Electricitate

Electricitatea (din lat. electricus, mai departe de la alte grecești ἤλεκτρον) este un ansamblu de fenomene datorate existenței, interacțiunii și mișcării sarcinilor electrice . Termenul a fost introdus de naturalistul englez William Gilbert în lucrarea sa „On the Magnet, Magnetic Bodies, and the Great Magnet – the Earth” (1600), care explică funcționarea unui compas magnetic și descrie câteva experimente cu corpuri electrificate. A constatat că și alte substanțe au proprietatea de a fi electrificate [1] .

Istorie

Cu mult înainte de a exista cunoștințe despre electricitate, oamenii știau despre proprietățile peștilor electrici . Texte egiptene antice datând din 2750 î.Hr. î.Hr., ei se referă la acești pești drept „Tunetorii Nilului” și îi descriu drept „protectori” tuturor celorlalți pești. Mii de ani mai târziu, naturaliștii și medicii greci , romani și arabi antici au raportat din nou despre peștii electrici [2] . Unii scriitori antici, precum Pliniu cel Bătrân și Scribonius Largus , au mărturisit efectul paralizant al descărcărilor electrice produse de somnul electric și razele electrice și știau că astfel de descărcări ar putea călători de-a lungul obiectelor conductoare. [3] Pacienții care sufereau de afecțiuni precum guta sau durerile de cap au fost instruiți să atingă peștii electrici în speranța că șocul puternic îi va vindeca. [patru]

Culturile antice din Marea Mediterană știau că anumite obiecte, cum ar fi bețișoarele de chihlimbar , puteau fi frecate cu blana de pisică pentru a atrage obiecte ușoare, cum ar fi pene. Thales din Milet a făcut o serie de observații ale electricității statice în jurul anului 600 î.Hr. e. , din care a concluzionat că frecarea face chihlimbarul magnetic - spre deosebire de minerale precum magnetita , care nu trebuie frecate. [5] [6] [7] [8] [9] Thales a greșit crezând că atracția este cauzată de un efect magnetic, dar mai târziu știința va dovedi legătura dintre magnetism și electricitate.

Multă vreme, cunoștințele despre electricitate nu au depășit astfel de idei. Deși există o teorie polemică bazată pe descoperirea în 1936 a așa-numitei baterii de la Bagdad , care sugerează utilizarea celulelor galvanice în antichitate, nu este clar dacă respectivul artefact era de natură electrică. [zece]

În 1600, William Gilbert a inventat termenul de electricitate în sine („chihlimbar”, din alt grecesc ἤλεκτρον : [electron] - chihlimbar), iar în 1663, primăria Magdeburgului Otto von Guericke a creat o mașină electrostatică sub forma unui acid sulfuric plantat pe un metal. tijă. minge, care a făcut posibilă observarea nu numai a efectului de atracție, ci și a efectului de repulsie [11] . În 1729, englezul Stephen Gray a efectuat experimente privind transmiterea energiei electrice la distanță, descoperind că nu toate materialele transmit energie electrică în același mod [12] . În 1733, francezul Charles Dufay a stabilit existența a două tipuri de electricitate, sticla și rășină , care s-au dezvăluit prin frecarea sticlei de mătase și a rășinii cu lână [13] . În 1745, olandezul Pieter van Muschenbroek a creat primul condensator electric  , borcanul Leyden . Aproximativ în aceiași ani, oamenii de știință ruși au desfășurat lucrări privind studiul electricității atmosferice - G. V. Rikhman și M. V. Lomonosov .

Prima teorie a electricității este creată de americanul Benjamin Franklin , care consideră electricitatea ca un „lichid imaterial”, un fluid („Experimente și observații cu electricitate”, 1747). El introduce și conceptul de sarcină pozitivă și negativă, inventează un paratrăsnet și cu ajutorul lui demonstrează natura electrică a trăsnetului [14] . Studiul electricității intră în categoria științei exacte după descoperirea legii lui Coulomb în 1785 .

Mai mult, în 1791, italianul Galvani a publicat un Tratat despre forțele electricității în mișcarea musculară, în care a descris prezența unui curent electric în mușchii animalelor. O altă Voltă italiană în 1800 inventează prima sursă de curent continuu - celula galvanică , care este o coloană de cercuri de zinc și argint separate de hârtie înmuiată în apă sărată [1] . În 1802, Vasily Petrov a descoperit arcul voltaic .

Odată cu această descoperire a unui om de știință rus, a început istoria unui bec electric sau a unei lămpi cu incandescență . În viitor, principala contribuție la crearea unui bec electric a fost făcută de inginerii ruși Pavel Nikolaevich Yablochkov și Alexander Nikolaevich Lodygin .

Lodygin, după multe experimente, a creat Lodygin and Company Electric Lighting Partnership și în 1873 a demonstrat lămpile incandescente ale sistemului său. Academia de Științe i-a acordat lui Lodygin Premiul Lomonosov pentru faptul că invenția sa duce la „aplicații practice utile, importante și noi”. În același timp, Pavel Yablochkov și-a dezvoltat propriul design al lămpii în paralel. În 1876, a primit un brevet pentru becul sistemului său, care a fost numit „ lumânarea lui Yablochkov ”. După succesul grandios al lumânării Yablochkov la Expoziția de la Paris din 1878 , la care au participat mulți ruși, aceștia au devenit interesați de ea în Rusia. Lodygin, dimpotrivă, nu a reușit să stabilească o producție largă a lămpilor sale în Rusia. A plecat în America și acolo a aflat că becul pe care l-a inventat a fost numit după Edison . Dar inginerul rus nu a început să-și demonstreze prioritatea, ci a continuat să lucreze la îmbunătățirea invenției sale.

În 1820, fizicianul danez Oersted a descoperit experimental forța electromagnetică . Închizând și deschizând circuitul cu curent, a văzut fluctuațiile acului busolei situat lângă conductor . Fizicianul francez Ampère a stabilit în 1821 că legătura dintre electricitate și magnetism se observă doar în cazul curentului electric și este absentă în cazul electricității statice. Lucrările lui Joule , Lenz , Ohm extind înțelegerea electricității. Gauss formulează teorema fundamentală a teoriei câmpului electrostatic (1830).

Pe baza cercetărilor lui Oersted și Ampère , Faraday descoperă fenomenul inducției electromagnetice în 1831 și creează pe baza acestuia primul generator de energie electrică din lume, prin alunecarea unui miez magnetizat în bobină și prin fixarea apariției curentului în spirele bobinei. Faraday descoperă inducția electromagnetică (1831) și legile electrolizei (1834), introduce conceptul de câmpuri electrice și magnetice . O analiză a fenomenului de electroliză a condus Faraday la ideea că purtătorii forțelor electrice nu sunt fluide electrice, ci atomii - particule de materie. „Atomii materiei sunt cumva înzestrați cu forțe electrice”, spune el. Studiile lui Faraday despre electroliză au jucat un rol fundamental în dezvoltarea teoriei electronice. Faraday a creat primul motor electric din lume  - un fir care transportă curent care se rotește în jurul unui magnet. Realizarea de vârf a cercetării în domeniul electromagnetismului a fost dezvoltarea de către fizicianul britanic ( scoțian ) D. K. Maxwell a teoriei fenomenelor electromagnetice. El a derivat ecuații care relaționează împreună caracteristicile electrice și magnetice ale unui câmp în 1873.

Pierre Curie descoperă piezoelectricitatea în 1880 . În același an, D. A. Lachinov a arătat condițiile pentru transportul energiei electrice pe distanțe lungi. Hertz înregistrează experimental undele electromagnetice (1888).

În 1897, Joseph Thomson a descoperit purtătorul material al electricității - electronul , al cărui loc în structura atomului a fost mai târziu subliniat de Ernest Rutherford .

În secolul al XX-lea, a fost creată teoria electrodinamicii cuantice . În 1967, s-a făcut un alt pas spre studiul energiei electrice. S. Weinberg , A. Salam şi S. Glashow au creat o teorie unificată a interacţiunilor electroslăbite .

Teorie

Sarcina electrică  este o proprietate a corpurilor (caracterizată cantitativ prin mărimea fizică cu același nume), manifestată în primul rând în capacitatea de a crea un câmp electric în jurul său și prin intermediul acestuia de a influența alte corpuri încărcate ( adică având o sarcină electrică) . 15] . Sarcinile electrice sunt împărțite în pozitive și negative (alegerea ce sarcină să numiți pozitivă și care negativă este considerată pur arbitrară în știință, dar această alegere a fost deja făcută din punct de vedere istoric și acum - deși condiționat - un semn foarte specific este atribuit fiecăruia dintre taxele). Corpurile încărcate cu o sarcină de același semn se resping, iar corpurile încărcate opus se atrag. Când corpurile încărcate se mișcă (atât corpuri macroscopice, cât și particule microscopice încărcate care transportă curent electric în conductori ), apare un câmp magnetic și, astfel, au loc fenomene care fac posibilă stabilirea relației dintre electricitate și magnetism ( electromagnetism ) ( Oersted , Faraday , Maxwell ). În structura materiei, sarcina electrică ca proprietate a corpurilor se întoarce la particulele elementare încărcate, de exemplu, un electron și un antiproton au o sarcină negativă, în timp ce un proton și un pozitron au  o sarcină pozitivă.

Cea mai generală știință fundamentală care studiază sarcinile electrice, interacțiunea lor și câmpurile generate de acestea și care acționează asupra lor (adică acoperă aproape complet subiectul electricității, cu excepția unor detalii precum proprietățile electrice ale unor substanțe specifice, cum ar fi deoarece conductivitatea electrică (etc.) este electrodinamica ... Proprietățile cuantice ale câmpurilor electromagnetice, particulele încărcate (etc.) sunt studiate cel mai profund de electrodinamica cuantică , deși unele dintre ele pot fi explicate prin teorii cuantice mai simple.

Electricitate în natură

O manifestare izbitoare a electricității în natură este fulgerul , a cărui natură electrică a fost stabilită în secolul al XVIII-lea . Fulgerele au provocat mult timp incendii de pădure. Potrivit unei versiuni, fulgerul a fost cel care a dus la sinteza inițială a aminoacizilor și la apariția vieții pe pământ ( Experimentul Miller-Urey și Teoria Oparin-Haldane ). Atmosfera Pământului este un condensator gigant, a cărui placă inferioară (suprafața pământului) este încărcată negativ, iar placa superioară (straturile superioare ale atmosferei până la o înălțime de 50 km) este încărcată pozitiv. Diferența de potențial dintre suprafața Pământului și atmosfera superioară este de 400 kV, lângă suprafața Pământului există un câmp electric constant cu o putere de 100 V/m.

Pentru procesele din sistemul nervos al oamenilor și animalelor, dependența capacității membranei celulare pentru ionii de sodiu de potențialul mediului intracelular este de o importanță decisivă. După creșterea tensiunii pe membrana celulară, canalul de sodiu se deschide pentru un timp de ordinul a 0,1-1,0 ms, ceea ce duce la o creștere bruscă a tensiunii, apoi diferența de potențial peste membrană revine la valoarea inițială. Procesul descris se numește pe scurt impuls nervos . În sistemul nervos al animalelor și al oamenilor, informațiile de la o celulă la alta sunt transmise prin impulsuri nervoase de excitație cu o durată de aproximativ 1 ms. Fibra nervoasă este un cilindru umplut cu electrolit . Semnalul de excitație este transmis fără o scădere a amplitudinii datorită efectului unei creșteri pe termen scurt a permeabilității membranei pentru ionii de sodiu [16] .

Mulți pești folosesc electricitatea pentru a se proteja și pentru a căuta prada sub apă. Anghila electrică din America de Sud este capabilă să genereze descărcări electrice de până la 500 de volți . Puterea de descărcare a rampei electrice poate ajunge la 500 de wați. Rechinii , lamprele și unii somni folosesc electricitatea pentru a găsi prada. Organul electric al peștelui funcționează la o frecvență de câteva sute de herți și creează o tensiune de câțiva volți. Câmpul electric este captat de electroreceptori . Obiectele din apă distorsionează câmpul electric . Conform acestor distorsiuni, peștii navighează cu ușurință în apa noroioasă [17] .

Producție și utilizare practică

Generare și transmitere

Experimentele timpurii din antichitate , cum ar fi cele ale lui Thales cu bețișoare de chihlimbar , au fost de fapt primele încercări de a studia problemele legate de producția de energie electrică. Această metodă este cunoscută acum ca efect triboelectric și, deși poate atrage obiecte ușoare și poate genera scântei, de fapt este extrem de ineficientă [18] . O sursă funcțională de electricitate a apărut abia în 1800, când a fost inventat primul dispozitiv pentru producerea sa - coloana de volți . El și versiunea sa modernă, bateria electrică , sunt surse chimice de curent electric: baza muncii lor este interacțiunea substanțelor din electrolit . Bateria oferă capacitatea de a primi energie electrică în caz de nevoie, este o sursă de energie multifuncțională și răspândită, care este bine potrivită pentru utilizare în diverse condiții și situații, cu toate acestea, alimentarea sa cu energie este finită, iar după epuizarea acesteia din urmă, bateria trebuie înlocuit sau reîncărcat. Pentru a satisface nevoi mai substanțiale într-un volum mai mare, energia electrică trebuie să fie generată și transmisă continuu prin liniile electrice .

De obicei, pentru generarea acestuia se folosesc generatoare electromecanice, acționate fie prin arderea combustibililor fosili , fie folosind energia din reacții nucleare , fie prin forța curenților de aer sau de apă. Turbina modernă cu abur , inventată de C. Parsons în 1884, generează în prezent aproximativ 80% din toată energia electrică din lume folosind una sau alta sursă de încălzire. Aceste dispozitive nu mai seamănă cu generatorul de discuri unipolar al lui Faraday , pe care l-a creat în 1831 , dar încă se bazează pe principiul inducției electromagnetice descoperit de el  - generarea de curent electric într-un circuit închis atunci când fluxul magnetic care trece prin el se modifică. [19] . Spre sfârșitul secolului al XIX-lea a fost inventat transformatorul , care a făcut posibilă transmiterea mai eficientă a energiei electrice la o tensiune mai mare și o putere de curent mai mică . La rândul său, eficiența transferului de energie a făcut posibilă generarea de energie electrică la centralele centralizate în beneficiul acestora din urmă și apoi redirecționarea acesteia pe distanțe destul de mari către consumatorii finali [20] [21] .

Întrucât este dificil să stocați energie electrică în astfel de cantități care ar fi suficiente la scară națională, este necesar să găsiți un echilibru: să generați exact atâta energie electrică cât este consumată de utilizatori. Pentru a face acest lucru, companiile energetice trebuie să prezică cu atenție sarcina și să coordoneze constant procesul de producție cu centralele lor electrice. În același timp, o anumită capacitate este păstrată în rezervă, astfel încât în ​​cazul anumitor probleme sau pierderi de energie, asigurați rețeaua electrică .

Pe măsură ce modernizarea progresează și economia unui stat se dezvoltă, cererea de energie electrică crește rapid. În special, pentru Statele Unite, acest indicator a înregistrat o creștere de 12% pe an în prima treime a secolului al XX-lea [22] , iar acum economii în dezvoltare atât de rapidă precum China și India [23] [24] se confruntă cu progrese similare . Din punct de vedere istoric, creșterea cererii de energie electrică este înaintea indicatorilor similari pentru alte tipuri de purtători de energie [25] . De asemenea, trebuie remarcat faptul că îngrijorarea cu privire la impactul producerii de energie electrică asupra mediului a condus la concentrarea pe generarea de energie electrică prin surse regenerabile - în special energie eoliană și apă [26] .

Aplicație

Utilizarea energiei electrice oferă o modalitate destul de convenabilă de transmitere a energiei și, din această cauză, a fost adaptată la o gamă semnificativă și încă în creștere de aplicații practice [27] . Una dintre primele utilizări publice ale energiei electrice a fost iluminatul; condiţiile pentru aceasta au fost create după inventarea lămpii cu incandescenţă în anii 1870 . Prima lampă cu incandescență a fost un vas închis fără aer cu o tijă de carbon. [28] . Deși electrificarea a avut riscurile sale, înlocuirea flăcărilor deschise cu iluminatul electric a redus foarte mult numărul incendiilor în locuințe și locuri de muncă [29] .

În general, începând cu secolul al XIX-lea , electricitatea a fost strâns integrată în viața civilizației moderne. Electricitatea este folosită nu numai pentru iluminat [30] , ci și pentru transmiterea de informații ( telegraf , telefon , radio , televiziune ), precum și pentru punerea în mișcare a mecanismelor ( motor electric ), care este utilizat activ în transport [31] ( tramvai ). , metrou , troleibuz , tren electric ) si electrocasnice ( fier de calcat , robot de bucatarie , masina de spalat rufe , masina de spalat vase ).

Au fost create centrale electrice echipate cu generatoare electrice pentru a genera energie electrică , iar acumulatoare şi baterii electrice pentru a o stoca .

Astăzi, electricitatea este folosită și pentru obținerea de materiale ( electroliza ), pentru prelucrarea acestora (sudare, găurire, tăiere) și pentru a crea muzică ( chitară electrică ).

Legea Joule-Lenz privind efectul termic al curentului electric determină posibilitățile de încălzire electrică a spațiului . Deși această metodă este destul de versatilă și oferă un anumit grad de controlabilitate, poate fi considerată ca consumatoare inutil de resurse datorită faptului că generarea de energie electrică utilizată în ea a necesitat deja producerea de căldură la centrala [32] . În unele țări, precum Danemarca , chiar a fost adoptată o legislație care restricționează sau interzice complet utilizarea încălzirii electrice în casele noi [33] . În același timp, electricitatea este o sursă practică de energie pentru refrigerare, iar una dintre zonele de cerere în creștere rapidă pentru energie electrică este aerul condiționat [34] [35] .

Potrivit Băncii Mondiale , din 2015, peste un miliard de oameni din lume trăiau fără energie electrică acasă. Aproximativ 3 miliarde de oameni au folosit kerosen, lemn de foc, cărbune și gunoi de grajd pentru gătit și încălzire. [36]

Cronologia descoperirilor și invențiilor majore

Note

  1. ↑ 1 2 Spiridonov O.P. „Constantele fizice universale”, M., „Prosveshchenie”, 1984, p. 52, LBC 22,3 С72
  2. ↑ Moller, Peter & Kramer, Bernd (decembrie 1991), Review: Electric Fish , BioScience (Institutul American de Științe Biologice). — T. 41 (11): 794–96 [794] , DOI 10.2307/1311732 
  3. ↑ Bullock, Theodore H. (2005), Electroreception , Springer, p. 5–7, ISBN 0-387-23192-7  
  4. ↑ Morris, Simon C. (2003), Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe , Cambridge University Press, p. 182–85 , ISBN 0-521-82704-3 , < https://archive.org/details/lifessolutionine01conw/page/182 >  
  5. ↑ Electricitate către Franklin
  6. ↑ Stewart, Joseph (2001), Teoria electromagnetică intermediară , World Scientific, p. 50, ISBN 981-02-4471-1  
  7. ↑ Simpson, Brian (2003), Stimularea electrică și ameliorarea durerii , Elsevier Health Sciences, p. 6–7, ISBN 0-444-51258-6  
  8. ↑ Diogenes Laertius. R.D. Hicks: Lifes of Eminent Philosophers, Cartea 1 Capitolul 1 [24 ] . Biblioteca digitală Perseus . Universitatea Tufts. — „Aristotel și Hippias afirmă că, argumentând din magnet și din chihlimbar, el a atribuit un suflet sau viață chiar și obiectelor neînsuflețite”. Data accesului: 5 februarie 2017.
  9. ↑ Aristotel. Daniel C. Stevenson: De Animus (On the Soul) Book 1 Part 2 (B4 verso) . Arhiva Internet Classics . - „De asemenea, Thales, ca să judec din cele înregistrate despre el, pare să fi considerat sufletul ca o forță motrice, deoarece a spus că magnetul are un suflet în el pentru că mișcă fierul”. Data accesului: 5 februarie 2017.
  10. ↑ Frood, Arran (27 februarie 2003), Riddle of 'Baghdad's batterys' , BBC , < http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/2804257.stm > . Preluat la 16 februarie 2008.  
  11. ↑ Mașina electrostatică a lui Guericke
  12. ↑ Primele experimente privind transmiterea energiei electrice la distanță
  13. ↑ Istoria energiei electrice
  14. ↑ Descoperirea energiei electrice
  15. ↑ Aceasta nu este singura proprietate a corpurilor încărcate; de exemplu, corpurile încărcate, atunci când se mișcă, sunt, de asemenea, capabile să creeze un câmp magnetic și sunt, de asemenea, expuse acestuia din urmă (și în cazul mișcării lor).
  16. ↑ Electricitatea în organismele vii, 1988 , p. 66.
  17. ↑ Bogdanov K. Yu. Fizician în vizită la un biolog. - M .: „Știința”, cap. ed. Fiz.-Matematică. lit., 1986, 144 p. (B-chka „Quantum”, Numărul 49) poligon de tragere. 135.000 de exemplare, BBK 22.3 + 28 Ch. 1. Electricitate vie.
  18. ^ Dell, Ronald și Rand, David (2001), Understanding Batteries, Unknown (Royal Society of Chemistry) . - T. 86: 2–4, ISBN 0-85404-605-4  
  19. ↑ McLaren, Peter G. (1984), Elementary Electric Power and Machines , Ellis Horwood, p. 182–183, ISBN 0-85312-269-5  
  20. ↑ Patterson, Walter C. (1999), Transforming Electricity: The Coming Generation of Change , Earthscan, p. 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 > . Extras 8 decembrie 2007. Arhivat 13 noiembrie 2007 la 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 > . Preluat la 8 decembrie 2007.  
  23. ↑ Carbon Sequestration Leadership Forum, An Energy Summary of India , < http://www.cslforum.org/india.htm > . Preluat la 8 decembrie 2007. Arhivat la 5 decembrie 2007 la Wayback Machine 
  24. ↑ IndexMundi, China Electricity - consumption , < http://www.indexmundi.com/china/electricity_consumption.html > . Preluat la 8 decembrie 2007.  
  25. ↑ Consiliul Național de Cercetare (1986), Electricity in Economic Growth , National Academies Press, p. 16, ISBN 0-309-03677-1  
  26. ↑ Consiliul Național de Cercetare (1986), Electricity in Economic Growth , National Academies Press, p. 89, ISBN 0-309-03677-1  
  27. ↑ Wald, Matthew (21 martie 1990), Growing Use of Electricity Raises Questions on Supply , New York Times , < http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9C0CE6DD1F3AF932A15750C0A966958260 > . Preluat la 9 decembrie 2007.  
  28. ↑ Marea Enciclopedie Sovietică
  29. ↑ d'Alroy Jones, Peter, The Consumer Society: A History of American Capitalism , Penguin Books, p. 211  
  30. ↑ Electricitatea nu strălucește locuitorilor din regiunea Moscovei
  31. ↑ Din cauza unei pene de curent în Sankt Petersburg, transportul electric s-a ridicat
  32. ↑ ReVelle, Charles și Penelope (1992), The Global Environment: Securing a Sustainable Future , Jones & Bartlett, p. 298, ISBN 0-86720-321-8  
  33. ↑ Ministerul danez al Mediului și Energiei, F.2 The Heat Supply Act , < http://glwww.mst.dk/udgiv/Publications/1997/87-7810-983-3/html/annexf.htm > . Preluat la 9 decembrie 2007. Arhivat la 8 ianuarie 2008 la Wayback Machine 
  34. ↑ Brown, Charles E. (2002), Power resources , Springer, ISBN 3-540-42634-5  
  35. ↑ Hojjati, B. & Battles, S., Creșterea cererii de energie electrică în gospodăriile americane, 1981-2001: Implicații pentru emisiile de carbon , < http://www.eia.doe.gov/emeu/efficiency/2005_USAEE.pdf > . Preluat la 9 decembrie 2007.  
  36. ↑ Peste un miliard de oameni din lume trăiesc fără electricitate - IA „Finmarket”

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii