Что такое электричество

Электричество настолько прочно вошло в жизнь человека, что давно воспринимается как само собой разумеющееся благо цивилизации. Люди вспоминают о том, насколько оно важно и значимо, при авариях и плановых работах, когда оказывается, что без электрического тока практически ничего не работает. В этой статье мы расскажем, что такое электричество с точки зрения физики, какие ученые причастны к его открытию и какую функцию оно выполняет в современном мире.

Что такое электричество

Термин «электричество» был введен в научное сообщество в 1600 году английским ученым Уильямом Гильбертом в сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». В научном труде он объяснил, как работает магнитный компас и описал опыты с наэлектризованными объектами.  

Происхождение термина

В VII веке до н. э. греческий философ Фалес Милетский обнаружил, что янтарь (древнегреческое «электрон»), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы. Уильям Гилберт в XVII веке назвал это явление электричеством, или «янтарностью».

История

Над изучением электричества работали из века в век множество ученых. Некоторые из них внесли свою лепту в открытие:

1. В 1663 году немец Отто фон Герике создал первую электростатическую машину, которая наглядно показала эффект притягивания и эффект отталкивания, возникающие от статического электричества.
2. В 1729 году английский ученый Стивен Грей экспериментировал с передачей электричества на расстояние и обнаружил, что все материалы обладают разной способностью передавать электричество.
3. В 1745 году голландский ученый Питер ван Мушенбрук создал первый в мире электрический конденсатор, известный как «Лейденская банка».
4. Американец Бенджамин Франклин написал первую теорию электричества, ввел понятия положительного и отрицательного зарядов, изобрел молниеотвод и доказал электрическую природу молний.
5. В 1785 году с открытием закона Кулона изучение электричества официально признается учеными точной наукой.
6. В 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта изобрел первый источник постоянного тока. Им стал гальванический элемент, который представлял собой столб из цинковых и серебряных кружочков со смоченной в подсоленной воде бумагой между ними.
7. В 1802 году русский ученый Василий Петров обнаружил существование вольтовой дуги.
8. В 1821 году француз Ампер доказал, что связь между явлениями электричества и магнетизма существует, только4 если подается электрический ток.
9. Работы известных ученых Джоуля, Ленца, Ома помогли в открытии фундаментальных законов электричества.
10. В 1830 году немец Карл Гаусс сформулировал основную теорему теории электростатического поля. 
11. В 1831 году англичанин Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию и создал первый в мире генератор электрической энергии. В 1834 году он же обосновал законы электролиза, ввел понятия магнитного и электрического полей. Ученому также принадлежит создание первого в мире электродвигателя.
12. В 1873 году шотландский физик Джеймс Максвелл разработал теорию электромагнитных явлений, связав электричество и магнетизм.
13. В 1873 году Александр Лодыгин продемонстрировал Академии наук лампу накаливания, созданную им по своей системе, за что получил Ломоносовскую премию. 
14. В 1876 году другой русский ученый Павел Яблочков получил патент за лампочку своей системы, которой дали название «свеча Яблочкова». 
15. В 1888 немецкий физик Генрих Герц опытным путем доказал существование электромагнитных волн.
16. В 1897 году англичанин Джозеф Томсон открыл материальный носитель электричества — электрон.
17. На протяжении XX века формировалась теория квантовой электродинамики.

Теория электричества

В основе теории электричества лежат фундаментальные законы:

1. Закон сохранения энергии, которому подчиняются электрические явления.
2. Закон Ома, который является основным законом электрического тока.
3. Закон электромагнитной индукции — о взаимодействии электромагнитного и магнитного полей.
4. Закон Ампера, который постулирует правила взаимодействия двух проводников с токами.
5. Закон Джоуля-Ленца, который открыл тепловой эффект электричества.
6. Закон Кулона — об электростатическом электричестве. 
7. Правила правой и левой руки, которые помогают определить направления как силовых линий магнитного поля, так и силы Ампера, которая действует на проводник в магнитном поле.
8. Правило Ленца, которое позволяет определить направление индукционного тока.
9. Законы Фарадея — об электролизе.

Электрические заряды

Суть явления электричества объясняется тем, что в состав атомов и молекул всех веществ входят элементарные частицы: электроны и протоны. 

Протоны обладают положительным зарядом и действуют на заряд другой частицы или отталкивая, или притягивая ее. Нейтроны нейтральны. Электроны вращаются на большой скорости вокруг ядра атома и обладают отрицательным зарядом. Количество всех элементарных частиц в атоме (протонов, нейтронов, электронов) зависит от вещества.

Заряды элементарных частиц, воздействующие друг на друга, являются сутью явления электричества. 

Стоит сказать, что различные вещества по-разному распределяют электрические заряды. Одни вещества настолько сильно притягивают электроны к ядрам, что те не в силах преодолеть свою орбиту вращения. Их называют  диэлектриками. Они характеризуются тем, что не способны проводить электрический ток. Другие вещества позволяют своим электронам легко отрываться от атомов и блуждать по соседним. Эти вещества являются проводниками электричества. Перемещение электронов от одного атома к другому приводит к образованию энергии, которую и называют электричеством.

Принцип работы электричества

Работу электричества характеризует электрический ток.

Для существования электрического тока нужны 2 условия:

1. Наличие свободных электрических зарядов в проводнике.
2. Наличие внешнего электрического поля для проводника.

Заряженные частицы различаются в зависимости от среды вещества:

• в металлах — это электроны;
• в электролитах — ионы;
• в газах — свободные электроны и ионы обоих полюсов;
• в полупроводниках — электроны.

Откуда появляется электричество

Электричество, которое поступает в дома и квартиры, вырабатывает электрический генератор на станциях, соединенный с постоянно вращающейся турбиной.

В генераторе предусмотрена катушка, которая находится между полюсами магнита. Когда крутящаяся турбина приводит в действие катушку, в магнитном поле по законам физики появляется электроток. Т.е. генератор преобразовывает кинетическую энергию вращающейся турбины в электрическую.

Для вращения турбины используют различные источники энергии:

1. Возобновляемые, которые получаются из неисчерпаемых ресурсов (вода, солнечный свет, ветер, термальные источники).
2. Невозобновимые, исчерпаемые полезные ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ).
3. Ядерные, получаемые в ходе ядерного деления атомов. 

Во всем мире электроэнергия возникает благодаря работе станций:

1. Гидроэлектростанции (ГЭС) находятся на берегах крупных рек и используют силу воды для создания электричества.
2. Тепловые электростанции (ТЭС) работают на тепловой энергии, которая возникает от сжигания топлива.
3. Атомные электростанции (АЭС) работают на тепловой энергии, которая получается в процессе ядерной реакции. 

Преобразованная энергия поступает по проводам сначала в трансформаторные подстанции и распределительные устройства, а затем потом достигает наших домов и квартир. 

Электричество в природе

Примерами естественного электричества являются: 

1. Молнии. Элементарные частицы воды в облаках сталкиваются друг с другом и приобретают положительный или отрицательный заряды. Положительно заряженные частицы за счет более легкого веса оказываются вверху облака, а отрицательные, более тяжелые, перемещаются вниз. Когда два таких облака находятся на близком расстоянии и на разной высоте, положительные заряды одного из них начинают взаимно притягиваться отрицательными частицами другого. В такой момент возникает явление молнии. То же самое происходит между облаками и поверхностью земли. 
2. Электрические импульсы в нервной системе живых организмов, с помощью которых передается информация от одних клеток к другим. Эта способность позволяет живым существам реагировать на внешние раздражители, управлять движениями и мыслить.
3. Специфические органы у рыб, скатов и угрей, с помощью которых они создают электрические заряды, охотясь на добычу и обороняясь от хищников. Некоторые виды рыб могут создавать вокруг себя электрическое поле, которое помогает искать пищу и ориентироваться в воде. 

Электричество как ресурс

Электрическая энергия имеет огромное значение как в бытовой жизни людей, так и в промышленности.

В быту

В обычной жизни электричество обычно используют:

• для освещения улиц и домов;
• для передачи информации (телевидение, радио, телефон, интернет);
• для приведения в движение транспорта при помощи электродвигателя (метро, электричка, троллейбус, трамвай);
• в бытовой технике (стиральная машина, утюг, пылесос и т. п.).

В производстве

Основным потребителем электроэнергии выступает промышленность: фабрики, шахты, заводы и химические комбинаты. 

На промышленных предприятиях и заводах электрическую энергию используют для работы электромоторов, которые приводят в движение машины и станки.

В машинопроизводстве благодаря электрификации стало возможно создание массового выпуска продукции.

На добывающих предприятиях используются машины, приводимые в движение за счет электроэнергии. Это станки, насосы, конвейеры и т.п.

На химических заводах с помощью электричества стало возможным массовое изготовление химических веществ и удобрений.

Неоценима роль электроэнергии в строительной сфере. Без электрических подъемных кранов и других механизмов строительство не могло бы расти такими темпами, как сейчас.

Благодаря электричеству стало возможным внедрение автоматики в пищевую и легкую промышленность. Хлебозаводы, мясокомбинаты, консервные и макаронные фабрики сократили штат людей за счет автоматической или полуавтоматической техники.

Электричество — это ценнейший ресурс, который играет важную роль в жизни каждого человека. А для учащихся и студентов не менее важным ресурсом является образовательный сервис Феникс.Хелп, который помогает с решением учебных работ.