Подписаться

Электричество

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:24:59 Править

Физические явления, связанные с наличием и прохождением электрического заряда Множественные удары молнии по городу ночью Молния - одно из самых драматических эффектов электричества.

Электричество - это набор физических явлений, связанных с присутствием и движением материи, которая имеет свойство электрический заряд. Электричество связано с магнетизмом, причем оба они являются частью явления электромагнетизм, как описано уравнениями Максвелла. С электричеством связаны общие явления, в том числе молния, статическое электричество, электрический нагрев, электрические разряды и многие другие.

Наличие электрического заряда, которое может быть как положительным, так и отрицательным, создает электрическое поле. Движение электрических зарядов представляет собой электрический ток и создает магнитное поле.

. Когда заряд помещается в место с ненулевым электрическим полем, сила будет действовать в соответствии с этим. Величина этой силы определяется законом Кулона. Если заряд движется, электрическое поле будет выполнять работу с электрическим зарядом. Таким образом, мы можем говорить об электрическом потенциале в данном переносном пространстве, которое соответствует работе, соответствующему внешнему агенту единицы положительного заряда из произвольно выбранной точки отсчета в эту точку без какого-либо ускорения. и обычно измеряется в вольтах.

Электричество лежит в основе многих современных технологий и используется для:

Электрические явления изучались с древних времен, хотя прогресс в теоретическом понимании оставался медленным до семнадцатого и восемнадцатого веков. Теорияагнетизма была отключена в 19 веке, к концу этого века электричество было введено в должность в помещениях инженерами-электриками. Быстрое развитие электрических технологий в это время преобразовало промышленность и общество, став мощной силой Второй промышленной революции. Необычайная универсальность электричества означает, что его можно использовать в практически неограниченном наборе приложений, включая транспорт, отопление, освещение, связь и вычисление. Электроэнергия сейчас является источником современного индустриального общества.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Концепции
    • 2.1 Электрический заряд
    • 2.2 Электрический ток
    • 2.3 Электрическое поле
    • 2.4 Электрический потенциал
    • 2,5 Электромагниты
    • 2, 6 Электрохимия
    • 2,7 Электрические цепи
    • 2,8 Электроэнергия
    • 2,9 Электроника
    • 2,10 Электромагнитная волна
  • 3 Производство и использование
    • 3,1 Производство и передача
    • 3,2 Области применения
  • 4 Электричество и мир
    • 4.1 Физиологические эффекты
    • 4.2 Электрические явления в природе
  • 5 Культурное восприятие природы
  • 6 См. Также
  • 7 Примечания
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки

История

Бюст бородатого мужчины с растрепанными волосами Фалес, самый ранний известный исследователь электричества

Задолго до того, как появились какие-либо знания об электричестве, люди знали о ударах от электрической рыбы. Древнеегипетские тексты, датируемые 2750 г. до н.э., называют эту рыбу «Громовержец Нила » и описывают ее как «защитников» всех других рыб.. Спустя тысячелетия о электрических рыбах снова сообщили древнегреческие, римские и арабские натуралисты и врачи. Несколько древних авторов, такие как Плиний Старший и Скрибоний Ларг, засвидетельствовали ошеломляющее действие электрическое шока, нанесенное электрическое сомом и электрическое лучи, и знал, что такие разряды могут проходить по проводящим объектомм. Пациентам, страдающим такими недугами, как подагра или головная боль, приказывали прикоснуться к электрической рыбе в надежде, что мощный толчок их вылечит.

Древние культуры вокруг знали, что это некоторые предметы, такие как стержни из янтаря, можно натирать кошачьей шерстью, чтобы привлечь легкие предметы, например перья. Фалес Милетский провел серию наблюдений статического электричества около 600 г. до н.э., из которых полагается, что трение делает янтарь магнитным в отличие от таких минералов, как магнетит, не требующий шлифовки. Фалес ошибался, полагая, что притяжение вызвано магнитным эффектом, но более поздняя наука доказала связь между магнетизмом и электричеством. Согласно спорной теории, парфяне, возможно, имели знаний о гальванический, основанный на 1936 открытие багдадской батарея, напоминающая гальваническая ячейка, хотя неясно, имел ли артефакт электрическую природу.

Поясной портрет лысого, несколько дородного человека в трех костюм. Бенджамин Франклин провел обширное исследование электричества в 18, как указано в Джозефе Пристли (1767). и «Настоящее состояние электричества», с которым Франклин велную переписку.

Электричество оставалось не более чем интеллектуальным курьезом на протяжении тысячелетий до 1600 года, когда английский ученый Уильям Гилберт написал Де Магнете, в которой он провел тщательное исследование электричества и магнетизма, отличив магнитный камень от статического электричества, развивающего при трении янтаря. Он придумал новолатинское слово electricus («янтарь» или «подобный янтарь», от ἤλεκτρον, электрон, греческое слово, означающее «янтарь») для обозначения свойств притяжения мелкие предметы после роста. Эта ассоциация породила английские слова «электрический» и «электричество», которые впервые появились в печати в Томасе Брауне Pseudodoxia Epidemica 1646 года.

Дальнейшие работы проводились в 17 и начале 18 веков Отто фон Герике, Робертом Бойлем, Стивеном Греем и К. Ф. дю Фэй. Позже, в 18 веке, Бенджамин Франклин провел обширные исследования в области электричества, продав свое имущество для финансирования своей работы. В июне 1752 года он, как говорят, прикрепил металлический ключ к нижней части смоченной струны воздушной змеи и запустил воздушную змея в грозовом небе. Последовательность искр, прыгающих от ключа к тыльной стороне его руки, что молния действительно имела электрическую природу. Он также объяснил парадоксальное поведение лейденской банки как устройство для хранения большого количества электрического заряда в виде электричества, состоящего как из положительных, так и из отрицательных зарядов.

Портрет маслом в пояс, изображающий человека в темном костюме Открытия Майкла Фарадея положили начало технологии электродвигателей

В 1791 году Луиджи Гальвани опубликовал свое открытие биоэлектромагнетизма, что электричество было средой, с помощью которой нейроны передавали сигналы батарея Алессандро Вольта, или гальваническая батарея, 1800 г., сделанная из чередующихся людей цинка и меди, предоставила ученым более надежный источник электрической энергии, чем электростатические машины бывшие в употреблении. Признание электромагнетизма, единства электрических и магнитных явлений, произошло благодаря Гансу Кристиану Эрстеду и Андре-Мари Ампера в 1819–1820 гг. Майкл Фарадей изобрел электродвигатель в 1821 году, а Георг Ом математически проанализировал электрическую цепь в 1827 году. Электричество и магнетизм (и свет) были окончательно связаны между собой Джеймс Клерк Максвелл, в частности, в его «О физических силовых линиях » в 1861 и 1862 годах.

Хотя в начале 19 века в электротехнике наблюдался быстрый прогресс, конец 19 века стал свидетелем величайшего прогресса в электротехнике. Через таких людей, как Александр Грэм Белл, Отто Блати, Томас Эдисон, Галилео Феррарис, Оливер Хевисайд, Аньос Йедлик, Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин, Чарльз Алджернон Парсонс, Вернер фон Сименс, Джозеф Свон, Реджинальд Фессенден, Никола Тесла и Джордж Вестингауз, электричество превратилось из научного любопытства в важный инструмент современной жизни.

В 1887 году Генрих Герц обнаружил, что электроды, освещенные ультрафиолетовым светом, легче электрические искры. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью, в которой объяснил экспериментальные данные по фотоэлектрическому эффекту как результат того, что световая энергия переносится в дискретных квантованных пакетах, возбуждая электроны. Это открытие привело к квантовой революции. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году за «открытие закона фотоэлектрического эффекта». Фотоэлектрический эффект также используется в фотоэлементах, таких как солнечные панели, и он часто используется для коммерческого производства электроэнергии.

Первым твердотельным оказался был «детектор кошачьих усов », впервые использованный в 1900-х годах в радиоприемниках. Проволока в форме усов соприкасается с твердым кристаллом (таким как кристалл германия ) для обнаружения радио сигнала за счет эффекта контактного перехода. В твердотельном компоненте ток ограничен твердыми элементами и соединениями, специально разработанными для его переключения и усиления. Поток тока можно понимать в двух формах: как положительно заряженные электроны и как положительно заряженные дефициты электронов, называемые дырками. Эти заряды и дыры понимаются с точки зрения квантовой физики. Строительный материал чаще всего представляет собой кристаллический полупроводник.

Твердотельная электроника получила признание с появлением технологии транзисторов. Первый рабочий транзистор на основе германия точечно-контактный транзистор был изобретен Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном в Bell Labs в 1947 году, за нимал последовал транзистор с биполярным переходом в 1948 году. Эти ранние транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно в условиях массового производства. За ними последовали кремниевые MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор), изобретенный Мохамедом М. Аталлой и Давон Кан в Bell Labs в 1959 году. Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого диапазона применений, что привело к кремниевой революции. Твердотельные устройства стали преобладать с 1960-х годов, с переходом от электронных ламп к полупроводниковым диодам, транзисторам, микросхемам (IC), полевым МОП-транзисторам, и светодиодная (LED) технология.

Самым распространенным электронным является полевой МОП-транзистор, который стал самым широко производимым в истории. Обычные твердотельные МОП-устройства включают в себя микропроцессорные микросхемы и полупроводниковую память. Особый тип полупроводниковой памяти - это флэш-память, которая используется в USB-накопителях и мобильных устройств, а также в твердотельных накопителях ( SSD) технология для замены механически вращающегося магнитного диска жесткого диска (HDD).

Концепции

Электрический заряд

У прозрачного стеклянного купола есть внешний электрод, который через стекло соединяется с парой золотых листов. Заряженный стержень касается внешнего электрода и заставляет листья отталкиваться. Заряд на электроскопе с золотым листом заставляет листья заметно отталкиваться друг от друга

Наличие заряда вызывает электростатическая сила: заряды вызывают силу друг на друга, эффект, который был известен, но не изучен в древности. Легкий шар, подвешенный на веревке, можно зарядить, коснувшись его стеклянным стержнем, который сам заряжается путем трения тканью. Обнаруживается, что он отталкивает первый: этот заряд заставляет два шара разойтись. Два шара, заряженные натертым янтарным стержнем, также отталкиваются друг от друга. Однако, если один шар заряжается стеклянным стержнем, другой - янтарным, оказывается, что два шара притягиваются друг к другу. Эти явления исследовал в конце восемнадцатого века Шарль-Огюстен де Кулон, который пришел к выводу, что обвинение проявляется в двух противоположных формах. Это открытие привело к хорошо известной аксиоме: объекты с одинаковым зарядом отталкиваются, а объекты с противоположным зарядом притягиваются.

Сила действует на сами заряженные частицы, следовательно, заряд тенденцийяться как можно более равномерно по проводящей поверхности. Величина электромагнитной силы, притягивающей или отталкивающей, имеет закон Кулона, который связывает с произведением зарядов и силу обратный квадрат к расстоянию между ними. Электромагнитная сила очень сильна, уступая только по силе сильному взаимодействию, но, в отличие от этой силы, она действует на всех расстояниях. По сравнению с гораздо более слабой гравитационная сила, электромагнитная сила, отталкивающая два электрона, в 10 раз больше, чем гравитационное притяжение, стягивающее вместе.

Исследование показало, что источник заряда происходит от определенных типов субатомных частиц, обладающих своим электрическим зарядом. Электрический заряд порождает электромагнитную силу, одну из четырех фундаментальных сил природы, и взаимодействует с ней. Наиболее известными переносчиками электрического тока являются электрон и протон. Эксперимент показал, что является зарядом сохраняющейся величиной, то есть чистой заряд в электрической изолированной системе, всегда будет оставаться постоянным независимо от любых изменений, происходящих в этой системе. Внутри системы заряд может передаваться между телами либо путем контакта прямого, либо прохождения по проводящему материалу, например по проводу. Неформальный термин статическое электричество относится к чистому наличию (или «дисбалансу») заряда на теле, обычно вызываемому трением разнородных материалов между собой, передавая заряд от одного к другому.

Заряд электронов и протонов имеет противоположный знак, следовательно, величина заряда может быть выражена как отрицательная или положительная. По соглашению, заряд, переносимый электронами, считается отрицательным, заряд протонов - положительным, что возникло в результате работы Бенджамина Франклина. Величина заряда обычно обозначается символом Q и выражается в кулонах ; каждый электрон несет одинаковый заряд примерно -1,6022 × 10 кулон. Протон имеет заряд, равный и противоположный, и, следовательно, +1,6022 × 10 кулонов. Зарядом не обладает только материя, но антивещество, каждая античастица несет равный и противоположный заряд частице.

Заряд можно измерить средствами, одним из первых инструментов был электроскоп с золотым листом, который, хотя до сих пор используется для демонстраций в классе, был заменен электронным электрометром.

Электрический ток.

Движение электрического заряда известно как электрический ток, сила которого обычно измеряется в амперах. Ток может состоять из любых движущихся заряженных частиц; чаще всего это электроны, но любой движущийся заряд представляет собой ток. Электрический ток может протекать через некоторые предметы, электрические проводники, но не может протекать через электрический изолятор.

Согласно историческим традициям положительный ток определяет как имеющий то же направление потока, что и любой положительный заряд, который он содержит, или течь от наиболее положительной части цепи к наиболее отрицательной. Определенный таким образом ток называется условным током. Таким образом, движение отрицательно заряженных электронов по электрической цепи, одной из наиболее известных форм тока, считается положительным в направлении, противоположном движению электронов. Однако, в зависимости от условий, электрический ток может состоять из потока заряженных частиц в любом направлении или даже в обоих направлениях одновременно. Для упрощения этой ситуации широко используется переход от положительного к отрицательному.

Две металлические проволоки образуют перевернутую V-образную форму. Между их кончиками течет ослепительно яркая оранжево-белая электрическая дуга. электрическая дуга обеспечивает энергетическую демонстрацию электрического тока

Процесс, посредством которого электрический ток проходит через материал, называется электрическая проводимостью, и его природа зависит от заряженных частиц и материала, через который они движутся. Примеры электрических токов включают металлическую проводимость, когда электроны проходят через проводник, такой как металл, и электролиз, где ионы (заряженные атомы ) протекают через жидкости или плазму, например электрические искры. Хотя сами частицы могут двигаться довольно медленно, иногда со средней дрейфовой скоростью, составляющей доли миллиметра в секунду, электрическое поле, которое их движет, само распространяется на скорости, близкой к скорость света, позволяющая электрическим сигналам быстро проходить по проводам.

Ток вызывает несколько наблюдаемых эффектов, которые исторически были средством распознавания его присутствия. То, что вода может разлагаться под действием тока от гальванической батареи, было обнаружено Николсоном и Карлайлом в 1800 году, этот процесс теперь известен как электролиз. Их работа была значительно расширена Майклом Фарадеем в 1833 году. Ток через сопротивление вызывает локальное нагревание, эффект Джеймс Прескотт Джоуль математически изучал в 1840 году. Наиболее важные открытия, связанные с током, были сделаны случайно Гансом Кристианом Орстедом в 1820 году, когда, готовя лекцию, он стал свидетелем того, как ток в проводе мешал стрелке магнитного компаса. Он открыл электромагнетизм, фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнетизмом. Уровень электромагнитного излучения, создаваемого электрической дугой, достаточно высок, чтобы вызвать электромагнитные помехи, которые могут нанести ущерб работе соседнего оборудования.

В инженерном или домашнем хозяйстве В приложениях ток часто описывается как постоянный ток (DC) или переменный ток (AC). Эти термины относятся к тому, как ток изменяется во времени. Постоянный ток, вырабатываемый, например, от батареи и требуемый большинством электронных устройств, представляет собой однонаправленный поток от положительной части цепи к отрицательной. Если, как это обычно бывает, этот поток переносится электронами, они будут двигаться в противоположном направлении. Переменный ток - это любой ток, который постоянно меняет направление; почти всегда это принимает форму синусоидальной волны. Таким образом, переменный ток пульсирует взад и вперед внутри проводника, при этом заряд не перемещается на какое-либо расстояние с течением времени. Усредненное по времени значение переменного тока равно нулю, но он передает энергию сначала в одном направлении, а затем в обратном. Напеременный ток, электрические, которые не наблюдаются при установившемся режиме постоянный ток, такие как свойства индуктивность и емкость. Однако эти свойства могут стать важными, когда схема подвергается переходным процессам, например, при первом включении.

Электрическое поле

Концепция электрического поля была введена Майклом Фарадеем. Электрическое поле создается заряженным телом в поле, которое его окружает, и приводит к силе, действующей на любые другие заряды, помещенные в поле. Электрическое поле зависимости между двумя зарядами аналогично тому, как гравитационное поле действует между двумя массами , и через него, простирается к бесконечности и показывает обратную квадратичную от расстояния. Однако есть важное отличие. Гравитация всегда действует как притяжение, сближая две массы, в то время как электрическое поле может вызвать притяжение, либо отталкивание. Электрическое поле на расстоянии обычно равно нулю, обычно не большие тела, такие как планеты. Таким образом, гравитация является доминирующей на расстоянии во Вселенной, несмотря на то, что она намного слабее.

Силовые линии, исходящие от положительного заряда заряда

Электрическое поле обычно устанавливается в поле зрения, и его сила в любой точке равна как сила (на единицу заряда), которую чувствовал бы неподвижный, незначительный заряд. поместили в эту точку. Концептуальный заряд, называемый «пробным зарядом », должен быть исчезающе малым, чтобы предотвратить возмущение его собственным полемом основного поля, а также должен быть стационарным, чтобы предотвратить действие магнитных полей. Электрическое поле определяется в терминах силы, а сила - это вектор , имеющий как влияние, так и направление, поэтому следует что электрическое поле является векторным полем.

Изучение электрических полей, создаваемых стационарными зарядами, называется электростатикой. Поле может быть визуализировано набором воображаемых линий, направление которого в любой точке совпадает с направлением поля. Эта концепция была введена Фарадеем, чей термин «силовые линии » все еще иногда находит применение. Линии поля - это путь, по которому он был вынужден двигаться внутри поля; однако они представляют собой воображаемую концепцию, не имеющую физического присутствия, и поле пронизывает все промежуточное пространство между линиями. Силовые линии, исходящие от стационарных зарядов, они используются ключевыми свойствами: во-первых, они возникают при положительных зарядах и заканчиваются при отрицательных зарядах; во-вторых, они должны входить в любой хороший проводник под прямым углом, и в-третьих, чтобы они никогда не пересекались к другу.

Полое проводящее несет весь свой заряд на своей внешней поверхности. Следовательно, поле равно нулю во всех точках тела. 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. За пределами этой точки возникает электрическая пробой, и электрическая дуга вызывает пробой между заряженными частями. Воздух, например, тенденцию образовывать дугу через небольшие промежутки при напряженности электрического поля, превышающую 30 кВ на сантиметр. На больших зазорах его прочность на пробой ниже, возможно, 1 кВ на сантиметр. Наиболее заметным естественным явлением этот молния, увеличивающая, когда заряд разделяется в облаках восходящими столбами воздуха, увеличивает электрическое поле в воздухе до уровня, превышающего его способность выдерживать. Напряжение большого облака молнии может достичь 100 МВ и энергию разряда до 250 кВтч.

На напряженность поля сильно влияют близлежащие проводящие объекты, и она особенно интенсивна, когда ее заставляют. огибать остроконечные предметы. Этот используется принцип в молниеотводе, острое острие обеспечивает достижение удара молнии в нем, а не в здании, которое служит для защиты

Электрический потенциал

Две батарейки AA имеют на одном конце знак «плюс». Пара ячеек AA. Знак + указывает полярность разности потенциалов между клеммами аккумулятора.

Концепция электрического контакта соединяет с концепцией электрического поля. Небольшой заряд, помещенный в электрическое поле, испытывает силу, и для того, чтобы подвести этот заряд к этой точке против силы, требуется работа. Электрический потенциал в любой точке определяется как энергия, необходимая для медленного переноса тестового заряда с бесконечного расстояния в эту точку. Обычно он измеряется в вольт, один вольт - это потенциал, при котором один джоуль работы должен быть затрачен, чтобы вызвать заряд в один кулон из бесконечности. Это определение, хотя и формальное, имеет мало практического применения, и более полезную концепцию представляет собой концепцию разности электрических потенциалов, которая представляет собой функцию, предназначенную для перемещения единичного заряда двумя указанными точками. Электрическое поле имеет особое свойство: консервативное, что означает, что путь, пройденный испытательным зарядом, не имеет значения: все пути между указанными точками расходуют одинаковую энергию и, следовательно, уникальное для разности потенциалов. можно констатировать. Вольт обозначен как единица выбора для измерения и описания электрических потенциалов, термин напряжение находит более широкое повседневное использование.

Для практических целей определить общую точку отсчета, с помощью которой можно выражать и сравнивать потенциалы. Хотя это может быть бесконечность, гораздо более полезной ссылкой является сама Земля, которая, как обязана, везде имеет одинаковый потенциал. Эта контрольная точка носит название земля или земля. Предполагается, что Земля представляет собой бесконечное количество положительного и отрицательного заряда и, следовательно, электрически незаряжена - и не заряжается.

Электрический потенциал - это скалярная величина, то есть она имеет только величину, а не направление. Его можно рассматривать как аналог height : точно так же, как выпущенный объект упадет через высоту в высоте, вызванную гравитационным полем, так и заряд «упадет» на напряжение, вызванное электрическим полем. На рельефных картах показаны контурные линии, обозначающие точки равной высоты, ряд линий, обозначающие точки с равным потенциалом (известные как эквипотенциалы ), можно вокруг электростатически заряженного объекта. Эквипотенциалы пересекают все силовые линии под прямым углом. Они также должны лежать на поверхности проводника, иначе это создаст силу, которая будет перемещать носители заряда до уровня поверхности.

Электрическое поле формально определялось как сила, приложенная к единице заряда, но допускает более полезное и эквивалентное определение: электрическое поле - это локальный градиент электрического потенциала. Обычно выражается в вольтах на метр, направление направления - это самая большая линия наклона друг друга, где эквипотенциалы лежат ближе всего к другу.

Электромагниты

Провод проводит ток к считывателю. Концентрические круги, представляющие окружность магнитного поля вокруг провода против часовой стрелки, если смотреть со стороны читателя. Магнитное поле вращается вокруг тока

Эрстеда. Открытие в 1821 году того, что магнитное поле существует всех сторонних проводов. Более того, кажется отличным от гравитационных и электростатических сил, двух известных тогда сил природы. Сила, действующая на стрелку компаса, не направляла ее к токоведущему проводу или от него, а действовала под прямым углом к ​​нему. По словам Эрстеда, «электрический конфликт постоянно действует». Сила также зависела от направления тока, потому что, если поток был обратным, то сила тоже.

Эрстед не полностью понимал свое открытие, но он заметил, что эффект был обратным: ток вызывает силу на магнит, а магнитное поле оказывает силу на ток. Явление было далее исследовано Ампером, который обнаружил два параллельных токоведущих провода, расположенные на друга: два провода, проводящие токи в одном направлении, притягиваются друг к другу, а провода, содержащие токи в противоположных направлениях. направления раздвигаются. Взаимодействие опосредуется магнитным полем, которое производит каждый ток, и составляет основу международного определения ампера.

Схема небольшого электродвигателя в разрезе Электродвигатель использует важный эффект электромагнетизма: ток через магнитное поле испытывает силу под прямым углом. к полю и току

Эта взаимосвязь между магнитными полями и токами важна, поскольку она привела к изобретению Майклом Фарадеем электродвигателя в 1821 году. униполярный двигатель Фарадея состоял из постоянного магнита , находящегося в бассейне ртути. Пропускали ток через проволоку, подвешенную на стержне над магнитом, и погружали в ртуть. Магнит оказывает на провод тангенциальную силу, заставляя его вращаться вокруг магнита до тех пор, пока действует ток.

Эксперименты Фарадея в 1831 году показали, что провод, движущийся перпендикулярно магнитному полю, создает разность потенциалов между его концами. Дальнейший анализ этого процесса, известный как электромагнитная индукция, позволил ему определить принцип, теперь известный как закон индукции Фарадея, согласно соответствующей разности потенциалов, индуцированная в замкнутой цепи, пропорциональна скорость изменения магнитного потока через контур. Использование этого открытия позволяет ему изобрести первый электрический генератор в 1831 году, в котором он преобразовал механическую энергию вращающегося медного диска в электрическую энергию. Диск Фарадея был неэффективен и никуда не годился. Он показал возможность генерирования электроэнергии с помощью магнетизма, которая была принята теми, кто последовал за его работой.

Электрохимия

Итальянский физик Алессандро Вольта показывает свою «батарею » французскому император Наполеон Бонапарт в начале 19 века.

Способность химические реакторы, наоборот, способность электричества управлять химическими реакциями имеет множество применений.

Электрохимия всегда была знаком электричества. С момента первого изобретения гальванической батареи электрохимические элементы превратились во множество различных типов устройств, гальванических и электролизных ячеек. Алюминий таким образом создается в огромных количествах, и большие портативные устройства получают электропитание от перезаряжаемых элементов.

Электрические цепи

Основная электрическая цепь. Источник напряжения V слева управляет током I по цепи, передавая электрическую энергию на резистор R. От резистора ток возвращается к источнику, замыкая цепь.

Электрическая цепь - это соединение электрических компонентов таким образом, что электрический заряд движется по замкнутому пути (цепи), обычно для выполнения некоторой полезной задачи.

Компоненты в электрической цепи могут принимать разные формы, которые могут включать такие элементы, как резисторы, конденсаторы, переключатели, трансформаторы и электроника. Электронные схемы содержат активные компоненты, обычно полупроводники, и обычно демонстрируют нелинейное поведение, требующее сложного анализа. Простейшими электрическими компонентами являются те, которые называются пассивными и линейными : хотя они могут временно накапливать энергию, они не содержат ее источников и демонстрируют линейные реакции на стимулы.

резистор, пожалуй, самый простой из пассивных элементов схемы: как следует из названия, он сопротивляется протекающему через него току, рассеивая свою энергию в виде тепла. Сопротивление является следствием движения заряда через проводник: например, в металлах сопротивление в первую очередь возникает из-за столкновений между электронами и ионами. Закон Ома - это основной закон теории цепей, согласно которому 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 Ом и обозначается греческой буквой Ω. 1 Ом - это сопротивление, которое будет создавать разность потенциалов в один вольт в ответ на ток в один ампер.

Конденсатор является развитием лейденской банки и представляет собой устройство, которое может накапливать заряд и тем самым накапливать электрическую энергию в результирующем поле. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных тонким изолирующим диэлектрическим слоем ; на практике тонкая металлическая фольга наматывается вместе, увеличивая площадь поверхности на единицу объема и, следовательно, емкость. Единица измерения емкости - фарад, названная в честь Майкла Фарадея, и обозначенная символом F: один фарад - это емкость, которая развивает разность потенциалов в один вольт, когда в ней хранится заряд один кулон. Конденсатор, подключенный к источнику напряжения, первоначально вызывает ток по мере накопления заряда; этот ток, однако, со временем спадет по мере заполнения конденсатора, в конечном итоге упав до нуля. Следовательно, конденсатор не пропускает установившийся ток, а вместо этого блокирует его.

катушка индуктивности представляет собой проводник, обычно катушку с проволокой, которая накапливает энергию в магнитное поле в ответ на ток через него. Когда меняется ток, меняется и магнитное поле, индуцирование напряжения между концами проводника. Индуцированное напряжение пропорционально скорости изменения тока во времени. Константа пропорциональности называется индуктивностью. Единицей измерения индуктивности является генри, названный в Джозефа Генри, современника Фарадея. Один генри - это индуктивность, которая будет вызывать разность потенциалов в один вольт, если ток через нее изменяется со скоростью один ампер в секунду. Поведение индуктора в некотором смысле противоположно поведению конденсатора: он свободно пропускает ток, но противодействует меняющемуся.

Электрическая мощность

Электрическая мощность - это скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи. SI единица мощности - это ватт, один джоуль на секунду.

Электрическая мощность, например механическая мощность - это скорость выполнения работы, измеренная в ваттах и представленная буквой P. Термин «мощность» в разговорной речи используется для обозначения «электроэнергии в ваттах». «Электрическая мощность в ваттах, производимая электрическим током I, состоящим из заряда Q кулонов каждые t секунд, проходящие через электрический потенциал (напряжение ), разность V составляет

P = работа, выполненная за единицу времени = QV t = IV {\ displaystyle P = {\ text {работа, выполненная за единицу времени}} = {\ frac {QV} {t}} = IV \,}P = \ text {работа, проделанная за единицу времени} = \ frac {QV} {t} = IV \,

где

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

Выработка электроэнергии часто осуществляется с помощью электрических генераторов, но может также поставляться из химических источников, таких как электрические батареи или другими способами из самых разных источников энергии. Электроэнергия, как правило, поставляется предприятиям и домам от электроэнергетики. Электроэнергия обычно продается за киловатт-час (3,6 МДж), кото рый представляет собой произведение мощности в киловаттах на время работы в часах. Электроэнергетические компании измеряют мощность с помощью счетчиков электроэнергии, которые учитывают текущую сумму электроэнергии, доставленной потребителю. В отличие от ископаемого топлива, можно улучшить энергию низкой энтропией или во многие другие энергии с высокой эффективностью.

Электроника

Монтаж на поверхности электроника Компоненты

Электроника имеет дело с электрическими цепями, которые включают активные электрические компоненты, такие как электронные лампы, транзисторы, диоды, оптоэлектроника, датчики и интегральные схемы и связанные с их технологии пассивных соединений. Нелинейное поведение активных компонентов и их способность управлять потоками электронов делает усиление слабых сигналов, а электроника широко используется в обработке информации, телекоммуникациях и обработка сигналов. Способность электронных устройств действовать как переключатели делает возможной цифровую обработку информации. Технологии соединения, такие как печатные платы, технология упаковки электроники и другие разнообразные формы инфраструктуры связи, дополняют функциональные схемы и преобразуют смешанные компоненты в обычную работающую систему.

Сегодня большинство электронных устройств используют полупроводниковые компоненты для электронного управления. Изучение полупроводниковых устройств и связанных с ними технологий считается разделом физики твердого тела, тогда как проектирование и конструирование электронных схем для решения практических задач относится к электронике.

Электромагнитная волна

Работа Фарадея и Ампераала, что изменяющееся во времени магнитное поле действует как источник электрического поля, изменяющееся во времени электрическое поле с помощью магнитного поля. Таким образом, когда одно поле изменяется во времени, обязательно индуцируется поле другим. Такое явление имеет волны и, естественно, называется электромагнитной волной свойства. Электромагнитные волны были проанализированы теоретически Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году. Максвелл разработал системы, которые однозначно описывать взаимосвязь между электрическим полем, магнитным полем, электрическим зарядом и электрическим током. Более того, он мог доказать, что такая волна обязательно должна распространяться со скоростью света, и, таким образом, сам свет был формой электромагнитного излучения. Законы Максвелла, объединяющие свет, поля и заряд, являются одной из великих в теоретической физики.

Таким образом, работа многих исследователей позволила использовать электронику для преобразования сигналов в высокочастотные колебательные токи, и через проводники формы электричества позволяют передавать эти сигналы с помощью радиоволн на очень большие расстояния.

Производство и использование

Производство и передача

Генератор переменного тока начала 20 века производства Будапешт, Венгрия, в энергетическом зале гидроэлектростанции (фото Прокудина-Горского, 1905–1915).

В VI веке до нашей эры греческий философии Фалес из Милет экспериментировал с янтарными стержнями, и эти эксперименты были первыми исследованиями производства электроэнергии. Хотя этот метод, теперь известный как трибоэлектрический эффект, может поднимать легкие объекты и генерировать искры, он крайне неэффективен. Только после изобретения гальваническая батарея в восемнадцатом веке жизнеспособный источник электричества стал доступным. Гальваническая батарея и ее современный потомок, электрическая батарея, накапливают энергию химически и делают ее доступной по запросу в форме электрической. Батарея представляет собой универсальный и очень распространенный источник питания, который идеально подходит для многих приложений, но ее запас ограничителя энергии, и после разрядки ее необходимо утилизировать или перезарядить. При больших потребностях в электроэнергии электрическая энергия должна вырабатываться и непрерывно передаваться по проводящим линиям передачи.

Электроэнергия обычно вырабатывается электромеханическими генераторами, приводимыми в действии паром, полученным при сжигании ископаемого топлива, или теплом, выделяемым в результате ядерных продуктов; или из других источников, таких как кинетическая энергия, извлеченная из ветра или текущей воды. Современная паровая турбина, изобретенная сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году, сегодня вырабатывает около 80% электроэнергии в мире, используя различные источники тепла. Такие генераторы не имеют ничего общего с униполярным дисковым генератором Фарадея 1831 года, но они по-прежнему действуют на его электромагнитный принцип, согласно которому соединяющий изменяющееся магнитное поле, индуцирует разность потенциалов на своих концах. Изобретение в конце девятнадцатого века трансформатора означало, что электрическая энергия может передаваться более эффективно при более высоком напряжении, но более низком токе. Эффективная передача электроэнергии, в свою очередь, означала, что электроэнергия может производиться на централизованных электростанциях, где она извлекает выгоду из экономии за счет масштаба, а отправляться на относительно большие расстояния в там, где это было необходимо.

Ветряная электростанция, состоящая примерно из дюжины трехлопастных ветряных турбин белого цвета. Энергия ветра может быть легко сохранена в количестве, достаточно больших, чтобы удовлетворить потребности в внутренних условиях, всегда быть ровно столько же, сколько по мере необходимости. Для этого электроэнергетические компании должны прогнозировать свои электрические нагрузки и постоянную координацию со своими электростанциями. Определенное количество генерации всегда должно храниться в резерве, чтобы защитить электрическую сеть от неизбежных сбоев и потерь.

Спрос на электроэнергию растет очень быстро по мере модернизации страны и развития ее экономики. В течение первых трех десятилетий двадцатого века каждый год в течение первых трех десятилетий двадцатого века спрос увеличился на 12%, и этот темп роста наблюдается сейчас в странах с развивающейся экономикой, таких как Индия или Китай. Исторически темпы роста на электроэнергию опережали рост спроса на другие виды энергии.

Экологические проблемы с производством электроэнергии привели к усилению производства электроэнергии из возобновляемых источников, в частности из ветер и солнечный. Хотя можно ожидать продолжения дебатов по поводу воздействия на среду различных способов производства электроэнергии, его окончательная форма относительно чиста.

Области применения

лампочка, одно из применений электричества, работает за счет джоулева сообщение : прохождение тока через сопротивление генерирование тепла

Электричество - очень удобный способ передачи энергии, и он был адаптирован к огромному и постоянно растущему пользователям. Изобретение практичной лампы накаливания в 1870-х годах произошло к тому же освещение стало одним из первых общедоступных приложений электроэнергии. Хотя электрификация принесла с собой свою опасность, замена открытого огня газового освещения значительно снизила опасность возгорания в домах и на фабриках. Коммунальные предприятия были созданы во многих городах, чтобы обеспечить растущий рынок электрического освещения. В конце 20 века и в наше время тенденция начала проявляться в направлении дерегулирования в органах власти.

Эффект резистивного джоулева системы, применяемый также в лампах накаливания. видит большее прямое в электрическом использовании отоплении. Хотя это универсально и поддается контролю, его можно рассматривать как расточительное, поскольку для большей части выработки электроэнергии уже потребовалось производство тепла на электростанции. Ряд стран, например Дания, издали законы, ограничивающие или запрещающие использование резистивного электрического отопления в новых зданиях. Однако электричество по-прежнему является весьма практичным использованием энергии для отопления и охлаждения, а кондиционирование воздуха / тепловые насосы отключают растущий сектор спроса на электроэнергию для отопления и охлаждения, влияние, которое электроэнергетические компании все чаще используются.

Электроэнергия используется в телекоммуникациях, и действительно электрический телеграф, коммерчески связанный в 1837 году Cooke и Wheatstone одними былии из первых его приложений. С построением в 1860-х годах сначала трансконтинентальных, а затем трансатлантических телеграфных систем, электричество обеспечило связь по всему миру за считанные минуты. Оптоволокно и спутниковая связь заняли свою долю рынка систем связи, но можно ожидать, что электричество станет частью этого процесса.

Эффекты электромагнетизма наиболее заметно проявляются в электродвигателе, который обеспечивает чистые и эффективные средства движения. Стационарный двигатель, такой как лебедка, легко снабжен устройством энергии, но двигатель, который движется вместе с ним, например, электромобиль, обязан либо иметь при себе источник питания, такой как батарея, или для текущего скользящего контакта, такого как пантограф. В общественном транспорте используются электрические транспортные средства, такие как электрические автобусы и поезда, и все большее количество аккумуляторных электромобилей находится в частной собственности.

В электронных схемах используется транзистор , возможно, одно из самых важных изобретений двадцатого века и фундаментальный строительный блок всех современных. Современная интегральная схема может содержать несколько миллиардов миниатюрных транзисторов на площади всего несколько квадратных сантиметров.

Электричество и окружающая среда

Физиологические эффекты

Напряжение, приложенное к человеческому телу, вызывает электрический ток через ткань, и, хотя соотношение нелинейно, чем больше напряжение, тем больше ток. Порог восприятия изменяется в зависимости от источника питания и пути прохождения тока, но составляет от 0,1 мА до 1 мА для электричества сетевых частот, хотя ток величиной в микроампер может быть обнаружен как электровибрация эффект при определенных условиях. Если сила тока достаточно высока, это вызовет сокращение мышц, фибрилляцию сердца и ожог тканей. Отсутствие каких-либо видимых признаков того, что проводник электрифицирован, делает электричество особенно опасным. Боль, вызванная поражением электрическим током, может быть сильной, что иногда приводит к использованию электричества в качестве метода <9>пытки. Смерть от удара электрическим током называется поражением электрическим током. Убийство электрический током до сих пор является средством судебной казни в некоторых юрисдикциях, хотя в последнее время его использование стало реже.

Электрические явления в природе

Электрический угорь, Electrophorus electricus

Электричество не является изобретением человека, и его можно наблюдать в нескольких формах в природе, ярким проявлением которых является молния. Многие взаимодействия, знакомые на макроскопическом уровне, такие как прикосновение, трение или химическая связь, происходят из-за взаимодействияий между электрическими полями на атомном уровне. Считается, что магнитное поле Земли возникает из >циркулирующих токов в ядре планеты. Некоторые кристаллы, такие как кварц или даже сахар, представляют разность потенциалов на своих гранях при воздействии на них внешнего давления. Это явление известно как пьезоэлектричество, от греческого пьезеин (πιέζειν), что означает нажимать, и было обнаружено в 1880 году Пьером и Жаком Кюри.. Эффект является обратным, и когда пьезоэлектрический материал подвергается воздействию электрического поля, имеет место изменения физических размеров.

§Биоэлектрогенез в микробной жизни - заметное явление в экологии почв и отложений, возникающее из анаэробное дыхание. микробный топливный элемент имитирует это повсеместное природное явление.

Некоторые организмы, такие как акулы, способны обнаруживать и реагировать на электрические поля, способность, известная как электрорецепция, в то время как другие, называемые электрогенные, способны сами генерировать напряжение, которое служит хищным или защитным оружием. Отряд Gymnotiformes, наиболее известным примером которого является электрический угорь, обнаруживает или оглушает свой жертву с помощью высокого напряжения, генерируемого модифицированными мышечными клетками, называемыми электроцитами. Все животные передают информацию вдоль своих клеточных мембран с помощью импульсов напряжения, называемых возможностьюми действия, функции включают связь нервной системы между нейронами и мышцами. Электрический шок стимулирует эту систему и заставляет мышцы сокращаться. Потенциалы действуют также за координацию деятельности на некоторых заводах.

Культурное восприятие

В 1850 году Уильям Гладстон спросил ученого Майкла Фарадея, почему электричество был ценным. Фарадей ответил: «Однажды, сэр, вы можете обложить налогом».

В 19-м и начале 20-го века электричество не было повседневной жизни многих людей, даже в промышленно развитом западном мире. Популярная культура того времени, соответственно, часто изображала его как загадочную, квази-магическую силу, способную убивать живых, воскрешать мертвых или иным образом нарушать законы природы. Такое отношение началось с экспериментов Луиджи Гальвани 1771 года, в котором было показано, что ноги мертвых лягушек подергиваются при приложении животного электричества. «Оживление» или реанимация явно мертвых или утонувших людей было сообщено в медицинской литературе вскоре после работы Гальвани. Эти результаты были известны Мэри Шелли, когда она написала Франкенштейн (1819), хотя она не называет метод оживления монстра. Оживление монстров с помощью электричества позже стало основной темой фильмов ужасов.

По мере того, как общественное знакомство с электричеством как жизненной силы Второй промышленной революции росло, его обладатели чаще воспринимаются в положительном свете, такие как рабочие, которые «пальцами смерти за свои перчатки» »« Заканчиваются, когда они кусают и перемалывают живые провода »в Редьярде Киплинге в стихотворении 1907 года Сыны Марфы. Электромобили всех видов широко фигурировали в приключенческих историях, таких как книги Жюля Верна и Тома Свифта. Мастера электричества, вымышленные или реальные, включая таких ученых, как Томас Эдисон, Чарльз Стейнмец или Никола Тесла, обычно считались волшебниками

Поскольку электричество перестало быть новинкой и стало необходимостью повседневной жизни во второй половине 20-го века, оно требовало особого внимания со стороны массовой культуры только тогда, когда оно перестало течь, событие, которое обычно сигнализирует о катастрофе.. Люди, которые поддерживают его поток, такие как безымянный герой песни Джимми Уэбба «Wichita Lineman » (1968), все еще часто изображаются героическими, похожими на волшебников фигурами.

См. Также

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: Электричество
Найдите электричество в Викисловаре, бесплатный словарь.
Викискладе есть материалы, связанные с главой Электричество.

Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26