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 эффект онемения от 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, производимого трением янтаря. [5] Он придумал неолатинское слово electricus («янтарный» или «подобный 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]
Дальнейшие работы были проведены в 17-м и начале 18-го веков Отто фон Герике , Робертом Бойлем , Стивеном Греем и К. Ф. Дюфеем . [12] 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 . [13] Последовательность искр, перескакивающих с ключа на тыльную сторону его руки, показала, что молния действительно имеет электрическую природу. [14] Он также объяснил, по-видимому, парадоксальное поведение [15] лейденской банки как устройства для хранения большого количества электрического заряда в терминах электричества, состоящего как из положительных, так и отрицательных зарядов. [12]
В 1775 году Хью Уильямсон сообщил Королевскому обществу о серии экспериментов по ударам, наносимым электрическим угрем ; [16] в том же году хирург и анатом Джон Хантер описал структуру электрических органов рыбы . [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 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. [19] [20] 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. [20] 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. [21] : 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. [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 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». [25] 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. [26] 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 . [27] [28]
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, [29] за которым последовал биполярный транзистор в 1948 году. [30]
По современным соглашениям, заряд, переносимый электронами, определяется как отрицательный, а заряд, переносимый протонами, — как положительный. [31] До того, как эти частицы были открыты, Бенджамин Франклин определил положительный заряд как заряд, приобретаемый стеклянной палочкой при трении ее о шелковую ткань. [32] 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. [33]
Наличие заряда приводит к возникновению электростатической силы: заряды оказывают друг на друга силу , эффект, который был известен, хотя и не понят, в древности. [23] : 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 . [23]
Сила действует на сами заряженные частицы, поэтому заряд имеет тенденцию распространяться как можно более равномерно по проводящей поверхности. Величина электромагнитной силы, притягивающей или отталкивающей, определяется законом Кулона , который связывает силу с произведением зарядов и имеет обратную квадратичную зависимость от расстояния между ними. [34] [35] : 35 Электромагнитная сила очень сильна, уступая по силе только сильному взаимодействию , [36] но в отличие от этой силы она действует на всех расстояниях. [37] 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. [38]
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. [39] Внутри системы заряд может передаваться между телами либо путем прямого контакта, либо путем прохождения по проводящему материалу, такому как провод. [35] : 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 . [35] : 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 . [40]
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. [41] 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, [35] : 17 электрическое поле , которое их движет, само распространяется со скоростью, близкой к скорости света , что позволяет электрическим сигналам быстро проходить по проводам. [42]
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 известен 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. [35] : 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. [21] : 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. [43]
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 вырабатывается, например, батареей и требуется большинству электронных устройств, представляет собой однонаправленный поток от положительной части цепи к отрицательной. [44] : 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 . [ 44] : 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 . [44] : 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. [37] 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. [38]
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. [23] : 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 . [23] : 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 [45], чей термин « силовые линии » до сих пор иногда используется. Линии поля — это пути, которые точечный положительный заряд будет стремиться создать, когда он будет вынужден двигаться внутри поля; однако они являются воображаемым понятием без физического существования, и поле пронизывает все промежуточное пространство между линиями. [45] 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. [23] : 479
Полое проводящее тело переносит весь свой заряд на своей внешней поверхности. Поле, таким образом, равно 0 во всех местах внутри тела. [35] : 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. [46] : 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. [46] : 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. [47] : 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 перенести заряд в один кулон из бесконечности. [23] : 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. [23] : 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 незаряженной и незаряжаемой. [48]
Электрический потенциал является скалярной величиной , то есть 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. [49] 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. [35] : 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. [21] : 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. [50]
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. [51] Взаимодействие опосредовано магнитным полем, которое производит каждый ток, и составляет основу для международного определения ампера . [51]
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. [52]
Эксперименты Фарадея в 1831 году показали, что провод, движущийся перпендикулярно магнитному полю, создавал 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. [52] 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. [53]
Электрическая цепь — это соединение электрических компонентов таким образом, что электрический заряд течет по замкнутому пути (цепи), обычно для выполнения какой-либо полезной задачи. [54]
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. [55] : 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. [55] : 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 установившийся ток, а вместо этого блокирует его. [55] : 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. [55] : 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. [56]
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. [57] : 1–5, 71 Нелинейное поведение активных компонентов и их способность управлять потоками электронов делает возможным цифровое переключение , [57] : 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 , [58] тогда как проектирование и создание электронных схем для решения практических задач являются частью электронной инженерии . [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, поле другого всегда индуцируется. [23] : 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. [23] : 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. [60]
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. [61] 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. [61]
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. [62] Электричество, вырабатываемое солнечными панелями, основано на другом механизме: солнечное излучение преобразуется непосредственно в электричество с помощью фотогальванического эффекта . [63]
Спрос на электроэнергию растет с огромной скоростью по мере модернизации страны и развития ее экономики. [64] Соединенные Штаты показали 12%-ный рост спроса в течение каждого года первых трех десятилетий двадцатого века, [65] темпы роста, которые сейчас наблюдаются в странах с развивающейся экономикой, таких как Индия или Китай. [66] [67]
Экологические проблемы с производством электроэнергии , в частности, влияние сжигания ископаемого топлива на изменение климата , привели к повышенному вниманию к производству из возобновляемых источников . В секторе электроэнергетики ветер и солнце стали экономически эффективными, что ускорило переход от ископаемого топлива к энергетическому сектору. [68]
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. [69] [70]
Обычно спрос на электроэнергию должен соответствовать предложению, поскольку хранение электроэнергии затруднено. [69] Определенное количество генерации всегда должно храниться в резерве , чтобы смягчить неизбежные нарушения и потери в электросети. [71] 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 разных стадиях технологической готовности : батареи (электрохимическое хранение), химическое хранение, такое как водород , тепловое или механическое (например, гидроэлектроэнергия, перекачиваемая насосами ). [72]
Электричество — очень удобный способ передачи энергии, и оно было 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 собственные опасности, замена открытого пламени газового освещения значительно снизила опасность возникновения пожаров в домах и на фабриках. [74] 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. [75]
The resistive Joule heating effect employed in filament light bulbs also sees more direct use in electric heating. While this is versatile and controllable, it can be seen as wasteful, since most electrical generation has already required the production of heat at a power station.[76] A number of countries, such as Denmark, have issued legislation restricting or banning the use of resistive electric heating in new buildings.[77] Electricity is however still a highly practical energy source for heating and refrigeration,[78] with air conditioning/heat pumps representing a growing sector for electricity demand for heating and cooling, the effects of which electricity utilities are increasingly obliged to accommodate.[79][80] Electrification is expected to play a major role in the decarbonisation of sectors that rely on direct fossil fuel burning, such as transport (using electric vehicles) and heating (using heat pumps).[81][82]
The effects of electromagnetism are most visibly employed in the electric motor, which provides a clean and efficient means of motive power. A stationary motor such as a winch is easily provided with a supply of power, but a motor that moves with its application, such as an electric vehicle, is obliged to either carry along a power source such as a battery, or to collect current from a sliding contact such as a pantograph. Electrically powered vehicles are used in public transportation, such as electric buses and trains,[83] and an increasing number of battery-powered electric cars in private ownership.
Electricity is used within telecommunications, and indeed the electrical telegraph, demonstrated commercially in 1837 by Cooke and Wheatstone,[84] was one of its earliest applications. With the construction of first transcontinental, and then transatlantic, telegraph systems in the 1860s, electricity had enabled communications in minutes across the globe. Optical fibre and satellite communication have taken a share of the market for communications systems, but electricity can be expected to remain an essential part of the process.
Electronic devices make use of the transistor, perhaps one of the most important inventions of the twentieth century,[85] and a fundamental building block of all modern circuitry. A modern integrated circuit may contain many billions of miniaturised transistors in a region only a few centimetres square.[86]
A voltage applied to a human body causes an electric current through the tissues, and although the relationship is non-linear, the greater the voltage, the greater the current.[87] The threshold for perception varies with the supply frequency and with the path of the current, but is about 0.1 mA to 1 mA for mains-frequency electricity, though a current as low as a microamp can be detected as an electrovibration effect under certain conditions.[88] If the current is sufficiently high, it will cause muscle contraction, fibrillation of the heart, and tissue burns.[87] The lack of any visible sign that a conductor is electrified makes electricity a particular hazard. The pain caused by an electric shock can be intense, leading electricity at times to be employed as a method of torture.[89] Death caused by an electric shock—electrocution—is still used for judicial execution in some US states, though its use had become very rare by the end of the 20th century.[90]
Electricity is not a human invention, and may be observed in several forms in nature, notably lightning. Many interactions familiar at the macroscopic level, such as touch, friction or chemical bonding, are due to interactions between electric fields on the atomic scale. The Earth's magnetic field is due to the natural dynamo of circulating currents in the planet's core.[91] Certain crystals, such as quartz, or even sugar, generate a potential difference across their faces when pressed.[92] This phenomenon is known as piezoelectricity, from the Greek piezein (πιέζειν), meaning to press, and was discovered in 1880 by Pierre and Jacques Curie. The effect is reciprocal: when a piezoelectric material is subjected to an electric field it changes size slightly.[92]
Some organisms, such as sharks, are able to detect and respond to changes in electric fields, an ability known as electroreception,[93] while others, termed electrogenic, are able to generate voltages themselves to serve as a predatory or defensive weapon; these are electric fish in different orders.[3] The order Gymnotiformes, of which the best known example is the electric eel, detect or stun their prey via high voltages generated from modified muscle cells called electrocytes.[3][4] All animals transmit information along their cell membranes with voltage pulses called action potentials, whose functions include communication by the nervous system between neurons and muscles.[94] An electric shock stimulates this system, and causes muscles to contract.[95] Action potentials are also responsible for coordinating activities in certain plants.[94]
It is said that in the 1850s, British politician William Ewart Gladstone asked the scientist Michael Faraday why electricity was valuable. Faraday answered, "One day sir, you may tax it."[96][97][98] However, according to Snopes.com "the anecdote should be considered apocryphal because it isn't mentioned in any accounts by Faraday or his contemporaries (letters, newspapers, or biographies) and only popped up well after Faraday's death."[99]
In the 19th and early 20th century, electricity was not part of the everyday life of many people, even in the industrialised Western world. The popular culture of the time accordingly often depicted it as a mysterious, quasi-magical force that can slay the living, revive the dead or otherwise bend the laws of nature.[100]: 69 This attitude began with the 1771 experiments of Luigi Galvani in which the legs of dead frogs were shown to twitch on application of animal electricity. "Revitalization" or resuscitation of apparently dead or drowned persons was reported in the medical literature shortly after Galvani's work. These results were known to Mary Shelley when she authored Frankenstein (1819), although she does not name the method of revitalization of the monster. The revitalization of monsters with electricity later became a stock theme in horror films.
As the public familiarity with electricity as the lifeblood of the Second Industrial Revolution grew, its wielders were more often cast in a positive light,[100]: 71 such as the workers who "finger death at their gloves' end as they piece and repiece the living wires" in Rudyard Kipling's 1907 poem Sons of Martha.[100]: 71 Electrically powered vehicles of every sort featured large in adventure stories such as those of Jules Verne and the Tom Swift books.[100]: 71 The masters of electricity, whether fictional or real—including scientists such as Thomas Edison, Charles Steinmetz or Nikola Tesla—were popularly conceived of as having wizard-like powers.[100]: 71
With electricity ceasing to be a novelty and becoming a necessity of everyday life in the later half of the 20th century, it required particular attention by popular culture only when it stops flowing,[100]: 71 an event that usually signals disaster.[100]: 71 The people who keep it flowing, such as the nameless hero of Jimmy Webb's song "Wichita Lineman" (1968),[100]: 71 are still often cast as heroic, wizard-like figures.[100]: 71
Aristotle and Hippias affirm that, arguing from the magnet and from amber, he attributed a soul or life even to inanimate objects.
Thales, too, to judge from what is recorded about him, seems to have held soul to be a motive force, since he said that the magnet has a soul in it because it moves the iron.
The repulsive force between two small spheres charged with the same type of electricity is inversely proportional to the square of the distance between the centres of the two spheres.
