Электричество: принцип работы и явления¶

Электричество — совокупность явлений, обусловленных существованием и движением электрических зарядов, а также физическая величина, характеризующая количество этого заряда. Термин происходит от греческого слова «электрон» — янтарь, поскольку древние греки заметили, что янтарь, натёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы. Электрические явления лежат в основе работы большинства современных устройств, систем передачи энергии и природных процессов.

¶Электрический заряд и его свойства

Электричество основано на существовании фундаментального свойства материи — электрического заряда. Заряды бывают положительные и отрицательные. Протоны несут положительный заряд, электроны — отрицательный. В обычном нейтральном веществе количество протонов и электронов совпадает, поэтому макроскопные тела заряда не проявляют.

Основные свойства зарядов:

• Закон сохранения заряда. Электрический заряд не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть. Он лишь перераспределяется между телами.
• Закон Кулона. Сила взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
• Квантование заряда. Электрический заряд принимает только дискретные значения, кратные заряду электрона (1,602 × 10⁻¹⁹ Кл).

При трении двух тел электроны переходят от одного материала к другому, и тела приобретают заряды противоположного знака. При контакте заряженного тела с землёй заряд стекает — это явление называется заземлением.

¶Электрический ток

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. В металлах ток создают свободные электроны, в электролитах — ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, в газах — ионы и электроны.

Сила тока измеряется в амперах (А) и определяется по формуле I = q/t, где q — прошедший через сечение проводника заряд, а t — время. Направление тока принято считать от плюса к минусу (условное направление), хотя фактически в металлах движутся электроны от минуса к плюсу.

Для существования тока необходимы три условия: наличие свободных носителей заряда, электрическое поле (разность потенциалов) и замкнутая цепь.

¶Электрическое поле и напряжение

Электрическое поле — особый вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между заряженными телами. Оно создаётся любым неподвижным зарядом и распространяется в пространстве со скоростью света.

Напряжение (разность потенциалов) — работа электрического поля по переносу единичного заряда из одной точки в другую. Измеряется в вольтах (В). Именно напряжение «толкает» электроны по проводнику, аналогично тому, как перепад давления заставляет течь воду по трубе.

¶Электрическое сопротивление

Сопротивление — свойство материала препятствовать прохождению тока. Измеряется в омах (Ω). Сопротивление проводника зависит от материала, длины, площади сечения и температуры: R = ρL/S, где ρ — удельное сопротивление, L — длина, S — площадь сечения.

При прохождении тока проводник нагревается — это явление называется джоулевым нагревом. Оно лежит в основе работы ламп накаливания, электроплит и нагревателей, но в линиях электропередачи является источником потерь.

¶Электромагнетизм

Электричество и магнетизм тесно связаны. Проводник с током создаёт магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле наводит электрический ток (закон электромагнитной индукции М. Фарадея, 1831). Эти явления объединены в теорию электромагнетизма, сформулированную Дж. К. Максвеллом в XIX веке.

Электромагнитная индукция является принципом работы генераторов и трансформаторов. В генераторе механическая энергия (от турбины, ветряка, воды) преобразуется в электрическую за счёт вращения катушки в магнитном поле.

¶Генерация и передача электроэнергии

Современные электростанции работают по единому принципу: вращение ротора генератора в магнитном поле создаёт переменный ток. Источником вращения может служить:

• водяная турбина (ГЭС);
• паровая турбина на ТЭС и АЭС (пар образуется за счёт сжигания топлива или ядерной реакции);
• газовая турбина;
• ветряное колесо.

Переменный ток удобен для передачи на большие расстояния, поскольку его напряжение легко повышать и понижать с помощью трансформаторов. Повышенное напряжение снижает потери в линиях электропередачи. В России стандартное напряжение в розетке — 220 В при частоте 50 Гц.

¶Электричество в природе и повседневной жизни

Электрические явления повсеместны в природе. Молния — разряд между заряженными облаками или между облаком и землёй, при котором ток достигает десятков тысяч ампер. Биологические организмы используют электрические сигналы для передачи информации: нервные импульсы представляют собой изменения мембранного потенциала клеток. Электрические скаты и угорь генерируют разряды для охоты и защиты.

В быту электричество применяется для освещения, обогрева, приготовления пищи, работы электроники и связи. В промышленности оно питает станки, двигатели, электролизные производства (получение алюминия, хлора), освещение и системы автоматизации.

¶История изучения

Систематическое изучение электрических явлений началось в XVII–XVIII веках. В 1600 году У. Гилберт опубликовал трактат о магните, в котором описал электризацию трением. В 1745 году изобретён лейденский сосуд — первый конденсатор. В 1785 году Ш. О. Кулон экспериментально установил закон взаимодействия зарядов. В 1800 году А. Вольта создал первое гальваническое элемент — источник постоянного тока. В 1820 году Х. К. Эрстед обнаружил магнитное действие тока, в 1831 году М. Фарадей открыл электромагнитную индукцию. В 1880-е годы Н. Тесла и Дж. Вестингауз реализовали системы переменного тока, вытеснившие постоянный ток в распределительных сетях.

История электричества, Электромагнетизм, Электрический ток, Электрический заряд, Генератор электрического тока, Молния