Электричество — совокупность физических явлений, связанных с наличием и движением материи , обладающей электрическим зарядом . Электричество связано с магнетизмом , оба являются частью явления электромагнетизма , описанного уравнениями Максвелла . С электричеством связаны обычные явления, в том числе молния , статическое электричество , электрический нагрев , 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 по перемещению электрического заряда из одной точки в другую внутри электрического поля, обычно измеряемая в вольтах .
Электричество играет центральную роль во многих современных технологиях, включая электроэнергетику , где электрический ток используется для питания оборудования, а также в электронике , работающей с электрическими цепями , включающими активные компоненты , такие как электронные лампы , транзисторы , диоды и интегральные схемы , а также связанные с ними технологии пассивного соединения. .
Изучение электрических явлений восходит к античности, а теоретическое понимание медленно прогрессировало до 17 и 18 веков. Развитие теории электромагнетизма в 19 веке ознаменовало значительный прогресс, который к концу века привел к промышленному и бытовому применению электричества инженерами-электриками . Это быстрое развитие электротехнологий в то время стало движущей силой Второй промышленной революции , а универсальность электричества привела к преобразованиям в промышленности и 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 о поражениях электрической рыбой . В древнеегипетских текстах, датируемых 2750 годом до нашей эры, эти рыбы называются «громовержцами Нила » и описываются как «защитники» всех других рыб. Об электрических рыбах снова сообщили тысячелетия спустя древнегреческие , римские и арабские натуралисты и врачи . [2] Некоторые древние писатели, такие как Плиний Старший и Скрибоний Ларгус , засвидетельствовали обезболивающий эффект электрошоков, наносимых электрическими сомами и электрическими скатами , и знали, что такие шоки могут распространяться по проводящим объектам. [3] Пациентам с такими заболеваниями, как подагра или головная боль, рекомендовали прикоснуться к электрической рыбе в надежде, что мощный разряд сможет их вылечить. [4]
Древние культуры Средиземноморья знали , что некоторые предметы, такие как янтарные палочки , можно натереть кошачьей шерстью, чтобы привлечь легкие предметы, например перья. Фалес Милетский провел серию наблюдений за статическим электричеством около 600 г. до н.э., на основании которых он полагал, что трение придает янтарю магнитный вид , в отличие от таких минералов, как магнетит , который не требует трения. [5] [6] [7] [8] Фалес ошибался, полагая, что притяжение возникло из-за магнитного эффекта, но позже наука доказала связь между магнетизмом и электричеством. Согласно спорной теории, парфяне , возможно, обладали знаниями в области гальваники , основанной на открытии в 1936 году Багдадской батареи , которая напоминает гальванический элемент , хотя неясно, имел ли артефакт электрическую природу. [9]
Электричество оставалось не более чем интеллектуальной диковинкой на протяжении тысячелетий до 1600 года, когда английский учёный Уильям Гилберт написал «О магнете» , в котором он тщательно изучил электричество и магнетизм, отличив эффект магнита от статического электричества, производимого при трении янтаря. [5] Он придумал неолатинское слово «electricus» («янтарный» или «подобный янтарю», от ἤλεκτρον, elektron , греческого слова «янтарь») для обозначения свойства притягивать мелкие предметы после трения. [10] Эта ассоциация породила английские слова «электрический» и «электричество», которые впервые появились в печати в книге Томаса Брауна « Эпидемия псевдодоксии » 1646 года. [11]
Дальнейшие работы проводились в 17 и начале 18 веков Отто фон Герике , Робертом Бойлем , Стивеном Греем и К. Ф. Дю Фэем . [12] Позже, в 18 веке, Бенджамин Франклин провел обширные исследования в области электричества, продав свое имущество, чтобы финансировать свою работу. Считается, что в июне 1752 года он прикрепил металлический ключ к нижней части смоченной веревки воздушного змея и запустил змей в грозящее штормом небо . [13] Последовательность искр, перескакивающих с ключа на тыльную сторону его руки, показала, что молния действительно имела электрическую природу. [14] Он также объяснил явно парадоксальное поведение [15] лейденской банки как устройства для хранения больших количеств электрического заряда с точки зрения электричества, состоящего как из положительных, так и из отрицательных зарядов. [12]
В 1775 году Хью Уильямсон сообщил Королевскому обществу о серии экспериментов по электрошоку, наносимому электрическим угрем ; [16] в том же году хирург и анатом Джон Хантер описал строение электрических органов рыб . [17] [18] В 1791 году Луиджи Гальвани опубликовал свое открытие биоэлектромагнетизма , продемонстрировав, что электричество является средой, с помощью которой нейроны передают сигналы мышцам. [19] [20] [12] Батарея Алессандро Вольта , или гальваническая батарея , 1800 года, сделанная из чередующихся слоев цинка и меди, предоставила ученым более надежный источник электрической энергии, чем электростатические машины , использовавшиеся ранее. [19] [20] Признание электромагнетизма , единства электрических и магнитных явлений, связано с Гансом Христианом Эрстедом и Андре-Мари Ампером в 1819–1820 годах. Майкл Фарадей изобрел электродвигатель в 1821 году, а Георг Ом математически проанализировал электрическую цепь в 1827 году. [20] Электричество и магнетизм (и свет) были окончательно связаны Джеймсом Клерком Максвеллом , в частности, в его « О физических силовых линиях » в 1861 и 1862 гг. [21] : 148.
В то время как в начале 19 века наблюдался быстрый прогресс в электротехнике, в конце 19 века наблюдался наибольший прогресс в электротехнике . Через таких людей, как Александр Грэм Белл , Отто Блати , Томас Эдисон , Галилео Феррарис , Оливер Хевисайд , Аньос Едлик , Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , Чарльз Алджернон Парсонс , Вернер фон Сименс , Джозеф Свон , Реджинальд Фессенден , Никола Тесла и Джордж Вестингауз , электричество превратилось из научной диковинки в важный инструмент современной жизни. [22]
В 1887 году Генрих Герц [23] : 843–44 [24] обнаружил, что электроды, освещенные ультрафиолетовым светом, легче создают электрические искры . В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой объяснял 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». [25] Фотоэлектрический эффект также используется в фотоэлементах , например, в солнечных панелях .
Первым полупроводниковым устройством был « детектор кошачьих усов », впервые использованный в 1900-х годах в радиоприемниках. Проволоку, похожую на ус, слегка прикасают к твердому кристаллу (например, кристаллу германия ) для обнаружения радиосигнала за счет эффекта контактного соединения. [26] В твердотельном компоненте ток ограничен твердыми элементами и соединениями, специально разработанными для его переключения и усиления. Течение тока можно понимать в двух формах: как отрицательно заряженные электроны и как положительно заряженные электроны, называемые дырками . Эти заряды и дырки понимаются с точки зрения квантовой физики. Строительным материалом чаще всего является кристаллический полупроводник . [27] [28]
Твердотельная электроника получила распространение с появлением транзисторной технологии. Первый рабочий транзистор, точечный транзистор на основе германия , был изобретен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттеном в Bell Labs в 1947 году, [29] за ним последовал биполярный переходной транзистор в 1948 году. [30]
Наличие заряда порождает электростатическую силу: заряды оказывают друг на друга силу — эффект, который был известен, хотя и не понимался, еще в древности. [23] : 457 Легкий шарик, подвешенный на тонкой нити, можно зарядить, прикоснувшись к нему стеклянной палочкой, которая сама заряжена путем трения о ткань. Если аналогичный шар заряжается той же стеклянной палочкой, оказывается, что он отталкивает первый: заряд раздвигает два шара. Два шарика, заряженные натертым янтарным стержнем, также отталкиваются друг от друга. Однако если один шар заряжается стеклянной палочкой, а другой — янтарной, то оба шара притягиваются друг к другу. Эти явления исследовал в конце восемнадцатого века Шарль-Огюстен де Кулон , который пришел к выводу, что заряд проявляется в двух противоположных формах. Это открытие привело к известной аксиоме: объекты с одинаковым зарядом отталкиваются, а объекты с противоположным зарядом притягиваются . [23]
Сила действует на сами заряженные частицы, поэтому заряд имеет тенденцию распределяться как можно более равномерно по проводящей поверхности. Величина электромагнитной силы, будь то притяжения или отталкивания, определяется законом Кулона , который связывает силу с произведением зарядов и имеет обратно квадратичную зависимость с расстоянием между ними. [31] [32] : 35 Электромагнитная сила очень сильна, уступая по силе только сильному взаимодействию , [33] но в отличие от этой силы она действует на всех расстояниях. [34] По сравнению с гораздо более слабой гравитационной силой , электромагнитная сила, раздвигающая два электрона, в 10 42 раз превышает силу гравитационного притяжения, стягивающего их вместе. [35]
Заряд возникает из определенных типов субатомных частиц , наиболее распространенными 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 суммарный заряд внутри электрически изолированной системы всегда будет оставаться постоянным, независимо от каких-либо изменений, происходящих внутри этой системы. [36] Внутри системы заряд может передаваться между телами либо путем прямого контакта, либо путем прохождения проводящего материала, такого как провод. [32] : 2–5 Неофициальный термин статическое электричество относится к чистому присутствию (или «дисбалансу») заряда на теле, обычно возникающему, когда разнородные материалы трутся друг о друга, передавая заряд от одного к другому.
Заряд электронов и протонов противоположны по знаку, поэтому количество заряда может быть выражено как отрицательное, так и положительное. По соглашению, заряд, переносимый электронами, считается отрицательным, а протонов – положительным. Этот обычай возник благодаря работам Бенджамина Франклина . [37] Величина заряда обычно обозначается символом Q и выражается в кулонах ; [38] каждый электрон несет одинаковый заряд примерно -1,6022×10 -19 кулонов . Протон имеет равный и противоположный заряд, то есть +1,6022×10 -19 кулонов. Зарядом обладает не только материя , но и антиматерия , причем каждая античастица несет заряд, равный и противоположный заряду соответствующей частицы. [39]
Заряд можно измерить несколькими способами, первым из которых был электроскоп с сусальным золотом , который, хотя и до сих пор используется для демонстраций в классе, был заменен электрометром . [32] : 2–5
Движение электрического заряда называется электрическим током , сила которого обычно измеряется в амперах . Ток может состоять из любых движущихся заряженных частиц; чаще всего это электроны, но любой движущийся заряд представляет собой ток. Электрический ток может течь через некоторые предметы, электрические проводники , но не будет течь через электрический изолятор . [40]
Согласно историческому соглашению, положительный ток определяется как имеющий то же направление потока, что и любой положительный заряд, который он содержит, или как течь от наиболее положительной части цепи к наиболее отрицательной части. Ток, определенный таким образом, называется условным током . Таким образом , движение отрицательно заряженных электронов вокруг электрической цепи , одной из наиболее известных форм тока, считается положительным в направлении , противоположном направлению движения электронов. [41] Однако в зависимости от условий электрический ток может состоять из потока заряженных частиц в любом направлении или даже в обоих направлениях одновременно. Для упрощения этой ситуации широко используется соглашение о преобразовании положительного в отрицательное.
Процесс прохождения электрического тока через материал называется электропроводностью , и его природа варьируется в зависимости от природы заряженных частиц и материала, через который они проходят. Примеры электрических токов включают металлическую проводимость, когда электроны текут через проводник , такой как металл, и электролиз , когда ионы (заряженные атомы ) текут через жидкости или через плазму , например, электрические искры. Хотя сами частицы могут двигаться довольно медленно, иногда со средней скоростью дрейфа всего лишь доли миллиметра в секунду, [32] : 17 электрическое поле , которое их приводит в движение, само распространяется со скоростью, близкой к скорости света , позволяя электрическим сигналам проходить быстро. вдоль проводов. [42]
Ток вызывает несколько наблюдаемых эффектов, которые исторически были средством распознавания его присутствия. То, что вода может разлагаться под действием тока от гальванической батареи, было обнаружено Николсоном и Карлайлом в 1800 году; этот процесс теперь известен как электролиз . Их работа была значительно расширена Майклом Фарадеем в 1833 году. Ток, проходящий через сопротивление , вызывает локальный нагрев - эффект, который Джеймс Прескотт Джоуль математически изучил в 1840 году. [32] : 23–24 Одно из наиболее важных открытий, касающихся тока, было сделано случайно Ганс Христиан Эрстед в 1820 году, когда во время подготовки лекции он стал свидетелем того, как ток в проводе сдвинул стрелку магнитного компаса. [21] : 370 [а] Он открыл электромагнетизм , фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитного излучения, генерируемого электрической дугой, достаточно высок, чтобы создавать электромагнитные помехи , которые могут нанести вред работе соседнего оборудования. [43]
В инженерных 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, вырабатываемый, например, аккумулятором и необходимый для большинства электронных устройств, представляет собой однонаправленный поток от положительной части цепи к отрицательной. [44] : 11 Если, как это обычно бывает, этот поток переносится электронами, они будут двигаться в противоположном направлении. Переменный ток — это любой ток, который неоднократно меняет направление; почти всегда это принимает форму синусоидальной волны . [44] : 206–07 Таким образом, переменный ток пульсирует взад и вперед внутри проводника, при этом заряд не перемещается на какое-либо чистое расстояние с течением времени. Усредненное по времени значение переменного тока равно нулю, но он передает энергию сначала в одном направлении, а затем в обратном. На переменный ток влияют электрические свойства, которые не наблюдаются при постоянном токе в установившемся режиме , такие как индуктивность и емкость . [44] : 223–25 Однако эти свойства могут стать важными, когда схема подвергается переходным процессам , например, при первом включении питания.
Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем . Электрическое поле создается заряженным телом в пространстве, которое его окружает, и приводит к силе, действующей на любые другие заряды, помещенные в поле. Электрическое поле действует между двумя зарядами аналогично тому, как гравитационное поле действует между двумя массами , и подобно ему распространяется к бесконечности и демонстрирует обратную квадратичную зависимость с расстоянием. [34] Однако есть важное отличие. Гравитация всегда действует как притяжение, стягивая две массы вместе, тогда как электрическое поле может вызывать как притяжение, так и отталкивание. Поскольку крупные тела, такие как планеты, обычно не несут суммарного 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. [35]
Электрическое поле обычно меняется в пространстве, [b] и его напряженность в любой точке определяется как сила (на единицу заряда), которую ощущал бы стационарный, незначительный заряд, если бы он был помещен в эту точку. [23] : 469–70 Концептуальный заряд, называемый « пробным зарядом », должен быть исчезающе малым, чтобы его собственное электрическое поле не возмущало основное поле, а также должен быть стационарным, чтобы предотвратить влияние магнитных полей . Поскольку электрическое поле определяется через силу , а сила – это вектор , имеющий как величину , так и направление , из этого следует, что электрическое поле является векторным полем . [23] : 469–70.
Изучение электрических полей, создаваемых неподвижными зарядами, называется электростатикой . Поле можно представить в виде набора воображаемых линий, направление которых в любой точке совпадает с направлением поля. Это понятие было введено Фарадеем [45] , чей термин « силовые линии » до сих пор иногда используется. Линии поля — это пути, которые точечный положительный заряд будет стремиться пройти, когда он будет вынужден двигаться внутри поля; однако это воображаемая концепция, не имеющая физического существования, и поле пронизывает все пространство между линиями. [45] Линии поля, исходящие от стационарных зарядов, обладают несколькими ключевыми свойствами: во-первых, они возникают на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах; во-вторых, что они должны входить в любой хороший проводник под прямым углом, и в-третьих, чтобы они никогда не пересекали и не замыкались в себе. [23] : 479
Полое проводящее тело переносит весь свой заряд на свою внешнюю поверхность. Следовательно, поле равно 0 во всех местах внутри тела. [32] : 88 Таков принцип работы клетки Фарадея — проводящей металлической оболочки, которая изолирует ее внутреннюю часть от внешних электрических воздействий.
Принципы электростатики важны при проектировании изделий высоковольтного оборудования. Существует конечный предел напряженности электрического поля, которому может противостоять любая среда. За этой точкой происходит электрический пробой , и электрическая дуга вызывает перекрытие между заряженными частями. Воздух, например, имеет тенденцию образовывать дугу в небольших зазорах при напряженности электрического поля, превышающей 30 кВ на сантиметр. При больших зазорах его пробойная прочность меньше, примерно 1 кВ на сантиметр. [46] : 2 Наиболее заметным естественным явлением этого явления является молния , возникающая, когда заряд разделяется в облаках поднимающимися столбами воздуха и поднимает электрическое поле в воздухе до уровня, превышающего его способность выдерживать. Напряжение большого грозового облака может достигать 100 МВ, а энергия разряда достигать 250 кВтч. [46] : 201–02.
На напряженность поля сильно влияют близлежащие проводящие объекты, и оно особенно интенсивно, когда ему приходится огибать остроконечные объекты. Этот принцип использован в громоотводе , острый шип которого способствует попаданию удара молнии туда, а не в здание, которое он защищает. [47] : 155
Понятие электрического потенциала тесно связано с понятием электрического поля. Небольшой заряд, помещенный в электрическое поле, испытывает действие силы, и чтобы довести этот заряд до этой точки против силы, требуется работа . Электрический потенциал в любой точке определяется как энергия, необходимая для медленного переноса единичного испытательного заряда с бесконечного расстояния в эту точку. Обычно его измеряют в вольтах , а один вольт — это потенциал, на который необходимо затрачивать один джоуль работы, чтобы доставить из бесконечности заряд в один кулон . [23] : 494–98 Это определение потенциала, хотя и формальное, не имеет практического применения, а более полезной концепцией является концепция разности электрических потенциалов , которая представляет собой энергию, необходимую для перемещения единичного заряда между двумя указанными точками. Электрическое поле обладает особым свойством: оно консервативно , что означает, что путь, пройденный пробным зарядом, не имеет значения: все пути между двумя указанными точками расходуют одну и ту же энергию, и, таким образом, можно указать уникальное значение разности потенциалов. [23] : 494–98 Вольт настолько прочно считается единицей измерения и описания разности электрических потенциалов, что термин « напряжение» все чаще используется в повседневной жизни.
Для практических целей полезно определить общую точку отсчета, с которой можно выражать и сравнивать потенциалы. Хотя это может быть бесконечность, гораздо более полезным ориентиром является сама Земля , которая, как предполагается, имеет одинаковый потенциал повсюду. Эта точка отсчета, естественно, получила название «земля» или «земля» . Предполагается, что Земля является бесконечным источником равных количеств положительного и отрицательного заряда и, следовательно, электрически не заряжена и не заряжается. [48]
Электрический потенциал является скалярной величиной , то есть имеет только величину, а не направление. Его можно рассматривать как аналог высоты : как освобожденный объект падает из-за разницы высот, вызванной гравитационным полем, так и заряд «падает» под напряжением, вызванным электрическим полем. [49] Поскольку на картах рельефа показаны контурные линии , обозначающие точки одинаковой высоты, вокруг электростатически заряженного объекта может быть нарисован набор линий, обозначающих точки равного потенциала (известные как эквипотенциалы ). Эквипотенциалы пересекают все силовые линии под прямым углом. Они также должны лежать параллельно поверхности проводника , поскольку в противном случае вдоль поверхности проводника будет действовать сила, которая будет перемещать носители заряда, чтобы выровнять потенциал по всей поверхности.
Электрическое поле формально определялось как сила, действующая на единицу заряда, но концепция потенциала допускает более полезное и эквивалентное определение: электрическое поле — это локальный градиент электрического потенциала. Обычно выражаемое в вольтах на метр, направление вектора поля — это линия наибольшего наклона потенциала, где эквипотенциалы расположены ближе всего друг к другу. [32] : 60
Открытие Эрстедом в 1821 году того, что магнитное поле существует вокруг всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, показало, что существует прямая связь между электричеством и магнетизмом. Более того, это взаимодействие казалось отличным от гравитационных и электростатических сил, двух известных тогда сил природы. Сила, действующая на стрелку компаса, не направляла ее к токоведущему проводу или от него, а действовала под прямым углом к нему. [21] : 370 По словам Эрстеда, «электрический конфликт действует вращающимся образом». Сила также зависела от направления тока, поскольку если поток был обращен вспять, то и сила тоже. [50]
Эрстед не до конца понял свое открытие, но заметил, что эффект был взаимным: ток оказывает силу на магнит, а магнитное поле оказывает силу на ток. Это явление было далее исследовано Ампером , который обнаружил, что два параллельных провода с током оказывают друг на друга силу: два провода, проводящие токи в одном направлении, притягиваются друг к другу, в то время как провода, содержащие токи в противоположных направлениях, раздвигаются. [51] Взаимодействие опосредовано магнитным полем, которое создает каждый ток, и составляет основу международного определения ампера . [51]
Эта связь между магнитными полями и токами чрезвычайно важна, поскольку она привела к изобретению Майклом Фарадеем электродвигателя в 1821 году. Униполярный двигатель Фарадея состоял из постоянного магнита , находящегося в луже ртути . Ток пропускался через провод, подвешенный к стержню над магнитом и погруженный в ртуть. Магнит оказывал на провод касательную силу, заставляя его вращаться вокруг магнита до тех пор, пока сохранялся ток. [52]
Эксперименты Фарадея в 1831 году показали, что у провода, движущегося перпендикулярно магнитному полю, между его концами возникает разность потенциалов. Дальнейший анализ этого процесса, известного как электромагнитная индукция , позволил ему сформулировать принцип, ныне известный как закон индукции Фарадея , согласно которому разность потенциалов, индуцируемая в замкнутой цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через контур. Использование этого открытия позволило ему в 1831 году изобрести первый электрический генератор , в котором он преобразовал механическую энергию вращающегося медного диска в электрическую энергию. [52] Диск Фарадея был неэффективен и бесполезен в качестве практического генератора, но он показал возможность генерации электроэнергии с использованием магнетизма, возможность, которую подхватили те, кто продолжил его работу. [53]
Электрическая цепь — это соединение электрических компонентов, при котором электрический заряд течет по замкнутому пути (цепи), обычно для выполнения какой-то полезной задачи. [54]
Компоненты электрической цепи могут принимать различные формы, включая такие элементы, как резисторы , конденсаторы , переключатели , трансформаторы и электронику . Электронные схемы содержат активные компоненты , обычно полупроводники , и обычно демонстрируют нелинейное поведение, требующее сложного анализа. Простейшими электрическими компонентами являются те, которые называются пассивными и линейными : хотя они могут временно накапливать энергию, они не содержат ее источников и демонстрируют линейные реакции на раздражители. [55] : 15–16
Резистор , пожалуй, самый простой из пассивных элементов схемы: как следует из названия, он сопротивляется проходящему через него току, рассеивая свою энергию в виде тепла. Сопротивление является следствием движения заряда через проводник: в металлах, например, сопротивление возникает главным образом из-за столкновений между электронами и ионами. Закон Ома — это основной закон теории цепей , гласящий, что ток, проходящий через сопротивление, прямо пропорционален разности потенциалов на нем. Сопротивление большинства материалов относительно постоянно в диапазоне температур и токов; материалы в этих условиях известны как «омические». Ом , единица сопротивления, была названа в честь Георга Ома и обозначается греческой буквой Ω. 1 Ом — это сопротивление, которое создаст разность потенциалов в один вольт в ответ на ток в один ампер. [55] : 30–35
Конденсатор является развитием лейденской банки и представляет собой устройство, способное накапливать заряд и тем самым сохранять электрическую энергию в результирующем поле . Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных тонким изолирующим диэлектрическим слоем; На практике тонкая металлическая фольга скручивается вместе, увеличивая площадь поверхности на единицу объема и, следовательно, емкость . Единицей емкости является фарад , названный в честь Майкла Фарадея и обозначенный символом F : один фарад — это емкость, которая создает разность потенциалов в один вольт, когда она сохраняет заряд в один кулон. Конденсатор, подключенный к источнику напряжения, первоначально вызывает ток по мере накопления заряда; однако этот ток будет затухать со временем по мере заполнения конденсатора и в конечном итоге упадет до нуля. Таким образом, конденсатор не допускает установившегося тока, а вместо этого блокирует его. [55] : 216–20
Индуктор представляет собой проводник, обычно катушку с проводом, который сохраняет энергию в магнитном поле в ответ на ток, проходящий через него . Когда ток изменяется, магнитное поле тоже меняется, 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 создает разность потенциалов в один вольт, если ток через нее изменяется со скоростью один ампер в секунду. Поведение индуктора в некотором отношении противоположно поведению конденсатора: он свободно пропускает неизменный ток, но противодействует быстро меняющемуся. [55] : 226–29.
Электрическая мощность – это скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи . Единицей мощности в системе СИ является ватт , один джоуль в секунду .
Электрическая мощность, как и механическая мощность , представляет собой скорость выполнения работы , измеряемую в ваттах и обозначаемую буквой P. Термин «ваттность» в разговорной речи означает «электрическая мощность в ваттах». Электрическая мощность в ваттах , производимая электрическим током I , состоящим из заряда Q кулонов каждые t секунд, проходящего через разность электрических потенциалов ( напряжений ) V , равна
где
Электроэнергия обычно поставляется на предприятия и в дома электроэнергетической промышленностью . Электричество обычно продается за киловатт-час (3,6 МДж), который представляет собой произведение мощности в киловаттах на время работы в часах. Электроэнергетические компании измеряют мощность с помощью счетчиков электроэнергии , которые фиксируют текущий объем электроэнергии, поставленной потребителю. В отличие от ископаемого топлива , электричество представляет собой форму энергии с низкой энтропией и может быть преобразовано в движение или во многие другие формы энергии с высокой эффективностью. [56]
Электроника занимается электрическими цепями , которые включают в себя активные электрические компоненты , такие как электронные лампы , транзисторы , диоды , датчики и интегральные схемы , а также связанные с ними технологии пассивного соединения. [57] : 1–5, 71 Нелинейное поведение активных компонентов и их способность управлять потоками электронов делает возможным цифровое переключение , [57] : 75 а электроника широко используется в обработке информации , телекоммуникациях и обработке сигналов . Технологии межсетевого взаимодействия, такие как печатные платы , технологии упаковки электроники и другие разнообразные формы коммуникационной инфраструктуры, дополняют функциональность схемы и преобразуют смешанные компоненты в регулярную рабочую систему .
Сегодня в большинстве электронных устройств для управления электроном используются полупроводниковые компоненты. Основные принципы, объясняющие работу полупроводников, изучаются в физике твердого тела [58] , тогда как проектирование и создание электронных схем для решения практических задач являются частью электроники . [59]
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, всегда индуцируется поле другого. [23] : 696–700 Эти вариации представляют собой электромагнитную волну . Электромагнитные волны были теоретически проанализированы Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году. Максвелл разработал набор 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, свет сам по себе является формой электромагнитного излучения. Уравнения Максвелла , объединяющие свет, поля и заряд, являются одной из величайших вех теоретической физики. [23] : 696–700.
Работа многих исследователей позволила использовать электронику для преобразования сигналов в высокочастотные колебательные токи, а через проводники подходящей формы электричество позволяет передавать и принимать эти сигналы посредством радиоволн на очень большие расстояния. [60]
В VI веке до нашей эры греческий философ Фалес Милетский экспериментировал с янтарными стержнями: это были первые исследования по производству электричества. Хотя этот метод, известный теперь как трибоэлектрический эффект , может поднимать легкие предметы и генерировать искры, он крайне неэффективен. [61] Только с изобретением гальванической батареи в восемнадцатом веке стал доступен жизнеспособный источник электричества. Вольтов столб и его современный потомок, электрическая батарея , хранят энергию химическим путем и предоставляют ее по требованию в виде электричества. [61]
Электрическая энергия обычно вырабатывается электромеханическими генераторами . Они могут приводиться в движение паром , образующимся при сжигании ископаемого топлива , или теплом, выделяющимся в результате ядерных реакций, а также, более непосредственно, за счет кинетической энергии 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 никакого сходства с униполярным дисковым генератором Фарадея 1831 года, но они по-прежнему основаны на его электромагнитном принципе, согласно которому проводник, соединяющий изменяющееся магнитное поле, индуцирует разность потенциалов на своих концах. [62] Электричество, вырабатываемое солнечными панелями, основано на другом механизме: солнечное излучение преобразуется непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта . [63]
Спрос на электроэнергию растет с огромной скоростью по мере модернизации страны и развития ее экономики. [64] Соединенные Штаты демонстрировали рост спроса на 12% в течение каждого года в течение первых трех десятилетий двадцатого века, [65] темпы роста, которые сейчас наблюдаются в странах с развивающейся экономикой, таких как страны Индии или Китая. [66] [67]
Экологические проблемы, связанные с производством электроэнергии , в частности вклад сжигания ископаемого топлива в изменение климата , привели к повышенному вниманию к производству электроэнергии из возобновляемых источников . В энергетическом секторе ветровая и солнечная энергия стали экономически эффективными, что ускорило энергетический переход от ископаемого топлива. [68]
Изобретение трансформатора в конце девятнадцатого века означало , что электроэнергия могла передаваться более эффективно при более высоком напряжении, но меньшем токе. Эффективная передача электроэнергии, в свою очередь, означала, что электроэнергию можно было производить на централизованных электростанциях , где она получала выгоду от эффекта масштаба , а затем отправлять ее на относительно большие расстояния туда, где она была необходима. [69] [70]
Обычно спрос на электроэнергию должен соответствовать предложению, поскольку хранение электроэнергии затруднено. [69] Определенный объем генерации всегда должен храниться в резерве , чтобы защитить электрическую сеть от неизбежных нарушений и потерь. [71] С увеличением уровня переменной возобновляемой энергии (ветровой и солнечной энергии) в энергосистеме становится все труднее обеспечивать соответствие спроса и предложения. 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 (электрохимические хранилища), химические хранилища, такие как водородные , тепловые или механические (например, гидроэлектростанции ). [72]
Электричество — очень удобный способ передачи энергии, и оно адаптировано для огромного и растущего числа применений. [73] 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 опасности, замена открытого огня газовым освещением значительно снизила опасность пожара в домах и на фабриках. [74] Коммунальные предприятия были созданы во многих городах, ориентированных на растущий рынок электрического освещения. В конце 20 века и в наше время тенденция начала развиваться в направлении дерегулирования электроэнергетического сектора. [75]
Эффект резистивного джоулева нагрева , используемый в лампочках накаливания, также находит более прямое применение в электрическом отоплении . Хотя это универсальный и контролируемый подход, его можно рассматривать как расточительство, поскольку большая часть производства электроэнергии уже требует производства тепла на электростанции. [76] Ряд стран, таких как Дания, издали законы, ограничивающие или запрещающие использование резистивного электрического отопления в новых зданиях. [77] Однако электричество по-прежнему остается весьма практичным источником энергии для отопления и охлаждения , [78] при этом кондиционирование воздуха и тепловые насосы представляют собой растущий сектор спроса на электроэнергию для отопления и охлаждения, последствия которого электроэнергетические предприятия все чаще вынуждены учитывать. [79] [80] 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 ). [81] [82]
Эффекты электромагнетизма наиболее заметно проявляются в электродвигателе , который обеспечивает экологически чистый и эффективный источник движущей силы. Стационарный двигатель, такой как лебедка, легко снабжается электроэнергией, но двигатель, который движется вместе с его применением, например электромобиль , вынужден либо носить с собой источник энергии, такой как аккумулятор, либо собирать ток от скользящий контакт, такой как пантограф . Транспортные средства с электроприводом используются в общественном транспорте, например, электрические автобусы и поезда [83] , а также растет число электромобилей с батарейным питанием, находящихся в частной собственности.
Электричество используется в телекоммуникациях , и электрический телеграф , коммерчески продемонстрированный в 1837 году Куком и Уитстоном , [84] был одним из первых его применений. С созданием сначала трансконтинентальных , а затем трансатлантических телеграфных систем в 1860-х годах электричество позволило за считанные минуты установить связь по всему земному шару. Оптоволокно и спутниковая связь заняли долю рынка систем связи, но можно ожидать, что электричество останется важной частью этого процесса.
В электронных устройствах используется транзистор , возможно, одно из самых важных изобретений двадцатого века [85] и фундаментальный строительный блок всех современных схем. Современная интегральная схема может содержать многие миллиарды миниатюрных транзисторов на площади всего несколько квадратных сантиметров. [86]
Напряжение, приложенное к человеческому телу, вызывает электрический ток через ткани, и хотя зависимость нелинейная, чем больше напряжение, тем больше ток. [87] Порог восприятия варьируется в зависимости от частоты питания и пути тока, но составляет от 0,1 до 1 мА для электричества с частотой сети, хотя ток величиной в микроампер может быть обнаружен как эффект электровибрации при определенные условия. [88] Если ток достаточно сильный, это вызовет сокращение мышц, фибрилляцию сердца и ожоги тканей . [87] Отсутствие каких-либо видимых признаков того, что проводник наэлектризован, делает электричество особенно опасным. Боль, вызванная поражением электрическим током, может быть очень сильной, что иногда приводит к использованию электричества в качестве метода пыток . [89] Смерть в результате поражения электрическим током – казнь на электрическом стуле – до сих пор используется для судебной казни в некоторых штатах США, хотя к концу 20-го века ее использование стало очень редким. [90]
Электричество не является изобретением человека, и в природе его можно наблюдать в нескольких формах, особенно в виде молнии . Многие взаимодействия, известные на макроскопическом уровне, такие как прикосновение , трение или химическая связь , обусловлены взаимодействиями между электрическими полями на атомном уровне. Магнитное поле Земли возникает из-за естественной динамо-машины циркулирующих токов в ядре планеты. [91] Некоторые кристаллы, такие как кварц или даже сахар , при нажатии создают разность потенциалов на своих гранях. [92] Это явление известно как пьезоэлектричество , от греческого piezein (πιέζειν), что означает «давить», и было открыто в 1880 году Пьером и Жаком Кюри . Эффект обратный: когда пьезоэлектрический материал подвергается воздействию электрического поля, он слегка меняет размер. [92]
Некоторые организмы, такие как акулы , способны обнаруживать изменения в электрических полях и реагировать на них — способность, известная как электрорецепция , [93] в то время как другие, называемые электрогенными , способны сами генерировать напряжение, которое может служить хищническим или защитным оружием; это электрические рыбы разных отрядов. [3] Отряд Gymnotiformes , наиболее известным примером которого является электрический угорь , обнаруживает или оглушает свою добычу с помощью высокого напряжения, генерируемого модифицированными мышечными клетками, называемыми электроцитами . [3] [4] Все животные передают информацию вдоль своих клеточных мембран с помощью импульсов напряжения, называемых потенциалами действия , функции которых включают связь нервной системы между нейронами и мышцами . [94] Электрический шок стимулирует эту систему и заставляет мышцы сокращаться. [95] Потенциалы действия также отвечают за координацию деятельности некоторых растений. [94]
Говорят, что в 1850-х годах британский политик Уильям Гладстон спросил учёного Майкла Фарадея , в чем ценность электричества. Фарадей ответил: «Однажды, сэр, вы сможете обложить его налогом». [96] [97] [98] Однако, согласно Snopes.com, «этот анекдот следует считать апокрифом, поскольку он не упоминается ни в каких отчетах Фарадея или его современников (в письмах, газетах или биографиях) и всплывает только хорошо». после смерти Фарадея». [99]
В 19 и начале 20 века электричество не было частью повседневной жизни многих людей, даже в промышленно развитом западном мире . Соответственно, популярная культура того времени часто изображала его как загадочную, квазимагическую силу, которая может убивать живых, оживлять мертвых или иным образом нарушать законы природы. [100] : 69 Такое отношение началось с экспериментов Луиджи Гальвани в 1771 году , в которых было показано, что ноги мертвых лягушек подергиваются под действием животного электричества . О «оживлении» или реанимации явно мертвых или утонувших людей сообщалось в медицинской литературе вскоре после работы Гальвани. Эти результаты были известны Мэри Шелли, когда она написала книгу «Франкенштейн» (1819), хотя метод оживления монстра она не называет. Оживление монстров с помощью электричества позже стало стандартной темой в фильмах ужасов.
По мере того, как общественность узнавала об электричестве как источнике жизненной силы Второй промышленной революции , его владельцы все чаще представлялись в положительном свете, [100] : 71 например, рабочие, которые «нащупывают смерть на конце своих перчаток, собирая и повторяя детали». «живые провода» в поэме Редьярда Киплинга «Сыны Марты» 1907 года . [100] : 71 Электромобили всех видов широко фигурировали в приключенческих рассказах, таких как рассказы Жюля Верна и книги Тома Свифта . [100] : 71 Мастера электричества, вымышленные или реальные, включая таких ученых, как Томас Эдисон , Чарльз Стейнмец или Никола Тесла , обычно считались обладателями волшебных способностей. [100] : 71
Поскольку во второй половине 20-го века электричество перестало быть новинкой и стало необходимостью повседневной жизни, оно требовало особого внимания со стороны массовой культуры только тогда, когда оно переставало течь, [100] : 71 событие, которое обычно сигнализирует о катастрофе. [100] : 71 Люди, которые поддерживают это течение, такие как безымянный герой песни Джимми Уэбба « Wichita Lineman » (1968), [100] : 71 , до сих пор часто изображаются как героические, похожие на волшебников фигуры. [100] : 71
Аристотель и Гиппий утверждают, что, рассуждая от магнита и от янтаря, он приписывал душу или жизнь даже неодушевленным предметам.
, судя по тому, что о нем записано, по-видимому, считал душу движущей силой, поскольку он сказал, что в магните есть душа, потому что он движет железо.
Сила отталкивания между двумя маленькими сферами, заряженными электричеством одного и того же типа, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами две сферы.
