История электричества

Что такое электричество

Электричество — форма энергии, обусловленная движением частиц материи (электронов)

Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц. Само движение заряженных частиц возникает под действием электромагнитного поля — одного из фундаментальных физических взаимодействий. Он делится на:

•  Постоянный ток— постоянное направленное в одном направлении движение заряженных частиц.
•  Переменный ток — ток при котором с течением времени направление движения частиц изменяется.
• Пульсирующий ток — периодический ток, среднее значение за период которого отлично от нуля.

Мощность электрического тока определяется по закону ома: I = U/R (сила тока = напряжение/сопротивление). Если известны два значения, то легко определить третье, так как если I = U/R, то, R = U/I, а U = I x R. Это можно запомнить с помощью диаграммы:

Напряжение — скалярная физическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля (включая сторонние поля), совершаемой при переносе единичного пробного электрического заряда из точки А в точку Б. Проще говоря это разность значений потенциалов между двумя точками, то что побуждает энергию к движению.

Сопротивление — физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

Преимущественное большинство электроэнергии, добываемой или генерируемой в мире, выпадает на переменный ток. Связано это с тем, что он значительно проще поддаётся трансформации из более низкого напряжения в более высокое и наоборот. Таким образом он значительно проще для передачи по ЛЭП на большие расстояния. Также с помощью переменного тока можно реализовать многофазную систему, с помощью которой можно привести в движение электрические машины, в частности асинхронные двигатели. Или, при необходимости, ещё больше повысить эффективность системы электроснабжения, так как для передачи электричества аналогичной мощности потребуется меньше проводов, а трёхфазные трансформаторы значительно меньше однофазных аналогичной мощности.

Многофазные электрические цепи — цепи, в которых действуют созданные общим источником равносильные синусоидальные ЭДС одинаковой частоты «сдвинутые» относительно друг друга во времени.

Синусоиды токов в трёхфазной цепи

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная величина, характеризующая способность сторонних сил создавать большую или меньшую разность потенциалов на полюсах источника тока.

Главными же недостатками переменного тока являются наличие реактивной мощности и скин-эффект. Из-за первого часть энергии бессмысленно затрачивается при циркуляции между генератором и нагрузкой, а из-за второго он протекает не по всему сечению провода, а лишь ближе к его поверхности, что приводит к увеличению сопротивления проводника и дополнительной потере мощности.

Различные пульсирующие токи отличаются друг от друга формой (если напряжение никогда не уменьшается до нуля), а также длительностью и частотой импульсов (если в некоторые периоды времени ток отсутствует) и зависит от того каким образом его получили из переменного, либо на инверторе из постоянного.

Пульсирующий ток используется в усилителях, выпрямителях, радиоприемниках, генераторах, телевизорах, а также в угольных микрофонах, телеграфных аппаратах и во многих других приборах.

Также, поскольку синусоида тока может быть разной формы и сдвинута во времени, существуют источники питания, которые имеют два выходных канала, напряжение которых равны, но имеют противоположную полярность относительно общей точки. Это называется двухполярное напряжение.

Такой двухполярный метод питания приборов часто используется в различного рода электронике. Например, в усилителях это оптимальный способ повысить качество исходящего сигнала, а в измерительной технике многие сигналы, которые надо измерять и обрабатывать, сами по себе имеют как плюс, так и минус, то есть являются двухполярными.

Где электричество встречается в природе

Во всём, что нас окружает, присутствуют отрицательные и положительные электрические заряды. Если 2 предмета имеют сильные противоположные заряды, то они стремятся их уравновесить и притягиваются. Если однополярные заряды — отталкиваются

Трение — сила, возникающая между двумя телами и препятствующая скольжению одного объекта о поверхность другого. И поскольку некоторым материалам, грубо говоря, легче оторвать лишние электроны от другого при нем возникает статическое электричество — явление, при котором происходит переход отрицательного заряда одного атома в другой, с более положительным зарядом. Ещё в древней Греции было обнаружено, что при натирании янтаря овечьей шерстью янтарь начинает притягивать лёгкие мелкие объекты по типу опилок или волос. Это происходит как раз из — за того, что в нем скопился небольшой заряд статического электричества.

Молнии — электрические разряды, возникающие при высоком уровне разности заряда между облаками и землёй. Из-за трения между опускающимися каплями воды и поднимающимися частицами льда внутри облака происходит ионизация — процесс, при котором от молекул вещества отрываются электроны, в результате чего образуется пара из положительно заряженной молекулы, с недостающим электроном, и отрицательно заряженной, с одним «бонусным» электроном.

Отрицательный заряд скапливается в нижней части облака и когда разность заряда с землёй становится достаточно большой, происходит разряд. Если рядом с местом разряда выпирая над поверхности земли будет находиться какой либо выступающий в роли проводника объект (например, шпиль храма, дерево или столб ЛЭП), то молния пойдёт в землю по пути наименьшего сопротивления, таким образом и работает молниеотвод.

Огни святого Эльма — свечение, возникающее на заостренных концах предметов (например, на скалах в горах, шпилях соборов и мачтах кораблей). Они также как и молнии образуются при высоком уровне ионизации среды и зачастую предшествуют грозе или метели. Когда избыточный отрицательный заряд «стекает» по шпилю, выступающему как молниеотвод, наэлектризованность атмосферы снижается, а энергия расходуется на свечение.

Также активно используют электричество живые существа, в том числе и нервная система в организме человека. Яркими примерами этого будут электрические скаты, имеющие специальные органы и основанный на электричестве метод самозащиты, точное описание которых составили анатомы Джон Уолш и Джон Хантер в 1773 году.

Между внутренней и наружной стороной клеточной мембраны поддерживается разность потенциалов из-за неравной концентрации ионов внутри и снаружи клетки. У «электрических» рыб есть клетки-электроциты (1), собранные в столбики (2). К каждой подходит нервное окончание (3), образующее синапс (4), который занимает одну из сторон клетки.

И также известный эксперимент Луиджи Гальвани 1791 года, при котором отрезанная от тела лягушачья лапка начинает дёргаться при стимуляции током нерва, из-за чего происходит сокращение мышц.

Луиджи Гальвани 1737 г. — 1798 г.

Первые генераторы

Исходя из опыта с трением и янтарём многие экспериментаторы предполагали, что можно увеличить объект и интенсивность трения, чтобы получить заряд большей силы.

Так в 1663 году Отто Фон Герике изобрёл один из первых генераторов, который производил заряд трением. Устройство состояло из насаженного на вращающуюся ось большого изготовленного из серы шара. При трении о сухую руку шар наэлектризовывался и, как и в случае с янтарём, к нему прилипали или отталкивались другие имеющие заряд тела и кроме того, он потрескивал и в темноте излучал слабое и малозаметное, но тем не менее свечение, которое позже было названо электролюминесцентным.

Отто Фон Герике 1602 г. — 1686 г.

В 1706 году Френсис Хоксби создал свой генератор, в котором использовал не серный, как у более ранних устройств у других экспериментаторов, а стеклянный шар, из которого при помощи насоса выкачали воздух. При трении во время вращения внутри стеклянного шара появлялось более заметное свечение, выделяющее контуры касающейся его руки человека, после чего некоторое время продолжало двигаться вдоль внутренней поверхности шара само по себе. И хотя с помощью первых конденсаторов можно было «собрать» заряд, использовалось устройство обычно для демонстрации заметных невооруженным глазом электрических явлений публике.

Френсис Хоксби 1666 г. — 1713 г.

Электрическая машина Хоксби

К более продвинутым генераторам относится электрофорная машина, она же генератор Уимсхёрта, которая была разработана в начале 1880-ых годов британским изобретателем Джеймсом Уимсхёртом. В ней используется уже электромагнитная индукция — явление возникновение электрического поля или электрического тока при изменении магнитного поля, когда разница зарядов стремится уравновеситься.

Это устройство представляет собой два заизолированных вращающихся в противоположных друг другу направлениях диска, на которые нанесены проводящие секторы — пластинки. Несмотря на то, что вселенная стремится к электромагнитному равновесию где-то то и дело возникает разница зарядов. Потому при вращении дисков заряд с одной пластинки будет снимать заряд с противоположной, его тут же можно снять металлической щеткой, после чего он сохраняется на полюсах машины, представленных в виде лейденских банок, в которых накапливаются противоположные электрические заряды.

Джеймс Уимсхёрт 1832 г. — 1903 г.

Электрофорная машина

Открыта электромагнитная индукция была Майклом фарадеем в 1831 году, и для её наглядной демонстрации был создан униполярный генератор Фарадея. Уже давно было понятно что магнетизм и ток связаны, на самом же деле это проявления одного и того же явления. Поэтому если взять магнит вращать его рядом с обмоткой проволоки, то там начинает течь ток.

Этот генератор содержал раскручивающийся проводящий диск, подвергающийся воздействию постоянного магнитного поля. При этом вырабатывался ток, причём значительное его количество.

Другое изобретение фарадея трансформатор — устройство путём электромагнитной индукции преобразующее переменный ток одной величины в переменный ток другой величины, большей или меньшей.

Майкл Фарадей 1791 г. — 1867 г.

Генератор Фарадея

Уже через несколько десятилетий, в 1856 году, был создан близкий по свойствам к современным генератор постоянного тока немецкого инженера и промышленника Вернера Сименса, также известный как динамо-машина. В нём уже вместо постоянного магнита часть электричества шла на электромагниты, что сделало магнитное поле и, следовательно, исходящий ток значительно сильнее. Вскоре благодаря своим электродинамическим свойствам динамо-машина стала первым генератором, который применялся в промышленности. Также Симменс продал права на свой генератор американскому промышленнику Джорджу Вестенгаузу.

Вернер Сименс 1816 г. — 1896 г.

Прорыв связанный с появлением динамо машины нельзя недооценивать. Появилась возможность вырабатывать ток любой силы дешёвым и удобным способом везде, где есть свободная механическая энергия. Через 12 лет, когда динамо машина была внедрена, постепенно электричество начало применяться повсеместно, так в 1879 году появилась первая электрическая железная дорога, в 1880 первый электролифт, а в 1881 первая линия электрического трамвая в Берлине.

Динамо машина

Первый же асинхронный двигатель переменного тока, как и систему трёхфазного тока, в 1889 году изобрёл Михаил Доливо-Добровольский. Конструкция разработанного тогда асинхронного двигателя оказалась настолько эффективна, что до настоящего времени не претерпела каких либо изменений.

Главной особенностью асинхронного двигателя Доливо-Добровольского является ротор с обмоткой в виде «беличьей клетки». Принцип действия асинхронного двигателя заключается в том, что ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле, которое в свою очередь наводит ток в роторе. Магнитные поля начинают взаимодействовать, и ротор приводится в движение, поскольку поля относительно друг друга стремятся стать взаимно неподвижными.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский 1862 г. — 1919 г.

Первые аккумуляторы

Первое устройство, способное как конденсатор сохранять электрический заряд, отчасти было открыто волей случая. На момент середины восемнадцатого века Хоксби и люди до него нашли способы электричество производить, но нужно было найти способ его сохранить. Питер Мушенбрук, проводивший эксперименты в голландском городе Лейден, предполагал, что электричество является текучим, имея туже природу, что и жидкость. А это значит, что его можно поместить в сосуд.

Мушенбрук взял стеклянную банку, налил в неё немного воды и поставил её на изоляционный материал, что должно было удержать электричество в банке, после чего погрузил внутрь конец провода, подсоединённого к электрической машине Хоксби, которая была источником заряда. Но как бы он не старался заметный глазу заряд в банке не сохранялся.

Спустя множество попыток он забыл поставить банку на изолятор, вместо чего держал её за в руке пока та заряжалась. В итоге вышло так, что учёный дотронулся до верха банки другой рукой, получив крайне мощный электрический удар. Так в 1746 году опытным путём было выяснено, что такая банка может быть устройством для хранения заряда. Названа эта банка была в честь родного города Мушенбрука — «лейденская банка». Кстати говоря, позже он обратил внимание, на то, что физиологическое воздействие заряда схоже с ударом скатов, которых он первым назвал «электрическими».

Питер Ван Мушенбрук 1692 г. — 1761 г.

Лейденская банка

Из-за того, что феномен лейденской банки был открыт случайно, никто не имел чёткого представления о том, как именно она работала. Но менее чем через 10 лет после этого открытия Бенджамин Франклин предложил знаменитый эксперимент, впервые доказавший электрическую природу молний.

Первыми, кто успешно провели этот эксперимент, были французские учёные Жорж-Луи Леклерк де Бюффон и Томас-Франсуа Далибар. В 1752 году, вдохновившись публикацией Франклина 1750 года, они установили 12-ти метровый металлический шест, нижний край которого вёл в пустую бутылку, в которой заряд должен был остаться по тому же принципу, что и в лейденской банке. Эксперимент был успешен и в бутылке остался заряд.

После этого Франклин первым предположил, что электричество имеет природу неких положительно и отрицательно заряженных полей, отличающихся по природе своей от жидкости или газа, и присутствующих у каждого объекта, стремящихся уравновесить друг друга. Потому отрицательные «флюиды» заряда попадают в ловушку за счёт стенок банки, выступающих в роли изолятора. Но поскольку не только отрицательный заряд стремится к равновесию, то с ростом заряда внутри банки положительный начинает расти снаружи.

Именно поэтому когда человек, держащий банку за изолированную внешнюю часть, касается верхней, не изолированной части, замыкается цепь, по которой противоположные заряды начинают течь друг к другу.

Бенджамин Франклин 1706 г. — 1790 г.

Другое важное открытие в 1792 — 1794 годах совершил Алекссандро Вольта. В это время была популярна теория «животного электричества», предложенная Гальвани.В его экспериментах подвешенные на медных крючках лапки свежепрепарированной лягушки сокращались при прикосновению стального стержня к нерву. Тот считал данное явление чем-то уникальным, приводящее в движение организм «животное электричество» уникальным процессом, отличающимся от других видов энергии.

Вольта же считал иначе, он воспринимал результаты экспериментов Гальвани как очередное проявление обычного электричества, а движение мышц всего лишь индикатором, а значит «животное электричество» можно воссоздать и без животных. Через некоторое время он пришёл к выводу, что оно возникает в замкнутой цепи из разнородных металлов и жидкости.

Алекссандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта 1745 г. — 1827 г.

Позже он обнаружил, что если между металлической и медной пластинками расположить смоченное разбавленной кислотой сукно, а потом создать между ними перемычку, можно ощутить электрический заряд. Причём не единственный разряд, как это было с лейденской банкой, а постоянный вытекающий из столба поток. Именно тогда был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент, и зародился термин «электрический ток».

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух веществ, когда в ходе окислительно-восстановительной реакции в электролите избыточные электроны «перетекают» из анода в катод.

Гальванический элемент

Когда принцип получения тока из такого элемента был доработан появился Вольтов столб, состоящий из элементов Вольта с медными и цинковыми пластинами, фактически являющийся первой батарейкой.

Вольтов Столб

Первое электрическое освещение

Дуговые лампы — лампы, в которых источником света является электрическая дуга, возникающая между двумя угольными электродами или электродами из тугоплавкого металла.

Идея использования электрического свечения в качестве искусственного освещения напрашивалась сама собой и многие проводили исследования в этой области и пытались воплотить идею в жизнь. Открыли явление электрической дуги независимо друг от друга российский академик В. В. Петров и Британские исследователи Хамфри Дэви (1778 г. — 1829 г.) и Уильям Петри (1821 г. — 1908 г.). Однако на тот момент времени не было подходящих стабильных источников питания, а серийное производство дуговых ламп Уильяма Петри обернулось финансовой катастрофой, так как было слишком затратным, а сами лампы пожароопасными.

Лишь к концу 1876 году Павел Яблочков продемонстрировал и запатентовал «Электрическую дуговую лампу» с параллельно расположенными электродами, которая получила широкое распространение во многих городах мира.

Павел Николаевич Яблочков 1847 г. — 1894 г.

Дуговая лампа Яблочкова (без стеклянного колпака)

Лампы накаливания — лампы, в которых источником света является находящаяся в инертной среде, раскалённая под действием сопротивления проходящему электрическому току угольная нить, либо нить из тугоплавкого металла (обычно вольфрама).

Было большое множество изобретателей, которым пришла идея использовать для освещения не саму электрическую дугу, а разогретое электрическим током вещество. Самым первым кто изобрёл такое устройство был Уоррен де ла Рю в 1940 году. В его изобретении использовалась помещённая в стеклянный цилиндр представленная в форме спирали платиновая нить.

Уоррен де ла Рю 1815 г. — 1889 г.

Один же из первых коммерчески успешных вариантов лампы накаливания в 1879 году создал Томас Эдисон. Взяв за основу эксперименты других исследователей из разных стран он, вместе со своей командой, создал лампу с угольным волокном и временем жизни 40 часов. В будущем, с дальнейшими экспериментами по подбору материала нити, удалось несколько увеличить время работы, хотя первые лампы всё равно имели непродолжительный срок службы. В общей сложности Эдисон провёл около 1500 испытаний различных материалов и ещё около 6000 опытов по карбонизации различных растений. Так же вместе с конструкцией лампы он доработал принципы системы освещения и электроснабжения, благодаря чему, в совокупности с меньшей стоимостью и пожароопасностью, чем у дуговых ламп и газового освещения, лампы Эдисона получили большую популярность.

Томас Алва Эдисон 1847 г. — 1931 г.

Передача электричества и «Война токов»

В определённый момент времени люди поняли, что одними аккумуляторами должным образом электричество не обеспечишь. Томас Эдисон, продвигая свой метод электрического освещения, также задумался о поставке электричества потребителю. Он предложил использовать большое количество электростанций с генераторами постоянного тока для питания электричеством освещения, благодаря чему можно было успешно осветить густонаселённые районы с обеспеченными клиентами. Но такой метод не мог окупить строительство дорогостоящих электростанций везде, так как чем длиннее провод, между генератором постоянного тока и потребителем, тем больше теряется энергии, поскольку кабель имеет собственное сопротивление.

Другой решающий проблему поставки электроэнергии на большие расстояния метод придумал изобретатель Никола Тесла, работавший некоторое время до этого у Эдисона. Для того, чтобы обеспечить электричеством от одной станции не одну улицу, а целые города, компенсировав проблему сопротивления, он предложил увеличить напряжение тока в общем кабеле снижая его в кабеле потребителя, что было невозможно сделать с постоянным током. Но можно было реализовать с помощью переменного тока и катушек индуктивности вышеупомянутого трансформатора.

Никола Тесла 1856 г. — 1943 г.

Достижение было огромным, но ему ещё нужно было убедить мир в превосходстве этого метода, так как Эдисон, строивший электростанции по всему Нью-Йорку, верил в то, что его идея с постоянным током лучше и сопряжена с меньшим количеством рисков. В этот момент Тесла познакомился с Джорджом Вестенгаузом, тем самым которому продал свой генератор Сименс, что и позволило экспериментировать с переменным током. Вестенгауз предложил купить патенты Теслы, после чего началось их открытое коммерческое противостояние с Эдисоном, прозванное «война токов».

Джордж Вестенгауз 1846 г — 1914

Очевидно, что оба лагеря пытались перебить цены противника и тому подобное, но был ещё и другой момент. Касание к кабелю постоянного тока с низким напряжением было болезненным, но относительно безвредным. В то время как кабели переменного тока Теслы, у которых было огромное напряжение, были значительно опаснее для жизни. Эдисон сделал упор именно на это, рассказывая публике о вызванных короткими замыканиями пожарах и несчастных случаях с рабочими Теслы и Вестенгауза.

Также то, что переменный ток действует значительно быстрее, пытался демонстрировать инженер Гарольд Браун, в экспериментах которого на подопытных животных демонстрировалось летальное воздействие на организм крупных млекопитающих постоянного и переменного токов. Такие эксперименты привели к неожиданным результатам. Американские политики стали убеждены, что наиболее гуманным способом казни является использование переменного тока. Так в 1890 году была проведена первая казнь на печально известном «электрическом стуле».

В свою очередь Никола Тесла, искренне увлечённый тем, как передаётся в различных средах ток и возникает молния, в аппозицию придумывал различные эффектные демонстрации и выступления, многие из которых казались публике чем-то магическим. Например он разработал метод получения токов очень высокой частоты. Высокие частоты порядка выше 20 килогерц нервная система человека перестаёт замечать, потому слабые переменные токи очень высокой частоты не, нагревающие ткани организма, и не причиняют боли вообще. Без защиты он мог держать лампу, питаемую проходящим через его тело электричеством. Главной целью таких демонстраций было показать, что при правильном использовании переменный ток не опаснее постоянного.

По итогу Тесла и Вестенгауз выиграли «войну токов», так как их метод был экономически выгоднее.Если бы мир придерживался подхода Эдисона, то повсюду стояли бы занимающие много места генераторы, а во многих жилых районах в принципе отсутствовалоэлектроснабжение. Проще провести кабель высокого напряжения от электростанции к жилому району, установив отделяющие трансформаторы, потому этот метод применяется до сих пор.