Електричество
| Тази статия е част от серията статии на тема Класическа електродинамика |
 |
| Електричество Магнетизъм Електромагнетизъм
Магнитостатика
Електродинамика
|
Електричество е обобщаващо наименование за явленията, които са резултат от движението или натрупването на електрически заряди.
Заедно с магнетизма, то е едно от фундаменталните взаимодействия, известно под името електромагнетизъм. Електричеството лежи в основата на много физически явления като светкавица, електрическо поле и електрически ток и се използва в промишлеността и бита както под формата на енергия, така и в електронните уреди.
Съдържание |
Основни понятия
Терминът електричество, който употребяваме в ежедневието, при научна употреба може да се отнася до няколко понятия, които имат по-прецизни дефиниции:
- Електрически заряд — основно присъщо свойство на субатомните частици, което определя техните електромагнитни взаимодействия. Телата с електрически заряд пораждат електромагнитно поле и се влияят от него.
- Електрическо поле — ефект, породен от съществуването на електрически заряд, изразяващ се във въздействие с определена сила върху други тела с електрически заряд, разположени наблизо.
- Електрически потенциал — потенциална енергия на единица електрически заряд, която е породена от статично електрическо поле (наличието на разлика в потенциалите често се нарича и електрическо напрежение).
- Електрически ток — движение или поток от електрически заредени частици.
- Електрическа енергия — енергията (разглеждана като физична величина), получена при протичането на електрически заряди по проводник или в резултат на силите, възникващи между заредени частици.
- Електроенергия (англ. Electrical power) -използваемата от човека електрическа енергия — директно или чрез превръщането и в други форми на енергия като светлина, топлина или механическа енергия.
История
Древна
Според трудовете на Талес, писани около 7 век пр.н.е., древните гърци са познавали статичното електричество — било им известно, че при търкането на кожа с козина върху различни повърхности като например кехлибар между двата материала възникват сили на привличане. Гърците забелязали също, че кехлибарените копчета привличат леки предмети като косми и че ако търкат достатъчно дълго, може дори да прескочи искра.
През 1938 г. в Ирак бил намерен интересен предмет, датиран около 250 г. пр. н. е. и наречен Батерията от Багдад [3]. Той прилича на галваничен елемент и се предполага, че може би е бил използван за нанасяне на покрития чрез галванотехника.
Съвременна
Италианският физик Джироламо Кардано засяга темата за електричеството в труда си De Subtilitate (1550)[1], като за първи път прави разлика между електрически и магнитни сили. През 1600 г. английският учен Уилям Гилбърт разширява работата на Кардано в своя труд De Magnete и изковава латинската дума electricus от ηλεκτρον (електрон), на гръцки „кехлибар“, която скоро се възприема като основа за международен термин.
Други имена на пионери в изследването на електричеството са:
- Ото фон Герике, изобретил първия електростатичен генератор.
- Робърт Бойл, установил, че електрическото привличане и отблъскване се наблюдава и в условията на вакуум;
- Стивън Грей, който класифицирал материалите на проводници и изолатори;
- Питер ван Мушенбрук, създал първия кондензатор — Лайденската стъкленица, експериментирайки с която Уилям Уотсън открил, че разрядът на статично електричество е еквивалентен на протичането на електрически ток.
През 1752 г. Бенджамин Франклин прави много експерименти с цел изследване на електричеството и се прочува с това, че установява връзката на светкавицата с електричеството и предлага проста, но ефикасна защита срещу удар от гръм — гръмоотвода. Дотогава честите повреди на църковните камбанарии и шпилове (които били най-високите сгради в средните векове) се отдавали на божията воля и борбата с тях била единствено чрез молитви. С името на Франклин се свързва и налагането на конвенцията за положително и отрицателно електричество.
По-нататък теорията на електричеството развиват учени като Майкъл Фарадей, Луиджи Галвани, Алесандро Волта, Андре-Мари Ампер и Георг Ом, като поставят основите на електротехниката. Техните постижения са увековечени чрез назоваването на единиците за измерване на електрическите величини на тяхно име.
Волта открил, че с помощта на химическа реакция може да се създадат противоположно заредени електроди и ако към тях се съедини проводник, от тази разлика в потенциалите протича електрически ток. В негова чест потенциалната разлика и напрежението се измерват във волтове. Волта създава и първото устройство за произвеждане на ток, наречено по-късно батерия. По искане на Наполеон уредът е демонстриран пред него и Волта е награден с много почести и медали, включително с Ордена на Почетния Легион.
Към края на 19-ти век електротехниката става отделно занятие, различно от науката. Създават се компании, които изследват, развиват и усъвършенстват методите на транспортиране и използване на електричеството за битови и индустриални нужди. Развиват се телеграфните съобщения — първата световна съобщителна мрежа. Сред пионерите са основателят на Сименс АГ Вернер фон Сименс и на Кейбъл енд Уайърлес Джон Пендер.
В края на 19-ти и началото на 20-ти век работят такива забележителни инженери като Никола Тесла, изобретил многофазния електромотор, Самюъл Морз, изобретил телеграфа; Томас Едисън, създател на първата търговска електропреносна мрежа; Джордж Уестингхауз, създател на електрическия локомотив; Александър Бел, изобретил телефона и създал успешен телефонен бизнес.
Електрически заряд
-
Основна статия: Електрически заряд
Електрическият заряд е основно присъщо свойство на субатомните частици (например електрон и протон) и се проявява, когато те взаимодействуват с електромагнитни полета, водейки до появата на сили на привличане и отблъскване. Електрическият заряд поражда едно от фундаменталните взаимодействия в природата и представлява постоянно свойство на материята, което може да се измери. В този смисъл изразът „количество електричество“ е взаимозаменяем с „електрически заряд“ и „количество заряд.“ Съществуват два типа заряди — положителни и отрицателни. Експериментите показват, че едноименните заряди се отблъскват, а разноименните се привличат. Силата на привличане или отблъскване се определя по закона на Кулон.
Електрическо поле
-
Основна статия: Електрическо поле
Концепцията за електрическо поле е предложена от Майкъл Фарадей. Начинът, по който действа електрическото поле, е подобен на действието на гравитационното поле върху масите. Разликата е, че докато гравитационното поле може само да привлича, електрическото поле може да привлича и да отблъсква — това зависи от вида на електрическите заряди. Големината на силата на въздействие зависи право пропорционално от големината на зарядите и обратно пропорционално от разстоянието между тях. Силата е на привличане, когато зарядите са разноименни и на отблъскване, когато са едноименни.
Електрически потенциал
-
Основна статия: Електрически потенциал
Разликата в стойностите на електрическия потенциал между две точки се определя като работата, извършена за единица положителен заряд (наричан още точков заряд) за придвижването му против действието на електрическата сила между двете точки. Ако приемем едната точка за отправна, с нулев потенциал, то електрическият потенциал във всяка друга точка се определя от работата, необходима за придвижването на точков заряд от отправната точка. В случая на изолирани заряди обикновено отправната точка е безкрайност. Потенциалът се измерва във волтове. (1 volt = 1 joule/coulomb) Има сходство между електрическия потенциал и температурата: всяка точка от пространството има определена температура и градиентът на температурата определя накъде тече топлинният поток. Аналогично всяка точка от пространството има определен електрически потенциал и неговият градиент определя накъде се движат зарядите в електрическото поле.
Електрически ток
-
Основна статия: Електрически ток
Електрически ток се нарича насоченото движение на електрически заряди, и неговата интензивност се измерва в ампери. Примери за електрически ток са протичането на ток по метални проводници (движение на електрони), електролизата, в която йони се движат в течности, , в който йони и електрони се движат в газове.
Токът в металите се осъществява от електрони, намиращи се в зоната на проводимостта (непосредствено над валентната зона при металите) и формиращи т.нар. електронен газ, около атомите в кристалната решетка на метала. С увеличаване на броя на електроните в зоната на проводимостта се увеличава електрическата проводимост на метала. Токът в течните проводници (електролитите) се осъществява чрез йони. Например молекулите на солите и киселините във воден разтвор се разлагат на положителни и отрицателни йони (дисоциация). Протичането на електрически ток в газове води до образуването на газов разряд или плазма с много практически приложения: осветление и различни технологични процеси.
Исторически е възприето, че токът тече в посока от зоните с положителен потенциал към зоните с отрицателен потенциал. Тази посока се нарича още техническа. Известно е обаче, че токът може да представлява движение на заредени частици в двете посоки и дори това да става едновременно. Конвенцията „от плюс към минус“ се използва именно за опростяване на тази сложна ситуация и за улеснение. Ако се използва друга дефиниция, както е в случая с „електронен ток“ това трябва да се посочи изрично.
Постоянно течащият в една посока ток се нарича постоянен ток (DC — Direct Current), а когато посоката на протичане на тока се променя периодически, той е променлив ток (AC — Alternating Current) reverses direction repeatedly. Зависимостта между основните физични величини, определящи протичането на ток — ток, напрежение и съпротивление — се определя от закона на Ом.
Устройствата, в които се използва протичането на електричен ток и манипулирането на електрични заряди в материалите (предимно полупроводници) се наричат електронни.
Електрическа енергия
-
Основна статия: Електрическа енергия
Електрическа енергия е енергията на електрическото поле или транспортираната от електрическия ток. Енергията се дефинира като способността да се извършва работа, и електрическата енергия е просто един от типовете енергия. Примери на електрическа енергия:
- енергията, освобождаваща се в атмосферата по време на буря във формата на светкавица
- енергията, натрупана в намотките на електрически генератор в някоя електростанция, и след това пренесена по мрежата към консуматорите, които заплащат консумираните единици енергия;
- енергията, складирана в един кондензатор или в една батерия, която се освобождава в електрическата верига
Електроенергия
-
Основна статия: Енергетика
Практическото използване на електричеството (наричано електроенергия) е в основата на съвременния ни живот. С производството, разпределението и измерването на консумацията на електричество се занимава индустрията енергетика.
Единицата за измерване на електрическа енергия е джаулът. Също така може да се ползват и единиците ват.секунда (Ws), ват.час (Wh), киловат.час (kWh) и др. В някои учебници единиците се изписват с точка (напр. ват.час), а в други с тире (напр. ват-час), но в практиката е прието да се произнасят слято (напр. ватчас). В разговорния език често се ползват грешни единици когато се говори за електрическа енергия (казват „киловат“ (единица за мощност) вместо „киловатчас“ (единица за енергия)).
Зависимостите между тези единици са следните:
1 ват.секунда = 1 джаул 1 ват.час = 3600 ват.секунди = 3600 джаула 1 киловат.час = 3600000 ват.секунди = 3600000 джаула
Електроенергията, получавана от изходна суровина въглища, нефт и природен газ е известна като традиционна или „кафява“, докато тази, получена от водните централи се счита за по-екологична. От втората половина на 20-век наред с тях се налагат все повече и други „зелени“ начини на добиване на електричество: от вятъра, слънцето и др. Атомните електроцентрали заемат особено място в енергетиката, но използването им напоследък поражда спорове поради големите рискове, свързани с тяхната експлоатация.
Електрически устройства
Електрически явления в природата
- Твърдо тяло: в него атомите и молекулите са свързани с електрически връзки.
- Мълния: електрически разряд в атмосферата.
- Земно магнитно поле — създадено от електрически токове, протичащи в ядрото на планетата.
- Слънчевите изригвания понякога създават електрически смущения.
- Пиезоелектричество: способността на някои кристали да генерират напрежение при прилагането на механично напрежение.
- Трибоелектричество: електрически заряд, получен чрез контакт или триене между два различни материала.
- Биоелектричество — много животни са чувствителни към електрическо поле, например акулите го усещат повече от хората. Някои създават собствени електрически полета. Невроните в нервната система предават информация чрез електрически импулси.
Електрически ефекти в индустрията за забавления
Светкавицата отдавна фигурира в човешките предания и често се използва във филмите и телевизията като фон на драматично действие. Волтови дъги или други подобни ефекти пък често се използват за наподобяване на магически ефекти или на работата на учени в лаборатория.
Виж още
- Термоелектрически ефект
- Термоелектричество
- Електромагнетизъм
- Електротехника
- Електрически явления
- Електростатика
- Енергетика
Външни препратки
- Електричеството по света
- A Comprehensive Collection of Franklin’s Electrical Works: The Electrical Writings of Benjamin Franklin, Created and Collected by Robert A. Morse (2004)
Източници
- ↑ Cardano, Girolamo, De subtilitate rerum. Libri XXI. Nuremberg, Johann Petreius, 1550. Описан в [1], [2], facsimile here.
stock | retire | vm
Why are we here?
All text is available under the terms of the GNU Free Documentation License
This page is cache of Wikipedia. History