Alebo elektrický šok nazývaný smerovo sa pohybujúci prúd nabitých častíc, ako sú elektróny. Elektrina sa nazýva aj energia získaná v dôsledku takéhoto pohybu nabitých častíc a osvetlenia, ktoré sa získava na základe tejto energie. Pojem „elektrina“ zaviedol anglický vedec William Gilbert v roku 1600 vo svojej eseji O magnete, magnetických telesách a veľkom magnete, Zemi.
Gilbert robil pokusy s jantárom, ktorý v dôsledku trenia o látku dokázal pritiahnuť iné svetelné telesá, to znamená, že získal určitý náboj. A keďže jantár sa z gréčtiny prekladá ako elektrón, jav, ktorý vedca pozoroval, nazvali „elektrina“.
Elektrina
Trochu teórie o elektrine
Elektrina je schopná vytvárať elektrické pole okolo vodičov elektrického prúdu alebo nabitých telies. Pomocou elektrického poľa je možné ovplyvňovať ďalšie telesá, ktoré majú elektrický náboj.fv
Elektrické náboje, ako každý vie, sa delia na kladné a záporné. Táto voľba je podmienená, ale vzhľadom na to, že sa už dlho uskutočnila historicky, len z tohto dôvodu je každému náboju priradené určité znamienko.
Telesá, ktoré sú nabité rovnakým typom znamenia, sa navzájom odpudzujú a tie, ktoré majú iný náboj, sa naopak priťahujú.
Pri pohybe nabitých častíc, teda existencii elektriny, vzniká okrem elektrického poľa aj pole magnetické. To vám umožní nastaviť vzťah medzi elektrinou a magnetizmom.
Zaujímavosťou je, že existujú telesá, ktoré vedú elektrický prúd alebo telesá s veľmi vysokým odporom.To objavil anglický vedec Stephen Gray v roku 1729.
Štúdium elektriny, úplne a zásadne, sa zaoberá takou vedou, ako je termodynamika. Kvantové vlastnosti elektromagnetických polí a nabitých častíc však skúma úplne iná veda – kvantová termodynamika, avšak niektoré kvantové javy možno celkom jednoducho vysvetliť bežnými kvantovými teóriami.
Základy elektriny
História objavu elektriny
Na úvod treba povedať, že neexistuje taký vedec, ktorý by sa dal považovať za objaviteľa elektriny, keďže od staroveku až po súčasnosť mnohí vedci skúmajú jej vlastnosti a dozvedajú sa o elektrine niečo nové.
- Prvý, kto sa začal zaujímať o elektrinu, bol staroveký grécky filozof Thales. Zistil, že jantár, ktorý sa obtiera o vlnu, získava vlastnosť priťahovania iných svetelných telies.
- Potom ďalší staroveký grécky vedec, Aristoteles, študoval niektoré úhory, ktoré zasiahli nepriateľov, ako už vieme, elektrickým výbojom.
- V roku 70 nášho letopočtu rímsky spisovateľ Plínius študoval elektrické vlastnosti živice.
- Potom sa však dlho nezískali žiadne poznatky o elektrine.
- A až v 16. storočí dvorný lekár anglickej kráľovnej Alžbety 1 William Gilbert začal skúmať elektrické vlastnosti a urobil množstvo zaujímavých objavov. Potom začalo doslova „elektrické šialenstvo“.
- Až v roku 1600 sa objavil pojem „elektrina“, ktorý zaviedol anglický vedec William Gilbert.
- V roku 1650 vďaka starostovi Magdeburgu Ottovi von Guerickemu, ktorý vynašiel elektrostatický stroj, bolo možné pozorovať účinok odpudzovania tiel pod vplyvom elektriny.
- V roku 1729 anglický vedec Stephen Gray pri pokusoch o prenose elektrického prúdu na diaľku náhodou zistil, že nie všetky materiály majú schopnosť prenášať elektrinu rovnakým spôsobom.
- V roku 1733 francúzsky vedec Charles Dufay objavil existenciu dvoch druhov elektriny, ktoré nazval sklo a živica. Tieto mená dostali vďaka tomu, že boli zistené trením skla o hodváb a živice o vlnu.
- Prvý kondenzátor, teda zásobník elektriny, vynašiel Holanďan Pieter van Muschenbroek v roku 1745. Tento kondenzátor sa nazýval Leydenská nádoba.
- V roku 1747 vytvoril Američan B. Franklin prvú svetovú teóriu elektriny. Podľa Franklina je elektrina nehmotná kvapalina alebo tekutina. Ďalšou zásluhou Franklina pre vedu je, že vynašiel bleskozvod a pomocou neho dokázal, že blesk má elektrický pôvod. Zaviedol aj také pojmy ako kladné a záporné náboje, ale náboje neobjavil. Tento objav urobil vedec Simmer, ktorý dokázal existenciu pólov náboja: kladných a záporných.
- Štúdium vlastností elektriny prešlo do exaktných vied potom, čo v roku 1785 Coulomb objavil zákon o sile interakcie medzi bodovými elektrickými nábojmi, ktorý sa nazýval Coulombov zákon.
- Potom v roku 1791 taliansky vedec Galvani publikoval pojednanie o tom, že vo svaloch zvierat, keď sa pohybujú, vzniká elektrický prúd.
- Vynález batérie ďalším talianskym vedcom - Voltom v roku 1800 viedol k rýchlemu rozvoju vedy o elektrine a následnej sérii dôležitých objavov v tejto oblasti.
- Nasledovali objavy Faraday, Maxwell a Ampère, ku ktorým došlo len za 20 rokov.
- V roku 1874 získal ruský inžinier A.N. Lodygin patent na žiarovku s uhlíkovou tyčou vynájdenú v roku 1872. Potom sa do lampy použila volfrámová tyč. A v roku 1906 predal svoj patent spoločnosti Thomas Edison Company.
- V roku 1888 Hertz registruje elektromagnetické vlny.
- V roku 1879 objavil Joseph Thomson elektrón, ktorý je materiálnym nosičom elektriny.
- V roku 1911 vynašiel Francúz Georges Claude prvú neónovú lampu na svete.
- Dvadsiate storočie dalo svetu teóriu kvantovej elektrodynamiky.
- V roku 1967 sa urobil ďalší krok k štúdiu vlastností elektriny. Tento rok vznikla teória elektroslabých interakcií.
Toto sú však len hlavné objavy vedcov, ktoré prispeli k využívaniu elektriny. Ale výskum pokračuje aj teraz a každý rok sa objavujú objavy v oblasti elektriny.
Každý si je istý, že najväčším a najmocnejším z hľadiska objavov súvisiacich s elektrinou bol Nikola Tesla. On sám sa narodil v Rakúskej ríši, teraz je to územie Chorvátska. Vo svojej batožine vynálezov a vedeckých prác: striedavý prúd, teória poľa, éter, rádio, rezonancia a mnoho ďalšieho. Niektorí pripúšťajú možnosť, že fenomén „tunguzského meteoritu“ nie je ničím iným ako dielom rúk samotného Nikolu Teslu, konkrétne výbuchom obrovskej sily na Sibíri.
Pán sveta - Nikola Tesla
Istý čas sa verilo, že elektrina v prírode neexistuje. Keď však B. Franklin zistil, že blesk má elektrický pôvod, tento názor prestal existovať.
Význam elektriny v prírode, ako aj v živote človeka, je pomerne obrovský. Koniec koncov, bol to blesk, ktorý viedol k syntéze aminokyselín a následne k vzniku života na Zemi..
Procesy v nervovom systéme ľudí a zvierat, ako je pohyb a dýchanie, sa vyskytujú v dôsledku nervového impulzu, ktorý vzniká v dôsledku elektriny, ktorá existuje v tkanivách živých bytostí.
Niektoré druhy rýb využívajú elektrinu, či skôr elektrické výboje, aby sa chránili pred nepriateľmi, hľadali potravu pod vodou a získavali ju. Tieto ryby sú: úhory, mihule, elektrické raje a dokonca aj niektoré žraloky. Všetky tieto ryby majú špeciálny elektrický orgán, ktorý funguje na princípe kondenzátora, to znamená, že nahromadí dostatočne veľký elektrický náboj a ten potom vybije na obeť, ktorá sa takejto ryby dotkla. Takýto orgán tiež pracuje s frekvenciou niekoľkých stoviek hertzov a má napätie niekoľko voltov. Aktuálna sila elektrického orgánu rýb sa mení s vekom: čím je ryba staršia, tým väčšia je sila prúdu. Aj vďaka elektrickému prúdu sa vo vode pohybujú ryby, ktoré žijú vo veľkých hĺbkach. Elektrické pole je skreslené pôsobením predmetov vo vode. A tieto deformácie pomáhajú rybám pri navigácii.
Smrteľné zážitky. Elektrina
Získavanie elektriny
Elektrárne boli špeciálne vytvorené na výrobu elektriny. Elektrárne využívajú generátory na výrobu elektriny, ktorá sa potom cez elektrické vedenie prenáša do miest spotreby. Elektrický prúd vzniká v dôsledku prechodu mechanickej alebo vnútornej energie na elektrickú energiu. Elektrárne sa delia na: vodné elektrárne alebo vodné elektrárne, tepelné jadrové, veterné, prílivové, slnečné a iné elektrárne.
Vo vodných elektrárňach vyrábajú elektrinu turbíny generátora, ktoré sa pohybujú pod vplyvom prúdu vody. V tepelných elektrárňach alebo inak povedané CHP vzniká aj elektrický prúd, ale namiesto vody sa používa vodná para, ktorá vzniká v procese ohrevu vody pri spaľovaní paliva, napríklad uhlia.
Veľmi podobný princíp fungovania sa používa v jadrovej elektrárni alebo jadrovej elektrárni. Iba jadrové elektrárne využívajú iný druh paliva – rádioaktívne materiály, ako je urán alebo plutónium. Dochádza k štiepeniu ich jadier, vďaka čomu sa uvoľňuje veľmi veľké množstvo tepla, ktoré sa využíva na ohrev vody a jej premenu na vodnú paru, ktorá sa následne dostáva do turbíny, ktorá vyrába elektrinu. Tieto stanice vyžadujú na prevádzku veľmi málo paliva. Takže desať gramov uránu generuje rovnaké množstvo elektriny ako auto z uhlia.
Použitie elektriny
V dnešnej dobe sa život bez elektriny stáva nemožným. Do života ľudí dvadsiateho prvého storočia sa zapísal pomerne husto. Elektrina sa často používa na osvetlenie, napríklad pomocou elektrickej alebo neónovej lampy, a na prenos všetkých druhov informácií pomocou telefónu, televízie a rádia a v minulosti aj telegrafu. V dvadsiatom storočí sa tiež objavila nová oblasť použitia elektriny: zdroj energie pre elektromotory električiek, vlakov metra, trolejbusov a elektrických vlakov. Elektrina je nevyhnutná pre prevádzku rôznych domácich spotrebičov, ktoré výrazne zlepšujú životnosť. moderný človek.
Elektrina sa dnes využíva aj na výrobu kvalitných materiálov a ich spracovanie. S pomocou elektrických gitár, poháňaných elektrinou, môžete vytvárať hudbu. Elektrina sa tiež naďalej používa ako humánny spôsob zabíjania zločincov (elektrické kreslo) v krajinách, ktoré umožňujú trest smrti.
Aj vzhľadom na to, že život moderného človeka sa stáva takmer nemožným bez počítačov a mobilných telefónov, ktoré na svoju prevádzku vyžadujú elektrickú energiu, význam elektriny bude ťažké preceňovať.
Elektrina v mytológii a umení
V mytológii takmer všetkých národov existujú bohovia, ktorí sú schopní hádzať blesky, to znamená, že vedia používať elektrinu. Napríklad u Grékov bol takým bohom Zeus, u Hindov Agni, ktorý sa vedel premeniť na blesk, u Slovanov to bol Perún a u škandinávskych národov Thor.
Karikatúry majú aj elektrinu. Takže v Disneyho karikatúre Black Cape je anti-hrdina Megavolt, ktorý je schopný ovládať elektrinu. V japonskej animácii má Pokémon Pikachu elektrinu.
Záver
Štúdium vlastností elektriny sa začalo v staroveku a pokračuje dodnes. Tým, že sa ľudia naučili základné vlastnosti elektriny a naučili sa ich správne používať, výrazne si uľahčili život. Elektrina sa používa aj v továrňach, továrňach atď., To znamená, že ju možno použiť na získanie iných výhod. Význam elektriny v prírode aj v živote moderného človeka je obrovský. Bez takého elektrického javu, akým je blesk, by na zemi nevznikol život a bez nervových vzruchov, ktoré vznikajú aj vďaka elektrine, by nebolo možné zabezpečiť koordinovanú prácu medzi všetkými časťami organizmov.
Ľudia boli vždy vďační za elektrinu, aj keď o jej existencii nevedeli. Svojich hlavných bohov obdarili schopnosťou vrhať blesky.
Moderný človek tiež nezabúda na elektrinu, ale dá sa na ňu zabudnúť? Kresleným a filmovým postavičkám dáva elektrické schopnosti, stavia elektrárne na výrobu elektriny a mnoho ďalšieho.
Elektrina je teda najväčší dar, ktorý nám dala samotná príroda a ktorý sme sa, našťastie, naučili využívať.
Len málo ľudí premýšľa o tom, kedy sa objavila elektrina. A jeho história je celkom zaujímavá. Elektrina robí život pohodlnejším. Vďaka nemu sa sprístupnila televízia, internet a mnoho iného. A moderný život bez elektriny je už nemožné si predstaviť. Výrazne urýchlila vývoj ľudstva.
História elektriny
Ak začnete chápať, kedy sa objavila elektrina, musíte si spomenúť na gréckeho filozofa Thalesa. Bol to on, kto prvýkrát upozornil na tento jav v roku 700 pred Kristom. e. Falles zistil, že keď sa jantár otiera o vlnu, kameň k sebe začne priťahovať ľahké predmety.
V ktorom roku bola zavedená elektrina? Po gréckom filozofovi tento jav dlho nikto neskúmal. A poznatky v tejto oblasti sa zvýšili až v roku 1600. V tomto roku William Gilbert zaviedol pojem „elektrina“ skúmaním magnetov a ich vlastností. Odvtedy začali vedci tento jav intenzívne skúmať.
Prvé objavy
Kedy sa objavila elektrina, používaná v technických riešeniach? V roku 1663 vznikol prvý elektrický stroj, ktorý umožnil pozorovať účinky odpudzovania a príťažlivosti. V roku 1729 urobil anglický vedec Stephen Gray prvý experiment, keď sa elektrina prenášala na diaľku. O štyri roky neskôr francúzsky vedec C. Dufay zistil, že elektrina má 2 typy náboja: živicu a sklo. V roku 1745 sa objavil prvý elektrický kondenzátor - Leidenská banka.
V roku 1747 vytvoril Benjamin Franklin prvú teóriu na vysvetlenie tohto javu. Elektrina sa objavila v roku 1785 a dlho ju študovali Galvani a Volt. O pôsobení tohto javu pri pohybe svalov bolo napísané pojednanie a vynájdený galvanický predmet. A objaviteľom sa stal ruský vedec V. Petrov
Osvetlenie
Kedy sa objavila elektrina v domoch a bytoch? Pre mnohých je tento jav spojený predovšetkým s osvetlením. Preto by sa malo zvážiť, kedy bola vynájdená prvá žiarovka. Stalo sa tak v roku 1809. Vynálezcom sa stal Angličan Delarue. O niečo neskôr sa objavili žiarovky v tvare špirály, ktoré boli naplnené inertným plynom. Začali sa vyrábať v roku 1909.
Príchod elektriny v Rusku
Nejaký čas po zavedení pojmu „elektrina“ sa tento jav začal skúmať v mnohých krajinách. Za začiatok zmeny možno považovať vzhľad osvetlenia. V ktorom roku sa v Rusku objavila elektrina? Podľa tohto dátumu - 1879. Vtedy sa v Petrohrade prvýkrát uskutočnila elektrifikácia pomocou lámp.
Ale o rok skôr v Kyjeve v jednej zo železničných dielní nainštalovali elektrické svetlá. Preto je dátum objavenia sa elektriny v Rusku trochu kontroverznou otázkou. Ale keďže táto udalosť zostala bez pozornosti, za oficiálny dátum možno považovať osvetlenie mosta Liteiny.
Existuje však aj iná verzia, keď sa v Rusku objavila elektrina. Z právneho hľadiska je týmto dátumom tridsiaty január 1880. V tento deň sa v Ruskej technickej spoločnosti objavilo prvé elektrické oddelenie. Jeho povinnosti boli poverené dohľadom nad zavádzaním elektriny do každodenného života. V roku 1881 sa Tsarskoye Selo stalo prvým európskym mestom, ktoré bolo plne osvetlené.
Ďalším významným dátumom je 15. máj 1883. V tento deň bol Kremeľ prvýkrát osvetlený. Udalosť bola načasovaná tak, aby sa zhodovala s nástupom Alexandra III na ruský trón. Na osvetlenie Kremľa nainštalovali elektrikári malú elektráreň. Po tejto udalosti sa osvetlenie objavilo najskôr na hlavnej ulici v Petrohrade a potom v Zimnom paláci.
V lete 1886 bola dekrétom cisára založená „Spoločnosť pre elektrické osvetlenie“. Zaoberala sa elektrifikáciou celého Petrohradu a Moskvy. A v roku 1888 sa v najväčších mestách začali stavať prvé elektrárne. V lete 1892 bola v Rusku spustená debutová elektrická električka. A objavil sa v roku 1895. Postavili ho v Petrohrade na rieke. Veľká Ohta.
A v Moskve sa prvá elektráreň objavila v roku 1897. Bola postavená na nábreží Raushskaya. Elektráreň vyrábala trojfázový striedavý prúd. A to umožnilo prenášať elektrickú energiu na veľké vzdialenosti bez výraznej straty výkonu. Ďalšie mestá sa začali stavať na úsvite dvadsiateho storočia, pred prvou svetovou vojnou.
Pre moderného človeka je ťažké predstaviť si život bez elektriny. Pevne vstúpila do našich životov a málo premýšľame o tom, kedy sa objavila. Ale práve vďaka elektrine sa začali intenzívnejšie rozvíjať všetky oblasti vedy a techniky. Kto vynašiel elektrinu, keď sa prvýkrát objavila na svete?
História výskytu
Ešte pred naším letopočtom grécky filozof Thales si všimol, že po trení jantáru o vlnu sa ku kameňu priťahujú malé predmety. Potom sa už dlho nikto nezaoberal štúdiom takýchto javov. Až v 17. storočí, po štúdiu magnetov a ich vlastností, zaviedol anglický vedec William Gilberg nový pojem „elektrina“. Vedci o ňu začali prejavovať väčší záujem a zapájali sa do výskumu v tejto oblasti.
Gilbergovi sa podarilo vynájsť prototyp úplne prvého elektroskopu, volal sa versor. Pomocou tohto zariadenia zistil, že okrem jantáru a iných kameňov môžu k sebe priťahovať aj malé predmety. . Medzi kamene patria:
Vďaka vytvorenému zariadeniu bol vedec schopný vykonať niekoľko experimentov a vyvodiť závery. Uvedomil si, že plameň má schopnosť vážne ovplyvňovať elektrické vlastnosti telies po trení. Uviedol to vedec hromy a blesky- javy elektrického charakteru.
Veľké objavy
Prvé pokusy o prenose elektriny na krátke vzdialenosti sa uskutočnili v roku 1729. Vedci dospeli k záveru, že nie všetky telesá dokážu prenášať elektrinu. Niekoľko rokov po sérii testov Francúz Charles Dufay uviedol, že existujú dva typy elektrického náboja − sklo a živica. Závisia od materiálu, ktorý sa používa na trenie.
Potom vedci z rôznych krajín vytvorili kondenzátor a galvanický článok, prvý elektroskop a lekársky elektrokardiograf. Prvá žiarovka sa objavila v roku 1809, ktorú vytvoril Angličan Delarue. O 100 rokov neskôr Earnwing Langmuir vyvinul žiarovku s volfrámovým vláknom naplneným inertným plynom.
V 19. storočí došlo k mnohým veľmi významným objavom, vďaka ktorej sa vo svete objavila elektrina
Skúmali vlastnosti elektriny a mnohé z nich sú po nich pomenované. Na konci 19. storočia fyzici prichádzajú s objavmi o existencii elektrických vĺn. Podarí sa im vytvoriť žiarovku a prenášať elektrickú energiu na veľké vzdialenosti. Od tohto momentu sa elektrina pomaly, ale isto začína šíriť po celej planéte.
Kedy sa v Rusku objavila elektrina?
Ak hovoríme o elektrifikácii v území Ruská ríša, potom v tejto otázke žiadny konkrétny dátum. Každý vie, že v roku 1879 v Petrohrade urobili osvetlenie celého mosta Liteiny. Bolo osvetlené lampami. V Kyjeve však rok predtým inštalovali elektrické svetlá v jednej zo železničných dielní. Táto udalosť nevzbudila pozornosť, takže rok 1879 sa považuje za oficiálny dátum objavenia sa elektrického osvetlenia v Ruskej ríši.
Prvé elektrické oddelenie sa objavilo v Rusku 30. januára 1880 v Ruskej technickej spoločnosti. Rezort bol povinný dohliadať na zavádzanie elektriny do každodenného života štátu. Už v roku 1881 bolo Tsarskoye Selo plne osvetlené. lokalite a stalo sa prvým moderným a európskym mestom.
15. mája 1883 Je tiež považovaný za medzník pre krajinu. Je to kvôli osvetleniu Kremľa. V tom čase nastúpil na trón cisár Alexander III. a osvetlenie bolo načasované tak, aby sa zhodovalo s takouto dôležitou udalosťou. Takmer okamžite po tejto historickej udalosti bolo uskutočnené osvetlenie najprv na hlavnej ulici a potom k Zimnému palácu v Petrohrade.
Dekrétom cisára v roku 1886 bola založená „Spoločnosť pre elektrické osvetlenie“. Medzi jeho povinnosti patrilo osvetlenie dvoch hlavných miest – Moskvy a Petrohradu. O dva roky neskôr sa začalo s výstavbou všetkých elektrární Hlavné mestá. Prvá elektrická električka v Rusku bola spustená v roku 1892. V Petrohrade bola po 4 rokoch uvedená do prevádzky prvá vodná elektráreň. Bol postavený na rieke Bolshaya Okhta.
Dôležitou udalosťou bolo objavenie sa prvej elektrárne v Moskve v roku 1897. Bola postavená na nábreží Raushskaya so schopnosťou generovať striedavý trojfázový prúd. Umožnila prenášať elektrickú energiu na veľké vzdialenosti a využívať ju bez straty výkonu. Výstavba elektrární v iných ruských mestách sa začala rozvíjať až pred prvou svetovou vojnou.
Zaujímavé fakty o histórii vzhľadu elektriny v Rusku
Ak si pozorne preštudujete niektoré fakty o elektrifikácii ruského štátu, môžete sa dozvedieť veľa zaujímavých informácií.
Prvú žiarovku s uhlíkovou tyčinkou vynašiel v roku 1874 A.N. Lodygin. Prístroj si nechali patentovať najväčšie európske krajiny. Po čase ju vylepšil T. Edison a žiarovka sa začala používať po celej planéte.
Ruský elektrotechnik P.N. Jabločkov v roku 1876 dokončil vývoj elektrickej sviečky. V prevádzke sa stala jednoduchšou, lacnejšou a pohodlnejšou ako Lodyginova žiarovka.
V rámci Ruskej technickej spoločnosti bolo vytvorené špeciálne elektrotechnické oddelenie. Zahŕňal P.N. Yablochkov, A.N. Lodygin, V.N. Chikolev a ďalší aktívni fyzici a elektrotechnici. Hlavnou úlohou katedry bola podpora rozvoja elektrotechniky v Rusku.
. (história objavenia javu)
Pred 1600 znalosti Európanov o elektrine zostali na úrovni starých Grékov, čím sa zopakovala história vývoja teórie parných prúdových motorov ("Eleopile" od A. Herona).
Zakladateľ vedy o elektrine v Európe bol absolventom Cambridge a Oxfordu, anglický fyzik a dvorný lekár kráľovnej Alžbety. — William Gilbert(1544-1603). W. Gilbert pomocou svojho „verzora“ (prvého elektroskopu) ukázal, že schopnosť priťahovať nielen jantár, ale aj diamant, zafír, karborundum, opál, ametyst, horský krištáľ, sklo, bridlica atď. svetelné telesá (slamky).ktoré nazval "elektrický" minerály.
Okrem toho si Hilbert všimol, že plameň „ničí“ elektrické vlastnosti telies získaných trením a po prvýkrát skúmal magnetické javy, pričom zistil, že:
Magnet má vždy dva póly - severný a južný;
- póly rovnakého mena sa odpudzujú a opačné póly sa priťahujú;
- pílenie magnetu, nemôžete získať magnet iba s jedným pólom;
- železné predmety pod vplyvom magnetu získavajú magnetické vlastnosti (magnetická indukcia);
- prírodný magnetizmus možno posilniť železnými armatúrami.
Štúdiom magnetických vlastností magnetizovanej gule pomocou magnetickej ihly Gilbert dospel k záveru, že zodpovedajú magnetickým vlastnostiam Zeme a Zem je najväčším magnetom, čo vysvetľuje konštantný sklon magnetickej ihly.
1650: Otto von Guericke(1602-1686) vytvára prvý elektrický stroj, ktorý z trenej gule odliatej zo síry vyťahuje výrazné iskry, ktorých injekcie môžu byť dokonca bolestivé. Avšak, tajomstvo vlastností "elektrická kvapalina", ako sa tento jav v tej dobe nazýval, sa v tom čase nedočkal žiadneho vysvetlenia.
1733: francúzsky fyzik, člen Parížskej akadémie vied , Charles Francois Dufay (Dufay, Du Fay, 1698-1739) objavil existenciu dvoch druhov elektriny, ktoré nazval „sklo“ a „živica“. Prvý sa vyskytuje na skle, horskom krištáli, drahých kameňoch, vlne, vlasoch atď.; druhá - na jantáre, hodvábe, papieri atď.
Po početných experimentoch C. Dufay po prvý raz elektrizoval ľudské telo a „prijímal“ z neho iskry. Medzi jeho vedecké záujmy patril magnetizmus, fosforescencia a dvojitý lom v kryštáloch, ktoré sa neskôr stali základom pre vytvorenie optických laserov. Na detekciu merania elektriny som použil Gilbertov versor, vďaka čomu je oveľa citlivejší. Bol prvým, kto vyjadril myšlienku elektrickej povahy blesku a hromu.
1745: absolvent Leidenskej univerzity (Holandsko) fyzik Peter van Mushenbroek(Musschenbroek Pieter van, 1692-1761) vynašiel prvý autonómny zdroj elektriny - Leydenskú nádobu a vykonal s ňou sériu experimentov, počas ktorých zistil vzťah elektrického výboja s jeho fyziologickým účinkom na živý organizmus.
 |
Leidenská nádoba bola sklenená nádoba, ktorej steny boli zvonku aj zvnútra polepené olovenou fóliou a bola prvým elektrickým kondenzátorom. Ak boli dosky zariadenia nabíjaného z elektrostatického generátora od O. von Guerickeho spojené tenkým drôtom, rýchlo sa zahrial a niekedy sa roztavil, čo naznačovalo prítomnosť zdroja energie v banke, ktorý by sa dal prepraviť ďaleko od miesto jeho nabíjania.
1747:člen Parížskej akadémie vied, francúzsky experimentálny fyzik Jean Antoine Nollet(1700-1770) vynájdený prvý prístroj na vyhodnotenie elektrického potenciálu - elektroskop, zaregistroval fakt rýchlejšieho „odčerpávania“ elektriny z ostrých telies a prvýkrát vytvoril teóriu vplyvu elektriny na živé organizmy a rastliny.
1747 – 1753: Americký štátnik, vedec a pedagóg Benjamin (Benjamin) Franklin(Franklin, 1706-1790) publikuje sériu článkov o fyzike elektriny, v ktorých:
- zaviedol dnes už všeobecne akceptované označenie elektricky nabitých stavov «+»
a «–»
;
- vysvetlil princíp fungovania Leydenskej nádoby a zistil, že hlavnú úlohu v nej zohráva dielektrikum oddeľujúce vodivé dosky;
- Stanovila identitu atmosférickej elektriny a elektriny generovanej trením a poskytla dôkaz o elektrickej povahe blesku;
- zistili, že kovové body spojené so zemou odstraňujú elektrické náboje z nabitých telies aj bez kontaktu s nimi a navrhli bleskozvod;
- predložila myšlienku elektrického motora a demonštrovala „elektrické koleso“ otáčajúce sa pod vplyvom elektrostatických síl;
- najprv použil elektrickú iskru na výbuch pušného prachu.
1759: V Rusku fyzik Franz Ulrich Theodor Aepinus(Aepinus, 1724-1802) po prvý raz predkladá hypotézu o existencii spojenia medzi elektrickými a magnetickými javmi.
1761:Švajčiarsky mechanik, fyzik a astronóm Leonard Euler(L. Euler, 1707-1783) opisuje nový elektrostatický stroj pozostávajúci z rotujúceho kotúča z izolačného materiálu s radiálne prilepenými koženými doskami. Na odstránenie elektrického náboja bolo potrebné priviesť na disk hodvábne kontakty, pripevnené na medených tyčiach s guľovitými koncami. Priblížením gúľ k sebe bolo možné pozorovať proces elektrického rozpadu atmosféry (umelý blesk).
 |
1785-1789: francúzsky fyzik Charles Augustin Coulomb(S. Coulomb, 1736-1806) publikuje sedem diel. v ktorej popisuje zákon vzájomného pôsobenia elektrických nábojov a magnetických pólov (Coulombov zákon), zavádza pojem magnetického momentu a polarizácie nábojov a dokazuje, že elektrické náboje sa vždy nachádzajú na povrchu vodiča.
1791: V Taliansku vychádza pojednanie Luigi Galvani(L. Galvani, 1737-1798), „De Viribus Electricitatis In Motu Musculari Commentarius“ („Pojednanie o silách elektriny vo svalovom pohybe“), v ktorom bolo dokázané, že elektrinu vyrába živý organizmus a najúčinnejšie sa prejavuje pri kontakte odlišných vodičov. V súčasnosti je tento efekt základom princípu fungovania elektrokardiografov.
1795: taliansky profesor Alexander Volta(Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta, 1745-1827) skúma fenomén rozdiel kontaktného potenciálu rôznych kovov a pomocou elektrometra vlastnej konštrukcie dáva numerický odhad tohto javu. A. Volta prvýkrát opisuje výsledky svojich pokusov 1. augusta 1786 v liste svojmu priateľovi. V súčasnosti sa efekt rozdielu kontaktného potenciálu využíva v termočlánkoch a systémoch anódovej (elektrochemickej) ochrany kovových konštrukcií.
1799:. A. Volta vymýšľa zdroj galvanické pokovovanie(elektrický prúd - voltaický stĺp. Prvý voltový stĺpec pozostával z 20 párov medených a zinkových kruhov oddelených kúskami látky namočenými v slanej vode a pravdepodobne mohli produkovať napätie 40-50 V a prúd až 1 A.
V roku 1800 vo Philosophical Transactions of the Royal Society, Vol. 90“ pod názvom „O elektrine excitovanej prostým kontaktom vodivých látok rôznych druhov“ („Elektrina získaná ako výsledok jednoduchého kontaktu rôznych látok“) bolo opísané zariadenie nazývané „elektromotorický aparát“, A. Volta veril, že na základe princípu fungovania jeho súčasného zdroja je rozdiel kontaktného potenciálu a až o mnoho rokov neskôr sa zistilo, že príčinou emf. v galvanickom článku je chemická interakcia kovov s vodivou kvapalinou - elektrolytom. Na jeseň roku 1801 bola v Rusku vytvorená prvá galvanická batéria pozostávajúca zo 150 strieborných a zinkových kotúčov. O rok neskôr, na jeseň 1802, bola vyrobená batéria zo 4200 medených a zinkových kotúčov s napätím 1500 V.
1820: dánsky fyzik Hans Christian Oersted(Ersted, 1777-1851) v priebehu pokusov o vychýlenie magnetickej strelky pôsobením vodiča s prúdom vytvoril spojenie medzi elektrickými a magnetickými javmi. Správa o tomto fenoméne, publikovaná v roku 1820, podnietila výskum v oblasti elektromagnetizmu, čo v konečnom dôsledku viedlo k vytvoreniu základov modernej elektrotechniky.
 |
Prvým nasledovníkom H. Oersteda bol francúzsky fyzik André Marie Ampère(1775-1836), ktorý v tom istom roku sformuloval pravidlo o určovaní smeru pôsobenia elektrického prúdu na magnetickú strelku, ktoré nazval „pravidlo plavca“ (Ampérovo alebo pravidlo pravej ruky), po ktorom sa začali uplatňovať zákony r. bola určená interakcia elektrických a magnetických polí (1820), v rámci ktorej bola prvýkrát sformulovaná myšlienka využitia elektromagnetických javov na diaľkový prenos elektrického signálu.
V roku 1822 A. Ampère vytvára prvý zosilňovač elektromagnetického poľa- viacotáčkové cievky z medeného drôtu, vo vnútri ktorých boli umiestnené mäkké železné jadrá (solenoidy), ktoré sa stali technologickým základom toho, čo vynašiel 1829 elektromagnetický telegraf, ktorý otvoril éru moderných telekomunikácií.
821: anglický fyzik Michael Faraday(M. Faraday, 1791-1867) sa zoznámil s prácou H. Oersteda o vychýlení magnetickej strelky v blízkosti vodiča s prúdom (1820) a po preštudovaní vzťahu medzi elektrickými a magnetickými javmi zistil, že magnet sa otáča okolo vodiča s prúdom a vodič s prúdom sa otáča okolo magnetu.
Počas nasledujúcich 10 rokov sa M. Faraday pokúsil „premeniť magnetizmus na elektrinu“, čo malo za následok objav elektromagnetickej indukcie v roku 1831, čo viedlo k vytvoreniu základov teórie elektromagnetického poľa a vzniku nového odvetvia – elektrotechniky. V roku 1832 M. Faraday publikoval prácu, v ktorej bola vyslovená myšlienka, že šírenie elektromagnetických interakcií je vlnový proces prebiehajúci v atmosfére konečnou rýchlosťou, ktorý sa stal základom pre vznik nového odvetvia poznania – rádia strojárstvo.
V snahe nadviazať kvantitatívne vzťahy medzi rôzne druhy elektriny, M. Faraday začal výskum elektrolýzy a v rokoch 1833–1834. formuloval svoje zákony. V roku 1845 pri štúdiu magnetických vlastností rôznych materiálov objavil M. Faraday javy paramagnetizmu a diamagnetizmu a zistil fakt rotácie roviny polarizácie svetla v magnetickom poli (Faradayov efekt). Išlo o prvé pozorovanie súvislosti medzi magnetickými a optickými javmi, ktoré bolo neskôr vysvetlené v rámci elektromagnetickej teórie svetla J. Maxwella.
Približne v rovnakom čase študoval nemecký fyzik vlastnosti elektriny Georg Simon Ohm(G.S. Ohm, 1787-1854). Po sérii experimentov G. Ohm v roku 1826 sformuloval základný zákon elektrického obvodu(Ohmov zákon) a v roku 1827 dal svoje teoretické opodstatnenie, zaviedol pojmy „elektromotorická sila“, pokles napätia v obvode a „vodivosť“.
Ohmov zákon uvádza, že sila jednosmerného elektrického prúdu ja vo vodiči je priamo úmerná potenciálnemu rozdielu (napätiu) U medzi dvoma pevnými bodmi (úsekmi) tohto vodiča t.j. RI = U . Faktor proporcionality R , ktorý dostal v roku 1881 názov ohmický odpor alebo jednoducho odpor, závisí od teploty vodiča a jeho geometrických a elektrických vlastností.
Výskum G. Ohma završuje druhú etapu vývoja elektrotechniky, a to formovanie teoretických základov pre výpočet charakteristík elektrických obvodov, ktoré sa stali základom modernej elektroenergetiky.
čo je elektrina?
Elektrina je súbor fyzikálnych javov spojených s prítomnosťou elektrického náboja. Hoci pôvodne bola elektrina považovaná za jav oddelený od magnetizmu, ale s vývojom Maxwellových rovníc boli oba tieto javy uznané ako súčasť jediného javu: elektromagnetizmu. S elektrinou sú spojené rôzne bežné javy, ako sú blesky, statická elektrina, elektrické vykurovanie, elektrické výboje a mnohé ďalšie. Okrem toho je elektrina jadrom mnohých moderných technológií.
Prítomnosť elektrického náboja, ktorý môže byť kladný alebo záporný, vytvára elektrické pole. Na druhej strane pohyb elektrických nábojov, ktorý sa nazýva elektrický prúd, vytvára magnetické pole.
Keď je náboj umiestnený v bode s nenulovým elektrickým poľom, pôsobí naň sila. Veľkosť tejto sily je určená Coulombovým zákonom. Ak by sa teda tento náboj posunul, elektrické pole by vykonalo prácu na pohyb (zabrzdenie) elektrického náboja. Môžeme teda hovoriť o elektrickom potenciáli v určitom bode priestoru, ktorý sa rovná práci vykonanej vonkajším činiteľom pri prenose jednotky kladného náboja z ľubovoľne zvoleného referenčného bodu do tohto bodu bez akéhokoľvek zrýchlenia a spravidla merané vo voltoch.
V elektrotechnike sa elektrina používa na:
- dodávanie elektriny tam, kde sa elektrický prúd používa na napájanie zariadení;
- v elektronike zaoberajúcej sa elektrickými obvodmi, ktoré zahŕňajú aktívne elektrické komponenty, ako sú vákuové elektrónky, tranzistory, diódy a integrované obvody a ich pridružené pasívne prvky.
Elektrické javy sa skúmali už v staroveku, hoci pokrok v teoretickom chápaní sa začal v 17. resp XVIII storočia. Aj vtedy praktické využitie Elektrina bola vzácnosťou a inžinieri ju mohli využívať na priemyselné a obytné účely až koncom 19. storočia. Rýchly rozmach elektrotechniky v tejto dobe transformoval priemysel a spoločnosť. Všestrannosť elektriny spočíva v tom, že ju možno použiť v takmer neobmedzenom množstve priemyselných odvetví, ako je doprava, vykurovanie, osvetlenie, komunikácie a výpočtová technika. Elektrina je v súčasnosti chrbtovou kosťou modernej priemyselnej spoločnosti.
História elektriny
Dávno predtým, ako existovali nejaké poznatky o elektrine, ľudia už vedeli o elektrických šokoch pre elektrické ryby. Staroegyptské texty pochádzajúce z roku 2750 pred Kristom. pred naším letopočtom nazvali tieto ryby „Hromy Nílu“ a označili ich za „ochrancov“ všetkých ostatných rýb. Dôkazy o elektrických rybách sa opäť objavujú o tisíce rokov neskôr od starovekých gréckych, rímskych a arabských prírodovedcov a lekárov. Viacerí starovekí spisovatelia, ako napríklad Plínius Starší a Scribonius Largus, dosvedčujú otupenosť ako účinok elektrických výbojov spôsobených sumcami a elektrickými lúčmi a tiež vedeli, že takéto výboje sa môžu prenášať vodivými predmetmi. Pacientom trpiacim chorobami ako dna či bolesť hlavy bolo predpísané, aby sa takýchto rýb dotýkali v nádeji, že ich vylieči silný elektrický výboj. Je možné, že najskoršie a najbližšie priblíženie k objavu identity blesku a elektriny z akéhokoľvek iného zdroja urobili Arabi, ktorí až do 15. storočia v jazyku aplikovali slovo blesk (raad) na elektrické lúče.
Staroveké kultúry Stredomoria vedeli, že ak sa určité predmety, ako napríklad jantárové palice, potierajú mačacou srsťou, priťahuje to ľahšie predmety, napríklad perie. Táles z Milétu vykonal niekoľko pozorovaní statickej elektriny okolo roku 600 pred Kristom, z ktorých vyvodil, že na to, aby bol jantár schopný priťahovať predmety, bolo potrebné trenie, na rozdiel od minerálov, ako je magnetit, ktorý trenie nepotreboval. Thales sa mýlil, keď veril, že príťažlivosť jantáru je spôsobená magnetickým efektom, ale neskôr veda dokázala spojenie medzi magnetizmom a elektrinou. Podľa kontroverznej teórie založenej na objave bagdadskej batérie v roku 1936, ktorá sa podobá galvanickému článku, aj keď nie je jasné, či bol artefakt svojou povahou elektrický, Parthovia si mohli byť vedomí galvanického pokovovania.
Elektrina vzbudzovala po tisícročia len intelektuálnu zvedavosť až do roku 1600, kedy anglický vedec William Gilbert dôkladne študoval elektrinu a magnetizmus a rozlíšil „magnetitový“ efekt od statickej elektriny produkovanej trením jantáru. Vymyslel nové latinské slovo electricus ("jantár" alebo "ako jantár", z ἤλεκτρον, Elektron, z gréčtiny: "jantár") na označenie vlastnosti predmetov priťahovať malé predmety po trení. Z tohto jazykového spojenia vznikli anglické slová „electric“ a „electricity“, ktoré sa prvýkrát objavili v tlači v Pseudodoxia Epidemica Thomasa Browna v roku 1646.
Ďalšiu prácu vykonali Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray a Charles Francois Dufay. V 18. storočí Benjamin Franklin robil rozsiahly výskum v oblasti elektriny, pričom predal svoj majetok na financovanie svojej práce. V júni 1752 je známy tým, že na spodok závitu pripevnil kovový kľúč. šarkana a vypustil šarkana do rozbúrenej oblohy. Sled iskier preskakujúcich z kľúča na chrbát ruky ukázal, že blesk bol skutočne elektrického charakteru. Vysvetlil tiež zdanlivo paradoxné správanie Leydenskej nádoby ako zariadenia na ukladanie veľkého množstva elektrického náboja z hľadiska elektriny, pozostávajúceho z kladných a záporných nábojov.
V roku 1791 Luigi Galvani oznámil svoj objav bioelektromagnetizmu, čím demonštroval, že elektrina je prostriedkom, ktorým neuróny prenášajú signály do svalov. Batéria alebo galvanický pól Alessandro Volta z roku 1800 bol vyrobený zo striedajúcich sa vrstiev zinku a medi. Pre vedcov to bol spoľahlivejší zdroj elektrickej energie ako elektrostatické stroje používané v minulosti. O pochopenie elektromagnetizmu ako jednoty elektrických a magnetických javov sa zaslúžili Oersted a André-Marie Ampère v rokoch 1819-1820. Michael Faraday vynašiel elektrický motor v roku 1821 a Georg Ohm matematicky analyzoval elektrický obvod v roku 1827. Elektrinu a magnetizmus (a svetlo) definitívne prepojil James Maxwell, najmä vo svojom diele „On Physical Lines of Force“ v rokoch 1861 a 1862.
Kým na začiatku 19. storočia bol svet svedkom prudkého pokroku vo vede o elektrine, koncom 19. storočia nastal najväčší pokrok v oblasti elektrotechniky. S pomocou ľudí ako Alexander Graham Bell, Otto Titus Blaty, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Anjos Istvan Jedlik, William Thomson, 1. barón Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Wilson Swan, Reginald Fessenden, Nikola Tesla a George Westinghouse, elektrina sa vyvinula z vedeckej kuriozity na nevyhnutný nástroj pre moderný život, ktorý sa stal hybnou silou druhej priemyselnej revolúcie.
V roku 1887 Heinrich Hertz zistil, že elektródy osvetlené ultrafialovým svetlom produkujú elektrické iskry ľahšie ako tie nerozsvietené. V roku 1905 Albert Einstein publikoval článok vysvetľujúci experimentálny dôkaz fotoelektrického efektu ako výsledku prenosu svetelnej energie v diskrétnych kvantovaných paketoch, ktoré excitujú elektróny. Tento objav viedol ku kvantovej revolúcii. Einstein dostal v roku 1921 Nobelovu cenu za fyziku za „objav zákona o fotoelektrickom jave“. Fotovoltaický efekt sa využíva aj vo fotovoltaických článkoch, akými sú napríklad solárne panely, a často sa využíva na výrobu elektriny na komerčné účely.
Prvým polovodičovým zariadením bol detektor „mačacích fúzov“, ktorý bol prvýkrát použitý v rádiových prijímačoch v roku 1900. Drôt podobný fúzu sa privedie do ľahkého kontaktu s pevným kryštálom (napr. kryštálom germánia), aby bolo možné detekovať rádiový signál prostredníctvom efektu prechodu kontaktu. V polovodičovom uzle sa prúd aplikuje na polovodičové prvky a spojenia navrhnuté špeciálne na spínanie a zosilňovanie prúdu. Elektrický prúd môže byť reprezentovaný v dvoch formách: vo forme negatívne nabitých elektrónov, ako aj kladne nabitých elektrónových voľných miest (nevyplnené elektróny na miestach v atóme polovodiča), nazývaných diery. Tieto náboje a diery sú chápané z hľadiska kvantovej fyziky. Stavebným materiálom je najčastejšie kryštalický polovodič.
Vývoj polovodičových zariadení sa začal vynálezom tranzistora v roku 1947. Bežné polovodičové zariadenia sú tranzistory, mikroprocesorové čipy a čipy Náhodný vstup do pamäťe. V USB flash diskoch sa používa špecializovaný typ pamäte nazývaný flash pamäť a v poslednej dobe sú mechanicky otočné pevné disky nahradené aj SSD. Polovodičové zariadenia sa stali bežnými v 50. a 60. rokoch 20. storočia, počas prechodu z vákuových elektrónok na polovodičové diódy, tranzistory, integrované obvody (IC) a diódy emitujúce svetlo (LED).
Základné pojmy elektriny
Nabíjačka
Prítomnosť náboja generuje elektrostatickú silu: náboje na seba pôsobia silou, tento efekt bol známy už v staroveku, hoci vtedy nebol pochopený. Svetelná guľa zavesená na šnúrke sa môže nabíjať dotykom sklenenej tyčinky, ktorá sa predtým sama nabíjala trením o handričku. Podobná guľa nabitá tou istou sklenenou tyčou odpudí prvú: náboj spôsobí, že sa dve gule od seba oddelia. Dve guľôčky, ktoré sú nabité z trenej jantárovej tyče, sa tiež odpudzujú. Ak je však jedna gulička nabitá zo sklenenej tyče a druhá z jantárovej tyče, potom sa obe guličky začnú navzájom priťahovať. Tieto javy skúmal na konci osemnásteho storočia Charles Augustin de Coulomb, ktorý dospel k záveru, že náboj sa objavuje v dvoch opačných formách. Tento objav viedol k známej axióme: podobne nabité predmety sa odpudzujú a opačne nabité sa priťahujú.
Sila pôsobí na samotné nabité častice, preto má náboj tendenciu šíriť sa čo najrovnomernejšie po vodivom povrchu. Veľkosť elektromagnetickej sily, či už príťažlivej alebo odpudivej, je určená Coulombovým zákonom, ktorý hovorí, že elektrostatická sila je úmerná súčinu nábojov a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. Elektromagnetická interakcia je veľmi silná, v sile je nižšia ako silná interakcia, ale na rozdiel od druhej pôsobí na akúkoľvek vzdialenosť. V porovnaní s oveľa slabšou gravitačnou silou elektromagnetická sila tlačí dva elektróny 1042-krát viac, ako ich priťahuje gravitačná sila.
Štúdia ukázala, že zdrojom náboja sú určité typy subatomárnych častíc, ktoré majú vlastnosť elektrického náboja. Elektrický náboj vytvára a interaguje s elektromagnetickou silou, ktorá je jednou zo štyroch základných prírodných síl. Najznámejšími nosičmi elektrického náboja sú elektrón a protón. Experiment ukázal, že náboj je zachovaná veličina, to znamená, že celkový náboj vo vnútri izolovaného systému zostane vždy konštantný bez ohľadu na akékoľvek zmeny, ku ktorým dôjde v tomto systéme. V systéme sa môže náboj prenášať medzi telesami buď priamym kontaktom alebo prenosom cez vodivý materiál, ako je drôt. Neformálny výraz „statická elektrina“ znamená čistú prítomnosť náboja (alebo „nerovnovážnosti“ nábojov) na tele, zvyčajne spôsobenú trením rôznych materiálov o seba, pričom sa náboj prenáša z jedného na druhý.
Náboje elektrónov a protónov sú opačného znamienka, takže celkový náboj môže byť kladný alebo záporný. Podľa konvencie sa náboj prenášaný elektrónmi považuje za negatívny a náboj prenášaný protónmi je pozitívny, podľa tradície založenej prácou Benjamina Franklina. Množstvo náboja (množstvo elektriny) sa zvyčajne označuje symbolom Q a vyjadruje sa v coulombách; každý elektrón nesie rovnaký náboj, približne -1,6022 × 10-19 coulombov. Protón má náboj rovnakú hodnotu a opačné znamienko, teda +1,6022 × 10-19 Coulomb. Náboj má nielen hmota, ale aj antihmota, každá antičastica nesie rovnaký náboj, ale opačného znamienka ako náboj príslušnej častice.
Náboj možno merať niekoľkými spôsobmi: skorým zlatým elektroskopom, ktorý sa síce stále používa na demonštrácie výcviku, ale teraz je nahradený elektronickým elektromerom.
Elektrina
Pohyb elektrických nábojov sa nazýva elektrický prúd, jeho intenzita sa zvyčajne meria v ampéroch. Prúd môže byť vytvorený akýmikoľvek pohybujúcimi sa nabitými časticami; najčastejšie sú to elektróny, ale v zásade každý náboj uvedený do pohybu je prúd.
Podľa historickej konvencie je kladný prúd určený smerom pohybu kladných nábojov prúdiacich z kladnejšej časti obvodu do zápornejšej časti. Takto definovaný prúd sa nazýva podmienený prúd. Jednou z najznámejších foriem prúdu je pohyb záporne nabitých elektrónov obvodom, a teda kladný smer prúdu je orientovaný v opačnom smere ako pohyb elektrónov. V závislosti od podmienok však môže elektrický prúd pozostávať z prúdu nabitých častíc pohybujúcich sa v ľubovoľnom smere a dokonca aj v oboch smeroch súčasne. Na zjednodušenie tejto situácie sa široko používa konvencia, že kladný smer prúdu je smerom pohybu kladných nábojov.
Proces, pri ktorom elektrický prúd prechádza materiálom, sa nazýva elektrická vodivosť a jeho charakter sa mení v závislosti od toho, ktoré nabité častice ho vedú a od materiálu, ktorým sa pohybujú. Príklady elektrických prúdov zahŕňajú kovové vedenie, uskutočňované tokom elektrónov cez vodič, ako je kov, a elektrolýzu, uskutočňovanú tokom iónov (nabitých atómov) cez kvapalinu alebo plazmu, ako v prípade elektrických iskier. Zatiaľ čo samotné častice sa môžu pohybovať veľmi pomaly, niekedy s priemernou rýchlosťou driftu iba zlomok milimetra za sekundu, elektrické pole, ktoré ich poháňa, sa pohybuje blízko rýchlosti svetla, čo umožňuje rýchlym prechodom elektrických signálov cez drôty.
Prúd spôsobuje množstvo pozorovateľných efektov, ktoré sa historicky podpísali na jeho prítomnosti. Možnosť rozkladu vody pod vplyvom prúdu z galvanického stĺpca objavili Nicholson a Carlisle v roku 1800. Tento proces sa teraz nazýva elektrolýza. Ich prácu výrazne rozšíril Michael Faraday v roku 1833. Prúd pretekajúci cez odpor spôsobuje lokálne zahrievanie. Tento efekt matematicky opísal James Joule v roku 1840. Jeden z najdôležitejších objavov týkajúcich sa prúdu urobil Oersted náhodou v roku 1820, keď pri príprave prednášky zistil, že prúd pretekajúci drôtom spôsobuje otáčanie strelky magnetického kompasu. Tak objavil elektromagnetizmus, základnú interakciu medzi elektrinou a magnetizmom. Úroveň elektromagnetických emisií generovaných elektrickým oblúkom je dostatočne vysoká na to, aby produkovala elektromagnetické rušenie, ktoré môže poškodiť činnosť susedných zariadení.Objavil elektromagnetizmus, základnú interakciu medzi elektrinou a magnetizmom. Úroveň elektromagnetických emisií generovaných elektrickým oblúkom je dostatočne vysoká na to, aby vytvárala elektromagnetické rušenie, ktoré môže rušiť blízke zariadenia.
Pre technické alebo domáce aplikácie je prúd často charakterizovaný ako priamy (DC) alebo striedavý (AC). Tieto výrazy vyjadrujú, ako sa aktuálne mení v priebehu času. Jednosmerný prúd produkovaný napríklad batériou a požadovaný väčšinou elektronických zariadení je jednosmerný tok od kladného potenciálu obvodu k zápornému. Ak je tento tok, ktorý sa stáva častejšie, prenášaný elektrónmi, budú sa pohybovať opačným smerom. Striedavý prúd je akýkoľvek prúd, ktorý plynule mení smer, takmer vždy je vo forme sínusoidy. Striedavý prúd pulzuje tam a späť vo vodiči bez toho, aby sa náboj posunul o akúkoľvek konečnú vzdialenosť v dlhom časovom období. Časovo spriemerovaná hodnota striedavého prúdu je nulová, ale dodáva energiu najskôr v jednom a potom v opačnom smere. Striedavý prúd závisí od elektrických vlastností, ktoré sa neprejavujú v stacionárnom režime jednosmerného prúdu, napríklad od indukčnosti a kapacity. Tieto vlastnosti však môžu vstúpiť do hry, keď je obvod vystavený prechodným javom, ako napríklad pri prvom zapnutí.
Elektrické pole
Koncept elektrického poľa predstavil Michael Faraday. Elektrické pole je vytvorené nabitým telesom v priestore, ktorý obklopuje teleso a výsledkom je sila pôsobiaca na akékoľvek iné náboje nachádzajúce sa v poli. Elektrické pole pôsobí medzi dvoma nábojmi podobne ako gravitačné pole medzi dvoma hmotami a tiež siaha do nekonečna a je nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi telesami. Je tu však podstatný rozdiel. Gravitácia sa vždy priťahuje a spôsobuje spojenie dvoch hmôt, zatiaľ čo elektrické pole môže spôsobiť buď príťažlivosť alebo odpudzovanie. Keďže veľké telesá, ako sú planéty ako celok, majú nulový čistý náboj, ich elektrické pole na diaľku je zvyčajne nulové. Gravitácia je teda dominantnou silou na veľké vzdialenosti vo vesmíre, napriek tomu, že sama je oveľa slabšia.
Elektrické pole sa spravidla líši v rôznych bodoch priestoru a jeho sila v akomkoľvek bode je definovaná ako sila (na jednotku náboja), ktorú zažije nehybný, zanedbateľný náboj, ak je umiestnený v tomto bode. Abstraktný náboj, nazývaný „skúšobný náboj“, musí mať zanedbateľnú hodnotu, aby bolo možné zanedbať jeho vlastné elektrické pole rušiace hlavné pole, a zároveň musí byť stacionárny (nehybný), aby sa zabránilo vplyvu magnetických polí. Pretože elektrické pole je definované z hľadiska sily a sila je vektor, elektrické pole je tiež vektor, ktorý má veľkosť aj smer. Presnejšie povedané, elektrické pole je vektorové pole.
Doktrína elektrických polí vytvorených stacionárnymi nábojmi sa nazýva elektrostatika. Pole je možné vizualizovať pomocou súboru imaginárnych čiar, ktorých smer v ktoromkoľvek bode priestoru sa zhoduje so smerom poľa. Tento koncept zaviedol Faraday a stále sa občas stretávame s pojmom „siločiary“. Siločiary sú dráhy, po ktorých sa bodový kladný náboj bude pohybovať pod vplyvom poľa. Sú však abstraktným, nie fyzickým objektom a pole preniká celým medzipriestorom medzi čiarami. Siločiary vychádzajúce zo stacionárnych nábojov majú niekoľko kľúčových vlastností: po prvé, začínajú na kladných nábojoch a končia na záporných nábojoch; po druhé, musia vstúpiť do akéhokoľvek ideálneho vodiča v pravom uhle (normálne) a po tretie, nikdy sa nepretínajú a neuzatvárajú do seba.
Duté vodivé teleso obsahuje všetok svoj náboj na svojom vonkajšom povrchu. Preto sa pole na všetkých miestach vo vnútri tela rovná nule. Na tomto princípe funguje Faradayova klietka - kovový plášť, ktorý izoluje jej vnútorný priestor od vonkajších elektrických vplyvov.
Pri návrhu prvkov vysokonapäťových zariadení sú dôležité princípy elektrostatiky. Existuje konečný limit intenzity elektrického poľa, ktorý môže vydržať akýkoľvek materiál. Nad touto hodnotou dochádza k elektrickému prierazu, ktorý spôsobí vznik elektrického oblúka medzi nabitými časťami. Napríklad vo vzduchu dochádza k elektrickému rozpadu v malých medzerách so silou elektrického poľa presahujúcou 30 kV na centimeter. S nárastom medzery sa konečná prierazná pevnosť znižuje na približne 1 kV na centimeter. Najpozoruhodnejším prírodným javom je blesk. Vyskytuje sa vtedy, keď sú náboje v oblakoch oddelené stúpajúcimi stĺpcami vzduchu a elektrické pole vo vzduchu začína prekračovať hodnotu prierazu. Napätie veľkého búrkového mraku môže dosiahnuť 100 MV a mať energetickú hodnotu výboja 250 kWh.
Veľkosť intenzity poľa je silne ovplyvnená blízkymi vodivými predmetmi a sila je obzvlášť vysoká, keď sa pole musí ohýbať okolo špicatých predmetov. Tento princíp sa používa v bleskozvodoch, ktorých ostré veže nútia blesky vybíjať sa skôr do nich než do budov, ktoré chránia.
Elektrický potenciál
Pojem elektrického potenciálu úzko súvisí s elektrickým poľom. Na malý náboj umiestnený v elektrickom poli pôsobí sila a na posunutie náboja proti tejto sile je potrebná práca. Elektrický potenciál v akomkoľvek bode je definovaný ako energia potrebná na extrémne pomalý pohyb jednotkového testovacieho náboja z nekonečna do tohto bodu. Potenciál sa zvyčajne meria vo voltoch a potenciál jedného voltu je potenciál, pri ktorom je potrebné vynaložiť jeden joul práce na presun jedného coulombu náboja z nekonečna. Táto formálna definícia potenciálu má malé praktické využitie a užitočnejšia je koncepcia rozdielu elektrického potenciálu, teda energie potrebnej na pohyb jednotky náboja medzi dvoma danými bodmi. Elektrické pole má jednu vlastnosť, je konzervatívne, čo znamená, že na dráhe, ktorú prejde testovací náboj, nezáleží: prechod všetkých možných dráh medzi dvoma danými bodmi bude mať vždy rovnakú energiu, a teda existuje jediná hodnota rozdielové potenciály medzi dvoma polohami. Volt sa tak pevne etabloval ako jednotka merania a popisu rozdielu v elektrickom potenciáli, že pojem napätie sa bežne a každodenne používa.
Pre praktické účely je užitočné definovať spoločný referenčný bod, voči ktorému možno vyjadriť a porovnávať potenciály. Hoci môže byť v nekonečne, je oveľa praktickejšie použiť ako nulový potenciál samotnú Zem, o ktorej sa predpokladá, že má na všetkých miestach rovnaký potenciál. Tento referenčný bod sa samozrejme označuje ako „zem“ (zem). Zem je nekonečným zdrojom rovnakého množstva kladných a záporných nábojov, a preto je elektricky neutrálna a nenabíjateľná.
Elektrický potenciál je skalárna veličina, to znamená, že má iba hodnotu a žiadny smer. Dá sa to považovať za analogické s výškou: tak ako uvoľnený objekt spadne v dôsledku výškového rozdielu spôsobeného gravitačným poľom, tak aj náboj "klesne" v dôsledku napätia spôsobeného elektrickým poľom. Rovnako ako mapy predstavujú terén pomocou vrstevníc spájajúcich body rovnakej výšky, okolo elektrostaticky nabitého objektu možno nakresliť súbor čiar spájajúcich body s rovnakým potenciálom (známe ako ekvipotenciály). Ekvipotenciály pretínajú všetky siločiary v pravom uhle. Musia tiež ležať rovnobežne s povrchom vodiča, inak sa vytvorí sila, ktorá pohybuje nosičmi náboja pozdĺž ekvipotenciálneho povrchu vodiča.
Elektrické pole je formálne definované ako sila vynaložená na jednotku náboja, ale koncept potenciálu poskytuje užitočnejšiu a ekvivalentnejšiu definíciu: elektrické pole je miestny gradient elektrického potenciálu. Spravidla sa vyjadruje vo voltoch na meter a smer vektora poľa je čiara najväčšej zmeny potenciálu, to znamená v smere najbližšieho miesta iného ekvipotenciálu.
elektromagnety
Oerstedov objav v roku 1821 o skutočnosti, že magnetické pole existuje okolo všetkých strán drôtu prenášajúceho elektrický prúd, ukázal, že existuje priamy vzťah medzi elektrinou a magnetizmom. Okrem toho sa interakcia zdala odlišná od gravitačných a elektrostatických síl, dvoch vtedy známych prírodných síl. Sila pôsobila na strelku kompasu nie smerom k alebo od prúdu vodiča, ale v pravom uhle k nemu. Oersted vyjadril svoje postrehy trochu nejasnými slovami „elektrický konflikt má rotujúce správanie“. Táto sila tiež závisela od smeru prúdu, pretože ak prúd zmenil smer, zmenila ho aj magnetická sila.
Oersted svojmu objavu úplne nerozumel, ale účinok, ktorý pozoroval, bol vzájomný: prúd pôsobí silou na magnet a magnetické pole pôsobí silou na prúd. Tento jav ďalej študoval Ampère, ktorý zistil, že dva paralelné vodiče s prúdom na seba pôsobia silou: dva vodiče, ktoré vedú prúdy v rovnakom smere, sa navzájom priťahujú, zatiaľ čo vodiče obsahujúce prúdy v opačných smeroch sa navzájom odpudzujú. . K tejto interakcii dochádza prostredníctvom magnetického poľa, ktoré vytvára každý prúd a na základe tohto javu je určená aktuálna jednotka - Ampér v medzinárodnej sústave jednotiek.
Tento vzťah medzi magnetickými poľami a prúdmi je mimoriadne dôležitý, pretože viedol k vynálezu elektrického motora Michaela Faradaya v roku 1821. Jeho unipolárny motor pozostával z permanentného magnetu umiestneného v nádobe s ortuťou. Prúd prechádzal drôtom zaveseným na závesnom závese nad magnetom a ponoreným do ortuti. Magnet vyvíjal tangenciálnu silu na drôt, čo spôsobilo, že sa magnet otáčal okolo magnetu tak dlho, ako sa v drôte udržiaval prúd.
Experiment, ktorý vykonal Faraday v roku 1831, ukázal, že drôt pohybujúci sa kolmo na magnetické pole vytvoril na koncoch potenciálny rozdiel. Ďalšia analýza tohto procesu, známeho ako elektromagnetická indukcia, mu umožnila sformulovať princíp, dnes známy ako Faradayov zákon indukcie, že potenciálny rozdiel indukovaný v uzavretom obvode je úmerný rýchlosti zmeny magnetického toku prenikajúceho obvodom. Vývoj tohto objavu umožnil Faradayovi vynájsť v roku 1831 prvý elektrický generátor, ktorý premieňa mechanickú energiu rotujúceho medeného disku na elektrickú energiu. Faradayov disk bol neefektívny a nepoužíval sa ako praktický generátor, ale ukázal možnosť výroby elektriny pomocou magnetizmu a tejto možnosti sa chopili tí, ktorí sledovali jeho vývoj.
Schopnosť chemické reakcie na výrobu elektriny, a naopak, schopnosť elektriny produkovať chemické reakcie má široké uplatnenie.
Elektrochémia bola vždy dôležitou súčasťou štúdia elektriny. Z pôvodného vynálezu voltaického stĺpca sa galvanické články vyvinuli do širokej škály typov batérií, galvanických a elektrolytických článkov. Hliník sa vo veľkých množstvách vyrába elektrolýzou a mnohé prenosné elektronické zariadenia využívajú dobíjacie zdroje energie.
Elektrické obvody
Elektrický obvod je spojenie elektrických komponentov takým spôsobom, že elektrický náboj nútený prejsť po uzavretej dráhe (obvode) zvyčajne vykonáva množstvo niektorých užitočných úloh.
Komponenty v elektrickom obvode môžu mať mnoho podôb a fungujú ako prvky, ako sú odpory, kondenzátory, spínače, transformátory a elektronické komponenty. Elektronické obvody obsahujú aktívne súčiastky, ako sú polovodiče, ktoré zvyčajne pracujú nelineárnym spôsobom a vyžadujú si komplexnú analýzu. Najjednoduchšie elektrické súčiastky sa nazývajú pasívne a lineárne: hoci môžu dočasne uchovávať energiu, neobsahujú žiadne jej zdroje a fungujú lineárne.
Rezistor je možno najjednoduchší z prvkov pasívneho obvodu: ako už jeho názov napovedá, odoláva prúdu, ktorý ním prechádza, a rozptyľuje elektrickú energiu ako teplo. Odpor je dôsledkom pohybu náboja cez vodič: napríklad v kovoch je odpor primárne spôsobený zrážkami elektrónov a iónov. Ohmov zákon je základným zákonom teórie obvodov a uvádza, že prúd prechádzajúci odporom je priamo úmerný potenciálnemu rozdielu v ňom. Odolnosť väčšiny materiálov je relatívne konštantná v širokom rozsahu teplôt a prúdov; materiály, ktoré spĺňajú tieto podmienky, sú známe ako "ohmické". Ohm je jednotka odporu pomenovaná po Georgovi Ohmovi a označuje sa gréckym písmenom Ω. 1 ohm je odpor, ktorý vytvára potenciálny rozdiel jeden volt, keď ním prechádza prúd jedného ampéra.
Kondenzátor je vylepšením Leydenskej nádoby a je to zariadenie, ktoré dokáže uchovávať náboj a tým akumulovať elektrickú energiu vo vytvorenom poli. Pozostáva z dvoch vodivých dosiek oddelených tenkou izolačnou dielektrickou vrstvou; v praxi je to pár tenkých pásikov kovovej fólie zvinutých dohromady, aby sa zväčšila povrchová plocha na jednotku objemu, a tým aj kapacita. Jednotkou kapacity je farad, pomenovaný po Michaelovi Faradayovi a označený symbolom F: jeden farad je kapacita, ktorá vytvára potenciálny rozdiel jeden volt pri ukladaní náboja jedného coulombu. Prúd najprv preteká kondenzátorom pripojeným k zdroju energie, pretože sa v kondenzátore hromadí náboj; tento prúd sa však s nabíjaním kondenzátora zníži a nakoniec sa stane nulovým. Kondenzátor teda neprechádza jednosmerným prúdom, ale blokuje ho.
Indukčnosť je vodič, zvyčajne cievka drôtu, ktorý ukladá energiu v magnetickom poli generovanom, keď ním prechádza prúd. Pri zmene prúdu sa mení aj magnetické pole, čím vzniká napätie medzi koncami vodiča. Indukované napätie je úmerné rýchlosti zmeny prúdu. Koeficient úmernosti sa nazýva indukčnosť. Jednotkou indukčnosti je henry, pomenovaný po Josephovi Henrym, súčasníkovi Faradaya. Jedna henryho indukčnosť je indukčnosť, ktorá spôsobuje potenciálny rozdiel jeden volt pri rýchlosti zmeny prúdu cez ňu jeden ampér za sekundu. Správanie induktora je opačné ako správanie kondenzátora: bude voľne prechádzať jednosmerným prúdom a blokovať rýchlo sa meniaci prúd.
Elektrická energia
Elektrický výkon je rýchlosť, ktorou sa elektrická energia prenáša elektrickým obvodom. Jednotkou SI výkonu je watt, ktorý sa rovná jednému joulu za sekundu.
Elektrický výkon, podobne ako mechanický výkon, je rýchlosť, ktorou sa vykonáva práca, meraná vo wattoch a označená písmenom P. Termín spotreba energie, ktorý sa používa hovorovo, znamená „elektrický výkon vo wattoch“. Elektrický výkon vo wattoch vyrobený elektrickým prúdom I rovný prechodu náboja Q coulomb každých t sekúnd cez rozdiel elektrického potenciálu (napätie) V je
P = QV/t = IV
- Q - elektrický náboj v coulombách
- t - čas v sekundách
- I - elektrický prúd v ampéroch
- V - elektrický potenciál alebo napätie vo voltoch
Elektrická energia sa často vyrába elektrickými generátormi, ale môže sa vyrábať aj chemickými zdrojmi, ako sú elektrické batérie, alebo inými prostriedkami s využitím širokej škály zdrojov energie. Elektrickú energiu zvyčajne dodávajú firmám a domácnostiam elektrické siete. Elektrina sa zvyčajne účtuje za kilowatthodinu (3,6 MJ), čo je vyrobený výkon v kilowattoch vynásobený dobou chodu v hodinách. V elektroenergetike sa merania výkonu vykonávajú pomocou elektromerov, ktoré si pamätajú množstvo celkovej elektrickej energie odovzdanej klientovi. Na rozdiel od fosílnych palív je elektrina nízkoentropická forma energie a môže sa premeniť na energiu pohybu alebo mnoho iných druhov energie s vysokou účinnosťou.
Elektronika
Elektronika sa zaoberá elektrickými obvodmi, ktoré zahŕňajú aktívne elektrické komponenty, ako sú vákuové elektrónky, tranzistory, diódy a integrované obvody, a ich pridružené pasívne a spínacie prvky. Nelineárne správanie aktívnych komponentov a ich schopnosť riadiť tok elektrónov umožňuje zosilnenie slabých signálov a široké využitie elektroniky pri spracovaní informácií, telekomunikáciách a spracovaní signálov. Schopnosť elektronických zariadení fungovať ako spínače umožňuje digitálne spracovanie informácií. Spínacie prvky ako napr dosky plošných spojov, obalové technológie a rôzne iné formy komunikačnej infraštruktúry dopĺňajú funkčnosť obvodu a menia odlišné komponenty na normálny fungujúci systém.
Dnes väčšina elektronických zariadení využíva na implementáciu elektronického riadenia polovodičové súčiastky. Štúdium polovodičových súčiastok a súvisiacich technológií sa považuje za oblasť fyziky pevných látok, zatiaľ čo návrh a konštrukcia elektronických obvodov na riešenie praktických problémov patrí do oblasti elektroniky.
Elektromagnetické vlny
Práca Faradaya a Ampéra ukázala, že časovo premenné magnetické pole generovalo elektrické pole a časovo premenné elektrické pole bolo zdrojom magnetického poľa. Keď sa teda jedno pole v priebehu času zmení, vždy sa indukuje ďalšie pole. Takýto jav má vlnové vlastnosti a prirodzene sa nazýva elektromagnetické vlnenie. Elektromagnetické vlny teoreticky analyzoval James Maxwell v roku 1864. Maxwell vyvinul súbor rovníc, ktoré by mohli jednoznačne opísať vzťah medzi elektrickým poľom, magnetickým poľom, elektrickým nábojom a elektrickým prúdom. Podarilo sa mu tiež dokázať, že takáto vlna sa nutne šíri rýchlosťou svetla, a teda samotné svetlo je formou elektromagnetického žiarenia. Vývoj Maxwellových zákonov, ktoré spájajú svetlo, polia a náboj, je jednou z najdôležitejších etáp v histórii teoretickej fyziky.
Práca mnohých výskumníkov teda umožnila použiť elektroniku na konverziu signálov na vysokofrekvenčné oscilačné prúdy a prostredníctvom vhodne tvarovaných vodičov elektrina umožňuje prenos a príjem týchto signálov prostredníctvom rádiových vĺn na veľmi veľké vzdialenosti.
Výroba a využitie elektrickej energie
Generovanie a prenos elektrického prúdu
V 6. storočí pred Kr e. Grécky filozof Thales z Milétu experimentoval s jantárovými prútmi a tieto experimenty boli prvými štúdiami v oblasti výroby elektrickej energie. Zatiaľ čo táto metóda, teraz známa ako triboelektrický efekt, dokázala zdvíhať iba ľahké predmety a vytvárať iskry, bola mimoriadne neefektívna. S vynálezom voltaického stĺpa v osemnástom storočí sa stal dostupným životaschopný zdroj elektriny. Voltický stĺp a jeho moderný potomok, elektrická batéria, uchováva energiu v chemickej forme a na požiadanie ju uvoľňuje ako elektrickú energiu. Batéria je všestranný a veľmi bežný zdroj energie, ktorý je ideálny pre mnohé aplikácie, ale energia v nej uložená je obmedzená a po jej spotrebovaní je potrebné batériu zlikvidovať alebo dobiť. Pre veľké potreby musí byť elektrická energia generovaná a prenášaná nepretržite cez vodivé elektrické vedenia.
Elektrickú energiu zvyčajne vyrábajú elektromechanické generátory poháňané parou zo spaľovania fosílnych palív alebo teplom z jadrových reakcií; alebo z iných zdrojov, ako je kinetická energia získaná z vetra alebo tečúcej vody. Moderná parná turbína, ktorú v roku 1884 vyvinul Sir Charles Parsons, dnes vyrába asi 80 percent svetovej elektriny pomocou rôznych zdrojov tepla. Takéto oscilátory sa nijako nepodobajú na Faradayov unipolárny diskový oscilátor z roku 1831, ale stále sa spoliehajú na jeho elektromagnetický princíp, podľa ktorého vodič spojením s meniacim sa magnetickým poľom indukuje na svojich koncoch rozdiel potenciálov. Vynález transformátora na konci 19. storočia znamenal, že elektrickú energiu bolo možné prenášať efektívnejšie pri vyššom napätí, ale nižšom prúde. Efektívny elektrický prenos zase znamená, že elektrina sa môže vyrábať v centralizovaných elektrárňach, pričom sa využívajú úspory z rozsahu, a potom sa môže prenášať na relatívne dlhé vzdialenosti tam, kde je to potrebné.
Keďže elektrickú energiu nie je možné jednoducho skladovať v množstvách dostatočných na pokrytie potrieb v celoštátnom meradle, musí sa jej vyrobiť kedykoľvek toľko, koľko je v súčasnosti potrebné. To zaväzuje spoločnosti, aby starostlivo predpovedali svoje elektrické zaťaženie a neustále koordinovali tieto údaje s elektrárňami. Určité množstvo výrobnej kapacity by sa malo vždy ponechať v rezerve ako bezpečnostná sieť pre elektrickú sieť pre prípad prudkého nárastu dopytu po elektrine.
Dopyt po elektrine rastie rýchlym tempom, keďže krajina sa modernizuje a rozvíja svoje hospodárstvo. Spojené štáty zaznamenali 12-percentný rast dopytu počas prvých troch desaťročí 20. storočia každý rok. Toto tempo rastu je v súčasnosti vidieť v rozvíjajúcich sa ekonomikách, ako je India alebo Čína. Historicky tempo rastu dopytu po elektrine prekonalo tempo rastu dopytu po iných druhoch energie.
Environmentálne obavy súvisiace s výrobou elektriny viedli k zvýšenej pozornosti venovanej výrobe elektriny z obnoviteľných zdrojov, najmä veterných a vodných elektrární. Aj keď možno očakávať pokračujúcu diskusiu o vplyve rôznych spôsobov výroby elektriny na životné prostredie, jej konečná podoba je relatívne čistá.
Spôsoby využitia elektriny
Prenos elektriny je veľmi pohodlný spôsob prenosu energie a je prispôsobený obrovskému a rastúcemu počtu aplikácií. Vynález praktickej žiarovky v 70. rokoch 19. storočia viedol k tomu, že osvetlenie bolo jedným z prvých masovo dostupných spôsobov využitia elektriny. Hoci elektrifikácia mala svoje vlastné riziká, výmena plynového osvetlenia s otvoreným plameňom výrazne znížila nebezpečenstvo požiaru v domácnostiach a továrňach. Verejné služby boli zriadené v mnohých mestách, aby uspokojili rastúci trh s elektrickým osvetlením.
Jouleov vyhrievací odporový efekt sa používa vo vláknach žiaroviek a tiež nachádza priamejšie uplatnenie v elektrických vykurovacích systémoch. Aj keď je tento spôsob vykurovania všestranný a regulovateľný, možno ho považovať za nehospodárny, keďže väčšina spôsobov výroby elektriny už vyžaduje výrobu tepelnej energie v elektrárni. Množstvo krajín, ako napríklad Dánsko, vydalo zákony obmedzujúce alebo zakazujúce používanie odporového elektrického vykurovania v nových budovách. Elektrina je však stále veľmi praktickým zdrojom energie na vykurovanie a chladenie, pričom klimatizácie alebo tepelné čerpadlá predstavujú sektor rastúceho dopytu po elektrickej energii na vykurovanie a chladenie, ktorého dôsledky musia energetické spoločnosti čoraz viac zvažovať.
Elektrina sa používa v telekomunikáciách av skutočnosti elektrický telegraf, ktorý komerčne demonštrovali v roku 1837 Cook a Wheatstone, bol jednou z prvých aplikácií elektrických telekomunikácií. S vybudovaním prvých medzikontinentálnych a potom transatlantických telegrafných systémov v 60. rokoch 19. storočia umožnila elektrina komunikovať v priebehu niekoľkých minút s celým svetom. Optické vlákna a satelitné komunikácie sa stali súčasťou komunikačného trhu, ale dá sa očakávať, že elektrina zostane dôležitou súčasťou tohto procesu.
Najzrejmejšie využitie účinkov elektromagnetizmu nastáva v elektromotore, ktorý je čistý a účinný prostriedok nápravy hnacia sila. Stacionárny motor, ako je navijak, sa ľahko dodáva energiu, ale motor pre mobilnú aplikáciu, ako je elektrické vozidlo, potrebuje buď premiestňovať napájacie zdroje, ako sú batérie, alebo zbierať prúd pomocou posuvného kontaktu známeho ako pantograf.
Elektronické zariadenia využívajú tranzistor, možno jeden z najdôležitejších vynálezov 20. storočia, ktorý je základným stavebným kameňom všetkých moderných obvodov. Moderný integrovaný obvod môže obsahovať niekoľko miliárd miniaturizovaných tranzistorov na ploche len niekoľkých štvorcových centimetrov.
Elektrina sa využíva aj ako zdroj paliva pre verejnú dopravu vrátane elektrobusov a vlakov.
Vplyv elektriny na živé organizmy
Vplyv elektrického prúdu na ľudské telo
Napätie aplikované na ľudské telo spôsobuje, že cez tkanivá preteká elektrický prúd, a hoci tento vzťah je nelineárny, čím väčšie je napätie, tým väčší je prúd. Prah snímania sa mení s frekvenciou napájania a umiestnením toku prúdu a je približne 0,1 mA až 1 mA pre elektrickú energiu sieťovej frekvencie, hoci za určitých podmienok možno ako elektrovibračný efekt detegovať aj prúdy malé ako jeden mikroampér. Ak je prúd dostatočne veľký, môže spôsobiť kontrakciu svalov, srdcovú arytmiu a popáleniny tkaniva. Absencia akéhokoľvek viditeľného náznaku, že vodič je pod napätím, robí elektrinu obzvlášť nebezpečnou. Bolesť spôsobená elektrickým šokom môže byť intenzívna, čo vedie k tomu, že elektrina sa niekedy používa ako metóda mučenia. Trest smrti vykonaný elektrickým šokom sa nazýva poprava na elektrickom kresle (elektrokutia). Zabitie elektrickým prúdom je v niektorých krajinách stále formou súdneho trestu, hoci jeho použitie je v poslednom čase zriedkavejšie.
Elektrické javy v prírode
Elektrina nie je ľudský vynález, v prírode ju možno pozorovať v niekoľkých podobách, ktorých pozoruhodným prejavom je blesk. Mnohé interakcie známe na makroskopickej úrovni, ako je dotyk, trenie alebo chemická väzba, sú spôsobené interakciami medzi elektrickými poľami na atómovej úrovni. Predpokladá sa, že magnetické pole Zeme je spôsobené prirodzenou produkciou cirkulujúcich prúdov v jadre planéty. Niektoré kryštály, ako je kremeň alebo dokonca cukor, sú schopné vytvoriť potenciálny rozdiel na svojom povrchu, keď sú vystavené vonkajšiemu tlaku. Tento jav, známy ako piezoelektrina, z gréckeho piezein (πιέζειν), čo znamená „lisovať“, objavili v roku 1880 Pierre a Jacques Curie. Tento efekt je reverzibilný a keď je piezoelektrický materiál vystavený elektrickému poľu, dochádza k miernej zmene jeho fyzikálnych rozmerov.
Niektoré organizmy, ako napríklad žraloky, sú schopné detekovať a reagovať na zmeny v elektrických poliach, čo je schopnosť známa ako elektrorecepcia. Zároveň iné organizmy, nazývané elektrogénne, sú schopné samé vytvárať napätie, čo im slúži ako obranná či dravá zbraň. Ryby radu hymniformes, ktorých najznámejším členom je úhor elektrický, dokážu svoju korisť odhaliť alebo omráčiť pomocou vysokého napätia generovaného mutovanými svalové bunky nazývané elektrické bunky (elektrocyty). Všetky živočíchy prenášajú informácie cez bunkové membrány napäťovými impulzmi nazývanými akčné potenciály, ktorých funkciou je poskytovať nervový systém spojenie medzi neurónmi a svalmi. Elektrický šok stimuluje tento systém a spôsobuje svalovú kontrakciu. Akčné potenciály sú zodpovedné aj za koordináciu aktivít určitých rastlín.
V roku 1850 sa William Gladstone opýtal vedca Michaela Faradaya, aká je hodnota elektriny. Faraday odpovedal: "Jedného dňa, pane, ho budete môcť zdaniť."
V 19. a začiatkom 20. storočia elektrina nebola súčasťou Každodenný život veľa ľudí, dokonca aj v industrializovanom západnom svete. Vtedajšia populárna kultúra ho preto často zobrazovala ako tajomnú, kvázi magickú silu, ktorá dokáže zabíjať živých, kriesiť mŕtvych alebo inak meniť zákony prírody. Tento názor začal vládnuť s pokusmi Galvaniho v roku 1771, pri ktorých sa ukázalo, že nohy mŕtvych žiab šklbajú, keď sa použila živočíšna elektrina. O „oživovaní“ alebo resuscitácii zrejme mŕtvych alebo utopených osôb sa v lekárskej literatúre písalo krátko po Galvaniho práci. Tieto správy sa dozvedela Mary Shelley, keď sa pustila do písania Frankensteina (1819), hoci takýto spôsob privedenia monštra k životu nenaznačuje. Oživovanie príšer elektrinou sa neskôr stalo horúcou témou hororových filmov.
Ako verejné oboznámenie sa s elektrickou energiou ako zdrojom o životná sila druhej priemyselnej revolúcie sa jej majitelia častejšie ukazovali v pozitívnom svetle, napríklad elektrikári, o ktorých sa v básni Rudyarda Kiplinga z roku 1907 „Synovia Marty“ hovorí „smrť cez rukavice im zimomriavkou pri pletení drôtov“. Rozmanité vozidiel elektricky poháňaný figuroval v dobrodružných príbehoch Julesa Verna a Toma Swifta. Profesionáli v oblasti elektriny, či už fiktívni alebo skutoční – vrátane vedcov ako Thomas Edison, Charles Steinmetz alebo Nikola Tesla – boli široko vnímaní ako kúzelníci s magickými schopnosťami.
Keďže elektrina v druhej polovici 20. storočia prestala byť novinkou a stala sa nevyhnutnosťou v každodennom živote, osobitnú pozornosť populárnej kultúry získala až vtedy, keď prestala prúdiť, čo bola udalosť, ktorá zvyčajne signalizuje katastrofu. Ľudia, ktorí podporili jeho vstup, ako napríklad nemenovaný hrdina filmu Jimmyho Webba Wichita Fixer (1968), boli čoraz viac prezentovaní ako hrdinské a magické postavy.
