Электричество

Для других видов использования см. Электричество (устранение неоднозначности) . «Электрический» перенаправляет здесь. Для других видов использования см. Electric (устранение неоднозначности) .

Молния (на фото) и городское освещение являются одними из наиболее драматичных эффектов электричества

Электричество - это набор физических явлений, связанных с наличием и движением материи , обладающей электрическим зарядом . Электричество связано с магнетизмом , оба являются частью явления электромагнетизма , как описано уравнениями Максвелла . Общие явления связаны с электричеством, включая молнию , статическое электричество , электрическое отопление , электрические разряды и многие другие.

Наличие либо положительного, либо отрицательного электрического заряда производит электрическое поле . Движение электрических зарядов является электрическим током и производит магнитное поле . В большинстве приложений закон Кулона определяет силу , действующую на электрическую зарядку. Электрический потенциал - это работа , выполняемая для перемещения электрического заряда из одной точки в другую в электрическом поле, обычно измеряемое в вольтах .

Электричество играет центральную роль во многих современных технологиях, обслуживая электрическую энергию , где электрический ток используется для энергии оборудования, а в электронике, связанных с электрическими цепями , связанными с активными компонентами, такими как вакуумные трубки , транзисторы , диоды и интегрированные цирки и связанные с ними пассивные технологии взаимодействия, пассивные Полем

The study of electrical phenomena dates back to antiquity, with theoretical understanding progressing slowly until the 17th and 18th centuries. The development of the theory of electromagnetism in the 19th century marked significant progress, leading to electricity's industrial and residential application by electrical engineers by the century's end. This rapid expansion in electrical technology at the time was the driving force behind the Second Industrial Revolution, with electricity's versatility driving transformations in both industry and society. Electricity is integral to applications spanning transport, heating, lighting, communications, and computation, making it the foundation of modern industrial society.

History

Thales, the earliest known researcher into electricity

Main articles: History of electromagnetic theory and History of electrical engineering

See also: Etymology of electricity

Long before any knowledge of electricity existed, people were aware of shocks from electric fish. Ancient Egyptian texts dating from 2750 BCE described them as the "protectors" of all other fish. Electric fish were again reported millennia later by ancient Greek, Roman and Arabic naturalists and physicians. Several ancient writers, such as Pliny the Elder and Scribonius Largus, attested to the numbing effect of electric shocks delivered by electric catfish and electric rays, and knew that such shocks could travel along conducting objects. Patients with ailments such as gout or headache were directed to touch electric fish in the hope that the powerful jolt might cure them.

Ancient cultures around the Mediterranean knew that certain objects, such as rods of amber, could be rubbed with cat's fur to attract light objects like feathers. Thales of Miletus made a series of observations on static electricity around 600 BCE, from which he believed that friction rendered amber magnetic, in contrast to minerals such as magnetite, which needed no rubbing. Thales was incorrect in believing the attraction was due to a magnetic effect, but later science would prove a link between magnetism and electricity. According to a controversial theory, the Parthians may have had knowledge of electroplating, based on the 1936 discovery of the Baghdad Battery, which resembles a galvanic cell, though it is uncertain whether the artifact was electrical in nature.

Benjamin Franklin conducted extensive research on electricity in the 18th century, as documented by Joseph Priestley (1767) History and Present Status of Electricity, with whom Franklin carried on extended correspondence.

Electricity would remain little more than an intellectual curiosity for millennia until 1600, when the English scientist William Gilbert wrote De Magnete, in which he made a careful study of electricity and magnetism, distinguishing the lodestone effect from static electricity produced by rubbing amber. He coined the Neo-Latin word electricus ("of amber" or "like amber", from ἤλεκτρον, elektron, the Greek word for "amber") to refer to the property of attracting small objects after being rubbed. This association gave rise to the English words "electric" and "electricity", which made their first appearance in print in Thomas Browne's Pseudodoxia Epidemica of 1646.

Further work was conducted in the 17th and early 18th centuries by Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray and C. F. du Fay. Later in the 18th century, Benjamin Franklin conducted extensive research in electricity, selling his possessions to fund his work. In June 1752 he is reputed to have attached a metal key to the bottom of a dampened kite string and flown the kite in a storm-threatened sky. A succession of sparks jumping from the key to the back of his hand showed that lightning was indeed electrical in nature. He also explained the apparently paradoxical behavior of the Leyden jar as a device for storing large amounts of electrical charge in terms of electricity consisting of both positive and negative charges.

Michael Faraday's discoveries formed the foundation of electric motor technology.

In 1775, Hugh Williamson reported a series of experiments to the Royal Society on the shocks delivered by the electric eel; that same year the surgeon and anatomist John Hunter described the structure of the fish's electric organs. In 1791, Luigi Galvani published his discovery of bioelectromagnetics, demonstrating that electricity was the medium by which neurons passed signals to the muscles. Alessandro Volta's battery, or voltaic pile, of 1800, made from alternating layers of zinc and copper, provided scientists with a more reliable source of electrical energy than the electrostatic machines previously used. The recognition of electromagnetism, the unity of electric and magnetic phenomena, is due to Hans Christian Ørsted and André-Marie Ampère in 1819–1820. Michael Faraday invented the electric motor in 1821, and Georg Ohm mathematically analysed the electrical circuit in 1827. Electricity and magnetism (and light) were definitively linked by James Clerk Maxwell, in particular in his "On Physical Lines of Force" in 1861 and 1862.

While the early 19th century had seen rapid progress in electrical science, the late 19th century would see the greatest progress in electrical engineering. Through such people as Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, William Thomson, 1st Baron Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Swan, Reginald Fessenden, Nikola Tesla and George Westinghouse, electricity turned from a scientific curiosity into an essential tool for modern life.

In 1887, Heinrich Hertz discovered that electrodes illuminated with ultraviolet light create electric sparks more easily. In 1905, Albert Einstein published a paper that explained experimental data from the photoelectric effect as being the result of light energy being carried in discrete quantized packets, energising electrons. This discovery led to the quantum revolution. Einstein was awarded the Nobel Prize in Physics in 1921 for "his discovery of the law of the photoelectric effect". The photoelectric effect is also employed in photocells such as can be found in solar panels.

The first solid-state device was the "cat's-whisker detector" first used in the 1900s in radio receivers. A whisker-like wire is placed lightly in contact with a solid crystal (such as a germanium crystal) to detect a radio signal by the contact junction effect. In a solid-state component, the current is confined to solid elements and compounds engineered specifically to switch and amplify it. Current flow can be understood in two forms: as negatively charged electrons, and as positively charged electron deficiencies called holes. These charges and holes are understood in terms of quantum physics. The building material is most often a crystalline semiconductor.

Solid-state electronics came into its own with the emergence of transistor technology. The first working transistor, a germanium-based point-contact transistor, was invented by John Bardeen and Walter Houser Brattain at Bell Labs in 1947, followed by the bipolar junction transistor in 1948.

Concepts

Electric charge

Main article: Electric charge

See also: Electron, Proton, and Ion

Charge on a gold-leaf electroscope causes the leaves to visibly repel each other

By modern convention, the charge carried by electrons is defined as negative, and that by protons is positive. Before these particles were discovered, Benjamin Franklin had defined a positive charge as being the charge acquired by a glass rod when it is rubbed with a silk cloth. A proton by definition carries a charge of exactly 1.602176634×10⁻¹⁹ coulombs. This value is also defined as the elementary charge. No object can have a charge smaller than the elementary charge, and any amount of charge an object may carry is a multiple of the elementary charge. An electron has an equal negative charge, i.e. −1.602176634×10⁻¹⁹ coulombs. Charge is possessed not just by matter, but also by antimatter, each antiparticle bearing an equal and opposite charge to its corresponding particle.

The presence of charge gives rise to an electrostatic force: charges exert a force on each other, an effect that was known, though not understood, in antiquity. A lightweight ball suspended by a fine thread can be charged by touching it with a glass rod that has itself been charged by rubbing with a cloth. If a similar ball is charged by the same glass rod, it is found to repel the first: the charge acts to force the two balls apart. Two balls that are charged with a rubbed amber rod also repel each other. However, if one ball is charged by the glass rod, and the other by an amber rod, the two balls are found to attract each other. These phenomena were investigated in the late eighteenth century by Charles-Augustin de Coulomb, who deduced that charge manifests itself in two opposing forms. This discovery led to the well-known axiom: like-charged objects repel and opposite-charged objects attract.

The force acts on the charged particles themselves, hence charge has a tendency to spread itself as evenly as possible over a conducting surface. The magnitude of the electromagnetic force, whether attractive or repulsive, is given by Coulomb's law, which relates the force to the product of the charges and has an inverse-square relation to the distance between them. The electromagnetic force is very strong, second only in strength to the strong interaction, but unlike that force it operates over all distances. In comparison with the much weaker gravitational force, the electromagnetic force pushing two electrons apart is 10⁴² times that of the gravitational attraction pulling them together.

Charge originates from certain types of subatomic particles, the most familiar carriers of which are the electron and proton. Electric charge gives rise to and interacts with the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Experiment has shown charge to be a conserved quantity, that is, the net charge within an electrically isolated system will always remain constant regardless of any changes taking place within that system. Within the system, charge may be transferred between bodies, either by direct contact, or by passing along a conducting material, such as a wire. The informal term static electricity refers to the net presence (or 'imbalance') of charge on a body, usually caused when dissimilar materials are rubbed together, transferring charge from one to the other.

Charge can be measured by a number of means, an early instrument being the gold-leaf electroscope, which although still in use for classroom demonstrations, has been superseded by the electronic electrometer.

Electric current

Main article: Electric current

Движение электрического заряда известно как электрический ток , интенсивность которого обычно измеряется в ампер . Ток может состоять из любых движущихся заряженных частиц; Чаще всего это электроны, но любой заряд в движении представляет собой ток. Электрический ток может протекать через некоторые вещи, электрические проводники , но не будет проходить через электрический изолятор .

По историческому соглашению, положительный ток определяется как имеет то же направление потока, что и любой положительный заряд, который он содержит, или для течения от наиболее положительной части схемы к наиболее отрицательной части. Ток, определенный таким образом, называется обычным током . Движение от негативно заряженных электронов вокруг электрической цепи , одной из наиболее знакомых форм тока, таким образом, считается положительным в противоположном направлении к движению электронов. Однако, в зависимости от условий, электрический ток может состоять из потока заряженных частиц в любом направлении или даже в обоих направлениях одновременно. Положительное соглашение широко используется для упрощения этой ситуации.

Электрическая дуга обеспечивает энергичную демонстрацию электрического тока.

Процесс, с помощью которого электрический ток проходит через материал, называется электрической проводимостью , и его природа варьируется в зависимости от заряженных частиц и материала, через который они движутся. Примеры электрических токов включают металлическую проводимость, где электроны протекают через проводник, такой как металл, и электролиз , где ионы (заряженные атомы ) текут через жидкости или через плазмы , такие как электрические искры. В то время как сами частицы могут двигаться довольно медленно, иногда со средней скоростью дрейфа только фракций миллиметра в секунду, Электрическое поле , которое ведет их сами, распространяется со скоростью света , позволяя электрическим сигналам быстро проходить вдоль проводов.

Текущий вызывает несколько наблюдаемых эффектов, которые исторически были средством распознавания его присутствия. Эта вода может быть разложено током из вольта -вольтастной кучи, была обнаружена Николсоном и Карлайлом в 1800 году, процесс, который теперь известен как электролиз . Их работа была значительно расширена Майклом Фарадеем в 1833 году. Ткань через сопротивление вызывает локализованное нагрев, эффект Джеймс Прескотт Джоул математически изучал в 1840 году. Одно из наиболее важных открытий, связанных с течением, было случайно сделано Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, когда, когда приготовление лекции он стал свидетелем тока в проволоке, нарушая иглу магнитного компаса. Он обнаружил электромагнетизм , фундаментальное взаимодействие между электричеством и магнитиком. Уровень электромагнитных выбросов, генерируемых электрическим армированием, достаточно высок для получения электромагнитных помех , что может нанести ущерб работой соседнего оборудования.

В инженерии или домашних условиях ток часто описывается как прямой ток (DC) или переменного тока (AC). Эти термины относятся к тому, как текущий варьируется во времени. Необычный ток, полученный примером из батареи и требуемый большинством электронных устройств, представляет собой однонаправленный поток от положительной части схемы к отрицательному. Если, как это наиболее распространено, этот поток переносится электронами, они будут двигаться в противоположном направлении. Чередственный ток - это любой ток, который неоднократно меняет направление; Почти всегда это принимает форму синусоидальной волны . Таким образом, переменный ток пульсирует взад и вперед в рамках проводника без заряда, который с течением времени не перемещает какое -либо чистое расстояние. Среднее значение по времени переменного тока равна нулю, но оно обеспечивает энергию в первом направлении, а затем наоборот. На чередующегося тока влияют электрические свойства, которые не наблюдаются при постоянном постоянном токе, таких как индуктивность и емкость . Эти свойства, однако, могут стать важными, когда схема подвергается переходным процессам , например, когда впервые заряжается.

Электрическое поле

Основная статья: электрическое поле

Смотрите также: электростатика

Концепция электрического поля была представлена ​​Майклом Фарадеем . Электрическое поле создается заряженным корпусом в пространстве, которое его окружает, и приводит к силе, оказываемой на любые другие заряды, помещенные в поле. Электрическое поле действует между двумя зарядами аналогично тому, как гравитационное поле действует между двумя массами , и, как и это, распространяется на бесконечность и демонстрирует обратную квадратную связь с расстоянием. Тем не менее, есть важное различие. Гравитация всегда действует в притяжении, собирая две массы вместе, в то время как электрическое поле может привести к привлечению или отталкиванию. Поскольку крупные тела, такие как планеты, обычно не имеют чистого заряда, электрическое поле на расстоянии обычно равна нулю. Таким образом, гравитация является доминирующей силой на расстоянии во вселенной, несмотря на то, что он намного слабее.

Полевые линии, исходящие от положительного заряда над плоским проводником

Электрическое поле обычно варьируется в пространстве, и его сила в любой точке определяется как сила (на единицу заряда), которая будет ощущаться стационарным, незначительным зарядом, если он будет размещен в этой точке. Концептуальный заряд, называемый « тестовым зарядом », должен быть исчезающе мал, чтобы предотвратить свое собственное электрическое поле, нарушающее основное поле, а также должно быть стационарным, чтобы предотвратить влияние магнитных полей . Поскольку электрическое поле определяется с точки зрения силы , а сила является вектором , имеющим как величину , так и направление , из этого следует, что электрическое поле - это векторное поле .

Изучение электрических полей, созданных стационарными зарядами, называется электростатикой . Поле может быть визуализировано набором воображаемых линий, направление которого в любой точке такое же, как и в поле. Эта концепция была представлена ​​Фарадеем, чей термин « линии силы » все еще иногда видит использование. Полевые линии - это пути, которые будет стремиться к положительному заряду, поскольку он был вынужден двигаться в поле; Однако они являются воображаемой концепцией без физического существования, и поле пронизывает все промежуточное пространство между линиями. Полевые линии, исходящие от стационарных зарядов, имеют несколько ключевых свойств: во -первых, они возникают при положительных зарядах и заканчиваются при отрицательных зарядах; Во -вторых, они должны войти в любой хороший проводник под прямым углом, и в -третьих, что они никогда не могут пересечь и не близко к себе.

Полое проводящее тело несет весь свой заряд на своей внешней поверхности. Поэтому поле составляет 0 во всех местах внутри тела. Это является операционным принципом клетки Faraday , проводящей металлической оболочки, которая изолирует свою внутреннюю часть от внешних электрических эффектов.

Принципы электростатики важны при разработке предметов высоковольтного оборудования. Существует конечный предел в силе электрического поля, который может быть выдержан любой средой. Помимо этой точки, электрическая разбивка возникает , и электрическая дуга вызывает пропоказ между заряженными частями. Например, воздух имеет тенденцию дуги на небольших пробелах при прочности электрического поля, которые превышают 30 кВ на сантиметр. На более крупных пробелах его прочность на расщепление слабее, возможно, 1 кВ на сантиметр. Наиболее видимым естественным появлением этого является молния , вызванная, когда заряд разделяется в облаках поднимающимися колоннами воздуха, и поднимает электрическое поле в воздухе до большего, чем он может выдержать. Напряжение большого облака молнии может достигать 100 мВ и иметь энергии разряда до 250 кВтч.

На силу поля сильно влияют близлежащие проводящие объекты, и это особенно интенсивно, когда она вынуждена кричать вокруг резко заостренных объектов. Этот принцип эксплуатируется в проводнике Lightning , резкий всплеск которого действует, чтобы поощрять удар молнии для развития там, а не в здании, которое он служит для защиты.

Электрический потенциал

Основная статья: электрический потенциал

Смотрите также: напряжение и электрическая батарея

Пара клеток АА . Знак + указывает на полярность разности потенциалов между терминалами батареи.

Концепция электрического потенциала тесно связана с концепцией электрического поля. требует этого заряда против силы Небольшой заряд, размещенный в электрическом поле, испытывает силу, и для этого . Электрический потенциал в любой точке определяется как энергия, необходимая для того, чтобы медленно вывести заряд единичного испытания с бесконечного расстояния до этой точки. Обычно он измеряется в вольтах , а один вольт - это потенциал, на который должен быть потрачен один джаул работы, чтобы вынести заряд одного кулону из бесконечности. Это определение потенциала, хотя и формальное, имеет мало практического применения, и более полезная концепция - это разница в электрическом потенциале , и это энергия, необходимая для перемещения единичного заряда между двумя указанными точками. Электрическое поле обладает специальным свойством, что оно является консервативным , что означает, что путь, пройдя испытательный заряд, не имеет значения: все пути между двумя указанными точками тратят одинаковую энергию, и, следовательно, может быть указано уникальное значение для разности потенциалов. Вольт так сильно идентифицируется как единица выбора для измерения и описания разницы в электрических потенциалах, что термин -напряжение видит больше повседневного использования.

Для практических целей полезно определить общую ориентир, на которую могут выразить и сравнить потенциалы. Хотя это может быть в бесконечности, гораздо более полезная ссылка - сама Земля , которая, как предполагается, имеет один и тот же потенциал повсюду. Эта ссылка, естественно, принимает имя Земля или землю . Предполагается, что Земля является бесконечным источником равных количеств положительного и отрицательного заряда и, следовательно, электрически не заряжается и не наряжается.

Электрический потенциал - это скалярное количество , то есть он имеет только величину, а не направление. Его можно рассматривать как аналогичный на высоту : так же, как выпущенный объект будет падать через разницу в высотах, вызванных гравитационным полем, так что заряд «упадет» на напряжение, вызванное электрическим полем. Поскольку карты помощи показывают контурные линии, отмечающие точки одинаковой высоты, набор линий маркировки равного потенциала (известный как эквипотенциалы ) может быть нарисован вокруг электростатически заряженного объекта. Экпротентивы пересекают все линии силы под прямым углом. Они также должны лежать параллельно поверхности проводника , так как в противном случае вдоль поверхности проводника будет сила, которая перемещала бы носителей заряда даже в потенциал через поверхность.

Электрическое поле было официально определено как сила, применяемая на единицу заряда, но концепция потенциала позволяет получить более полезное и эквивалентное определение: электрическое поле является локальным градиентом электрического потенциала. Обычно выражается в вольт на метр, направление вектора поля представляет собой линию наибольшего наклона потенциала, где эквипотенциалы находятся ближе всего.

Электромагниты

Основная статья: электромагниты

Магнитное поле круги вокруг тока

Открытие Ørsted в 1821 году, что магнитное поле существовало вокруг всех сторон провода, несущего электрический ток, указывало на то, что между электричеством и магнетизмом была прямая связь. Более того, взаимодействие казалось отличным от гравитационных и электростатических сил, две силы природы тогда известны. Сила на игле компаса не направила его на или от него от проволочной проволоки, но действовала под прямым углом. Словами Эрстеда были то, что «электрический конфликт действует вращающимся образом». Сила также зависела от направления тока, поскольку, если поток был изменен, то сила тоже сделала.

Эрстед не полностью понял его открытие, но он заметил, что эффект был взаимным: ток оказывает силу на магните, а магнитное поле оказывает силу на ток. Это явление было дополнительно исследовано Ампером , который обнаружил, что два параллельных провода, несущих ток, прилагали друг к другу силу: два провода, проводящие токи в одном направлении, притягиваются друг к другу, в то время как провода, содержащие токи в противоположных направлениях. Взаимодействие опосредовано магнитным полем, каждый ток производит и образует основу для международного определения AMPERE .

Электродвигатель использует важный эффект электромагнетизма: ток через магнитное поле испытывает силу под прямым углом как на поле, так и на ток.

Эта связь между магнитными полями и токами чрезвычайно важна, поскольку она привела к изобретению Майкла Фарадея электродвигателя в Фарадея 1821 году. Гомополярный двигатель состоял из постоянного магнита, расположенного в пуле ртути . Ток был разрешен через проволоку, подвешенную от олова над магнитом и погрузился в ртуть. Магнит приложил тангенциальную силу на проволоку, заставляя его кружить вокруг магнита до тех пор, пока ток сохранялся.

Экспериментирование Фарадея в 1831 году показало, что проволока, перпендикулярная магнитному полю, развила разность потенциалов между его концами. Дальнейший анализ этого процесса, известный как электромагнитная индукция , позволил ему указать принцип, теперь известный как закон индукции Фарадея , что разность потенциалов, вызванная в замкнутой цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через петлю. Использование этого открытия позволила ему изобретать первый электрический генератор в 1831 году, в котором он преобразовал механическую энергию вращающегося медного диска в электрическую энергию. Диск Фарадея был неэффективным и бесполезным в качестве практического генератора, но он показал возможность генерирования электрической мощности с использованием магнетизма, что будет воспринято те, которые последовали за его работой.

Электрические цепи

Основная статья: Электрическая цепь

Основная электрическая цепь . Источник напряжения V слева управляет I вокруг цепи, доставляя электрическую энергию в резистор R. током Из резистора ток возвращается к источнику, завершая схему.

Электрическая цепь представляет собой взаимосвязь электрических компонентов, так что электрический заряд протекает вдоль закрытого пути (цепь), обычно для выполнения некоторой полезной задачи.

Компоненты в электрической цепи могут принимать множество форм, которые могут включать такие элементы, как резисторы , конденсаторы , переключатели , трансформаторы и электронику . Электронные цепи содержат активные компоненты , обычно полупроводники и обычно демонстрируют нелинейное поведение, требующее сложного анализа. Самые простые электрические компоненты - это те, которые называются пассивными и линейными : хотя они могут временно хранить энергию, они не содержат ее источников и демонстрируют линейные ответы на стимулы.

Резистор , пожалуй, самый простой из элементов пассивной цепи: как предполагает его название, он противостоит току через него, рассеивая свою энергию как тепло. Сопротивление является следствием движения заряда через проводник: например, в металлах сопротивление в первую очередь связано с столкновениями между электронами и ионами. Закон OHM является основным законом теории схем , в котором говорится, что ток, проходящий через сопротивление, прямо пропорционален различие потенциалов по всему ней. Сопротивление большинства материалов является относительно постоянным в диапазоне температур и токов; Материалы в этих условиях известны как «омик». Ом . , единица сопротивления, была названа в честь Георга Ома и символизируется греческой буквой ω 1 Ом - это сопротивление, которое даст разность потенциалов в одном вольт в ответ на ток одного усилителя.

Конденсатор . является разработкой Лейденской банки и является устройством, которое может хранить заряд, и тем самым хранить электрическую энергию в полученном поле Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных тонким изоляционным диэлектрическим слоем; На практике тонкие металлические фольги укрепляются вместе, увеличивая площадь поверхности на единицу объема и, следовательно, емкость . Подразделение емкости - это Фарад , названный в честь Майкла Фарадея , и учитывая символ F : Один фарад - это емкость, которая развивает разность потенциалов в одном вольт, когда он хранит заряд одного кулону. Конденсатор, подключенный к подаче напряжения, первоначально вызывает ток, когда он накапливает заряд; Этот ток, однако, разлагается вовремя, когда конденсатор заполняется, в конечном итоге падение до нуля. Следовательно, конденсатор не разрешит постоянный ток состояния , а вместо этого блокирует его.

Индуктор - это проводник , обычно катушка провода, которая хранит энергию в магнитном поле в ответ на ток через него. Когда ток меняется, магнитное поле тоже делает, вызывая напряжение между концами проводника. Индуцированное напряжение пропорционально скорости времени изменения тока. Константа пропорциональности называется индуктивностью . Подразделение индуктивности - Генри , названный в честь Джозефа Генри , современника Фарадея. Один Генри - это индуктивность, которая будет вызывать разность потенциалов в одном вольт, если ток через его изменяется со скоростью одного ампер в секунду. Поведение индуктора в некоторых отношениях касается поведения конденсатора: он свободно позволит неизменное ток, но выступает против быстро меняющегося.

Электроэнергия

Основная статья: электроэнергия

Электрическая энергия - это скорость, с которой электрическая энергия передается электрической цепи . Подразделение SI сил - ватт . один джоул в секунду ,

Электронная мощность, как и механическая мощность , - это скорость выполнения работы , измеренная в ваттах и ​​представлена ​​буквой p . Термин «мощность» используется в разговорной речи, чтобы означать «электроэнергию в ваттах». Электрическая энергия , током , заряда Q Coulombs Кажды произведенных электрическим состоящим I ваттах в из

$P={\text{work done per unit time}}={\frac {QV}{t}}=IV\,$

где

Q - электрический заряд в кулоне

t время в секундах

Я электрический ток в ампер

V - электрический потенциал или напряжение в вольт

Электроэнергетика обычно поставляется в предприятиях и домах электростанцией . Электричество обычно продается по часу киловатта (3,6 МДж), который является продуктом мощности в киловаттах, умноженных на время работы в часы. Электрические коммунальные услуги измеряют мощность с использованием счетчиков электроэнергии , которые поддерживают общую сумму электроэнергии, доставляемой клиенту. В отличие от ископаемого топлива , электричество является низкой энтропийной формой энергии и может быть преобразована в движение или многие другие формы энергии с высокой эффективностью.

Электроника

Основная статья: Электроника

поверхности Электронные компоненты

Электроника посвящена электрическим цепям , которые включают активные электрические компоненты, такие как вакуумные трубки , транзисторы , диоды , датчики и интегрированные схемы и связанные с ними технологии пассивного взаимосвязанного соединения. Нелинейное , поведение активных компонентов и их способность управлять электронными потоками делает цифровое переключение возможным и электроника широко используется в обработке информации , телекоммуникации и обработке сигналов . Технологии взаимосвязи, такие как круговые платы , технология упаковки электроники и другие различные формы инфраструктуры связи, полная функциональность схемы, и превращают смешанные компоненты в обычную рабочую систему .

Сегодня большинство электронных устройств используют полупроводниковые компоненты для выполнения управления электроном. Основные принципы, которые объясняют, как работают полупроводники, изучаются в физике твердого состояния , Принимая во внимание, что проектирование и построение электронных цепей для решения практических задач являются частью электроники .

Электромагнитная волна

Основная статья: электромагнитная волна

Работа Фарадея и Ампера показала, что изменяющееся во времени магнитное поле создавало электрическое поле, а изменяющееся во времени электрическое поле создало магнитное поле. Таким образом, когда любое поле меняется во времени, поле другого всегда индуцируется. Эти вариации представляют собой электромагнитную волну . Электромагнитные волны теоретически проанализировали Джеймс Клерк Максвелл в 1864 году. Максвелл разработал набор уравнений, которые могли бы однозначно описать взаимосвязь между электрическим полем, магнитным полем, электрическим зарядом и электрическим током. Кроме того, он мог доказать, что в вакууме такая волна будет двигаться со скоростью света , и, таким образом, сам свет был формой электромагнитного излучения. Уравнения Максвелла , которые объединяют свет, поля и заряд, являются одним из великих вех теоретической физики.

Работа многих исследователей позволила использовать электронику для преобразования сигналов в высокочастотные колеблющиеся токи, и с помощью дирижеров соответствующей формы электричество позволяет передавать и прием этих сигналов через радиоволны на очень больших расстояниях.

Производство, хранение и использование

Поколение и передача

Основная статья: Выработка электричества

См. Также: Электрическая передача энергии и электроэнергии

в начале 20-го века, Генератор сделанный в Будапеште , Венгрия , в зале генерирующего силового производства гидроэлектростанции ( фотография Прокудин-Горски , 1905–1915).

В 6 -м веке до нашей эры греческий философ Фалес из Милета экспериментировал с янтарными стержнями: это были первые исследования производства электроэнергии. В то время как этот метод, теперь известный как трибоэлектрический эффект , может поднять объекты света и генерировать искры, он чрезвычайно неэффективен. Только в изобретении вольта в восемнадцатом веке стал доступный жизнеспособный источник электричества. Востаическая куча и ее современный потомки, электрическая батарея , химически хранят энергию и делают ее доступной по требованию в виде электроэнергии.

Электрическая мощность обычно генерируется электромеханическими генераторами . Они могут быть обусловлены парами , полученным из сжигания ископаемого топлива или тепла, высвобождаемого из ядерных реакций, но также в большей степени непосредственно из кинетической энергии ветра или текущей воды. Паровая турбина, изобретенная сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году, до сих пор используется для преобразования тепловой энергии пара в роторное движение, которое может использоваться электромеханическими генераторами. Такие генераторы не имеют никакого сходства с гомополярным дисковым генератором Фарадея 1831 года, но они все еще полагаются на его электромагнитный принцип, который проводник, связывающий изменяющееся магнитное поле, вызывает различие потенциалов на его концах. Электричество, вырабатываемое солнечными батареями, полагается на другой механизм: солнечное излучение преобразуется непосредственно в электричество с использованием фотоэлектрического эффекта .

Ветряная сила имеет все большее значение во многих странах.

Спрос на электричество растет с большой скоростью по мере развития модернизации нации и ее экономики. Соединенные Штаты показали увеличение спроса на 12% в течение каждого года первых трех десятилетий двадцатого века, скорость роста, который в настоящее время испытывает развивающиеся экономики, такие как индийская или Китай.

Экологические проблемы с выработкой электроэнергии , в конкретном вкладе сжигания ископаемого топлива в изменение климата привело к увеличению внимания к генерации из возобновляемых источников . В энергетическом секторе ветер и солнечная энергия стали экономически эффективными, ускоряя энергетический переход от ископаемого топлива.

Передача и хранение

Изобретение в конце девятнадцатого века трансформатора означало , что электрическая мощность может быть передана более эффективно при более высоком напряжении, но более низкий ток. Эффективная электрическая передача означала, что электричество может быть получено на централизованных электростанциях , где она выиграла от экономии масштаба , а затем быть отправлено относительно большими расстояниями на место, где это было необходимо.

Обычно спрос на электроэнергию должен соответствовать предложению, так как хранение электроэнергии затруднено. Определенное количество поколений всегда должно содержаться в резерве, чтобы смягчить электрическую сетку против неизбежных нарушений и потерь. С увеличением уровня переменной возобновляемой энергии (ветра и солнечной энергии) в сетке стало более сложно соответствовать спросу и предложению. Хранение играет все большую роль в преодолении этого разрыва. Существует четыре типа технологий хранения энергии, каждый из которых в различных состояниях технологической готовности : батареи (электрохимическое хранение), химическое хранение, такие как водород , термический или механический (например, насосная гидроэнергетика ).

Приложения

Лампочка накаливания , раннее применение электроэнергии, действует путем нагрева джоула : проход тока за счет с сопротивлением . тепла

Электричество - очень удобный способ передачи энергии, и она была адаптирована к огромному и растущему количеству использования. Изобретение практической лампочки накаливания в 1870 -х годах привело к тому, что освещение стало одним из первых общедоступных применений электроэнергии. Хотя электрификация принесла с собой свои опасности, замена обнаженного пламени газового освещения значительно снижала опасность пожара в домах и фабриках. Общественные коммунальные услуги были созданы во многих городах, нацеленных на растущий рынок электрического освещения. В конце 20 -го века и в наше время эта тенденция начала течь в направлении дерегулирования в секторе электроэнергии.

Эффект резистивного нагрева джоула , используемый в лампочках филаментов, также видит более прямое использование в электрическом нагревании . Хотя это универсально и контролируется, это можно рассматривать как расточительное, так как большая часть генерации электричества уже потребовало производства тепла на электростанции. Ряд стран, таких как Дания, выпустили законодательство, ограничивающее или запрещающую использование резистивного электрического нагрева в новых зданиях. Электричество, однако, по -прежнему является очень практичным источником энергии для нагрева и охлаждения , С кондиционерами / тепловыми насосами , представляющими растущий сектор для спроса на электроэнергию для отопления и охлаждения, последствия, которые электроэнергии все больше обязаны приспосабливаться к. Ожидается, что электрификация будет играть важную роль в декарбонизации секторов, которые полагаются на прямое сжигание ископаемого топлива, такие как транспорт (с использованием электромобилей ) и отопление (с использованием тепловых насосов ).

Эффекты электромагнетизма наиболее заметно используются в электродвигателе , что обеспечивает чистое и эффективное средство мотивной мощности. Стационарный двигатель, такой как лебедка, легко обеспечивается с помощью питания, но двигатель, который перемещается с его применением, таким как электромобиль , обязан либо носить с собой источник питания, такой как батарея, либо собирать ток с скользящий контакт, такой как пантограф . Электроэлектрические транспортные средства используются в общественном транспорте, такие как электрические автобусы и поезда, с аккумулятором и все большее количество электромобилей в частной собственности.

Электричество используется в телекоммуникациях , и, действительно, электрический телеграф , коммерчески продемонстрированный в 1837 году Куком и Уитстоном , был одним из самых ранних приложений. Со строительством первых трансконтинентальных , а затем трансатлантических телеграфных систем в 1860 -х годах электричество позволило общаться в минутах по всему миру. Оптическое волокно и спутниковое общение получили долю рынка систем связи, но можно ожидать, что электричество останется неотъемлемой частью процесса.

Электронные устройства используют транзистор , возможно, одно из самых важных изобретений двадцатого века, и фундаментальный строительный блок всех современных схем. Современная интегрированная схема может содержать много миллиардов миниатюрных транзисторов в регионе всего на нескольких сантиметрах.

Электричество и мир природы

Физиологические эффекты

Основная статья: электрическая травма

Напряжение, применяемое к человеческому организму, вызывает электрический ток через ткани, и, хотя взаимосвязь нелинейна, тем больше напряжение, тем больше ток. Порог восприятия варьируется в зависимости от частоты питания и пути тока, но составляет от 0,1 до 1 млн. Лет для электроэнергии, хотя электровибрации . в определенных условиях ток, как и микроамп, может быть обнаружен как эффект Если ток достаточно высок, он вызовет сокращение мышц, фибрилляцию сердца и ожоги ткани . Отсутствие какого -либо видимого признака того, что проводник наэлектризован, делает электроэнергию особой опасностью. Боль, вызванная поражением электрического шока, может быть интенсивной, ведущая электричество иногда будет использоваться в качестве метода пыток . Смерть, вызванная поражением электрического тока - электрическим током - все еще используется для исполнения судебного разбирательства в некоторых штатах США, хотя его использование стало очень редким к концу 20 -го века.

Электрические явления в природе

Основная статья: электрические явления

Электрический угорь , электрофорус Electricus

Электричество не является человеческим изобретением и может наблюдаться в нескольких формах в природе, в частности, в молнии . Многие взаимодействия, знакомые на макроскопическом уровне, такие как прикосновение , трение или химическая связь , связаны с взаимодействиями между электрическими полями по атомной шкале. обусловлено Магнитное поле Земли естественным динамо циркулирующих токов в ядре планеты. Определенные кристаллы, такие как кварц или даже сахар , генерируют разность потенциалов на их лицах при нажатии. Это явление известно как пьезоэлектричность , от греческого пизеина (πιέζειν), что означает нажатие, и было обнаружено в 1880 году Пьером и Жаком Кюри . Эффект является взаимным: когда пьезоэлектрический материал подвергается электрическому полю, он слегка изменяется.

Некоторые организмы, такие как акулы , способны обнаруживать и реагировать на изменения в электрических областях, способность, известная как электрорецепция , в то время как другие, называемые электрогенными , способны генерировать напряжения, чтобы служить хищным или оборонительным оружием; Это электрическая рыба в разных заказах. Порядок Gymnotiformes , из которых наиболее известным примером является электрический угорь , обнаруживает или оглушает свою добычу через высокие напряжения, генерируемые из модифицированных мышечных клеток, называемых электроцитами . Все животные передают информацию по своим клеточным мембранам с помощью импульсов напряжения, называемых потенциалами действий , функции которых включают связь с нервной системой между нейронами и мышцами . Электрический удар стимулирует эту систему и заставляет мышцы сокращаться. Потенциалы действий также несут ответственность за координацию деятельности на определенных растениях.

Культурное восприятие

Говорят, что в 1850 -х годах британский политик Уильям Эварт Гладстон спросил ученых Майкла Фарадея, почему электричество было ценным. Фарадей ответил: «Однажды, сэр, вы можете наложить на это налог». Однако, согласно Snopes.com, «анекдот следует считать апокрифическим, потому что он не упоминается ни в каких счетах Фарадея или его современников (письма, газеты или биографии) и только всплыл только после смерти Фарадея».

В 19 -м и начале 20 -го века электричество не было частью повседневной жизни многих людей, даже в промышленно развитом западном мире . Популярная культура того времени, соответственно, часто изображала его как таинственную, квази-магическую силу, которая может убить живых, возродить мертвых или иным образом согнуть законы природы. Такое отношение началось с 1771 года экспериментов Луиджи Гальвани , в которых было показано, что ноги мертвых лягушек дергаются при применении электроэнергии животных . «Возрождение» или реанимация, по -видимому, мертвых или утопленных людей, сообщалось в медицинской литературе вскоре после работы Гальвани. Эти результаты были известны Мэри Шелли, когда она написала Франкенштейн (1819), хотя она не называет метод оживления монстра. Возрождение монстров с электричеством впоследствии стало акционерной темой в фильмах ужасов.

По мере того, как общественное знакомство с электричеством как жизненную силу второй промышленной революции росло, ее владельцы чаще выделились в позитивном свете, такие как рабочие, которые «смерть пальца в их перчатках», когда они собирают и повторяют живые провода »в стихотворениях Рудиарда Киплинга 1907 года, сыновья Марты . Электрически мощные транспортные средства любого вида представлены большими в приключенческих историях, таких как Жюль Верн и книги Тома Свифта . Мастера электричества, будь то вымышленные или реальные, в том числе ученых, таких как Томас Эдисон , Чарльз Стейнметц или Никола Тесла , были широко рассматриваются как имеющие волшебники.

С электричеством, переставшим быть новинкой и становиться необходимостью повседневной жизни в более поздней половине 20 -го века, это требовало особого внимания за популярной культурой только тогда, когда перестает течь, событие, которое обычно сигнализирует о катастрофе. Люди, которые продолжают течь, такие как безымянный герой Джимми Уэбба песни " Wichita Lineman " (1968), все еще часто играют как героические, волшебники.

Смотрите также

• Церковый закон Ампера связывает направление электрического тока и связанных с ним магнитных токов.
• Электрическая потенциальная энергия , потенциальная энергия системы заряда
• Рынок электричества , продажа электрической энергии
• Этимология электричества , происхождение слова электричества и его текущие различные использование
• Гидравлическая аналогия , аналогия между потоком воды и электрического тока
• Биоэлектричество развития - электрический ток, образующийся в живых клетках

Ссылки

• Бенджамин, Парк (1898), История электричества: (интеллектуальный рост электричества) от древности до дней Бенджамина Франклина , Нью -Йорк: J. Wiley & Sons
• Хаммонд, Перси (1981), «Электромагнетизм для инженеров» , Nature , 168 (4262), Pergamon: 4–5 , Bibcode : 1951nater.168 .... 4G , doi : 10.1038/168004b0 , ISBN  0-08-022104-1 , S2CID   27576009
• Morely, A.; Хьюз, Э. (1994), Принципы электричества (5 -е изд.), Лонгман, ISBN  0-582-22874-3
• Нахви, Махмуд; Джозеф, Эдминистер (1965), Electric Circuits , McGraw-Hill, ISBN  978-0071422413
• Найду, MS; Kamaturu, V. (1982), High Writtage Engineering , Tata McGraw-Hill, ISBN.  0-07-451786-4
• Нильссон, Джеймс; Ридель, Сьюзен (2007), Электрические схемы , Прентис Холл, ISBN  978-0-13-198925-2
• Паттерсон, Уолтер С. (1999), Преобразование электричества: предстоящее поколение изменений , Earthscan, ISBN  1-85383-341-x

Внешние ссылки

• Основные концепции электроэнергии Глава из уроков в электрических цепях, том 1 Книга и серии DC .
• «Столеты электричества», май 1931 г., популярная механика
• Стандарты сокета и плагин
• Электричество заблуждений
• Электричество и магнетизм
• Понимание электричества и электроники примерно за 10 минут