Elektryczność - Electricity

Wielokrotne uderzenia piorunów w miasto nocą
Błyskawica to jeden z najbardziej dramatycznych efektów elektryczności.

Energia elektryczna jest zbiorem fizycznych zjawisk związanych z obecnością i ruchem z materii , która ma właściwości ładunku elektrycznego . Elektryczność jest powiązana z magnetyzmem , oba są częścią zjawiska elektromagnetyzmu , opisanego równaniami Maxwella . Różne sposoby zjawiska są związane z energią elektryczną, w tym wyładowań atmosferycznych , elektryczności statycznej , ogrzewania elektrycznego , wyładowań elektrycznych i wielu innych.

Obecność ładunku elektrycznego , który może być dodatni lub ujemny, wytwarza pole elektryczne . Ruch ładunków elektrycznych jest prądem elektrycznym i wytwarza pole magnetyczne .

Kiedy ładunek zostanie umieszczony w miejscu o niezerowym polu elektrycznym, działa na niego siła. Wielkość tej siły dana jest przez prawo Coulomba . Jeśli ładunek się porusza, pole elektryczne pracuje nad ładunkiem elektrycznym. Możemy więc mówić o potencjale elektrycznym w pewnym punkcie przestrzeni, który jest równy pracy wykonanej przez agenta zewnętrznego przy przenoszeniu jednostki ładunku dodatniego z arbitralnie wybranego punktu odniesienia do tego punktu bez żadnego przyspieszenia i jest zwykle mierzone w woltach .

Energia elektryczna jest sercem wielu nowoczesnych technologii, wykorzystywana do:

Zjawiska elektryczne były badane od starożytności, chociaż postęp w zrozumieniu teoretycznym pozostawał powolny aż do XVII i XVIII wieku. Teoria elektromagnetyzmu została rozwinięta w XIX wieku, a pod koniec tego stulecia elektryczność była wykorzystywana przez inżynierów elektryków do użytku przemysłowego i mieszkaniowego . Szybki rozwój technologii elektrycznej w tym czasie przekształcił przemysł i społeczeństwo, stając się siłą napędową drugiej rewolucji przemysłowej . Niezwykła wszechstronność energii elektrycznej oznacza, że ​​można ją wykorzystać w niemal nieograniczonym zestawie zastosowań, które obejmują transport , ogrzewanie , oświetlenie , komunikację i obliczenia . Energia elektryczna jest obecnie kręgosłupem nowoczesnego społeczeństwa przemysłowego.

Historia

Popiersie brodatego mężczyzny z rozczochranymi włosami
Thales , najwcześniejszy znany badacz elektryczności

Na długo zanim istniała jakakolwiek wiedza o elektryczności, ludzie byli świadomi wstrząsów powodowanych przez elektryczne ryby . Starożytne teksty egipskie z 2750 p.n.e. określały te ryby jako „Grzmoty Nilu ” i opisywały je jako „obrońców” wszystkich innych ryb. Ryby elektryczne zostały ponownie odnotowane tysiąclecia później przez starożytnych greckich , rzymskich i arabskich przyrodników i lekarzy . Kilku starożytnych pisarzy, takich jak Pliniusz Starszy i Scribonius Largus , zaświadczało o paraliżującym działaniu wstrząsów elektrycznych dostarczanych przez sumy elektryczne i promienie elektryczne i wiedzieli, że takie wstrząsy mogą przemieszczać się wzdłuż przedmiotów przewodzących. Pacjentom cierpiącym na takie dolegliwości jak dna moczanowa czy bóle głowy kierowano do dotykania ryb elektrycznych w nadziei, że potężny wstrząs może ich wyleczyć.

Starożytne kultury w basenie Morza Śródziemnego wiedziały, że niektóre przedmioty, takie jak pręty bursztynu , można pocierać futrem kota, aby przyciągnąć lekkie przedmioty, takie jak pióra. Tales z Miletu wykonał serię obserwacji elektryczności statycznej około 600 roku p.n.e., z których sądził, że tarcie nadaje bursztynowi właściwości magnetyczne , w przeciwieństwie do minerałów takich jak magnetyt , które nie wymagają pocierania. Thales niesłusznie sądził, że przyciąganie było spowodowane efektem magnetycznym, ale później nauka udowodniła związek między magnetyzmem a elektrycznością. Zgodnie z kontrowersyjną teorią Partowie mogli mieć wiedzę na temat galwanizacji , opartą na odkryciu w 1936 r. Baterii Bagdadzkiej , która przypomina ogniwo galwaniczne , chociaż nie jest pewne, czy artefakt miał charakter elektryczny.

Portret do połowy długości łysego, nieco przysadzistego mężczyzny w trzyczęściowym garniturze.
Benjamin Franklin przeprowadził szeroko zakrojone badania nad elektrycznością w XVIII wieku, co udokumentował Joseph Priestley (1767) History and Present Status of Electricity , z którym Franklin prowadził rozszerzoną korespondencję.

Elektryczność pozostała niewiele więcej niż intelektualną ciekawostką przez tysiąclecia aż do 1600 roku, kiedy angielski naukowiec William Gilbert napisał De Magnete , w którym przeprowadził dokładne badania elektryczności i magnetyzmu, odróżniając efekt lodestone od elektryczności statycznej wytwarzanej przez pocieranie bursztynu. Ukuł nowe łacińskie słowo electricus („z bursztynu” lub „podobny do bursztynu”, od ἤλεκτρον, elektron , greckie słowo oznaczające „bursztyn”) w odniesieniu do właściwości przyciągania małych przedmiotów po potarciu. Związek ten dał początek angielskich słów „elektrycznych” i „energii”, który wystąpił po raz pierwszy drukiem w Thomas Browne „s Pseudodoxia zakaźnej od 1646 roku.

Dalsze prace prowadzili w XVII i na początku XVIII wieku Otto von Guericke , Robert Boyle , Stephen Gray i CF du Fay . Później w XVIII wieku Benjamin Franklin przeprowadził szeroko zakrojone badania w zakresie elektryczności, sprzedając swój majątek, aby sfinansować swoją pracę. Podobno w czerwcu 1752 roku przymocował metalowy klucz do dna zwilżonego sznurka latawca i latał nim po zagrożonym burzą niebie. Szereg iskier przeskakujących z klucza na wierzch jego dłoni pokazał, że piorun rzeczywiście ma charakter elektryczny. Wyjaśnił również pozornie paradoksalne zachowanie słoika lejdejskiego jako urządzenia do przechowywania dużych ilości ładunku elektrycznego w postaci elektryczności składającej się zarówno z ładunków dodatnich, jak i ujemnych.

Portret olejny portretowy przedstawiający mężczyznę w ciemnym garniturze
Odkrycia Michaela Faradaya stały się podstawą technologii silników elektrycznych

W 1791 Luigi Galvani opublikował swoje odkrycie bioelektromagnetyki , wykazując, że elektryczność jest medium, za pomocą którego neurony przekazują sygnały do ​​mięśni. Bateria Alessandro Volty , czyli stos Volta z 1800 roku, wykonana z naprzemiennych warstw cynku i miedzi, zapewniła naukowcom bardziej niezawodne źródło energii elektrycznej niż stosowane wcześniej maszyny elektrostatyczne . Rozpoznanie elektromagnetyzmu , jedności zjawisk elektrycznych i magnetycznych, zawdzięczamy Hansowi Christianowi Ørstedowi i André-Marie Ampère w latach 1819-1820. Michael Faraday wynalazł silnik elektryczny w 1821 roku, a Georg Ohm matematycznie przeanalizował obwód elektryczny w 1827 roku. Elektryczność i magnetyzm (i światło) zostały ostatecznie połączone przez Jamesa Clerka Maxwella , w szczególności w jego „ O fizycznych liniach siły ” w 1861 i 1862 roku. .

Podczas gdy początek XIX wieku przyniósł szybki postęp w elektrotechnice, pod koniec XIX wieku przyniósł największy postęp w elektrotechnice . Przez takich ludzi jak Alexander Graham Bell , Ottó Bláthy , Thomas Edison , Galileo Ferraris , Oliver Heaviside , Ányos Jedlik , Lord Kelvin, 1st Baron Kelvin , Charles Parsons , Werner von Siemens , Joseph Swan , Reginald Fessenden , Nikola Tesla i George Westinghouse , elektryczność przekształciła się z naukowej ciekawostki w podstawowe narzędzie współczesnego życia.

W 1887 roku Heinrich Hertz odkrył, że elektrody oświetlone światłem ultrafioletowym łatwiej wytwarzają iskry elektryczne . W 1905 roku Albert Einstein opublikował artykuł wyjaśniający dane eksperymentalne z efektu fotoelektrycznego jako wynik energii świetlnej przenoszonej w dyskretnych skwantowanych pakietach, pobudzających elektrony. To odkrycie doprowadziło do rewolucji kwantowej . Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1921 roku za „odkrycie prawa efektu fotoelektrycznego”. Efekt fotoelektryczny jest również wykorzystywany w fotokomórkach, takich jak panele słoneczne, i jest często wykorzystywany do komercyjnego wytwarzania energii elektrycznej.

Pierwszym urządzeniem półprzewodnikowym był „ detektor kociego wąsa ”, po raz pierwszy użyty w 1900 w odbiornikach radiowych. Drut podobny do wąsów jest umieszczony w lekkim kontakcie z litym kryształem (takim jak kryształ germanu ), aby wykryć sygnał radiowy przez efekt złącza stykowego. W elemencie półprzewodnikowym prąd jest ograniczony do elementów stałych i związków zaprojektowanych specjalnie do przełączania i wzmacniania go. Przepływ prądu można rozumieć w dwóch postaciach: jako ujemnie naładowane elektrony oraz jako dodatnio naładowane niedobory elektronów zwane dziurami . Te ładunki i dziury są rozumiane w kategoriach fizyki kwantowej. Materiałem budowlanym jest najczęściej półprzewodnik krystaliczny .

Elektronika półprzewodnikowa stała się samodzielna wraz z pojawieniem się technologii tranzystorowej . Pierwszy tranzystor roboczego, o germanu -na tranzystor ostrzowy , został wynaleziony przez John Bardeen i Walter Houser Brattain w Bell Labs w 1947 roku, a następnie przez tranzystor bipolarny w 1948. Te wczesne tranzystory były stosunkowo nieporęcznych urządzeń, które były trudne do produkcji na bazie masowej produkcji . Zostały one następnie krzemu -na MOSFET (tranzystor metal-tlenek-półprzewodnik polowy lub tranzystor MOS), wynalezione przez Mohammed M. atalla i Dawon Kahng w Bell Labs 1959. To pierwsze dobrze zwarty tranzystor, który może być zminiaturyzowane i produkowane masowo dla szerokiego zakresu zastosowań, prowadząc do rewolucji krzemowej . Urządzenia półprzewodnikowe zaczęły się upowszechniać od lat 60. XX wieku, wraz z przejściem z lamp próżniowych na diody półprzewodnikowe , tranzystory, układy scalone (IC), tranzystory MOSFET i technologię diod elektroluminescencyjnych (LED).

Najpopularniejszym urządzeniem elektronicznym jest MOSFET, który stał się najczęściej produkowanym urządzeniem w historii. Popularne urządzenia półprzewodnikowe MOS obejmują chipy mikroprocesorowe i pamięć półprzewodnikową . Specjalnym rodzajem pamięci półprzewodnikowych jest pamięć flash , która jest wykorzystywana w pamięciach flash USB i urządzeniach mobilnych , a także technologia dysków półprzewodnikowych (SSD) zastępująca technologię dysków twardych z mechanicznie obrotowym dyskiem magnetycznym (HDD).

Koncepcje

Ładunek elektryczny

Przezroczysta szklana kopuła ma zewnętrzną elektrodę, która łączy się przez szkło z parą złotych liści.  Naładowany pręt dotyka zewnętrznej elektrody i powoduje odpychanie liści.
Ładunek na elektroskopie ze złotymi liśćmi powoduje, że liście w widoczny sposób odpychają się od siebie

Obecność ładunku powoduje powstanie siły elektrostatycznej: ładunki wywierają na siebie siłę , co było znane, choć niezrozumiałe, w starożytności. Lekką kulkę zawieszoną na sznurku można naładować, dotykając jej szklanym prętem, który sam został naładowany przez pocieranie szmatką. Jeśli podobna kula jest ładowana przez ten sam szklany pręt, okazuje się, że odpycha pierwszą: ładunek działa, aby rozdzielić dwie kulki. Dwie kule, które są naładowane przetartym bursztynowym prętem, również odpychają się nawzajem. Jeśli jednak jedna kula jest ładowana przez szklany pręt, a druga przez bursztynowy pręt, okazuje się, że obie kule przyciągają się nawzajem. Zjawiska te badał pod koniec XVIII wieku Charles-Augustin de Coulomb , który wywnioskował, że ładunek przejawia się w dwóch przeciwstawnych formach. Odkrycie to doprowadziło do dobrze znanego aksjomatu: obiekty o podobnym ładunku odpychają, a obiekty naładowane przeciwnie przyciągają .

Siła działa na same naładowane cząstki, stąd ładunek ma tendencję do rozprowadzania się możliwie równomiernie na powierzchni przewodzącej. Wielkość siły elektromagnetycznej, przyciągającej lub odpychającej, jest określona przez prawo Coulomba , które wiąże siłę z iloczynem ładunków i ma zależność odwrotnie kwadratową od odległości między nimi. Siła elektromagnetyczna jest bardzo silna, ustępuje jedynie sile oddziaływania silnego , ale w przeciwieństwie do tej siły działa na wszystkie odległości. W porównaniu ze znacznie słabszą siłą grawitacyjną , siła elektromagnetyczna odpychająca dwa elektrony jest 10 42 razy większa od siły przyciągania grawitacyjnego, które przyciąga je do siebie.

Ładunek pochodzi z pewnych typów cząstek subatomowych , których najbardziej znanymi nośnikami są elektron i proton . Ładunek elektryczny tworzy i oddziałuje z siłą elektromagnetyczną , jedną z czterech podstawowych sił natury. Eksperyment wykazał, że ładunek jest wielkością zachowaną , to znaczy, że ładunek netto w elektrycznie izolowanym systemie zawsze pozostanie stały, niezależnie od jakichkolwiek zmian zachodzących w tym systemie. Wewnątrz systemu ładunek może być przenoszony między ciałami albo przez bezpośredni kontakt, albo przez przechodzenie wzdłuż materiału przewodzącego, takiego jak drut. Nieformalny termin elektryczność statyczna odnosi się do obecności netto (lub „nierównowagi”) ładunku na ciele, zwykle spowodowanego pocieraniem odmiennych materiałów, przenoszących ładunek z jednego na drugi.

Ładunek elektronów i protonów ma przeciwny znak, stąd ilość ładunku może być wyrażona jako ujemna lub dodatnia. Zgodnie z konwencją ładunek przenoszony przez elektrony jest uważany za ujemny, a przez protony dodatni, co jest zwyczajem wywodzącym się z prac Benjamina Franklina . Kwota ładunku jest zwykle podawana w symbolu Q i wyrażona w kulombach ; każdy elektron wykonuje taki sam ładunek około -1,6022 x 10 -19  kulomb . Proton ma ładunek równy i przeciwny, a więc +1,6022×10 -19   kulomb. Ładunek posiada nie tylko materia , ale także antymateria , przy czym każda antycząstka ma ładunek równy i przeciwny do odpowiadającej jej cząstki.

Ładunek można mierzyć na wiele sposobów, wczesnym instrumentem jest elektroskop ze złotymi listkami , który chociaż nadal jest używany do demonstracji w klasie, został zastąpiony przez elektrometr elektroniczny .

Prąd elektryczny

Ruch ładunku elektrycznego nazywany jest prądem elektrycznym , którego natężenie jest zwykle mierzone w amperach . Prąd może składać się z dowolnych poruszających się naładowanych cząstek; najczęściej są to elektrony, ale każdy ładunek w ruchu stanowi prąd. Prąd elektryczny może przepływać przez niektóre rzeczy, przewodniki elektryczne , ale nie przepływa przez izolator elektryczny .

Zgodnie z historyczną konwencją, prąd dodatni jest definiowany jako mający ten sam kierunek przepływu, co każdy ładunek dodatni, który zawiera, lub przepływający z najbardziej dodatniej części obwodu do najbardziej ujemnej części. Tak zdefiniowany prąd nazywany jest prądem konwencjonalnym . Ruch ujemnie naładowanych elektronów wokół obwodu elektrycznego , jednej z najbardziej znanych form prądu, jest zatem uważany za dodatni w kierunku przeciwnym do ruchu elektronów. Jednak w zależności od warunków prąd elektryczny może składać się z przepływu naładowanych cząstek w dowolnym kierunku, a nawet w obu kierunkach jednocześnie. Konwencja pozytywnych do negatywnych jest szeroko stosowana w celu uproszczenia tej sytuacji.

Dwa metalowe druty tworzą odwrócony kształt litery V.  Między ich końcówkami przepływa oślepiająco jasny pomarańczowo-biały łuk elektryczny.
Łukiem elektrycznym zapewnia energiczny pokaz prądu elektrycznego

Proces, w którym prąd elektryczny przepływa przez materiał, nazywa się przewodnictwem elektrycznym , a jego natura zmienia się w zależności od naładowanych cząstek i materiału, przez który przechodzą. Przykłady prądów elektrycznych obejmują przewodnictwo metaliczne, w którym elektrony przepływają przez przewodnik, taki jak metal, oraz elektrolizę , w której jony (naładowane atomy ) przepływają przez ciecze lub przez plazmę, taką jak iskry elektryczne. Podczas gdy same cząstki mogą poruszać się dość wolno, czasami ze średnią prędkością dryfu tylko ułamków milimetra na sekundę, pole elektryczne, które je napędza, rozchodzi się z prędkością bliską prędkości światła , umożliwiając szybkie przechodzenie sygnałów elektrycznych wzdłuż przewodów.

Prąd wywołuje kilka obserwowalnych efektów, które historycznie były sposobem rozpoznania jego obecności. Nicholson i Carlisle odkryli w 1800 r., że woda może być rozkładana przez prąd ze stosu elektrolitycznego , w procesie znanym obecnie jako elektroliza . Ich praca została znacznie rozszerzona przez Michaela Faradaya w 1833 roku. Prąd poprzez opór powoduje miejscowe ogrzewanie, efekt, który James Prescott Joule badał matematycznie w 1840 roku. Jedno z najważniejszych odkryć dotyczących prądu zostało przypadkowo dokonane przez Hansa Christiana Ørsteda w 1820 roku, kiedy Przygotowując wykład, był świadkiem, jak prąd w drucie porusza igłę kompasu magnetycznego. Odkrył elektromagnetyzm , fundamentalną interakcję między elektrycznością a magnetyką. Poziom emisji elektromagnetycznych generowanych przez łuk elektryczny jest wystarczająco wysoki, aby powodować zakłócenia elektromagnetyczne , które mogą być szkodliwe dla działania sąsiednich urządzeń.

W zastosowaniach inżynieryjnych lub domowych prąd jest często opisywany jako prąd stały (DC) lub prąd przemienny (AC). Terminy te odnoszą się do zmian prądu w czasie. Prąd stały, jak na przykład wytwarzany z baterii i wymagany przez większość urządzeń elektronicznych , jest przepływem jednokierunkowym z dodatniej części obwodu do ujemnej. Jeśli, jak to najczęściej bywa, przepływ ten jest przenoszony przez elektrony, będą one podróżować w przeciwnym kierunku. Prąd przemienny to dowolny prąd, który wielokrotnie odwraca kierunek; prawie zawsze ma to postać fali sinusoidalnej . W ten sposób prąd przemienny pulsuje tam i z powrotem w przewodzie, bez przemieszczania się ładunku na jakąkolwiek odległość netto w czasie. Uśredniona w czasie wartość prądu przemiennego wynosi zero, ale dostarcza on energię najpierw w jednym kierunku, a potem w odwrotnym kierunku. Na prąd przemienny mają wpływ właściwości elektryczne, które nie są obserwowane w stanie ustalonym prądu stałego, takie jak indukcyjność i pojemność . Jednak te właściwości mogą stać się ważne, gdy obwody są poddawane transjentom , na przykład po pierwszym włączeniu zasilania.

Pole elektryczne

Pojęcie pola elektrycznego przedstawił Michael Faraday . Pole elektryczne jest wytwarzane przez naładowane ciało w otaczającej je przestrzeni i powoduje siłę wywieraną na wszelkie inne ładunki umieszczone w polu. Pole elektryczne działa między dwoma ładunkami w podobny sposób, jak pole grawitacyjne działa między dwiema masami i podobnie jak to, rozciąga się w nieskończoność i wykazuje odwrotną zależność kwadratową od odległości. Jest jednak ważna różnica. Grawitacja zawsze działa na zasadzie przyciągania, ściągając dwie masy do siebie, podczas gdy pole elektryczne może powodować przyciąganie lub odpychanie. Ponieważ duże ciała, takie jak planety, na ogół nie mają ładunku netto, pole elektryczne na odległość wynosi zwykle zero. Tak więc grawitacja jest dominującą siłą na odległość we wszechświecie, mimo że jest znacznie słabsza.

Linie pola pochodzące od dodatniego ładunku nad płaskim przewodnikiem plane

Pole elektryczne na ogół zmienia się w przestrzeni, a jego siła w dowolnym punkcie jest definiowana jako siła (na jednostkę ładunku), która byłaby odczuwana przez nieruchomy, nieistotny ładunek, gdyby został umieszczony w tym punkcie. Ładunek koncepcyjny, określany jako „ ładunek testowy ”, musi być znikomo mały, aby własne pole elektryczne nie zakłócało pola głównego, a także musi być nieruchome, aby zapobiec skutkom pól magnetycznych . Ponieważ pole elektryczne jest definiowane w kategoriach siły , a siła jest wektorem , mającym zarówno wielkość, jak i kierunek , wynika z tego, że pole elektryczne jest polem wektorowym .

Badanie pól elektrycznych wytworzonych przez ładunki stacjonarne nazywa się elektrostatyką . Pole może być wizualizowane za pomocą zestawu wyimaginowanych linii, których kierunek w dowolnym punkcie jest taki sam jak kierunek pola. Koncepcja ta została wprowadzona przez Faradaya, którego termin „ linie siły ” wciąż czasami znajduje zastosowanie. Linie pola to ścieżki, które punktowy ładunek dodatni chciałby przebyć, gdy został zmuszony do poruszania się w polu; są jednak wyimaginowanym pojęciem bez fizycznego istnienia, a pole przenika całą przestrzeń między liniami. Linie pola emanujące z ładunków stacjonarnych mają kilka kluczowych właściwości: po pierwsze, że powstają przy ładunkach dodatnich i kończą się przy ładunkach ujemnych; po drugie, że do każdego dobrego przewodnika muszą wejść pod kątem prostym, a po trzecie, aby nigdy nie przekroczyli siebie ani się nie zbliżyli.

Pusty korpus przewodzący przenosi cały swój ładunek na swojej zewnętrznej powierzchni. Pole wynosi zatem zero we wszystkich miejscach wewnątrz ciała. Jest to zasada działania klatki Faradaya , przewodzącej metalowej powłoki, która izoluje jej wnętrze od zewnętrznych efektów elektrycznych.

Zasady elektrostatyki są ważne przy projektowaniu elementów wyposażenia wysokiego napięcia . Istnieje skończona granica natężenia pola elektrycznego, które może wytrzymać każde medium. Poza tym punktem dochodzi do przebicia elektrycznego i łuk elektryczny powoduje przeskok między naładowanymi częściami. Powietrze, na przykład, ma tendencję do łukowatego łuku w małych szczelinach przy sile pola elektrycznego przekraczającej 30 kV na centymetr. W większych szczelinach jego wytrzymałość na przebicie jest słabsza, być może 1 kV na centymetr. Najbardziej widocznym naturalnym zjawiskiem tego zjawiska jest piorun , który powstaje, gdy ładunek zostaje oddzielony w chmurach przez wznoszące się kolumny powietrza i podnosi pole elektryczne w powietrzu do wartości większej niż jest w stanie wytrzymać. Napięcie dużej chmury piorunowej może wynosić nawet 100 MV, a energia wyładowania może dochodzić do 250 kWh.

Na natężenie pola duży wpływ mają znajdujące się w pobliżu obiekty przewodzące i jest ono szczególnie intensywne, gdy jest zmuszone do zakrzywiania się wokół ostro zakończonych obiektów. Ta zasada jest wykorzystywana w piorunochronie , którego ostry kolec działa w kierunku zachęcania do rozwinięcia się tam uderzenia pioruna, a nie w budynku, który służy do ochrony

Potencjał elektryczny

Każda z dwóch baterii AA ma znak plus oznaczony na jednym końcu.
Para ogniw AA . Znak + wskazuje biegunowość różnicy potencjałów między zaciskami akumulatora.

Pojęcie potencjału elektrycznego jest ściśle powiązane z pojęciem pola elektrycznego. Mały ładunek umieszczony w polu elektrycznym doświadcza siły i doprowadzenie tego ładunku do tego punktu wbrew sile wymaga pracy . Potencjał elektryczny w dowolnym punkcie definiuje się jako energię wymaganą do powolnego doprowadzenia jednostkowego ładunku testowego z nieskończonej odległości do tego punktu. Zwykle mierzy się ją w woltach , a jeden wolt jest potencjałem, dla którego jeden dżul pracy musi zostać wykorzystany, aby wyprowadzić ładunek jednego kulomba z nieskończoności. Ta definicja potencjału, choć formalna, ma niewielkie zastosowanie praktyczne, a bardziej użyteczną koncepcją jest różnica potencjałów elektrycznych , czyli energia wymagana do przeniesienia ładunku jednostkowego między dwoma określonymi punktami. Pole elektryczne ma tę szczególną właściwość, że jest zachowawcze , co oznacza, że ​​droga, jaką przebył ładunek testowy, jest nieistotna: wszystkie ścieżki pomiędzy dwoma określonymi punktami zużywają tę samą energię, a zatem można określić unikalną wartość różnicy potencjałów. Wolt jest tak silnie identyfikowany jako jednostka z wyboru do pomiaru i opisu różnicy potencjałów elektrycznych, że termin napięcie ma większe znaczenie w codziennym użytkowaniu.

Ze względów praktycznych przydatne jest zdefiniowanie wspólnego punktu odniesienia, do którego można wyrażać i porównywać potencjały. Chociaż może to być w nieskończoności, o wiele bardziej użytecznym odniesieniem jest sama Ziemia , która, jak się zakłada, ma wszędzie taki sam potencjał. Ten punkt odniesienia naturalnie przyjmuje nazwę ziemia lub ziemia . Zakłada się, że Ziemia jest nieskończonym źródłem równych ilości ładunku dodatniego i ujemnego, a zatem jest elektrycznie nienaładowana i nienaładowana.

Potencjał elektryczny jest wielkością skalarną , to znaczy ma tylko wielkość, a nie kierunek. Można to postrzegać jako analogiczne do wysokości : tak jak wypuszczony obiekt spadnie przez różnicę wysokości wywołaną polem grawitacyjnym, tak ładunek „spadnie” w poprzek napięcia wywołanego przez pole elektryczne. Ponieważ mapy reliefowe pokazują linie konturowe oznaczające punkty o równej wysokości, zestaw linii oznaczających punkty o równym potencjale (znane jako ekwipotencjalne ) może być narysowany wokół obiektu naładowanego elektrostatycznie. Ekwipotencjalne przecinają wszystkie linie sił pod kątem prostym. Muszą również leżeć równolegle do powierzchni przewodnika , w przeciwnym razie wytworzyłoby to siłę, która przesunie nośniki ładunku do wyrównania potencjału powierzchni.

Pole elektryczne zostało formalnie zdefiniowane jako siła wywierana na jednostkę ładunku, ale pojęcie potencjału pozwala na bardziej użyteczną i równoważną definicję: pole elektryczne jest lokalnym gradientem potencjału elektrycznego. Zazwyczaj wyrażony w woltach na metr, kierunek wektora pola jest linią o największym nachyleniu potencjału i gdzie ekwipotencjalne leżą najbliżej siebie.

Elektromagnesy

Przewód prowadzi prąd w kierunku czytnika.  Koncentryczne okręgi reprezentujące okrąg pola magnetycznego w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara wokół przewodu, widziany przez czytelnika.
Pole magnetyczne krąży wokół prądu

Odkrycie Ørsteda w 1821 r., że pole magnetyczne istniało wokół wszystkich stron drutu przewodzącego prąd elektryczny, wskazuje na bezpośredni związek między elektrycznością a magnetyzmem. Co więcej, oddziaływanie to wydawało się różnić od sił grawitacyjnych i elektrostatycznych, dwóch znanych wówczas sił natury. Siła działająca na igłę kompasu nie kierowała jej do przewodu przewodzącego prąd ani od niego, lecz działała do niego pod kątem prostym. Słowa Ørsteda brzmiały, że „konflikt elektryczny działa w sposób rotacyjny”. Siła zależała również od kierunku prądu, bo jeśli przepływ był odwrócony, to siła też.

Ørsted nie w pełni zrozumiał swoje odkrycie, ale zauważył, że efekt jest wzajemny: prąd wywiera siłę na magnes, a pole magnetyczne wywiera siłę na prąd. Zjawisko to zbadał dalej Ampère , który odkrył, że dwa równoległe przewody przewodzące prąd wywierają na siebie siłę: dwa przewody przewodzące prądy w tym samym kierunku są przyciągane do siebie, podczas gdy przewody zawierające prądy w przeciwnych kierunkach są rozsuwane. Interakcja odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego wytwarzanego przez każdy prąd i stanowi podstawę międzynarodowej definicji ampera .

Schemat przekrojowy małego silnika elektrycznego
Silnik elektryczny wykorzystuje ważny efekt elektromagnetyzmu: prąd płynący przez pole magnetyczne działa pod kątem prostym zarówno do pola, jak i prądu

Ta zależność między polami magnetycznymi a prądami jest niezwykle ważna, ponieważ doprowadziła do wynalezienia silnika elektrycznego przez Michaela Faradaya w 1821 roku. Silnik homopolarny Faradaya składał się z magnesu stałego umieszczonego w kałuży rtęci . Prąd przepuszczano przez drut zawieszony na osi nad magnesem i zanurzony w rtęci. Magnes wywierał styczną siłę na drut, powodując, że krążył wokół magnesu tak długo, jak utrzymywał się prąd.

Eksperymenty Faradaya w 1831 r. wykazały, że drut poruszający się prostopadle do pola magnetycznego wytworzył różnicę potencjałów między jego końcami. Dalsza analiza tego procesu, zwanego indukcją elektromagnetyczną , pozwoliła mu na sformułowanie zasady, znanej obecnie jako prawo indukcji Faradaya , że różnica potencjałów indukowana w obwodzie zamkniętym jest proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia magnetycznego w pętli. Wykorzystanie tego odkrycia umożliwiło mu wynalezienie w 1831 roku pierwszego generatora elektrycznego , w którym zamienił energię mechaniczną obracającego się miedzianego dysku na energię elektryczną. Dysk Faradaya był nieefektywny i bezużyteczny jako praktyczny generator, ale wykazywał możliwość generowania energii elektrycznej za pomocą magnetyzmu, możliwość, którą wykorzystaliby ci, którzy byli kontynuatorami jego pracy.

Elektrochemia

Włoski fizyk Alessandro Volta pokazano jego baterię do francuskiego cesarza Napoleona na początku 19 wieku.

Zdolność reakcji chemicznych do wytwarzania elektryczności i odwrotnie zdolność elektryczności do wywoływania reakcji chemicznych ma szeroki wachlarz zastosowań.

Elektrochemia zawsze była ważną częścią elektryczności. Od pierwszego wynalezienia stosu Voltaic, ogniwa elektrochemiczne przekształciły się w wiele różnych typów baterii, ogniw galwanicznych i elektrolitycznych. W ten sposób aluminium jest produkowane w ogromnych ilościach, a wiele urządzeń przenośnych jest zasilanych elektrycznie za pomocą akumulatorów.

Obwody elektryczne

Podstawowy obwód elektryczny . Źródło napięcia V na lewej napędza prąd I na całym obwodzie, dostarczanie energii elektrycznej do rezystora R . Z rezystora prąd powraca do źródła, uzupełniając obwód.

Obwód elektryczny jest połączeniem elementów elektrycznych w taki sposób, że ładunek elektryczny jest zmuszany do przepływu wzdłuż zamkniętej ścieżki (obwodu), zwykle w celu wykonania jakiegoś użytecznego zadania.

Komponenty w obwodzie elektrycznym mogą przybierać różne formy, które mogą obejmować elementy takie jak rezystory , kondensatory , przełączniki , transformatory i elektronika . Obwody elektroniczne zawierają aktywne komponenty , zwykle półprzewodniki , i zazwyczaj wykazują zachowanie nieliniowe , wymagające złożonej analizy. Najprostsze elementy elektryczne to te, które określa się jako pasywne i liniowe : chociaż mogą tymczasowo magazynować energię, nie zawierają jej źródeł i wykazują liniowe reakcje na bodźce.

Rezystor jest prawdopodobnie najprostszy biernych elementów obwodu: jak sama nazwa wskazuje, jest odporny na przepływ prądu przez nią rozpraszającym energię w postaci ciepła. Opór jest konsekwencją ruchu ładunku przez przewodnik: na przykład w metalach opór wynika przede wszystkim ze zderzeń między elektronami i jonami. Prawo Ohma jest podstawowym prawem teorii obwodów , stwierdzającym, że prąd przepływający przez opór jest wprost proporcjonalny do różnicy potencjałów na nim. Rezystancja większości materiałów jest względnie stała w zakresie temperatur i prądów; materiały w tych warunkach określane są jako „omowe”. Ohm , jednostka oporu, został nazwany na cześć Georga Ohma i jest symbolizowane przez grecką literą omów. 1 Ω to rezystancja, która w odpowiedzi na prąd o natężeniu jednego ampera wytworzy różnicę potencjałów wynoszącą jeden wolt.

Kondensator jest opracowanie słoika Leyden i jest urządzeniem, które można przechowywać ładunek i tym samym poprzez zmagazynowanie energii elektrycznej w otrzymanej dziedzinie. Składa się z dwóch płyt przewodzących oddzielonych cienką izolacyjną warstwą dielektryczną ; w praktyce cienkie folie metalowe są zwijane razem, zwiększając pole powierzchni na jednostkę objętości, a tym samym pojemność . Jednostką pojemności jest farad , nazwany na cześć Michaela Faradaya i oznaczony symbolem F : jeden farad to pojemność, która rozwija potencjalną różnicę jednego wolta, gdy przechowuje ładunek jednego kulomba. Kondensator podłączony do źródła napięcia początkowo wytwarza prąd, gdy gromadzi ładunek; prąd ten będzie jednak zanikał w miarę napełniania kondensatora, ostatecznie spadając do zera. Kondensator nie pozwoli więc na prąd w stanie ustalonym , ale zamiast tego blokuje go.

Cewka jest dyrygent, zwykle zwój drutu, który magazynuje energię w polu magnetycznym w odpowiedzi na prąd przez nią. Kiedy zmienia się prąd, zmienia się również pole magnetyczne, indukując napięcie między końcami przewodnika. Indukowane napięcie jest proporcjonalne do szybkości zmian prądu w czasie. Stałą proporcjonalności nazywamy indukcyjnością . Jednostką indukcyjności jest henry , nazwany na cześć współczesnego Faradaya Josepha Henry'ego . Jeden henry to indukcyjność, która indukuje różnicę potencjałów wynoszącą jeden wolt, jeśli przepływający przez nią prąd zmienia się z szybkością jednego ampera na sekundę. Zachowanie cewki indukcyjnej jest pod pewnymi względami odwrotne do zachowania kondensatora: swobodnie dopuszcza niezmienny prąd, ale przeciwstawia się szybko zmieniającemu się.

Energia elektryczna

Moc elektryczna to szybkość, z jaką energia elektryczna jest przesyłana przez obwód elektryczny . SI jednostka zasilania jest wata jeden dżul na sekundę .

Moc elektryczna, podobnie jak moc mechaniczna , to szybkość wykonywania pracy , mierzona w watach i reprezentowana przez literę P . Termin moc jest używany potocznie oznacza „energię elektryczną w watach.” Moc elektryczna w watach wytworzona przez prąd elektryczny I składający się z ładunku Q kulomba co t sekund przechodzącego przez różnicę potencjałów elektrycznych ( napięcia ) V wynosi

gdzie

Q to ładunek elektryczny w kulombach
T jest czasem w sekundach
ja to prąd elektryczny w amperach
V to potencjał elektryczny lub napięcie w woltach

Wytwarzanie energii elektrycznej często odbywa się w procesie konwersji energii mechanicznej na energię elektryczną. Urządzenia takie jak turbiny parowe czy turbiny gazowe biorą udział w produkcji energii mechanicznej, która przekazywana jest do generatorów elektrycznych wytwarzających energię elektryczną. Energia elektryczna może być również dostarczana ze źródeł chemicznych, takich jak baterie elektryczne lub w inny sposób z wielu różnych źródeł energii. Energia elektryczna jest na ogół dostarczana do firm i domów przez przemysł elektroenergetyczny . Energia elektryczna jest zwykle sprzedawana w kilowatogodzinach (3,6 MJ), która jest iloczynem mocy w kilowatach pomnożonej przez czas pracy w godzinach. Zakłady energetyczne mierzą moc za pomocą liczników energii elektrycznej , które na bieżąco rejestrują energię elektryczną dostarczoną do klienta. W przeciwieństwie do paliw kopalnych, energia elektryczna jest formą energii o niskiej entropii i może być przekształcana w ruch lub wiele innych form energii z wysoką wydajnością.

Elektronika

Elementy elektroniczne do montażu powierzchniowego

Elektronika zajmuje się obwodami elektrycznymi, które zawierają aktywne komponenty elektryczne, takie jak lampy próżniowe , tranzystory , diody , optoelektronika , czujniki i układy scalone oraz powiązane technologie pasywnych połączeń wzajemnych. Nieliniowego zachowania składników czynnych i ich zdolność do kontrolowania przepływu elektronów sprawia, że wzmocnienie słabych sygnałów możliwe i elektronika są szeroko stosowane w przetwarzaniu informacji , telekomunikacji i przetwarzania sygnału . Zdolność urządzeń elektronicznych do działania jako przełączniki umożliwia cyfrowe przetwarzanie informacji. Technologie połączeń wzajemnych, takie jak płytki drukowane , technologia pakowania elektroniki i inne różnorodne formy infrastruktury komunikacyjnej, uzupełniają funkcjonalność obwodów i przekształcają zmieszane komponenty w regularnie działający system .

Obecnie większość urządzeń elektronicznych wykorzystuje elementy półprzewodnikowe do sterowania elektronami. Badanie urządzeń półprzewodnikowych i związanych z nimi technologii jest uważane za gałąź fizyki ciała stałego , podczas gdy projektowanie i budowa obwodów elektronicznych w celu rozwiązywania praktycznych problemów zalicza się do inżynierii elektronicznej .

Fala elektromagnetyczna

Prace Faradaya i Ampère'a wykazały, że zmienne w czasie pole magnetyczne działało jako źródło pola elektrycznego, a zmienne w czasie pole elektryczne było źródłem pola magnetycznego. Tak więc, gdy jedno pole zmienia się w czasie, to z konieczności indukowane jest pole drugiego. Zjawisko to ma właściwości fali i jest naturalnie nazywane falą elektromagnetyczną . Fale elektromagnetyczne zostały przeanalizowane teoretycznie przez Jamesa Clerka Maxwella w 1864 roku. Maxwell opracował zestaw równań, które mogą jednoznacznie opisać współzależność między polem elektrycznym, polem magnetycznym, ładunkiem elektrycznym i prądem elektrycznym. Mógł ponadto udowodnić, że taka fala musiałaby poruszać się z prędkością światła , a zatem samo światło było formą promieniowania elektromagnetycznego. Prawa Maxwella , które jednoczą światło, pola i ładunek, są jednym z wielkich kamieni milowych fizyki teoretycznej.

W ten sposób praca wielu badaczy umożliwiła wykorzystanie elektroniki do przekształcania sygnałów na prądy oscylacyjne o wysokiej częstotliwości , a dzięki odpowiednio ukształtowanym przewodnikom energia elektryczna umożliwia przesyłanie i odbieranie tych sygnałów za pomocą fal radiowych na bardzo duże odległości.

Produkcja i zastosowania

Wytwarzanie i transmisja

Wczesne 20 wieku alternator wykonany w Budapeszcie , na Węgrzech , w hali wytwarzającej energię z elektrowni wodnej stacji (fot Prokudin-Gorsky , 1905-1915).

W VI wieku pne grecki filozof Tales z Miletu eksperymentował z bursztynowymi prętami i były to pierwsze badania nad wytwarzaniem energii elektrycznej. Chociaż ta metoda, znana obecnie jako efekt tryboelektryczny , może podnosić lekkie przedmioty i generować iskry, jest niezwykle nieefektywna. Dopiero wynalezienie stosu elektroenergetycznego w XVIII wieku stało się dostępnym źródłem energii elektrycznej. Stos woltaiczny i jego współczesny potomek, bateria elektryczna , magazynują energię chemicznie i udostępniają ją na żądanie w postaci energii elektrycznej. Akumulator jest uniwersalnym i bardzo powszechnym źródłem zasilania, które idealnie nadaje się do wielu zastosowań, ale jego magazynowanie energii jest ograniczone i po rozładowaniu należy go zutylizować lub ponownie naładować. W przypadku dużych wymagań elektrycznych energia elektryczna musi być generowana i przesyłana w sposób ciągły przez przewodzące linie przesyłowe.

Energia elektryczna jest zwykle wytwarzana przez generatory elektromechaniczne napędzane parą wytwarzaną ze spalania paliw kopalnych lub ciepłem uwalnianym z reakcji jądrowych; lub z innych źródeł, takich jak energia kinetyczna pozyskiwana z wiatru lub płynącej wody. Nowoczesna turbina parowa wynaleziona przez Sir Charlesa Parsonsa w 1884 roku wytwarza dziś około 80 procent energii elektrycznej na świecie, wykorzystując różne źródła ciepła. Takie generatory nie przypominają generatora dysku homopolarnego Faradaya z 1831 roku, ale nadal opierają się na jego elektromagnetycznej zasadzie, że przewodnik łączący zmieniające się pole magnetyczne indukuje różnicę potencjałów na jego końcach. Wynalezienie transformatora pod koniec XIX wieku oznaczało, że moc elektryczna mogła być przesyłana wydajniej przy wyższym napięciu, ale niższym prądzie. Wydajny przesył energii elektrycznej oznaczał z kolei, że energia elektryczna mogła być wytwarzana w scentralizowanych elektrowniach , gdzie korzystała z ekonomii skali , a następnie być wysyłana na stosunkowo duże odległości tam, gdzie jest potrzebna.

Farma wiatrowa złożona z kilkunastu trzyłopatowych białych turbin wiatrowych.
Energetyka wiatrowa ma coraz większe znaczenie w wielu krajach

Ponieważ energii elektrycznej nie można łatwo magazynować w ilościach wystarczających do zaspokojenia zapotrzebowania na skalę krajową, przez cały czas należy wyprodukować dokładnie tyle, ile jest to wymagane. Wymaga to od zakładów energetycznych dokładnego przewidywania swoich obciążeń elektrycznych i utrzymywania stałej koordynacji z ich elektrowniami. Pewna ilość energii musi być zawsze utrzymywana w rezerwie, aby amortyzować sieć elektryczną przed nieuniknionymi zakłóceniami i stratami.

Popyt na energię elektryczną rośnie bardzo szybko wraz z modernizacją narodu i rozwojem gospodarki. Stany Zjednoczone wykazywały 12-procentowy wzrost popytu w ciągu każdego roku w pierwszych trzech dekadach XX wieku, co jest tempem wzrostu, którego obecnie doświadczają gospodarki wschodzące, takie jak Indie czy Chiny. Historycznie tempo wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną przewyższało tempo wzrostu innych form energii.

Zagadnienia środowiskowe związane z wytwarzaniem energii elektrycznej doprowadziły do ​​większego skupienia się na wytwarzaniu ze źródeł odnawialnych , w szczególności z wiatru i słońca . Chociaż można oczekiwać, że debata będzie kontynuowana na temat wpływu na środowisko różnych sposobów produkcji energii elektrycznej, jej ostateczna forma jest stosunkowo czysta.

Aplikacje

Żarówki , wczesne stosowanie elektrycznej działa poprzez zjawisko Joule'a ogrzewania : przepływ prądu przez odporności wytwarzających ciepło

Energia elektryczna jest bardzo wygodnym sposobem przesyłania energii i została dostosowana do ogromnej i stale rosnącej liczby zastosowań. Wynalezienie praktycznej żarówki żarowej w latach 70. XIX wieku spowodowało, że oświetlenie stało się jednym z pierwszych publicznie dostępnych zastosowań energii elektrycznej. Chociaż elektryfikacja niosła ze sobą własne niebezpieczeństwa, zastąpienie otwartego płomienia gazowym oświetleniem znacznie zmniejszyło zagrożenie pożarowe w domach i fabrykach. W wielu miastach powstały zakłady użyteczności publicznej, których celem jest rozwijający się rynek oświetlenia elektrycznego. Pod koniec XX wieku iw czasach nowożytnych zaczął płynąć trend w kierunku deregulacji w sektorze elektroenergetycznym.

Oporowa Joule'a grzewczego efektu stosuje się włókien żarówek widzi również bardziej bezpośrednie zastosowanie w ogrzewania elektrycznego . Chociaż jest to wszechstronne i możliwe do kontrolowania, może być postrzegane jako marnotrawstwo, ponieważ większość wytwarzania energii elektrycznej wymagała już produkcji ciepła w elektrowni. Wiele krajów, takich jak Dania, wydało przepisy ograniczające lub zakazujące stosowania oporowego ogrzewania elektrycznego w nowych budynkach. Elektryczność jest jednak nadal bardzo praktycznym źródłem energii do ogrzewania i chłodzenia , przy czym klimatyzacja / pompy ciepła reprezentują rosnący sektor zapotrzebowania na energię elektryczną do ogrzewania i chłodzenia, czego skutki są coraz bardziej zmuszone do uwzględnienia przez przedsiębiorstwa energetyczne.

Elektryczność jest wykorzystywana w telekomunikacji i rzeczywiście telegraf elektryczny , zademonstrowany komercyjnie w 1837 roku przez Cooke'a i Wheatstone'a , był jednym z jego najwcześniejszych zastosowań. Wraz z budową pierwszych transkontynentalnych , a następnie transatlantyckich systemów telegraficznych w latach 60. XIX wieku elektryczność umożliwiła komunikację na całym świecie w ciągu kilku minut. Komunikacja światłowodowa i satelitarna zajęły udział w rynku systemów komunikacyjnych, ale można oczekiwać, że energia elektryczna pozostanie istotną częścią tego procesu.

Skutki elektromagnetyzmu są najbardziej widoczne w silniku elektrycznym , który zapewnia czysty i wydajny środek siły napędowej. Silnik stacjonarny, taki jak wyciągarka, jest łatwo zasilany, ale silnik, który porusza się wraz z jego zastosowaniem, taki jak pojazd elektryczny , musi albo nosić ze sobą źródło zasilania, takie jak akumulator, albo pobierać prąd z kontakt ślizgowy, taki jak pantograf . Pojazdy z napędem elektrycznym są wykorzystywane w transporcie publicznym, takie jak autobusy elektryczne i pociągi, a także coraz więcej samochodów elektrycznych na baterie będących własnością prywatną.

Urządzenia elektroniczne wykorzystują tranzystor , być może jeden z najważniejszych wynalazków XX wieku i fundamentalny element wszystkich nowoczesnych obwodów. Nowoczesny układ scalony może zawierać kilka miliardów zminiaturyzowanych tranzystorów w obszarze zaledwie kilku centymetrów kwadratowych.

Elektryczność i świat przyrody

Efekty fizjologiczne

Napięcie przyłożone do ludzkiego ciała powoduje przepływ prądu elektrycznego przez tkanki i chociaż zależność jest nieliniowa, im większe napięcie, tym większy prąd. Próg percepcji zmienia się wraz z częstotliwością zasilania i ścieżką prądu, ale wynosi około 0,1 mA do 1 mA dla prądu o częstotliwości sieciowej, chociaż prąd tak niski jak mikroamper może być wykrywany jako efekt elektrowibracji w pewnych warunkach. Jeśli prąd jest wystarczająco wysoki, spowoduje skurcze mięśni, migotanie serca i oparzenia tkanek . Brak widocznych oznak naelektryzowania przewodnika sprawia, że ​​elektryczność stanowi szczególne zagrożenie. Ból spowodowany porażeniem prądem może być intensywny, co czasami prowadzi do stosowania elektryczności jako metody tortur . Śmierć spowodowana porażeniem prądem określana jest jako porażenie prądem . W niektórych jurysdykcjach porażenie prądem jest nadal środkiem egzekucji sądowej , chociaż ostatnio rzadziej się jej używa.

Zjawiska elektryczne w przyrodzie

Węgorz elektryczny, Electrophorus electricus

Elektryczność nie jest wynalazkiem człowieka iw przyrodzie można ją zaobserwować w kilku postaciach, której głównym przejawem jest błyskawica . Wiele interakcji znanych na poziomie makroskopowym, takich jak dotyk , tarcie czy wiązanie chemiczne , wynika z interakcji między polami elektrycznymi w skali atomowej. Uważa się, że ziemskie pole magnetyczne powstaje z naturalnego dynama prądów krążących w jądrze planety. Niektóre kryształy, takie jak kwarc , a nawet cukier , pod wpływem zewnętrznego ciśnienia generują na swoich powierzchniach różnicę potencjałów. Zjawisko to jest znane jako piezoelektryczność , od greckiego piezein (πιέζειν), oznaczającego prasowanie i zostało odkryte w 1880 roku przez Pierre'a i Jacques'a Curie . Efekt jest wzajemny i gdy materiał piezoelektryczny zostanie poddany działaniu pola elektrycznego, następuje niewielka zmiana wymiarów fizycznych.

§Bioelektrogeneza w życiu drobnoustrojów jest ważnym zjawiskiem w ekologii gleb i osadów, wynikającym z oddychania beztlenowego . Do drobnoustrojów ogniw paliwowych naśladuje to wszechobecne zjawisko naturalne.

Niektóre organizmy, takie jak rekiny , są w stanie wykryć i reagować na zmiany w polach elektrycznych, zdolność znaną jako elektrorecepcja , podczas gdy inne, określane jako elektrogeniczne , są w stanie samodzielnie generować napięcia, które służą jako broń drapieżna lub obronna. Rząd Gymnotiformes , którego najbardziej znanym przykładem jest węgorz elektryczny , wykrywa lub ogłusza swoją ofiarę za pomocą wysokiego napięcia generowanego przez zmodyfikowane komórki mięśniowe zwane elektrocytami . Wszystkie zwierzęta przekazują informacje przez błony komórkowe za pomocą impulsów napięciowych zwanych potencjałami czynnościowymi , których funkcje obejmują komunikację układu nerwowego między neuronami a mięśniami . Porażenie prądem stymuluje ten system i powoduje skurcze mięśni. Potencjały czynnościowe są również odpowiedzialne za koordynację działań w niektórych roślinach.

Percepcja kulturowa

W 1850 roku William Gladstone zapytał naukowca Michaela Faradaya, dlaczego energia elektryczna jest cenna. Faraday odpowiedział: „Pewnego dnia, proszę pana, możesz go opodatkować”.

W XIX i na początku XX wieku elektryczność nie była częścią codziennego życia wielu ludzi, nawet w uprzemysłowionym świecie zachodnim . Popularna kultura czasu odpowiednio często przedstawiany jako tajemnicza, quasi-magiczne siły, która może zabić życie, ożywić martwy lub w inny sposób naginać prawa natury. Ta postawa zaczęła się od eksperymentów Luigiego Galvaniego z 1771 roku, w których nogi martwych żab drgały pod wpływem energii elektrycznej zwierzęcia . „Rewitalizacja” lub reanimacja pozornie zmarłych lub utopionych osób została opisana w literaturze medycznej wkrótce po pracy Galvaniego. Te wyniki były znane Mary Shelley, kiedy stworzyła Frankensteina (1819), choć nie wymienia metody rewitalizacji potwora. Rewitalizacja potworów za pomocą elektryczności stała się później motywem przewodnim horrorów.

W miarę jak rosło publiczne zaznajomienie się z elektrycznością jako siłą napędową drugiej rewolucji przemysłowej , jej posiadacze coraz częściej byli rzucani w pozytywnym świetle, na przykład robotnicy, którzy „dotykają śmierci palcem na końcu rękawicy, gdy rozkładają i przerabiają żywe przewody” w Wiersz Rudyarda Kiplinga z 1907 r. Synowie Marty . Pojazdy z napędem elektrycznym wszelkiego rodzaju pojawiały się w opowieściach przygodowych, takich jak Jules Verne i książki Toma Swifta . Mistrzowie elektryczności, fikcyjni lub prawdziwi — w tym naukowcy tacy jak Thomas Edison , Charles Steinmetz czy Nikola Tesla — byli powszechnie uważani za posiadających moce czarodziejów.

Ponieważ elektryczność w drugiej połowie XX wieku przestała być nowością i stała się koniecznością życia codziennego, wymagała szczególnej uwagi kultury popularnej dopiero wtedy, gdy przestaje płynąć, co zwykle sygnalizuje katastrofę. Ludzie, którzy ją podtrzymują , tacy jak bezimienny bohater piosenki Jimmy'ego WebbaWichita Lineman ” (1968), nadal często są obsadzani w postaci bohaterskich, przypominających czarodziejów postaci.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Linki zewnętrzne