Электричество — это совокупность физических явлений, связанных с наличием и движением материи , обладающей электрическим зарядом . Электричество связано с магнетизмом , оба являются частью явления электромагнетизма , описываемого уравнениями Максвелла . С электричеством связаны такие общие явления, как молния , статическое электричество , электрическое отопление , электрические разряды и многие другие.
Наличие положительного или отрицательного электрического заряда создает электрическое поле . Движение электрических зарядов представляет собой электрический ток и создает магнитное поле . В большинстве приложений закон Кулона определяет силу, действующую на электрический заряд. Электрический потенциал — это работа , совершаемая для перемещения электрического заряда из одной точки в другую в пределах электрического поля, обычно измеряемая в вольтах .
Электричество играет центральную роль во многих современных технологиях: в электроэнергетике , где электрический ток используется для питания оборудования, и в электронике, где используются электрические цепи, включающие активные компоненты, такие как электронные лампы , транзисторы , диоды и интегральные схемы , а также связанные с ними технологии пассивных соединений.
Изучение электрических явлений восходит к античности, а теоретическое понимание медленно развивалось до 17-го и 18-го веков. Развитие теории электромагнетизма в 19 веке ознаменовало значительный прогресс, что привело к промышленному и бытовому применению электричества инженерами-электриками к концу века. Это быстрое расширение электротехнологий в то время было движущей силой Второй промышленной революции , а универсальность электричества привела к преобразованиям как в промышленности, так и в обществе. Электричество является неотъемлемой частью приложений, охватывающих транспорт , отопление , освещение , связь и вычисления , что делает его основой современного индустриального общества. [1]
Задолго до того, как появились какие-либо знания об электричестве, люди знали об ударах электрических рыб . Древнеегипетские тексты, датируемые 2750 годом до нашей эры, описывали их как «защитников» всех других рыб. Электрические рыбы были снова описаны тысячелетия спустя древнегреческими , римскими и арабскими натуралистами и врачами . [2] Несколько древних писателей, таких как Плиний Старший и Скрибоний Ларгус , засвидетельствовали ошеломляющий эффект ударов электрическим током, наносимых электрическим сомом и электрическими скатами , и знали, что такие удары могут распространяться по проводящим объектам. [3] Пациентам с такими недугами, как подагра или головная боль, было предписано прикоснуться к электрическим рыбам в надежде, что мощный толчок может их вылечить. [4]
Древние культуры Средиземноморья знали , что некоторые предметы, такие как янтарные стержни , можно натереть кошачьей шерстью, чтобы притянуть легкие предметы, такие как перья. Фалес Милетский провел ряд наблюдений за статическим электричеством около 600 г. до н. э., из которых он сделал вывод, что трение делает янтарь магнитным , в отличие от минералов, таких как магнетит , которые не нуждаются в трении. [5] [6] [7] [8] Фалес ошибался, полагая, что притяжение было вызвано магнитным эффектом, но позже наука доказала связь между магнетизмом и электричеством. Согласно спорной теории, парфяне могли знать гальванопокрытие , основываясь на открытии в 1936 году Багдадской батареи , которая напоминает гальванический элемент , хотя неизвестно, был ли артефакт электрическим по своей природе. [9]
Электричество оставалось не более чем интеллектуальным любопытством на протяжении тысячелетий до 1600 года, когда английский ученый Уильям Гилберт написал труд De Magnete , в котором он провел тщательное исследование электричества и магнетизма, отделив эффект магнита от статического электричества, получаемого при трении янтаря. [5] Он придумал неолатинское слово electricus («янтарного» или «подобного янтарю», от ἤλεκτρον, elektron , греческого слова «янтарь»), чтобы обозначить свойство притягивать небольшие предметы после трения. [10] Эта ассоциация привела к появлению английских слов «electric» и «electricity», которые впервые появились в печати в «Pseudodoxia Epidemica » Томаса Брауна в 1646 году. [11] Исаак Ньютон провел ранние исследования электричества, [12] с идеей, изложенной им в его книге Opticks, которая, возможно, стала началом полевой теории электрической силы. [13]
Дальнейшие работы проводились в 17-м и начале 18-го веков Отто фон Герике , Робертом Бойлем , Стивеном Греем и К. Ф. Дюфеем . [14] Позже в 18-м веке Бенджамин Франклин провел обширные исследования в области электричества, продавая свое имущество, чтобы финансировать свою работу. В июне 1752 года он, как известно, прикрепил металлический ключ к нижней части смоченной веревки воздушного змея и запустил воздушного змея в грозовое небо . [15] Последовательность искр, перескакивающих с ключа на тыльную сторону его руки, показала, что молния действительно имеет электрическую природу. [16] Он также объяснил, по-видимому, парадоксальное поведение [17] лейденской банки как устройства для хранения большого количества электрического заряда в терминах электричества, состоящего как из положительных, так и отрицательных зарядов. [14]
В 1775 году Хью Уильямсон сообщил Королевскому обществу о серии экспериментов по ударам, наносимым электрическим угрем ; [18] в том же году хирург и анатом Джон Хантер описал структуру электрических органов рыбы . [19] [20] В 1791 году Луиджи Гальвани опубликовал свое открытие биоэлектромагнетизма , продемонстрировав, что электричество является средой, с помощью которой нейроны передают сигналы мышцам. [21] [22] [14] Батарея Алессандро Вольты , или вольтов столб , 1800 года, сделанная из чередующихся слоев цинка и меди, предоставила ученым более надежный источник электроэнергии, чем электростатические машины, которые использовались ранее. [21] [22] Признание электромагнетизма , единства электрических и магнитных явлений, принадлежит Гансу Христиану Эрстеду и Андре-Мари Амперу в 1819–1820 годах. Майкл Фарадей изобрел электродвигатель в 1821 году, а Георг Ом математически проанализировал электрическую цепь в 1827 году. [22] Электричество и магнетизм (и свет) были окончательно связаны Джеймсом Клерком Максвеллом , в частности, в его работе « О физических силовых линиях » в 1861 и 1862 годах. [23] : 148
В то время как в начале 19-го века наблюдался быстрый прогресс в электротехнике, в конце 19-го века наблюдался наибольший прогресс в электротехнике . Благодаря таким людям, как Александр Грэхем Белл , Отто Блати , Томас Эдисон , Галилео Феррарис , Оливер Хевисайд , Аньош Йедлик , Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , Чарльз Алджернон Парсонс , Вернер фон Сименс , Джозеф Суон , Реджинальд Фессенден , Никола Тесла и Джордж Вестингауз , электричество превратилось из научного любопытства в необходимый инструмент для современной жизни. [24]
В 1887 году Генрих Герц [25] : 843–44 [26] обнаружил, что электроды, освещенные ультрафиолетовым светом, легче создают электрические искры . В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой объяснил экспериментальные данные фотоэлектрического эффекта как результат переноса световой энергии в дискретных квантованных пакетах, возбуждающих электроны. Это открытие привело к квантовой революции. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году за «открытие закона фотоэлектрического эффекта». [27] Фотоэлектрический эффект также используется в фотоэлементах, таких как солнечные батареи .
Первым твердотельным устройством был « детектор кошачьих усов », впервые использованный в 1900-х годах в радиоприемниках. Провод, похожий на ус, слегка соприкасается с твердым кристаллом (например, кристаллом германия ) для обнаружения радиосигнала с помощью эффекта контактного соединения. [28] В твердотельном компоненте ток ограничивается твердыми элементами и соединениями, специально разработанными для его переключения и усиления. Поток тока можно понимать в двух формах: как отрицательно заряженные электроны и как положительно заряженные электронные дефициты, называемые дырками . Эти заряды и дырки понимаются с точки зрения квантовой физики. Строительным материалом чаще всего является кристаллический полупроводник . [29] [30]
Твердотельная электроника вступила в свои права с появлением транзисторной технологии. Первый рабочий транзистор, точечный транзистор на основе германия , был изобретен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном в Bell Labs в 1947 году, [31] за которым последовал биполярный транзистор в 1948 году. [32]
По современным правилам, заряд, переносимый электронами, определяется как отрицательный, а заряд, переносимый протонами, — как положительный. [33] До того, как эти частицы были открыты, Бенджамин Франклин определил положительный заряд как заряд, приобретаемый стеклянной палочкой при трении ее о шелковую ткань. [34] Протон по определению несет заряд ровно1,602 176 634 × 10 −19 кулонов . Это значение также определяется как элементарный заряд . Ни один объект не может иметь заряд, меньший элементарного заряда, и любое количество заряда, которое может нести объект, кратно элементарному заряду. Электрон имеет равный отрицательный заряд, т.е.−1,602 176 634 × 10 −19 кулонов . Зарядом обладает не только материя , но и антиматерия , каждая античастица несет равный и противоположный заряд соответствующей ей частице. [35]
Наличие заряда приводит к возникновению электростатической силы: заряды оказывают друг на друга силу , эффект, который был известен, хотя и не понят, в древности. [25] : 457 Легкий шар, подвешенный на тонкой нити, можно зарядить, коснувшись его стеклянным стержнем, который сам был заряжен путем трения тканью. Если подобный шар зарядить тем же стеклянным стержнем, то он отталкивает первый: заряд действует так, что заставляет два шара разъединяться. Два шара, заряженные натертым янтарным стержнем, также отталкиваются друг от друга. Однако если один шар заряжен стеклянным стержнем, а другой янтарным стержнем, то два шара, как обнаружено, притягиваются друг к другу. Эти явления были исследованы в конце восемнадцатого века Шарлем -Огюстеном де Кулоном , который пришел к выводу, что заряд проявляется в двух противоположных формах. Это открытие привело к известной аксиоме: одноименно заряженные объекты отталкиваются, а противоположно заряженные объекты притягиваются . [25]
Сила действует на сами заряженные частицы, поэтому заряд имеет тенденцию распространяться как можно более равномерно по проводящей поверхности. Величина электромагнитной силы, будь то притяжение или отталкивание, определяется законом Кулона , который связывает силу с произведением зарядов и имеет обратную квадратичную зависимость от расстояния между ними. [36] [37] : 35 Электромагнитная сила очень сильна, уступая по силе только сильному взаимодействию , [38] но в отличие от этой силы она действует на всех расстояниях. [39] По сравнению с гораздо более слабой гравитационной силой , электромагнитная сила, отталкивающая два электрона друг от друга, в 10 42 раз больше гравитационного притяжения, притягивающего их друг к другу. [40]
Заряд возникает из определенных типов субатомных частиц , наиболее известными носителями которых являются электрон и протон . Электрический заряд порождает и взаимодействует с электромагнитной силой , одной из четырех фундаментальных сил природы. Эксперимент показал, что заряд является сохраняющейся величиной , то есть чистый заряд в электрически изолированной системе всегда будет оставаться постоянным независимо от любых изменений, происходящих в этой системе. [41] Внутри системы заряд может передаваться между телами либо путем прямого контакта, либо путем прохождения по проводящему материалу, такому как провод. [37] : 2–5 Неофициальный термин статическое электричество относится к чистому присутствию (или «дисбалансу») заряда на теле, обычно возникающему, когда разнородные материалы трутся друг о друга, перенося заряд от одного к другому.
Заряд можно измерить несколькими способами, одним из первых приборов был электроскоп с золотым листом , который, хотя и до сих пор используется для демонстраций в классах, был заменен электронным электрометром . [37] : 2–5
Движение электрического заряда известно как электрический ток , интенсивность которого обычно измеряется в амперах . Ток может состоять из любых движущихся заряженных частиц; чаще всего это электроны, но любой движущийся заряд представляет собой ток. Электрический ток может течь через некоторые вещи, электрические проводники , но не будет течь через электрический изолятор . [42]
По исторической традиции положительный ток определяется как имеющий то же направление потока, что и любой положительный заряд, который он содержит, или текущий от самой положительной части цепи к самой отрицательной части. Ток, определенный таким образом, называется обычным током . Движение отрицательно заряженных электронов по электрической цепи , одна из наиболее известных форм тока, таким образом, считается положительным в противоположном направлении по отношению к электронам. [43] Однако, в зависимости от условий, электрический ток может состоять из потока заряженных частиц в любом направлении или даже в обоих направлениях одновременно. Соглашение «положительный к отрицательному» широко используется для упрощения этой ситуации.
Процесс, посредством которого электрический ток проходит через материал, называется электропроводностью , и его природа меняется в зависимости от заряженных частиц и материала, через который они проходят. Примерами электрических токов являются металлическая проводимость, когда электроны текут через проводник, такой как металл, и электролиз , когда ионы (заряженные атомы ) текут через жидкости или через плазму , такую как электрические искры. В то время как сами частицы могут двигаться довольно медленно, иногда со средней скоростью дрейфа всего в доли миллиметра в секунду, [37] : 17 электрическое поле , которое их движет, само распространяется со скоростью, близкой к скорости света , что позволяет электрическим сигналам быстро проходить по проводам. [44]
Ток вызывает несколько наблюдаемых эффектов, которые исторически были средствами распознавания его присутствия. То, что вода может разлагаться током от вольтова столба, было обнаружено Николсоном и Карлайлом в 1800 году, процесс, теперь известный как электролиз . Их работа была значительно расширена Майклом Фарадеем в 1833 году. Ток через сопротивление вызывает локализованный нагрев, эффект, который Джеймс Прескотт Джоуль изучал математически в 1840 году. [37] : 23–24 Одно из важнейших открытий, связанных с током, было сделано случайно Гансом Христианом Эрстедом в 1820 году, когда, готовя лекцию, он стал свидетелем того, как ток в проводе возмущает стрелку магнитного компаса. [23] : 370 [a] Он открыл электромагнетизм , фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитных излучений, создаваемых электрической дугой, достаточно высок, чтобы создавать электромагнитные помехи , которые могут быть пагубными для работы соседнего оборудования. [45]
В инженерии или бытовых приложениях ток часто описывается как постоянный ток (DC) или переменный ток (AC). Эти термины относятся к тому, как ток изменяется во времени. Постоянный ток, который, например, вырабатывается батареей и требуется большинству электронных устройств, представляет собой однонаправленный поток от положительной части цепи к отрицательной. [46] : 11 Если, как это чаще всего бывает, этот поток переносится электронами, они будут перемещаться в противоположном направлении. Переменный ток - это любой ток, который многократно меняет направление; почти всегда это принимает форму синусоиды . [ 46] : 206–07 Таким образом, переменный ток пульсирует вперед и назад внутри проводника без перемещения заряда на какое-либо чистое расстояние с течением времени. Усредненное по времени значение переменного тока равно нулю, но он поставляет энергию сначала в одном направлении, а затем в обратном. На переменный ток влияют электрические свойства, которые не наблюдаются при постоянном токе в стационарном состоянии , такие как индуктивность и емкость . [46] : 223–25 Однако эти свойства могут стать важными, когда схема подвергается переходным процессам , например, при первом включении питания.
Концепция электрического поля была введена Майклом Фарадеем . Электрическое поле создается заряженным телом в пространстве, которое его окружает, и приводит к силе, действующей на любые другие заряды, помещенные в поле. Электрическое поле действует между двумя зарядами аналогично тому, как гравитационное поле действует между двумя массами , и подобно ему, простирается до бесконечности и показывает обратную квадратичную зависимость от расстояния. [39] Однако есть важное отличие. Гравитация всегда действует как притяжение, притягивая две массы вместе, в то время как электрическое поле может приводить как к притяжению, так и к отталкиванию. Поскольку большие тела, такие как планеты, обычно не несут чистого заряда, электрическое поле на расстоянии обычно равно нулю. Таким образом, гравитация является доминирующей силой на расстоянии во Вселенной, несмотря на то, что она намного слабее. [40]
Электрическое поле обычно изменяется в пространстве, [b] и его напряженность в любой точке определяется как сила (на единицу заряда), которая будет ощущаться неподвижным, пренебрежимо малым зарядом, если поместить его в эту точку. [25] : 469–70 Концептуальный заряд, называемый « тестовым зарядом », должен быть исчезающе малым, чтобы его собственное электрическое поле не нарушало основное поле, а также должен быть стационарным, чтобы предотвратить влияние магнитных полей . Поскольку электрическое поле определяется в терминах силы , а сила является вектором , имеющим как величину , так и направление , отсюда следует, что электрическое поле является векторным полем . [25] : 469–70
Изучение электрических полей, создаваемых неподвижными зарядами, называется электростатикой . Поле можно визуализировать с помощью набора воображаемых линий, направление которых в любой точке совпадает с направлением поля. Эта концепция была введена Фарадеем [47], чей термин « силовые линии » все еще иногда используется. Линии поля — это пути, которые точечный положительный заряд будет стремиться создать, когда он вынужден двигаться внутри поля; однако они являются воображаемым понятием без физического существования, и поле пронизывает все промежуточное пространство между линиями. [47] Линии поля, исходящие от неподвижных зарядов, обладают несколькими ключевыми свойствами: во-первых, они берут начало в положительных зарядах и заканчиваются в отрицательных зарядах; во-вторых, они должны входить в любой хороший проводник под прямым углом, и, в-третьих, они никогда не могут пересекаться или замыкаться на себе. [25] : 479
Полое проводящее тело переносит весь свой заряд на своей внешней поверхности. Поле, таким образом, равно 0 во всех местах внутри тела. [37] : 88 Это принцип работы клетки Фарадея , проводящей металлической оболочки, которая изолирует ее внутреннюю часть от внешних электрических воздействий.
Принципы электростатики важны при проектировании элементов высоковольтного оборудования. Существует конечный предел напряженности электрического поля, который может выдержать любая среда. За пределами этой точки происходит электрический пробой , и электрическая дуга вызывает перекрытие между заряженными частями. Воздух, например, имеет тенденцию образовывать дугу через небольшие зазоры при напряженности электрического поля, превышающей 30 кВ на сантиметр. В больших зазорах его прочность на пробой слабее, возможно, 1 кВ на сантиметр. [48] : 2 Наиболее заметным естественным явлением этого является молния , вызванная тем, что заряд разделяется в облаках поднимающимися столбами воздуха и повышает электрическое поле в воздухе до уровня, превышающего его способность выдерживать. Напряжение большого грозового облака может достигать 100 МВ и иметь энергию разряда до 250 кВт·ч. [48] : 201–02
На напряженность поля сильно влияют близлежащие проводящие объекты, и она особенно интенсивна, когда она вынуждена изгибаться вокруг остроконечных объектов. Этот принцип используется в громоотводе , острый шип которого действует так, чтобы способствовать удару молнии в него, а не в здание, которое он призван защищать. [49] : 155
Понятие электрического потенциала тесно связано с понятием электрического поля. Небольшой заряд, помещенный в электрическое поле, испытывает воздействие силы, и для того, чтобы переместить этот заряд в эту точку против силы, требуется работа . Электрический потенциал в любой точке определяется как энергия, необходимая для медленного перемещения единичного тестового заряда с бесконечного расстояния в эту точку. Обычно он измеряется в вольтах , и один вольт — это потенциал, для которого необходимо затратить один джоуль работы, чтобы переместить заряд в один кулон из бесконечности. [25] : 494–98 Это определение потенциала, хотя и формальное, имеет мало практического применения, и более полезной концепцией является понятие разности электрических потенциалов , и это энергия, необходимая для перемещения единичного заряда между двумя указанными точками. Электрическое поле обладает особым свойством, заключающимся в том, что оно консервативно , что означает, что путь, пройденный тестовым зарядом, не имеет значения: все пути между двумя указанными точками расходуют одну и ту же энергию, и, таким образом, можно указать уникальное значение для разности потенциалов. [25] : 494–98 Вольт настолько прочно утвердился в качестве единицы измерения и описания разности электрических потенциалов, что термин «напряжение» стал чаще использоваться в повседневной жизни.
Для практических целей полезно определить общую точку отсчета, относительно которой потенциалы могут быть выражены и сравнены. Хотя это может быть бесконечность, гораздо более полезной точкой отсчета является сама Земля , которая, как предполагается, имеет одинаковый потенциал везде. Эта точка отсчета, естественно, берет название земля или заземление . Земля считается бесконечным источником равных количеств положительного и отрицательного заряда и, следовательно, электрически не заряжена и не может быть заряжена. [50]
Электрический потенциал является скалярной величиной . То есть, он имеет только величину, но не направление. Его можно рассматривать как аналог высоты : так же, как отпущенный объект будет падать через разницу высот, вызванную гравитационным полем, так и заряд будет «падать» через напряжение, вызванное электрическим полем. [51] Поскольку рельефные карты показывают контурные линии, отмечающие точки равной высоты, набор линий, отмечающих точки равного потенциала (известных как эквипотенциали ), может быть нарисован вокруг электростатически заряженного объекта. Эквипотенциали пересекают все силовые линии под прямым углом. Они также должны лежать параллельно поверхности проводника , так как в противном случае вдоль поверхности проводника существовала бы сила, которая перемещала бы носители заряда, чтобы выровнять потенциал по всей поверхности.
Электрическое поле формально определялось как сила, приложенная к единице заряда, но концепция потенциала допускает более полезное и эквивалентное определение: электрическое поле — это локальный градиент электрического потенциала. Обычно выражаемое в вольтах на метр, векторное направление поля — это линия наибольшего наклона потенциала, где эквипотенциали лежат ближе всего друг к другу. [37] : 60
Открытие Эрстедом в 1821 году того, что магнитное поле существует вокруг всех сторон провода, по которому течет электрический ток, указывало на то, что между электричеством и магнетизмом существует прямая связь. Более того, взаимодействие, казалось, отличалось от гравитационных и электростатических сил, двух известных тогда сил природы. Сила, действующая на стрелку компаса, не направляла ее к проводу с током или от него, а действовала под прямым углом к нему. [23] : 370 Слова Эрстеда были такими: «электрический конфликт действует вращательным образом». Сила также зависела от направления тока, поскольку если поток был обратным, то и сила тоже. [52]
Эрстед не полностью понял свое открытие, но он заметил, что эффект был взаимным: ток оказывает силу на магнит, а магнитное поле оказывает силу на ток. Явление было дополнительно исследовано Ампером , который обнаружил, что два параллельных провода с током оказывают силу друг на друга: два провода, проводящие токи в одном направлении, притягиваются друг к другу, в то время как провода, содержащие токи в противоположных направлениях, отталкиваются друг от друга. [53] Взаимодействие опосредовано магнитным полем, которое производит каждый ток, и составляет основу для международного определения ампера . [53]
Эта связь между магнитными полями и токами чрезвычайно важна, поскольку она привела к изобретению Майклом Фарадеем электродвигателя в 1821 году. Гомополярный двигатель Фарадея состоял из постоянного магнита, помещенного в бассейн с ртутью . Ток пропускался через провод, подвешенный к оси над магнитом и погруженный в ртуть. Магнит оказывал тангенциальную силу на провод, заставляя его вращаться вокруг магнита до тех пор, пока поддерживался ток. [54]
Эксперименты Фарадея в 1831 году показали, что провод, движущийся перпендикулярно магнитному полю, создает разность потенциалов между своими концами. Дальнейший анализ этого процесса, известного как электромагнитная индукция , позволил ему сформулировать принцип, теперь известный как закон индукции Фарадея , согласно которому разность потенциалов, индуцируемая в замкнутой цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через петлю. Использование этого открытия позволило ему изобрести первый электрический генератор в 1831 году, в котором он преобразовал механическую энергию вращающегося медного диска в электрическую энергию. [54] Диск Фарадея был неэффективен и бесполезен в качестве практического генератора, но он показал возможность генерации электроэнергии с использованием магнетизма, возможность, которая будет принята теми, кто последовал за его работой. [55]
Электрическая цепь представляет собой взаимосвязь электрических компонентов, благодаря которой электрический заряд течет по замкнутому пути (цепи), обычно для выполнения какой-либо полезной задачи. [56]
Компоненты в электрической цепи могут принимать различные формы, которые могут включать такие элементы, как резисторы , конденсаторы , переключатели , трансформаторы и электронику . Электронные цепи содержат активные компоненты , обычно полупроводники , и, как правило, демонстрируют нелинейное поведение, требующее сложного анализа. Простейшие электрические компоненты — это те, которые называются пассивными и линейными : хотя они могут временно хранить энергию, они не содержат ее источников и демонстрируют линейные реакции на раздражители. [57] : 15–16
Резистор , возможно, является самым простым из пассивных элементов цепи: как следует из его названия, он сопротивляется току через него, рассеивая его энергию в виде тепла. Сопротивление является следствием движения заряда через проводник: в металлах, например, сопротивление в основном обусловлено столкновениями между электронами и ионами. Закон Ома является основным законом теории цепей , утверждающим, что ток, проходящий через сопротивление, прямо пропорционален разности потенциалов на нем. Сопротивление большинства материалов относительно постоянно в диапазоне температур и токов; материалы в этих условиях известны как «омические». Ом , единица сопротивления, была названа в честь Георга Ома и обозначается греческой буквой Ω. 1 Ω — это сопротивление, которое создаст разность потенциалов в один вольт в ответ на ток в один ампер. [57] : 30–35
Конденсатор является развитием лейденской банки и представляет собой устройство, которое может хранить заряд, и тем самым сохранять электрическую энергию в результирующем поле. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных тонким изолирующим диэлектрическим слоем ; на практике тонкие металлические фольги сворачиваются вместе, увеличивая площадь поверхности на единицу объема и, следовательно, емкость . Единицей емкости является фарад , названный в честь Майкла Фарадея , и имеющий символ F : один фарад — это емкость, которая создает разность потенциалов в один вольт, когда она хранит заряд в один кулон. Конденсатор, подключенный к источнику напряжения, изначально вызывает ток, поскольку он накапливает заряд; этот ток, однако, будет уменьшаться со временем по мере заполнения конденсатора, в конечном итоге падая до нуля. Поэтому конденсатор не допускает постоянного тока , а вместо этого блокирует его. [57] : 216–20
Индуктор — это проводник , обычно катушка из проволоки, которая накапливает энергию в магнитном поле в ответ на ток через него. Когда ток изменяется, магнитное поле тоже изменяется, индуцируя напряжение между концами проводника. Индуцированное напряжение пропорционально скорости изменения тока во времени. Константа пропорциональности называется индуктивностью . Единицей индуктивности является генри , названный в честь Джозефа Генри , современника Фарадея. Один генри — это индуктивность, которая индуцирует разность потенциалов в один вольт, если ток через него изменяется со скоростью один ампер в секунду. Поведение индуктора в некотором отношении обратно поведению конденсатора: он свободно пропускает неизменный ток, но препятствует быстро меняющемуся. [57] : 226–29
Электрическая мощность — это скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи . Единица мощности в системе СИ — ватт , один джоуль в секунду .
Электрическая мощность, как и механическая мощность , является скоростью выполнения работы , измеряемой в ваттах и обозначаемой буквой P. Термин мощность используется в разговорной речи для обозначения «электрической мощности в ваттах». Электрическая мощность в ваттах, производимая электрическим током I, состоящим из заряда Q кулонов каждые t секунд, проходящим через разность электрических потенциалов ( напряжений ) V , равна
где
Электроэнергия обычно поставляется предприятиям и домам электроэнергетической промышленностью . Электроэнергия обычно продается за киловатт-час (3,6 МДж), что является произведением мощности в киловаттах на время работы в часах. Электроэнергетические компании измеряют мощность с помощью счетчиков электроэнергии , которые ведут текущий учет электроэнергии, поставленной потребителю. В отличие от ископаемого топлива , электричество является формой энергии с низкой энтропией и может быть преобразовано в движение или многие другие формы энергии с высокой эффективностью. [58]
Электроника имеет дело с электрическими цепями , которые включают активные электрические компоненты, такие как электронные лампы , транзисторы , диоды , датчики и интегральные схемы , а также связанные с ними технологии пассивного соединения. [59] : 1–5, 71 Нелинейное поведение активных компонентов и их способность управлять потоками электронов делает возможным цифровое переключение , [59] : 75 и электроника широко используется в обработке информации , телекоммуникациях и обработке сигналов . Технологии соединения, такие как печатные платы , технология упаковки электроники и другие разнообразные формы инфраструктуры связи, завершают функциональность схемы и преобразуют смешанные компоненты в обычную рабочую систему .
Сегодня большинство электронных устройств используют полупроводниковые компоненты для осуществления электронного управления. Основные принципы, объясняющие работу полупроводников, изучаются в физике твердого тела , [60] тогда как проектирование и создание электронных схем для решения практических задач являются частью электронной инженерии . [61]
Работы Фарадея и Ампера показали, что изменяющееся во времени магнитное поле создает электрическое поле, а изменяющееся во времени электрическое поле создает магнитное поле. Таким образом, когда одно из полей изменяется во времени, поле другого всегда индуцируется. [25] : 696–700 Эти изменения представляют собой электромагнитную волну . Электромагнитные волны были теоретически проанализированы Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году. Максвелл разработал систему уравнений, которые могли однозначно описать взаимосвязь между электрическим полем, магнитным полем, электрическим зарядом и электрическим током. Более того, он смог доказать, что в вакууме такая волна будет распространяться со скоростью света , и, таким образом, сам свет является формой электромагнитного излучения. Уравнения Максвелла , которые объединяют свет, поля и заряд, являются одной из великих вех теоретической физики. [25] : 696–700
Работа многих исследователей позволила использовать электронику для преобразования сигналов в высокочастотные колебательные токи, а с помощью проводников соответствующей формы электричество позволяет передавать и принимать эти сигналы посредством радиоволн на очень большие расстояния. [62]
В VI веке до нашей эры греческий философ Фалес Милетский экспериментировал с янтарными стержнями: это были первые исследования в области производства электричества. Хотя этот метод, теперь известный как трибоэлектрический эффект , может поднимать легкие предметы и генерировать искры, он крайне неэффективен. [63] Только с изобретением вольтова столба в восемнадцатом веке стал доступен жизнеспособный источник электричества. Вольтов столб и его современный потомок, электрическая батарея , хранят энергию химическим путем и делают ее доступной по требованию в форме электричества. [63]
Электроэнергия обычно вырабатывается электромеханическими генераторами . Они могут приводиться в действие паром , полученным при сгорании ископаемого топлива , или теплом, выделяющимся в результате ядерных реакций, но также и более непосредственно кинетической энергией ветра или текущей воды. Паровая турбина, изобретенная сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году, до сих пор используется для преобразования тепловой энергии пара во вращательное движение, которое может использоваться электромеханическими генераторами. Такие генераторы не имеют ничего общего с униполярным дисковым генератором Фарадея 1831 года, но они все еще полагаются на его электромагнитный принцип, согласно которому проводник, соединяющий изменяющееся магнитное поле, индуцирует разность потенциалов на своих концах. [64] Электричество, вырабатываемое солнечными панелями, основано на другом механизме: солнечное излучение преобразуется непосредственно в электричество с помощью фотогальванического эффекта . [65]
Спрос на электроэнергию растет с огромной скоростью по мере модернизации страны и развития ее экономики. [66] Соединенные Штаты показали 12%-ный рост спроса в течение каждого года первых трех десятилетий двадцатого века, [67] темпы роста, которые сейчас наблюдаются в странах с развивающейся экономикой, таких как Индия или Китай. [68] [69]
Экологические проблемы с производством электроэнергии , в частности, влияние сжигания ископаемого топлива на изменение климата , привели к повышенному вниманию к производству электроэнергии из возобновляемых источников . В секторе электроэнергетики ветер и солнце стали экономически эффективными, что ускорило переход от ископаемого топлива к энергетическому сектору. [70]
Изобретение трансформатора в конце девятнадцатого века означало , что электроэнергия могла передаваться более эффективно при более высоком напряжении, но более низком токе. Эффективная передача электроэнергии означала, в свою очередь, что электричество могло вырабатываться на централизованных электростанциях , где оно выигрывало от экономии масштаба , а затем отправляться на относительно большие расстояния туда, где оно было необходимо. [71] [72]
Обычно спрос на электроэнергию должен соответствовать предложению, поскольку хранение электроэнергии затруднено. [71] Определенное количество генерации всегда должно храниться в резерве , чтобы смягчить неизбежные нарушения и потери в электросети. [73] С ростом уровня переменной возобновляемой энергии (ветровой и солнечной энергии) в сети становится все сложнее соответствовать предложению и спросу. Хранение играет все большую роль в преодолении этого разрыва. Существует четыре типа технологий хранения энергии, каждый из которых находится в разной степени технологической готовности : батареи (электрохимическое хранение), химическое хранение, такое как водородное , тепловое или механическое (например, гидроэлектроэнергия, перекачиваемая через насос ). [74]
Электричество — очень удобный способ передачи энергии, и оно было адаптировано для огромного и растущего числа применений. [75] Изобретение практичной лампы накаливания в 1870-х годах привело к тому , что освещение стало одним из первых общедоступных применений электроэнергии. Хотя электрификация принесла с собой свои собственные опасности, замена открытого пламени газового освещения значительно снизила опасность возникновения пожаров в домах и на фабриках. [76] Во многих городах были созданы коммунальные службы, нацеленные на растущий рынок электрического освещения. В конце 20-го века и в наше время тенденция начала течь в направлении дерегулирования в секторе электроэнергетики. [77]
Резистивный эффект нагрева Джоуля , используемый в лампах накаливания, также находит более прямое применение в электрическом отоплении . Хотя он универсален и контролируем, его можно рассматривать как расточительство, поскольку большая часть электроэнергии уже требует производства тепла на электростанции. [78] Ряд стран, таких как Дания, издали законодательство, ограничивающее или запрещающее использование резистивного электрического отопления в новых зданиях. [79] Однако электричество по-прежнему является весьма практичным источником энергии для отопления и охлаждения , [80] при этом кондиционирование воздуха / тепловые насосы представляют собой растущий сектор спроса на электроэнергию для отопления и охлаждения, последствия которого электроэнергетические компании все больше обязаны учитывать. [81] [82] Ожидается, что электрификация сыграет важную роль в декарбонизации секторов, которые полагаются на прямое сжигание ископаемого топлива, таких как транспорт (с использованием электромобилей ) и отопление (с использованием тепловых насосов ). [83] [84]
Эффекты электромагнетизма наиболее наглядно используются в электродвигателе , который обеспечивает чистое и эффективное средство движущей силы. Стационарный двигатель, такой как лебедка, легко снабжается электроэнергией, но двигатель, который движется вместе с ним, такой как электромобиль , обязан либо нести с собой источник энергии, такой как батарея, либо собирать ток от скользящего контакта, такого как пантограф . Транспортные средства с электроприводом используются в общественном транспорте, таком как электробусы и поезда, [85] и все большее количество электромобилей с батарейным питанием в частной собственности.
Электричество используется в телекоммуникациях , и действительно, электрический телеграф , продемонстрированный в коммерческих целях в 1837 году Куком и Уитстоном , [86] был одним из самых ранних его применений. С созданием первых трансконтинентальных , а затем и трансатлантических телеграфных систем в 1860-х годах электричество позволило осуществлять связь за считанные минуты по всему миру. Оптоволоконная и спутниковая связь заняли свою долю рынка систем связи, но можно ожидать, что электричество останется неотъемлемой частью процесса.
Электронные устройства используют транзистор , возможно, одно из самых важных изобретений двадцатого века, [87] и фундаментальный строительный блок всех современных схем. Современная интегральная схема может содержать много миллиардов миниатюрных транзисторов в области всего в несколько квадратных сантиметров. [88]
Напряжение, приложенное к человеческому телу, вызывает электрический ток через ткани, и хотя эта зависимость нелинейна, чем больше напряжение, тем больше ток. [89] Порог восприятия меняется в зависимости от частоты питания и пути тока, но составляет около 0,1 мА до 1 мА для электричества с частотой сети, хотя ток силой всего в микроампер может быть обнаружен как эффект электровибрации при определенных условиях. [90] Если ток достаточно высок, он вызовет сокращение мышц, фибрилляцию сердца и ожоги тканей . [89] Отсутствие каких-либо видимых признаков того, что проводник электрифицирован, делает электричество особенно опасным. Боль, вызванная электрическим током, может быть сильной, что иногда приводит к тому, что электричество используют в качестве метода пыток . [91] Смерть, вызванная электрическим током — электрошок — по-прежнему используется для судебной казни в некоторых штатах США, хотя к концу 20-го века ее применение стало очень редким. [92]
Электричество не является изобретением человека и может наблюдаться в нескольких формах в природе, в частности, молния . Многие взаимодействия, знакомые на макроскопическом уровне, такие как прикосновение , трение или химическая связь , обусловлены взаимодействиями между электрическими полями в атомном масштабе. Магнитное поле Земли обусловлено естественным динамо циркулирующих токов в ядре планеты. [93] Некоторые кристаллы, такие как кварц или даже сахар , генерируют разность потенциалов на своих гранях при нажатии. [94] Это явление известно как пьезоэлектричество , от греческого piezein (πιέζειν), что означает нажимать, и было открыто в 1880 году Пьером и Жаком Кюри . Эффект взаимный: когда пьезоэлектрический материал подвергается воздействию электрического поля, он слегка меняет размер. [94]
Некоторые организмы, такие как акулы , способны обнаруживать и реагировать на изменения в электрических полях, эта способность известна как электрорецепция , [95] в то время как другие, называемые электрогенными , способны сами генерировать напряжение, чтобы служить хищным или оборонительным оружием; это электрические рыбы в разных отрядах. [3] Отряд Gymnotiformes , из которых наиболее известным примером является электрический угорь , обнаруживает или оглушает свою добычу с помощью высокого напряжения, генерируемого модифицированными мышечными клетками, называемыми электроцитами . [3] [4] Все животные передают информацию по своим клеточным мембранам с помощью импульсов напряжения, называемых потенциалами действия , функции которых включают связь нервной системы между нейронами и мышцами . [96] Электрический удар стимулирует эту систему и заставляет мышцы сокращаться. [97] Потенциалы действия также отвечают за координацию действий у некоторых растений. [96]
Говорят, что в 1850-х годах британский политик Уильям Эварт Гладстон спросил ученого Майкла Фарадея , почему электричество ценно. Фарадей ответил: «Однажды, сэр, вы можете обложить его налогом». [98] [99] [100] Однако, по данным Snopes.com, «этот анекдот следует считать апокрифическим, поскольку он не упоминается ни в одном из отчетов Фарадея или его современников (в письмах, газетах или биографиях) и всплыл только после смерти Фарадея». [101]
В 19-м и начале 20-го века электричество не было частью повседневной жизни многих людей, даже в индустриальном западном мире . Соответственно, массовая культура того времени часто изображала его как таинственную, квазимагическую силу, которая может убивать живых, оживлять мертвых или иным образом изменять законы природы. [102] : 69 Такое отношение началось с экспериментов Луиджи Гальвани 1771 года , в которых было показано, что ноги мертвых лягушек подергиваются при применении животного электричества . «Оживление» или реанимация, по-видимому, мертвых или утонувших людей были описаны в медицинской литературе вскоре после работы Гальвани. Эти результаты были известны Мэри Шелли, когда она написала «Франкенштейна» (1819), хотя она не называет метод оживления монстра. Оживление монстров с помощью электричества позже стало основной темой в фильмах ужасов.
По мере того, как росло общественное понимание электричества как жизненной силы Второй промышленной революции , его владельцы все чаще представлялись в положительном свете, [102] : 71 например, рабочие, которые «чувствуют смерть на конце своих перчаток, когда они соединяют и пересоединяют живые провода» в поэме Редьярда Киплинга 1907 года « Сыновья Марты» . [102] : 71 Электроприводные транспортные средства всех видов широко использовались в приключенческих историях, таких как рассказы Жюля Верна и Тома Свифта . [102] : 71 Мастера электричества, как вымышленные, так и реальные, включая таких ученых, как Томас Эдисон , Чарльз Стейнмец или Никола Тесла , обычно считались обладающими магическими способностями. [102] : 71
С тех пор как электричество перестало быть новинкой и стало необходимостью повседневной жизни во второй половине 20-го века, оно привлекло особое внимание популярной культуры только тогда, когда оно перестало течь, [102] : 71 событие, которое обычно сигнализирует о катастрофе. [102] : 71 Люди, которые поддерживают его течь, такие как безымянный герой песни Джимми Уэбба « Wichita Lineman » (1968), [102] : 71 по-прежнему часто изображаются как героические, волшебные фигуры. [102] : 71
Аристотель и Гиппий утверждают, что, рассуждая на основе магнита и янтаря, он приписывал душу или жизнь даже неодушевленным предметам.
судя по тому, что о нем записано, похоже, тоже считал душу движущей силой, поскольку он сказал, что магнит имеет в себе душу, потому что он движет железо.
Сила отталкивания между двумя маленькими сферами, заряженными одним и тем же типом электричества, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами двух сфер.
