Что такое электричество?

Давным-давно люди стали замечать явления, причиной которых является электрическая энергия. Но то, что знает сегодня детсадовский малыш, пришлось выяснять в течение многих столетий и даже тысячелетий. Вопросы: “кто изобрел электричество” или “кто придумал электричество” имеют так много ответов, что они не поместятся даже на целую книжную полку. Понятие электричества раскладывается на многие составляющие: сила, электрическое поле, магнитное поле, заряд, движение зарядов, ток, электрон, ионы, электромагнитная индукция, каждая из которых, в свою очередь, потребует подробных объяснений.

В природе и не только

Электрическая энергия в природе проявляет себя молниями во время грозы, треском сухой одежды, появлением ржавчины на металлах, и даже магнитными явлениями. Даже солнечный свет, или свет обычной свечки, это тоже природное электрическое явление. Человека, узнавшего об этом первым, звали Джеймс Максвелл.

Это великий английский физик (шотландец по происхождению), который составил и решил (опубликовано в 1873 году) дифференциальные уравнения, из которых следовали удивительные выводы. Оказалось, что в число этих решений входят все известные к тому времени законы об электричестве и магнетизме и обычный свет является электромагнитным явлением.

Электрическая энергия – это настолько вездесущая вещь, что почти все свойства окружающего нас мира и мы сами являемся проявлениями этих феноменов как устройства электронных оболочек атомов и молекул всех веществ. На долю остального приходится только масса, механическая инерция и такая экзотическая вещь, как ядерная энергия, да и то только в очень небольших аспектах, а все остальное и здесь приходится на долю электричества.

Кто был первым?

Нельзя спрашивать, “когда появилось электричество”, оно было всегда. Нельзя говорить: “изобретение электричества”, это не утюг, но можно говорить “история электричества”. Она, известная нам, по крайней мере, начинается с Древней Греции, когда философы пытались объяснить поведение наэлектризованных предметов и обсуждали камни, которые могут притягивать железо. Не исключено, что электрические явления были знакомы и целенаправленно использовались еще жрецами Древнего Египта, но из-за страшной секретности египетских “НИИ”, находившихся в храмах, до нас дошли только обрывки папирусов со словами “Замкни свои уста.” “Огради свои уста.” и тому подобное.

Атмосферные электрические разряды вообще из-за своих масштабов и красоты, а также из-за того, что было грозным явлением, жертвой которого иногда становились животные и люди, служило совершенно явным доказательством (по меркам тех времен) существования богов или одного бога, это зависело от местных особенностей. Считалось, что боги таким образом проявляют недовольство и наказывают людей за их преступления против законов, которые установили боги. Открытие электричества, то есть, в некоторой степени, освобождение его из рук богов, пришло тогда, когда начались опыты с электричеством.

Это произошло уже в христианской Европе начиная с 1600 года, когда Уильям Джилберт провел опыты с магнитами и наэлектризованными телами. Опыты с электричеством продолжались в течение двух последующих столетий, за это время было накоплено множество различных фактов о нем, которые дали материал для теоретиков.

До того как получить электричество хотя бы в лабораторных условиях, ученым и изобретателям пришлось много размышлять о том, что представляет собой природа электричества, как работает электричество, на основе того, как возникает электричество в природе. Сначала эти опыты носили исключительно качественный характер. Измерять было нечего, так как электрические явления не были связаны с уже известными мерами и величинами.

Великие имена

В 1785-1789 годах француз Шарль Огюстен де Кулон превратил электроэнергию в точную науку. Его опыты с электричеством заключались в изобретении специальных точных весов, с помощью которых он оценил силы электрического взаимодействия заряженных предметов и открыл свой знаменитый закон.

Вслед за ним, и вплоть до Максвелла было сделано еще немало великих открытий: Майкл Фарадей, Анри Ампер, Георг Ом, Густав Кирхгоф, Алессандро Вольта, Луиджи Гальвани – эти имена знает каждый школьник, который любит физику. В честь некоторых из этих ученых названы важнейшие единицы измерения и промышленные технологии: кулон, фарад, ом, вольт, ампер, гальваника.

Хотя Кирхгофу “не повезло” с названиями, но именно по его двум законам: о сумме токов в узле и напряжении в контуре, рассчитываются электрические цепи немыслимой сложности, при помощи специальных программ-симуляторов.

Крахмальное напряжение

Основы электричества (электростатика, электродинамика) преподаются на уроках физики. В школах на уроках проводят эксперименты с электричеством, которые каждый учащийся может повторить своими руками. Например, стал модным опыт получать электричество из картошки. Для этого берут несколько картофелин, втыкают в них медные проволоки и оцинкованные гвозди. Затем последовательно соединяют несколько таких “элементов” и измеряют получившееся напряжение. Еще более впечатляет, если удается зажечь от такой батареи светодиод. Разность потенциалов возникает в картофелине между разными металлами за счет их контакта с электролитом – растворами солей в картофельном соке. Это не единственный способ как сделать электричество своими руками, но один из самых безопасных.

Наши дни

Чтобы объяснить школьникам, как электричество попадает в дом, составителям учебников и учителям приходится немало потрудиться, поскольку получение электроэнергии связано с тем, что приходится создавать целые отрасли промышленности. Приходится также объяснять, чем неудобно использование электричества: необходимость тянуть линии передач, работать с высоким и опасным напряжением и в какой-то степени загрязнять окружающую среду.

В наши дни применение электричества насчитывает десятки тысяч случаев, во всех сферах деятельности людей. Основное применение электричества – нагрев, в промышленности или быту. На втором месте механическая энергия, электропривод в промышленности. На третьем месте освещение и на четвертом – телекоммуникации и вычислительная техника (хотя в наше время она начинает уже обгонять освещение). Получение электричества по технологиям нашей эпохи также требует механической энергии.

Доля света (фотоэлементы солнечные панели), тепла (термоэлементы) или химических видов энергии (гальванические батареи) очень несущественна в общем производстве. Промышленная электроэнергия производится на электростанциях и распределяется на переменном токе, благодаря очень удачному виду электрических машин – трансформаторам. На большие расстояния выгодно передавать электроэнергию при очень высоком напряжении. По мере близости к конечному потребителю делается несколько ступеней понижения с помощью трансформаторов. На каждом этапе измеряются активная и реактивная мощности, чтобы составить баланс электросети и оценить ее экономическую эффективность.