Электричество - величайшее изобретение человечества. Кто и в каком году изобрел электричество: история открытия

Открытие электричества полностью изменило жизнь человека. Это физическое явление постоянно участвует в повседневной жизни. Освещение дома и улицы, работа всевозможных приборов, наше быстрое передвижение - все это было бы невозможно без электроэнергии. Это стало доступно благодаря многочисленным исследованиям и опытам. Рассмотрим главные этапы истории электрической энергии.

Древнее время

Термин «электричество» происходит от древнегреческого слова «электрон», что в переводе означает «янтарь». Первое упоминание об этом явлении связано с античными временами. Древнегреческий математик и философ Фалес Милетский в VII веке до н. э. обнаружил, что если произвести трение янтаря о шерсть, то у камня появляется способность притягивать мелкие предметы.

Фактически это был опыт изучения возможности производства электроэнергии. В современном мире такой метод известен, как трибоэлектрический эффект, который дает возможность извлекать искры и притягивать предметы с легким весом. Несмотря на низкую эффективность такого метода, можно говорить о Фалесе, как о первооткрывателе электричества.

В древнее время было сделано еще несколько робких шагов на пути к открытию электричества:

• древнегреческий философ Аристотель в IV веке до н. э. изучал разновидности угрей, способных атаковать противника разрядом тока;
• древнеримский писатель Плиний в 70 году нашей эры исследовал электрические свойства смолы.

Все эти эксперименты вряд ли помогут нам разобраться в том, кто открыл электричество. Эти единичные опыты не получили развития. Следующие события в истории электричества состоялись много веков спустя.

Этапы создания теории

XVII-XVIII века ознаменовались созданием основ мировой науки. Начиная с XVII века происходит ряд открытий, которые в будущем позволят человеку полностью изменить свою жизнь.

Появление термина

Английский физик и придворный врач в 1600 году издал книгу «О магните и магнитных телах», в которой он давал определение «электрический». Оно объясняло свойства многих твердых тел после натирания притягивать небольшие предметы. Рассматривая это событие надо понимать, что речь идет не об изобретении электричества, а лишь о научном определении.

Уильям Гильберт смог изобрести прибор, который назвал версор. Можно сказать, что он напоминал современный электроскоп, функцией которого является определение наличия электрического заряда. При помощи версора было установлено, что, кроме янтаря, способностью притягивать легкие предметы также обладают:

• стекло;
• алмаз;
• сапфир;
• аметист;
• опал;
• сланцы;
• карборунд.

В 1663 году немецкий инженер, физик и философ Отто фон Герике изобрел аппарат, являвшийся прообразом электростатического генератора. Он представлял собой шар из серы, насаженный на металлический стержень, который вращался и натирался вручную. С помощью этого изобретения можно было увидеть в действии свойство предметов не только притягиваться, но и отталкиваться.

В марте 1672 года известный немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц в письме к Герике упоминал, что при работе с его машиной он зафиксировал электрическую искру. Это стало первым свидетельством загадочного на тот момент явления. Герике создал прибор, послуживший прототипом всех будущих электрических открытий.

В 1729 году ученый из Великобритании Стивен Грей произвел опыты, которые позволили открыть возможность передачи электрического заряда на небольшие (до 800 футов) расстояния. А также он установил, что электричество не передается по земле. В дальнейшем это дало возможность классифицировать все вещества на изоляторы и проводники.

Два вида зарядов

Французский ученый и физик Шарль Франсуа Дюфе в 1733 году открыл два разнородных электрических заряда:

• «стеклянный», который теперь именуется положительным;
• «смоляной», называющийся отрицательным.

Затем он произвел исследования электрических взаимодействий, которыми было доказано, что разноименно наэлектризованные тела будут притягиваться один к одному, а одноименно - отталкиваться. В этих экспериментах французский изобретатель пользовался электрометром, который позволял измерять величину заряда.

В 1745 году физик из Голландии Питер ван Мушенбрук изобрел Лейденскую банку, которая стала первым электрическим конденсатором. Его создателем также является немецкий юрист и физик Эвальд Юрген фон Клейст. Оба ученых действовали параллельно и независимо друг от друга. Это открытие дает ученым полное право войти в список тех, кто создал электричество.

11 октября 1745 года Клейст произвел опыт с «медицинской банкой» и обнаружил способность хранения большого количества электрических зарядов. Затем он проинформировал об открытии немецких ученых, после чего в Лейденском университете был проведен анализ этого изобретения. Затем Питер ван Мушенбрук опубликовал свой труд, благодаря которому стала известна Лейденская банка.

Бенджамин Франклин

В 1747 году американский политический деятель, изобретатель и писатель Бенджамин Франклин опубликовал свое сочинение «Опыты и наблюдения с электричеством». В ней он представил первую теорию электричества, в которой обозначил его как нематериальную жидкость или флюид.

В современном мире фамилия Франклин часто ассоциируется со стодолларовой купюрой, но не следует забывать о том, что он являлся одним из величайших изобретателей своего времени. В списке его многочисленных достижений присутствуют:

1. Известное сегодня обозначение электрических состояний (-) и (+).
2. Франклин доказал электрическую природу молнии.
3. Он смог придумать и представить в 1752 году проект громоотвода.
4. Ему принадлежит идея электрического двигателя. Воплощением этой идеи стала демонстрация колеса, вращающегося под действием электростатических сил.

Публикация своей теории и многочисленные изобретения дают Франклину полное право считаться одним из тех, кто придумал электричество.

От теории к точной науке

Проведенные исследования и опыты позволили изучению электричества перейти в категорию точной науки. Первым в череде научных достижений стало открытие закона Кулона.

Закон взаимодействия зарядов

Французский инженер и физик Шарль Огюстен де Кулон в 1785 году открыл закон, который отображал силу взаимодействия между статичными точечными зарядами. Кулон до этого изобрел крутильные весы. Появление закона состоялось благодаря опытам Кулона с этими весами. С их помощью он измерял силу взаимодействия заряженных металлических шариков.

Закон Кулона являлся первым фундаментальным законом, объясняющим электромагнитные явления, с которых началась наука об электромагнетизме. В честь Кулона в 1881 году была названа единица электрического заряда.

Изобретение батареи

В 1791 году итальянский врач, физиолог и физик написал «Трактат о силах электричества при мышечном движении». В нем он фиксировал наличие электрических импульсов в мышечных тканях животных. А также он обнаружил разность потенциалов при взаимодействии двух видов металла и электролита.

Открытие Луиджи Гальвани получило свое развитие в работе итальянского химика, физика и физиолога Алессандро Вольты. В 1800 году он изобретает «Вольтов столб» - источник непрерывного тока. Он представлял собой стопку серебряных и цинковых пластин, которые были разделены между собой смоченными в соленом растворе бумажными кусочками. «Вольтов столб» стал прототипом гальванических элементов, в которых химическая энергия преобразовывалась в электрическую.

В 1861 году в его честь было введено название «вольт» - единица измерения напряжения.

Гальвани и Вольта являются одними из основоположников учения об электрических явлениях. Изобретение батареи спровоцировало бурное развитие и последующий рост научных открытий. Конец XVIII века и начало XIX века можно характеризовать как время, когда изобрели электричество.

Появление понятия тока

В 1821 году французский математик, физик и естествоиспытатель Андре-Мари Ампер в собственном трактате установил связь магнитных и электрических явлений, которая отсутствует в статичности электричества. Тем самым он впервые ввел понятие «электрический ток».

Ампер сконструировал катушку с множественными витками из медных проводов, которую можно классифицировать как усилитель электромагнитного поля. Это изобретение послужило созданию в 30-х годах 19 века электромагнитного телеграфа.

Благодаря исследованиям Ампера стало возможным рождение электротехники. В 1881 в его честь единица силы тока была названа «ампером», а приборы, измеряющие силу - «амперметрами».

Закон электрической цепи

Физик из Германии Георг Симон Ом в 1826 году представил закон, который доказывал связь между сопротивлением, напряжением и силой тока в цепи. Благодаря Ому возникли новые термины:

• падение напряжения в сети;
• проводимость;
• электродвижущая сила.

Его именем в 1960 году названа единица электросопротивления, а Ом, несомненно, входит в список тех, кто изобрел электричество.

Английский химик и физик Майкл Фарадей совершил в 1831 году открытие электромагнитной индукции, которая лежит в основе массового производства электроэнергии. На основе этого явления он создает первый электродвигатель. В 1834 году Фарадей открывает законы электролиза, которые привели его к выводу, что носителем электрических сил можно считать атомы. Исследования электролиза сыграли существенную роль в возникновении электронной теории.

Фарадей является создателем учения об электромагнитном поле. Он сумел предсказать наличие электромагнитных волн.

Общедоступное применение

Все эти открытия не стали бы легендарными без практического использования. Первым из возможных способов применения явился электрический свет, который стал доступен после изобретения в 70-х годах 19 века лампы накаливания. Ее создателем стал российский электротехник Александр Николаевич Лодыгин .

Первая лампа являлась замкнутым стеклянным сосудом, в котором находился угольный стержень. В 1872 году была подана заявка на изобретение, а в 1874 году Лодыгину выдали патент на изобретение лампы накаливания. Если пытаться ответить на вопрос, в каком году появилось электричество, то этот год можно считать одним из правильных ответов, поскольку появление лампочки стало очевидным признаком доступности.

Появление электроэнергии в России

Будет интересно выяснить, в каком году появилось электричество в России. Освещение впервые появилось в 1879 году в Санкт-Петербурге. Тогда фонари установили на Литейном мосту. Затем в 1883 году начала работу первая электростанция у Полицейского (Народного) моста.

В Москве освещение впервые появилось 1881 году. Первая городская электростанция заработала в Москве в 1888 году.

Днем основания энергетических систем России считается 4 июля 1886 года, когда Александр III подписал устав «Общества электрического освещения 1886 года». Оно было основано Карлом Фридрихом Сименсом, который являлся братом организатора всемирно известного концерна Siemens.

Невозможно точно сказать, когда появилось электричество в мире. Слишком много разбросанных во времени событий, которые являются одинаково важными. Поэтому вариантов ответа может быть много, и все они будут правильными.

Среди жителей планеты найти таких, которые не имеют понятия об электричестве, трудно. Но вот тех, кто знает, когда и кто открыл электричество, из чего оно состоит, кто сделал важное и полезное для человечества открытие, мало. Потому стоит разобраться, что представляют собой электрические явления и кому мы обязаны их открытием.

Вконтакте

Когда и как было открыто

История открытия этого явления была очень длительной. Само слово придумал греческий ученый Фалес. Оно стало производным от понятия «электрон», которое переводится как «янтарь». Появился этот термин до нашей эры, благодаря Фалесу, заметившему свойство янтаря после того, как его потереть, притягивать легкие предметы.

Произошло это за семь столетий до н.э. Фалес проводил много опытов, изучая увиденное. Это были первые опыты с зарядами в мире. На этом его наблюдения и закончились. Далее он не смог продвинуться, но именно этот ученый считается основоположником теории электроэнергии , ее первооткрывателем, хотя как наука это явление не получило развития. Его наблюдения были надолго забыты, не вызвав интереса у ученых.

Первые опыты

В середине XVII столетия Отто Герике занялся научным исследованием наблюдений Фалеса. Немецкий ученый сконструировал первый прибор в форме вращающегося шара, который он зафиксировал на железном штифте.

После его смерти исследования продолжили другие ученые:

• немецкие физики Бозе и Винклер;
• англичанин Хоксби.

Они усовершенствовали прибор, изобретенный Генрике, и открыли некоторые другие свойства явления. Первые опыты, проводимые с помощью этого аппарата, послужили толчком для новых изобретений.

История открытия

Дальнейшее развитие теория электричества получила несколько столетий спустя. Создал теорию У. Гильберт, который заинтересовался подобными явлениями.

В начале 18века было доказано, что получаемое при трении разных материалов электричество бывает разное. А в 1729 г. голландец Мушенбрук обнаружил, что если стеклянную банку залепить с обеих сторон листиками станиоля, там будут накапливаться электроэнергия.

Это явление получило название лейденской банки .

Важно! УченыйБ. Франклин первым предположил, что существуют положительные и отрицательные заряды.

Он смог пояснить процесс лейденской банки, доказав, что обкладку банки можно «заставить» электризоваться разными по знаку зарядами. Франклин занимался изучением атмосферных электрических явлений. Почти одновременно с ним подобные исследования вели русский физик Г. Рихман и ученый М.В. Ломоносов. Тогда же был изобретен громоотвод , действие которого пояснялось возникновением разности напряжений.

А. Вольт (1800 год) создал гальваническую батарею, составив ее из круглых серебряных пластин, между которыми он расположил размоченные соленой водой бумажные кусочки. Химическая реакция внутри батареи вырабатывала электрический заряд.

Начало 1831 г. ознаменовалось тем, что Фарадей создал электрический генератор, действие которого основано было на открытом этим ученым .

Немало электрических приборов создал известный ученый Никола Тесла в XX тысячелетии. Основные события в развитии электричества можно изложить в таком хронологическом порядке:

• 1791 г. - ученый Л. Гальвани открыл зарядов по проводникам, т.е. электрический ток;
• 1800 г. – представлен генератор тока А. Вольтом;
• 1802 г. - Петров открыл электродугу;
• 1827 г. - Дж. Генри сконструировал изоляцию проводов;
• 1832 г. - член академии Петербурга Шиллинг показал электрический телеграф;
• 1834 г. - академик Якоби создал электродвигатель;
• 1836 год - С. Морзе запатентовал телеграф;
• 1847 г. - Сименс предложил резиновый материал для изоляции проводов;
• 1850 год - Якоби изобрел буквопечатающий телеграф;
• 1866 г. - Сименс предложил динамо-машину;
• 1872 г. - А.Н. Лодыгин создал лампу накаливания, где использовал угольную нить;
• 1876 г - изобретен телефон;
• 1879 год - Эдисон разработал систему электроосвещения, используемую до сих пор;
• 1890 год - стал стартовым относительно широкого применения электроприборов в быту;
• 1892 г. - появились первые бытовые приборы, используемые хозяйками на кухне;

Перечень открытий можно продолжить. Но все они были уже основаны на предыдущих.

Первые опыты с электричеством

Впервые опыты с зарядами были проведены в 1729 г. англичанином С. Греем. Во время этих опытов ученый установил: не все предметы передают электрический заряд . С середины 1833 г. серьёзными исследованиями этой области науки занялся француз Ш. Дюфе. Повторив опыты Фалеса и Гильберта, он подтвердил существование двух видов заряда.

Важно! С конца 18 столетия началась новая эра достижений науки. Россиянин В. Петров открыл «Вольтову дугу». Жан А. Нолле сконструировал первый электроскоп, который послужил впоследствии прообразом электрокардиографа. А 1809 год ознаменовался важным открытием: английский ученый Деларю изобрел первую лампочку накаливания, давшую толчок в промышленном применении открытых законов физики.

Явления в природе, связанные с электричеством

Природа богата явлениями электрической природы. Примерами таких явлений, которые связаны с электричеством, служат северное сияние, молния и др.

Северное сияние

Верхние слои воздушной оболочки часто накапливают мелкие частички, прилетающие из космоса. Их столкновение с атмосферой и пылью вызывает свечение на небе, которое сопровождают сполохи. Такое явление наблюдают жители полярных районов. Назвали это явление полярным сиянием . Северное свечение длится порой несколько суток, переливаясь разными цветами.

Молния

Перемещаясь с атмосферными потоками, кучевые облака вызывают трение капель и ледяных кристаллов. В результате трения в облаках накапливаются заряды. Это приводит к образованию между облаками и землей гигантских искр. Это и есть молнии. Они сопровождаются раскатами грома.

Накопление электрических зарядов в воздухе иногда вызывает образование небольших светящихся шариков или крупных искр. Эти шары и искры названы шаровым молниями. Они перемещаются с воздухом, взрываясь от контакта с отдельными предметами. Такие молнии нередко вызывают ожоги и гибель живых существ и людей, возгорание предметов. Точно объяснить причины появления молний ученые пока не могут.

Огни святого Эльма

Так называют явление, знакомое плававшим на парусниках морякам с древности. Они радовались, когда видели свечение мачт в непогоду. Моряки считали, что огни свидетельствуют о покровительстве святого Эльма.

Свечение можно наблюдать в грозу на высоких шпилях. Огоньки выглядят как свечи и кисти голубого или светло-фиолетового оттенка. Длина этих огней иногда достигает метра. Сияние порой сопровождает шипение или негромкий свист.

Моряки пытались отломить часть мачты вместе с огнем. Но это никогда не удавалось, поскольку огонь «перетекал» на мачту и поднимался по ней вверх. Пламя это холодное, от него не происходит возгорания, оно не обжигает руки. И гореть может несколько минут, иногда около часа. Современные ученые установили, что эти огни имеют электрическую природу.

Когда появилось электричество в России

Даты, когда в России началась эра использования электроэнергии, называют разные. Все зависит от критерия, по которому ее устанавливают.

Многие соотносят это событие с 1879 годом. В Петербурге тогда были установлены электрические фонари на Литейном мосту . Но есть люди, которые считают датой появления в России электричества начало 1880 года – дату создания электрического отдела в Российском техническом обществе.

Знаковой датой также можно полагать май 1883 г., время, когда рабочие выполнили иллюминацию кремлевского двора к церемонии коронования Александра ІІІ. Для этого на Софийскую набережную установили электростанцию. А чуть позже электрифицировали главную улицу в Петербурге и Зимний.

Через три года в Российской империи создали «Общество электроосвещения», которое занялось разработкой плана установки фонарей на улицах Москвы и Санкт-Петербурга. А еще через пару лет начинается всюду по империи строительство и оснащение электростанций.

Из чего состоит электроэнергия

Все, что окружает нас, в том числе и люди, состоит из атомов. Атом же состоит из положительно заряженного ядра. Вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные частицы, которые называются электронами. Эти частицы нейтрализуют положительный заряд ядра. Потому атом имеет нейтральный заряд. Образуется электричество направленным перемещением электронов из одного атома на другой. Такое действие можно осуществить с помощью генератора, трения или химической реакции.

Внимание! Процесс основан на свойстве притяжения частиц, имеющих разные заряды, и отталкивания одинаковых зарядов. В результате возникает ток, который может передаваться через проводники (чаще всего металлы). Материалы, которые не способны передавать ток, называются изоляторами. Хорошие изоляторы – это дерево, пластмассовые и эбонитовые предметы.

Как образуется разное электричество

Электроэнергия бывает разной природы: . Кроме того, есть еще статическое электричество. Оно образуется при нарушении равновесия зарядов внутри атомов, как уже было сказано ранее.

В быту человеку постоянно приходится сталкиваться с ним, поскольку одежда синтетической природы есть в каждом доме. А она во время трения накапливает заряд. Некоторые предметы одежды при раздевании или одевании дают такой эффект.

Об этом сигнализируют искры и треск. Источники статического электричества находятся в каждой квартире. Это бытовые электроприборы и компьютеры, электризующие мельчайшую пыль, которая оседает на полу, поверхностях мебели и одежде. Она оказывает отрицательное действие на здоровье людей.

Важно! Для получения электроэнергии создают магнитное поле. Оно притягивает электроны, заставляя их двигаться по проводнику. Этот процесс перемещения частиц называется электрическим током. При стационарном магнитном поле ток течет по проводнику постоянный.

Наука электродинамика

Теория электричества содержит законы, охватывающие огромное количество электромагнитных явлений и законов взаимодействий.

Это связано с тем, что все тела состоят из заряженных частиц . Взаимодействие между ними намного сильнее гравитационных. И в настоящее время эта наука является наиболее полезной для человечества.

Основателем науки признан ученый Гильберт. До 1600 г. наука эта была на уровне знаний Фалеса. Гильберт попытался построить теорию электричества.

До него замеченные греческим ученым свойства притяжения считались только забавным фактом. Гильберт свои наблюдения проводил, используя электроскоп. Его исследования и научные основания стали основополагающим этапом в науке. А само название стало применяться с 1650 г.

Современная наука об электрических явлениях и законах называется электродинамикой . Сейчас трудно себе представить жизнь без электроэнергии. С помощью электрического тока созданы многие приборы, помогающие передавать информацию на огромные расстояния, даже в . Технический прогресс позволил поставить его на службу всему человечеству, все больше открывая тайны этого природного явления. Но все же в этой области науки еще содержится много неизведанного.

Откуда появилось электричество

Кто изобрел электричество

. (история открытия явления)

До 1600 г. знания европейцев об электричестве оставалось на уровне древних греков, что повторяло историю развития теории паровых реактивных двигателей ("Элеопил" А. Герона).

Основоположником науки об электричестве в Европе стал выпускник Кембриджа и Оксфорда английский физик и придворный врач королевы Елизаветы - Уильям Гилберт (1544-1603). С помощью своего "версора" (первого электроскопа) У. Гильберт показал, что способностью притягивать легкие тела (соломинки) обладает не только натертый янтарь, но и алмаз, сапфир, карборунд, опал, аметист, горный хрусталь, стекло, сланцы и др., которые он назвал "электрическими" минералами.

Кроме того, Гильберт заметил, что пламя "уничтожает" электрические свойства тел, приобретенные при трении, и впервые исследовал магнитные явления, установив, что:

Магнит всегда имеет два полюса - северный и южный;
- одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются;
- распиливая магнит, нельзя получить магнит только с одним полюсом;
- железные предметы под влиянием магнита приобретают магнитные свойства (магнитная индукция);
- природный магнетизм может быть усилен с помощью железной арматуры.

Изучая магнитные свойства намагниченного шара с помощью магнитной стрелки, Гильберт пришел к выводу, что они соответствуют магнитным свойствам Земли, а Земля является самым большим магнитом, что и объясняет постоянное наклонение магнитной стрелки.

1650 г.: Отто фон Герике (1602-1686) создает первую электрическую машину, извлекавшую из натираемого шара, отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. Однако тайна свойств «электрической жидкости» , как в то время называли это явление, не получила тогда никакого объяснения.

1733 г.: французский физик , член Парижской Академии наук, Шарль Франсуа Дюфе (Dufay, Du Fay, 1698-1739) открыл существование двух видов электричества, которые назвал "стеклянным" и "смоляным". Первое возникает на стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, шерсти, волосах и т. д.; второе - на янтаре, шелке, бумаге и т. п.

После многочисленных экспериментов Ш. Дюфе впервые электризовал тело человека и "получил" из него искры. В область его научных интересов входил магнетизм, фосфоресценция и двойное лучепреломление в кристаллах, ставшее впоследствии основой для создания оптических лазеров. Для обнаружения измерения электричества пользовался версором Гилберта, сделав его намного более чувствительным. Впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома.

1745 г.: выпускник Лейденского университета (Голландия) физик Питер ван Мушенбрук (Musschenbroek Pieter van, 1692-1761) изобрел первый автономный источник электроэнергии - лейденскую банку и провел с ней ряд опытов, в ходе которых установил взаимозвязь электрического разряда с его физиологическим действием на живой организм.

Лейденская банка представляла собой стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри были оклеены свинцовой фольгой, и являлась первым электрическим конденсатором. Если обкладки прибора, заряженного от электростатического генератора О. фон Герике соединяли тонкой проволокой, то она быстро нагревалась, а иногда и плавилась, что указывало на наличие в банке источника энергии, которую можно было транспортировать далеко от места ее зарядки.

1747 г.: член Парижской Академии наук, французский физик-экспериментатор Жан Антуан Нолле (1700-1770) изобрел первый прибор для оценки электрического потенциала - электроскоп , зарегистрировал факт более быстрого "стекания" электричества с острых тел и впервые сформировал теорию действия электричества на живые организмы и растения.

1747–1753 гг.: американский государственный деятель, ученый и просветитель Бенджамин (Вениамин) Франклин (Franklin, 1706-1790) публикует цикл работ по физике электричества, в которых:
- ввел общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+» и «–» ;
- объяснил принцип действия лейденской банки, установив, что главную роль в ней играет диэлектрик, разделяющий проводящие обкладки;
- установил тождество атмосферного и получаемого с помощью трения электричества и привел доказательство электрической природы молнии;
- установил, что металлические острия, соединённые с землёй, снимают электрические заряды с заряженных тел даже без соприкосновения с ними и предложил молниеотвод;
- выдвинул идею электрического двигателя и продемонстрировал «электрическое колесо», вращающееся под действием электростатических сил;
- впервые применил электрическую искру для взрыва пороха.

1759 г.: В России физик Франц Ульрих Теодор Эпинус (Aepinus, 1724-1802),впервые выдвигает гипотезу о наличии связи между электрическими и магнитными явлениями.

1761 г.: Швейцарский механик, физик и астроном Леонард Эйлер (L. Euler, 1707-1783) описывает новую электростатическую машину, состоящую из вращающегося диска из изоляционного материала с радиально наклеенными кожаными пластинами. Для съема электрического заряда к диску надо было подвести шелковые контакты, присоединенные к медным стержням со сферическими окончаниями. Приближая сферы друг к другу, можно было наблюдать процесс электрического пробоя атмосферы (искусственная молния).

1785-1789 гг.: Французский физик Шарль Огюстен Кулон (S. Coulomb, 1736-1806) публикует семь работ. в которых описывает закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (закон Кулона), вводит понятие магнитного момента и поляризации зарядов и доказывает, что электрические заряды всегда располагаются на поверхности проводника.

1791 г.: В Италии издается трактат Луиджи Гальвани (L. Galvani, 1737-1798), «De Viribus Electricitatis In Motu Musculari Commentarius» («Трактат о силах электричества при мышечном движении»), в котором доказывалось, что электричество вырабатывается живым организмом и наиболее эффективно проявляется в контакте разнородных проводников. В настоящее время этот эффект лежит в основе принципа действия электрокардиографов.

1795 г.: Итальянский профессор Александр Вольта (Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta, 1745-1827) исследует явление контактной разности потенциалов различных металлов и с помощью электрометра собственной конструкции дает численную оценку этому явлению. Результаты своих опытов А.Вольта впервые описывает 1 августа 1786 г. в письме своему другу. В настоящее время эффект контакной разности потенциалов используется в термопарах и системах анодной (электрохимической) защиты металлических сооружений.

1799 г:. А. Вольта изобретает источник гальванического (электрического) тока - вольтов столб . Первый вольтов столб состоял из 20 пар медных и цинковых кружочков, разделенных суконными кусочками, смоченными соленой водой, и предположительно мог давать напряжение 40-50 В и ток до 1 А.

В 1800 г. в журнале «Philosophical Transactions of the Royal Society, Vol. 90» под названием «On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds» («Электричество, получаемое в результате простого контакта разных веществ») было описано устройство, названное «электродвижущий аппарат», А. Вольта считал, что в основе принципа действия его источника тока лежит контактная разность потенциалов, и только спустя много лет было установлено, что причиной возникновения э.д.с. в гальваническом элементе является химическое взаимодействие металлов с проводящей жидкостью - электролитом. Осенью 1801 г. в России была создана первая гальваническая батарея, состоящая из 150 серебряных и цинковых дисков. Через год, осенью 1802 г., была изготовлена батарея из 4200 медных и цинковых дисков, дающая напряжение в 1500 В.

1820 г.: датский физик Ханс Кристиан Эрстед (Ersted, 1777-1851) в ходе опытов по отклонению магнитной стрелки под действием проводника с током, установил связь между электрическими и магнитными явлениями. Сообщение об этом явлении, опубликованное в 1820 г., стимулировало исследования в области электромагнетизма, что, в конечном счете, привело к формированию основ современной электротехники.

Первым последователем Х.Эрстеда стал французский физик Андре Мари Ампер (1775-1836) сформулировавший в том-же году правило определения направления действия электрического тока на магнитную стрелку, названное им "правилом пловца" (правило Ампера или правой руки), после чего были определены законы взаимодействия электрических и магнитных полей (1820 г.), в рамках которых впервые была сформулирована идея об использовании электромагнитных явлений для дистанционной передачи электрического сигнала.

В 1822 г. А. Ампер создает первый усилитель электромагнитного поля - многовитковые катушки из медного провода, внутри которых помещались сердечники из мягкого железа (соленоиды), ставшие технологической основой для изобретенного им в 1829 г. электромагнитного телеграфа, открывшего эру современной электросвязи.

821 г.: английский физик Майкл Фарадей (М. Faraday, 1791-1867) познакомился с работой Х. Эрстеда об отклонении магнитной стрелки вблизи проводника с током (1820) и после исследования взаимосвязи электрических и магнитных явлений установил факт вращения магнита вокруг проводника с током и вращения проводника с током вокруг магнита.

В течение последующих 10 лет М. Фарадей пытался «превратить магнетизм в электричество», результатом чего стало открытие в 1831 электромагнитной индукции , что привело к формированию основ теории электромагнитного поля и появлению новой отрасли промышленности - электротехники. В 1832 г. М. Фарадей публикует работу, в которой выдвигается идея о том, что распространение электромагнитных взаимодействий есть волновой процесс, происходящий в атмосфере с конечной скоростью, что стало основой для появления новой отрасли знаний - радиотехники.

Стремясь установить количественные соотношения между различными видами электричества, М. Фарадей начал исследования по электролизу и в 1833–1834 гг. сформулировал его законы. В 1845 г., исследуя магнитные свойства различных материалов, М. Фарадей открывает явления парамагнетизма и диамагнетизма и установливает факт вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Это было первое наблюдение связи между магнитными и оптическими явлениями, которое позднее было объяснено в рамках электромагнитной теории света Дж. Максвелла.

Примерно в это-же время свойства электричества изучал немецкий физик Георг Симон Ом (G.S. Ohm, 1787-1854). Проведя серию экспериментов, Г. Ом в 1826 г. сформулировал основной закон электрической цепи (закон Ома) и в 1827 г. дал его теоретическое обоснование, ввел понятия «электродвижущая сила», падение напряжения в цепи и «проводимость».

Закон Ома устанавливает, что сила постоянного электрического тока I в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника т.е. RI = U . Коэффициент пропорциональности R , получивший в 1881 г. название омическое сопротивление или просто сопротивление зависит от температуры проводника и его геометрических и электрических свойств.

Исследования Г. Ома завершают второй этап развития электротехники, а именно фомирования теоретической базы для расчета характеристик электрических цепей, что стало основой современной электроэнергетики.

Современную жизнь невозможно представить без электричества, этот тип энергии используется человечеством наиболее полно. Однако далеко не все взрослые люди способны вспомнить из школьного курса физики определение электрического тока (это направленный поток протекания элементарных частиц, имеющих заряд), совсем мало кто понимает, что же это такое.

Что такое электричество

Наличие электричества как явления объясняется одним из главных свойств физической материи – способностью обладать электрическим зарядом. Они бывают положительными и отрицательными, при этом объекты, обладающие разнополюсными знаками, притягиваются друг к другу, а «равнозначные», наоборот, отталкиваются. Движущиеся частицы также являются источником возникновения магнитного поля, что лишний раз доказывает связь между электричеством и магнетизмом.

На атомарном уровне существование электричества можно объяснить следующим образом. Молекулы, из которых состоят все тела, содержат атомы, составленные из ядер и электронов, циркулирующих вокруг них. Эти электроны могут при определенных условиях отрываться от «материнских» ядер и переходить на другие орбиты. Вследствие этого некоторые атомы становятся «недоукомплектованными» электронами, а у некоторых их в избытке.

Поскольку природа электронов такова, что они текут туда, где их не хватает, постоянное перемещение электронов от одного вещества к другому и составляет электрический ток (от слова «течь»). Известно, что электричество имеет направление от полюса «минус» к полюсу «плюс». Поэтому вещество с нехваткой электронов считается заряженным положительно, а с переизбытком – отрицательно, и именуется оно «ионами». Если речь идет о контактах электрических проводов, то положительно заряженный называется «нулевой», а отрицательно – «фаза».

В разных веществах расстояние между атомами различно. Если они очень маленькие, электронные оболочки буквально касаются друг друга, поэтому электроны легко и быстро переходят от одного ядра к другому и обратно, чем создается движение электрического тока. Такие вещества, например, как металлы, называются проводниками.

В других веществах межатомные расстояния относительно велики, поэтому они являются диэлектриками, т.е. не проводят электричество. Прежде всего, это резина.

Дополнительная информация . При испускании ядрами вещества электронов и их движении происходит образование энергии, которая прогревает проводник. Такое свойство электричества называется «мощность», измеряется она в ваттах. Также эту энергию можно преобразовывать в световую или другой вид.

Для непрерывного течения электричества по сети потенциалы на конечных точках проводников (от линий ЛЭП до домовой электропроводки) должны быть разными.

История открытия электричества

Что такое электричество, откуда оно берется, и прочие его характеристики фундаментально изучает наука термодинамика с сопредельными науками: квантовой термодинамикой и электроникой.

Сказать, что какой-либо ученый изобрел электрический ток, было бы неверным, ибо с древних времен много исследователей и ученых занимались его изучением. Сам термин «электричество» ввел в обиход греческий ученый-математик Фалес, это слово означает «янтарь», поскольку именно в опытах с янтарной палочкой и шерстью Фалесу получилось выработать статическое электричество и описать это явление.

Римлянин Плиний также занимался исследованием электрических свойств смолы, а Аристотель изучал электрических угрей.

В более позднее время первым, кто досконально стал изучать свойства электрического тока, стал В. Жильбер, врач английской королевы. Немецкий бургомистр из Магдебурга О.ф Герике считается создателем первой лампочки из натертого серного шарика. А великий Ньютон вывел доказательство существования статического электричества.

В самом начале 18 века английский физик С. Грей поделил вещества на проводники и непроводники, а голландским учёным Питером ван Мушенбруком была изобретена лейденская банка, способная накапливать электрический заряд, т. е. это был первый конденсатор. Американский ученый и политический деятель Б. Франклин впервые в научных терминах вывел теорию электричества.

Все 18 столетие было богатым на открытия в сфере электричества: установлена электрическая природа молнии, сконструировано искусственное магнитное поле, выявлено существование двух видов зарядов («плюс» и «минус») и, как следствие, двух полюсов (естествоиспытатель из США Р. Симмер), Кулоном открыт закон взаимодействия между точечными электрозарядами.

В следующем веке изобретены батарейки (итальянский ученый Вольта), дуговая лампа (англичанин Дейви), а также прототип первой динамо-машины. 1820 год считается годом зарождения электродинамической науки, сделал это француз Ампер, за что его имя присвоили единице для показаний силы электротока, а шотландец Максвелл вывел световую теорию электромагнетизма. Россиянин Лодыгин изобрел лампу накаливания, имеющую стержень из угля, – прародитель современных лампочек. Чуть более ста лет назад была изобретена неоновая лампа (французский ученый Жорж Клод).

И по сей день исследования и открытия в области электричества продолжаются, например, теория квантовой электродинамики и взаимодействия слабых электрических волн. Среди всех ученых, занимавшихся исследованием электричества, особое место принадлежит Николе Тесла –многие его изобретения и теории о том, как работает электричество, до сих пор не оценены по достоинству.

Природное электричество

Долгое время считалось, что электричества «самого по себе» не существует в природе. Это заблуждение развеял Б. Франклин, который доказал электрическую природу молний. Именно они, по одной из версий ученых, способствовали синтезу первых аминокислот на Земле.

Внутри живых организмов также вырабатывается электричество, которое порождает нервные импульсы, обеспечивающие двигательные, дыхательные и другие жизненно необходимые функции.

Интересно. Многие ученые считают человеческое тело автономной электрической системой, которая наделена функциями саморегуляции.

У представителей животного мира тоже имеется свое электричество. Например, некоторые породы рыб (угри, миноги, скаты, удильщики и другие) используют его для защиты, охоты, добывания пищи и ориентации в подводном пространстве. Особый орган в теле этих рыб вырабатывает электроэнергию и накапливает ее, как в конденсаторе, его частота – сотни герц, а напряжение – 4-5 вольт.

Получение и использование электричества

Электричество в наше время – это основа комфортной жизни, поэтому человечество нуждается в его постоянной выработке. Для этих целей возводятся различного рода электростанции (гидроэлектростанции, тепловые, атомные, ветровые, приливные и солнечные), способные с помощью генераторов вырабатывать мегаватты электричества. В основе этого процесса лежит преобразование механической (энергия падающей воды на ГЭС), тепловой (сжигание углеродного топлива – каменного и бурого угля, торфа на ТЭЦ) или межатомной энергии (атомного распада радиоактивных урана и плутония на АЭС) в электрическую.

Много научных исследований посвящено электрическим силам Земли, все они стремятся использовать атмосферное электричество для блага человечества – выработки электроэнергии.

Учеными предложено множество любопытных устройств генераторов тока, которые дают возможность добывать электричество из магнита. Они используют способности постоянных магнитов совершать полезную работу в виде крутящего момента. Он возникает в результате отталкивания между одноименно заряженными магнитными полями на статорном и роторном устройствах.

Электричество популярнее всех остальных источников энергии, поскольку обладает множеством преимуществ:

• легкое перемещение до потребителя;
• быстрый перевод в тепловой или механический вид энергии;
• возможны новые области его применения (электромобили);
• открытие все новых свойств (сверхпроводимость).

Электричество – это движение разнозаряженных ионов внутри проводника. Это большой подарок от природы, который люди познают с давних времен, и процесс этот еще не закончен, хотя человечество уже научилось добывать его в огромных объемах. Электричество играет огромную роль в развитии современного общества. Можно сказать, что без него жизнь большинства наших современников просто остановится, ведь недаром при отключении электричества люди говорят, что «отключили свет».

Видео

ВВЕДЕНИЕ

Начнем наш рассказ словами самого Теслы, написавшего незадолго до смерти замечательный очерк истории электротехники "Сказку об электричестве": "Кто действительно хочет помять все величие нашего времени, тот должен познакомиться с историей науки об электричестве”.

Впервые явления, ныне называемые электрическими, были замечены в древнем Китае, Индии, а позднее в древней Греции. Сохранившиеся предания гласят, что древнегреческому философу Фалесу Милетскому (640-550 гг. до н. э.) было уже известно свойство янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря - "электрон" - явление это позднее получило наименование электризации.

На протяжении многих столетий, электрические явления считались проявлениями божественной силы, пока в 17в. ученые не подошли вплотную к изучению электричества. Кулон, Гильберт, Отто фон Герике, Мушенбрек, Франклин, Эрстед, Араго, Ломоносов, Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта - вот далеко не полный список ученых занимавшихся проблемами электричества. Особо следует сказать о деятельности замечательного ученого Андре Мари Ампера, положившего начало изучению динамических действий электрического тока и установившему целый ряд законов электродинамики.

Открытия Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея и побудили его заняться всем кругом вопросов о превращении электрической и магнитной энергии в механическую. Другой английский физик Джеймс Клерк (Кларк) Ма́ксвелл 1873 году издал капитальный двухтомный труд «Трактат об электричестве и магнетизме», который объединил понятия электричество, магнетизм и электромагнитное поле. С этого момента началась эра активного использования электрической энергии в повседневной жизни.

1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Электри́чество — понятие, выражающее свойства и явления, обусловленные структурой физических тел и процессов, сущностью которой является движение и взаимодействие микроскопических заряженных частиц вещества (электронов, ионов, молекул, их комплексов и т. п.) .

Гильберт впервые обнаружил, что свойства электризации присущи не только янтарю, но и алмазу, сере, смоле. Он заметил также, что некоторые тела, например металлы, камни, кость, не электризуются, и разделил все тела, встречающиеся в природе, электризуемые и неэлектризуемые. Обратив особое внимание на первые, он производил опыты по изучению их свойств.

В 1650 году известный немецкий ученый, бургомистр города Магдебурга, изобретатель воздушного насоса Отто фон Герике построил специальную "электрическую машину", представлявшую шар из серы величиной с детскую голову, насаженный на ось.

Рисунок 1 - Электрическая машина фон Герике, усовершенствованная Ван де Графом

Если при вращении шара его натирали ладонями рук, он вскоре приобретал свойство притягивать и отталкивать легкие тела. На протяжении нескольких столетий машину Герике значительно усовершенствовали англичанин Хоксби, немецкие ученые Бозе, Винклер и другие. Опыты с этими машинами привели к ряду важных открытий:

· в 1707 году французский физик дю Фей обнаружил различие между электричеством, получаемым от трения стеклянного шара и получаемым от трения крута из древесной смолы;

· в 1729 году англичане Грей и Уилер обнаружили способность некоторых тел проводить электричество и впервые указали на то, что все тела можно разделить на проводники и непроводники электричества.

Но значительно более важное открытие было описано в 1729 году Мушенбреком - профессором математики и философии в городе Лейдене. Он обнаружил, что стеклянная банка, оклеенная с обеих сторон оловянной фольгой (листочками станиоля), способна накапливать электричество. Заряженное до определенного потенциала (понятие о котором появилось значительно позднее), это устройство могло быть разряжено со значительным эффектом - большой искрой, производившей сильный треск, подобный разряду молнии, и оказывавшей физиологические действия при прикосновении рук к обкладкам банки. От названия города, где производились опыты, прибор, созданный Мушенбреком, был назван лейденской банкой.

Рисунок 2 - Лейденская банка. Параллельное соединение четырёх банок

Исследования ее свойств производились в различных странах и вызвали появление множества теорий, пытавшихся объяснить обнаруженное явление конденсации заряда. Одна из теорий этого явления была дана, выдающимся американским ученым и общественным деятелем Бенджамином Франклином, который указал на существование положительного и отрицательного электричества. С точки зрения этой теории Франклин объяснил процесс заряда и разряда лейденской банки и доказал, что ее обкладки можно произвольно электризовать разными по знаку электрическими зарядами.

Франклин, как и русские ученые М. В. Ломоносов и Г. Рихман, уделил немало внимания изучению атмосферного электричества, грозового разряда (молнии). Как известно, Рихман погиб, производя опыт по изучению молнии. В 1752 году Бенджамином Франклином изобретен молниеотвод. Молниеотвод (в быту также употребляется более благозвучное «громоотвод») — устройство, устанавливаемое на зданиях и сооружениях и служащее для защиты от удара молнии. Состоит из трёх связанных между собой частей:

В 1785 году Ш. Кулоном открыт основной закон электростатики. На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Сила взаимодействия неподвижных зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними- , :

В 1799 год Создан первый источник электрического тока — гальванический элемент и батарея элементов. Гальванический элемент (химический источник тока) - устройство, которое позволяет превращать энергию химической реакции в электрическую работу. По принципу работы различают первичные (разовые), вторичные (аккумуляторы) и топливные элементы. Гальванический элемент состоит из ионпроводящего электролита и двух разнородных электродов (полуэлементов), процессы окисления и восстановления в гальваническом элементе пространственно разделены. Положительный полюс гальванического элемента называется катодом , отрицательный - анодом . Электроны выходят из элемента через анод и движутся во внешней цепи к катоду .

Работы русских академиков Эпинуса, Крафта и других выявили целый ряд весьма важных свойств электрического заряда, но все они изучали электричество в состоянии неподвижном или мгновенный раз ряд его, то есть свойства статического электричества. Движение его проявлялось лишь в форме разряда. Об электрическом токе, то есть о непрерывном движении электричества, еще ничего не было известно.

Одним из первых глубоко исследовал свойства электрического тока в 1801 -1802 годах петербургский академик В. В. Петров. Работы этого выдающегося ученого, построившего самую крупную в мире в те годы батарею из 4200 медных и цинковых кружков, установили возможность практического использования электрического тока для нагрева проводников. Кроме того, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами слегка разведенных углей как в воздухе, так и в других газах и вакууме, получившее название электрической дуги. В. В. Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов и тем самым впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. С этого момента и должно начинать историю электротехники как самостоятельной отрасли техники.

Опыты с электрическим током привлекали внимание многих ученых разных стран. В 1802 году итальянский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. В конце 1819 года это явление было вновь наблюдаемо датским физиком Эрстедом, который в марте 1820 года опубликовал на латинском языке брошюру под заглавием "Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку". В этом сочинении "электрическим конфликтом" был назван электрический ток.

Едва лишь Араго продемонстрировал на заседании Парижской Академии наук опыт Эрстеда, как Ампер, повторив его, 18 сентября 1820 года, ровно через неделю, представил в академию сообщение о своих исследованиях. На следующем заседании, 25 сентября, Ампер докончил чтение доклада, в котором он изложил законы взаимодействия двух токов, протекающих по параллельно расположенным проводникам. С этого момента академия еженедельно слушала новые сообщения Ампера о его опытах, завершивших открытие и формулирование основных законов электродинамики.

Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления - электричество и магнетизм - одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория, встреченная современниками Ампера с большим недоверием, была весьма прогрессивной и сыграла огромную роль в правильном понимании открытых позднее явлений.

В 1827 году немецкий ученый Георг Ом открыл один из фундаментальных законов электричества, устанавливающий основные зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой протекает электрический ток, , ,

В 1847 году Кирхгоф сформулировал законы развертывания токов в сложных цепях , , , :

· Первый закон Кирхгофа

Применяется к узлам и формулируется следующим образом: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Знаки определяются в зависимости от того, направлен ток к узлу или от него (в любом случае произвольно).

· Второй закон Кирхгофа

Применяется к контурам: в любом контуре сумма напряжений на всех элементах и участках цепи, входящих в этот контур, равна нулю. Направление обхода каждого контура можно выбирать произвольно. Знаки определяются в зависимости от совпадения напряжений с направлением обхода.

Вторая формулировка: в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений на всех участках с сопротивлениями, входящих в этот контур, равно алгебраической сумме ЭДС.

· Обобщение законов Кирхгофа

Пусть У - количество узлов цепи, В - количество ветвей, К - число контуров .

Рисунок 3 - Линейная разветвленная электрическая цепь (У=3, В=5, K=6)

2. МАГНЕТИЗМ (МАГНИТЫ)

Магнетизм - это форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля .

Магнитное поле- это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела .

Постоянный магнит - изделие из магнитотвердого материала, автономный источник постоянного магнитного поля.
Магниты [греч. magnetis, от Magnetis Lithos, — камень из Магнесии (древний город в Малой Азии)] бывают естественные и искусственные. Естественным магнитом является кусок железной руды, обладающий способностью притягивать к себе находящиеся вблизи небольшие железные предметы.

Гигантскими естественными магнитами являются Земля и другие планеты (Магнитосфера) так как они обладают магнитным полем. Искусственные магниты представляют собой предметы и изделия, получившие магнитные свойства в результате контакта с естественным магнитом или намагниченные в магнитном поле. Постоянный магнит является искусственным магнитом.

В наиболее простых случаях постоянный магнит представляет собой тело (в виде подковы, полосы, шайбы, стержня и т. д.), прошедшее соответствующую термическую обработку и предварительно намагниченное до насыщения.

Рисунок 4 - Виды магнитов: а) подковообразный; б) полосовой; в) кольцевой

Постоянный магнит обычно входит как составная часть в магнитную систему, предназначенную для формирования магнитного поля. Напряженность магнитного поля, формируемого постоянным магнитом, может быть как постоянная, так и регулируемая.
Различные части постоянного магнита притягивают железные предметы по-разному. Концы магнита, где притяжение максимальное, называются полюсами магнита, а средняя часть, где притяжение практически отсутствует, называется нейтральной зоной магнита. Искусственные магниты в виде полосы или подковы всегда имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними. Можно намагнитить кусок стали таким образом, что он будет иметь 4, 6 и более полюсов, разделенных нейтральными зонами, при этом число полюсов всегда остается четным. Невозможно получить магнит с одним полюсом. Соотношение между размерами полюсных областей и нейтральной зоны магнита зависит от его формы.

Уединенный магнит в виде длинного и тонкого стержня называют магнитной стрелкой. Конец укрепленной на острие или подвешенной магнитной стрелки — простейший компас, указывает географический север Земли, и называется северным полюсом (N) магнита, противоположный полюс магнита, указывает на юг, и называется южным полюсом (S).
Области применения постоянных магнитов весьма разнообразны. Их применяют в электродвигателях, в автоматике, робототехнике, для магнитных муфт магнитных подшипников, в часовой промышленности, в бытовой технике, как автономные источники постоянного магнитного поля в электротехнике и радиотехнике.

Магнитные цепи, включающие постоянные магниты, должны быть разомкнутыми, т. е. иметь воздушный зазор. Если постоянный магнит изготовлен в виде кольцевого сердечника, то он практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри него. В этом случае магнитное поле вне сердечника практически отсутствует. Чтобы использовать магнитную энергию постоянных магнитов, нужно в замкнутом магнитопроводе создать воздушный зазор определенного размера-.

Когда постоянный магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например между полюсами подковообразного магнита, воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) постоянного магнита .

3. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Электромагнитное взаимодействие— одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-частица (из фермионов), а также заряженые калибровочные бозоны.

Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого и сильноговзаимодействия своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие.

Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов .

Электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Представляет собой взаимосвязан­ные переменные электрическое поле и магнитное поле. Взаимная связь электрического Е и магнитного Н полей заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появ­лению другого: переменное электрическое поле, порождаемое уско­ренно движущимися зарядами (источником), возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает в прилегающих к нему областях пространства переменное электрическое поле, и т. д. Таким образом, электромагнитное поле распространяется от точки к точке простран­ства в виде электромагнитных волн, бегущих от источника. Благодаря конечности скорости распространения электромагнитное поле может существовать автономно от породившего его источ­ника и не исчезает с устранением источника (например, радио­волны не исчезают с прекращением тока в излучившей их антенне).

Электромагнитное поле в вакууме описывается напряженностью электри­ческого поля Е и магнитной индукцией В. Электромагнитное поле в среде характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величина­ми: напряженностью магнитного поля Н и электрической индукцией D. Связь компонентов электромагнитного поля с зарядами и то­ками описывается уравнениями Максвелла.

Электромагнитные волны представляют собой электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конеч­ной скоростью, зависящей от свойств среды (рисунок 5).

Рисунок 5 - Электромагнитные волны

Существо­вание электромагнитных волн предсказано английским физиком М. Фарадеем в 1832 г. Другой английский ученый, Дж. Максвелл, в 1865 г. теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализован­ными в пространстве, а распространяются во все стороны от источника. Теория Максвелла позволила единым образом подойти к описанию радио­волн, оптического излучения, рентгеновского излучения, гамма-излучения. Оказалось, что все эти виды излуче­ния - электромагнитные волны с различной длиной волны λ, т. е. родственны по своей природе. Каждое из них имеет своё определён­ное место в единой шкале электромагнитных волн (рисунок 6).

Рисунок 6 - Шкала электромагнитных волн

Распространяясь в средах, электромагнитные волны, как и всякие другие волны, могут испытывать преломление и отражение на границе раздела сред, дисперсию, поглощение, интерференцию; при распространении в неоднородных средах наблюдаются дифракция волн, рассеяние волн и другие явления.

Электромагнитные волны различных диапазонов длин волн характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимо­действуют с веществом. Процессы излучения и поглощения электромагнитных волн от самых длинных до ИК излучения достаточно полно описываются соотношениями классической электро­динамики.

В диапазонах более коротких длин волн, в особен­ности в диапазонах рентгеновских и γ-лучей, доминируют процессы, имеющие квантовую природу, и могут быть описаны только в рамках квантовой электроди­намики на основе представлении о дискретности этих процессов.

Электромагнитные волны широко используются в радиосвязи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, физике, астрономии и др. областях науки и техники .

Открытия Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея и побудили его заняться всем кругом вопросов о превращении электрической и магнитной энергии в механическую. В 1821 году он нашел еще одно решение поставленной задачи превращения электрической и магнитной энергии в механическую и продемонстрировал свой прибор, в котором он получал явление непрерывного электромагнитного вращения. В тот же день Фарадей записал в свой рабочий дневник обратную задачу: "Превратить магнетизм в электричество". Более десяти лет потребовалось, чтобы решить ее и найти способ получения электрической энергии из магнитной и механической. Лишь в конце 1831 года Фарадей сообщил об открытии им явления, названного затем электромагнитной индукцией и составляющего основу всей современной электроэнергетики-.

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Исследование Фарадея и работы русского академика Э. X. Ленца, сформулировавшего закон, по которому можно было определить направление электрического тока, возникающего в результате электромагнитной индукции, дали возможность создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Вначале электрогенераторы и электродвигатели развивались независимо друг от друга, как две совершенно разные машины. Первый изобретатель электрического генератора, основанного на принципе электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования доклада Фарадея в Королевском обществе, в котором было изложено открытие электромагнитной индукции, ученый нашел в своем почтовом ящике письмо, подписанное инициалами Р. М. Оно содержало описание первого в мире синхронного генератора и приложенный к нему чертеж. Фарадей, внимательно разобравшись в этом проекте, направил письмо Р. М. и чертеж в тот же журнал, в котором был в свое время помещен его доклад, надеясь, что неизвестный изобретатель, следя за журналом, увидит опубликованным не только свой проект, но и сопровождающее его письмо Фарадея, исключительно высоко оценивающее изобретение Р. М- , , .

Действительно, спустя почти полгода Р. М. прислал в редакцию журнала дополнительные разъяснения и описание предложенной им конструкции электрогенератора, но и на этот раз пожелал остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым под инициалами, и человечество до сих пор, несмотря на тщательные розыски историков электротехники, остается в неведении, кому же оно обязано одним из важнейших изобретений. Машина Р. М. не имела устройства для выпрямления тока и была первым генератором переменного тока. Но этот ток, казалось, не мог быть использован для дугового освещения, электролиза, телеграфа, уже прочно вошедших в жизнь. Необходимо было, по мысли конструкторов того времени, создать машину, в которой можно было бы получать ток постоянным по направлению и величине.

Почти одновременно с Р. М. конструированием генераторов занимались братья Пикси и профессор физики Лондонского университета и член Королевского общества В. Риччи. Созданные ими машины имели специальное устройство для выпрямления переменного тока в постоянный - так называемый коллектор. Дальнейшее развитие конструкций генератора постоянного тока шло необычайно быстрыми темпами. Менее чем за сорок лет динамо-машина приобрела почти полностью форму современного генератора постоянного тока. Правда, обмотка этих динамо-машин была распределена по окружности неравномерно, что ухудшало работу таких генераторов - напряжение в них то возрастало, то снижалось, вызывая неприятные толчки.

В 1870 году Зенобей Грамм предложил особую, так называемую кольцевую обмотку якоря динамо-машины. Равномерное распределение обмотки якоря давало возможность получать совершенно равномерное напряжение в генераторе и такое же вращение двигателя, что значительно улучшило свойства электрических машин. По существу, изобретение это повторяло то, что было уже создано и описано в 1860 году итальянским физиком Пачинноти, но прошло незамеченным и осталось неизвестным 3. Грамму. Машины с кольцевым якорем получили особенно большое распространение после того, как на Венской всемирной выставке в 1873 году была обнаружена обратимость электрических машин Грамма: одна и та же машина при вращении якоря давала электрический ток, при протекании тока через якорь вращалась и могла быть использована в качестве электродвигателя.

С этого времени начинается быстрый рост применения электродвигателей и все расширяющееся потребление электроэнергии, чему немало способствовало изобретение П. Н. Яблочковым способа освещения с помощью так называемой "свечи Яблочкова" - дуговой электролампы с параллельным расположением углей.

Простота и удобство "свечей Яблочкова", заменивших дорогие, сложные и громоздкие дуговые фонари с регуляторами для непрерывного сближения сгорающих углей, вызвали их повсеместное распространение, и вскоре "свет Яблочкова", "русский" или "северный" свет, освещал бульвары Парижа, набережные Темзы, проспекты столицы России и даже древние города Камбоджи. Это было подлинным триумфом русского- изобретателя.

Но для питания этих свечей электроэнергией потребовалось создание особых электрогенераторов, дающих не постоянный, а переменный ток, то есть ток, хотя бы и не часто, но непрерывно меняющий свою величину и направление. Это было необходимо потому, что угли, соединенные с разными полюсами генератора постоянного тока, сгорали неравномерно - анод, подключенный к положительному, сгорал вдвое быстрее катода. Переменный ток попеременно превращал анод в катод и тем самым обеспечивал равномерное сгорание углей. Специально для питания "свечей Яблочкова" и был создан самим П. Н. Яблочковым, а затем усовершенствован французскими инженерами Лонтеном и Граммом генератор переменного тока. Однако о двигателе переменного тока еще не возникало и мысли.

Вместе с тем для раздельного питания отдельных свечей от генератора переменного тока изобретателем был создан особый прибор - индукционная катушка (трансформатор), позволявший изменять напряжение тока в любом ответвлении цепи в соответствии с числом подключенных свечей. Вскоре растущие потребности в электроэнергии и возможности получения ее в больших количествах вступили в противоречие с ограниченными возможностями передачи ее на расстояние. Применявшееся в то время низкое напряжение (100-120 вольт) постоянного тока и передача его по проводам сравнительно небольшого сечения вызывали огромные потери в линиях передачи. С конца 70-х годов прошлого столетия основной проблемой, от успешного решения которой зависело все будущее электротехники, стала проблема передачи электроэнергии на значительные расстояния без больших потерь.

Первое теоретическое обоснование возможности передачи любых количеств электроэнергии на любые расстояния по проводам сравнительно небольшого диаметра без значительных потерь путем повышения напряжения было дано профессором физики Петербургского лесного института Д. А. Лачиновым в июле 1880 года. Вслед за этим французский физик и электротехник Марсель Депре в 1882 году на Мюнхенской электротехнической выставке осуществил передачу электроэнергии в несколько лошадиных сил на расстояние 57 километров с коэффициентом полезного действия в 38 процентов.

Позднее Депре произвел еще ряд опытов, осуществив передачу электроэнергии на расстояние в сотню километров и доведя мощность передачи до нескольких сот киловатт. Дальнейшее увеличение расстояния требовало значительного повышения напряжения. Депре довел его до 6 тысяч вольт и убедился, что изоляция пластин в коллекторе генераторов и электродвигателей постоянного тока не позволяет достигнуть более высокого напряжения.

Несмотря на все эти трудности, в начале 80-х годов развитие промышленности и концентрация производства все более и более настоятельно требовали создания нового двигателя, более совершенного, чем широко распространенная паровая машина. Уже было ясно, что электростанции выгодно строить вблизи месторождений угля или на реках с большим падением воды, в то время как фабрики возводить поближе к источникам сырья. Это зачастую требовало передачи огромных количеств электроэнергии к объектам ее потребления на значительные расстояния. Такая передача была бы целесообразна лишь при применении напряжения в десятки тысяч вольт. Но получить такое напряжение в генераторах постоянного тока было невозможно. На помощь пришли переменный ток и трансформатор: пользуясь ими, стали производить переменный ток низкого напряжения, затем повышать его до любой требуемой величины, передавать на расстояние высоким напряжением, а на месте потребления снова снижать до требуемого и использовать в токоприемниках.

Еще не существовало электродвигателей переменного тока. Ведь уже в начале 80-х годов электроэнергия потреблялась главным образом для силовых нужд. Электродвигатели постоянного тока для привода самых различных машин применялись все чаще и чаще. Создать электродвигатель, который мог бы работать на переменном токе, стало основной задачей электротехники. В поисках новых путей всегда необходимо оглянуться назад. Не было ли в истории электротехники чего-либо такого, что могло бы подсказать путь к созданию электродвигателя переменного тока? Поиски в прошлом увенчались успехом. Вспомнили: еще в 1824 году Араго демонстрировал опыт, положивший начало множеству плодотворных исследований. Речь идет о демонстрации "магнетизма вращения". Медный (не магнитный) диск увлекался вращающимся магнитом.

Возникла идея, нельзя ли, заменив диск витками обмотки, а вращающийся магнит вращающимся магнитным полем, создать электродвигатель переменного тока? Наверное, можно, но как получить вращение магнитного поля?

В эти годы было предложено много различных способов применения переменного тока. Добросовестный историк электротехники должен будет назвать имена различных физиков и инженеров, пытавшихся в середине 80-х годов создать электродвигатели переменного тока. Он не забудет напомнить об опытах Бейли (1879 г.), Марселя Депре (1883 г), Бредли (1887 г.), о работах Венстрома, Хазельвандера и многих других. Предложения, несомненно, были очень интересны, но ни одно из них не могло удовлетворить промышленность: электродвигатели их были либо громоздки и неэкономичны, либо сложны и ненадежны. Не был еще найден сам принцип постройки простых экономичных и надежных электродвигателей переменного тока.

Именно в этот период и начал, как мы уже знаем, поиски решения этой задачи Никола Тесла. Он шел своим путем, путем размышлений над сущностью опыта Араго, и предложил коренное решение возникшей проблемы, сразу же оказавшееся приемлемым для практических целей. Еще в Будапеште весной 1882 года Тесла ясно представил себе, что если каким-либо образом осуществить питание обмоток магнитных полюсов электродвигателя двумя различными переменными токами, отличающимися друг от друга лишь сдвигом по фазе, то чередование этих токов вызовет переменное образование северного и южного полюсов или вращение магнитного поля. Вращающееся магнитное поле должно увлечь и обмотку ротора машины.

Построив специальный источник двухфазного тока (двухфазный генератор) и такой же двухфазный электродвигатель, Тесла осуществил свою идею. И хотя конструктивно его машины были весьма несовершенны, принцип вращающегося магнитного поля, примененный в первых же моделях Теслы, оказался правильным.

Рассмотрев все возможные случаи сдвига фаз, Тесла остановился на сдвиге в 90°, то есть на двухфазном токе. Это было вполне логично - прежде чем создавать электродвигатели с большим числом фаз, следовало начать с тока двухфазного. Но можно было бы применить и другой сдвиг фаз: на 120° (трехфазный ток). Не проанализировав теоретически и не осмыслив все возможные случаи, даже не сравнив их между собой (вот в чем большая ошибка Теслы), он все свое внимание сосредоточил на двухфазном токе, создав двухфазные генераторы и электродвигатели и лишь мельком упомянул в своих патентных заявках о многофазных токах и возможности их применения.

Но Тесла не был единственным ученым, вспомнившим об опыте Араго и нашедшим решение важной проблемы. В те же годы исследованиями в области переменных токов занимался итальянский физик Галилео Феррарис, представитель Италии на многих международных конгрессах электриков (1881 и 1882 годы в Париже, 1883 год в Вене и другие). Подготавливая лекции по оптике, он пришел к мысли о возможности постановки опыта, демонстрирующего свойства световых волн. Для этого Феррарис укрепил на тонкой нити медный цилиндр, на который действовали два магнитных поля, сдвинутых под углом в 90°. При включении тока в катушки, попеременно создающие магнитные поля то в одной, то в другой из них, цилиндр под действием этих полей поворачивался и закручивал нить, в результате чего поднимался на некоторую величину вверх. Устройство это прекрасно моделировало явление, известное под названием поляризации света.

Феррарис и не предполагал использовать свою модель для каких-либо электротехнических целей. Это был всего лишь лекционный прибор, остроумие которого заключалось в умелом применении электродинамического явления для демонстраций в области оптики.

Феррарис не ограничился этой моделью. Во второй, более совершенной модели ему удалось достигнуть вращения цилиндра со скоростью до 900 оборотов в минуту. Но за определенными пределами, как бы ни увеличивалась в цепи сила тока, создававшего магнитные поля (другими словами, как бы ни увеличивалась затрачиваемая мощность), достигнуть увеличения числа оборотов не удавалось. Подсчеты показали, что мощность второй модели не превышала 3 ватт.

Несомненно, Феррарис, будучи не только оптиком, но и электриком, не мог не понимать значения произведенных им опытов. Однако ему, по собственному его признанию, и в голову не приходило применить этот принцип к созданию электродвигателя переменного тока. Самое большое, что он предполагал, это использовать его для измерения силы тока, и даже начал конструировать такой прибор.

18 марта 1888 года в Туринской Академии наук Феррарис сделал доклад "Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов". В нем он рассказал о своих опытах и пытался доказать, что получение в таком приборе коэффициента полезного действия свыше 50 процентов невозможно. Феррарис был искренне убежден, что, доказав нецелесообразность использования переменных магнитных полей для практических целей, он оказывает науке большую услугу. Доклад Феррариса опередил сообщение Николы Теслы в Американском институте электроинженеров. Но заявка, поданная для получения патента еще в октябре 1887 года, свидетельствует о несомненном приоритете Теслы перед Феррарисом. Что же касается публикации, то статья Феррариса, доступная для чтения всем электрикам мира, была опубликована лишь в июне 1888 года, то есть после широко известного доклада Теслы.

На утверждение Феррариса, что работы по изучению вращающегося магнитного поля начаты им в 1885 году, Тесла имел все основания возразить, что он занимался этой проблемой еще в Граце, решение ее нашел в 1882 году, а в 1884 году в Страсбурге демонстрировал действующую модель своего двигателя Но, конечно, дело не только в приоритете. Несомненно, оба ученых сделали одно и то же открытие независимо друг от друга: Феррарис не мог знать о патентной заявке Теслы, так же как и последний не мог знать о работах итальянского физика.

Гораздо важнее то, что Г. Феррарис, открыв явление вращающегося магнитного поля и построив свою модель мощностью в 3 ватта, и не думал об их практическом использовании. Более того: если бы ошибочный вывод Феррариса о нецелесообразности применения переменных многофазных токов был принят, то человечество еще несколько лет было бы направлено по ложному пути и лишено возможности широкого использования электроэнергии в самых различных отраслях производства и быта. Заслуга Николы Теслы и заключается в том, что, несмотря на множество препятствий и скептическое отношение к переменному току, он практически доказал целесообразность применения многофазного тока. Созданные им первые двигатели двухфазного тока, хотя и имели ряд недостатков, привлекли внимание электротехников всего мира и возбудили интерес к его предложениям.

Однако статья Галилео Феррариса в журнале "Атти ди Турино" сыграла огромную роль в развитии электротехники. Ее перепечатал один крупный английский журнал, и номер с этой статьей попал в руки другого ученого, теперь заслуженно признанного создателем современной электротехники трехфазного тока.

5. ТРАНСФОРМАТОР ТЕСЛА

Известны различными по конструкции трансформаторы Тесла от простейших с разрядником до современных схем с задающими высокочастотными генераторами для его первичной обмотки, выполненных как на полупроводниковых так и на ламповых схемах.

Схема простейшего трансформатора Тесла:

В элементарной форме трансформатор Теслы состоит из двух катушек, первичной и вторичной, и обвязки, состоящей из разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора, тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как “выход”).

Рисунок 7 - Простейшая схема трансформатора Тесла

Рисунок 8 - Трансформатор Тесла в действии

Первичная катушка построена из 5—30 (для VTTC — катушки Теслы на лампе — число витков может достигать 60) витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная из многих витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от многих других трансформаторов, здесь нет никакого ферромагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у обычных трансформаторов с ферромагнитным сердечником. У данного трансформатора также практически отсутствует магнитный гистерезис, явления задержки изменения магнитной индукции относительно изменения тока и другие недостатки, вносимые присутствием в поле трансформатора ферромагнетика.

Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник (искровой промежуток). Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый; выполненный обычно из массивных электродов (иногда с радиаторами), что сделано для большей износостойкости при протекании больших токов через электрическую дугу между ними.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора выполняет ёмкостная связь между тороидом, оконечным устройством, витками самой катушки и другими электропроводящими элементами контура с Землей. Оконечное устройство (терминал) может быть выполнено в виде диска, заточенного штыря или сферы. Терминал предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины. Геометрия и взаимное положение частей трансформатора Теслы сильно влияет на его работоспособность, что аналогично проблематике проектирования любых высоковольтных и высокочастотных устройств .

ВЫВОД

Ставшие привычными в нашей повседневной жизни вещи, использующие электроэнергию, являются плодами научной и технической мысли многих поколений ученых. Часто понимание практической ценности и значимости открытых явлений приходило с запозданием или приходило со следующим поколением ученых.

Однако, нельзя не отметить, что именно развитие электротехники, способствовало ускорению технического прогресса. Создание и развитие электрических машин постоянного и переменного тока позволило проектировать гибкие системы управления, что не могло быть реализуемо на двигателях, использующих энергию газа и жидкости. Развитие микропроцессорной техники позволило создавать мощные компьютеры, участвующие в экспериментах физиков-теоретиков, открывающих тайны мироздания (БАК в Церне).

По моему глубокому убеждению, в области электротехники осталось еще не мало загадок, тайн и великих открытий.

Назад Обновлено: 31.03.2019 09:28

You have no rights to post comments