Электричество — физическое явление¶
Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрически заряженных частиц, прежде всего электронов и ионов. Термин происходит от греческого слова «электрон» (ἤλεκτρον) — янтарь, поскольку древние греки заметили, что натёртый янтарь притягивает лёгкие предметы. В современной физике электричество рассматривается как проявление электромагнитного взаимодействия — одного из четырёх фундаментальных взаимодействий природы.
¶Основные понятия
Электрические явления описываются рядом ключевых величин:
| Величина | Обозначение | Единица СИ |
|---|---|---|
| Электрический заряд | q | кулон (Кл) |
| Сила тока | I | ампер (А) |
| Напряжение | U | вольт (В) |
| Электрическое сопротивление | R | ом (Ом) |
| Мощность | P | ватт (Вт) |
Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая свойство частиц создавать электромагнитное поле и участвовать в электромагнитном взаимодействии. Заряд бывает положительным и отрицательным; заряды одного знака отталкиваются, разноимённые — притягиваются. Элементарный заряд равен заряду электрона и составляет около 1,6 × 10⁻¹⁹ Кл. Заряд квантуем: он принимает только дискретные значения, кратные элементарному заряду.
¶История изучения
Научное изучение электричества началось в XVII веке. В 1600 году английский естествоиспытатель Уильям Гилберт в трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» ввёл термин «электричество» и описал притяжение натёртых тел. В 1663 году Отто фон Герике создал первый электростатический генератор — серный шар, который при вращении и трении приобретал заряд.
В XVIII веке были сделаны ключевые открытия. Бенджамин Франклин в 1752 году доказал электрическую природу молнии и предложил термины «положительный» и «отрицательный» заряд. В 1785 году французский физик Шарль Кулон экспериментально установил закон взаимодействия заряженных тел, названный его именем.
В XIX веке электричество превратилось из предмета лабораторных опытов в основу промышленной технологии. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил воздействие электрического тока на магнитную стрелку. В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, что позволило создать электрические генераторы. В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл сформулировал теорию электромагнитного поля, объединив электричество и магнетизм в единую теорию. В 1897 году Джозеф Томпсон открыл электрон.
¶Виды электричества
¶Электростатика
Электростатика изучает взаимодействие неподвижных заряженных тел и электрическое поле, создаваемое ими. Ключевые закономерности — закон Кулона и теорема Гаусса. Электростатические явления проявляются, например, при накоплении заряда на изоляторах, в работе копирующих машин и электрофорных машин.
¶Электродинамика
Электродинамика рассматривает электрические явления при движении зарядов — электрический ток. Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах ток создаётся электронами, в электролитах — ионами, в полупроводниках — электронами и дырками. Закон Ома связывает силу тока, напряжение и сопротивление: I = U / R.
¶Электромагнетизм
Электрический ток всегда сопровождается магнитным полем, а изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле. Эти явления лежат в основе работы электродвигателей, трансформаторов и генераторов.
¶Электричество в природе и технике
В природе электрические явления повсеместны. Молния — разряд мощного электрического поля в атмосфере, при котором ток достигает десятков тысяч ампер. Биологические организмы используют электрические сигналы для передачи информации: нервные импульсы представляют собой изменение мембранного потенциала клеток. Электрические органы имеют рыбы-электрики, например электрический угорь.
В технике электричество является основным источником энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях — гидро-, тепло-, атомных и возобновляемых — и передаётся по линиям электропередачи. В России крупнейшими объектами являются Красноярская ГЭС, Братская ГЭС, Ленинградская АЭС и Нововоронежская АЭС. Единая энергосистема России объединяет генерирующие и распределительные объекты восточнее Урала и западнее Урала.
¶Электричество и безопасность
Электрический ток опасен для человека. Порог ощущения переменного тока составляет около 0,6–1 мА, болевой порог — 10–15 мА, а ток свыше 50–100 мА может вызвать фибрилляцию сердца и смерть. Напряжение выше 36 В в сырых помещениях и 12 В в особо опасных условиях считается опасным для жизни. Меры безопасности включают заземление, зануление, применение предохранителей и автоматических выключателей.
¶Интересные факты
- Человеческий организм генерирует электрические сигналы: сердце создаёт потенциал, регистрируемый электрокардиографом, а мозг — электроэнцефалограммой.
- Молния нагревает воздух до температуры около 30 000 °C, что в несколько раз превышает температуру поверхности Солнца.
- Первую в мире действующую электростанцию построил Томас Эдисон в 1882 году в Нью-Йорке; в России первая электростанция была пущена в 1886 году в Санкт-Петербурге на заводе «Сименс и Гальске».
¶Источники
- Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций / А. В. Перышкин. — М.: Просвещение.
- Савельев И. В. Курс общей физики. Том 2. Электричество. — М.: Физматлит.
- Трофимова Т. И. Курс физики. — М.: Высшая школа.
- Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. — М.: Наука.
- Гильберт У. О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле. — 1600.