Кто изобрел электричество первым: значение для человечества, сколько лет назад научились использовать

Ответ на вопрос, кто изобрел электричество, требует анализа опытов и открытий, совершенных в отрасли. В поисках объяснения явления, которое представляет собой поток заряженных частиц, ученые объединили разные направления исследований. Роль основателя науки об электричестве история уделяет Бенджамину Франклину, который экспериментально подтвердил электрическую природу атмосферных разрядов. Есть и немало других фамилий ученых, в т.ч. начинающих, внесших большой вклад в развитие науки об электричестве.

История возникновения

Много лет назад люди наблюдали за природными явлениями, имеющими электрическую природу. В 600 г. до н.э. в Греции экспериментально установили, что потертая шерстью окаменелая смола притягивает предметы.

В 30-е гг. ХХ веке археологи нашли горшки, внутри которых находились медные листы. Эти своеобразные батареи для освещения были обнаружены в Багдаде, что дает основания предположить, что разработка принадлежит древним персам.

В 1600 году слово electricus использовалось Уильямом Гилбертом для описания статической энергии, возникающей при механическом взаимодействии веществ. Томас Браун в ряде исследовательских трудов использовал категорию «электричество» («янтарность»). С этого времени началась эра экспериментов с целью разгадки природы явления. Дата каждого из них вписана в историю.

В 17 в. был изобретен генератор, классифицированы изоляторы и проводники, разграничены частицы с зарядами «+» / «-». С XVIII в. и до сих пор человечество продуцирует, генерирует и потребляет электричество.

Период ранних открытий подготовил базис для развития науки, проведения исследований, разработки оборудования для транспортирования электричества.

Гром и молния

Грозы обычно происходят летом в жаркую погоду; когда горячий воздух, стекающий с поверхности земли, насыщен влагой, они поднимаются. Когда капли воды и кристаллы льда вращаются в воздушных потоках грозовых облаков, они заряжаются электричеством. Крошечные, положительно заряженные кристаллы льда движутся вверх, а отрицательно заряженные градиенты собираются на дне облака.

Подобно тому, как мелкие объекты притягиваются электростатической индукцией от заряженной лески, заряженное облако притягивается к земле. Отрицательный заряд на нижней стороне облака притягивается положительным зарядом на землю, а между ними образуется сильная искра (молния). Грозовой разряд нагревает воздух и вызывает его расширение, сопровождаемое громовым звуком. Звук движется по воздуху гораздо медленнее, чем свет, поэтому сначала мы видим молнию, а затем слышим гром.

Когда возникает трение, металлы не только легко электризуются, но и очень хорошо проводят электричество. Поэтому, когда металлический предмет находится в руках человека, заряд проходит через человеческое тело. Электричество, вырабатываемое трением, чаще встречается в материалах, которые являются плохими проводниками, таких как стекло, резина, пластик, смола, эти материалы называются изоляторами. Поскольку через них не передается электричество, их называют статическим электричеством. Фарадей также называл это «обычным» электричеством, но в настоящее время мы везде используем электрический (движущийся) ток. Так что теперь это скорее «обычная» вещь.

Если у вас резиновая или пластиковая подошва и вы ходили по ковру, вы почувствуете легкий удар электрическим током при прикосновении к металлической дверной ручке. Это означает, что ваше тело успело зарядиться электричеством, когда вы натираете подошвы ног об ковер,

Иногда человека поражает электрический ток, когда он выходит из машины и закрывает дверь. Скорее всего, он носит одежду из шерсти или хлопка, которую ударило током синтетическое сиденье автомобиля. Если он также имеет резиновую или синтетическую подошву, обладающую изоляционным эффектом, то заряд может выйти только в том случае, если он коснется металлической ручки. Чтобы избежать этого, вы можете попробовать прикоснуться к чемунибудь металлическому внутри автомобиля перед отъездом. Тогда заряд будет снижен, и неприятных эффектов не будет,

Этапы создания электрической теории

Развитию электромагнетизма способствовали опыты Андре-Мари Ампера. В его честь была названа единица тока, включенная в СИ. Изучением процессов трения и свойств веществ занимался Шарль Огюстен де Кулон.

Отто фон Герике создал первый электрический прибор. Это была сфера из серы, закрепленная на металлическом стержне. Алессандро Вольта разработал генератор постоянного тока. Исследовательская деятельность Георга Симона Ома повлияла на развитие теоретической основы этого направления. Немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф открыл 2 закона теории цепей. Генрих Рудольф Герц исследовал природу волн в среде.

Электрические заряд

Все атомы окружены облаком электронов, несущим отрицательный () электрический заряд. Электроны движутся вокруг ядра. Ядро имеет тот же суммарный заряд, что и все его электроны, но этот заряд положителен (+) . Обычно положительный и отрицательный заряды аннулируют друг друга, и атом является электрически нейтральным. Но в некоторых веществах некоторые внешние электроны имеют довольно слабые связи со своими атомами. А когда два объекта теряются друг с другом, такие электроны могут высвобождаться и мигрировать к другому объекту. В результате этого сдвига объект становится более богатым электронами, чем должен, и получает отрицательный () заряд. У второго объекта меньше электронов, поэтому он получает положительный (+) заряд. Образующиеся таким образом заряды иногда называют «фрикционным электричеством». Какой из объектов получает положительный или отрицательный заряд, зависит от относительной легкости, с которой электроны движутся в поверхностных слоях двух объектов.

Если протирать полиэтиленовую линию шерстяной тканью, она получит отрицательный заряд, а если протирать органическое стекло, то получится положительный заряд. В любом случае, ткань получает заряд, противоположный заряду вощеного материала.

Электрические заряды влияют друг на друга. Положительные и отрицательные заряды привлекаются друг к другу, а два отрицательных или два положительных заряда отталкиваются. Когда к объекту применяется один отрицательный заряд, отрицательные заряды объекта перемещаются на другой конец линии, а положительные заряды ближе к линии. Положительные и отрицательные заряды линии и объекта притягивают друг друга, и объект остается прикрепленным к линии. Этот процесс называется электростатической индукцией, и говорят, что объект попадает в электростатическое поле лески.

Майкл Фарадей доказал, что фрикционное электричество и электрический ток это одно и то же. Он также доказал, что в металлической ячейке (теперь называемой ячейкой Фарадея) не может существовать электрического поля.

От электрической теории к точной науке

Накопленная в результате исследований практическая база позволила синтезировать знания, научиться управлять энергией. Основой формирования точной науки стали открытия природы тока. Время изобретения искусственного электричества относится к периоду XVIII-XIX вв. Открытия делались в краткий период, что было связано с активным развитием мысли.

Большой вклад в точную науку внес Томас Эдисон. Никола Тесла принадлежит теоретическое подтверждение магнетизма, а разработки ученого позволили получить беспроводное электричество.

Закон взаимодействия зарядов

Эта фундаментальная разработка принадлежит Шарлю Огюстену де Кулону. Основатель закона взаимодействия неподвижных зарядов установил зависимость силы 2 точечных зарядов: возникающие силы подчиняются закону Ньютона.

Изобретение батареи

Электрический прибор Алессандро Вольта представляет собой батарею. Конструкция выполнена в форме этажерки, сложенной из цинковых и медных пластин. Между ними установлены смоченные серной кислотой куски войлока.

В верхней и нижней частях источника энергии создавался электрический потенциал, разряд которого ощущался тактильно. Под влиянием электролита происходило взаимодействие металлов на атомарном уровне. Внутри конструкции аккумулировалась электрическая энергия. Изобретение Вольта было положено в разработку батареек.

Появление понятия тока

Эта категория появилась в период лабораторных исследований электричества Уильямом Гилбертом (1600 г.). Понятие характеризовало упорядоченное движение частиц вещества или таковое в вакууме. Ток мог иметь постоянную природу и переменный характер. Силовой показатель определял количество электронов, протонов, ионов, протекающих через поперечное сечение.

Закон электрической цепи

Деятельность немецкого физика Густава Кирхгофа была связана с теоретическими изысканиями. Исследователь ввел термины «ветвь», «узел», «контур», а установленные законы стали базой для внедрения изобретений в радиоэлектронной и технической отраслях.

Наука, изучающая электричество

Электричество – природное явление. Оно частично изучается в биологии, химии и физике. Наиболее полно электрические заряды рассматриваются в рамках электродинамики – одного из разделов физики.

Теории и законы электричества

Законов, которым подчиняется электричество немного, но они полностью описывают явление:

• Закон сохранения энергии – фундаментальный закон, которому подчиняются и электрические явления;
• Закон Ома – основной закон электрического тока;
• Закон электромагнитной индукции – о электромагнитном и магнитном полях;
• Закон Ампера – о взаимодействии двух проводников с токами;
• Закон Джоуля-Ленца – о тепловом эффекте электричества;
• Закон Кулон – об электростатике;
• Правила правой и левой руки – определяющие направления силовых линий магнитного поля и силы Ампера, действующей на проводник в магнитном поле;
• Правило Ленца – определяющее направление индукционного тока;
• Законы Фарадея – об электролизе.

Первые опыты с электричеством

Первые опыты с электричеством носили, в основном, развлекательный характер. Их суть была в лёгких предметах, которые притягивались и отталкивались под действием плохо изученной силы. Другой занимательный опыт – передача электричества через цепочку людей, взявшихся за руки. Физиологическое действие электричества активно изучал Жан Нолле, заставивший пройти электрический заряд через 180 человек.

Производство и практическое использование

С момента появления первых генераторов произошло много открытий, изобретения внедрены в сферу генерирования и передачи энергии.

В результате научных поисков с последней четверти XIX в. возникли предпосылки для развития электроэнергетики, которые включают в себя:

• создание турбин;
• разработку генераторов;
• передачу электроэнергии.

В 1801 г. в Германии под руководством русского инженера М.О. Доливо-Добровольского была построена ГЭС промышленной мощностью 220 кВт. В XX в. началась эра широкого применения потенциала энергии воды, в XXI в. постепенно внедрялось и увеличивалось использование природных ресурсов.

Для производства электрической энергии используются полезные ископаемые. Атомную энергию, отлично удовлетворяющую потребности в электричестве, считают лучшим вариантом на фоне альтернативных ресурсов.

Производство (генерация) электроэнергии осуществляется на объектах индустриального назначения. Используя в качестве топлива водород, человечество получает высокий КПД сгорания, заботится об экологической чистоте.

Генерирование и передача

Создание мобильных и электростанций большой мощности повлияло на поиск практических решений передачи электричества на расстояние.

Это удалось сделать посредством сетей, в состав которых вошли:

• линии;
• повышающие и понижающие преобразователи;
• распределительные устройства.

Первые опыты по транспортированию принадлежат Стивену Грею, который в 1720-е гг. передавал заряд по шелковому проводу.

В 1873 г. Фонтен продемонстрировал применение генератора и двигателя постоянного тока, связанные между собой проводом длиной 2000 м. Прорывом в передаче тока на большие расстояния стал проведенный в 1891 г. опыт М.О. Доливо-Добровольского, в ходе которого использовалась 3-фазная линия.

Для дальности передачи действует главный параметр пропускной способности, при расчете которой учитывается волновое влияние связывающих факторов сопротивления и создаваемого напряжения.

Применение

Электричество, будучи незаменимым, используется для таких целей:

• создания системы освещения;
• передачи информации;
• функционирования транспорта (трамваев, троллейбусов, поездов);
• работы бытовых и офисных приборов;

• производства и обработки материалов.

Сфера применения электричества настолько широка, что часто пользователи не замечают существования источников энергии.

Откуда берется электрический ток

Электричество, поступающее по проводам в дома, вырабатывается электрическим генератором на различных электростанциях. На них генератор соединён с постоянно вращающейся турбиной.

В конструкции генератора есть ротор – катушка, которая располагается между полюсами магнита. При вращении турбиной этого ротора в магнитном поле по законам физики появляется или наводится электрический ток. Таким образом назначение генератора – преобразовывать кинетическую силу вращения в электричество.

Заставить турбину крутиться можно многими способами, используя разнообразные источники энергии. Они разделяются на три вида:

• Возобновляемые – энергия, получаемая из неисчерпаемых ресурсов: потоков воды, солнечного света, ветра, геотермальных источников и биотоплива;
• Невозобновляемые – энергия, получаемая из ресурсов, которые возникают очень медленно, несоизмеримо с темпами расходования: уголь, нефть, торф, природный газ;
• Ядерные – энергия, получаемая из процесса ядерного деления клеток.

Чаще всего электроэнергия возникает благодаря работе:

• Гидроэлектростанций (ГЭС) – строятся на реках и используют силу водного потока;
• Тепловых электростанций (ТЭС) – работают на тепловой энергии от сжигания топлива;
• Атомные электростанции (АЭС) – работают на тепловой энергии, получаемой от процесса ядерной реакции.

Преобразованная энергия по проводам поступает в трансформаторные подстанции и распределительные устройства и уже потом доходит до конечного потребителя.

Сейчас активно развиваются так называемые альтернативные виды энергии. К ним относят ветрогенераторы, солнечные батареи, использование геотермальных источников и любые другие способы получить электроэнергию через необычные явления. Альтернативная энергетика сильно уступает по производительности и окупаемости традиционным источникам, но в определённых ситуациях помогают сэкономить и снизить нагрузку на основные электросети.

Появление электричества в России

В середине XVII в. русскими учеными Георгом Рихманом и Михаилом Ломоносовым в санкт-петербургской лаборатории был получен искусственный разряд. В 1874 г. российский инженер А.Н. Лодыгин разработал и получил патент на лампу освещения, где опция нити накаливания предназначалась угольному стержню.

Через 16 лет эта часть конструкции была заменена вольфрамом. П.Н. Яблочков представил устройство с применением электрической дуги. Его действие было основано на возникновении искры между 2 электродами из каолина.

Он сконструировал электродуговую лампу, ресурс работы которой составлял 4 часа. Ее использовали для освещения Зимнего дворца. Свечи Яблочкова применялись на паровозах в качестве дуговых прожекторов.

Настоящий электрический заряд

Несмотря на то, что описанные выше поражения электрическим током неприятны, они, тем не менее, безопасны для человека. Однако в некоторых случаях электрический заряд, вызванный трением, может привести к аварийным ситуациям. Были случаи, когда гигантские супертанкеры взрывались, когда их топливные баки смывались мощными водометами. Электрические заряды возникают в результате трения капель воды в струе водяной пушки. Этот эффект похож на эффект воздушного потока, состоящего из капель воды, поднимающихся в грозовом облаке. В таких условиях, несмотря на влажную окружающую среду, могут выделяться искры, угрожающие воспламенением паров бензина, оставшихся в баке.

Самолет также может быть электрически заряжен, когда он сталкивается с грозовым облаком или когда шасси натирается о землю во время посадки. В прошлом искры электрических зарядов, накапливавшиеся на поверхности самолета, представляли опасность взрыва. Но сейчас принимаются необходимые меры предосторожности. Например, шины шасси изготовлены из электропроводящего материала. Коронные (разрядные) электроды прикрепляются к концам крыльев самолета, и все электричество собирается на концах крыльев и «распыляется».

Меры безопасности необходимы и при заправке топливом, так как трение, возникающее в потоке бензина, несомненно, может привести к большому заряду. Поэтому бензиновые насосы сделаны из железа.

Электричество, вырабатываемое трением или статическим электричеством, используется человеком различными способами. Частицы сажи, золы и подобных твердых частиц выбрасываются в воздух вместе с дымом от многочисленных растений и затем возвращаются в виде отложений. Благодаря электростатическим фильтрам, установленным в трубах, около 98% твердых частиц могут быть собраны и удалены до того, как они попадут в воздух. Этот процесс называется электростатическим обеспыливанием. В США она предотвращает выброс 20 миллионов тонн сажи в воздух ежегодно. Специальная система распыления используется при покраске автомобилей и самолетов. Однако каждый раз испаряется до 25% краски. Этого можно избежать, сообщив об электрическом потенциале распыляемым частицам. Частицы электролитической краски начинают притягиваться к поверхности автомобиля или самолета и лучше держатся. Экономия от эффективного использования системы опрыскивания превышает затраты на загрузку оборудования.

Эта же технология используется и для порошковой окраски. Электрифицированное покрытие, кажется, прилипает к металлу, а при нагревании поверхности порошковое покрытие образует тонкий, неразрывный слой.

Электрический заряд и порошок также используются в копировальных аппаратах. Текст или рисунок отображается на объективе и должен быть скопирован. Этот чернобелый чертеж переносится на бумагу как чертеж заряженных и нейтральных областей. Когда черный порошок наносится на бумагу, его притягивают только заряженные участки. Затем порошок прикрепляется к бумаге под действием горячего воздуха. Эта техника копирования называется ксерографией. Он также используется в факсимильных аппаратах.

Хронология открытий и изобретений

В 1752 г. Бенджамин Франклин подтвердил идентичность природы молний и искр.

Алессандро Вольта экспериментальным путем доказал, что ряд химических реакций сопровождаются электрическим потоком. В 1800 г. он сконструировал батарею для генерации тока, выполнил его передачу на расстояние.

Позже Майкл Фарадей придумал генератор. Эта разработка помогла Томасу Эдисону и Джозефу Свону в 1878 г. изобрести лампу.

Исследованиями тока занимались Эмилий Ленц, Карл Гаусс. В 1830 г. было открыто электростатическое поле. Лампа с нитью из платины была изобретена Уорреном де ла Рю. В начале 1900-х гг. Никола Тесла развил коммерческое направление этой отрасли. Совместно с Томасом Эдисоном он разработал многофазную систему для распределения потока. Благодаря его изобретениям человечество пользуется бытовыми приборами.

Введение

Много веков назад люди открыли для себя особые свойства янтаря: при трении в нем создается электрический заряд. Сегодня мы можем смотреть телевизор с помощью электричества, разговаривать с людьми на другом конце света и получать свет и тепло, просто перевернув выключатель. Эксперименты с янтарем, т.е. смолой хвойных деревьев, которые естественным образом окаменелости, проводились древними греками. Они обнаружили, что когда янтарь натирали, он притягивал ворсинки из шерсти, перьев и пыли. Если потереть сильно, например, пластиковой щеткой, куски бумаги начнут прилипать. И если натереть шарик на его конверт, он прилипнет к стене. В результате трения янтаря, пластика и ряда других материалов в них накапливается электрический заряд. Само слово «электрический» происходит от латинского слова electricum, что означает янтарь.

Молния одно из самых зрелищных проявлений электрического заряда, появляется молния и является результатом большого накопления электрических зарядов и облаков. В середине XVIII века один из первых исследователей атмосферного электричества, американский ученый Бенджамин Франклин провел очень опасный эксперимент запуск воздушного змея в бурное небо. Он хотел доказать, что молния является результатом одного и того же электрического заряда, который создается, когда предметы теряются друг о друга,

Если объекты с электрическим зарядом притягивают и удерживают только очень легкие предметы, то магнит может удерживать довольно тяжелые куски железа. По этой причине магниты использовались в древности, например, в компасах.

Интересные факты

Древнеегипетские врачи, занимавшиеся поиском новых средств, знали о способности нильского сома накапливать электричество.

Изобретениям в этой отрасли предшествовали наблюдения за природой:

1. Платон и Аристотель упоминали о скатах, их влиянии на людей.
2. Плиний Старший обратил внимание на свойства воды и металла как проводников.
3. В 1819 г. Ганс Христиан Эрстед изучил влияние электрического тока на компас.
4. Во времена Никола Тесла постоянный ток было сложно трансформировать в высокое и низкое напряжение, поэтому ученый выступил за переменный ток. Томас Эдисон, который запатентовал разработки и не желал терять отчисления от них, развернул кампанию по дискредитации. Когда Н. Тесла осветил город электричеством, полученным от станции на Ниагарском водопаде, с использованием переменного тока для передачи на расстояние, компания General Electric финансово поддержала ученого.
5. В результате мощного удара молний образуется такой минерал, как фульгурит. В толще грунта формируются полые ветвистые трубки с гладкой или покрытой пузырьками поверхностью.
6. У поверхности Земли существует постоянное электрическое поле со средней напряженностью 130 В/м.
7. Линейные молнии, ударяющие в землю и формирующие облака, являются разновидностью искрового разряда. Он возникает в массе заряженных и изолированных частиц. Разряды сопровождаются электромагнитным излучением в широком частотном спектре.

Интересные факты в истории электричества связаны с природными явлениями, разработками ученых, достижениями науки и технологий.

Современный виток исследований

Грандиозный рывок в развитии электротехники совершил легендарный учёный, физик и изобретатель Никола Тесла на рубеже XIX, XX веков. Многие изобретения Теслы ещё ждут нового витка исследований в области электротехники для того, чтобы они были внедрены в жизнь.

Сейчас ведутся исследовательские работы по получению новых сверхпроводимых материалов, созданию совершенных компонентов электрических цепей с высоким КПД.

Дополнительная информация. Открытие графена и получение из него новых токопроводящих материалов предрекают грандиозные перемены в сфере использования электричества.

Наука не стоит на месте. С каждым годом человечество становится свидетелем появления более совершенных источников электроэнергии, вместе с этим и создания приборов, машин и различных агрегатов, потребляющих экологически чистую энергию в виде электрического тока.

Напряжение и ток

Следующее описание поможет вам лучше понять, что такое ток и напряжение.

Таким образом, есть два резервуара, соединенных трубой, и вода заливается в один резервуар. Вода заливается до тех пор, пока уровень воды в обоих резервуарах не станет одинаковым. Когда вы поднимаете один резервуар над другим, вода течет из одного резервуара в другой до тех пор, пока уровни снова не станут одинаковыми.

Чем больше разница между уровнями воды в двух резервуарах, тем быстрее течет вода. Скорость перелива воды равна скорости тока. На этой скорости свободные электроны движутся в металлическом проводе. Разница в уровне воды сопоставима с электрическим напряжением. Чем выше напряжение, тем сильнее протекает ток.

Аккумуляторы в фонарях и портативных рациях имеют напряжение от 1,5 до 9 вольт. Точное значение зависит от состава и количества элементов в батарее. В бытовой электросети напряжение составляет от 100 до 240 вольт в зависимости от местоположения.

Первые теории электричества

Вместе с ускорившимся развитием опытного исследования электрических явлений возникают и теории этих явлений.

Конечно, еще до середины XVIII в. существовали некоторые соображения о природе электричества. Но они были весьма примитивными. В большинстве случаев электрические действия объяснялись наличием вокруг заряженных тел неких электрических атмосфер.

В середине XVIII в. появляются уже более содержательные теории электрических явлений. Эти теории можно разделить на две основные группы.

Первая группа — это теории злектрических явлений, основанные на принципе дальнодействия.

Вторая группа — это теории, в основу которых положен принцип бнизкодействия.

Остановимся сначала на развитии теории дальнодействия, которая получила в XVIII в. почти всеобщее признание. Основоположниками теории дальнодействия были Франклин и петербургский академик Эпинус.

Франклин еще в 40-х г. XVIII в. построил теорию электрических явлений. Он предположил, что существует особая электрическая материя, представляющая собой некую тонкую, невидимую жидкость. Частицы этой материи обладают свойством отталкиваться друг от друга и притягиваться к частицам обычной материи, т. е. к частицам вещества, по современным понятиям.

Электрическая материя присутствует в телах в определенных количествах, и в зтом случае ее присутствие не обнаруживается. Но если в теле появляется избыток этой материи, то тело электризуется положительно; наборот, если в теле будет недостаток этой материи, то тело электризуется отрицательно. Название (“положительное и отрицательное электричество”, которое так и осталось в науке, принадлежит Франклину.

Электрическая материя, по Франклину, состоит из особо тонких частиц, поэтому она может проходить сквозь вещество. Особенно легко она проходит через проводники.

Из теории Франклина следует очень важное положение о сохранении электрического заряда. Действительно, для создания, например, отрицательного заряда на каком-либо теле нужно от него отнять некоторое количество электрической жидкости, которая должна перейти на другое тело и образовать там положительный заряд такой же величины . После соединения этих тел электрическая материя вновь распределится между ними так, чтобы эти тела стали электрически нейтральными.

Это положение Франклин демонстрировал на опыте. Два человека стоят на смоляном диске (для изоляции их от окружающих предметов и земли). Один человек натирает стеклянную трубку. Другой касается этой трубки пальцем и извлекает искру. Оба человека теперь оказываются наэлектризованными: один — отрицательным электричеством, другой — положительным. Но при этом их заряды равны по абсолютной величине. После соприкосновения люди потеряют свои заряды и станут электрически нейтральными.

Теория Франклина была развита Францем Эпинусом (1724 — 1802). При этом Эпинус как бы брал за образец теорию тяготения Ньютона.

Ньютон предположил, что между всеми частицами обычных тел действуют дальнодействующие силы. Эти силы центральные, т.е. они действуют по прямой, соединяющей частицы.

Эпинус же предполагает, что между частицами электрической материи также действуют центральные дальнодействующие силы. Только силы тяготения являются силами притяжения, силы же, действующие между частицами электрической материи, — силами отталкивания. Кроме того, между частицами электрической материи и частицами обычного вещества, так же как и у Франклина действуют силы притяжения. И эти силы аналогично силам тягогения являются дальнодействующими и центральными.

Далее Эпинус подобно Ньютону говорит, что введенные им силы нужно признать как факт и что в настоящее время нельзя объяснить, каким образом они действуют через пространство. Придумывать же необоснованные гипотезы он не желает. Здесь он полностью копирует Ньютона.

Эпинус идет дальше, сравнивал силы тяготения и электрические силы. Он предполагает, что силы, действующие между частицами электрической материи, “изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния. Так можно предполагать с некоторым правдоподобием, ибо в пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими явлениями природы”. Эта предполагаемая аналогия и дает возможность Эпинусу построить теорию электрическйх явлений.

Одной из интересных его работ было исследование электрической индукции. Эпинус показал, что если к проводнику приблизить заряженное тело, то на проводнике появляются электрические заряды. При этом сторона его, к которой подносят заряженное тело, электризуется зарядом противоположного знака. И наоборот, на удаленной части проводника образуется заряд того же знака, что и на поднесенном теле.

Если убрать заряженное тело, то проводник снова становится незаряженным. Но если проводник может быть разделен на две части в присутствии заряженного тела, то получатся два проводника, заряженные разноименными зарядами, которые останутся и при удалении индуцирующего заряда.

Эпинус подтвердил и закон сохранения электрического заряда. Он писал: “Если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен неизбежно взять ее вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле”.

Одновременно с теорией электрических явлений, основанной на представлении о дальнодействии, появляются теории этих явлений, в основе которых лежит принцип близкодействия. Одним из родоначальников этой теории можно считать Ломоносова.

Ломоносов был противником теории дальнодействия. Он считал, что тело не может действовать на другие мгновенно через пустое или заполненное чем-либо пространство.

Он полагал, что электрическое взаимодействие передается от тела к телу через особую среду, заполняющую все пустое пространство, в частности и пространство между частицами, из которых состоит “весомая материя”, т. е. вещество.

Электрические явления, по Ломоносову, следует рассматривать как определенные микроскопические движения, происходящие в эфире. То же самое относится и к магнитным явлениям.

На точке зрения близкодействин в теории электричества и магнетизма стоял и другой петербургский академик — Л. Эйлер. В середине XVIII в., как и Ломоносов, он выступил за теорию близкодействия. Он предполагал существование эфира, движением и свойствами которого объяснял наблюдаемые электрические явления.

Однако теоретические представления Ломоносова и Эйлера в то время не могли получить развития. Вскоре был открыт закон Кулона. Он был по своей форме таким же, как и закон всемирного тяготения, и, естественно, его понимание было таким же, как и понимание закона тяготения . Таким образом, закон Кулона был воспринят как доказательство теории дальнодействия.

После открытия закона Кулона теория дапьнодействия совсем вытесняет теорию близкодействия. И только в XIX в. Фарадей возрождает теорию близкодействия. Однако ее всеобщее признание начинается со второй половины XIX в., после экспериментального доказательства теории Максвелла.

История открытия закона Кулона

Основной закон электростатики — закон Кулона — был установлен французским физиком Кулоном в 80-х гг. XVIII в.

Однако история его открытия начинается раньше. Эта история показывает один из путей, по которому развивается физика, — путь применения аналогии, о котором мы упоминали выше.

Мы видели, что Эпинус уже догадывался о том, что сила взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. И эта догадка возникла на основе некоторой аналогии между силами тяготения и электрическими силами.

Но аналогия не является доказательством. Вывод из аналогии всегда требует проверки. Опираясь только на аналогию,. можно прийти и к неверным результатам. Эпинус не проверил справедливость данной аналогии, и поэтому его высказывание имело только предположительный характер.

Иначе поступил английский ученый Генри Кавендиш (1731 — 1810). Он также исходил из аналогии между силами тягогения и силами электрического взаимодействия. Но он пошел дальше, нежели Эпинус, и проверил на опыте выводы, вытекающие из нее.

Дадим представление об исследовании, выполненном Кавендишем.

Было известно, что если взять полый шар с равномерно распределенной массой, т.е. с постоянной плотностью, то мила тяготения действующая внутри шара на какую-либо массу, будет равна нулю. Это следует из просых соображений. Попытаемся их понять.

Представим себе очень тонкий шаровой слой, образованный двумя очень близкими сферами, имеющими один и тот же центр. Пусть, например, радиус внешней сферы будет R , а толщина слоя d . Плотность материала, из которого состоит шаровой слой, r .

Определим силу тяготения, действующую со стороны нашего слоя на материальную точку, помещенную внутри него в какой-то точке а .

Для этой цели проведем через точку а и центр 0 прямую). Эта прямая пересечет внешнюю сферу в двух точках С и С’ . Построим теперь на поверхности сферы вокруг точки С очень маленький четырехугольник 1 , настолько маленький, что его можно рассматривать как плоский квадрат. Обозначим углы этого квадрата d1 , d2 , d3 , d4 . Пусть его площадь S , объем соответствующего элемента шарового слоя V .

Проведем затем прямые линии через точку а и точки d1 , d2 , d3 , d4 . Эти прямые пересекут сферу вторично в точках d1′ , d2′ , d3′ , d4′ . Соединив эти точки, мы получим второй четырехугольник 2 , который также можно будет рассматривать как плоский квадрат. Пусть его площадь будет S’ , а соответствующий элемент объема шарового слоя будет V’ .

Легко видеть, что сила тяготения, действующая на массу m , помещенную в точке a , со стороны элементов шарового слоя V и V’ , будет равна нулю. Действительно, массы этих элементов будут относиться как площади квадратов S и S’ . В свою очередь, площади квадратов S и S’ будут прямо пропорциональны квадратам их сторон, следовательно, прямо пропорциональны квадратам расстояний этих элементов до точки а — Са и С’а .

Таким образом, силы тяготения, действующие на массу со стороны элементов 1 и 2 , будут прямо пропорциональны квадратам расстояний этих элементов до точки а . Но с другой стороны, эти силы по закону всемирного тяготения должны быть, наоборот, обратно пропорциональны квадратам расстояний этих элементов до точки а .

Учитывая, что силы, действующие со стороны противоположных элементов, имеют противоположные направления, приходим к выводу, что сумма этих сил должна быть равна нулю.

Отсюда сейчас же следует и общий вывод о равенстве нулю силы тяготения, действующей на массу, помещенную внутрь шарового слоя.

Действительно, ведь мы можем весь шаровой слой разбить на маленькие элементы, подобные элементам 1 . И для любого элемента всегда найдется другой элемент, действие которого на массу будет прямо противоположным. В результате этого сила тяготения, действующая внутри шарового слоя на массу, будет равна нулю. Таков результат, к которому мы пришли. Нужно только подчеркнуть, что этот результат справедлив для случая, когда сила обратно пропорциональна именно квадрату расстояния. Если бы сила была пропорциональна расстоянию в другой степени, такого результата мы бы не получили.

Полученный вывод мы можем сейчас же перенести на случай электрических сил.

Представим себе опять тонкий шаровой слой, на поверхности которого равномерно распределен электрический заряд. Поместим внутрь этого слоя другой заряд. Если сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадратам расстояний между ними, то по аналогии с п сила, действующая на него со ст по шаровому слою, будет равна нулю. Если поместить внутрь слоя второй такой же заряд того же знака, то они будут отталкиваться друг от друга и двигаться в противоположные стороны.

Кавендиш в 70-х гг. XVIII в. проделал такой опыт. Он взял заряженный металлический шар и поместил его внутрь полого металлического шара, образованного двумя полушариями. Внешний полый шар сначала был не заряжен.

3атем внутренний шар тонкой проволокой соединялся с внешним шаром, для чего было сделано в последнем маленькое отверстие. Через некоторое время полушария разъединяли и освобождали внутренний шар. После этого соединяли его с электроскопом.

Что показывал электроскоп? Если правильно предположение, что силы взаимодействия между зарядами (в данном случае силы оттанкивания) обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними, то электроскоп покажет отсутствие заряда.

Действительно, как только внутренний шар соединяли проволокой с полушариями, так сейчас же электричество начинало перетекать с шара по проволоке на полушария, равномерно распределяясь на них. Ведь между зарядами, находящимися на таре, действовала сила отталкивания, но пока шар изолирован, заряды не могли его покинуть. Попав же на внешний шар, заряды равномерно распределялись на его поверхности, и их действие на заряд, находящийся внутри шара, прекращалось.

Перетекание зарядов с внутреннего шара на внешний будет происходить до тех пор,пока они все не покинут внутренний шар. Отсюда Кавендиш и сделал вывод о том, что силы взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

Таким образом, мы должны сказать, что Кавендиш первым экспериментально установил закон взаимодействия электрических зарядов. Однако он не обнародовал своего открытия. И эта работа оставалась при его жизни неизвестной. О ней узнали гораздо позже, только в середине прошлого столетия, после того как Максвелл опубликовал ее. Конечно, к этому времени она имела уже чисто исторический интерес.

Не зная об исследованиях Кавендиша, французский ученымй Шарль Кунон (1736 — 1806) в 80-х гг. XVIII в. проделал ряд опытов и установил основной закон электростатики, получивший его имя.

Кулон установил, во-первых, что сила взаимодействия между точечными зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта сила будет силой отталкивания, если заряды одноименные, и силой притяжения, если заряды разноименные.

Во-вторых, Кулон ввел понятие количества электричества и определил, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна их величине.

Кулон также экспериментально исследовал силы взаимодействия между магнитами. На основании данных эксперимента и полагая, что наряду с электрическими существуют и магнитные заряды, Кулон пришел к заключению, что силы взаимодействия между магнитными зарядами или магнитными массами также обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

В связи с этим закон Кулона для взаимодействия магнитов стали выражать как закон взаимодействия между магнитными массами m1 и m2 в виде формулы:

В последующем, уже в XIX в. выяснилось, что магнитных зарядов не существует. Но законом Кулона для магнитов продолжали пользоваться, хотя ему уже придавали иной смысл, нежели тот, который вкладывал в него Кулон.

Автор: библиотека

просмотров:10622

Дата добавления:2008-02-27

Источник тока

Первый химический источник энергии был создан около 1800 года итальянским ученым Алессандро Вольта. В одном из своих экспериментов он увлажнил лист промокательной бумаги в соляном растворе и поместил его между медными и цинковыми пластинами. Он обнаружил, что взаимодействие меди и цинка создает электрический заряд в проводе, который их соединяет. Это означало, что во время химической реакции электроны переносились с медной пластины на цинк. Единица токового феномена, способствующего повышению электрического напряжения, была названа в честь ученого Вольта.

Для выработки большего электрического тока требуется более высокое напряжение. Напряжение состоит попеременно из медных и цинковых пластин. Каждая пара была отделена от следующей влажным кружком картона. Эта структура называлась «вольтовым полюсом».

Строго говоря, источником энергии является конструкция из листа любого металла. Вольтовый полюс был фактически первой искусственной электрической батареей. Однако в повседневной жизни все химические источники энергии мы называем «батарейками», независимо от того, состоят ли они из одного или нескольких элементов. Например, батарея (12 вольт) состоит из 6 элементов по 2 вольта каждый. Батарея во фонаре (1,5 вольт) это один элемент.

Аккумуляторы

Существует большое количество различных электрических батарей, но в вашем устройстве всегда есть два фактора. Они обязательно состоят из двух различных химических элементов (например, цинка, меди, углерода и меди, цинка и ртути) и жидкости, разделяющей их (в случае элемента Вольта это соляной раствор). Жидкость называется электролит. Иногда электролит имеет форму пасты для предотвращения утечки.

Наличие различных химических элементов необходимо по той же причине, что и использование различных материалов для производства статического электричества за счет трения. В одном материале электроны движутся с большей свободой и поэтому имеют тенденцию двигаться в другом материале. В электрическом элементе две пластины и жидкость между ними являются электрическими проводниками. Электроны, «высвобожденные» во время химической реакции, могут двигаться без перерыва, там будет только пространство. Таким образом, электрическая цепь становится пространством. Поток электронов может быть остановлен при разрыве цепи. В квартире эту роль берет на себя выключатель.

В батареях, калькуляторах, портативных приемниках и слуховых аппаратах влажная паста действует как электролит. Батареи вырабатывают электричество до тех пор, пока идет химическая реакция.

В дешевых батареях один химический элемент представляет собой резервуар для цинка, а другой угольный электрод. Со временем цинковый резервуар плавится, поэтому внешняя оболочка таких батарей герметично закрывается, чтобы предотвратить утечку содержимого и порчу других вещей. Щелочные батареи с длительным сроком службы содержат те же химические элементы, но другой электролит. В небольших круглых батарейках, используемых в часах, химические пластины состоят из цинка и ртути или окиси цинка и серебра.

Некоторые батареи можно заряжать током в обратном направлении. Эти батареи обычно заряжены никелем и кадмием. Элементы следует заряжать только при правильном напряжении в зарядном устройстве. Никогда не стоит пытаться перезарядить обычную батарею. Аккумуляторы автомобилей и электромобилей содержат жидкость, поэтому они должны находиться только в вертикальном положении. Обычно они работают на свинце и свинцовой пыли и могут перезаряжаться много раз. Электролиты чаще разбавлены серной кислотой, поэтому они обычно герметизируются.

Электромобили бесшумны и не загрязняют воздух (хотя воздух загрязнен электростанциями, поставляющими зарядные устройства). В настоящее время предпринимаются попытки производить аккумуляторные автомобильные батареи, которые легче, чем существующие батареи. Вполне вероятно, что в один прекрасный день появятся перезаряжаемые батареи с пластиковыми элементами.