Что такое электричество?

Электричество является одной из важнейших составляющих фундаментальных сил Вселенной, а именно — электромагнетизма. Оно окружает нас повсеместно: освещает улицы и помещения, обеспечивает связь, функционирование транспортных систем и работу промышленных предприятий. Сегодня мы с вами постараемся понять, что такое электричество, и вспомним великих ученых, которые внесли особо значимый вклад в развитие теории электричества.

Кто открыл электричество?

Принято считать, что электричество было открыто в начале третьего тысячелетия до нашей эры. Люди издавна стремились понять сущность зарядов, наделяющих предметы особыми свойствами. Первые упоминания об электричестве были найдены в документах древних египтян. Они описывали электрических сомов, которых называли «Громовержцами Нила» или «Теми, кто спас многих». Смысл второго прозвища обусловлен тем, что контакт с этими рыбами вызывал резкие болевые ощущения, из-за которых рыбаки нередко бросали сети и теряли весь свой улов.

Определение электричества: что это такое и откуда оно берется?

В широком смысле электричество — это совокупность взаимодействий заряженных частиц, а также образуемых ими кластеров. Протоны несут положительный заряд, а электроны — отрицательный. При совпадении показателей заряженные тела будут отталкиваться друг от друга, если же заряды противоположны — притягиваться. Движущиеся по проводникам заряженные частицы образуют электрический ток.

Каждый заряженный предмет окружен электрическим полем. Его можно визуализировать как силовые линии, которые определяют характер взаимодействия с окружающими зарядами. Вектор поля всегда направлен от положительных зарядов к отрицательным. В зависимости от величины зарядов, формирующих поле, определяется его напряженность. От напряженности зависит интенсивность притяжения или отталкивания частиц.

Выдающиеся личности в истории изучения электричества

Начиная с античных времен люди начали замечать эффекты электричества и изучать их свойства. Однако настоящий прорыв случился в эпоху Нового времени, одновременно с повышением интереса общества к научным исследованиям. И теперь нам пора познакомиться с ключевыми фигурами, внесшими значительный вклад в изучение электричества и его свойств.

Фалес Милетский и его вклад в изучение электричества

Первой вехой в истории изучения электричества является VII век до нашей эры. Фалес Милетский, древнегреческий философ, детально изучал свойства окружающих его материалов. Однажды он обнаружил, что натертый овечьей шерстью янтарь притягивает к себе небольшие предметы, такие как перья птиц или комки пыли. Фалес ошибочно наделил янтарь магнитными свойствами, но вместе с тем стал первым ученым, описавшим эффект статического электричества.

Уильям Гилберт: основоположник электростатики

Спустя 2 тысячи лет после открытий Фалеса именно слово «янтарь», которое переводится на греческий как «электрон» («ἤλεκτρον»), легло в основу нового термина — electricus. Так, британский ученый Уильям Гилберт в 1600 году описывал взаимодействие объектов, которые, подобно янтарю и пыли, способны притягиваться друг к другу. Гилберт изобрел первый в мире электроскоп. Устройство представляло собой металлическую иглу на подставке, способную вращаться под воздействием электрических сил. С помощью этого инструмента ученый определил различия между электричеством и магнетизмом и положил начало новому разделу науки — электростатике.

Шарль Франсуа Дюфе и его эксперименты с электрическими зарядами

Французский ученый Шарль Франсуа Дюфе работал химиком в Парижской Академии наук, однако свое ключевое открытие сделал в области физики. В 1730-х он проводил эксперименты с наэлектризованными стеклянными и смоляными стержнями. Дюфе обнаружил, что пух, который притягивается к стеклянному материалу, отталкивается от смоляного, и наоборот. Таким образом исследователь поспособствовал открытию двух противоположных типов зарядов, которые в современной теории называют положительными и отрицательными.

Бенджамин Франклин: опыт с воздушным змеем

Один из отцов-основателей Соединенных Штатов был не только политическим деятелем, но и ученым-экспериментатором. Во время сильной грозы он запустил в небо шелкового воздушного змея. К основанию змея Бенджамин прикрепил металлический прут, а к веревке привязал ключ от дома, соединенный с лейденской банкой. Лейденская банка представляет собой заполненный водой сосуд с фольгированным внешним и внутренним покрытием и вертикальным металлическим стержнем. Это первый в истории конденсатор, способный накапливать электрические заряды.

Вопреки распространенному мифу, Франклину не удалось вызвать молнию, однако ключ получил отрицательный заряд. Об этом свидетельствовала искра, возникшая при контакте с кожей. В результате последующих опытов электрическая природа молний была доказана.

Луиджи Гальвани и его открытия в электрофизиологии

Итальянский врач и ученый Луиджи Гальвани был убежден, что мышцы живых существ сокращаются благодаря электричеству. В качестве одного из подтверждений он приводил результаты экспериментов с мертвыми лягушками. Во время грозы их лапки подергивались при контакте с металлическими инструментами. В процессе научных дебатов Гальвани и его оппонентов зародился новый раздел науки — электрофизиология.

С того времени ученые начали изучать воздействие электрического тока на мышцы и ткани организма. Позднее было подтверждено, что мозг посредством нервной системы отправляет импульсы, стимулирующие правильное движение частей тела.

Алессандро Вольта: создание первого электрического элемента

Итальянский физик Алессандро Вольта, в отличие от Луиджи Гальвани, считал, что живые организмы являются исключительно проводниками, но не имеют отношения к созданию электрического тока. Благодаря ряду экспериментов с металлами Вольта понял, что электричество может возникать вследствие окислительных и восстановительных реакций.

Конструкция из разнозаряженных цинковых и медных пластин, взаимодействующих с серной кислотой (электролитом) стала первым электрическим элементом — аккумуляторной батареей, которая получила название гальванической в честь Луиджи Гальвани. Благодаря этому открытию впоследствии были изобретены динамо-машины и генераторы, а в честь Алессандро назвали единицу измерения напряжения — вольт.

Ганс Кристиан Эрстед и Андре-Мари Ампер: связь электричества и магнетизма

В 1820-х годах датский ученый Ганс Кристиан Эрстед проводил эксперименты, в рамках которых выявил связь между электричеством и магнетизмом. Он обнаружил, что магнитная стрелка компаса отклоняется рядом с проводником, по которому течет ток, и выравнивается после прекращения подачи питания.

Французский ученый Андре-Мари Ампер заинтересовался этим открытием и продолжил изучать обнаруженную взаимосвязь. Впоследствии он определил, что параллельные проводники притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления движения тока. Так было открыто электромагнитное поле и сформулирован закон Ампера, описывающий его свойства.

Майкл Фарадей: основы электромагнитной индукции

Британский ученый Майкл Фарадей, впечатленный достижениями Эрстеда и Ампера, предположил, что если электрический ток образует вокруг себя магнитное поле, то и магнит можно использовать для генерации электричества. Чтобы подтвердить свою гипотезу, он сконструировал металлическую катушку, обмотанную двумя проводами, лишь один из которых был подключен к батарее. Фарадей обнаружил, что в момент включения и выключения тока в первом проводе во втором возникает короткий всплеск тока. Это явление было названо индукционным током.

Далее ученый проводил опыты с помещением магнита внутрь катушки и его извлечением. С помощью гальванометра Фарадей фиксировал возникновение постоянного тока, который усиливался с возрастанием скорости движения магнита. Открытие влияния магнитного поля на электрическое положило начало электродинамике, что позволило создавать электродвигатели.

Томас Эдисон и развитие электрических сетей

Американский изобретатель Томас Эдисон считается одним из основоположников современной электрической эпохи. Многим он известен как создатель первой энергоэффективной лампы накаливания, однако на этом его достижения не заканчиваются. За всю свою карьеру Эдисон зарегистрировал несколько тысяч патентов, внеся значительный вклад в развитие телефонных и телеграфных сетей, железнодорожной инфраструктуры, аудио- и киноаппаратуры.

В конце XIX века Эдисон разработал эффективную систему распределения энергии, которая позволяла освещать многоквартирные дома и улицы с помощью электричества. Долгое время системы постоянного тока считались наиболее безопасными в эксплуатации, благодаря чему использовались повсеместно вплоть до начала XX века.

Никола Тесла: революция в электроэнергетике

Один из самых известных американских ученых, Никола Тесла некоторое время был рядовым сотрудником в компании Томаса Эдисона, но позже уволился и при поддержке инвесторов открыл собственную лабораторию.

Он много экспериментировал с переменным током и вскоре разработал асинхронный двигатель, работающий на многофазном токе. Это изобретение предопределило ход промышленной революции благодаря способности передавать высокое напряжение на значительные расстояния. Еще одной страстью Теслы были эксперименты с беспроводной передачей электроэнергии. Основываясь на принципах электростатической индукции, ему удавалось зажигать газоразрядные и фосфорные лампы, не подключенные к источнику питания. В то время идея Николы не нашла коммерческого воплощения, однако сегодня беспроводная передача электричества используется в железнодорожной отрасли и обеспечивает зарядку портативных устройств.

Генрих Рудольф Герц и Альберт Эйнштейн: новые шаги в теории электричества

Немецкий ученый Генрих Герц экспериментально подтвердил теорию Джеймса Максвела о том, что свет и тепло являются формами электромагнитного излучения. С помощью простых спиральных устройств с искровым разрядником ему удалось открыть электромагнитные волны. Позднее Герц смог измерить их длину и скорость, а также определил способность к преломлению. Впоследствии были открыты радиоволны, а единица частоты их колебаний получила название герц.

Альберт Эйнштейн, вошедший в историю как автор теории относительности, также внес значительный вклад в развитие теории электричества. В частности, он систематизировал знания о фотоэлектрическом эффекте, в рамках которого фотоны света передают энергию отрицательно заряженным частицам, в результате чего генерируется ток. Ранее исследованиями фотоэффекта занимались Генрих Герц и Александр Столетов, однако именно Эйнштейн смог упорядочить теорию, за что был удостоен Нобелевской премии. Использование фотоэлектрического эффекта стало стимулом к развитию промышленного оборудования и телевизионного вещания.

Электричество в природе: откуда оно берется?

В глобальном смысле ответить на этот вопрос достаточно сложно, так как электромагнетизм является одной из фундаментальных сил Вселенной, а вся материя состоит из заряженных частиц. Ученые могут подробно описывать принципы работы электричества, но вопрос, откуда оно берется, остается открытым.

Тем не менее мы можем выделить несколько природных источников электричества:

• Молнии. В результате накопления электростатической энергии в облаках происходят мощнейшие разряды, выделяющие до полумиллиарда джоулей. Нагреваемый воздух очень быстро расширяется, переходя в состояние плазмы, что сопровождается сильным звуковым эффектом — громом.
• Животные. В начале статьи упоминаются электрические рыбы, открытые древними египтянами. Некоторые сомы, угри и скаты способны генерировать электричество для ориентации в пространстве и защиты от хищников. Также существуют акулы, формирующие электрическое поле, что позволяет им охотиться даже в полной темноте.
• Планета. В результате вращения ядра Земли создаются электрические токи колоссальной величины. Благодаря им у нашей планеты формируется магнитное поле, защищающее от воздействия радиации солнечного ветра. Кроме того, магнитное поле обеспечивает работоспособность компасов, располагая стрелку строго между северным и южным полюсом.

Применение электричества в современной жизни и промышленности

Почти вся современная промышленность основана на использовании электроэнергии. Благодаря электричеству обеспечивается работа двигателей, механизмов, компьютеров и офисной техники, отапливаются и охлаждаются помещения. Суммарная мощность энергосистем России составляет порядка 250 000 МВт, которые используются в таких областях, как:

• добыча полезных ископаемых;
• машиностроение;
• функционирование транспортных систем;
• авиакосмическая промышленность;
• создание микроэлектроники;
• легкая и пищевая промышленность.

Ученые считают, что из-за мощной вспышки на Солнце электрические приборы могут выйти из строя. Если это произойдет, жизнь современного человека изменится кардинальным образом. Исчезнут централизованное освещение и отопление, остановятся заводы, перестанет функционировать транспорт. Мы потеряем доступ ко всем электронным устройствам, которыми привыкли пользоваться в быту.

Значение электричества в нашей повседневной жизни

Электричество окружает нас каждую минуту жизни, поэтому переоценить его значение попросту невозможно. Развитие технологий позволяет в кратчайшие сроки решать сложные задачи, на которые в былые годы могли уходить месяцы и даже годы. Использование энергоэффективных электродвигателей, а также открытие альтернативных источников электричества из возобновляемых ресурсов помогает беречь экологию и проявлять заботу о нашей планете.

Изображение на обложке: Freepik