Что такое электричество и как оно возникает ⋆ diodov.net

Электроника – это замечательная прикладная и теоретическая наука, которая с каждым днем набирает обороты, распространяется и внедряется во все отрасли. Изучение ее следует начинать с самых общих понятий и физических процессов. Знание которых, в дальнейшем упростит понимание принципов работы различных электронных приборов и устройств. И первое понятие, которое нам нужно усвоить – это, что такое электричество?

Открытие электричества

Впервые свойства электричества были обнаружены более 2,5 тысяч лет назад древним философом Фалесом Милетским, когда он протирал шерстью янтарь.

Внимательный философ заметил, что к уже натертому драгоценному камню притягиваются мелкие предметы. Хотя по логике, сформированной на уровне знаний того времени, все предметы должны были притягиваться к земле, т.е. падать на землю под действием сил притяжения. Однако натертый шерстью янтарь приобретал некоторое загадочное свойство, впоследствии названое зарядом, который создавал силу по величине превосходящую силу земного притяжения. И эта сила получила название «электричество». Так как слово «электрон» с греческого переводится «янтарь», то электричество дословно можно перевести янтаричество.

В те давние времена считалось, что только янтарь обладает неким загадочным свойством, способным после натирания шерстью притягивать легкие предметы, преодолевая силу земного притяжения. Однако сейчас подобный опыт довольно просто повторить, если вместо этого камня взять пластмассовую палочку и потереть ее об одежду, содержащую в своем составе шерсть. Затем, при поднесении натертой палочки к мелким кусочкам бумаги под действием электрических сил кусочки бумаги притянутся к палочке.

Из выше сказанного давайте выделим два важнейших момента:

1. Только после натирания о шерсть пластмассовая палочка приобретает некие свойства.
2. Приобретенные свойства порождают некую силу, под действие которой к палочке притягиваются кусочки бумаги.

Теперь мы четко знаем, на какие вопросы на нужно найти ответ, чтобы понять, что такое электричество.

Давайте рассмотрим физику происходящего процесса. И первым делом, чтобы анализировать, что происходит с веществом (в данном случае с пластмассой и шерстью) нам понадобятся знания о строении любого вещества. Заранее скажем, что в дальнейшем рассказе будем принимать обобщения и упрощения, однако они не исказят суть данной темы.

Строение атома

И так, начнем. Любое вещество, будь то дерево, камень, стекло или вода, состоит из более мелких элементов, которые называются молекулами. Например, капля воды состоит из множества отдельных молекул, имеющих знакомую нам химическую формулу H

2O. Далее молекулу вещества можно разделить еще на более мелкие частицы – атомы.

Одно время считалось, что атом является наименьшей частичкой, существующей в природе и на более мелкие элементы разделить его уже невозможно. Поэтому слово «атом» переводится з древнегреческого «неделимый».

Сейчас известны всего лишь более ста различных атомов, однако они могут образовать миллионы разных молекул и соответственно столько же разных веществ. Например, молекулу воды H₂O образуют два атома водорода H и один кислорода O.

Со временем, проделав множество кропотливых опытов, ученые пришли к выводу о существовании еще гораздо меньших частичек.

Планетарная модель атома

Центральный и наиболее тяжелым элементом атома считается ядро. Вокруг него на некотором расстоянии по разным орбитам перемещаются электроны. Ядро не является цельным элементом, его составляют протоны и нейтроны.

Электроны обладает отрицательным зарядом, а протоны – положительным. Нейтрон не проявляет свойств ни тех, ни других зарядов, т.е. он нейтрален, отсюда и получил свое название.

Для упрощения некоторых процессов применяется планетарная модель атома. По аналогии с Солнцем, вокруг которого по орбитам движутся планеты, в атоме вокруг ядра движутся электроны. Но электрон – это не какая-то плотная частичка, а размазанный в пространстве сгусток энергии, наподобие расплюснутой шаровой молнии.

Масса протона приблизительно в 2000 раз превышает массу электрона. Но суммарный положительный электрический заряд всех протонов равен суммарному отрицательному заряду всех электронов. Поэтому при нормальных условиях (по умолчанию) атом электрически нейтрален и за его пределами не ощущаются никакие силы. Положительные и отрицательные заряды как бы нейтрализуют друг друга.

В периодической системе химических элементов, известной нам, как таблица Менделеева, все атомы расположены в строгой последовательности: от наиболее легкого до наиболее тяжелого – по величине относительной атомной массе, основную долю которой составляют протоны. Нейтроны также имею массу, но о них мы говорить не будем, поскольку они не обладают выраженным электрическим зарядом.

Наиболее легким химическим элементом является водород, поэтому он первый размещен в таблице Менделеева. Атом водород имеет один протон и один электрон. Другие химические элементы содержат несколько протонов в ядре. А вокруг ядра по нескольким орбитам перемещаются электроны. Чем ближе электрон находится к ядру, тем сильнее, с большей силой он притянут к протону. Электроны, расположенные на наиболее отдаленных орбитах, имеют самую слабую электрическую связь с протонами. И если атому придать некоторой энергии из вне, например нагреть его, то под действием избыточной энергии электрон может покинуть свою орбиту, и соответственно свой атом.

Однако он может не только покинуть совой атом, но и занять место на орбите другого атома. Именно те электроны, которые расположены на самых удаленных от ядра орбитах, в электронике имеют практическое применение, поскольку при наличии дополнительной энергии они легко покидают свои орбиты и становятся свободными. А свободный электрон при перемещении уже может выполнять некоторую полезную работу.

Положительный и отрицательный ионы

Как мы уже ранее заметили, по умолчанию атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны и компенсируют другу друга. Но как только хотя-бы один электрон покинет сове место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов преобладает отрицательный заряд всех оставшихся электронов, поэтому такой атом вцелом имеет свойства положительного заряда и называется положительный ион.

Если атом получил дополнительный электрон, то в нем будет преобладать отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.

Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.

Электризация

Процесс получения дополнительного электрона или, наоборот потеря электрона, называется электризация. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, т.е. явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.

Теперь настало время вернуться к нашему опыту с натиранием шерстью пластмассовой палочки. При натирании пластмассы за счет сил трения, электронам, находящимся в атомах шерсти сообщается некоторая энергия, под действие которой они покидают свои атомы и занимают место на орбитах атомов пластмассы. В результате этого пластмассовая палочка приобретает отрицательный заряд за счет избытка электронов, поступивших из шерсти.

При натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.

Таким образом, изменение количества электронов в верхних слоях рассматриваемых материалов во время их трения, называют электризация трением.

Здесь следует заметить, что вследствие трения лишь очень мизерная часть атомов отдает свои электроны. Даже если сказать, что одна миллиардная часть атомов остается без электронов на внешней орбите, то это все еще будет слишком большим преувеличением, поэтому массы наэлектризованных тел остаются практически неизменными.

Также нужно заметить, что в результате электризации электроны ни откуда не возникают и никуда не деваются, а лишь переходят с атомов одного тела к атомам другого тела.

В нашем опыте мы использовали стекло, пластмассу, шерсть, шелк. По этим материалам очень плохо перемещаются электроны, поэтому они относятся к хорошим диэлектрикам – материалам, которые в отличие от проводников, имеют очень плохую проводимость.

В диэлектриках заряд остается на месте его возникновения и не может перейти по поверхности через все тело на другие, соприкасающиеся с ним предметы. Поэтому, когда мы натираем шерстью пластмассовую палочку, то образовавшиеся свободные заряды остаются на своих местах: электроны, покинув шерсть находят новые места на поверхности пластмассовой палочки.

Электризация металла

Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например кусок металла, то при натирании его о диэлектрик, образовавшийся на поверхности металла заряд, мгновенно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Поскольку в отличии от рассматриваемых диэлектриков наше тело обладает относительно хорошей проводимостью и по нему сравнительно легко перемещаются заряды.

Опыт электризации трением не получится оценить и в том случае, когда мы возьмём два металлических предмета даже с хорошо изолированными рукоятками. При взаимном трении металл об металл, как и в предыдущих опытах возникнут свободные электроны. Однако вследствие наличия неизбежной шероховатости поверхностей не получится одновременно по всей поверхности отделить оба металлические предмета, и в последней точке соприкосновения двух поверхностей электроны перетекут через так называемый «мостик» пока их количество снова не станет таким же, как и до натирания.

Статическое электричество

И так, с первым пунктом мы разобрались и теперь знаем, что при натирании рассмотренных предметов, некоторые электроны получают избыточную энергию и покидают атомы одного тело, которое становится положительно заряженным и занимают места на орбитах атомов другого вещества, которое приобретает свойства отрицательного заряда. При этом заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а разных знаков – притягиваются. Силы, порождаемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействие называют электричество.

В рассмотренных примерах получают так называемое статическое электричество.

Электрическая сила

Теперь рассмотрим второй пункт нашего опыта. Что же происходит с кусочком бумаги? Почему она притягивается к заряженной пластмассовой палочке?

Сущность физического процесса здесь заключается в следующем. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил происходит перемещение электронов к одному из краев тела. И этот край тела ввиду избытка электронов становится отрицательно заряженным, а противоположный край соответственно положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряженной. Таким образом, заряды смещаются по краям данного тела.

Ближе к поднесенному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палочка заряжена положительно, то к ней притянется бумага, той поверхностью, на которой скопились отрицательные заряды. И наоборот.

Такое воздействие заряженным телом на другие тела, находящиеся на расстоянии, называют индуцированным воздействием.

Перемещение зарядов в проводниках при воздействии на него заряженным телом, происходит под воздействием силы электрического поля, свойства которого мы рассмотрим отдельно.

Здесь же мы еще заметим, что сила, с которой притягиваются либо отталкиваются тела, определяется величиной заряда, расстоянием между телами и средой, в которой находятся заряженные тела. Эта зависимость была установлена известным ученым Кулоном, и получила название закон Кулона.

Подытожим выше сказанное. Что такое электричество? Электричество – это наличие и взаимодействие зарядов разного знака. В дальнейшем вы увидим, что заряды образуются не только путем электризации трением, но и другими способами, например под действием протекания химических реакций. Именно так появляются электричество в батарейке, которую правильно называть гальванический элемент.

Еще статьи по данной теме

Откуда берется электричество? — Люди Роста

Открытие электричества

Все мы знаем физическую истину, что ничто никуда бесследно не исчезает, а только переходит из одного состояния в другое. С этой истиной столкнулся греческий философ Фалес Милетский в VII веке до н. э. обнаружив электричество как вид энергии, натирая кусок янтаря шерстью. Часть механической энергии при этом перешла в электрическую и янтарь (на древнегреческом «электрон») электризовался, то есть приобрел свойства притягивать легкие предметы.

Этот вид электричества сейчас называют статическим, и он нашел себе широкое применение, в том числе в системах очистки газов на электростанциях. 

Сам термин «электричество» – то есть «янтарность» – ввел в употребление Уильям Гилберт в 1600 году. С этого времени с электричеством начинают широко экспериментировать, пытаясь разгадать его природу.

Как результат, с 1600 по 1747 годы последовала череда увлекательных открытий и появилась первая теория электричества, созданная американцем Бенджамином Франклином. Он ввел понятие положительного и отрицательного заряда, изобрел молниеотвод и с его помощью доказал электрическую природу молний.

Далее в 1785 происходит открытие закона Кулона, а в 1800 году итальянец Вольта изобретает гальванический элемент (первый источник постоянного тока, предшественник нынешних батарей и аккумуляторов), представлявший собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. С появлением этого, стабильного по тем временам, источника электричества новые и важнейшие открытия быстро следуют одно за другим.

В 1820 году датский физик Эрстед обнаружил электромагнитное взаимодействие: замыкая и размыкая цепь с постоянным током, он заметил цикличные колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. А в 1821 году французский физик Ампер открыл, что вокруг проводника с переменным электрическим током образуется переменное электромагнитное поле. Это позволило уже Майклу Фарадею в 1831 году открыть электромагнитную индукцию, описать уравнениями электрическое и магнитное поле и создать первый электрогенератор переменного тока. Фарадей вдвигал катушку с проводом в намагниченный сердечник и в результате в обмотке катушки появлялся электрический ток. Фарадей также придумал первый электродвигатель – проводник с электрическим током, вращающийся вокруг постоянного магнита.

Постоянный или переменный ток?

В конце 1880-х годов, еще до появления мировых стандартов на производство, распределение и потребление промышленной электроэнергии, разразилась битва между сторонниками использования постоянного и переменного тока. Во главе противостоящих друг другу армий встали Тесла и Эдисон.

Оба были талантливыми изобретателями. Разве что Эдисон обладал куда более развитыми способностями к бизнесу и к моменту начала «войны» успел запатентовать множество технических решений, в которых использовался постоянный ток (в то время в США постоянный ток являлся стандартом по умолчанию; постоянным называется ток, направление которого не меняется по времени).

Но была одна проблема: в те времена постоянный ток было очень трудно трансформировать в более высокое или низкое напряжение. Ведь если сегодня мы получаем электроэнергию напряжением 240 вольт, а наш телефон требует 5 вольт, мы втыкаем в розетку универсальную коробочку, которая преобразует что угодно во что угодно в нужном нам диапазоне, используя современные транзисторы, управляемые крошечными логическими схемами с изощренным программным обеспечением. А что можно было сделать тогда, когда до изобретения самых примитивных транзисторов оставалось еще 70 лет? И если по условиям электрических потерь требовалось повысить напряжение до 100’000 вольт, чтобы доставить электроэнергию на расстояние 100 или 200 километров, любые столбы Вольта и примитивные генераторы постоянного тока оказывались бессильны.

Понимая это, Тесла выступал за переменный ток, трансформация которого в любые уровни напряжения не представляла труда и в те времена (переменным считается ток, величина и направление которого периодически меняются со временем даже при неизменном сопротивлении этому току; при частоте сети 50Гц это происходит 50 раз в секунду). Эдисон же, не желая терять патентные отчисления себе, развернул кампанию по дискредитации переменного тока. Он уверял, что этот вид тока особо опасен для всего живого, и в доказательство публично убивал бродячих кошек и собак, прикладывая к ним электроды, соединенные с источником переменного тока.

Эдисон проиграл битву, когда Тесла предложил за 399’000 долларов осветить весь город Буффало против предложения Эдисона сделать то же за 554’000 долларов. В день, когда город осветился электричеством, полученным от станции, расположенной у Ниагарского водопада и вырабатывающей именно переменный ток, компания General Electric выкинула постоянный ток из рассмотрения в своих будущих бизнес-проектах, полностью поддержав своим влиянием и деньгами переменный ток.

Может показаться, что переменный ток навсегда завоевал мир. Однако у него имеются наследственные болячки, растущие из самого факта переменности. Прежде всего это электрические потери, связанные с потерями в индуктивной составляющей проводов ЛЭП, которые используются для передачи электроэнергии на большие расстояния. Эти потери в 10-20 раз превышают возможные потери в тех же самых ЛЭП в случае протекания по ним постоянного тока. Плюс сказывается повышенная сложность синхронизации узлов энергосистемы (для пущего понимания, скажем, отдельных городов), ведь для этого требуется не только выровнять напряжения узлов, но и их фазу, ибо переменный ток представляет собой волну синусоиды.

Отсюда видна и значительно большая приверженность к «качаниям» узлов по отношению к друг другу, когда напряжение-частота начинают меняться вверх-вниз, на что обычный потребитель обращает внимание, когда у него в квартире мигает свет. Обычно это предвестник конца совместной работы узлов: связи между ними рвутся и какие-то узлы оказываются с дефицитом энергии, что ведет к снижению в них частоты (т.е. к снижению скорости вращения тех же электродвигателей и вентиляторов), а какие-то с избытком энергии, приводящем к опасному повышению напряжения по всему узлу, включая наши розетки с подключенными к ним устройствам. А при достаточно большой длине ЛЭП, что, к примеру, критично для РФ, начинают проявляться и другие портящие настроение электрикам эффекты. Не вдаваясь в детали, можно указать, что передавать электроэнергию переменного тока по проводам на сверхдальние расстояния становится трудно, а иногда и невозможно. Для сведения, длина волны частотой 50 Гц составляет 6000 км, и при приближении к половине этой длины – 3000 км – начинают сказываться эффекты бегущих и стоячих волн плюс эффекты, связанные с резонансом.

Эти эффекты отсутствуют при использовании постоянного тока. А значит, повышается стабильность работы энергосистемы в целом. Принимая это во внимание, а также то, что компьютеры, светодиоды, солнечные панели, аккумуляторы и многое другое используют для своей работы именно постоянный ток, можно заключить: война с постоянным током еще не проиграна. Современным преобразователям постоянного тока на любые используемые сегодня мощности и напряжения осталось совсем немного, чтобы сравняться в цене с привычными человечеству трансформаторами переменного тока. После чего, видимо, начнется триумфальное шествие по планете уже постоянного тока.

Электричество — Википедия

Электри́чество — физическое явление, обусловленное существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества^[1].

История

Одним из первых, чьё внимание привлекло электричество, был греческий философ Фалес Милетский, который в VII веке до н. э. обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь (др.-греч. ἤλεκτρον: электрон) приобретает свойства притягивать лёгкие предметы^[2]. Однако, долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году Уильям Гилберт ввёл в обращение сам термин электричество («янтарность»), а в 1663 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания^[3]. В 1729 году англичанин Стивен Грей провёл опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество^[4]. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть^[5]. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создаёт первый электрический конденсатор — Лейденскую банку. Примерно в эти же годы работы по изучению атмосферного электричества вели и русские учёные — Г. В. Рихман и М. В. Ломоносов.

Первую теорию электричества создаёт американец Бенджамин Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения с электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний^[6]. Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году закона Кулона.

Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой^[1]. В 1802 году Василий Петров обнаружил вольтову дугу.

В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830).

Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создаёт на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привёл Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы — частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами», — утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита. Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка английским физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 году.

В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год).

В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.

В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 году был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединённую теорию электрослабых взаимодействий.

Теория

Электрический заряд — это свойство тел (количественно характеризуемое физической величиной того же названия), проявляющееся, прежде всего, в способности создавать вокруг себя электрическое поле и посредством него оказывать воздействие на другие заряженные (то есть обладающие электрическим зарядом) тела^[7]. Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные (выбор, какой именно заряд назвать положительным, а какой отрицательным, считается в науке чисто условным, однако этот выбор уже исторически сделан и теперь — хоть и условно — за каждым из зарядов закреплён вполне определённый знак). Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются. При движении заряженных тел (как макроскопических тел, так и микроскопических заряженных частиц, переносящих электрический ток в проводниках) возникает магнитное поле и, таким образом, имеют место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм) (Эрстед, Фарадей, Максвелл). В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к заряженным элементарным частицам, например, электрон имеет отрицательный заряд, а протон и позитрон — положительный.

Наиболее общая фундаментальная наука, изучающая электрические заряды, их взаимодействие и поля, ими порождаемые и действующие на них (то есть практически полностью покрывающая тему электричества, за исключением таких деталей, как электрические свойства конкретных веществ, как то электропроводность (и т. п.) — это электродинамика. Квантовые свойства электромагнитных полей, заряженных частиц (и т. п.) изучаются наиболее глубоко квантовой электродинамикой, хотя часть из них может быть объяснена более простыми квантовыми теориями.

Электричество в природе

Ярким проявлением электричества в природе служат молнии, электрическая природа которых была установлена в XVIII веке. Молнии издавна вызывали лесные пожары. По одной из версий, именно молнии привели к первоначальному синтезу аминокислот и появлению жизни на земле (Эксперимент Миллера — Юри и Теория Опарина — Холдейна). Атмосфера Земли представляет собой гигантский конденсатор, нижняя обкладка которого (земная поверхность) заряжена отрицательно, а верхняя обкладка (верхние слои атмосферы до высоты 50 км) положительно. Разность потенциалов между поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы составляет 400 кВ, вблизи поверхности Земли существует постоянное электрическое поле напряжённостью 100 В/м. Отрицательный заряд земной поверхности поддерживается молниями Весьма сомнительное утверждение^{[источник не указан 214 дней][8]}.

Для процессов в нервной системе человека и животных решающее значение имеет зависимость пропускной способности клеточной мембраны для ионов натрия от потенциала внутриклеточной среды. После повышения напряжения на клеточной мембране натриевый канал открывается на время порядка 0,1 — 1,0 мс., что приводит к скачкообразному росту напряжения, затем разность потенциалов на мембране снова возвращается к своему первоначальному значению. Описанный процесс кратко называется нервным импульсом. В нервной системе животных и человека информацию от одной клетки к другой передают нервные импульсы возбуждения длительностью около 1 мс. Нервное волокно представляет собой цилиндр, наполненный электролитом. Сигнал возбуждения передаётся без уменьшения амплитуды вследствие эффекта кратковременного увеличения проницаемости мембраны для ионов натрия^[9].

Многие рыбы используют электричество для защиты и поиска добычи под водой. Южноамериканский электрический угорь способен генерировать электрические разряды напряжением до 500 вольт. Мощность разрядов электрического ската может достигать 0,5 кВт. Акулы, миноги, некоторые сомообразные используют электричество для поиска добычи. Электрический орган рыб работает с частотой несколько сотен герц и создаёт напряжение в несколько вольт. Электрическое поле улавливается электрорецепторами. Находящиеся в воде предметы искажают электрическое поле. По этим искажениям рыбы легко ориентируются в мутной воде^[10].

Производство и практическое использование

Генерирование и передача

Ранние эксперименты эпохи античности, такие, как опыты Фалеса с янтарными палочками, были фактически первыми попытками изучения вопросов, связанных с производством электрической энергии. Этот метод в настоящее время известен как трибоэлектрический эффект, и хотя с его помощью можно притягивать лёгкие предметы и порождать искры, в сущности он чрезвычайно малоэффективен^[11]. Функциональный источник электричества появился только в 1800 году, когда было изобретено первое устройство для его получения — вольтов столб. Он и его современный вариант, электрическая батарея, являются химическими источниками электрического тока: в основе их работы лежит взаимодействие веществ в электролите. Батарея даёт возможность получить электричество в случае необходимости, является многофункциональным и широко распространённым источником питания, который хорошо подходит для применения в различных условиях и ситуациях, однако её запас энергии конечен, и после истощения последнего батарея нуждается в замене или перезарядке. Для удовлетворения более существенных потребностей в большем её объёме электрическая энергия должна непрерывно генерироваться и передаваться по линиям электропередач.

Обычно для её порождения применяются электромеханические генераторы, приводимые в действие либо за счёт сжигания ископаемого топлива, либо с использованием энергии от ядерных реакций, либо посредством силы воздушных или водных течений. Современная паровая турбина, изобретённая Ч. Парсонсом в 1884 году, в настоящее время генерирует примерно 80 % всего электричества в мире, используя те или иные источники нагрева. Эти устройства более не напоминают униполярный дисковый генератор Фарадея, созданный им в 1831 году, однако в их основе по-прежнему лежит открытый им принцип электромагнитной индукции — возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него^[12]. Ближе к концу XIX века был изобретён трансформатор, что позволило более эффективно передавать электроэнергию при более высоком напряжении и меньшей силе тока. В свою очередь, эффективность передачи энергии обусловливала возможность генерировать электричество на централизованных электростанциях с выгодой для последних и затем перенаправлять его на довольно протяжённые дистанции к конечным потребителям^[13][14].

Получение электричества из кинетической энергии ветра набирает популярность во многих странах мира

Поскольку электроэнергию затруднительно хранить в таких количествах, которые были бы достаточны в масштабах государства, необходимо соблюдать баланс: генерировать ровно столько электричества, сколько потребляется пользователями. Для этого энергетическим компаниям необходимо тщательно прогнозировать нагрузку и постоянно координировать производственный процесс со своими электростанциями. Некоторое количество мощностей при этом держится в резерве, чтобы в случае возникновения тех или иных проблем или потерь энергии подстраховывать электросети.

По мере того, как идёт модернизация и развивается экономика того или иного государства, спрос на электричество быстро возрастает. В частности, для Соединенных Штатов этот показатель составил 12 % роста в год на протяжении первой трети XX века^[15], а в настоящее время аналогичный прогресс наблюдается у таких интенсивно развивающихся экономик, как Китай и Индия^[16][17]. Исторически рост потребности в электричестве опережает аналогичные показатели для других видов энергоносителей^[18]. Следует также заметить, что беспокойство по поводу влияния производств электроэнергии на окружающую среду привело к сосредоточению внимания на генерировании электричества посредством возобновляемых источников — в особенности за счёт энергии ветра и воды^[19].

Применение

Лампа накаливания

Использование электричества обеспечивает довольно удобный^{[источник не указан 1101 день]} способ передачи энергии, и в силу этого оно было адаптировано для существенного и по сей день растущего спектра практических приложений^[20]. Одним из первых общедоступных способов применения электричества было освещение; условия для этого оказались созданы после изобретения лампы накаливания в 1870-х годах. Создателем лампы накаливания является русский электротехник А.Н. Лодыгин^[21]. Первая лампа накаливания представляла собой замкнутый сосуд без воздуха с угольным стержнем.^[22]. Хотя с электрификацией были сопряжены свои риски, замена открытого огня на электрическое освещение в значительной степени сократила количество возгораний в быту и на производстве^[23].

В целом, начиная с XIX века, электричество плотно входит в жизнь современной цивилизации. Электричество используют не только для освещения^[24], но и для передачи информации (телеграф, телефон, радио, телевидение), а также для приведения механизмов в движение (электродвигатель), что активно используется на транспорте^[25] (трамвай, метро, троллейбус, электричка) и в бытовой технике (утюг, кухонный комбайн, стиральная машина, посудомоечная машина).

В целях получения электричества созданы оснащённые электрогенераторами электростанции, а для его хранения — аккумуляторы и электрические батареи.

Сегодня также электричество используют для получения материалов (электролиз), для их обработки (сварка, сверление, резка) и создания музыки (электрогитара).

Закон Джоуля-Ленца о тепловом действии электрического тока обусловливает возможности для электрического отопления помещений. Хотя такой способ довольно универсален и обеспечивает определённую степень управляемости, его можно рассматривать как излишне ресурсозатратный — в силу того, что генерирование используемого в нём электричества уже потребовало производства тепла на электростанции^[26]. В некоторых странах, например — в Дании, были даже приняты законодательные нормы, ограничивающие или полностью запрещающие использование электрических средств отопления в новых домах^[27]. В то же время электричество — это практичный источник энергии для охлаждения, и одной из активно растущих областей спроса на электричество является кондиционирование воздуха^[28][29].

По данным Всемирного банка, на сегодняшний день (2015) более миллиарда человек в мире живут без использования электричества в быту. Около 3 млрд человек используют для приготовления пищи и отопления керосин, дрова, древесный уголь и навоз.^[30].

Хронология основных открытий и изобретений

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Спиридонов О. П. «Универсальные физические постоянные», М., «Просвещение», 1984, с. 52, ББК 22.3 С72
2. ↑ Электричество до Франклина
3. ↑ Электростатическая машина Герике
4. ↑ Первые опыты по передаче электричества на расстояние
5. ↑ История электричества
6. ↑ Открытие электричества
7. ↑ Это не единственное свойство заряженных тел; например, заряженные тела при движении способны создавать ещё и магнитное поле, а также подвергаются воздействию последнего (также в случае своего движения).
8. ↑ Электричество и магнетизм, 2004, с. 178.
9. ↑ Электричество в живых организмах, 1988, с. 66.
10. ↑ Богданов К. Ю. Физик в гостях у биолога. — М.: «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986, 144 с. (Б-чка «Квант», Вып. 49) тир. 135000 экз., ББК 22.3 + 28 Гл. 1. Живое электричество.
11. ↑ Dell, Ronald & Rand, David (2001), «Understanding Batteries», Unknown (Royal Society of Chemistry) . — Т. 86: 2–4, ISBN 0-85404-605-4 
12. ↑ McLaren, Peter G. (1984), Elementary Electric Power and Machines, Ellis Horwood, сс. 182–183, ISBN 0-85312-269-5 
13. ↑ Patterson, Walter C. (1999), Transforming Electricity: The Coming Generation of Change, Earthscan, сс. 44–48, ISBN 1-85383-341-X 
14. ↑ Edison Electric Institute, History of the Electric Power Industry, <http://www.eei.org/industry_issues/industry_overview_and_statistics/history>. Проверено 8 декабря 2007. 
15. ↑ Edison Electric Institute, History of the U.S. Electric Power Industry, 1882-1991, <http://www.eia.doe.gov/cneaf/electricity/chg_stru_update/appa.html>. Проверено 8 декабря 2007. 
16. ↑ Carbon Sequestration Leadership Forum, An Energy Summary of India, <http://www.cslforum.org/india.htm>. Проверено 8 декабря 2007. 
17. ↑ IndexMundi, China Electricity — consumption, <http://www.indexmundi.com/china/electricity_consumption.html>. Проверено 8 декабря 2007. 
18. ↑ National Research Council (1986), Electricity in Economic Growth, National Academies Press, с. 16, ISBN 0-309-03677-1 
19. ↑ National Research Council (1986), Electricity in Economic Growth, National Academies Press, с. 89, ISBN 0-309-03677-1 
20. ↑ Wald, Matthew (21 March 1990), «Growing Use of Electricity Raises Questions on Supply», New York Times, <http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9C0CE6DD1F3AF932A15750C0A966958260>. Проверено 9 декабря 2007. 
21. ↑ Один из первых коммерчески успешных вариантов электрической лампы накаливания был разработан Т. Эдисоном.
22. ↑ Большая советская энциклопедия
23. ↑ d’Alroy Jones, Peter, The Consumer Society: A History of American Capitalism, Penguin Books, с. 211 
24. ↑ Жителям Подмосковья электричество не светит
25. ↑ Из-за отключения электричества в Санкт-Петербурге встал электротранспорт
26. ↑ ReVelle, Charles and Penelope (1992), The Global Environment: Securing a Sustainable Future, Jones & Bartlett, с. 298, ISBN 0-86720-321-8 
27. ↑ Danish Ministry of Environment and Energy, F.2 The Heat Supply Act, <http://glwww.mst.dk/udgiv/Publications/1997/87-7810-983-3/html/annexf.htm>. Проверено 9 декабря 2007. 
28. ↑ Brown, Charles E. (2002), Power resources, Springer, ISBN 3-540-42634-5 
29. ↑ Hojjati, B. & Battles, S., The Growth in Electricity Demand in U.S. Households, 1981-2001: Implications for Carbon Emissions, <http://www.eia.doe.gov/emeu/efficiency/2005_USAEE.pdf>. Проверено 9 декабря 2007. 
30. ↑ Более миллиарда людей в мире живут без электричества — ИА «Финмаркет»

Литература

• Калашников С. Г. Электричество. — М., Наука, 1985. — 576 с.
• Эйхенвальд А. А. Электричество. — М., Государственное технико-теоретическое издательство, 1933
• Беркинблит М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в живых организмах. — М.: Наука, 1988. — 288 с.
• Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике. Т. 5. Электричество и магнетизм. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 304 с.

Ссылки

электрический угорь и его «энергостанция» / Хабр

Электрический угорь (Источник: youtube)

Рыба вида электрический угорь (Electrophorus electricus) — единственный представитель рода электрических угрей (Electrophorus). Встречается он в ряде приток среднего и нижнего течения Амазонки. Размер тела рыбы достигает 2,5 метра в длину, а вес — 20 кг. Питается электрический угорь рыбой, земноводными, если повезет — птицами или мелкими млекопитающими. Ученые изучают электрического угря десятки (если не сотни) лет, но только сейчас начали проясняться некоторые особенности строения его тела и ряда органов.

Причем способность вырабатывать электричество — не единственная необычная черта электрического угря. К примеру, дышит он атмосферным воздухом. Это возможно благодаря большому количеству особого вида ткани ротовой полости, пронизанной кровеносными сосудами. Для дыхания угрю нужно каждые 15 минут всплывать к поверхности. Из воды кислород брать он не может, поскольку обитает он в очень мутных и мелких водоемах, где очень мало кислорода. Но, конечно, главная отличительная черта электрического угря — это его электрические органы.

Они играют роль не только оружия для оглушения или убийства его жертв, которыми угорь питается. Разряд, генерируемый электрическими органами рыбы, может быть и слабым, до 10 В. Такие разряды угорь генерирует для электролокации. Дело в том, что у рыбы есть специальные «электрорецепторы», которые позволяют определять искажения электрического поля, вызываемые его собственным телом. Электролокация помогает угрю находить путь в мутной воде и находить спрятавшихся жертв. Угорь может дать сильный разряд электричества, и в это время затаившаяся рыба или земноводное начинает хаотично дергаться из-за судорог. Эти колебания хищник без труда обнаруживает и съедает жертву. Таким образом, эта рыба является одновременно и электрорецептивной и электрогенной.

Интересно, что разряды различной силы угорь генерирует при помощи электрических органов трех типов. Они занимают примерно 4/5 длины рыбы. Высокое напряжение вырабатывают органы Хантера и Мена, а небольшие токи для навигационных целей и коммуникационных целей генерирует орган Сакса. Главный орган и орган Хантера размещаются в нижней части тела угря, орган Сакса — в хвосте. Угри «общаются» между собой при помощи электрических сигналов на расстоянии до семи метров. Определенной серией электрических разрядов они могут привлекать к себе других особей своего вида.

Как электрический угорь генерирует электрический разряд?

Угри этого вида, как и ряд других «электрифицированных» рыб воспроизводят электричество тем же образом, что и нервы с мышцами в организмах других животных, только для этого используются электроциты — специализированные клетки. Задача выполняется при помощи фермента Na-K-АТФазы (кстати, этот же фермент очень важен и для моллюсков рода наутилус (лат. Nautilus)). Благодаря ферменту образуется ионный насос, выкачивающий из клетки ионы натрия, и закачивающий ионы калия. Калий выводится из клеток благодаря специальным белкам, входящих в состав мембраны. Они образуют своеобразный «калиевый канал», через который и выводятся ионы калия. Внутри клетки скапливаются положительно заряженные ионы, снаружи — отрицательно заряженные. Возникает электрический градиент.

Разница потенциалов в результате достигает 70 мВ. В мембране той же клетки электрического органа угря есть и натриевые каналы, через которые ионы натрия могут снова попасть в клетку. В обычных условиях за 1 секунду насос выводит из клетки около 200 ионов натрия и одновременно переносит в клетку приблизительно 130 ионов калия. На квадратном микрометре мембраны может разместиться 100- 200 таких насосов. Обычно эти каналы закрыты, но в случае необходимости они открываются. Если это произошло, градиент химического потенциала приводит к тому, что ионы натрия снова поступают в клетки. Происходит общее изменение напряжения от -70 до +60 мВ, и клетка дает разряд в 130 мВ. Продолжительность процесса — всего 1 мс. Электрические клетки соединяются между собой нервными волокнами, соединение — последовательное. Электроциты составляют своеобразные столбики, которые соединяются уже параллельно. Общее напряжение генерируемого электрического сигнала достигает 650 В, сила тока — 1А. По некоторым данным, напряжение может достигать даже 1000 В, а сила тока — 2А.

Электроциты (электрические клетки) угря под микроскопом

После разряда снова действует ионный насос, и электрические органы угря заряжаются. По мнению некоторых ученых, насчитывается 7 типов ионных каналов мембраны клеток электроцитов. Расположение этих каналов и чередование типов каналов влияет на скорость производства электричества.

Разряд электрической батареи

По результатам исследования Кеннета Катания (Kenneth Catania) из Университета Вандербильта (США), угорь может использовать три типа разряда своего электрического органа. Первый, как и упоминалось выше — это серия низковольтных импульсов, которые служат для коммуникации и навигационных целей.

Второй — последовательность из 2-3 высоковольтных импульсов продолжительностью несколько миллисекунд. Этот способ используется угрем при охоте на спрятавшуюся и затаившуюся жертву. Как только дано 2-3 разряда высокого напряжения, мышцы затаившейся жертвы начинают сокращаться, и угорь может без труда обнаружить потенциальную еду.

Третий способ — ряд высоковольтных высокочастотных разрядов. Третий способ угорь использует при охоте, выдавая за секунду до 400 импульсов. Этот способ парализует практически любое животное небольшого и среднего размера (даже человека) на расстоянии до 3 метров.

Кто еще способен вырабатывать электрический ток?

Из рыб на это способны около 250 видов. У большинства электричество — лишь средство навигации, как, например, в случае слоника нильского (Gnathonemus petersii).

Но электрический разряд чувствительной силы способны генерировать немногие рыбы. Это электрические скаты (ряд видов), электрический сом и некоторые другие.

Электрический сом (Источник: Wikipedia)

Джейсон Гэллент с коллегами провели секвенсирование генома ряда рыб с электрическими органами, и выяснили, что многие из изученных ими видов не являются родственниками. «Изобретение» природой электрических органов у рыб шло параллельно, но строение батарей очень схоже у всех. Всего ученые насчитали 6 независимых друг от друга эволюционных линий, приведших к появлению электрических органов. Пожалуй, электрический угорь является одним из видов рыб, которые используют этот орган наиболее искусно.

Источник: animalpicturesociety.com

Откуда США получают электричество?

Антония Чирьяк 9 июня 2020 года в ответе

Соединенные Штаты получают электроэнергию из различных источников.

• После Китая США являются вторым по величине потребителем энергии в мире.
• С 2009 года США были крупнейшим мировым производителем природного газа, а в 2015 году природный газ стал крупнейшим источником электроэнергии в стране.
• В 2019 году использование угля в качестве источника электроэнергии сократилось до 23.5% по сравнению с 2005 годом, когда было 50%.

---

Поскольку США являются вторым по величине потребителем энергии после Китая, имеет смысл задаться вопросом, откуда берется вся их электроэнергия. Правда заключается в том, что Соединенные Штаты получают электроэнергию из различных источников.Его производит огромное количество технологий. Эти источники и технологии сильно изменились за всю историю, и в настоящее время крупнейшими источниками энергии для производства электроэнергии в США являются ископаемое топливо, ядерная энергия и возобновляемые источники энергии.

Большая часть электроэнергии вырабатывается за счет использования паровых турбин. Эти турбины работают на ископаемом топливе, ядерной, геотермальной и солнечной энергии. Помимо паровых турбин, другими технологиями, которые чаще всего используются, являются гидротурбины, ветряные турбины, газовые турбины и солнечные фотоэлектрические системы.Несмотря на все это, ископаемые виды топлива, такие как нефть, природный газ и уголь, являются источником почти двух третей электроэнергии, производимой в США.

Природный газ

За последние несколько десятилетий природный газ убедительно зарекомендовал себя как крупнейший источник энергии в Соединенных Штатах.

За последние несколько десятилетий природный газ убедительно зарекомендовал себя как крупнейший источник энергии в Соединенных Штатах. В 2016 году он был источником 33% от общего количества энергии, которая была произведена в стране. С 2015 года природный газ также является крупнейшим источником электроэнергии в США. С 2009 года страна является крупнейшим производителем природного газа в мире. Раньше этот титул принадлежал России.За последнее десятилетие добыча природного газа в Соединенных Штатах достигла рекордного уровня, увеличив добычу более чем на 50% по сравнению с 2005 годом.

Поскольку страна создает такие большие запасы природного газа, его цены намного ниже, чем в остальном мире. Когда мы объединяем это с тем фактом, что природный газ оставляет меньший углеродный след, чем уголь, имеет смысл, что количество электричества, генерируемого из этого источника, быстро растет.Однако, хотя Соединенные Штаты добывают самые большие объемы природного газа, они не обладают самыми большими запасами источника энергии. Странами с более высокими его запасами являются Россия, Катар, Туркменистан и Иран, что означает, что США находятся на пятом месте.

Уголь и нефть

В качестве источника энергии уголь в основном используется для производства электроэнергии.

В качестве источника энергии уголь в основном используется для производства электроэнергии.Тем не менее, его использование в последние годы значительно сократилось. Для сравнения: в 2005 году более 50% электроэнергии обеспечивалось за счет угля, но в 2019 году это число сократилось до 23,5%. Соединенные Штаты являются экспортером угля, продавая большую его часть в Европу. На протяжении всей истории страны уголь использовался для обеспечения электроэнергией страны. Это началось в 1882 году, когда завод в Эдисоне был размещен в Нью-Йорке.

Согласно многочисленным недавним исследованиям, нефть считается одним из крупнейших источников энергии в США.На протяжении всей своей богатой истории страна оказывала большое глобальное влияние на рынок нефти и запасы нефти. В 20 веке нефть стала одним из важнейших источников тепла и электричества. Это в основном для промышленного и коммерческого секторов. Хотя нефть является чрезвычайно важным источником энергии, на нее приходится только 0,5% производимой электроэнергии.

Другие источники электричества

Среди других источников электроэнергии атомная энергетика является наиболее доминирующей.На него приходится почти 20% электроэнергии, производимой в стране. Возобновляемые источники энергии составили 17,5% электроэнергии, произведенной в 2019 году. Большая часть этого процента была разделена между гидроэлектростанциями и ветром. Однако другие источники возобновляемой энергии, которые следует упомянуть, — это биомасса, такая как древесина и солнечная энергия.

,

Откуда приходит наше электричество?

Электричество необходимо для современной жизни, но почти один миллиард человек живет без доступа к нему. Такие проблемы, как изменение климата, загрязнение окружающей среды и разрушение окружающей среды, требуют, чтобы мы изменили способ производства электроэнергии.

За прошедшее столетие основными источниками энергии, используемыми для производства электроэнергии, были ископаемое топливо, гидроэлектроэнергия и, с 1950-х годов, атомная энергия.Несмотря на сильный рост использования возобновляемых источников энергии в течение последних нескольких десятилетий, ископаемое топливо остается доминирующим во всем мире. Их использование для выработки электроэнергии продолжает расти как в абсолютном, так и в относительном выражении: в 2017 году ископаемое топливо произвело 64,5% мировой электроэнергии, по сравнению с 61,9% в 1990 году.

Доступ к надежному электричеству жизненно важен для благополучия человека. В настоящее время каждый седьмой человек в мире не имеет доступа к электричеству. Таким образом, спрос на электроэнергию будет продолжать расти.В то же время, если мы хотим смягчить изменение климата, выбросы парниковых газов должны резко снизиться, и мы должны перейти на более чистые источники энергии, чтобы уменьшить загрязнение воздуха. Это, вероятно, потребует значительного увеличения всех низкоуглеродистых источников энергии, из которых ядерная является важной частью.

Для достижения устойчивого мира необходимо обезуглерожить все сектора экономики, включая транспорт, тепло и промышленность. Электричество обеспечивает средства для использования низкоуглеродистых источников энергии, поэтому широко распространенная электрификация рассматривается в качестве ключевого инструмента для декарбонизации секторов, традиционно работающих на ископаемом топливе.По мере роста конечного использования электроэнергии и распространения преимуществ на электроэнергию для всех людей спрос значительно возрастет.

Уголь, газ и нефть

Электростанции на ископаемом топливе сжигают уголь или нефть для выработки тепла, которое, в свою очередь, используется для выработки пара для привода турбин, вырабатывающих электричество. На газовых электростанциях горячие газы приводят турбину в действие для выработки электроэнергии, тогда как газовая турбина с комбинированным циклом (CCGT) также использует парогенератор для увеличения количества произведенной электроэнергии.В 2017 году ископаемое топливо произвело 64,5% электроэнергии по всему миру.

Эти установки надежно вырабатывают электроэнергию в течение длительных периодов времени и, как правило, дешевы в строительстве. Однако при сжигании топлива на основе углерода образуется большое количество углекислого газа, что приводит к изменению климата. Эти растения также производят другие загрязнители, такие как оксиды серы и азота, которые вызывают кислотные дожди.

Электростанция Cottam в Великобритании, которая использует уголь и газ для производства электроэнергии (Изображение: EDF Energy)

Сжигание ископаемого топлива для производства энергии приводит к значительному числу смертей из-за загрязнения воздуха.Например, по оценкам, только в одном Китае 670 000 человек умирают преждевременно — каждый год из-за использования угля.

Для предприятий, работающих на ископаемом топливе, требуется очень большое количество угля, нефти или газа. Во многих случаях эти виды топлива необходимо транспортировать на большие расстояния, что может привести к потенциальным проблемам с поставками. Цена на топливо исторически была нестабильной и может резко возрасти во время дефицита или геополитической нестабильности, что может привести к нестабильной стоимости генерации и более высоким потребительским ценам.

ГЭС

Большинство крупных гидроэлектростанций вырабатывают электроэнергию путем хранения воды в обширных водоемах за плотинами. Вода из резервуаров течет через турбины для выработки электроэнергии. Гидроэлектростанции могут генерировать большое количество низкоуглеродистой электроэнергии, но количество площадок, подходящих для новых крупномасштабных плотин, ограничено. Гидроэлектроэнергию также можно производить с помощью русловых станций, но большинство подходящих для этого рек уже освоено.

Плотина Три ущелья в Китае — крупнейшая в мире гидроэлектростанция и крупнейшая в мире электростанция (Фото: Le Grand Portage, CC BY-SA 2.0)

В 2017 году на гидроэнергетику приходилось 16% мирового производства электроэнергии.

Затопление водохранилищ за плотинами и замедление стока речной системы ниже плотины также могут оказать серьезное влияние на окружающую среду и местное население. Например, во время строительства крупнейшей в мире гидроэлектростанции — плотины Три ущелья в Китае — около 1.3 миллиона человек были перемещены.
С точки зрения количества смертей от несчастных случаев гидроэлектростанция является самым смертоносным источником энергии. Самым большим числом погибших в результате аварии стал обвал плотины Баньцяо в китайской провинции Хэнань в 1975 году, в результате которого, согласно официальным оценкам, погибло 171 000 прямых и косвенных жертв.

Атомная энергия

Реакторы атомной энергетики используют тепло, выделяемое при расщеплении атомов, для выработки пара для приведения в движение турбины. Парниковые газы не образуются в процессе деления, и только очень небольшие количества производятся в течение всего ядерного цикла.Ядерная энергетика является экологически чистой формой производства электроэнергии и не способствует загрязнению воздуха. В 2018 году атомная энергия выработала 10,5% мировой электроэнергии.

Атомная электростанция Paluel на севере Франции, одна из крупнейших в мире атомных электростанций (фото: Areva)

Атомные электростанции, такие как электростанции, работающие на ископаемом топливе, очень надежны и могут работать в течение многих месяцев без перерыва, обеспечивая большое количество чистого электричества, независимо от времени суток, погоды или времени года.

Ядерное топливо может использоваться в реакторе в течение нескольких лет благодаря огромному количеству энергии, содержащейся в уране. Мощность одного килограмма урана примерно равна 1 тонне угля.

В результате образуется соответственно небольшое количество отходов. В среднем, реактор, обеспечивающий потребность человека в электричестве в течение года, создает около 500 граммов отходов — он помещается в банку с газировкой. Всего 5 граммов из этого количества используется ядерное топливо — эквивалент листа бумаги.Существует несколько стратегий управления для использованного топлива, таких как прямая утилизация или рециркуляция в реакторах для выработки большего количества низкоуглеродного электричества.

Ветер и Солнце

Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра, солнечная энергия и малые гидроэлектростанции, вырабатывают электроэнергию с низким уровнем выбросов парниковых газов на протяжении всего их жизненного цикла. В 2017 году ветер и солнечная энергия выработали 4,4% и 1,3% мировой электроэнергии соответственно. Они не производят электричество предсказуемо или последовательно из-за присущей им зависимости от погоды.Выработка электроэнергии из ветряных турбин зависит от скорости ветра, и если ветер слишком слабый или слишком сильный, электричество вообще не производится. Мощность солнечных панелей зависит от силы солнечного света, которая зависит от ряда различных факторов, таких как время суток и количество облачного покрова (а также количество пыли на панелях).

Другая проблема заключается в том, что может не хватить места или готовности общественности разместить огромное количество турбин или панелей, необходимых для производства достаточного количества электроэнергии.Это связано с тем, что энергия ветра или солнца является рассеянной, что означает, что для выработки значительного количества электроэнергии требуется очень значительное количество земли.

Поскольку электричество не может быть легко сохранено, возобновляемые источники энергии должны поддерживаться другими формами производства электроэнергии. Крупнейшие батареи не могут работать в течение нескольких дней, не говоря уже о неделях, которые потребуются для резервного копирования возобновляемых источников энергии, чтобы обеспечить круглосуточное электроснабжение. Чтобы обеспечить стабильную подачу электроэнергии, газовые заводы все чаще предоставляют резервные услуги для возобновляемой электроэнергии.Установки, работающие на природном газе, выделяют большое количество углекислого газа во время работы, и значительные количества метана часто выделяются при добыче и транспортировке газа, которые способствуют изменению климата.

Биомасса

Завод по производству биомассы работает очень похоже на электростанции, работающие на газе и угле. Вместо того, чтобы сжигать газ или уголь, электростанция работает на различных видах биомассы (таких как специально выращенные деревья, щепа, бытовые отходы или «биогаз»). В 2017 году произведена биомасса 2.3% мировой электроэнергии.

Электростанция Drax в Великобритании частично заменила уголь импортированной биомассой в качестве топлива для выработки электроэнергии (Изображение: Andrew Whale, CC BY-SA 2.0)

Производство биомассы может потребовать много энергии, как с точки зрения производства самой биомассы, так и с точки зрения транспорта. Вследствие этого требуемая энергия может быть больше, чем значение энергии в конечном топливе, а выбросы парниковых газов могут быть такими же высокими или даже большими, чем выбросы от эквивалентного ископаемого топлива.Кроме того, для поглощения поглощенного диоксида углерода может потребоваться более 100 лет, что приводит к кратковременному увеличению выбросов.

Другие воздействия на окружающую среду, связанные с землепользованием и экологической устойчивостью, могут быть значительными. Кроме того, как и в случае с углем, использование биомассы может способствовать загрязнению воздуха и, таким образом, оказывает негативное воздействие на здоровье населения, расположенного по соседству с растениями из биомассы.

Что будет питать наше электрическое будущее?

Электричество приобретает все большее значение.Если мы хотим решить проблему изменения климата и уменьшить загрязнение воздуха, нам необходимо расширить использование всех низкоуглеродистых источников энергии, из которых ядерная является важной частью.

Чтобы удовлетворить растущий спрос на устойчивую энергию, Всемирная ядерная ассоциация представила программу «Гармония», которая ставит цель для ядерной энергетики обеспечивать как минимум 25% электроэнергии до 2050 года. Это будет означать, что к тому времени ядерная генерация должна утроиться в глобальном масштабе , Для того чтобы резко сократить уровни ископаемого топлива, ядерные и возобновляемые источники энергии должны работать вместе, чтобы обеспечить надежное, доступное и чистое будущее энергоснабжение.

Белая книга Всемирной ядерной ассоциации «Тихий гигант» содержит дополнительную информацию о необходимости использования ядерной энергии в системе экологически чистой энергии.

---

Вас также может заинтересовать

,

Что такое электричество? — learn.sparkfun.com

Избранные любимец 61

Начало работы

Электричество повсюду вокруг нас — питание таких технологий, как наши мобильные телефоны, компьютеры, освещение, паяльники и кондиционеры. Сложно избежать этого в нашем современном мире. Даже когда вы пытаетесь избежать электричества, оно все еще действует по всей природе, от молнии во время грозы до синапсов внутри нашего тела.Но что именно это электричество? Это очень сложный вопрос, и когда вы копаете глубже и задаете больше вопросов, на самом деле нет однозначного ответа, а только абстрактные представления о том, как электричество взаимодействует с нашим окружением.

Электричество — это природное явление, которое встречается в природе и принимает разные формы. В этом уроке мы сосредоточимся на текущем электричестве: материале, который питает наши электронные гаджеты. Наша цель — понять, как электричество течет от источника питания по проводам, зажигая светодиоды, вращающиеся двигатели и запитывая наши устройства связи.

Электричество кратко определяется как поток электрического заряда , , но за этим простым утверждением стоит так много. Откуда взялись обвинения? Как мы их перемещаем? Куда они переезжают? Как электрический заряд вызывает механическое движение или заставляет вещи загораться? Так много вопросов! Чтобы начать объяснять, что такое электричество, нам нужно увеличить, помимо материи и молекул, атомы, которые составляют все, с чем мы взаимодействуем в жизни.

Это руководство основано на некотором базовом понимании физики, силы, энергии, атомов и [полей] (http: // en.wikipedia.org/wiki/Field_(physics)) в частности. Мы замаскируем основы каждого из этих понятий физики, но это может помочь также обратиться к другим источникам.

Going Atomic

Чтобы понять основы электричества, нам нужно начать с концентрации на атомах, одном из основных строительных блоков жизни и материи. Атомы существуют в более чем сотне различных форм в качестве химических элементов, таких как водород, углерод, кислород и медь. Атомы многих типов могут объединяться в молекулы, которые создают материю, которую мы можем физически видеть и трогать.

Атомов — это крошечных , длина которых не превышает 300 пикометров (это 3×10 ^-10 или 0,0000000003 метра). Медная копейка (если бы она на самом деле была сделана из 100% меди) содержала бы 3,2×10 ²² атомов (32 000 000 000 000 000 000 000 атомов) меди внутри нее.

Даже атом не достаточно мал, чтобы объяснить работу электричества. Нам нужно спуститься еще на один уровень и посмотреть на строительные блоки атомов: протоны, нейтроны и электроны.

Строительные блоки атомов

Атом состоит из трех отдельных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Каждый атом имеет центральное ядро, где протоны и нейтроны плотно упакованы вместе. Вокруг ядра находится группа орбитальных электронов.

Очень простая модель атома. Это не в масштабе, но полезно для понимания того, как строится атом. Ядро протонов и нейтронов окружено орбитальными электронами.

В каждом атоме должен быть хотя бы один протон. Количество протонов в атоме важно, потому что оно определяет, какой химический элемент представляет атом. Например, атом с одним протоном является водородом, атом с 29 протонами является медью, а атом с 94 протонами является плутонием. Этот счет протонов называется атомным номером атома .

Ядро-партнер протона, нейтроны, служат важной цели; они удерживают протоны в ядре и определяют изотоп атома.Они не важны для нашего понимания электричества, поэтому давайте не будем о них беспокоиться в этом уроке.

Электроны имеют решающее значение для работы электричества (обратите внимание на общую тему в их именах?) В своем наиболее стабильном, сбалансированном состоянии, атом будет иметь то же количество электронов, что и протоны. Как и в приведенной ниже модели атома Бора, ядро ​​с 29 протонами (что делает его атомом меди) окружено равным количеством электронов.

По мере того, как развивалось наше понимание атомов, развивался и наш метод их моделирования.Модель Бора — очень полезная модель атома, когда мы исследуем электричество.

Электроны атома не все навсегда связаны с атомом. Электроны на внешней орбите атома называются валентными электронами. При достаточной внешней силе валентный электрон может покинуть орбиту атома и стать свободным. Свободные электроны позволяют нам перемещать заряд — вот что такое электричество. Кстати, о зарядке …

текущие заряды

Как мы уже упоминали в начале этого урока, электричество определяется как поток электрического заряда. Заряд — это свойство материи, как масса, объем или плотность. Это измеримо. Точно так же, как вы можете измерить, сколько массы у чего-то, вы можете измерить, сколько у него заряда. Ключевая концепция с зарядом заключается в том, что он может быть двух типов: положительный (+) или отрицательный (-) .

Чтобы переместить заряд, нам нужно носителей заряда , и здесь наши знания об атомных частицах — особенно электронах и протонах — пригодятся. Электроны всегда несут отрицательный заряд, в то время как протоны всегда заряжены положительно.Нейтроны (соответствуют их названию) являются нейтральными, они не заряжены. И электроны, и протоны несут одно и то же количество заряда , просто другого типа.

Модель атома лития (3 протона) с обозначенными зарядами.

Заряд электронов и протонов важен, потому что он дает нам возможность оказывать на них силу. Электростатическая сила!

Электростатическая сила

Электростатическая сила (также называемая законом Кулона) — это сила, действующая между зарядами.В нем говорится, что заряды одного типа отталкивают друг друга, а заряды противоположных типов притягиваются вместе. Противоположности привлекают, а любит отталкивать .

Количество силы , действующей на два заряда, зависит от того, насколько они удалены друг от друга. Чем ближе два заряда, тем больше сила (или отталкивание, или отрыв).

Благодаря электростатической силе электроны отталкивают другие электроны и притягиваются к протонам.Эта сила является частью «клея», который удерживает атомы вместе, но это также инструмент, который нам нужен, чтобы заставить электроны (и заряды) течь!

Подача начислений

Теперь у нас есть все инструменты для подачи зарядов. Электроны в атомах могут выступать в качестве наших носителей заряда , потому что каждый электрон несет отрицательный заряд. Если мы сможем освободить электрон от атома и заставить его двигаться, мы сможем создать электричество.

Рассмотрим атомную модель атома меди, одного из предпочтительных элементарных источников для потока заряда.В своем сбалансированном состоянии медь имеет 29 протонов в своем ядре и равное количество электронов, вращающихся вокруг нее. Электроны движутся по орбите на разных расстояниях от ядра атома. Электроны, расположенные ближе к ядру, ощущают гораздо более сильное притяжение к центру, чем те, которые находятся на далеких орбитах. Внешние электроны атома называются валентными электронами , они требуют наименьшего количества силы, чтобы освободиться от атома.

Это диаграмма атома меди: 29 протонов в ядре, окруженные полосами кружащихся электронов.Электроны, расположенные ближе к ядру, трудно удалить, в то время как валентный электрон (внешнее кольцо) требует относительно небольшой энергии для выброса из атома.

Используя достаточную электростатическую силу на валентном электроне — либо толкая его другим отрицательным зарядом, либо притягивая его положительным зарядом — мы можем выбросить электрон с орбиты вокруг атома, создав свободный электрон.

Теперь рассмотрим медную проволоку: вещество, заполненное бесчисленными атомами меди. Поскольку наш свободный электрон плавает в пространстве между атомами, он притягивается и подталкивается окружающими зарядами в этом пространстве.В этом хаосе свободный электрон в конечном итоге находит новый атом, к которому можно привязаться; при этом отрицательный заряд этого электрона выбрасывает другой валентный электрон из атома. Теперь новый электрон дрейфует в свободном пространстве, пытаясь сделать то же самое. Этот цепной эффект может продолжаться и создавать поток электронов, называемый электрическим током .

Очень упрощенная модель зарядов, протекающих через атомы для создания тока.

Проводимость

Некоторые элементарные типы атомов лучше других высвобождают свои электроны.Чтобы получить максимально возможный поток электронов, мы хотим использовать атомы, которые не очень сильно связаны с их валентными электронами. Проводимость элемента измеряет, насколько сильно электрон связан с атомом.

Элементы с высокой проводимостью, которые имеют очень подвижные электроны, называются проводниками . Это типы материалов, которые мы хотим использовать для изготовления проводов и других компонентов, которые способствуют потоку электронов. Такие металлы, как медь, серебро и золото, как правило, являются нашим лучшим выбором для хороших проводников.

Элементы с низкой проводимостью называются изоляторами . Изоляторы служат очень важной цели: они предотвращают поток электронов. Популярные изоляторы включают стекло, резину, пластик и воздух.

Статическое или текущее электричество

Прежде чем мы пойдем дальше, давайте обсудим две формы, которые может принимать электричество: статическое или текущее. При работе с электроникой, текущее электричество будет гораздо более распространенным, но статическое электричество также важно понимать.

Статическое электричество

Статическое электричество существует, когда на объектах, разделенных изолятором, накапливаются противоположные заряды. Статическое (как в «покое») электричество существует до тех пор, пока две группы противоположных зарядов не смогут найти путь между собой, чтобы сбалансировать систему.

Когда заряды находят способ выравнивания, возникает статический разряд . Притяжение зарядов становится настолько сильным, что они могут проходить даже через самые лучшие изоляторы (воздух, стекло, пластик, резину и т. Д.).). Статические разряды могут быть вредными в зависимости от того, через какую среду проходят заряды и на какие поверхности переносятся заряды. Заряды, выравнивающиеся через воздушный зазор, могут привести к видимому удару, когда бегущие электроны сталкиваются с электронами в воздухе, которые возбуждаются и выделяют энергию в виде света.

Свечи зажигания используются для создания контролируемого статического разряда. Противоположные заряды накапливаются на каждом из проводников, пока их притяжение не станет настолько сильным, что в воздухе могут протекать большие заряды.

Одним из наиболее ярких примеров статического разряда является молнии . Когда облачная система накапливает достаточно заряда относительно другой группы облаков или земной поверхности, заряды будут пытаться уравновесить. Когда облако разряжается, огромное количество положительных (или иногда отрицательных) зарядов проходит через воздух от земли к облаку, вызывая видимый эффект, с которым мы все знакомы.

Статическое электричество также привычно существует, когда мы натираем воздушные шарики на голове, чтобы заставить волосы выпрямиться, или когда мы перетасовываем на полу нечеткие тапочки и шокируем семейную кошку (случайно, конечно).В каждом случае трение от различных типов материалов переносит электроны. Объект, теряющий электроны, становится положительно заряженным, в то время как объект, приобретающий электроны, становится отрицательно заряженным. Два объекта притягиваются друг к другу до тех пор, пока они не смогут найти способ уравнять.

Работая с электроникой, мы обычно не имеем дело со статическим электричеством. Когда мы это делаем, мы обычно пытаемся защитить наши чувствительные электронные компоненты от статического разряда.Профилактические меры против статического электричества включают в себя ношение антистатических браслетов или добавление специальных компонентов в цепи для защиты от очень высоких пиков заряда.

Текущее электричество

Текущее электричество — это форма электричества, которая делает возможными все наши электронные штуковины. Эта форма электричества существует, когда заряды в состоянии постоянно текут . В отличие от статического электричества, когда заряды собираются и остаются в покое, текущее электричество является динамическим, заряды всегда в движении.Мы будем фокусироваться на этой форме электричества в оставшейся части урока.

Схемы

Для того, чтобы течь, текущему электричеству требуется цепь: замкнутая бесконечная петля из проводящего материала. Схема может быть такой же простой, как проводной провод, соединенный сквозной, но полезные схемы обычно содержат смесь проводов и других компонентов, которые контролируют поток электричества. Единственное правило, когда дело доходит до изготовления цепей, это то, что они не могут иметь никаких изолирующих зазоров в них.

Если у вас есть провод, полный атомов меди, и вы хотите, чтобы через него проходил поток электронов, , то все свободных электронов должны куда-то течь в одном и том же общем направлении. Медь — отличный проводник, идеально подходящий для протекания зарядов. Если цепь из медного провода оборвана, заряды не могут проходить через воздух, что также предотвратит попадание любого из зарядов к середине.

С другой стороны, если провод был соединен встык, у всех электронов есть соседний атом, и все они могут течь в одном и том же общем направлении.

---

Теперь мы понимаем , как могут течь электронов, но как мы можем заставить их течь в первую очередь? Затем, когда электроны текут, как они производят энергию, необходимую для освещения лампочек или спиновых двигателей? Для этого нам нужно понять электрические поля.

Электрические поля

Мы имеем представление о том, как электроны протекают через вещество, чтобы создать электричество. Это все, что нужно для электричества. Ну, почти все.Теперь нам нужен источник, чтобы вызвать поток электронов. Чаще всего этот источник потока электронов приходит из электрического поля.

Что такое поле?

Поле — это инструмент, который мы используем для моделирования физических взаимодействий, в которых не задействован какой-либо наблюдаемый контакт . Поля не видны, так как они не имеют физического вида, но эффект, который они имеют, очень реален.

Мы все подсознательно знакомы с одним конкретным полем: гравитационным полем Земли, эффектом массивного тела, притягивающего другие тела.Гравитационное поле Земли может быть смоделировано с помощью набора векторов, указывающих в центр планеты; независимо от того, где вы находитесь на поверхности, вы почувствуете силу, толкающую вас к ней.

Сила или интенсивность полей не одинаковы во всех точках поля. Чем дальше вы находитесь от источника поля, тем меньший эффект оказывает поле. Величина гравитационного поля Земли уменьшается по мере удаления от центра планеты.

. Продолжая исследовать электрические поля, помните, как работает гравитационное поле Земли, оба поля имеют много общего.Гравитационные поля оказывают силу на объекты массы, а электрические поля оказывают силу на объекты заряда.

Электрические поля

Электрические поля (электронные поля) являются важным инструментом для понимания того, как электричество начинается и продолжает течь. Электрические поля описывают силу тяги или толкания в пространстве между зарядами . По сравнению с гравитационным полем Земли электрические поля имеют одно существенное отличие: в то время как поле Земли обычно притягивает только другие объекты массы (поскольку все , а значит, значительно менее массивные), электрические поля отталкивают заряды так же часто, как и притягивают их.

Направление электрических полей всегда определяется как направление , положительный пробный заряд переместился бы на , если бы его бросили в поле. Пробный заряд должен быть бесконечно малым, чтобы его заряд не влиял на поле.

Мы можем начать с построения электрических полей для одиночных положительных и отрицательных зарядов. Если вы положили положительный пробный заряд рядом с отрицательным зарядом, пробный заряд будет притягиваться к отрицательному заряду . Таким образом, для одного отрицательного заряда мы рисуем стрелки электрического поля , направленные внутрь во всех направлениях.Тот же самый тестовый заряд, сброшенный рядом с другим положительным зарядом , приведет к отталкиванию наружу, что означает, что мы рисуем стрелок, выходящих из положительного заряда.

Электрические поля разовых зарядов. Отрицательный заряд имеет внутреннее электрическое поле, потому что он привлекает положительные заряды. Положительный заряд имеет внешнее электрическое поле, отталкивающее как заряды.

Группы электрических зарядов могут быть объединены для создания более полных электрических полей.

Равномерное электронное поле выше указывает от положительных зарядов к отрицательным. Представьте себе крошечный положительный тестовый заряд, упавший в электронном поле; оно должно следовать направлению стрелок. Как мы уже видели, электричество обычно включает в себя поток электронов — отрицательных зарядов — которые протекают против электрических полей.

Электрические поля дают нам толкающую силу, необходимую для создания тока. Электрическое поле в цепи похоже на электронный насос: большой источник отрицательных зарядов, которые могут продвигать электроны, которые будут течь через цепь к положительному объему зарядов.

Электрический потенциал (энергия)

Когда мы используем электричество для питания наших цепей, устройств и гаджетов, мы действительно преобразуем энергию. Электронные схемы должны быть способны накапливать энергию и передавать ее в другие формы, такие как тепло, свет или движение. Накопленная энергия цепи называется энергией электрического потенциала.

энергии? Потенциальная энергия?

Чтобы понять потенциальную энергию, нам нужно понять энергию в целом. Энергия определяется как способность объекта выполнять работ над другим объектом, что означает перемещение этого объекта на некоторое расстояние.Энергия приходит в году во многих формах , некоторые из которых мы можем видеть (например, механические), а другие — нет (например, химические или электрические). Независимо от того, в какой форме она находится, энергия существует в одном из двух состояний : кинетическом или потенциальном.

Объект имеет кинетическую энергию , когда он находится в движении. Количество кинетической энергии, которое имеет объект, зависит от его массы и скорости. Потенциальная энергия , с другой стороны, представляет собой запасенную энергию , когда объект находится в покое. Он описывает, сколько работы может выполнить объект, если его привести в движение.Эту энергию мы обычно можем контролировать. Когда объект приводится в движение, его потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию.

Давайте вернемся к использованию гравитации в качестве примера. Шар для боулинга, неподвижно расположенный на вершине башни Халифы, обладает большой потенциальной (накопленной) энергией. После падения шар, притянутый гравитационным полем, ускоряется к земле. По мере ускорения шара потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию (энергию от движения). В конце концов вся энергия шара преобразуется из потенциальной в кинетическую, а затем передается всему, что попадает в него.Когда мяч находится на земле, у него очень низкая потенциальная энергия.

Электрическая Потенциальная Энергия

Так же, как масса в гравитационном поле обладает потенциальной гравитационной энергией, заряды в электрическом поле имеют электрическую потенциальную энергию . Электрическая потенциальная энергия заряда описывает, сколько накопленной энергии у него есть, когда оно приводится в движение электростатической силой, эта энергия может стать кинетической, и заряд может работать.

Как шар для боулинга, сидящий на вершине башни, положительный заряд в непосредственной близости от другого положительного заряда обладает высокой потенциальной энергией; если оставить его свободным для движения, заряд будет отталкиваться от аналогичного заряда.Положительный пробный заряд, помещенный рядом с отрицательным зарядом, будет иметь низкую потенциальную энергию, аналогично мячу для боулинга на земле.

Чтобы привить что-либо с потенциальной энергией, мы должны сделать работу , перемещая это на расстояние. В случае шара для боулинга работа заключается в том, чтобы поднять его на 163 этажа против поля тяжести. Точно так же должна быть проведена работа, чтобы подтолкнуть положительный заряд к стрелкам электрического поля (либо к другому положительному заряду, либо от отрицательного заряда).Чем дальше вверх по полю идет заряд, тем больше работы вам предстоит выполнить. Аналогично, если вы пытаетесь отвести отрицательный заряд от от положительного заряда — против электрического поля — вы должны сделать работу.

Для любого заряда, находящегося в электрическом поле, его электрическая потенциальная энергия зависит от типа (положительного или отрицательного), количества заряда и его положения в поле. Потенциальная электрическая энергия измеряется в джоулях ( Дж ).

Электрический потенциал

Электрический потенциал основан на электрическом потенциале энергии , чтобы помочь определить, сколько энергии хранится в электрических полях .Это еще одна концепция, которая помогает нам моделировать поведение электрических полей. Электрический потенциал — это , а не , то же самое, что энергия электрического потенциала!

В любой точке электрического поля электрический потенциал представляет собой величину электрической энергии , деленную на величину заряда в этой точке. Он берет величину заряда из уравнения и оставляет нам представление о том, сколько потенциальной энергии могут обеспечить определенные области электрического поля. Электрический потенциал выражается в единицах джоулей на кулон ( Дж / с ), которые мы определяем как вольт (В).

В любом электрическом поле есть две точки электрического потенциала, которые представляют для нас значительный интерес. Есть точка с высоким потенциалом, где положительный заряд будет иметь максимально возможную потенциальную энергию, и есть точка с низким потенциалом, где заряд будет иметь минимально возможную потенциальную энергию.

Одним из наиболее распространенных терминов, которые мы обсуждаем при оценке электроэнергии, является напряжение . Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле.Напряжение дает нам представление о том, какую силу толкает электрическое поле.

---

Имея потенциальную и потенциальную энергию под нашим поясом, у нас есть все ингредиенты, необходимые для производства электроэнергии. Давай сделаем это!

Электричество в действии!

Изучив физику элементарных частиц, теорию поля и потенциальную энергию, мы теперь знаем достаточно, чтобы заставить электричество течь. Давайте сделаем схему!

Сначала мы рассмотрим ингредиенты, необходимые для производства электричества:

• Определение электричества — поток заряда .Обычно наши заряды будут переноситься свободно текущими электронами.
• Отрицательно заряженные электроны свободно удерживаются на атомах проводящих материалов. С небольшим толчком мы можем освободить электроны от атомов и заставить их течь в общем равномерном направлении.
• Замкнутая цепь из проводящего материала обеспечивает путь для непрерывного потока электронов.
• Заряды приводятся в действие электрическим полем . Нам нужен источник электрического потенциала (напряжения), который толкает электроны из точки с низкой потенциальной энергией в более высокую потенциальную энергию.

короткого замыкания

Батареи — это распространенные источники энергии, которые преобразуют химическую энергию в электрическую. У них есть две клеммы, которые подключаются к остальной части цепи. На одном терминале имеется избыток отрицательных зарядов, а на другом все положительные заряды объединяются. Это разность электрических потенциалов, просто ожидающая действий!

Если мы подключили наш провод, полный проводящих атомов меди, к батарее, это электрическое поле будет влиять на отрицательно заряженные свободные электроны в атомах меди.Одновременно выталкиваемые отрицательной клеммой и вытягиваемые положительной клеммой, электроны в меди будут перемещаться от атома к атому, создавая поток заряда, который мы знаем как электричество.

Через секунду после протекания тока электроны на самом деле сместились на , очень мало, на — доли сантиметра. Тем не менее, энергия, создаваемая потоком тока, составляет огромных , тем более что в этой схеме нет ничего, что могло бы замедлить поток или потреблять энергию.Подсоединение чистого проводника непосредственно через источник энергии — это плохая идея . Энергия очень быстро проходит через систему и преобразуется в тепло в проводе, которое может быстро превратиться в плавящуюся проволоку или огонь.

Подсветка лампочки

Вместо того, чтобы тратить всю эту энергию, не говоря уже о разрушении аккумулятора и провода, давайте построим схему, которая делает что-то полезное! Обычно электрическая цепь передает электрическую энергию в другую форму — свет, тепло, движение и т. Д.Если мы подключим лампочку к батарее с проводами между ними, у нас будет простая, функциональная схема.

Схема: батарея (слева), подключенная к лампочке (справа), цепь замыкается, когда выключатель (вверху) замыкается. Когда цепь замкнута, электроны могут протекать от отрицательной клеммы батареи через лампочку к положительной клемме.

Пока электроны движутся со скоростью улитки, электрическое поле воздействует на всю цепь практически мгновенно (мы говорим о скорости света).Электрическое поле влияет на электроны в цепи, будь то с наименьшим потенциалом, с наибольшим потенциалом или рядом с лампочкой. Когда переключатель замыкается и электроны подвергаются воздействию электрического поля, все электроны в цепи начинают течь, по-видимому, в одно и то же время. Те заряды, которые находятся рядом с лампочкой, пройдут один шаг по цепи и начнут преобразовывать энергию из электрической в ​​световую (или тепловую).

Ресурсы и дальнейшее развитие

В этом уроке мы раскрыли лишь крошечную часть кончика айсберга пословиц.Там все еще остается масса понятий, оставшихся не раскрытыми. Отсюда мы рекомендуем вам перейти прямо к нашему учебнику по напряжению, току, сопротивлению и закону Ома. Теперь, когда вы знаете все об электрических полях (напряжение) и протекающих электронах (ток), вы уже на пути к пониманию закона, который регулирует их взаимодействие.

Для получения дополнительной информации и визуализации, объясняющих электричество, посетите этот сайт.

Вот некоторые другие учебные пособия для начинающих, которые мы рекомендуем прочитать:

Или, может быть, вы хотите узнать что-то практическое? В этом случае, ознакомьтесь с некоторыми из этих базовых уроков навыков:

,