Электричество - это фундаментальное физическое явление, которое характеризуется наличием или движением электрического заряда. В том случае, когда заряд движется от своего источника (места возникновения) к потребителю (пункту назначения), тогда это называется электрическим током. Если же электрический заряд просто находится на объекте, никуда не двигаясь, то это называется статическим электричеством.
Как работает электричество
Чтобы объяснить принцип работы электричества, проведем аналогию с водой в трубе.
Электрический заряд можно сравнить с каплями воды в трубе; он характеризует собой количество движущейся энергии. Заряд пропорционален электрической энергии и может быть положительным или отрицательным. Наиболее известные заряженные частицы - это протоны и электроны. Протоны имеют положительный электрический заряд (+), а электроны - отрицательный (-). Аккумуляторы, батареи и конденсаторы способны хранить электрический заряд. Он измеряется в кулонах, названных в честь французского физика Шарля-Огюстена де Кулона. В Международной системе единиц (СИ) заряд обозначается как Q.
Электрический ток — это движение электрического заряда от высокой к низкой разности потенциалов (напряжения). При замыкании электрической цепи создается соединение, позволяющее току течь. Магнитные поля могут вызывать или индуцировать электрический ток в близлежащих проводниках. Электрическая мощность - это количество электрической энергии, переданной от источника к приемнику за единицу времени. Обычно она измеряется в ваттах (Вт). Сила тока измеряется в амперах, названных в честь французского физика Андре-Мари Ампера. В системе СИ сила тока обозначается буквой I (от французского "intensité du courant" - "сила тока").
Сопротивление препятствует движению электрического заряда. Материалы с высоким собственным сопротивлением, которые не "любят" проводить электрический заряд, называются изоляторами. Высокое сопротивление препятствует проведению электрического заряда, как клапан или дроссель препятствует движению воды по трубе. Единицей измерения сопротивления в системе СИ является Ом, названный в честь Георга Ома и сокращенно обозначаемый греческой буквой Ω (омега).
Напряжение, иногда называемое электрическим давлением, является разность потенциалов между двумя точками электрической цепи. Электроны самопроизвольно движутся от точки с более высоким напряжением к точке с более низким напряжением, подобно тому, как вода течет вниз по склону. Единица измерения напряжения в системе СИ - вольт, названная в честь итальянского физика Алессандро Вольта и обозначаемая буквой V.
Когда электричество ищет путь к точке с более низким напряжением, как в случае с молнией, говорят, что оно стремится к заземлению. Дома и здания оборудуются системой заземления, предназначенной для безопасного отвода энергии удара молнии или скачка напряжения. Воздух обычно является изолятором. Однако при достаточно высоком давлении даже вода может пробить себе путь через твердую породу. Подобным образом, при достаточно большом электрическом напряжении заряд может пройти через материалы, которые обычно не проводят ток, такие как воздух, пресная вода, металлические конструкции или даже человеческое тело. Именно поэтому высоковольтные линии электропередач опасны и требуют специальных изоляторов, чтобы предотвратить утечку электричества через опоры в землю.
Когда было изобретено электричество?
Общеизвестные термины "электричество" и "электрическая энергия" происходят от греческого слова ἤλεκτρον (elektron), означающего "янтарь". Фалес Милетский, один из Семи мудрецов Древней Греции, описал электрические свойства янтаря около 600 года до н.э., примерно за шесть веков до рождества Христова. При трении о волосы или шерсть янтарь приобретает статический электрический заряд, который притягивает частицы пыли. Это явление называется трибоэлектрическим эффектом. Именно на нем основан принцип работы электростатических пылеуловителей. Этот же эффект объясняет, почему мука иногда прилипает к стенкам миксера, словно игнорируя силу тяжести. Если прикоснуться к наэлектризованному янтарю, накопленный заряд резко переходит в состояние с более низкой энергией, передавая эту энергию кончику пальца в виде слабого электрического разряда.
Древнегреческий философ Демокрит предположил, что вся материя во вселенной, какой бы сложной она ни была, в конечном счете состоит из мельчайших неделимых частиц, которые он назвал атомами. («А-» обозначает отсутствие или противоположность чего-либо, а греческий суффикс τόμος или -tómos имеет тот же корень, что и медицинская процедура -томия, при которой что-то разрезается.) Согласно этой теории, атомы представлялись как твердые объекты, взаимодействующие друг с другом посредством механических соединений, наподобие шарового шарнира или крючка с петлей. Спустя более двух тысячелетий после Фалеса и Демокрита английский ученый Уильям Гилберт ввел термин electricus в своих работах, описывая трибоэлектрический эффект.
Современная модель атома углерода с помеченными субатомными частицами
Атомы и электроны, как и электрический заряд, имеют дискретную, квантованную природу. В этом смысле древнегреческий философ Демокрит и современный физик Стивен Хокинг сходятся во мнении о сущности атома. Однако Демокрит не мог знать, что электрическая энергия способна удерживать частицы вместе с такой же силой, как и механическая связь. Электромагнитное взаимодействие является вторым по силе после сильного ядерного взаимодействия. Для сравнения: электростатическое отталкивание между двумя электронами в 10⁴² раз сильнее их взаимного гравитационного притяжения.
Люди догадывались о существовании электрической энергии задолго до того, как поняли природу электронов и электричества. Об этом свидетельствуют древние записи об электрических рыбах. Например, взрослый нильский электрический сом способен генерировать разряд мощностью 350 вольт — достаточно, чтобы оглушить человека. Древнеегипетские папирусы упоминают электрических рыб бассейна Нила, таких как электрический сом и африканский электрический угорь, называя их "Громовержцами Нила" и почитая как защитников других рыб.
Первые изображения электрических сомов появились на египетских фресках около 3100 года до н.э., во времена Нармера — правителя додинастического периода и основателя Первой династии. Интересно, что само имя Нармера историки связывают с электрическим сомом. Некоторые источники указывают на необычное применение способностей этих рыб: врачи того времени якобы использовали молодых особей с меньшим электрическим потенциалом для лечения артрита и подагры, что можно сравнить с современными методами электротерапии.
Новый всплеск интереса к электрическим рыбам произошел в 1775 году, когда были опубликованы две научные работы об электрических угрях, их анатомии и физиологии. Вскоре после этого итальянский физик Луиджи Гальвани совершил прорыв в понимании биоэлектричества, продемонстрировав в экспериментах с лягушачьими лапками, что нервные клетки передают электрические импульсы, управляющие мышцами.
Французский физик Шарль-Огюстен де Кулон в своих экспериментах с трением обнаружил фундаментальный принцип электростатики: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Он продемонстрировал это, используя легкие шарики из стекла или металла, которые он заряжал трением об янтарь или стекло.
Значительный вклад в понимание электричества внесла и математика. Карл Фридрих Гаусс, ученик знаменитого математика Леонарда Эйлера, развил идеи своего учителя о циклических процессах, применив их к электромагнетизму и периодическим явлениям. Эти работы позже легли в основу расчетов электрических фаз, сделавших возможным использование переменного тока. Вскоре после этого Георг Ом опубликовал точный математический анализ электрической цепи, сформулировав закон, который сейчас носит его имя.
Данные открытия стали толчком к бурному развитию электротехники в XIX веке. В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил связь между электричеством и магнетизмом, показав, что электрический ток может отклонять магнитную стрелку компаса. Всего через два года Майкл Фарадей изобрел электродвигатель, открыв новую эру в истории техники. За ними последовали изобретения и разработки таких выдающихся инженеров и предпринимателей, как Эдисон, Браш, Феррарис, фон Сименс, Тесла и Вестингауз.
К началу XX века в мире развернулась настоящая гонка за электрификацию жилых домов. Возник вопрос: какая система электроснабжения станет доминирующей? Стремление реализовать свое видение электрификации привело к острому соперничеству между компаниями Эдисона, Вестингауза и Thomson-Houston Electric. Этот период вошел в историю как "война токов" — противостояние сторонников постоянного и переменного тока, определившее будущее электроэнергетики.
Война токов
На заре электрической эры, разгорелась ожесточенная борьба, которая определила будущее энергетики. Два гения, Томас Эдисон и Никола Тесла, оказались по разные стороны баррикад, отстаивая свои видения будущего электроснабжения.
В общих чертах это выглядело так: Эдисон изобрел низковольтную электрическую систему постоянного тока (DC), которая эффективно работала в густонаселенных городских районах. Однако у постоянного тока был существенный недостаток – большие потери при передаче на дальние расстояния, что делало его непрактичным для широкомасштабного использования.
Никола Тесла, бывший сотрудник Эдисона, предложил альтернативу – систему переменного тока (AC). Хотя переменный ток требовал более высокого напряжения и лучшей изоляции, он имел меньшие потери при передаче. Главное преимущество заключалось в том, что напряжение переменного тока легко трансформировалось, что делало его более универсальным.
Эдисон смотрел на вещи иначе. Возможно, он искренне верил, что переменный ток более опасен, чем его собственный низковольтный постоянный ток, но он видел угрозу, которую он представлял для своих деловых интересов на стремительно развивающемся рынке. Но патенты Теслы на переменный ток привлекли внимание Джорджа Вестингауза, изобретателя и железнодорожного барона, который искал недорогой способ питания далеко расположенных переключателей и сигналов, координирующих движение поездов его компании. Вестингауз лицензировал патенты Теслы по цене 2,50 доллара за лошадиную силу переменного тока и вскоре ввел высоковольтные системы переменного тока для жилых и коммерческих помещений благодаря изобретению гораздо более эффективного понижающего трансформатора.
Высоковольтные линии электропередач, подобные этим, могут передавать переменный ток на большие расстояния.
В ответ на это компания Edison Electric Light Company распространила 80-страничную пропагандистскую брошюру, в которой предупреждала клиентов, что и Вестингауз, и Thomson-Houston (еще один конкурент, разрабатывающий системы переменного и постоянного тока) нарушают соответствующие патенты и, вероятно, подвергают своих клиентов и общественность опасности, если те осмелятся установить электрические системы, созданные любой из этих компаний.
"Вестингаузация"
Опасения по поводу использования переменного тока не были выдуманы Эдисоном просто для того, чтобы очернить своих конкурентов. По всей Нью-Йорку были протянуты линии переменного тока напряжением до 6000 вольт. Многие из этих линий были построены не по стандартам безопасности 1890-х годов, времени, когда «стандарты безопасности» с радостью позволяли компаниям продавать героин в детском сиропе от кашля. Постоянно обрывающиеся провода линий электропередачи переменного тока и ошибки при ремонте приводили к гибели людей, поражая их молниеносным ударом в сердце, и общественность была готова считать переменный ток более опасным, чем постоянный.
И вот мы подошли к электрическому стулу
Незадолго до наступления нового века ученые искали более гуманный и надежный способ казни заключенных. Нью-Йорк остановился на идее использования электричества после серии неудачных повешений. Тем не менее, среди ученых в рекомендательном комитете возникли разногласия: они не знали, сколько вольт нужно использовать, чтобы убить человека, и не были уверены, какой тип тока будет наиболее эффективным. Эдисон, несмотря на свое нежелание участвовать в разработке орудия казни, все таки воспользовался ситуацией, чтобы продемонстрировать опасность переменного тока. Изначально первая казнь электричеством должна была быть проведена с использованием генераторов Thomson-Houston. Однако компания Вестингауза узнала об этом и доставила три своих генератора, которые и были быстро установлены. Вестингауз, вероятно, оплатил адвоката для подсудимого, Уильяма Кеммлера, в надежде, что суд признает электрический стул жестоким и неприемлимым наказанием.
Однако суд не пришел к такому выводу. Кеммлер был казнен, процедура лишения жизни была неудачным шоу ужасов, а термин «Вестингауз» был ненадолго выдвинут для описания того, что мы теперь называем «казнью на электрическом стуле».
Однако война токов закончилась довольно неожиданно. После ухода Эдисона из своей компании, его преемники постепенно отказались от борьбы с переменным током. В 1892 году компания Эдисона объединилась с Thomson-Houston, образовав General Electric, которая стала использовать сразу обе технологии. К началу XX века стало очевидно, что переменный ток имеет больше преимуществ для широкомасштабного производства и распределения электроэнергии.
Таким образом, несмотря на жесткую конкуренцию и пропагандистскую войну, технологические преимущества переменного тока в конечном итоге привели к его победе, и сегодня именно эта система используется для передачи электроэнергии на большие расстояния.
