Каковы принципы электричества кратко

Обновлено: 30.06.2024

В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.

1. Что такое электрический ток.
"Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам" (с)

1.1 Пара общих слов по физике вопроса
Электрический ток - это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы - это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд. Так-то атом электрически нейтрален - заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки. Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню, данная статья - это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по "электронная теория проводимости").

Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.

1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить. Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.

Бывают два типа генераторов - генератор напряжения и генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание! См. рисунок ниже

рис 1. Генератор напряжения величиной U

рис 2. Генератор тока величиной I

На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней - генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя - замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь

рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1

В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 - это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 - это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть - сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше - сопротивление уменьшится, поток воды увеличится. Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.

Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.

рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2

Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью - ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью - ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники - Закон Ома. ( "С красной строки. Подчеркни" (с))

2. Закон Ома.

Сначала c точки зрения генератора напряжения

Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R Теперь с точки зрения генератора тока

Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R

Вот как-то надо этот момент осознать. Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается. Можно конечно еще записать R=U/I. Что-то вроде - если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R. Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота. Это чисто технические моменты. Что-то вроде

рис 5. Последовательное включение резисторов

Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I. Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?
Используйте закон Ома и все!
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще - говорят "падение напряжения на резисторе", потому что "производит" напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.

Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.

1. Самая важная схема.
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни - это делитель напряжения.
( "С красной строки. Подчеркни" (с))

3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.

рис 6. Делитель напряжения

Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.

Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология - сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.

Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).

Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.

Второй важный случай - учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)

рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.

Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.

Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.

Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!

В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.

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

Электричеством называют явления, которые происходят за счет существования, взаимодействия и движения электрических зарядов.

Происхождение термина

История

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

Теория электричества

В основе теории электричества лежат фундаментальные законы:

Закон сохранения энергии, которому подчиняются электрические явления. , который является основным законом электрического тока. — о взаимодействии электромагнитного и магнитного полей.
Закон Ампера, который постулирует правила взаимодействия двух проводников с токами.
Закон Джоуля-Ленца, который открыл тепловой эффект электричества.
Закон Кулона — об электростатическом электричестве.
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.
Правило Ленца, которое позволяет определить направление индукционного тока.
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.

Электрический ток — это упорядоченное движение частиц электрического заряда в проводнике под воздействием на них электрического поля.

Для существования электрического тока нужны 2 условия:

Наличие свободных электрических зарядов в проводнике.
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:

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

Во всем мире электроэнергия возникает благодаря работе станций:

Гидроэлектростанции (ГЭС) находятся на берегах крупных рек и используют силу воды для создания электричества.
Тепловые электростанции (ТЭС) работают на тепловой энергии, которая возникает от сжигания топлива.
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.

В настоящее время ведется активное развитие альтернативных видов получения энергии (ветрогенераторы, солнечные батареи и т.п.), возможности которых пока уступают традиционным источникам.

Электричество в природе

Примерами естественного электричества являются:

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.
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.
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.

Содержание

История

В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830).

В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год).

В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.

В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 году был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединенную теорию электрослабых взаимодействий.

Теория

Электрический заряд — это свойство тел (количественно характеризуемое физической величиной того же названия), проявляющееся прежде всего в способности создавать вокруг себя электрическое поле и посредством него оказывать воздействие на другие заряженные (то есть обладающие электрическим зарядом) тела [7] . Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные (выбор, какой именно заряд назвать положительным, а какой отрицательным, считается в науке чисто условным, однако этот выбор уже исторически сделан и теперь — хоть и условно — за каждым из зарядов закреплен вполне определенный знак). Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются. При движении заряженных тел (как макроскопических тел, так и микроскопических заряженных частиц, переносящих электрический ток в проводниках) возникает магнитное поле и имеют, таким образом, место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм) (Эрстед, Фарадей, Максвелл). В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к заряженным элементарным частицам, например, электрон имеет отрицательный заряд, а протон и позитрон — положительный.

Наиболее общая фундаментальная наука, имеющая предметом электрические заряды, их взаимодействие и поля, ими порождаемые и действующие на них (то есть практически полностью покрывающая тему электричества, за исключением таких деталей, как электрические свойства конкретных веществ, как то электропроводность итп) — это электродинамика. Квантовые свойства электромагнитных полей, заряженных частиц итп изучаются наиболее глубоко квантовой электродинамикой, хотя часть из них может быть объяснена более простыми квантовыми теориями.

Электричество в природе

Ярким проявлением электричества в природе служат молнии, электрическая природа которых была установлена в XVIII веке. Молнии издавна вызывали лесные пожары. По одной из версий именно молнии привели к первоначальному синтезу аминокислот и появлению жизни на земле (Эксперимент Миллера — Юри и Теория Опарина — Холдейна).

Для процессов в нервной системе человека и животных решающее значение имеет зависимость пропускной способности клеточной мембраны для ионов натрия от потенциала внутриклеточной среды. После повышения напряжения на клеточной мембране натриевый канал открывается на время порядка 0,1 — 1,0 мс., что приводит к скачкообразному росту напряжения, затем разность потенциалов на мембране снова возвращается к своему первоначальному значению. Описанный процесс кратко называется нервным импульсом. В нервной системе животных и человека информацию от одной клетки к другой передают нервные импульсы возбуждения длительностью около 1 мс. Нервное волокно представляет собой цилиндр, наполненный электролитом. Сигнал возбуждения передается без уменьшения амплитуды вследствие эффекта кратковременного увеличения проницаемости мембраны для ионов натрия.

Многие рыбы используют электричество для защиты и поиска добычи под водой. Разряды напряжения южноамериканского электрического угря могут достигать величины напряжения в 500 Вольт. Мощность разрядов электрического ската может достигать 0,5 кВт. Акулы, миноги, некоторые сомообразные используют электричество для поиска добычи. Электрический орган рыб работает с частотой несколько сотен герц и создает напряжение в несколько вольт. Электрическое поле улавливается электрорецепторами. Находящиеся в воде предметы искажают электрическое поле. По этим искажениям рыбы легко ориентируются в мутной воде [8] .

Образ электричества в культуре

В мифологии существуют боги, способные метать разряды молнии: у греков Зевс, Волгенче из марийского пантеона, Агни — бог индусов, одна из форм которого — молния, Перун — бог-громовержец в древнерусском пантеоне, Тор — бог грома и бури в германо-скандинавской мифологии.

Практическое использование

Начиная с XIX века электричество плотно входит в жизнь современной цивилизации. Электричество используют для освещения [9] (электрическая лампа) и передачи информации (телеграф, телефон, радио, телевидение), а также для приведения механизмов в движение (электродвигатель), что активно используется на транспорте [10] (трамвай, метро, троллейбус, электричка) и в бытовой технике (утюг, кухонный комбайн, стиральная машина, посудомоечная машина).

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

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

Хронология основных открытий и изобретений

Примечания

Литература

Калашников С. Г. Электричество. — М., Наука, 1985. — 576 с.
Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме / пер. с англ. — М.: Наука, 1989.
Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. — М., Высшая школа, 1983. — 463 с.
Поль Р. В. Учение об электричестве / пер. с нем. — М.: ГИФМЛ, 1962.
Тамм И. Е. Основы теории электричества. — М.: Наука, 1989. — 504 с.
Томилин А. Н. Рассказы об электричестве. — М., ДЛ, 1984.
Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству / пер. с англ. — М.: Издательство АН СССР, 1947
Франклин В. Опыты и наблюдения над электричеством / пер. с англ. — М.: Издательство АН СССР, 1956
Эйхенвальд А. А. Электричество. — М., Государственное технико-теоретическое издательство, 1933

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Электричество" в других словарях:

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — (от греч. elektron янтарь, так как янтарь притягивает легкие тела). Особенное свойство некоторых тел, проявляющееся только при известных условиях, напр. при трении, теплоте, или химических реакциях, и обнаруживающееся притягиванием более легких… … Словарь иностранных слов русского языка

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, электричества, мн. нет, ср. (греч. elektron). 1. Субстанция, лежащая в основе строения материи (физ.). || Своеобразные явления, сопровождающие движение и перемещение частиц этой субстанции, форма энергии (электрический ток и т.п.) … Толковый словарь Ушакова

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием заряженных тел или частиц носителей электрических зарядов. Связь электричества и магнетизма взаимодействие неподвижных электрических зарядов осуществляется… … Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — (от греч. elektron янтарь) совокупность явлений, в которых обнаруживается существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) заряженных частиц. Учение об электричестве один из основных разделов физики. Часто под… … Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, форма энергии, существующая в виде статических или подвижных ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ. Заряды могут быть положительными или отрицательными. Одинаковые заряды отталкиваются, противоположные притягиваются. Силы взаимодействия между… … Научно-технический энциклопедический словарь

электричество — лепиздричество, электроток, лепестричество, лепистричество, ток, электроэнергия, освещение Словарь русских синонимов. электричество сущ., кол во синонимов: 13 • актиноэлектричество … Словарь синонимов

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — в самом общем смысле представляет одну из форм движения материи. Обычно же под этим словом понимают или электрический заряд как таковой или самое учение об электрических зарядах, их движении и взаимодействии. Слово Э. происходит от греч. электрон … Большая медицинская энциклопедия

электричество — (1) [IEV number 151 11 01] EN electricity (1) set of phenomena associated with electric charges and electric currents NOTE 1 – Examples of usage of this concept: static electricity, biological effects of electricity. NOTE 2 – In… … Справочник технического переводчика

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, а, ср. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

Электричество — – 1. Проявление одной из форм энергии, присущая электрическим зарядам как движущимися, так и находящимися в статическом состоянии. 2. Область науки и техники, связанная с электрическими явлениями. [СТ МЭК 50(151) 78] Рубрика термина:… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО — совокупность явлений, в которых обнаруживаются существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) электрических зарядов (см. (4)). Учение об электричестве один из основных разделов физики … Большая политехническая энциклопедия

Возможно, современная жизнь настолько переплетена с электричеством, что все это воспринимается как должное. Люди включают лампы и другие электрические устройства, думая, что как только цепь подключена, один электрон прыгает от переключателя к лампе со скоростью света, и лампа включается. Они очень ошибаются.

Как работает электричество? Проще говоря, электричество - это результат цепочки электронов, движущихся на месте и толкающих другие электроны, сталкивая их со следующим. Однако распространено мнение, что электроны на самом деле перемещаются с одного места на другое и переносят электрический заряд. Чтобы понять это, следует сначала узнать о мифах об электричестве.

Скорость электронов

В примере с включением света задержки нет между щелчком выключателя и получением света от лампы. Некоторые люди считают, что электроны движутся со скоростью света, но это не подтверждается наукой.

Если электроны хотят двигаться по проводу, впереди у них есть миллиарды препятствий: другие атомы и электроны. Например, медная проволока - это цепочка атомов меди, сидящих на месте и не очень сильно перемещающихся. Некоторые электроны вокруг каждого атома могут свободно перемещаться и перепрыгивать с одного атома на другой. Эти электроны создают электрический ток. Когда батарея вставляется в цепь или включается лампа, электрон движется вперед, но сразу же попадает в следующий атом и отклоняется. Это происходит постоянно, поэтому электрон не может легко двигаться вперед. Таким образом, скорость электрона в типичном домашнем проводе составляет менее одной десятой миллиметра в секунду. Другими словами, электрону требуется десять секунд, чтобы сдвинуться на один миллиметр.

В простом 15 сантиметровом фонарике электрон должен пройти 30 сантиметров, чтобы совершить полный кругооборот. Это займет 50 минут. В обычной комнате электрон должен пройти около десяти метров, а это займет 28 часов. Тем не менее электрические приборы срабатывают немедленно.

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.

Электроника – это замечательная прикладная и теоретическая наука, которая с каждым днем набирает обороты, распространяется и внедряется во все отрасли. Изучение ее следует начинать с самых общих понятий и физических процессов. Знание которых, в дальнейшем упростит понимание принципов работы различных электронных приборов и устройств. И первое понятие, которое нам нужно усвоить – это, что такое электричество?

Открытие электричества

Впервые свойства электричества были обнаружены более 2,5 тысяч лет назад древним философом Фалесом Милетским, когда он протирал шерстью янтарь.

В те давние времена считалось, что только янтарь обладает неким загадочным свойством, способным после натирания шерстью притягивать легкие предметы, преодолевая силу земного притяжения. Однако сейчас подобный опыт довольно просто повторить, если вместо этого камня взять пластмассовую палочку и потереть ее об одежду, содержащую в своем составе шерсть. Затем, при поднесении натертой палочки к мелким кусочкам бумаги под действием электрических сил кусочки бумаги притянутся к палочке.

Из выше сказанного давайте выделим два важнейших момента:

Только после натирания о шерсть пластмассовая палочка приобретает некие свойства.
Приобретенные свойства порождают некую силу, под действие которой к палочке притягиваются кусочки бумаги.

Теперь мы четко знаем, на какие вопросы на нужно найти ответ, чтобы понять, что такое электричество.

Давайте рассмотрим физику происходящего процесса. И первым делом, чтобы анализировать, что происходит с веществом (в данном случае с пластмассой и шерстью) нам понадобятся знания о строении любого вещества. Заранее скажем, что в дальнейшем рассказе будем принимать обобщения и упрощения, однако они не исказят суть данной темы.

Строение атома

И так, начнем. Любое вещество, будь то дерево, камень, стекло или вода, состоит из более мелких элементов, которые называются молекулами. Например, капля воды состоит из множества отдельных молекул, имеющих знакомую нам химическую формулу H₂O. Далее молекулу вещества можно разделить еще на более мелкие частицы – атомы.

Сейчас известны всего лишь более ста различных атомов, однако они могут образовать миллионы разных молекул и соответственно столько же разных веществ. Например, молекулу воды H₂O образуют два атома водорода H и один кислорода O.

Со временем, проделав множество кропотливых опытов, ученые пришли к выводу о существовании еще гораздо меньших частичек.

Планетарная модель атома

Центральный и наиболее тяжелым элементом атома считается ядро. Вокруг него на некотором расстоянии по разным орбитам перемещаются электроны. Ядро не является цельным элементом, его составляют протоны и нейтроны.

Электроны обладает отрицательным зарядом, а протоны – положительным. Нейтрон не проявляет свойств ни тех, ни других зарядов, т.е. он нейтрален, отсюда и получил свое название.

Для упрощения некоторых процессов применяется планетарная модель атома. По аналогии с Солнцем, вокруг которого по орбитам движутся планеты, в атоме вокруг ядра движутся электроны. Но электрон – это не какая-то плотная частичка, а размазанный в пространстве сгусток энергии, наподобие расплюснутой шаровой молнии.

Масса протона приблизительно в 2000 раз превышает массу электрона. Но суммарный положительный электрический заряд всех протонов равен суммарному отрицательному заряду всех электронов. Поэтому при нормальных условиях (по умолчанию) атом электрически нейтрален и за его пределами не ощущаются никакие силы. Положительные и отрицательные заряды как бы нейтрализуют друг друга.

В периодической системе химических элементов, известной нам, как таблица Менделеева, все атомы расположены в строгой последовательности: от наиболее легкого до наиболее тяжелого – по величине относительной атомной массе, основную долю которой составляют протоны. Нейтроны также имею массу, но о них мы говорить не будем, поскольку они не обладают выраженным электрическим зарядом.

Наиболее легким химическим элементом является водород, поэтому он первый размещен в таблице Менделеева. Атом водород имеет один протон и один электрон. Другие химические элементы содержат несколько протонов в ядре. А вокруг ядра по нескольким орбитам перемещаются электроны. Чем ближе электрон находится к ядру, тем сильнее, с большей силой он притянут к протону. Электроны, расположенные на наиболее отдаленных орбитах, имеют самую слабую электрическую связь с протонами. И если атому придать некоторой энергии из вне, например нагреть его, то под действием избыточной энергии электрон может покинуть свою орбиту, и соответственно свой атом.

Однако он может не только покинуть совой атом, но и занять место на орбите другого атома. Именно те электроны, которые расположены на самых удаленных от ядра орбитах, в электронике имеют практическое применение, поскольку при наличии дополнительной энергии они легко покидают свои орбиты и становятся свободными. А свободный электрон при перемещении уже может выполнять некоторую полезную работу.

Положительный и отрицательный ионы

Как мы уже ранее заметили, по умолчанию атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны и компенсируют другу друга. Но как только хотя-бы один электрон покинет сове место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов преобладает отрицательный заряд всех оставшихся электронов, поэтому такой атом вцелом имеет свойства положительного заряда и называется положительный ион.

Если атом получил дополнительный электрон, то в нем будет преобладать отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.

Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.

Электризация

Процесс получения дополнительного электрона или, наоборот потеря электрона, называется электризация. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, т.е. явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.

Теперь настало время вернуться к нашему опыту с натиранием шерстью пластмассовой палочки. При натирании пластмассы за счет сил трения, электронам, находящимся в атомах шерсти сообщается некоторая энергия, под действие которой они покидают свои атомы и занимают место на орбитах атомов пластмассы. В результате этого пластмассовая палочка приобретает отрицательный заряд за счет избытка электронов, поступивших из шерсти.

При натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.

Таким образом, изменение количества электронов в верхних слоях рассматриваемых материалов во время их трения, называют электризация трением.

Здесь следует заметить, что вследствие трения лишь очень мизерная часть атомов отдает свои электроны. Даже если сказать, что одна миллиардная часть атомов остается без электронов на внешней орбите, то это все еще будет слишком большим преувеличением, поэтому массы наэлектризованных тел остаются практически неизменными.

Также нужно заметить, что в результате электризации электроны ни откуда не возникают и никуда не деваются, а лишь переходят с атомов одного тела к атомам другого тела.

В нашем опыте мы использовали стекло, пластмассу, шерсть, шелк. По этим материалам очень плохо перемещаются электроны, поэтому они относятся к хорошим диэлектрикам – материалам, которые в отличие от проводников, имеют очень плохую проводимость.

В диэлектриках заряд остается на месте его возникновения и не может перейти по поверхности через все тело на другие, соприкасающиеся с ним предметы. Поэтому, когда мы натираем шерстью пластмассовую палочку, то образовавшиеся свободные заряды остаются на своих местах: электроны, покинув шерсть находят новые места на поверхности пластмассовой палочки.

Электризация металла

Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например кусок металла, то при натирании его о диэлектрик, образовавшийся на поверхности металла заряд, мгновенно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Поскольку в отличии от рассматриваемых диэлектриков наше тело обладает относительно хорошей проводимостью и по нему сравнительно легко перемещаются заряды.

Статическое электричество

И так, с первым пунктом мы разобрались и теперь знаем, что при натирании рассмотренных предметов, некоторые электроны получают избыточную энергию и покидают атомы одного тело, которое становится положительно заряженным и занимают места на орбитах атомов другого вещества, которое приобретает свойства отрицательного заряда. При этом заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разных знаков – притягиваются. Силы, порождаемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействие называют электричество.

В рассмотренных примерах получают так называемое статическое электричество.

Электрическая сила

Теперь рассмотрим второй пункт нашего опыта. Что же происходит с кусочком бумаги? Почему она притягивается к заряженной пластмассовой палочке?

Сущность физического процесса здесь заключается в следующем. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил происходит перемещение электронов к одному из краев тела. И этот край тела ввиду избытка электронов становится отрицательно заряженным, а противоположный край соответственно положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряженной. Таким образом, заряды смещаются по краям данного тела.

Ближе к поднесенному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палочка заряжена положительно, то к ней притянется бумага, той поверхностью, на которой скопились отрицательные заряды. И наоборот.

Такое воздействие заряженным телом на другие тела, находящиеся на расстоянии, называют индуцированным воздействием.

Перемещение зарядов в проводниках при воздействии на него заряженным телом, происходит под воздействием силы электрического поля, свойства которого мы рассмотрим отдельно.

Здесь же мы еще заметим, что сила, с которой притягиваются либо отталкиваются тела, определяется величиной заряда, расстоянием между телами и средой, в которой находятся заряженные тела. Эта зависимость была установлена известным ученым Кулоном, и получила название закон Кулона.

Подытожим выше сказанное. Что такое электричество? Электричество – это наличие и взаимодействие зарядов разного знака. В дальнейшем вы увидим, что заряды образуются не только путем электризации трением, но и другими способами, например под действием протекания химических реакций. Именно так появляются электричество в батарейке, которую правильно называть гальванический элемент.

Читайте также: