Изобретение электричества: история, применение, получение

Схемы, платы, электроника, станки, гаджеты

Электростатика

Основная статья: Электростатика

Электростатикой называют раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем электрических зарядов, неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчёта.

Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) может принимать и положительные, и отрицательные значения; она является численной характеристикой носителей заряда и заряженных тел. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов, взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов.

Электрический заряд любой системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, равных примерно 1,6⋅10−19Кл в системе СИ или 4,8⋅10−10ед. СГСЭ. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы. Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон (его масса равна 9,11⋅10−31 кг). Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом — позитрон, имеющая такую же массу, как и электрон. Также существует устойчивая частица с одним положительным элементарным зарядом — протон (масса равна 1,67⋅10−27 кг) и другие, менее распространённые частицы. Выдвинута гипотеза (1964 г.), что существуют также частицы с меньшим зарядом (±⅓ и ±⅔ элементарного заряда) — кварки; однако они не выделены в свободном состоянии (и, по-видимому, могут существовать лишь в составе других частиц — адронов), в результате любая свободная частица несёт лишь целое число элементарных зарядов.

Электрический заряд любой элементарной частицы — величина релятивистски инвариантная. Он не зависит от системы отсчёта, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится, он присущ этой частице в течение всего времени её жизни, поэтому элементарные заряженные частицы зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решёток твёрдых тел скомпенсированы.

Что еще нужно знать электрику — рекомендации, советы, правила

Здесь мы узнаем некоторые правила, которые облегчат дальнейшую работу. Какие-то из них ближе к советам и хитростям, но некоторые знать и выполнять обязательно.

В первую очередь мы вспомним закон Ома, который поможет нам рассчитать силу тока и подобрать подходящее сечение провода. Формулировка закона выглядит так: «сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению», что в переводе на русский звучит как » чем выше напряжение, тем выше ток, но при увеличении сопротивления ток понижается» и выражается формулой I=U/R, где I — сила тока, U — напряжение и R — сопротивление. Знание этой формулы облегчит нам выбор подходящего сечения провода.

Закон Ома

Еще из полезного — немного о проводах. В последнее время в провода однофазной сети часто добавляют третий, заземляющий, провод. Так вот, земля всегда желтого цвета с зеленой полоской. Ее сложно отлить от нуля при помощи индикатора или тестера, но очень легко это сделать по цветовой маркировки. Добавлю к сказанному, что нуль принято подключать на провод синего цвета.

А это правило следует запомнить и всегда выполнять. Нередко провода соединяют методом скрутки, это принятая практика и, в принципе, вполне допустимо. Но есть один нюанс — скручивать между собой допустимо лишь провода из однородных металлов (к примеру медь с медью). При скручивании меди с алюминием, в месте скрутки со временем появляется оксидная пленка, что ведет к повышению сопротивления и возможному возгоранию.

При скручивании меди с алюминием, в месте скрутки со временем появляется оксидная пленка

Магнитные свойства электрического тока были отрыты случайно в 1820 г. датским физиком Гансом Христианом Эрстедом (не путать с Андерсеном). В результате одного из опытов он заметил, что проводник, по котором протекает, отклоняет магнитную стрелку. Узнав об этом открытии, Франсуа Араго, делает о нем устное заявление на заседании Французской Академии. В результате опытов, члены Академии выводят законы электромагнетизма, которые в дальнейшем будут взяты за основу при создании современных электромагнитных приборов (электродвигатели, трансформаторы, генераторы. Даже радиоволны по своей сути — это электромагнитное излучение сверхвысокой частоты).

Вот мы и разобрались немного с основами электротехники (скажу более — некоторые места были посвящены даже радиотехнике), которая на поверку оказалась вовсе не такой непонятной и запутанной. Теперь получив необходимый багаж знаний, можно продолжать двигаться в этом направлении дальше. Тут главное — побольше уверенности! А мы в свою очередь будем постоянно выкладывать все новые и новые советы и интересную информацию по теме.

Классификация

Постоянный и переменный ток

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический »ток проводимости». Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют »конвекционным».

Токи различают на постоянный и переменный. Также существуют всевозможные разновидности переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.

  • Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени. Может быть пульсирующий, например выпрямленный переменный, который является однонаправленным.
  • Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
  • Периодический ток — электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
  • Синусоидальный ток — периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации синусоидальных гармонических составляющих (гармоник), имеющих соответствующие амплитуды, часто́ты и начальные фазы. В этом случае Электростатический потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
  • Квазистационарный ток — относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
  • Ток высокой частоты — переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, которые являются либо полезными, определяющими его применение, либо вредными, против которых принимаются необходимые меры, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей.
  • Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
  • Однонаправленный ток — это электрический ток, не изменяющий своего направления.

Вихревые токи

Вихревые токи Фуко

Вихревые токи ( или токи Фуко) — замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитный поток, поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

2. Теория

Электрический заряд — это свойство тел, оказывать воздействие на другие тела. Эти заряды разделяют на положительные и отрицательные. Одинаково заряженные тела отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются. В последнем случае возникает электрическое напряжение и образуются свойства, позволяющие установить родство электричества и магнетизма в эффекте электромагнетизма (Фарадей, Максвелл). В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к элементарным частицам, за которыми закрепилось представление, что электрон имеет отрицательный заряд, а протон и позитрон — положительный. Пространство, в рамках которого действует электрический заряд получило название электрического поля. Одной из особенностей электрического заряда является тот факт, что он способен передаваться посредством электрического тока.

Этапы создания теории

XVII-XVIII века ознаменовались созданием основ мировой науки. Начиная с XVII века происходит ряд открытий, которые в будущем позволят человеку полностью изменить свою жизнь.

Появление термина

Английский физик и придворный врач Уильям Гильберт в 1600 году издал книгу «О магните и магнитных телах», в которой он давал определение «электрический». Оно объясняло свойства многих твердых тел после натирания притягивать небольшие предметы. Рассматривая это событие надо понимать, что речь идет не об изобретении электричества, а лишь о научном определении.

Уильям Гильберт смог изобрести прибор, который назвал версор. Можно сказать, что он напоминал современный электроскоп, функцией которого является определение наличия электрического заряда. При помощи версора было установлено, что, кроме янтаря, способностью притягивать легкие предметы также обладают:

  • стекло;
  • алмаз;
  • сапфир;
  • аметист;
  • опал;
  • сланцы;
  • карборунд.

Первая электростатическая машина

В 1663 году немецкий инженер, физик и философ Отто фон Герике изобрел аппарат, являвшийся прообразом электростатического генератора. Он представлял собой шар из серы, насаженный на металлический стержень, который вращался и натирался вручную. С помощью этого изобретения можно было увидеть в действии свойство предметов не только притягиваться, но и отталкиваться.

В марте 1672 года известный немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц в письме к Герике упоминал, что при работе с его машиной он зафиксировал электрическую искру. Это стало первым свидетельством загадочного на тот момент явления. Герике создал прибор, послуживший прототипом всех будущих электрических открытий.

В 1729 году ученый из Великобритании Стивен Грей произвел опыты, которые позволили открыть возможность передачи электрического заряда на небольшие (до 800 футов) расстояния. А также он установил, что электричество не передается по земле. В дальнейшем это дало возможность классифицировать все вещества на изоляторы и проводники.

Два вида зарядов

Французский ученый и физик Шарль Франсуа Дюфе в 1733 году открыл два разнородных электрических заряда:

  • «стеклянный», который теперь именуется положительным;
  • «смоляной», называющийся отрицательным.

Затем он произвел исследования электрических взаимодействий, которыми было доказано, что разноименно наэлектризованные тела будут притягиваться один к одному, а одноименно — отталкиваться. В этих экспериментах французский изобретатель пользовался электрометром, который позволял измерять величину заряда.

Лейденская банка

В 1745 году физик из Голландии Питер ван Мушенбрук изобрел Лейденскую банку, которая стала первым электрическим конденсатором. Его создателем также является немецкий юрист и физик Эвальд Юрген фон Клейст. Оба ученых действовали параллельно и независимо друг от друга. Это открытие дает ученым полное право войти в список тех, кто создал электричество.

11 октября 1745 года Клейст произвел опыт с «медицинской банкой» и обнаружил способность хранения большого количества электрических зарядов. Затем он проинформировал об открытии немецких ученых, после чего в Лейденском университете был проведен анализ этого изобретения. Затем Питер ван Мушенбрук опубликовал свой труд, благодаря которому стала известна Лейденская банка.

Бенджамин Франклин

В 1747 году американский политический деятель, изобретатель и писатель Бенджамин Франклин опубликовал свое сочинение «Опыты и наблюдения с электричеством». В ней он представил первую теорию электричества, в которой обозначил его как нематериальную жидкость или флюид.

В современном мире фамилия Франклин часто ассоциируется со стодолларовой купюрой, но не следует забывать о том, что он являлся одним из величайших изобретателей своего времени. В списке его многочисленных достижений присутствуют:

  1. Известное сегодня обозначение электрических состояний (-) и (+).
  2. Франклин доказал электрическую природу молнии.
  3. Он смог придумать и представить в 1752 году проект громоотвода.
  4. Ему принадлежит идея электрического двигателя. Воплощением этой идеи стала демонстрация колеса, вращающегося под действием электростатических сил.

Публикация своей теории и многочисленные изобретения дают Франклину полное право считаться одним из тех, кто придумал электричество.

Общее·количество·просмотров·страницы

Видео

Документальный фильма «Курская жемчужина». Физик-экспериментатор Василий Петров. Телерадиокомпания «Сейм».

«Постоянный электрический ток. Действие электрического тока»

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.  Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток, необходимы два условия: 1) наличие свободных заряженных частиц, 2) электрическое поле, которое создаёт их направленное движение. Проходя по цепи, происходит действие электрического тока (тепловое, магнитное, химическое).

При существовании тока в разных средах: в металлах, жидкостях, газах — электрический заряд переносится разными частицами. В металлах этими частицами являются электроны, в жидкостях заряд переносится ионами, в газах — электронами, положительными и отрицательными ионами.

Дистиллированная вода не проводит электрический ток, поскольку она не содержит свободных зарядов. Если в воду добавить поваренную соль или медный купорос, то в ней появятся свободные заряды, и она станет проводником электрического тока.

Газы в обычных условиях тоже не проводят электрический ток, так как в них нет свободных зарядов. Однако если в воздушный промежуток между двумя металлическими пластинами, соединёнными с источником тока, внести зажжённую спичку или спиртовку, то газ станет проводником и гальванометр зафиксирует протекание тока по цепи.

Постоянный электрический ток

Постоянный электрический ток — это электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока (англ. direct current), т.е. тока, не изменяющий своего направления. Часто можно встретить сокращения DC от первых букв англ. слов, или символом по ГОСТ 2.721-74.

На рисунке красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени t, а по вертикальной — масштаб тока I или электрического напряжения U. Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).

При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов). Постоянный электрический ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Источник тока

Направленное движение зарядов обеспечивается электрическим полем. Электрическое поле в проводниках создаётся и поддерживается источником тока. В источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника образуется электрическое поле, под действием которого заряженные частицы начинают двигаться упорядоченно.

В источнике тока совершается работа при разделении заряженных частиц. При этом различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия, в гальваническом элементе — химическая.

Действие электрического тока

Электрический ток, проходя по цепи, производит различные действия. Тепловое действие электрического тока заключается в том, что при его прохождении по проводнику в нём выделяется некоторое количество теплоты. Пример применения теплового действия тока — электронагревательные элементы чайников, электроплит, утюгов и пр. В ряде случаев температура проводника нагревается настолько сильно, что можно наблюдать его свечение. Это происходит в электрических лампочках накаливания.

Магнитное действие электрического тока проявляется в том, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое, действуя на магнитную стрелку, расположенную рядом с проводником, заставляет её поворачиваться. Благодаря магнитному действию тока можно превратить железный гвоздь в электромагнит, намотав на него провод, соединённый с источником тока. При пропускании по проводу электрического тока гвоздь будет притягивать железные предметы.

Химическое действие электрического тока проявляется в том, что при его прохождении в жидкости на электроде выделяется вещество. Если в стакан с раствором медного купороса поместить угольные электроды и присоединить их к источнику тока, то, вынув через некоторое время эти электроды из раствора, можно обнаружить на электроде, присоединённом к отрицательному полюсу источника (на катоде), слой чистой меди.

Некоторые источники утверждают, что существует также механическое действие (например, рамка, по которой течет ток, поворачивается, если её поместить между полюсами магнитов) и световое (светодиоды).

Конспект по по физике в 8 классе: «Постоянный электрический ток. Действие электрического тока».

Следующая тема: «Сила тока. Напряжение»

Что называют электрическим током?

Определение тока сводится к явлению упорядоченного движения частиц, несущих на себе определённый заряд. Электричество – это организованное перемещение заряженных частиц, которое появляется под влиянием электрического поля. Если вещество – проводник, то такими частицами являются электроны, у электролитов – это положительно и отрицательно заряженные частицы (катионы и анионы), у полупроводников – это «дырки». Последние представляют собой квазичастицы, несущие положительный заряд, который равен элементарному, характерному для проводников.

Направление частиц

Важно! В природе также существует ток смещения, действие которого обусловлено изменением разности потенциалов. Он носит переменный характер, действует из-за электрополяризации частиц среды, без смещения заряда за их границы

Для возникновения электричества в цепи обязательно соблюдение главного условия – наличия замкнутого контура. Если цепь имеет разрыв, то перемещение частиц невозможно. Для обеспечения их перемещения используют:

  • Увеличение температуры проводника;
  • Влияние разности потенциалов на переносчиков заряда;
  • Реакции химической природы, результатом которых является образование нового вещества;
  • Влияние сил магнитного поля на проводник.

Ток смещения

Результатом работы движущихся заряженных частиц являются:

  • Свет в люминесцентных приборах (излучение света);
  • Выделение тепловой энергии (нагревательные элементы);
  • Механическая работа (при эксплуатации электро двигателей и других подобных приборов);
  • Излучения электромагнитной природы.

Световое излучение в лампе накаливания

Эл. ток характеризуется силой и плотностью. Сила – величина, которую можно численно измерить. Она приравнивается к отношению самого заряда к временному периоду, за который он преодолевает поперечное сечение проводимого вещества. Плотность вычисляют путем деления силы на площадь упомянутого выше сечения.

Характер перемещения частиц может быть переменным и постоянным. У постоянного тока характеристики не изменяются с течением времени, а для переменного данное условие не актуально.

Важно! Существует ток проводимости и смещения. Первый вызван движением отрицательно заряженных частиц в металлах по отношению к ионной решетке

Второй возникает из-за движения электронов по границе проводника и вещества, не проводящего электричество (диэлектрика).

Ток в металлах

Как создается ток

В батарее ток создается движением электронов к проводу. Однако, как объяснялось в предыдущем разделе, электроны не могут быстро двигаться из-за всех атомов провода.

Когда электрон движется вне батареи, он попадает в другой свободный электрон в проводе. Вновь попавший электрон движется вперед и натыкается на следующий электрон, и так далее. Таким образом, ток является результатом того, что электроны движутся на месте и бьют своих соседей. Это означает, что все электроны в проволоке остаются там, где они были, и ни один электрон в действительности не выбрасывается из цепочки.

Итак, почему цепи работают так быстро? Пример поможет легко ответить. Если поезд со 100 вагонами и локомотив сзади начинает движение, ему требуется много времени, чтобы добраться до места, где находится первый вагон. Однако первый вагон трогается с места почти сразу же, как и двигатель, потому что толчок от двигателя передается через все вагоны на первый. То же самое происходит и в цепи с электронами.

Электричество в батарее отличается от электричества в доме. Батарея всегда выталкивает электроны из отрицательной стороны. Но в доме электричество толкает и оттягивает назад снова и снова. В Соединенных Штатах электричество выталкивается и втягивается в дом 60 раз в секунду. В Европе это происходит 50 раз в секунду. Другие страны используют один из этих стандартов.

Независимо от типа электричества — электроны не бегают по проводам и цепям. Они просто посылают энергию движения первому электрону в электроне, и возникает ток.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий