Struja

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Klasična elektrodinamika
VFPt solenoid ispravan2.svg
Električni magnetizam
Vidi također: Portal: Fizika

Elektricitet (od latinskog electricus, dalje od starogrčkog ἤλεκτρον) je skup pojava uzrokovanih postojanjem, interakcijom i kretanjem električnih naboja . Pojam je uveo engleski prirodoslovac William Hilbert u svom djelu "O magnetu, magnetskim tijelima i velikom magnetu - Zemlji" ( 1600. ), koje objašnjava rad magnetskog kompasa i opisuje neke pokuse s naelektriziranim tijelima. Otkrio je da i druge tvari imaju svojstvo naelektriziranja [1] .

Priča

Mnogo prije nego što je bilo ikakvih saznanja o elektricitetu, ljudi su znali za svojstva električnih riba . Staroegipatski tekstovi koji datiraju iz 2750. pr Kr., te se ribe nazivaju "Gromovi Nila" i opisuju se kao "zaštitnici" svih ostalih riba. Tisućljećima kasnije, starogrčki , rimski i arapski prirodoslovci i liječnici ponovno su izvijestili o električnim ribama [2] . Neki antički pisci, kao što su Plinije Stariji i Scribonius Largus , svjedočili su o paralizirajućem učinku električnih pražnjenja koje stvaraju električni som i električne zrake i znali su da takva pražnjenja mogu putovati duž vodljivih objekata. [3] Pacijenti koji pate od bolesti poput gihta ili glavobolje dobili su upute da dodiruju električne ribe u nadi da će ih snažno pražnjenje izliječiti. [4]

Drevne kulture Mediterana znale su da se određeni predmeti, poput štapića od jantara , mogu protrljati mačjim krznom kako bi privukli lagane predmete poput perja. Tales iz Mileta napravio je brojna opažanja statičkog elektriciteta oko 600. pr. e. iz čega je zaključio da trenje čini jantar magnetskim - za razliku od minerala poput magnetita , koje nije potrebno trljati. [5] [6] [7] [8] [9] Thales je pogriješio u uvjerenju da je privlačnost uzrokovana magnetskim efektom, no kasnije će znanost dokazati povezanost magnetizma i elektriciteta.

Dugo vremena znanje o elektricitetu nije išlo dalje od takvih ideja. Iako postoji polemična teorija koja se temelji na otkriću takozvane Bagdadske baterije 1936. godine, koja sugerira korištenje galvanskih ćelija u antičko doba, nejasno je je li spomenuti artefakt bio električne prirode. [10]

Godine 1600. William Gilbert je uveo u opticaj izraz elektricitet ("jantar" od starogrčkog. Ἤλεκτρον: [elektronički] - jantar), a 1663. godine gradonačelnik Magdeburga Otto von Guericke stvorio je elektrostatički stroj u obliku nabijenog na metalnu šipku sumpornu kuglu. , što je omogućilo promatranje ne samo efekta privlačenja, već i efekta odbijanja [11] . 1729. Englez Stephen Gray proveo je pokuse prijenosa električne energije na daljinu, otkrivši da svi materijali ne prenose električnu energiju jednako [12] . Godine 1733. Francuz Charles Dufay ustanovio je postojanje dvije vrste elektriciteta, stakla i smole , koje su otkrivene trljanjem stakla o svilu i smole o vunu [13] . Godine 1745. Nizozemac Peter van Muschenbroek stvara prvi električni kondenzator - Leidensku posudu . Otprilike u istim godinama, rad na proučavanju atmosferskog elektriciteta proveli su ruski znanstvenici - G.V. Rikhman i M.V. Lomonosov .

Prvu teoriju elektriciteta stvorio je Amerikanac Benjamin Franklin , koji elektricitet smatra "nematerijalnom tekućinom", tekućinom ("Experiments and Observations with Electricity", 1747. ). Također uvodi pojam pozitivnog i negativnog naboja, izume gromobran i uz njegovu pomoć dokazuje električnu prirodu munje [14] . Proučavanje elektriciteta postaje egzaktna znanost nakon otkrića Coulombovog zakona 1785. godine .

Michael Faraday - utemeljitelj doktrine elektromagnetskog polja

Nadalje, 1791. Talijan Galvani objavljuje "Razpravu o silama elektriciteta u mišićnom kretanju", u kojoj opisuje prisutnost električne struje u mišićima životinja. Drugi Talijan, Volta, 1800. godine izume prvi izvor istosmjerne struje - galvansku ćeliju , koja je stup od cink i srebrnih krugova odvojenih papirom umočenim u slanu vodu [1] . Godine 1802. Vasilij Petrov otkrio je Voltajski luk .

Ovim otkrićem ruskog znanstvenika započela je povijest električne žarulje ili žarulje sa žarnom niti . Nakon toga, glavni doprinos stvaranju žarulje dali su ruski inženjeri Pavel Nikolajevič Yablochkov i Alexander Nikolaevich Lodygin .

Lodygin je nakon dugih eksperimenata stvorio "Lodygin Electric Lighting Partnership and Company" i 1873. demonstrirao žarulje sa žarnom niti svog sustava. Akademija znanosti dodijelila je Lodyginu nagradu Lomonosov zbog činjenice da njegov izum vodi do "korisnih, važnih i novih praktičnih primjena". U isto vrijeme, Pavel Yablochkov je paralelno razvijao vlastiti dizajn svjetiljke. Godine 1876. dobio je patent za žarulju svog sustava, koja je nazvana " Jabločkovova svijeća ". Nakon golemog uspjeha Jabločkovove svijeće na Pariškoj izložbi 1878. , na kojoj su sudjelovali mnogi Rusi, Rusija se zainteresirala za nju. Lodygin, naprotiv, nije uspio uspostaviti široku proizvodnju svojih svjetiljki u Rusiji. Otišao je u Ameriku i tamo je saznao da je žarulja koju je izumio dobila ime po Edisonu . No, ruski inženjer nije počeo dokazivati ​​svoj prioritet, već je nastavio raditi na poboljšanju svog izuma.

1820. danski fizičar Oersted eksperimentalno je otkrio elektromagnetsku interakciju . Zatvarajući i otvarajući strujni krug, vidio je oscilacije igle kompasa smještene u blizini vodiča . Francuski fizičar Ampere 1821. ustanovio je da se veza između elektriciteta i magnetizma opaža samo u slučaju električne struje, a nema je u slučaju statičkog elektriciteta. Radovi Joulea , Lenza , Ohma proširuju razumijevanje elektriciteta. Gauss formulira glavni teorem teorije elektrostatičkog polja ( 1830 ).

Na temelju istraživanja Oersteda i Amperea , Faraday 1831. otkriva fenomen elektromagnetske indukcije i na njegovoj osnovi stvara prvi svjetski generator električne energije, umetanjem magnetizirane jezgre u zavojnicu i fiksiranjem pojave struje u zavojima zavojnice. Faraday otkriva elektromagnetsku indukciju ( 1831. ) i zakone elektrolize ( 1834. ), uvodi pojam električnog i magnetskog polja. Analiza fenomena elektrolize dovela je Faradaya do ideje da nositelji električnih sila nisu nikakve električne tekućine, već atomi - čestice materije. "Atomi materije su na neki način obdareni električnim silama", kaže on. Faradayeva proučavanja elektrolize odigrala su temeljnu ulogu u formiranju elektroničke teorije. Faraday je također stvorio prvi električni motor na svijetu – žicu sa strujom koja se okreće oko magneta. Vrhunac istraživanja elektromagnetizma bio je razvoj teorije elektromagnetskih pojava od strane britanskog ( škotskog ) fizičara DK Maxwella . Izveo je jednadžbe povezujući zajedno električne i magnetske karakteristike polja 1873. godine .

1880. Pierre Curie otkriva piezoelektričnost . Iste godine D. A. Lachinov je pokazao uvjete za prijenos električne energije na velike udaljenosti. Hertz eksperimentalno bilježi elektromagnetske valove ( 1888. ).

Godine 1897. Joseph Thomson otkriva materijalni nositelj električne energije - elektron , čije je mjesto u strukturi atoma kasnije ukazao Ernest Rutherford .

U XX. stoljeću stvorena je teorija kvantne elektrodinamike . Godine 1967. napravljen je još jedan korak prema proučavanju elektriciteta. S. Weinberg , A. Salam i S. Glashow stvorili su jedinstvenu teoriju elektroslabih interakcija .

Teorija

Električni naboj je svojstvo tijela (kvantitativno okarakterizirano istoimenom fizikalnom veličinom), koje se očituje, prije svega, u sposobnosti stvaranja električnog polja oko sebe i kroz njega utjecati na druge nabijene (tj. električni naboj) tijela [15] . Električni naboji se dijele na pozitivne i negativne (izbor koji naboj nazvati pozitivnim, a koji negativnim u znanosti se smatra isključivo uvjetnim, međutim, taj je izbor već napravljen povijesno i sada je - iako uvjetno - svakome dodijeljen potpuno određen predznak optužbi). Tijela nabijena nabojem istog predznaka odbijaju se, a suprotno nabijena privlače. Kada se nabijena tijela kreću (i makroskopska tijela i mikroskopske nabijene čestice koje provode električnu struju u vodičima ), nastaje magnetsko polje i stoga postoje pojave koje omogućuju uspostavljanje odnosa između elektriciteta i magnetizma ( elektromagnetizam ) ( Oersted , Faraday , Maxwell ). U strukturi materije električni naboj kao svojstvo tijela seže do nabijenih elementarnih čestica, na primjer, elektron i antiproton imaju negativan naboj, a proton i pozitron pozitivan.

Najopćenitija temeljna znanost koja proučava električne naboje, njihovu interakciju i polja koja oni stvaraju i djeluju na njih (odnosno, gotovo u potpunosti pokriva temu elektriciteta, s izuzetkom detalja kao što su električna svojstva određenih tvari, kao npr. električna vodljivost (sl) - To je electrodynamics.The kvantna svojstva elektromagnetskih polja, nabijene čestice (sl) su proučavali najdublje strane kvantne elektrodinamike , iako su neki od njih mogu se objasniti jednostavnije kvantne teorije.

Struja u prirodi

Munje noću u Denveru

Upečatljiva manifestacija elektriciteta u prirodi je munja čija je električna priroda utvrđena u 18. stoljeću . Munje su dugo izazivale šumske požare. Prema jednoj od verzija, munja je dovela do početne sinteze aminokiselina i pojave života na zemlji ( pokus Miller-Urey i teorija Oparin-Haldane ). Zemljina atmosfera je divovski kondenzator čija je donja ploča (zemljina površina) nabijena negativno, a gornja ploča (gornji slojevi atmosfere do visine od 50 km) pozitivno. Razlika potencijala između Zemljine površine i gornjih slojeva atmosfere je 400 kV; blizu površine Zemlje postoji konstantno električno polje od 100 V/m.

Za procese u živčanom sustavu ljudi i životinja od presudne je važnosti ovisnost propusnosti stanične membrane za natrijeve ione o potencijalu unutarstanične sredine. Nakon povećanja napona na staničnoj membrani, natrijev kanal se otvara za vrijeme reda od 0,1 - 1,0 ms, što dovodi do naglog porasta napona, zatim se razlika potencijala na membrani vraća na prvobitnu vrijednost. Opisani proces se ukratko naziva živčani impuls . U živčanom sustavu životinja i ljudi informacija s jedne stanice na drugu prenosi se živčanim impulsima ekscitacije u trajanju od oko 1 ms. Živčano vlakno je cilindar napunjen elektrolitom . Signal uzbude se prenosi bez smanjenja amplitude zbog učinka kratkotrajnog povećanja propusnosti membrane za natrijeve ione [16] .

Mnoge ribe koriste struju za zaštitu i traženje plijena pod vodom. Južnoamerička električna jegulja sposobna je generirati električna pražnjenja do 500 volti. Snaga pražnjenja električne rampe može doseći 500 vata. Morski psi , lampuge i neki som koriste struju za traženje plijena. Riblji električni organ radi na frekvenciji od nekoliko stotina herca i stvara napon od nekoliko volti. Električno polje hvataju elektroreceptori . Predmeti u vodi iskrivljuju električno polje . Ovim izobličenjem ribe se lako snalaze u nemirnoj vodi [17] .

Proizvodnja i praktična upotreba

Generiranje i prijenos

Rani antički eksperimenti, poput Thalesovih pokusa s jantarnim štapićima, zapravo su bili prvi pokušaji proučavanja pitanja vezanih uz proizvodnju električne energije. Ova metoda je danas poznata kao triboelektrični efekt, i iako može privući svjetlosne objekte i generirati iskre, zapravo je izrazito neučinkovita [18] . Funkcionalni izvor električne energije pojavio se tek 1800. godine, kada je izumljen prvi uređaj za njegovu proizvodnju, voltni stup . On i njegova moderna verzija, električna baterija , kemijski su izvori električne struje: njihov se rad temelji na interakciji tvari u elektrolitu . Батарея даёт возможность получить электричество в случае необходимости, является многофункциональным и широко распространённым источником питания, который хорошо подходит для применения в различных условиях и ситуациях, однако её запас энергии конечен, и после истощения последнего батарея нуждается в замене или перезарядке. Для удовлетворения более существенных потребностей в большем её объёме электрическая энергия должна непрерывно генерироваться и передаваться по линиям электропередач .

Обычно для её порождения применяются электромеханические генераторы, приводимые в действие либо за счёт сжигания ископаемого топлива , либо с использованием энергии от ядерных реакций , либо посредством силы воздушных или водных течений. Современная паровая турбина , изобретённая Ч. Парсонсом в 1884 году , в настоящее время генерирует примерно 80 % всего электричества в мире, используя те или иные источники нагрева. Эти устройства более не напоминают униполярный дисковый генератор Фарадея , созданный им в 1831 году , однако в их основе по-прежнему лежит открытый им принцип электромагнитной индукции — возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него [19] . Ближе к концу XIX века был изобретён трансформатор , что позволило более эффективно передавать электроэнергию при более высоком напряжении и меньшей силе тока . В свою очередь, эффективность передачи энергии обусловливала возможность генерировать электричество на централизованных электростанциях с выгодой для последних и затем перенаправлять его на довольно протяжённые дистанции к конечным потребителям[20] [21] .

Поскольку электроэнергию затруднительно хранить в таких количествах, которые были бы достаточны в масштабах государства, необходимо соблюдать баланс: генерировать ровно столько электричества, сколько потребляется пользователями. Для этого энергетическим компаниям необходимо тщательно прогнозировать нагрузку и постоянно координировать производственный процесс со своими электростанциями. Некоторое количество мощностей при этом держится в резерве, чтобы в случае возникновения тех или иных проблем или потерь энергии подстраховывать электросети .

По мере того, как идёт модернизация и развивается экономика того или иного государства, спрос на электричество быстро возрастает. В частности, для Соединенных Штатов этот показатель составил 12 % роста в год на протяжении первой трети XX века [22] , а в настоящее время аналогичный прогресс наблюдается у таких интенсивно развивающихся экономик, как Китай и Индия [23] [24] . Исторически рост потребности в электричестве опережает аналогичные показатели для других видов энергоносителей [25] . Следует также заметить, что беспокойство по поводу влияния производств электроэнергии на окружающую среду привело к сосредоточению внимания на генерировании электричества посредством возобновляемых источников — в особенности за счёт энергии ветра и воды [26] .

Применение

Получение электричества путём преобразования кинетической энергии ветра набирает популярность во многих странах мира
Лампа накаливания

Использование электричества обеспечивает довольно удобный [ источник не указан 2147 дней ] способ передачи энергии, и в силу этого оно было адаптировано для существенного и по сей день растущего спектра практических приложений [27] . Одним из первых общедоступных способов применения электричества было освещение; условия для этого оказались созданы после изобретения лампы накаливания в 1870-х годах . Первая лампа накаливания представляла собой замкнутый сосуд без воздуха с угольным стержнем. [28] . Хотя с электрификацией были сопряжены свои риски, замена открытого огня на электрическое освещение в значительной степени сократила количество возгораний в быту и на производстве [29] .

В целом, начиная с XIX века , электричество плотно входит в жизнь современной цивилизации. Электричество используют не только для освещения [30] , но и для передачи информации ( телеграф , телефон , радио , телевидение ), а также для приведения механизмов в движение ( электродвигатель ), что активно используется на транспорте [31] ( трамвай , метро , троллейбус , электричка ) и в бытовой технике ( утюг , кухонный комбайн , стиральная машина , посудомоечная машина ).

В целях получения электричества созданы оснащённые электрогенераторами электростанции , а для его хранения — аккумуляторы и электрические батареи .

Сегодня также электричество используют для получения материалов ( электролиз ), для их обработки (сварка, сверление, резка) и создания музыки ( электрогитара ).

Закон Джоуля-Ленца о тепловом действии электрического тока обусловливает возможности для электрического отопления помещений. Хотя такой способ довольно универсален и обеспечивает определённую степень управляемости, его можно рассматривать как излишне ресурсозатратный — в силу того, что генерирование используемого в нём электричества уже потребовало производства тепла на электростанции [32] . В некоторых странах, например — в Дании , были даже приняты законодательные нормы, ограничивающие или полностью запрещающие использование электрических средств отопления в новых домах [33] . В то же время электричество — это практичный источник энергии для охлаждения, и одной из активно растущих областей спроса на электричество является кондиционирование воздуха [34] [35] .

По данным Всемирного банка , на сегодняшний день (2015) более миллиарда человек в мире живут без использования электричества в быту. Около 3 млрд человек используют для приготовления пищи и отопления керосин, дрова, древесный уголь и навоз. [36] .

Хронология основных открытий и изобретений

Примечания

  1. 1 2 Спиридонов О. П. «Универсальные физические постоянные», М., «Просвещение», 1984, с. 52, ББК 22.3 С72
  2. Moller, Peter & Kramer, Bernd (December 1991), Review: Electric Fish , BioScience (American Institute of Biological Sciences) . — Т. 41 (11): 794–96 [794] , DOI 10.2307/1311732  
  3. Bullock, Theodore H. (2005), Electroreception , Springer, с. 5–7, ISBN 0-387-23192-7  
  4. Morris, Simon C. (2003), Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe , Cambridge University Press, с. 182–85 , ISBN 0-521-82704-3 , < https://archive.org/details/lifessolutionine01conw/page/182 >  
  5. Электричество до Франклина
  6. Stewart, Joseph (2001), Intermediate Electromagnetic Theory , World Scientific, с. 50, ISBN 981-02-4471-1  
  7. Simpson, Brian (2003), Electrical Stimulation and the Relief of Pain , Elsevier Health Sciences, с. 6–7, ISBN 0-444-51258-6  
  8. Diogenes Laertius. RD Hicks: Lives of Eminent Philosophers, Book 1 Chapter 1 [24 ] . Perseus Digital Library . Tufts University. — «Aristotle and Hippias affirm that, arguing from the magnet and from amber, he attributed a soul or life even to inanimate objects.». Дата обращения: 5 февраля 2017.
  9. Aristotle. Daniel C. Stevenson: De Animus (On the Soul) Book 1 Part 2 (B4 verso) . The Internet Classics Archive . — «Thales, too, to judge from what is recorded about him, seems to have held soul to be a motive force, since he said that the magnet has a soul in it because it moves the iron.». Дата обращения: 5 февраля 2017.
  10. Frood, Arran (27 February 2003), Riddle of 'Baghdad's batteries' , BBC , < http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/2804257.stm > . Проверено 16 февраля 2008.  
  11. Электростатическая машина Герике
  12. Первые опыты по передаче электричества на расстояние
  13. История электричества
  14. Открытие электричества
  15. Это не единственное свойство заряженных тел; например, заряженные тела при движении способны создавать ещё и магнитное поле , а также подвергаются воздействию последнего (также в случае своего движения).
  16. Электричество в живых организмах, 1988 , с. 66.
  17. Богданов К. Ю. Физик в гостях у биолога. — М.: «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986, 144 с. (Б-чка «Квант», Вып. 49) тир. 135000 экз., ББК 22.3 + 28 Гл. 1. Живое электричество.
  18. Dell, Ronald & Rand, David (2001), Understanding Batteries, Unknown (Royal Society of Chemistry) . — Т. 86: 2–4, ISBN 0-85404-605-4  
  19. McLaren, Peter G. (1984), Elementary Electric Power and Machines , Ellis Horwood, с. 182–183, ISBN 0-85312-269-5  
  20. Patterson, Walter C. (1999), Transforming Electricity: The Coming Generation of Change , Earthscan, с. 44–48, ISBN 1-85383-341-X  
  21. Edison Electric Institute, History of the Electric Power Industry , < http://www.eei.org/industry_issues/industry_overview_and_statistics/history > . Проверено 8 декабря 2007.   Архивная копия от 13 ноября 2007 на Wayback Machine
  22. Edison Electric Institute, History of the US Electric Power Industry, 1882-1991 , < http://www.eia.doe.gov/cneaf/electricity/chg_stru_update/appa.html > . Проверено 8 декабря 2007.  
  23. Carbon Sequestration Leadership Forum, An Energy Summary of India , < http://www.cslforum.org/india.htm > . Проверено 8 декабря 2007.   Архивная копия от 5 декабря 2007 на Wayback Machine
  24. IndexMundi, China Electricity - consumption , < http://www.indexmundi.com/china/electricity_consumption.html > . Проверено 8 декабря 2007.  
  25. National Research Council (1986), Electricity in Economic Growth , National Academies Press, с. 16, ISBN 0-309-03677-1  
  26. National Research Council (1986), Electricity in Economic Growth , National Academies Press, с. 89, ISBN 0-309-03677-1  
  27. Wald, Matthew (21 March 1990), Growing Use of Electricity Raises Questions on Supply , New York Times , < http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9C0CE6DD1F3AF932A15750C0A966958260 > . Проверено 9 декабря 2007.  
  28. Большая советская энциклопедия
  29. d'Alroy Jones, Peter, The Consumer Society: A History of American Capitalism , Penguin Books, с. 211  
  30. Жителям Подмосковья электричество не светит
  31. Из-за отключения электричества в Санкт-Петербурге встал электротранспорт
  32. ReVelle, Charles and Penelope (1992), The Global Environment: Securing a Sustainable Future , Jones & Bartlett, с. 298, ISBN 0-86720-321-8  
  33. Danish Ministry of Environment and Energy, F.2 The Heat Supply Act , < http://glwww.mst.dk/udgiv/Publications/1997/87-7810-983-3/html/annexf.htm > . Проверено 9 декабря 2007.   Архивная копия от 8 января 2008 на Wayback Machine
  34. Brown, Charles E. (2002), Power resources , Springer, ISBN 3-540-42634-5  
  35. Hojjati, B. & Battles, S., The Growth in Electricity Demand in US Households, 1981-2001: Implications for Carbon Emissions , < http://www.eia.doe.gov/emeu/efficiency/2005_USAEE.pdf > . Проверено 9 декабря 2007.  
  36. Более миллиарда людей в мире живут без электричества — ИА «Финмаркет»

Литература

Ссылки