В середине 18 века Бенджамин Франклин провел множество экспериментов по изучению природы электричества. В 1748 году ему удалось создать электрическую батарею из листов стекла, сжатых пластинами свинца. Ученый открыл принцип сохранения заряда. Летом 1752 года Франклин провел знаменитый эксперимент, который доказал, что молния – это электричество.
Что такое электричество и кто его изобрел
Электричество есть везде: в лампах и вентиляторах, компьютерах и мобильных телефонах и бесчисленных других устройствах. Без него невозможно представить современный мир – и природу тоже, потому что он присутствует в молниях и между нервными клетками человека. Это явление изучается уже несколько тысяч лет.
В периодической таблице химических элементов, известной нам как таблица Менделеева, все атомы расположены в строгом порядке от самого легкого до самого тяжелого, в соответствии со значением их относительной атомной массы, большая часть которой приходится на протоны. Нейтроны также имеют массу, но мы не будем говорить о них, поскольку они не имеют видимого электрического заряда.
Что такое электричество и как оно создается
Электроника – замечательная прикладная и теоретическая наука, которая с каждым днем набирает обороты, распространяется и внедряется во все отрасли промышленности. Его изучение должно начинаться с самых общих понятий и физических процессов. Знание которых, в будущем, облегчит понимание принципов работы различных электронных устройств и оборудования. Первое понятие, которое мы должны усвоить, – что такое электричество?
Открытие электричества
Впервые свойства электричества были открыты более 2500 лет назад древним философом Фалесом Милетским, который натер янтарь шерстью.
Внимательный философ заметил, что мелкие предметы притягиваются к уже натертому драгоценному камню. Хотя, согласно логике, сформированной на уровне знаний того времени, все предметы должны были притягиваться к земле, то есть падать на землю под действием гравитации. Однако янтарь, натертый шерстью, приобретал некое загадочное свойство, названное впоследствии зарядом, который создавал силу, превышающую земное притяжение. И эта сила была названа “электричеством”. Поскольку слово “электрон” переводится с греческого как “янтарь”, электричество можно буквально перевести как янтарь.
В древности считалось, что только янтарь обладает каким-то таинственным свойством, способным при натирании шерстью притягивать легкие предметы, преодолевая силу земного притяжения. Однако сейчас довольно легко повторить тот же эксперимент, взяв вместо камня пластиковую палочку и потерев ею одежду, содержащую шерсть. Затем, когда натертую палочку поднесут близко к маленьким кусочкам бумаги, электрические силы притянут кусочки бумаги к палочке.
Из того, что было сказано выше, давайте выделим два наиболее важных момента:
- Только когда пластиковая палочка трется о шерсть, она приобретает определенные свойства.
- Полученные таким образом свойства создают определенную силу, которая притягивает листы бумаги к палочке.
Теперь мы четко знаем, на какие вопросы нужно ответить, чтобы понять, что такое электричество.
Давайте рассмотрим физику происходящего процесса. И первое, что нам нужно для анализа того, что происходит с веществом (в данном случае с пластиком и шерстью), – это знать о структуре каждого вещества. Заранее отметим, что в остальной части повествования мы будем допускать обобщения и упрощения, но они не будут искажать суть предмета.
Структура атома
Давайте начнем. Любое вещество, будь то дерево, камень, стекло или вода, состоит из более мелких элементов, называемых молекулами. Капля воды, например, состоит из множества отдельных молекул со знакомой химической формулой H2O. Молекула вещества может быть разделена на более мелкие частицы, называемые атомы.
Когда-то считалось, что атом – это самая маленькая частица, которая существует в природе и не может быть разложена на более мелкие элементы. Поэтому слово “атом” переводится с древнегреческого как “неделимый”.
В настоящее время известно всего около сотни различных атомов, но они могут образовывать миллионы различных молекул и, соответственно, столько же различных веществ. Например, молекула воды H2Молекула O состоит из двух атомов водорода H и одного атома кислорода O.
Со временем, после многих кропотливых экспериментов, ученые пришли к выводу, что существуют еще более мелкие частицы.
Планетарная модель атома
Ядро считается центральным и самым тяжелым элементом атома. Вокруг ядра электроны движутся по различным орбитам на разных расстояниях. Ядро не является полноценным элементом, а состоит из протонов и нейтронов.
Электроны имеют отрицательный заряд, а протоны – положительный. Нейтрон не проявляет свойств ни одного из зарядов, то есть он нейтрален, отсюда и его название.
Для упрощения некоторых процессов была использована планетарная модель атома. По аналогии с Солнцем, вокруг которого вращаются планеты, в атоме электроны движутся вокруг ядра. Но электрон – это не какая-то компактная частица, а россыпь энергии, рассеянная в пространстве подобно сплющенной шаровой молнии.
Масса протона примерно в 2000 раз больше массы электрона. Но суммарный положительный электрический заряд всех протонов равен суммарному отрицательному заряду всех электронов. Поэтому в нормальных условиях (по умолчанию) атом электрически нейтрален, и никакие силы не ощущаются вне его. Положительный и отрицательный заряды как бы нейтрализуют друг друга.
В периодической таблице химических элементов, известной нам как Периодическая таблица элементов, все атомы расположены в строгом порядке, от самого легкого до самого тяжелого, в соответствии со значением их относительной атомной массы, большая часть которой приходится на протоны. Нейтроны также имеют массу, но мы не будем говорить о них, поскольку они не имеют видимого электрического заряда.
Водород – самый легкий химический элемент, поэтому он занимает первое место в таблице Менделеева. Атом водорода имеет один протон и один электрон. Другие химические элементы содержат несколько протонов в ядре. А вокруг ядра электроны движутся по нескольким орбитам. Чем ближе электрон к ядру, тем сильнее он притягивается к протону. Электроны на самых удаленных орбитах имеют самую слабую электрическую связь с протонами. Если атом получает некоторую энергию извне, например, если он нагревается, то под действием избыточной энергии электрон может покинуть свою орбиту и, таким образом, атом.
Но он может не только покинуть свой атом, но и занять свое место на орбите другого атома. Те электроны, которые находятся на самой удаленной орбите от ядра, находят практическое применение в электронике, поскольку они могут легко покинуть свою орбиту и стать свободными при наличии дополнительной энергии. А свободный электрон уже может выполнять полезную работу, когда он движется.
Положительные и отрицательные ионы
Как мы уже отмечали, атом по умолчанию электрически нейтрален: положительные и отрицательные заряды равны и компенсируют друг друга. Но как только хотя бы один электрон покидает атом, суммарный положительный электрический заряд протонов перевешивает отрицательный заряд всех остальных электронов, поэтому такой атом в целом обладает положительным зарядом и называется положительный ион.
Если атом получает дополнительный электрон, он будет иметь преобладающий отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.
Важно отметить, что положительный или отрицательный заряд имеет не только атом, но и молекула, а значит, и вещество, которое содержит атом.
Электрификация
Процесс приобретения дополнительного электрона или, наоборот, потери электрона называется электрификация. Если тело имеет избыток или недостаток электронов, т.е. если в нем имеется выраженный заряд любого знака, то говорят, что тело наэлектризовано.
Эксперименты показали, что заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а заряды разных знаков притягиваются. Подобный эксперимент можно повторить следующим очень знакомым способом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Затем придайте одному шарику положительный заряд, а другому – отрицательный. В результате шарики будут притягиваться друг к другу. Если двум шарам придать заряд одинакового знака, они будут отталкиваться друг от друга.
Теперь пришло время вернуться к нашему эксперименту по натиранию пластиковой ваты на палочке. При трении пластика в результате сил трения электроны в атомах ваты получают определенную энергию, под воздействием которой они покидают свои атомы и занимают место на орбиталях атомов пластика. В результате пластиковая палочка приобретает отрицательный заряд за счет избытка электронов из шерсти.
Когда стеклянная палочка натирается шелком, происходит обратное. Электроны из поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд из-за преобладания общего заряда протонов.
Поэтому изменение числа электронов в верхних слоях этих материалов при трении называется электрификация за счет трения.
Здесь следует отметить, что только очень небольшая часть атомов отдает свои электроны в результате трения. Даже если мы скажем, что одна миллиардная часть атома остается без электронов на своей внешней орбите, это все равно будет слишком большим преувеличением, так что масса наэлектризованных тел остается практически неизменной.
Следует также отметить, что электроны нигде не возникают и никуда не уходят, а только переходят от атомов одного тела к атомам другого тела.
В нашем эксперименте мы использовали стекло, пластик, шерсть и шелк. Электроны проходят через эти материалы очень плохо, поэтому их относят к категории хороших диэлектриков – материалов, которые, в отличие от проводников, обладают очень плохой проводимостью.
В диэлектриках заряд остается там, где он возник, и не может перемещаться по поверхности через все тело к другим объектам, которые с ним соприкасаются. Поэтому, когда мы натираем пластиковую палочку шерстью, возникающие свободные заряды остаются на месте: электроны, покинув шерсть, находят новые места на поверхности пластиковой палочки.
Электрификация металла
Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например, кусок металла, то при трении его о диэлектрик заряд, созданный на поверхности металла, немедленно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Потому что, в отличие от диэлектриков, о которых идет речь, наше тело обладает относительно хорошей проводимостью, и заряды относительно легко проходят через него.
Эксперимент по электризации трением невозможно оценить, даже если взять два металлических предмета, даже с хорошо изолированными ручками. При взаимном трении металла о металл, как и в предыдущих экспериментах, образуются свободные электроны. В последней точке контакта между двумя поверхностями электроны будут проходить через так называемый мостик, пока их число не станет таким же, как до трения.
Статическое электричество
Итак, первый пункт решен, и теперь мы знаем, что при трении рассматриваемых объектов некоторые электроны получают избыточную энергию и покидают атомы одного тела, которое становится положительно заряженным, и занимают свои места на орбиталях атомов другого вещества, которое приобретает свойства отрицательного заряда. Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а заряды разных знаков притягиваются друг к другу. Силы, создаваемые зарядами, называются электрический. А тот факт, что существуют электрические заряды и их взаимодействие друг с другом, называется электричество ..
В примерах, которые мы рассмотрели, мы получаем нечто под названием статическое электричество.
Электрическая сила
Теперь рассмотрим второй пункт нашего эксперимента. Что происходит с листом бумаги? Почему он притягивается к заряженному пластиковому стержню?
Суть физического процесса здесь заключается в следующем. Когда заряженное тело приближается к незаряженному телу, под действием электрических сил электроны перемещаются в одну сторону от тела. Этот край тела из-за избытка электронов становится отрицательно заряженным, в то время как противоположный край становится положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряжена. Таким образом, заряды смещаются по краям тела.
Заряды противоположного знака будут притягиваться ближе к заряженному объекту. Например, если палочка заряжена положительно, то поверхность, на которой накопились отрицательные заряды, будет притягиваться к бумаге. И наоборот.
Такое взаимодействие заряженного тела с другими телами на определенном расстоянии называется индуцированным взаимодействием.
Смещение зарядов в проводниках при взаимодействии с ними заряженного тела происходит под действием силы электрического поля, свойства которого мы рассмотрим отдельно.
Сила, с которой тела притягиваются или отталкиваются друг от друга, зависит от величины заряда, расстояния между телами и среды, в которой находятся заряженные тела. Это соотношение было установлено известным ученым Кулоном и называется Закон Кулона..
Подведем итог вышесказанному. Что такое электричество? Электричество – это наличие и взаимодействие зарядов разных знаков. Позже мы увидим, что заряды создаются не только при электризации за счет трения, но и другими способами, например, в ходе химических реакций. Именно так создается ток в батарее, которую правильно называть гальваническим элементом.
Ток известен как движение заряженных частиц. Скорость электрического тока составляет около 300 000 километров в секунду (скорость света). На самом деле это скорость распространения электрического поля. Электроны в проводнике движутся гораздо медленнее. Их скорость составляет около 1 миллиметра в секунду.
5 интересных фактов об электричестве
Факт 1
Электричество присутствует в человеческом теле. Нервный импульс – это не что иное, как всплеск напряжения в клетках.
Факт 2
Электричество известно как движение заряженных частиц. Скорость электричества составляет около 300 000 километров в секунду (скорость света). На самом деле это скорость распространения электрического поля. Электроны в проводнике движутся гораздо медленнее. Их скорость составляет около 1 миллиметра в секунду.
Однажды в 1746 году ученый Жан-Антуан Нолле решил измерить скорость электричества. Выстроив в ряд 200 монахов, он соединил их проводами и дал им разряд. От удара током все монахи одновременно вздрогнули, и был сделан вывод, что скорость была очень высокой.
Факт 3
Первый автомобиль, работающий на электричестве, был построен в 19 веке. До того, как появился двигатель внутреннего сгорания. В 1899 году именно электромобиль установил рекорд скорости на суше, достигнув 100 км/ч (или 62 миль/ч).
Факт 4
Изобретение электрического стула приписывается Томасу Эдисону. Это не совсем так, хотя Эдисон и приложил к этому руку. К концу 19 века появился так называемый “электрический стул”. Война токов – соперничество между Эдисоном (постоянный ток) и Теслой (переменный ток). Использовались практически любые средства, а Эдисон продемонстрировал опасность переменного тока, демонстративно убивая им животных.
После того как несчастный человек погиб почти мгновенно, прикоснувшись к проводам генератора на улице, люди изобрели новый гуманный способ казни. Кстати, первая казнь на электрическом стуле не прошла гладко и быстро: его пришлось включать дважды.
Факт 5
Помимо убийства, электричество также используется для возвращения людей к жизни. Во время дефибрилляции (фибрилляция – это сокращение мышцы) через тело посылается короткий импульс напряжением от 4 000 до 7 000 вольт. Эта процедура помогает восстановить нормальный ритм сердца.
Вы хотите узнать больше об электричестве, электротехнике и научиться быстро решать проблемы? Обратитесь в профессиональную службу помощи студентам, чтобы получить совет и быстро решить проблемы с учебой.
Заряженная частица – это частица материи, имеющая электрический заряд.
Что такое электричество
В широком смысле электричество – это совокупность электромагнитных явлений, которые представляют собой различные проявления электромагнитного поля и его взаимодействия с материей. В узком смысле электричество используется в выражении “количество электричества”, которое является синонимом “электрического заряда” при количественном определении последнего.
Что приходит вам на ум, когда вы слышите слово “электричество” или “электрический”? Один человек думает об электрической розетке; другой представляет себе линию электропередачи, трансформатор или сварочный аппарат; рыбак думает о молнии; домохозяйка думает о пальчиковой батарейке или зарядном устройстве для мобильного телефона; токарь думает об электродвигателе; а кто-то думает о Николе Тесле, сидящем в своей лаборатории возле индукционной катушки, создающей молнию и вибрирующей в резонансе.
Так или иначе, в современном мире существует множество проявлений электричества. Сегодняшняя цивилизация немыслима без электричества. Но что мы знаем об этом? Давайте немного освежим нашу память.
От электростанции до прибора
Дома, когда мы включаем вилку в розетку, чтобы включить чайник, или щелкаем выключателем, чтобы зажечь лампочку, мы создаем короткое замыкание между источником и потребителем, что позволяет протекать электрическому заряду – например, через спираль чайника.
Источником электричества в наших домах обычно является электрическая розетка. Электрический заряд, движущийся по проводнику (которым в нашем примере является нихромовая спираль чайника), представляет собой электрический ток. Проводник соединяет розетку с розеткой с помощью двух проводов: один провод передает заряд от розетки к розетке, а другой провод одновременно передает заряд от розетки к розетке. Если ток переменный, провода меняются ролями 50 раз в секунду.
Источником энергии для движения электрических зарядов (или, проще говоря, источником электроэнергии) в городской сети является, прежде всего, электростанция. На электростанции электроэнергия вырабатывается мощным генератором, ротор которого приводится в движение атомной электростанцией или другим типом электростанции (например, турбиной гидроэлектростанции).
Внутри генератора намагниченный ротор проходит через провода статора, вызывая электродвижущую силу (ЭДС), которая создает напряжение между клеммами генератора. И это всегда переменное напряжение 50 Гц, потому что ротор генератора имеет 2 магнитных полюса и вращается со скоростью 3000 об/мин, или имеет 4 полюса и вращается со скоростью 1500 об/мин.
От трансформаторов на электростанциях сверхвысокое переменное напряжение 110, 220 или 500 киловольт подается на провода высоковольтных линий, с которых затем поступает на понижающие подстанции, где трансформаторы в конечном итоге понижают его до 220 вольт для бытового использования.
Это напряжение в нашей электрической розетке, которой мы пользуемся каждый день – даже не задумываясь о том, что ток проходит путь от электростанции до розетки со скоростью света (299792458 метров в секунду – скорость электрического поля, идущего вдоль провода, которое толкает электроны внутри него, создавая ток).
Переменное напряжение 220 В в розетке
Напряжение, создаваемое в штепсельных розетках, является переменным, потому что: Во-первых, его можно легко преобразовать (понизить или повысить), а во-вторых, его легче производить и передавать, с меньшими потерями в проводах, чем постоянный ток.
Подавая переменное напряжение на провода, к которым подключен трансформатор, мы получаем переменный ток, который гармонично меняет свое направление 50 раз в секунду и способен создавать переменное магнитное поле в магнитопроводах трансформатора, которое, в свою очередь, способно индуцировать электрический ток в проводах вторичной обмотки, намотанных вокруг магнитопроводов…..
Если бы магнитное поле было постоянным в пространстве, охватываемом обмотками, ток в обмотках просто не индуцировался бы (см. закон электромагнитной индукции).
Чтобы получить ток, нужно изменить магнитный поток в пространстве, тогда вокруг него возникнет электрическое поле, которое будет действовать на электрический заряд, который, например, может находиться в медной проволоке (свободные электроны), расположенной вокруг этого пространства с изменяющимся магнитным потоком.
И генераторы, и трансформаторы основаны на этом принципе, с той разницей, что в трансформаторе нет движущихся рабочих частей: переменный магнитный поток в трансформаторе исходит от переменного первичного тока, а в генераторе – от вращающегося ротора с постоянным магнитным полем.
В обоих случаях переменное магнитное поле в соответствии с законом электромагнитной индукции создает вращающееся электрическое поле, которое воздействует на свободные электроны внутри проводника, приводя их в движение. Если цепь замыкается на нагрузку, то через нагрузку возникает ток.
Накопление электроэнергии и постоянный ток
Лучшим способом хранения электроэнергии в доме является использование химической энергии, или батарей. Химическая реакция между электродами может производить ток, когда внешняя цепь замкнута на потребителя, и чем больше площадь электродов батареи, тем больший ток можно получить от нее, и в зависимости от материала электродов и количества последовательно соединенных элементов внутри батареи, напряжение, производимое батареей, может меняться.
В случае литий-ионных батарей, например, стандартное напряжение на элемент составляет 3,7 вольта, а может достигать 4,2 вольта. Положительно заряженные ионы лития перемещаются в электролите от анода из меди и графита (-) к катоду из алюминия (+) во время разряда и от катода к аноду во время заряда, где под действием зарядного тока батареи образуется связь литий-графит, в результате чего энергия сохраняется в виде химического соединения.
Электролитические конденсаторы работают аналогичным образом, отличаясь от батарей тем, что имеют меньшую электрическую емкость, но большее количество циклов заряда-разряда.
В случае литий-ионных батарей срок службы ограничен максимум 1000 циклами заряда-разряда, а удельная энергоемкость достигает 250 Втч/кг. С другой стороны, срок службы электролитических конденсаторов составляет десятки тысяч часов, а их типичная емкость для хранения энергии – менее 0,25 Вт-ч/кг.
Статическое электричество
Если положить шелковую простыню на шерстяное покрывало, хорошо прижать их друг к другу, а затем попытаться разделить, произойдет электризация. Это происходит потому, что трение между телами с различной диэлектрической проницаемостью приводит к разделению зарядов на их поверхностях: материал с большей диэлектрической проницаемостью становится положительно заряженным, а материал с меньшей диэлектрической проницаемостью – отрицательно заряженным.
Чем больше разница в этих параметрах, тем выше уровень электрификации. Когда вы трете ногами шерстяной ковер, вы заряжены отрицательно, а ковер – положительно. Потенциал здесь может достигать десятков тысяч вольт, и прикосновение, например, к водопроводному крану, подключенному к чему-либо заземленному, приведет к поражению электрическим током. Однако, поскольку электрическая емкость ничтожно мала, это неприятное событие не будет представлять большой опасности для вашей жизни.
Другой случай – гальванопластическая машина, в которой статический заряд, создаваемый трением, накапливается в конденсаторе. Заряд, хранящийся в лейденской банке, уже опасен для жизни.
Ключевые термины и определения
Что такое электромагнитное поле
Электромагнитное поле – это особый вид материи, характеризующийся непрерывным распространением в пространстве (электромагнитные волны) и дискретной структурой (фотоны), отличающийся способностью распространяться в вакууме (при отсутствии сильных гравитационных полей), оказывающий силовое воздействие на заряженные частицы в зависимости от их скорости.
Что такое электрический заряд
Электрический заряд – это свойство частиц материи или тел, характеризующее их отношение к собственному электромагнитному полю и взаимодействие с внешним электромагнитным полем. Он имеет два типа, известные как положительный заряд (заряд протона, позитрона и т.д.) и отрицательный заряд (заряд электрона и т.д.). Как величина, она определяется силовым взаимодействием одного заряженного тела с другим заряженным телом.
Что такое заряженная частица?
Заряженная частица – это частица материи, имеющая электрический заряд.
Что такое электрическое поле
Электрическое поле – это одна из двух сторон электромагнитного поля, обусловленная электрическими зарядами и изменениями магнитного поля, которые оказывают силу на заряженные частицы и тела и могут быть обнаружены по действию силы на неподвижные заряженные тела и частицы.
Что такое магнитное поле
Магнитное поле – одна из двух сторон электромагнитного поля, обусловленная электрическими зарядами движущихся заряженных частиц и тел и изменениями в электрическом поле, оказывающая силу на движущиеся заряженные частицы и проявляющаяся в действии силы, нормальной к направлению движения этих частиц и пропорциональной их скорости.
Что такое электрический ток
Электрический ток – это явление движения заряженных частиц и явление изменения электрического поля во времени, сопровождаемое магнитным полем.
Что такое энергия электрического поля?
Энергия электрического поля – это энергия, связанная с электрическим полем и преобразующаяся в другие формы энергии при изменении электрического поля.
Что такое энергия магнитного поля
Энергия магнитного поля – это энергия, связанная с магнитным полем и преобразующаяся в другие формы энергии в результате трех изменений в магнитном поле.
Что такое электромагнитная энергия (электричество)
Электрическая энергия – это энергия электромагнитного поля, которая состоит из энергии электрического поля и энергии магнитного поля.
Из прямого отношения следует, что если мы увеличим напряжение в кратное число раз, то ток увеличится во столько же раз. Обратная пропорция показывает, что если мы увеличим сопротивление в несколько раз, ток уменьшится во столько же раз.
Напряжение
Разность потенциалов между двумя точками внутри электрического поля называется напряжение. Чем больше эта разница, тем больше электроны будут стремиться перейти к веществам с противоположным зарядом. Проще говоря, напряжение – это сила, которая перемещает электроны от одного атома к другому. Напряжение измеряется с помощью вольтметра. В качестве единицы измерения напряжения принят один “вольт” (В). Для удобства используются следующие единицы: микровольт (мкВ, 0,000001 В), милливольт (мВ, 0,001 В), вольт (В, 1 В), киловольт (кВ, 1000 В), мегавольт (МВ, 1000000 В). В схемах и формулах напряжение обозначается буквой “U” (y).
Резистор, вероятно, самый простой из пассивных элементов цепи: как следует из названия, он оказывает сопротивление протекающему через него току, рассеивая электрическую энергию в виде тепла. Сопротивление является следствием потока заряда через проводник: в металлах, например, сопротивление в основном обусловлено столкновением электронов и ионов. Закон Ома является фундаментальным законом теории цепей и гласит, что ток, протекающий через сопротивление, прямо пропорционален разности потенциалов на нем. Сопротивление большинства материалов относительно постоянно в широком диапазоне температур и токов; материалы, удовлетворяющие этим условиям, известны как “омические” материалы. Ом, единица измерения сопротивления, был назван в честь Георга Ома и обозначается греческой буквой Ω. 1 Ом – это сопротивление, которое создает разность потенциалов, равную одному вольту, когда через него протекает ток в один ампер.
Основные термины в электричестве
Электрический заряд
Наличие заряда создает электростатическую силу: заряды действуют друг на друга с силой, этот эффект был известен уже в древние времена, хотя в то время он не был понят. Легкий шарик, подвешенный на нитке, можно зарядить, прикоснувшись к нему стеклянной палочкой, которую предварительно зарядили, потерев о ткань. Аналогичный шар, заряженный той же стеклянной палочкой, отталкивает первый: заряд заставляет два шара разделиться. Два шарика, заряженные от натертого янтарного стержня, также будут отталкиваться друг от друга. Однако если один шарик зарядить от стеклянной палочки, а другой – от янтарной, то эти два шарика начнут притягиваться друг к другу. Эти явления были изучены в конце XVIII века Шарлем Огюстеном де Кулоном, который пришел к выводу, что заряд существует в двух противоположных формах. Это открытие привело к знаменитой аксиоме: одинаково заряженные объекты отталкиваются друг от друга, а противоположно заряженные – притягиваются.
Эта сила действует на сами заряженные частицы, поэтому заряд стремится как можно более равномерно распределиться по проводящей поверхности. Величина электромагнитной силы, будь то притяжение или отталкивание, определяется законом Кулона, который гласит, что электростатическая сила пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Электромагнитное взаимодействие очень сильное; оно уступает только сильному взаимодействию, но, в отличие от последнего, действует на всех расстояниях. По сравнению с гораздо более слабым гравитационным взаимодействием, электромагнитная сила толкает два электрона в 1042 раза сильнее, чем гравитационная сила притягивает их.
Исследование показало, что источником заряда являются определенные типы субатомных частиц, которые обладают свойством электрического заряда. Электрический заряд порождает и взаимодействует с электромагнитной силой, которая является одной из четырех фундаментальных сил природы. Наиболее известными носителями электрического заряда являются электрон и протон. Эксперименты показали, что заряд является неизменной величиной, то есть общий заряд в изолированной системе всегда остается постоянным, независимо от любых изменений, происходящих в этой системе. В системе заряд может передаваться между телами либо при непосредственном контакте, либо путем передачи через проводящий материал, например, провод. Неформальный термин “статическое электричество” относится к наличию чистого заряда (или “дисбаланса” зарядов) на теле, обычно вызванного трением разнородных материалов друг о друга и передачей заряда от одного к другому.
Заряды электронов и протонов имеют противоположный знак, поэтому общий заряд может быть положительным или отрицательным. В соответствии с традицией, заложенной в работах Бенджамина Франклина, заряд, переносимый электронами, считается отрицательным, а заряд, переносимый протонами, – положительным. Величина заряда (количество электричества) обычно обозначается символом Q и выражается в кулонах; каждый электрон несет одинаковый заряд, приблизительно -1,6022 × 10-19 кулонов. Протон имеет заряд, равный по величине и противоположный по знаку, таким образом, + 1,6022 × 10-19 Кулона. Не только материя имеет заряд, но и антиматерия имеет заряд; каждая античастица имеет такой же заряд, но противоположный по знаку заряду соответствующей частицы.
Заряд можно измерить несколькими способами: Ранний прибор, электроскоп с золотыми лепестками, который, хотя и используется до сих пор для дидактических демонстраций, в настоящее время заменен электронным электрометром.
Электрический ток
Движение электрических зарядов называется электрическим током, а его сила обычно измеряется в амперах. Ток может производиться любой движущейся заряженной частицей; наиболее распространенными являются электроны, но в принципе любой заряд, приведенный в движение, представляет собой ток.
Согласно исторической традиции, положительный ток определяется направлением движения положительных зарядов, текущих от более положительной части цепи к более отрицательной. Ток, определенный таким образом, называется условным током. Одной из наиболее знакомых форм тока является движение отрицательно заряженных электронов по цепи, поэтому положительное направление тока – это направление, противоположное движению электронов. Однако, в зависимости от условий, электрический ток может состоять из потока заряженных частиц, движущихся в любом направлении, или даже в обоих направлениях одновременно. Чтобы упростить эту ситуацию, принято думать о направлении положительных зарядов как о положительном направлении тока.
Процесс, при котором электрический ток проходит через материал, называется электропроводностью, и его природа зависит от того, какие заряженные частицы переносятся током и через какой материал они движутся. Примерами электрических токов являются металлическая проводимость, реализуемая потоком электронов через проводник, такой как металл, и электролиз, реализуемый потоком ионов (заряженных атомов) через жидкость или плазму, как в случае электрической искры. Хотя сами частицы могут двигаться очень медленно, иногда со средней скоростью дрейфа всего в доли миллиметра в секунду, электрическое поле, которое приводит их в движение, распространяется со скоростью, близкой к скорости света, позволяя быстро передавать электрические сигналы по проводам.
Этот ток производит ряд наблюдаемых эффектов, которые исторически являются признаком его присутствия. Способность воды разлагаться под воздействием тока от гальванического столба была открыта Николсоном и Карлайлом в 1800 году. Сейчас этот процесс известен как электролиз. Их работа была значительно расширена Майклом Фарадеем в 1833 году. Ток, проходящий через сопротивление, вызывает локальный нагрев. Этот эффект был математически описан Джеймсом Джоулем в 1840 году. Одно из самых важных открытий в области электричества было случайно сделано Эрстедом в 1820 году, когда во время подготовки лекции он обнаружил, что ток, протекающий по проводу, заставляет вращаться стрелку магнитного компаса. Так он открыл электромагнетизм – фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитного излучения, создаваемого электрической дугой, достаточно высок, чтобы генерировать электромагнитные помехи, которые могут повредить соседнее оборудование. Он открыл электромагнетизм – фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитного излучения, создаваемого электрической дугой, достаточно высок, чтобы генерировать электромагнитные помехи, которые могут вызвать помехи в работе близлежащего оборудования.
В технических или бытовых приложениях ток часто называют постоянным током (DC) или переменным током (AC). Эти термины относятся к тому, как ток изменяется с течением времени. Постоянный ток, вырабатываемый, например, батареей и необходимый в большинстве электронных устройств, представляет собой однонаправленный поток от положительного потенциала цепи к отрицательному. Если этот ток, что случается чаще, переносится электронами, то они будут двигаться в противоположном направлении. Переменный ток – это любой ток, который постоянно меняет направление; он почти всегда имеет синусоидальную форму. Переменный ток пульсирует туда-сюда внутри проводника, не перемещая заряд на конечное расстояние в течение длительного периода времени. Усредненное по времени значение для переменного тока равно нулю, но он передает энергию сначала в одном, а затем в противоположном направлении. Переменный ток зависит от электрических свойств, которые не проявляются в режиме постоянного тока, таких как индуктивность и емкость. Однако эти свойства могут проявиться, когда цепь подвергается переходным процессам, например, во время первоначальной подачи питания.
Электрическое поле
Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем. Электрическое поле генерируется заряженным телом в окружающем его пространстве и создает силу, действующую на другие заряды в поле. Электрическое поле действует между двумя зарядами так же, как гравитационное поле между двумя массами, оно также простирается до бесконечности и обратно пропорционально квадрату расстояния между телами. Однако есть важное отличие. Гравитация всегда притягивает, заставляя две массы двигаться ближе друг к другу, тогда как электрическое поле может вызывать как притяжение, так и отталкивание. Поскольку крупные тела, такие как планеты, обычно имеют нулевой суммарный заряд, их электрическое поле на расстоянии обычно равно нулю. Таким образом, гравитация является доминирующей силой на больших расстояниях во Вселенной, хотя сама она намного слабее.
Электрическое поле имеет тенденцию меняться в различных точках пространства, и его напряженность в любой точке определяется как сила (отнесенная к единице заряда), которую испытывал бы неподвижный, незначительный заряд, если бы был помещен в эту точку. Абстрактный заряд, называемый “пробным”, должен иметь пренебрежимо малую величину, чтобы можно было пренебречь его собственным электрическим полем, интерферирующим с полем Земли, и он должен быть неподвижным (стационарным), чтобы исключить влияние магнитных полей. Поскольку электрическое поле определяется в терминах силы, а сила является вектором, электрическое поле также является вектором, имеющим как величину, так и направление. Более точно, электрическое поле – это векторное поле.
Наука об электрических полях, создаваемых неподвижными зарядами, называется электростатикой. Поле можно представить в виде набора воображаемых линий, направление которых в любой точке пространства совпадает с направлением поля. Это понятие было введено Фарадеем, а термин “линии поля” иногда встречается и сегодня. Линии поля – это пути, по которым точечный положительный заряд будет совершать движение под действием поля. Однако они являются абстракцией, а не физическим объектом, и поле пронизывает все промежуточное пространство между линиями. Линии поля, исходящие от неподвижных зарядов, обладают несколькими ключевыми свойствами: во-первых, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных; во-вторых, они должны входить в идеальный проводник под прямым углом (по нормали); и в-третьих, они никогда не пересекаются и не замыкаются.
Полое проводящее тело содержит весь свой заряд на внешней поверхности. Поэтому поле равно нулю во всех точках внутри тела. По этому принципу работает клетка Фарадея – металлическая оболочка, изолирующая внутреннюю часть от внешних электрических воздействий.
Принципы электростатики важны при проектировании высоковольтных компонентов. Существует конечный предел напряженности электрического поля, которое может выдержать любой материал. При превышении этого значения происходит электрический пробой, что приводит к образованию дуги между заряженными частями. Например, в воздухе электрический пробой происходит в небольших зазорах, когда напряженность электрического поля превышает 30 кВ на сантиметр. При увеличении зазора конечное напряжение пробоя снижается примерно до 1 кВ на сантиметр. Наиболее заметным таким природным явлением является молния. Он образуется, когда заряды распределяются в облаках поднимающимися столбами воздуха и электрическое поле в воздухе начинает превышать значение пробоя. Напряжение большого грозового облака может достигать 100 МВ, а энергия разряда – 250 кВтч.
Напряженность поля сильно зависит от близлежащих проводящих объектов, и интенсивность особенно высока, когда поле должно огибать остроконечные объекты. Этот принцип используется в молниеотводах, чьи острые шпили заставляют молнию разряжаться в них, а не в здания, которые они защищают.
Электрический потенциал
Понятие электрического потенциала тесно связано с электрическим полем. Маленький заряд, помещенный в электрическое поле, испытывает силу, и для перемещения заряда против этой силы требуется работа. Электрический потенциал в любой точке определяется как энергия, необходимая для перемещения очень медленно движущегося пробного заряда из бесконечности в эту точку. Потенциал обычно измеряется в вольтах, а потенциал в один вольт – это потенциал, при котором для перемещения заряда массой в один кулон из бесконечности требуется работа в один джоуль. Это формальное определение потенциала имеет мало практического применения; более полезным является понятие разности электрических потенциалов, которая представляет собой энергию, необходимую для перемещения единицы заряда между двумя заданными точками. Электрическое поле имеет одну особенность – оно консервативно, что означает, что путь, пройденный пробным зарядом, не имеет значения: ему всегда потребуется одинаковая энергия для прохождения всех возможных путей между двумя заданными точками, поэтому существует единственное значение разности потенциалов между двумя позициями. Вольт настолько прочно утвердился в качестве единицы измерения и описания разности электрических потенциалов, что термин “вольт” используется широко и повсеместно.
Для практических целей полезно определить общую точку отсчета, относительно которой можно выражать и сравнивать потенциалы. Хотя это может быть на бесконечности, гораздо практичнее использовать саму Землю, которая, как предполагается, имеет одинаковый потенциал во всех точках, в качестве нулевого потенциала. Эта точка отсчета, естественно, называется “Земля”. Земля является бесконечным источником равного количества положительных и отрицательных зарядов, поэтому она электрически нейтральна и незаряжена.
Электрический потенциал – это скалярная величина, т.е. он имеет только значение и не имеет направления. Это можно рассматривать как аналогию с высотой: как отпущенный предмет будет падать за счет разницы высот, вызванной гравитационным полем, так и заряд будет “падать” за счет напряжения, вызванного электрическим полем. Подобно тому, как на картах топография очерчивается контурными линиями, соединяющими точки равной высоты, вокруг электростатически заряженного объекта можно провести набор линий, соединяющих точки равного потенциала (называемые эквипотенциалами). Эквипотенциалы пересекают все линии сил под прямым углом. Они также должны лежать параллельно поверхности проводника, иначе возникает сила, которая перемещает носители заряда вдоль эквипотенциальной поверхности проводника.
Электрическое поле формально определяется как сила, действующая на единицу заряда, но понятие потенциала дает более полезное и эквивалентное определение: электрическое поле – это локальный градиент электрического потенциала. Обычно он выражается в вольтах на метр, а направление вектора поля – линия наибольшего изменения потенциала, то есть в сторону ближайшего положения второго эквипотенциала.
Электромагниты
Открытие Эрстедом в 1821 году существования магнитного поля вокруг всех сторон проводника, в котором течет электрический ток, показало, что между электричеством и магнетизмом существует прямая связь. Более того, это взаимодействие казалось отличным от гравитационных и электростатических сил – двух сил природы, известных в то время. Сила, действующая на иглу компаса, не направляет ее к проводу с током или от него, а действует под прямым углом к нему. В несколько туманных словах “электрический конфликт имеет вращательное поведение” Эрстед выразил свое наблюдение. Сила также зависела от направления тока, так как если ток менял направление, магнитная сила также меняла его.
Эрстед не до конца понял свое открытие, но эффект, который он наблюдал, был взаимным: ток оказывает силу на магнит, а магнитное поле оказывает силу на ток. В дальнейшем это явление было изучено Ампером, который обнаружил, что два параллельных проводника, в которых текут токи, взаимодействуют под действием силы: два проводника, в которых токи текут в одном направлении, притягиваются друг к другу, а те, в которых токи текут в противоположных направлениях, отталкиваются друг от друга. Это взаимодействие происходит через магнитное поле, которое создает каждый ток, и на основе этого явления единицей измерения тока является ампер в Международной системе единиц.
Эта взаимосвязь между магнитными полями и токами чрезвычайно важна, поскольку она привела к изобретению Майклом Фарадеем электрического двигателя в 1821 году. Его униполярный двигатель состоял из постоянного магнита, помещенного в сосуд с ртутью. Ток протекал через проволоку, подвешенную на вращающемся подвесе над магнитом и погруженную в ртуть. Магнит воздействовал на провод по касательной, заставляя его вращаться вокруг магнита до тех пор, пока в проводе поддерживался ток.
Эксперимент, проведенный Фарадеем в 1831 году, показал, что провод, движущийся перпендикулярно магнитному полю, создает разность потенциалов на своих концах. Дальнейший анализ этого процесса, названного электромагнитной индукцией, позволил ему сформулировать принцип, известный сегодня как закон индукции Фарадея, согласно которому разность потенциалов, наведенная в замкнутой цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего цепь. Развитие этого открытия позволило Фарадею изобрести в 1831 году первый электрический генератор, преобразующий механическую энергию вращающегося медного диска в электрическую. Диск Фарадея был неэффективен и не использовался в качестве практического генератора, но он показал возможность получения электричества с помощью магнетизма, и эта возможность была использована теми, кто следовал его проектам.
Электрохимия
Способность химических реакций генерировать электричество и наоборот, способность электричества генерировать химические реакции имеет широкий спектр применения.
Электрохимия всегда была важной частью изучения электричества. От первоначального изобретения вольтова столба гальванические элементы развились в широкий спектр типов батарей, гальванических элементов и электролизных элементов. Алюминий в огромных количествах получают путем электролиза, а многие портативные электронные устройства используют перезаряжаемые источники электроэнергии.
Электрические цепи
Электрическая цепь – это комбинация электрических компонентов, благодаря которой электрический заряд, вынужденный двигаться по замкнутому пути (цепи), обычно выполняет ряд полезных задач.
Компоненты в электрической цепи могут принимать различные формы, выступая в качестве таких элементов, как резисторы, конденсаторы, переключатели, трансформаторы и электронные компоненты. Электронные схемы содержат активные компоненты, такие как полупроводники, которые обычно работают нелинейно и требуют использования сложного анализа. Простейшие электрические компоненты называются пассивными и линейными: хотя они могут временно накапливать энергию, они не содержат источников энергии и работают в линейном режиме.
Резистор, вероятно, самый простой из пассивных компонентов схемы: как следует из названия, он противодействует протекающему через него току, рассеивая электрическую энергию в виде тепла. Сопротивление является следствием протекания заряда через проводник: в металлах, например, сопротивление в основном вызвано столкновением электронов и ионов. Закон Ома является фундаментальным законом теории цепей и гласит, что ток, протекающий через сопротивление, прямо пропорционален разности потенциалов на нем. Сопротивление большинства материалов относительно постоянно в широком диапазоне температур и токов; материалы, удовлетворяющие этим условиям, известны как “омические” материалы. Ом, единица измерения сопротивления, была названа в честь Георга Ома и обозначается греческой буквой Ω. 1 Ом – это сопротивление, которое создает разность потенциалов, равную одному вольту, когда через него протекает ток в один ампер.
Конденсатор – это улучшенная версия лейденской банки и представляет собой устройство, которое может накапливать заряд и, таким образом, электрическую энергию в генерируемом поле. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных тонким изолирующим диэлектрическим слоем; на практике это пара тонких полосок металлической фольги, обернутых вместе для увеличения площади поверхности на единицу объема и, следовательно, емкости. Единицей емкости является фарад, названный в честь Майкла Фарадея и обозначаемый символом F: один фарад – это емкость, которая создает разность потенциалов в один вольт, сохраняя при этом заряд в один кулон. Первоначально через конденсатор, подключенный к источнику питания, протекает ток, поскольку в конденсаторе накапливается заряд; однако по мере зарядки конденсатора этот ток будет уменьшаться и в конце концов достигнет нуля. Поэтому конденсатор не пропускает постоянный ток, а блокирует его.
Индуктивность – это проводник, обычно моток проволоки, который накапливает энергию в магнитном поле, создаваемом при протекании через него тока. Когда ток изменяется, магнитное поле также изменяется, создавая напряжение между концами проводника. Индуцированное напряжение пропорционально скорости изменения тока. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью. Единицей измерения индуктивности является генри, названный в честь Джозефа Генри, современника Фарадея. Индуктивность Генри – это индуктивность, которая вызывает разность потенциалов в один вольт при скорости изменения протекающего через нее тока в один ампер в секунду. Поведение индуктора противоположно поведению конденсатора: он свободно пропускает постоянный ток и блокирует быстро меняющийся ток.
Электрическая энергия
Электрическая мощность – это скорость передачи электрической энергии по электрической цепи. Единицей мощности в СИ является ватт, равный одному джоулю в секунду.
Электрическая мощность, как и механическая, – это скорость совершения работы, измеряется в ваттах и обозначается буквой P. Термин “потребляемая мощность”, используемый в разговорной речи, означает “электрическая мощность в ваттах”. Электрическая мощность в ваттах, производимая электрическим током I, равным прохождению заряда Q кулонов каждые t секунд через разность электрических потенциалов (напряжение) V, равна
Читайте далее:- Многоликий протон.
- 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
- Атомная структура.
- Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда.
- Как работают атомы.
- Значение слова 'потенциал' в 9 словарях.
- Определение количества нейтронов, протонов и электронов в атоме.