля и заряд, является одним из важнейших этапов в истории теоретической физики.

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

Производство и использование электрической энергии

Генерация и передача электрического тока

В 6 веке до н. э. греческий философ Фалес Милетский экспериментировал с янтарными стержнями, и эти эксперименты стали первыми исследованиями в области производства электрической энергии. Пока этот метод, теперь известный как трибоэлектрический эффект, мог только поднимать легкие предметы и генерировать искры, он был крайне неэффективен. С изобретением вольтова столба в восемнадцатом веке жизнеспособный источник электроэнергии стал доступным. Вольтов столб и его современный потомок - электрическая батарея, хранит энергию в химическом виде и выдает её в виде электрической энергии по требованию. Батарея является универсальным и очень распространенным источником питания, который идеально подходит для многих применений, но энергия, хранящаяся в ней, конечна, и как только она расходуется, батарею необходимо утилизировать или заряжать. Для больших потребностей электрическая энергия должна генерироваться и передаваться непрерывно по проводящим линиям электропередачи.

Электроэнергия обычно генерируется электромеханическими генераторами, приводимыми в движение паром, получаемым от сжигания ископаемого топлива, или теплом, выделяемым в ядерных реакциях; или из других источников, таких как кинетическая энергия, извлеченная из ветра или проточной воды. Современная паровая турбина, разработанная сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году, сегодня производит около 80 процентов электроэнергии в мире с использованием различных источников тепла. Такие генераторы не имеют никакого сходства с униполярным генератором - диском Фарадея 1831 года, но они по-прежнему полагаться на его электромагнитный принцип, согласно которому проводник, сцепляясь с изменяющимся магнитным полем, индуцирует разность потенциалов на своих концах. Изобретение в конце ХIХ века трансформатора означало, что электрическая энергия может передаваться более эффективно при более высоком напряжении, но более низком токе. Эффективная электрическая передача означает, в свою очередь, что электроэнергия может производиться на централизованных электростанциях с выгодой от масштабной экономии, а затем передаваться на относительно большие расстояния туда, где в ней есть необходимость.

Поскольку электрическая энергия не может быть легко сохранена в количествах, достаточных для удовлетворения потребностей в национальном масштабе, её должно производиться в любое время столько, сколько в данный момент её требуется. Это обязывает энергокомпании тщательно прогнозировать свои электрические нагрузки и постоянно согласовывать эти данные с электростанциями. Некоторое количество генерирующих мощностей должно всегда храниться в запасе в качестве подушки безопасности для электросетей на случай резкого повышения спроса на электроэнергию.

Спрос на электроэнергию растет с большой скоростью по мере модернизации страны и развития ее экономики. Соединенные Штаты демонстрировали 12-процентный рост спроса в течение каждого года первых трех десятилетий ХХ века. Такой темп роста в настоящее время наблюдается в странах с формирующейся экономикой, таких как Индия или Китай. Исторически темпы роста спроса на электроэнергию опережают темпы роста спроса на другие виды энергии.

Экологические проблемы, связанные с производством электроэнергии, привели к усилению внимания к производству электроэнергии из возобновляемых источников, в частности на ветряных и гидроэлектростанциях. Несмотря на то, что можно ожидать продолжения дебатов о воздействии на окружающую среду различных средств производства электроэнергии, её окончательная форма относительно чистая.

Способы применения электричества

Передача электричества является весьма удобным способом передачи энергии, и она была адаптирована к огромному, и продолжающему расти, количеству применений. Изобретение практической лампы накаливания в 1870-х годах привело к тому, что освещение стало одним из первых массово доступных применений электроэнергии. Несмотря на то, что электрификация подразумевала собой определенные риски, замена открытого пламени газового освещения значительно снизила опасность возгорания внутри домов и фабрик. Во многих городах были созданы коммунальные предприятия, ориентированные на растущий рынок электрического освещения.

Нагревающий резистивный эффект Джоуля используется в нитях ламп накаливания и также находит более непосредственное применение в системах электрического отопления. Хотя этот метод отопления универсальный и управляемый, его можно считать расточительным, поскольку для большинства способов электрогенерации уже потребовалось производство тепловой энергии на электростанции. В ряде стран, таких как Дания, выпустили законы, ограничивающие или запрещающие применение резистивного электрического нагрева в новых зданиях. Электричество, однако, до сих пор остается весьма практичным источником энергии для отопления и охлаждения, причем кондиционеры или тепловые насосы представляют собой растущий сектор спроса на электроэнергию для отопления и охлаждения, последствия которого коммунальные предприятия все в большей степени обязаны учитывать.

Электричество используется в сфере телекоммуникаций, и на самом деле электрический телеграф, коммерческое использование которого было продемонстрировано в 1837 году Куком и Уитстоном, было одним из самых ранних электрических телекоммуникационных применений. При строительстве первых межконтинентальных, а затем трансатлантической, телеграфных систем в 1860-х годах, электричество позволило обеспечивать связь в течение нескольких минут со всем земном шаром. Оптоволоконная и спутниковая связь заняли часть рынка систем связи, однако можно ожидать, что электроэнергия будет оставаться важной частью этого процесса.

Наиболее очевидное использование эффектов электромагнетизма происходит в электродвигателе, который представляет собой чистое и эффективное средство движущей силы. Стационарный двигатель, такой как лебедка, легко обеспечить электропитанием, но двигателю для мобильного применения, такого как электрическое транспортное средство, необходимо либо перемещать вместе с собой источники питания, такие как батареи, либо собирать ток скользящим контактом, известным как пантограф.

Электронные устройства используют транзистор, пожалуй, одно из важнейших изобретений ХХ века, который является фундаментальным строительным блоком всех современных схем. Современная интегральная схема может содержать несколько миллиардов миниатюризованных транзисторов на площади всего несколько квадратных сантиметров.

Электричество также используется в качестве источника топлива для общественного транспорта, в том числе в электрических автобусах и поездах.

Влияние электричества на живые организмы

Действие электрического тока на организм человека

Напряжение, приложенное к человеческому телу, вызывает прохождение электрического тока через ткани, и хотя это отношение нелинейно, но чем большее напряжение приложено, тем больший оно вызывает ток. Порог восприятия варьируется в зависимости от частоты питания и местом прохождения тока, он составляет приблизительно от 0,1 мА до 1 мА для электричества сетевой частоты, хотя и ток, настолько малый, как один микроампер, может быть обнаружен как эффект электровибрации при определенных условиях. Если ток достаточно большой, то он может вызвать сокращение мышц, аритмию сердца, а также ожоги тканей. Отсутствие каких-либо видимых признаков того, что проводник находится под напряжением, делает электричество особенно опасным. Боль, вызванная электрическим током может быть интенсивной, что приводит к тому, что электричество иногда используют в качестве метода пытки. Смертная казнь, приведенная в исполнение поражением электрическим током, называется казнью на электрическом стуле (electrocution). Казнь на электрическом стуле до сих пор остается средством судебного наказания в некоторых странах, хотя его использование стало более редким в последнее время.

Электрические явления в природе

Электричество не является изобретением человека, оно может наблюдаться в нескольких формах в природе, заметным проявлением которого является молния. Многие взаимодействия, знакомые на макроскопическом уровне, такие как прикосновение, трение или химическая связь, обусловлены взаимодействиями между электрическими полями на атомном уровне. Магнитное поле Земли, как полагают, возникает из-за естественного производства циркулирующих токов в ядре планеты. Некоторые кристаллы, такие как кварц, или даже сахар, способны создавать разность потенциалов на своих поверхностях, когда подвергаются внешнему давлению. Это явление, известное как пьезоэлектричество, от греческого piezein (πιέζειν), что означает "нажать", было обнаружено в 1880 году Пьером и Жаком Кюри. Этот эффект обратим, и когда пьезоэлектрический материал подвергается воздействию электрического поля, происходит небольшое изменение его физических размеров.

Некоторые организмы, такие как акулы, способны обнаруживать и реагировать на изменения электрических полей, эта способность известна как электрорецепция. В то же время другие организмы, именуемые электрогенными, способны генерировать напряжения сами, что служит им в качестве оборонительного или хищного оружия. Рыбы отряда гимнотообразных, самым известным представителем которого является электрический угорь, могут обнаруживать или оглушать свою добычу с помощью высокого напряжения, генерируемого видоизмененными мышечными клетками, называемыми электричесикими клетками (electrocytes). Все животные передают информацию по клеточным мембранам импульсами напряжения, называемыми потенциалами действия, в чью функцию входит обеспечение нервной системы связью между нейронами и мышцами. Поражение электрическим током стимулирует эту систему, и вызывает сокращение мышц. Потенциалы действия также отвечают за координацию деятельности определенных растений.

В 1850 году Уильям Гладстон спросил ученого Майкла Фарадея, в чем ценность электричества. Фарадей ответил: "В один прекрасный день, сэр, вы сможете обложить его налогом».

В 19-м и начале 20-го века, электричество не было частью повседневной жизни многих людей, даже в промышленно развитом западном мире. Популярная культура того времени, соответственно, часто изображала его как таинственную, квази-магическую силу, которая может умертвлять живых, воскрешать мертвых или иным образом изменять законы природы. Такой взгляд начал царить с опытов Гальвани 1771 года, в которых демонстрировались ноги мертвых лягушек дергающимися при применении животного электричества. Об "оживлении" или реанимации очевидно мертвых или утопленников было сообщено в медицинской литературе вскоре после работы Гальвани. Об этих сообщениях стало известно Мэри Шелли, когда она принялась за написание Франкенштейна (1819), хотя она и не указывает на такой метод оживления монстра. Оживление монстров с помощью электричества стало актуальной темой фильмов ужасов позже.

По мере того, как углублялось общественное знакомство с электричеством, как источником жизненной силы второй промышленной революции, его обладатели чаще показывались в положительном свете, например, электромонтажники, про которых сказано "смерть сквозь перчатки им леденит пальцы, сплетающие провода" в стихотворении Редьярда Киплинга 1907 года "Сыновья Марфы". Разнообразные транспортные средства с электрическим приводом заняли видное место в приключенческих рассказах Жюля Верна и Тома Свифта. Специалисты в области электроэнергетики, будь то вымышленные или реальные - в том числе ученые, такие как Томас Эдисон, Чарльз Штайнмец или Никола Тесла - широко воспринимались как кудесники, наделенные волшебными полномочиями.

По мере того, как электричество переставало быть новинкой и становилось необходимостью в повседневной жизни во второй половине 20-го века, оно обратило к себе особое внимание со стороны популярной культуры только тогда, когда оно переставало поступать, что являлось событием, которое обычно сигнализирует о бедствии. Люди, которые поддерживают его поступление, такие как безымянный герой песни Джимми Уэбба "Монтер из Уичито" (1968), все чаще представлялись в качестве героических и волшебных персонажей.

Содержание:

Совершенно невозможно представить жизнь современных людей без электричества. Однако так было далеко не всегда. Активное использование электрического тока началось лишь в 20 веке, а до этого все ограничивалось опытами и исследованиями, проводимыми отдельными учеными из разных стран. Поэтому вопрос, когда появилось электричество не имеет однозначного ответа, поскольку первые понятия о нем возникли еще в 7 веке до нашей эры. Наблюдая за некоторыми физическими явлениями, греческий ученый и философ Фалес Милетский обратил внимание на то, что янтарь способен притягивать легкие мелкие предметы после его трения о шерсть. На этом уровне знания об электричестве приостановились на многие века.

Первые исследования и открытия

Знания в области электричества стали развиваться далее лишь в 15 веке. И если рассматривать электричество, кто создал его и ввел такое понятие, следует в первую очередь отметить английского физика Уильяма Гильберта (1544-1603). Этот ученый-естествоиспытатель и придворный врач по праву считается основоположником учения об электричестве и магнетизме. Благодаря Уильяму появились термины «электричество» и «электрический». В своем научном труде Уильям Гильберт аргументированно доказывает наличие у Земли магнитного поля.

Книга «О магните, магнитных телах и великом магните Земли» подробно описывает опыты, подтверждающие магнитные и электрические свойства тел. Все тела были разделены на электризующиеся с помощью трения и не электризующиеся. Было установлено, что каждый магнит обладает двумя неразделимыми полюсами. То есть, при распиливании магнита на две равные части, на каждой половинке вновь образуется собственная пара полюсов. Разноименные полюса притягиваются друг к другу, а одноименные, наоборот, отталкиваются в противоположные стороны. Во время опытов с металлическим шаром, взаимодействующим с магнитной стрелкой, ученым впервые было выдвинуто предположение о том, что Земля есть не что иное, как огромный магнит, а ее магнитные полюсы могут совпадать с географическими полюсами.

Электрические явления были исследованы ученым с помощью версора, созданного собственноручно, который стал первым своеобразным электроскопом. Понятия магнетизма и электричества разделились, поскольку магнитными свойствами обладают в основном металлические предметы, а электрические присущи многим веществам, входящим в особую категорию. В книге Уильяма Гилберта впервые определены понятия электрического притяжения, электрической силы и магнитных полюсов.

Опыты ученого через много лет решил повторить немецкий физик, инженер и философ из Магдебурга Отто фон Герике (1602-1686). Он изобрел специальные физические приборы, которые помогли не только подтвердить выводы Гилберта, но и подтвердить научные изыскания самого фон Герике. Лучшими доказательствами считаются ряд экспериментальных исследований, затрагивающих , которым до тех пор практически никто не интересовался.

Для подтверждения собственных изысканий и предыдущих опытов Уильяма Гильберта, фон Герике изобрел специальный прибор, позволяющий создавать электрическое состояние. В нем отсутствовал конденсатор для накопления электричества, производимого трением, поэтому данный прибор не в полной мере соответствовал понятию электрической машины. Тем не менее, он сыграл свою роль и благодаря ему история развития электричества получила новый толчок в нужном направлении.

Фон Герике открыл еще и эффект электрического отталкивания, который был ранее неизвестен. Для подтверждения данного эффекта был изготовлен большой шар из серы, сквозь который продевалась ось, приводившая его в движение. В процессе вращения он натирался сухой рукой, что вызывало электризацию шара. В ходе эксперимента было замечено, что тела вначале притягиваются к нему, а затем отталкиваются. Кроме того, было видно, как оттолкнувшуюся пушинку притягивают другие тела. В процессе исследования наблюдались и другие эффекты, подтверждающие общие характеристики и свойства электричества, известные в то время.

В дальнейшем электрическая машина фон Герике была усовершенствована немецкими учеными Бозе, Винклером, английским физиком Хоксби. С ее помощью в 18 и 19 веках удалось сделать массу новых открытий в теории и практике электричества.

Великие открытия 18-19 веков

Исследования в области электричества были успешно продолжены другими учеными. Так в 1707 году французский физик Дю Фей обнаружил разницу между электричеством, получаемым от трения о разные материалы. Для экспериментов использовались круги из стекла и древесной смолы.

В 1729 году английскими учеными Греем и Уилером было установлено, что отдельные виды веществ способны пропускать сквозь себя электричество. Именно с их открытия все тела начали разделяться по типам и называться проводниками и непроводниками электричества. В этом же году голландский физик Мушенбрук из Лейдена сделал грандиозное открытие. В ходе опытов со стеклянной банкой, закрытой с двух сторон листами станиоля, было установлено, что такой сосуд способен накапливать электричество. По месту проведения эксперимента данный прибор был назван лейденской банкой.

Большой вклад в науку внес американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин. Он доказал теорию совместного существования положительного и отрицательного электричества, объяснил процессы, происходящие во время зарядки и разрядки лейденской банки. Было установлено, что свободная электризация обкладок этого прибора может происходить под действием разных электрических зарядов. Бенджамин Франклин много времени уделял изучению атмосферного электричества и доказал с помощью громоотвода возникновение молнии от разности электрических потенциалов.

В 1785 году французским ученым Шарлем Кулоном был открыт закон, описывающий электрическое взаимодействие между точечными зарядами. Открытие точного физического закона произошло без сложного лабораторного оборудования, с помощью лишь стальных шариков. Для определения расстояния и силы взаимодействия использовались такие же крутильные весы, как и при исследованиях сил тяготения между двумя телами. Ученый не пользовался абсолютной величиной электрических зарядов, он просто брал два одинаковых заряда или неодинаковые, но с заранее известной разницей их величины.

Важное открытие в области электричества было сделано итальянским ученым Алессандро Вольта в 1800 году. Этим изобретением стала химическая батарея, состоящая из круглых серебряных пластинок, переложенных кусками бумаги, предварительно смоченных соленой водой. Химические реакции, возникающие в батарее, способствовали регулярному вырабатыванию электрического тока.

В 1831 году знаменитый английский физик Майкл Фарадей открыл явление , и на ее основе первым в мире изобрел электрический генератор. С именем Майкл Фарадей связаны понятия электрического и магнитного поля, изобретение простейшего электродвигателя.

Вся история электричества была бы неполной без выдающегося изобретателя Николы Тесла, работавшего на рубеже 19-20 веков и значительно обогнавшего свое время. Свои исследования в области магнетизма и электричества он постоянно переводил в практическую плоскость. Приборы, созданные гениальным ученым, до сих пор считаются уникальными и неповторимыми.

В течение всей своей жизни, посвященной изучению возможностей электричества, Тесла зарегистрировал множество патентов, сделал открытия, ставшие прорывом в электротехнике. Большинство изобретений и открытий, так или иначе до сих пор используются в повседневной жизни. Из наиболее известных работ следует отметить вращающееся магнитное поле, позволяющее использовать переменный ток в электродвигателях без преобразования в постоянный ток. Также Тесла создал двигатель переменного тока, на основе которого в дальнейшем был создан генератор переменного тока. Эти и другие открытия успешно использовались во многих технических решениях.

Ученых, сделавших весомый вклад в развитие науки об электричестве, можно перечислять очень долго. В завершение хочется отметить Георга Ома, который в ходе экспериментов вывел основной закон электрической цепи. Благодаря Ому появились такие термины, как электродвижущая сила, проводимость, падение напряжения и другие. Не менее известен Ампер Андре-Мари, придумавший для определения направления тока на магнитную стрелку. Ему принадлежит и конструкция усилителя магнитного поля, представляющего собой катушку с большим количеством витков. Эти и другие ученые много сделали для того, чтобы человечество в полной мере пользовалось теми благами, которые дает электричество.

Современный мир невозможен без электричества. Сейчас никто и не задумывается о технологии его производства, а в древние времена даже не знали такого слова. Но пытливые умы находились и тогда. В 700-м году до нашей эры наблюдательный греческий философ Фалес заметил, что янтарь начинал притягивать лёгкие предметы, когда происходило трение с шерстью. На этом знания приостановились.

Дальнейшее развитие знаний

Только по прошествии многих столетий эта отрасль знаний получила дальнейшее развитие. Английский физик и по совместительству врач при королевском дворе Уильям Гильберт, окончивший лучшие ВУЗы Оксфорда и Кембриджа, стал основоположником науки об электричестве. Он изобрёл первый прообраз электроскопа под названием версор и с его помощью выяснил, что не только янтарь, но и другие камни имеют свойства притягивать мелкие предметы (соломинки). Среди «электрических» минералов:

• алмаз;
• аметист;
• стекло;
• опал;
• карборунд;
• сланцы;
• сапфир;
• янтарь.

С помощью аппарата учёный смог сделать несколько интересных открытий. Среди них: серьёзное влияние пламени на электрические свойства тел, которые были приобретены при трении. А ещё Гильберт высказал предположение, что гром и молния - явления электрической природы.

Само понятие «электричество» впервые прозвучало в XVI веке. В 1663 году бургомистром Магдебурга по имени Отто фон Герике была создана специальная машина для исследования. С её помощью можно было наблюдать эффект притяжения и отталкивания.

Первые опыты с электричеством

В 1729 году в Англии был проведён первый опыт передачи электричества на небольшое расстояние учёным Стивеном Греем. Но в процессе было определено, что не все тела могут передавать электричество. Через 4 года после первых серьёзных исследований учёный из Франции Шарль Дюфе выявил, что существует два типа заряда электричества : стеклянного и смоляного в зависимости от материала, используемого для трения.

В середине XVII века в Голландии Питер ван Мушенбрук создаёт конденсатор под названием «Лейденская банка». Немного времени спустя появляется теория Бенджамина Франклина и проводятся первые исследования, которые опытным путём подтверждают теорию. Проведённые исследования стали основой для создания громоотвода.

После этого была открыта новая наука, которую начинают изучать. А в 1791 году выпускается «Трактат о силе электричества при движении мышц» автором Гальвани. В 1800 году итальянский изобретатель Вольта стал тем, кто создал новый источник тока под названием Гальванический элемент. Этот аппарата представляет собой объект в виде столба из цинковых и серебряных колец, разделённых бумажками, смоченными в солёной воде. Через пару лет русский изобретатель Василий Петров открывает «Вольтову дугу».

Примерно в том же десятилетии физик Жан Антуан Нолле изобрёл первый электроскоп, зарегистрировавший более быстрое «стекание» электричества с тел острой формы и сформировал теорию о влиянии тока на живые организмы. Этот эффект стал основой изобретения медицинского электрокардиографа. С 1809 году началась новая эпоха в области электричества, когда англичанин Деларю изобрёл лампу накаливания . Уже через 100 лет появились современные лампочки с вольфрамовой спиралью и заполнением инертным газом. Их разработчиком стал Ирвинг Ленгмюр.

Сложные исследования и великие открытия

В начале XVIII века Майкл Фарадей написал трактат об электромагнитном поле.

Электромагнитное взаимодействие было обнаружено при проведении опытов датским учёным Эрстедом в 1820 году, а уже через год физик Ампер связывает электричество и магнетизм в своей теории. Эти исследования стали основой для появления современной науки - электротехники.

В 1826 году Георг Симон Ом на основании проведённых опытов смог сформулировать основной закон электрической цепи и ввёл новые термины электротехники:

• «проводимость»;
• «электродвижущая сила»;
• «падение напряжения в цепи».

Последователем Эрстеда стал Андре-Мари Ампер, который сформулировал правило определения направления тока на магнитную стрелку. Эта закономерность получила множество названий, одно из которых «правило правой руки». Именно он изобрёл усилитель электромагнитного поля - многовитковые катушки, состоящие из медного провода с установленными сердечниками из мягкого железа. На основании этой разработки в 1829 году был изобретён электромагнитный телеграф.

Новый виток исследований

Когда известный английский учёный в области физики Майкл Фарадей ознакомился с работой Х. Эрстеда, он провёл исследования в области взаимосвязи электромагнитных и электрических явлений и обнаружил, что магнит вращается вокруг проводника тока и, наоборот, проводник - вокруг магнита.

После этих опытов учёный ещё 10 лет пытался трансформировать магнетизм в электрический ток, а в результате открыл электромагнитную индукцию и основы теории электромагнитного поля , а также помог сформировать основу для появления новой отрасли науки - радиотехники. В 20 годы прошлого столетия, когда на территории СССР была начата организация масштабная электрификация, появился термин «лампочка Ильича».

Так как многие разработки проводились параллельно в разных странах, историки спорят о том, кто изобрёл электричество первым. В развитие науки об электричестве вложили свои силы и знания многие учёные-изобретатели: Ампер и Ленц, Джоуль и Ом. Благодаря таким усилиям современный человек не испытывает проблем с организацией подачи электричества в свои дома и другие помещения.

Среди жителей планеты найти таких, которые не имеют понятия об электричестве, трудно. Но вот тех, кто знает, когда и кто открыл электричество, из чего оно состоит, кто сделал важное и полезное для человечества открытие, мало. Потому стоит разобраться, что представляют собой электрические явления и кому мы обязаны их открытием.

Вконтакте

Когда и как было открыто

История открытия этого явления была очень длительной. Само слово придумал греческий ученый Фалес. Оно стало производным от понятия «электрон», которое переводится как «янтарь». Появился этот термин до нашей эры, благодаря Фалесу, заметившему свойство янтаря после того, как его потереть, притягивать легкие предметы.

Произошло это за семь столетий до н.э. Фалес проводил много опытов, изучая увиденное. Это были первые опыты с зарядами в мире. На этом его наблюдения и закончились. Далее он не смог продвинуться, но именно этот ученый считается основоположником теории электроэнергии , ее первооткрывателем, хотя как наука это явление не получило развития. Его наблюдения были надолго забыты, не вызвав интереса у ученых.

Первые опыты

В середине XVII столетия Отто Герике занялся научным исследованием наблюдений Фалеса. Немецкий ученый сконструировал первый прибор в форме вращающегося шара, который он зафиксировал на железном штифте.

После его смерти исследования продолжили другие ученые:

• немецкие физики Бозе и Винклер;
• англичанин Хоксби.

Они усовершенствовали прибор, изобретенный Генрике, и открыли некоторые другие свойства явления. Первые опыты, проводимые с помощью этого аппарата, послужили толчком для новых изобретений.

История открытия

Дальнейшее развитие теория электричества получила несколько столетий спустя. Создал теорию У. Гильберт, который заинтересовался подобными явлениями.

В начале 18века было доказано, что получаемое при трении разных материалов электричество бывает разное. А в 1729 г. голландец Мушенбрук обнаружил, что если стеклянную банку залепить с обеих сторон листиками станиоля, там будут накапливаться электроэнергия.

Это явление получило название лейденской банки .

Важно! УченыйБ. Франклин первым предположил, что существуют положительные и отрицательные заряды.

Он смог пояснить процесс лейденской банки, доказав, что обкладку банки можно «заставить» электризоваться разными по знаку зарядами. Франклин занимался изучением атмосферных электрических явлений. Почти одновременно с ним подобные исследования вели русский физик Г. Рихман и ученый М.В. Ломоносов. Тогда же был изобретен громоотвод , действие которого пояснялось возникновением разности напряжений.

А. Вольт (1800 год) создал гальваническую батарею, составив ее из круглых серебряных пластин, между которыми он расположил размоченные соленой водой бумажные кусочки. Химическая реакция внутри батареи вырабатывала электрический заряд.

Начало 1831 г. ознаменовалось тем, что Фарадей создал электрический генератор, действие которого основано было на открытом этим ученым .

Немало электрических приборов создал известный ученый Никола Тесла в XX тысячелетии. Основные события в развитии электричества можно изложить в таком хронологическом порядке:

• 1791 г. - ученый Л. Гальвани открыл зарядов по проводникам, т.е. электрический ток;
• 1800 г. – представлен генератор тока А. Вольтом;
• 1802 г. - Петров открыл электродугу;
• 1827 г. - Дж. Генри сконструировал изоляцию проводов;
• 1832 г. - член академии Петербурга Шиллинг показал электрический телеграф;
• 1834 г. - академик Якоби создал электродвигатель;
• 1836 год - С. Морзе запатентовал телеграф;
• 1847 г. - Сименс предложил резиновый материал для изоляции проводов;
• 1850 год - Якоби изобрел буквопечатающий телеграф;
• 1866 г. - Сименс предложил динамо-машину;
• 1872 г. - А.Н. Лодыгин создал лампу накаливания, где использовал угольную нить;
• 1876 г - изобретен телефон;
• 1879 год - Эдисон разработал систему электроосвещения, используемую до сих пор;
• 1890 год - стал стартовым относительно широкого применения электроприборов в быту;
• 1892 г. - появились первые бытовые приборы, используемые хозяйками на кухне;

Перечень открытий можно продолжить. Но все они были уже основаны на предыдущих.

Первые опыты с электричеством

Впервые опыты с зарядами были проведены в 1729 г. англичанином С. Греем. Во время этих опытов ученый установил: не все предметы передают электрический заряд . С середины 1833 г. серьёзными исследованиями этой области науки занялся француз Ш. Дюфе. Повторив опыты Фалеса и Гильберта, он подтвердил существование двух видов заряда.

Важно! С конца 18 столетия началась новая эра достижений науки. Россиянин В. Петров открыл «Вольтову дугу». Жан А. Нолле сконструировал первый электроскоп, который послужил впоследствии прообразом электрокардиографа. А 1809 год ознаменовался важным открытием: английский ученый Деларю изобрел первую лампочку накаливания, давшую толчок в промышленном применении открытых законов физики.

Явления в природе, связанные с электричеством

Природа богата явлениями электрической природы. Примерами таких явлений, которые связаны с электричеством, служат северное сияние, молния и др.

Северное сияние

Верхние слои воздушной оболочки часто накапливают мелкие частички, прилетающие из космоса. Их столкновение с атмосферой и пылью вызывает свечение на небе, которое сопровождают сполохи. Такое явление наблюдают жители полярных районов. Назвали это явление полярным сиянием . Северное свечение длится порой несколько суток, переливаясь разными цветами.

Молния

Перемещаясь с атмосферными потоками, кучевые облака вызывают трение капель и ледяных кристаллов. В результате трения в облаках накапливаются заряды. Это приводит к образованию между облаками и землей гигантских искр. Это и есть молнии. Они сопровождаются раскатами грома.

Накопление электрических зарядов в воздухе иногда вызывает образование небольших светящихся шариков или крупных искр. Эти шары и искры названы шаровым молниями. Они перемещаются с воздухом, взрываясь от контакта с отдельными предметами. Такие молнии нередко вызывают ожоги и гибель живых существ и людей, возгорание предметов. Точно объяснить причины появления молний ученые пока не могут.

Огни святого Эльма

Так называют явление, знакомое плававшим на парусниках морякам с древности. Они радовались, когда видели свечение мачт в непогоду. Моряки считали, что огни свидетельствуют о покровительстве святого Эльма.

Свечение можно наблюдать в грозу на высоких шпилях. Огоньки выглядят как свечи и кисти голубого или светло-фиолетового оттенка. Длина этих огней иногда достигает метра. Сияние порой сопровождает шипение или негромкий свист.

Моряки пытались отломить часть мачты вместе с огнем. Но это никогда не удавалось, поскольку огонь «перетекал» на мачту и поднимался по ней вверх. Пламя это холодное, от него не происходит возгорания, оно не обжигает руки. И гореть может несколько минут, иногда около часа. Современные ученые установили, что эти огни имеют электрическую природу.

Когда появилось электричество в России

Даты, когда в России началась эра использования электроэнергии, называют разные. Все зависит от критерия, по которому ее устанавливают.

Многие соотносят это событие с 1879 годом. В Петербурге тогда были установлены электрические фонари на Литейном мосту . Но есть люди, которые считают датой появления в России электричества начало 1880 года – дату создания электрического отдела в Российском техническом обществе.

Знаковой датой также можно полагать май 1883 г., время, когда рабочие выполнили иллюминацию кремлевского двора к церемонии коронования Александра ІІІ. Для этого на Софийскую набережную установили электростанцию. А чуть позже электрифицировали главную улицу в Петербурге и Зимний.

Через три года в Российской империи создали «Общество электроосвещения», которое занялось разработкой плана установки фонарей на улицах Москвы и Санкт-Петербурга. А еще через пару лет начинается всюду по империи строительство и оснащение электростанций.

Из чего состоит электроэнергия

Все, что окружает нас, в том числе и люди, состоит из атомов. Атом же состоит из положительно заряженного ядра. Вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные частицы, которые называются электронами. Эти частицы нейтрализуют положительный заряд ядра. Потому атом имеет нейтральный заряд. Образуется электричество направленным перемещением электронов из одного атома на другой. Такое действие можно осуществить с помощью генератора, трения или химической реакции.

Внимание! Процесс основан на свойстве притяжения частиц, имеющих разные заряды, и отталкивания одинаковых зарядов. В результате возникает ток, который может передаваться через проводники (чаще всего металлы). Материалы, которые не способны передавать ток, называются изоляторами. Хорошие изоляторы – это дерево, пластмассовые и эбонитовые предметы.

Как образуется разное электричество

Электроэнергия бывает разной природы: . Кроме того, есть еще статическое электричество. Оно образуется при нарушении равновесия зарядов внутри атомов, как уже было сказано ранее.

В быту человеку постоянно приходится сталкиваться с ним, поскольку одежда синтетической природы есть в каждом доме. А она во время трения накапливает заряд. Некоторые предметы одежды при раздевании или одевании дают такой эффект.

Об этом сигнализируют искры и треск. Источники статического электричества находятся в каждой квартире. Это бытовые электроприборы и компьютеры, электризующие мельчайшую пыль, которая оседает на полу, поверхностях мебели и одежде. Она оказывает отрицательное действие на здоровье людей.

Важно! Для получения электроэнергии создают магнитное поле. Оно притягивает электроны, заставляя их двигаться по проводнику. Этот процесс перемещения частиц называется электрическим током. При стационарном магнитном поле ток течет по проводнику постоянный.

Наука электродинамика

Теория электричества содержит законы, охватывающие огромное количество электромагнитных явлений и законов взаимодействий.

Это связано с тем, что все тела состоят из заряженных частиц . Взаимодействие между ними намного сильнее гравитационных. И в настоящее время эта наука является наиболее полезной для человечества.

Основателем науки признан ученый Гильберт. До 1600 г. наука эта была на уровне знаний Фалеса. Гильберт попытался построить теорию электричества.

До него замеченные греческим ученым свойства притяжения считались только забавным фактом. Гильберт свои наблюдения проводил, используя электроскоп. Его исследования и научные основания стали основополагающим этапом в науке. А само название стало применяться с 1650 г.

Современная наука об электрических явлениях и законах называется электродинамикой . Сейчас трудно себе представить жизнь без электроэнергии. С помощью электрического тока созданы многие приборы, помогающие передавать информацию на огромные расстояния, даже в . Технический прогресс позволил поставить его на службу всему человечеству, все больше открывая тайны этого природного явления. Но все же в этой области науки еще содержится много неизведанного.

Откуда появилось электричество

Кто изобрел электричество

Электричество можно смело назвать одним из самых важных открытий, которые были когда-либо сделаны человеком. Оно помогало развиваться нашей цивилизации с самого начала своего появления....

Электричество можно смело назвать одним из самых важных открытий, которые были когда-либо сделаны человеком . Оно помогало развиваться нашей цивилизации с самого начала своего появления. Это самый экологический вид энергии на планете, и вероятно, что именно электричество сможет заменить все сырьевые ресурсы, если оных более не останется на Земле.

Термин пошел от греч. «электрон», и означает «янтарь». Ещё в VII веке до нашей эры древнегреческий философ Фалес заметил, что янтарь имеет свойство притягивать к себе волосы и легкие материалы, например, пробковую стружку. Таким образом, он стал первооткрывателем электричества . Но только лишь к средине XVII века наблюдения Фалеса были подробно изучены Отто фон Герике. Этот немецкий физик создал первый в мире электроприбор. Это был вращающийся шар из серы, зафиксированный на металлическом штифте и был похож на янтарь имеющий силу притяжения и отталкивания.

Фалес — первооткрыватель электричества

За пару столетий «электрическую машину» Герике заметно усовершенствовали такие немецкие ученые, как Бозе, Винклер, а также англичанин Хоксби. Эксперименты с электрической машиной дали толчок к новым открытиям в XVIII столетии : в 1707 году физик дю Фей родом из Франции, выявил разницу между электричеством, которое мы получаем от трения стеклянного круга, и которое мы получаем от трения круга из древесной смолы. В 1729 году английские ученые Грей и Уилер выявили, что некоторые тела могут пропускать через себя электричество, и они были первыми, кто сделал акцент на том, что тела можно разделять на два типа: проводники и непроводники электричества.

Очень значительное открытие было изложено в 1729 году голландским физиком Мушенбруком, который родился в Лейдене. Этот профессор философии и математики был первым, кто выявил, что стеклянная банка, залепленная с двух сторон листками станиоля, может скапливать электричество. Так как опыты проводились в городе Лейдене, прибор так и назвали – лейденская банка .

Ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин привел одну теорию в которой он говорил, что существует как положительное, так и отрицательное электричество. Ученый смог объяснить сам процесс заряда и разряда стеклянной банки и привел доказательства того, что обкладки лейденской банки можно непринужденно электризовать разными зарядами электричества.

Бенджамин Франклин, более чем достаточно уделил внимания познанию атмосферного электричества, как и русские ученые Г. Рихман, а также М.В. Ломоносов. Ученый изобрел громоотвод , с помощью которого обосновал, что сама молния возникает от разности электрических потенциалов.

В 1785 году был выведен закон Кулона, который описывал между точечными зарядами электрическое взаимодействие. Закон был открыт Ш. Кулоном ученым из Франции, который создал его на основе многократных экспериментов со стальными шариками.

Одним из великих открытий, которое обнаружил итальянский ученый Луиджи Гальвани в 1791 году, было то, что электричество могло появляться при соприкосновении двух неоднородных металлов с телом препарированной лягушки.

В 1800 году итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел химическую батарею. Это открытие было важным в изучении электричества . Этот гальванический элемент состоял из серебряных пластинок круглой формы, между пластинками были смоченные предварительно в соленой воде куски бумаги. Благодаря химическим реакциям химическая батарея регулярно получала электрический ток.

В 1831 году известный ученый Майкл Фарадей обнаружил электромагнитную индукцию и на этом базисе изобрел первый в мире электрогенератор. Открыл такие понятия, как магнитное и электрическое поле и изобрел элементарный электродвигатель .

Человек, который вложил огромный вклад в изучение магнетизма и электричества, и применял свои исследования на практике, был изобретатель Никола Тесла. Бытовые и электроприборы, которые создал ученый – незаменимы. Этого человека можно назвать одним из великих изобретателей XX ст.

Кто первым открыл электричество?

Отыскать людей, которые не знали бы, что такое электроэнергия, сложно. А вот кто открыл электричество? Об этом имеет представление далеко не каждый. Нужно разобраться, что же это за явление, кто первым его открыл и в каком году все произошло.

Пара слов об электричестве и его открытии

История открытия электричества довольно обширна. Впервые это произошло в далеком 700 году до н.э. Пытливый философ из Греции по имени Фалес обратил внимание, что янтарь способен притягивать маленькие предметы, когда происходит трение с шерстью. Правда, после этого все наблюдения на долгое время закончились. Но именно он считается первооткрывателем статического электричества.

Дальнейшее развитие произошло значительно позднее — через несколько веков. Врач Уильям Гильберт, которому были интересны основы физики, стал основоположником науки об электричестве. Он изобрел нечто похожее на электроскоп, назвав его версор. Благодаря ему Гильберт понял, что множество минералов притягивают маленькие предметы. Среди них алмазы, стекло, опалы, аметисты и сапфиры.

При помощи версора Гильберт сделал пару любопытных наблюдений:

• пламя влияет на электрические свойства тел, возникающие при трении;
• молния с громом — это явления электрической природы.

Слово «электричество» появилось в 16 столетии. В 60-х годах XVII века бургомистр Отто фон Герике создал специальную машину для опытов. Благодаря ей он наблюдал за эффектами притяжения и отталкивания.

После этого исследования продолжились. Использовали даже электростатические машины. В начале 30-х годов XVIII века Стивен Грей преобразовал конструкцию Герике. Он поменял серный шарик на стеклянный. Стивен продолжил эксперименты и обнаружил такое явление, как электропроводность. Несколько позднее Шарль Дюфе обнаружил два вида зарядов — от смол и стекла.

В 40-м году XVIII века Клейст и Мушенбрук придумали «лейденскую банку», ставшую первым конденсатором на Земле. Бенджамин Франклин говорил, что заряд накапливает стекло. Благодаря ему появились обозначения «плюс» и «минус» для электрических зарядов, а также «проводник», «заряд» и «конденсатор».

Бенджамин Франклин вел насыщенную событиями жизнь. Удивительно то, что у него вообще хватало времени на изучение электричества. Однако именно Бенджамин Франклин изобрел первый громоотвод.

В конце XVIII столетия Гальвани выпустил «Трактат о силе электричества при движении мышц». В начале XIX века изобретатель из Италии Вольта придумал новейший источник тока, назвав его Гальванический элемент. Эта конструкция выглядит как столб из серебряных и цинковых колец. Они разделены бумагами, которые смочили в соленой воде. Так и произошло открытие гальванического электричества. Через 2 года изобретатель из России Василий Петров открыл Вольтову дугу.

Примерно в тот же временной период Жан Антуан Нолле сконструировал электроскоп. Он зарегистрировал быстрое «стекание» электричества с тел острой формы. На основе этого появилась теория о том, что ток влияет на живые существа. Благодаря обнаруженному эффекту появился медицинский электрокардиограф.

С 1809 году в сфере электричества случилась революция. Изобретатель из Англии Деларю придумал лампочку накаливания. Спустя век были созданы приборы с вольфрамовой спиралью, которые заполняли инертным газом. Ирвинг Ленгмюр стал их основоположником.

Прочие открытия

В XVIII столетии знаменитый в дальнейшем Майкл Фарадей придумал учение об электромагнитных полях.

Электромагнитное взаимодействие обнаружил во время своих экспериментов ученый из Дании по имени Эрстед в 1820 году. В 1821 году физик Ампер в собственном трактате связал электричество и магнетизм. Благодаря этим исследованиям зародилась электротехника.

В 1826 году Георг Симон Ом провел опыты и обозначил главный закон электрической цепи. После этого возникли специализированные термины:

• электродвижущая сила;
• проводимость;
• падение напряжения в сети.

Андре-Мари Ампер позднее придумал правило, как определять направление тока на магнитную стрелку. У него было множество названий, но больше всего прижилось «правило правой руки». Именно Ампер сконструировал усилитель электромагнитного поля — катушки с множеством витков. Они сделаны из медных проводов, в которых с установлены железные сердечники. В 30-х годах XIX века был изобретен электромагнитный телеграф на основании вышеописанного правила.

В 20-х годах XX века в Советском Союзе правительство начало глобальную электрификацию. В этот период возник термин «лампочка Ильича».

Волшебное электричество

Дети должны знать, что такое электричество. Но обучать нужно в игровой форме, чтобы полученные знания не наскучили в первые же минуты. Для этого можно посетить открытое занятие «Волшебное электричество». В него входят следующие образовательные задачи:

• обобщение у детей информации про электричество;
• расширить знания о том, где обитает электричество и чем оно может помочь людям;
• познакомить ребенка с причинами возникновения статического электричества;
• объяснить правила безопасности в обращении с бытовыми электроприборами.

Также ставятся и иные задачи:

• у ребенка формируется желание открывать что-то новое;
• дети учатся взаимодействовать с окружающим миром и его объектами;
• развивается мышление, наблюдение, способности к анализу и умение делать правильные выводы;
• осуществляется активная подготовка к школе.

Занятие необходимо и в воспитательных целях. Во время его проведения:

• подкрепляется интерес к изучению окружающего мира;
• появляется удовлетворение от открытий, которые получились в результате проведенных экспериментов;
• воспитывается умение работать в коллективе.

В качестве материала предоставляются:

• игрушки с батарейками;
• пластмассовые палочки по числу присутствующих;
• шерстяная и шелковая ткани;
• обучающая игрушка «Собери предмет»;
• карточки «Правила по использованию бытовых электроприборов»;
• цветные шарики.

Для ребенка это будет отличным занятием на лето.

Заключение

Мы не можем точно утверждать, кто на самом деле первым открыл электричество. Есть все основания полагать, что о нем знали еще до Фалеса. Но большинство ученых (Уильям Гилберт, Отто фон Герике, Вольт Ом, Ампер) в полной мере внесли собственный вклад в развитие электричества.

Альтернативная версия истории открытия электричества

Науке не известно, когда произошло открытие электричества. Еще древние люди наблюдали молнии. Позже они заметили, что некоторые тела, если их потереть друг о друга, могут притягиваться или отталкиваться. Свойство притягивать или отталкивать небольшие предметы хорошо проявлялось у янтаря.
В 1600 г. появился первый термин, связанный с электричеством, — электрон. Ввел его Уильям Гилберт, заимствовавший это слово из греческого языка, где оно обозначало янтарь. Позже такие свойства были обнаружены у алмаза, опала, аметиста, сапфира. Эти материалы он назвал электриками, а само явление — электричеством.
Отто фон Герике продолжил исследования Гилберта. Он изобрел электростатическую машину — первый прибор для изучения электрических явлений. Она представляла собой вращающийся металлический стержень с шаром, сделанным из серы. При вращении шар терся о шерсть и приобретал значительный заряд статического электричества.

В 1729 г. англичанин Стивен Грей усовершенствовал машину Герике, заменив в ней серный шар на стеклянный.

В 1745 г. Юрген Клейст и Питер Мушенбрук изобрели лейденскую банку, представляющую собой стеклянную емкость с водой, способную накопить значительный заряд. Она стала прототипом современных конденсаторов. Ученые ошибочно полагали, что накопителем заряда является вода, а не стекло. Позже вместо воды стали использовать ртуть.
Бенджамин Франклин расширил набор терминов для описания электрических явлений. Он ввел понятия: заряд, два рода зарядов, плюс и минус для их обозначения. Ему принадлежат термины конденсатор, проводник.
Множество проведенных в 17 веке экспериментов носило описательный характер. Практического применения они не получили, но послужили фундаментом для развития теоретических и практических основ электричества.

Первые научные эксперименты с электричеством

Научные исследования электричества начались в 18 веке.

В 1791 г. итальянский врач Луиджи Гальвани обнаружил, что ток, протекающий по мышцам препарированных лягушек, вызывает их сокращение. Свое открытие он назвал животным электричеством. Но Луиджи Гальвани не смог полностью объяснить полученные результаты.

Открытие животного электричества заинтересовало итальянца Александро Вольта. Известный ученый повторил опыты Гальвани. Он повторно доказал, что живые клетки вырабатывают электрический потенциал, но причина его появления химическая, а не животная. Так произошло открытие гальванического электричества.
Продолжая свои опыты, Александро Вольта сконструировал устройство, вырабатывающее напряжение без электростатической машины. Это была стопка чередующихся медных и цинковых пластин, разделенных смоченными в растворе соли кусочками бумаги. Устройство получило название вольтового столба. Оно стало прототипом современных гальванических элементов, служащих для выработки электроэнергии.
Важно отметить, что Наполеон Бонапарт очень заинтересовался изобретением Вольта, и в 1801 г. пожаловал ему титул графа. А позже знаменитые физики решили в его честь назвать единицу измерения напряжения 1 В (вольт).

Луиджи Гальвани и Александро Вольта — великие экспериментаторы в области электричества. Но в 18 в. объяснить суть явлений они не могли. Построение теории электричества и магнетизма началось в 19 в.

Научные исследования электричества в 19 веке

Русский изобретатель Василий Петров, продолжая эксперименты Вольта, в 1802 г. открыл вольтову дугу. В его опытах использовались угольные электроды, которые вначале сдвигались, за счет протекания тока раскалялись, а затем раздвигались. Между ними возникала устойчивая дуга, способная гореть при напряжении всего в 40-50 вольт. При этом выделялось значительное количество тепла. Опыты Петрова впервые показали возможности практического применения электричества, способствовали изобретению лампы накаливания и электросварки. Для своих опытов В. Петров сконструировал батарею длиною 12 м. Она была способна создать напряжение 1700 вольт.

Недостатками вольтовой дуги были быстрое сгорание углей, выделение углекислого газа и копоти. За усовершенствование источника света взялись несколько величайших изобретателей того времени, каждый из которых внес свой вклад в развитие электрического освещения. Все они считали, что источник тепла и света должен находиться в стеклянной колбе, из которой выкачан воздух.
Идею использования металлической нити накаливания еще в 1809 г. предложил английский физик Деларю. Но в течение многих лет продолжались эксперименты с угольными стержнями и нитями.
В американских учебниках по электричеству утверждается, что отцом лампы накаливания является их соотечественник Томас Эдисон. Он внес огромный вклад в историю открытия электричества. Но опыты Эдисона по усовершенствованию ламп накаливания закончились в конце 1870-х гг., когда он отказался от металлической нити накала и вернулся к угольным стержням. Его лампы могли бесперебойно гореть около 40 часов.

Спустя 20 лет русский изобретатель Александр Николаевич Лодыгин изобрел лампу, в которой использовалась проволочная нить накала из тугоплавкого металла, скрученная в спираль. Из колбы был выкачан воздух, из-за которого происходило окисление нити и ее перегорание.
Крупнейшая компания мира по производству электротехнической продукции General Electric выкупила у Лодыгина патент на производство ламп с вольфрамовой нитью. Это позволяет считать, что отцом лампы накаливания является наш соотечественник.
Над усовершенствованием лампы накаливания работали химики и физики, и их открытия, изобретения и усовершенствования позволили создать лампу накаливания, которой люди пользуются сегодня.

В 19 в. электричество стало применяться не только для освещения.
В 1807 г. английскому химику Хэмфри Дэви электролитическим способом удалось выделить из раствора щелочные металлы натрий и калий. Других способов получения этих металлов в то время не было.
Его соотечественник Уильям Стэрджен в 1825 г. изобрел электромагнит. Продолжая исследования, он создал первую модель электродвигателя, работу которого продемонстрировал в 1832 г.

Становление теоретических основ электричества

Кроме изобретений, получивших практическое применение, в 19 в. началось построение теоретических основ электричества, открытие и формулировка основных законов.

В 1826 г. немецкий физик, математик, философ Георг Ом экспериментально установил и теоретически обосновал свой знаменитый закон, описывающий зависимость тока в проводнике от его сопротивления и напряжения. Ом расширил набор терминов, используемых в электричестве. Он ввел понятия электродвижущей силы, проводимости, падения напряжения.
Благодаря нашумевшим в научном мире публикациям Г. Ома, теория электричества стала бурно развиваться, но сам автор подвергся гонениям со стороны начальства и был уволен с должности школьного учителя математики.

Огромный вклад в развитие теории электричества внес французский философ, биолог, математик, химик Андре-Мари Ампер. По причине бедности родителей он вынужден был заниматься самообразованием. В возрасте 13 лет он уже овладел интегральным и дифференциальным исчислением. Это позволило ему получить математические уравнения, описывающие взаимодействия круговых токов. Благодаря трудам Ампера в электричестве появились 2 смежные области: электродинамика и электростатика. По неизвестным причинам Ампер в зрелом возрасте перестал заниматься электричеством и увлекся биологией.

Над развитием теории электричества трудились многие физики разных национальностей. Изучив их труды, выдающийся английский физик Джеймс-Клерк Максвелл построил единую теорию электрических и магнитных взаимодействий. Электродинамика Максвелла предусматривает наличие особой формы материи — электромагнитного поля. Свой труд, посвященной этой проблеме, он опубликовал в 1862 г. Теория Максвелла позволила описать уже известные электромагнитные явления и предсказать неизвестные.

История развития электрических средств связи

Как только у древних людей возникла потребность в общении, появилась необходимость в организации обмена сообщениями. История развития средств связи до открытия электричества многогранна и у каждого народа своя.

Когда люди оценили возможности электричества, встал вопрос о передаче информации с его помощью.
Первые попытки передачи электрических сигналов были предприняты сразу после опытов Гальвани. Источником энергии служил вольтов столб, приемником — лягушечьи лапки. Так появился первый телеграф, который долгое время усовершенствовался и модернизировался.

Для передачи информации ее сначала нужно было кодировать, а после приема раскодировать. Для кодирования информации американский художник Самюэл Морзе в 1838 г. придумал специальную азбуку, состоящую из комбинаций точек и тире, разделенных промежутками. Известна точная дата первой телеграфной передачи — 27 мая 1844 г. Связь была установлена между Балтимором и Вашингтоном, расположенных на расстоянии 64 км.

Средства связи такого рода умели передавать сообщения на большие расстояния, сохранять их на бумажной ленте, но имели и ряд недостатков. На кодирование и декодирование сообщений тратилось много времени, приемник и передатчик должны были обязательно соединяться проводами.

В 1895 г. русскому изобретателю Александру Попову удалось продемонстрировать работу первого беспроводного передатчика и приемника. В качестве приемного элемента использовалась антенна (или вибратор Герца), а в качестве регистрирующего элемента — когерер. Для питания прибора использовалась батарея постоянного тока с напряжением в несколько вольт.
В изобретении когерера велика заслуга французского физика Эдварта Бранли, открывшего возможность изменять сопротивление металлического порошка за счет воздействия на него электромагнитных волн.
Средства связи, построенные на основе передатчика и приемника Попова, служат и в настоящее время.

Сенсационное сообщение о своих открытиях в области передачи электромагнитных волн в 1891 г. сделал сербский ученый Никола Тесла. Но человечество не было готово принять его идеи и понять, как на практике применить изобретения Тесла. Через много десятилетий они легли в основу сегодняшних средств электронных коммуникаций: радио, телевидения, сотовой и космической связи.