Что такое электричество? Информация о электрическом токе. Передача электроэнергии на дальние расстояния

Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения.

1. Существуют заряды двух видов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительный заряд возникает при трении стекла о кожу или шелк, а отрицательный — при трении янтаря (или эбонита) о шерсть.

2. Заряды (или заряженные тела ) взаимодействуют друг с другом. Одноименные заряды оттал-киваются, а разноименные заряды притягиваются.

3. Состояние электризации можно передать от одного тела к другому, что связано с переносом электрического заряда . При этом телу можно передать больший или меньший заряд, т. е. заряд имеет величину. При электризации трением заряд приобретают оба тела, причем одно — поло-жительный, а другое — отрицательный. Следует подчеркнуть, что абсолютные величины зарядов наэлектризованных трением тел равны, что подтверждается многочисленными измерениями заря-дов с помощью электрометров.

Объяснить, почему тела электризуются (т. е. заряжаются) при трении, стало возможным после открытия электрона и изучения строения атома. Как известно, все вещества состоят из атомов; атомы , в свою очередь, состоят из элементарных частиц — отрицательно заряженных электронов , положительно заряженных протонов и нейтральных частиц - нейтронов . Электроны и протоны являются носителями элементарных (минимальных) электрических зарядов.

Элементарный электрический заряд (е ) — это наименьший электрический заряд, положи-тельный или отрицательный, равный величине заряда электрона:

е = 1,6021892(46) · 10 -19 Кл .

Заряженных элементарных частиц существует много, и почти все они обладают зарядом +e или -e , однако эти частицы весьма недолговечны. Они живут меньше миллионной доли се-кунды. Только электроны и протоны существуют в свободном состоянии неограниченно долго.

Протоны и нейтроны (нуклоны) составляют положительно заряженное ядро атома , вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых равно числу протонов, так что атом в целом электроцентралей.

В обычных условиях тела, состоящие из атомов (или молекул), электрически нейтральны. Однако в процессе трения часть электронов, покинувших свои атомы, может перейти с одного тела на другое. Перемещения электронов при этом не превышают размеров межатомных расстояний. Но если тела после трения разъединить, то они окажутся заряженными; тело, которое отдало часть своих электронов, будет заряжено положительно, а тело, которое их приобрело, — отрицательно.

Итак, тела электризуются, т. е. получают электрический заряд, когда они теряют или приоб-ретают электроны. В некоторых случаях электризация обусловлена перемещением ионов. Новые электрические заряды при этом не возникают. Происходит лишь разделение имеющихся заря-дов между электризующимися телами: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое.

Определение заряда.

Следует особо подчеркнуть, что заряд является неотъемлемым свойством частицы. Частицу без заряда представить себе можно, но заряд без частицы — нельзя.

Проявляют себя заряженные частицы в притяжении (разноименные заряды) либо в отталкивании (одноименные заряды) с силами, на много порядков превышающими гравитационные. Так, сила электрического притяжения электрона к ядру в атоме водорода в 10 39 раз больше силы гра-витационного притяжения этих частиц. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием , а электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.

В современной физике так определяют заряд:

Электрический заряд — это физическая величина , являющаяся источником электрического поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих зарядом.

Современную жизнь невозможно представить без электричества, этот тип энергии используется человечеством наиболее полно. Однако далеко не все взрослые люди способны вспомнить из школьного курса физики определение электрического тока (это направленный поток протекания элементарных частиц, имеющих заряд), совсем мало кто понимает, что же это такое.

Что такое электричество

Наличие электричества как явления объясняется одним из главных свойств физической материи – способностью обладать электрическим зарядом. Они бывают положительными и отрицательными, при этом объекты, обладающие разнополюсными знаками, притягиваются друг к другу, а «равнозначные», наоборот, отталкиваются. Движущиеся частицы также являются источником возникновения магнитного поля, что лишний раз доказывает связь между электричеством и магнетизмом.

На атомарном уровне существование электричества можно объяснить следующим образом. Молекулы, из которых состоят все тела, содержат атомы, составленные из ядер и электронов, циркулирующих вокруг них. Эти электроны могут при определенных условиях отрываться от «материнских» ядер и переходить на другие орбиты. Вследствие этого некоторые атомы становятся «недоукомплектованными» электронами, а у некоторых их в избытке.

Поскольку природа электронов такова, что они текут туда, где их не хватает, постоянное перемещение электронов от одного вещества к другому и составляет электрический ток (от слова «течь»). Известно, что электричество имеет направление от полюса «минус» к полюсу «плюс». Поэтому вещество с нехваткой электронов считается заряженным положительно, а с переизбытком – отрицательно, и именуется оно «ионами». Если речь идет о контактах электрических проводов, то положительно заряженный называется «нулевой», а отрицательно – «фаза».

В разных веществах расстояние между атомами различно. Если они очень маленькие, электронные оболочки буквально касаются друг друга, поэтому электроны легко и быстро переходят от одного ядра к другому и обратно, чем создается движение электрического тока. Такие вещества, например, как металлы, называются проводниками.

В других веществах межатомные расстояния относительно велики, поэтому они являются диэлектриками, т.е. не проводят электричество. Прежде всего, это резина.

Дополнительная информация . При испускании ядрами вещества электронов и их движении происходит образование энергии, которая прогревает проводник. Такое свойство электричества называется «мощность», измеряется она в ваттах. Также эту энергию можно преобразовывать в световую или другой вид.

Для непрерывного течения электричества по сети потенциалы на конечных точках проводников (от линий ЛЭП до домовой электропроводки) должны быть разными.

История открытия электричества

Что такое электричество, откуда оно берется, и прочие его характеристики фундаментально изучает наука термодинамика с сопредельными науками: квантовой термодинамикой и электроникой.

Сказать, что какой-либо ученый изобрел электрический ток, было бы неверным, ибо с древних времен много исследователей и ученых занимались его изучением. Сам термин «электричество» ввел в обиход греческий ученый-математик Фалес, это слово означает «янтарь», поскольку именно в опытах с янтарной палочкой и шерстью Фалесу получилось выработать статическое электричество и описать это явление.

Римлянин Плиний также занимался исследованием электрических свойств смолы, а Аристотель изучал электрических угрей.

В более позднее время первым, кто досконально стал изучать свойства электрического тока, стал В. Жильбер, врач английской королевы. Немецкий бургомистр из Магдебурга О.ф Герике считается создателем первой лампочки из натертого серного шарика. А великий Ньютон вывел доказательство существования статического электричества.

В самом начале 18 века английский физик С. Грей поделил вещества на проводники и непроводники, а голландским учёным Питером ван Мушенбруком была изобретена лейденская банка, способная накапливать электрический заряд, т. е. это был первый конденсатор. Американский ученый и политический деятель Б. Франклин впервые в научных терминах вывел теорию электричества.

Все 18 столетие было богатым на открытия в сфере электричества: установлена электрическая природа молнии, сконструировано искусственное магнитное поле, выявлено существование двух видов зарядов («плюс» и «минус») и, как следствие, двух полюсов (естествоиспытатель из США Р. Симмер), Кулоном открыт закон взаимодействия между точечными электрозарядами.

В следующем веке изобретены батарейки (итальянский ученый Вольта), дуговая лампа (англичанин Дейви), а также прототип первой динамо-машины. 1820 год считается годом зарождения электродинамической науки, сделал это француз Ампер, за что его имя присвоили единице для показаний силы электротока, а шотландец Максвелл вывел световую теорию электромагнетизма. Россиянин Лодыгин изобрел лампу накаливания, имеющую стержень из угля, – прародитель современных лампочек. Чуть более ста лет назад была изобретена неоновая лампа (французский ученый Жорж Клод).

И по сей день исследования и открытия в области электричества продолжаются, например, теория квантовой электродинамики и взаимодействия слабых электрических волн. Среди всех ученых, занимавшихся исследованием электричества, особое место принадлежит Николе Тесла –многие его изобретения и теории о том, как работает электричество, до сих пор не оценены по достоинству.

Природное электричество

Долгое время считалось, что электричества «самого по себе» не существует в природе. Это заблуждение развеял Б. Франклин, который доказал электрическую природу молний. Именно они, по одной из версий ученых, способствовали синтезу первых аминокислот на Земле.

Внутри живых организмов также вырабатывается электричество, которое порождает нервные импульсы, обеспечивающие двигательные, дыхательные и другие жизненно необходимые функции.

Интересно. Многие ученые считают человеческое тело автономной электрической системой, которая наделена функциями саморегуляции.

У представителей животного мира тоже имеется свое электричество. Например, некоторые породы рыб (угри, миноги, скаты, удильщики и другие) используют его для защиты, охоты, добывания пищи и ориентации в подводном пространстве. Особый орган в теле этих рыб вырабатывает электроэнергию и накапливает ее, как в конденсаторе, его частота – сотни герц, а напряжение – 4-5 вольт.

Получение и использование электричества

Электричество в наше время – это основа комфортной жизни, поэтому человечество нуждается в его постоянной выработке. Для этих целей возводятся различного рода электростанции (гидроэлектростанции, тепловые, атомные, ветровые, приливные и солнечные), способные с помощью генераторов вырабатывать мегаватты электричества. В основе этого процесса лежит преобразование механической (энергия падающей воды на ГЭС), тепловой (сжигание углеродного топлива – каменного и бурого угля, торфа на ТЭЦ) или межатомной энергии (атомного распада радиоактивных урана и плутония на АЭС) в электрическую.

Много научных исследований посвящено электрическим силам Земли, все они стремятся использовать атмосферное электричество для блага человечества – выработки электроэнергии.

Учеными предложено множество любопытных устройств генераторов тока, которые дают возможность добывать электричество из магнита. Они используют способности постоянных магнитов совершать полезную работу в виде крутящего момента. Он возникает в результате отталкивания между одноименно заряженными магнитными полями на статорном и роторном устройствах.

Электричество популярнее всех остальных источников энергии, поскольку обладает множеством преимуществ:

• легкое перемещение до потребителя;
• быстрый перевод в тепловой или механический вид энергии;
• возможны новые области его применения (электромобили);
• открытие все новых свойств (сверхпроводимость).

Электричество – это движение разнозаряженных ионов внутри проводника. Это большой подарок от природы, который люди познают с давних времен, и процесс этот еще не закончен, хотя человечество уже научилось добывать его в огромных объемах. Электричество играет огромную роль в развитии современного общества. Можно сказать, что без него жизнь большинства наших современников просто остановится, ведь недаром при отключении электричества люди говорят, что «отключили свет».

Видео

Или электрическим током называют направленно движущийся поток заряженных частиц, например электронов. Также электричеством называется энергия, получаемая в результате такого движения заряженных частиц, и освещение, которое получают на основе этой энергии. Термин «электричество» был введён английским учёным Уильямом Гилбертом в 1600 году в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните-Земле».

Гилберт проводил опыты с янтарём, который в результате трения о сукно получил возможность притягивать другие лёгкие тела, то есть приобрёл некий заряд. А так как янтарь переводится с греческого как электрон, то наблюдаемое ученым явление получило название «электричество».

Электрический ток

Немного теории об электричестве

Электричество способно создавать вокруг проводников электрического тока или заряженных тел электрическое поле. Посредством электрического поля можно оказывать воздействие на другие тела, обладающие электрическим зарядом.fv

Электрические заряды, как всем известно, делятся на положительные и отрицательные. Этот выбор является условным, однако из-за того, что он уже давно сделан исторически, то только поэтому за каждым зарядом закреплён определённый знак.

Тела, которые заряжены одним видом знака, отталкиваются друг от друга, а которые имеют разные заряды-наоборот притягиваются.

Во время движения заряженных частиц, то есть существования электричества, также помимо электрического поля возникает и магнитное поле. Это позволяет установить родство между электричеством и магнетизмом .

Интересно, что существуют тела, которые проводят электрический ток или тела с очень большим сопротивлением.. Это было открыто английским учёным Стивеном Греем в 1729 году.

Изучением электричества, наиболее полно и фундаментально, занимается такая наука, как термодинамика. Однако квантовые свойства электромагнитных полей и заряженных частиц изучаются уже совсем другой наукойm – квантовой термодинамикой, однако некоторую часть квантовых явлений можно довольно просто объяснить обычными квантовыми теориями.

Основы электричества

История открытия электричества

Для начала необходимо сказать, что нет такого учёного, который может считаться открывателем электричества, так как с древнейших времен до наших дней многие учёные изучают его свойства и узнают что-то новое об электричестве.

• Первым, кто заинтересовался электричеством, был древнегреческий философ Фалес. Он обнаружил, что янтарь, который потереть о шерсть приобретает свойство притягивать другие лёгкие тела.
• Затем другой древнегреческий ученый Аристотель занимался изучением некоторых угрей, которые поражали врагов, как мы теперь знаем, электрическим разрядом.
• В 70 году нашей эры римский писатель Плиний изучал электрические свойства смолы.
• Однако затем долгое время об электричестве не было получено никаких знаний.
• И только в 16 веке придворный врач английской королевы Елизаветы 1 Вильям Жильбер занялся изучением электрических свойств и сделал ряд интересных открытий. После этого началось буквально «электрическое помешательство».
• Только в 1600 году появился термин «электричество», введённый английским ученым Уильямом Гилбертом.
• В 1650 году, благодаря бургомистру Магдебурга Отто фон Герике, который изобрёл электростатическую машину, появилась возможность наблюдать эффект отталкивания тел под действием электричества.
• В 1729 году английский учёный Стивен Грей, проводя опыты по передачи электрического тока на расстояние, случайно обнаружил, что не все материалы обладают свойством одинаково передавать электричество.
• В 1733 году французский ученый Шарль Дюфе открыл существование двух типов электричества, которые он назвал стеклянным и смоляным. Эти названия они получили из-за того, что выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть.
• Первый конденсатор, то есть накопитель электричества, изобрёл голландец Питер ванн Мушенбрук в 1745 году. Этот конденсатор получил название Лейденская банка.
• В 1747 году американец Б.Франклин создал первую в мире теорию электричества. По франклину электричество – это нематериальная жидкость или флюид. Другая заслуга Франклина перед наукой заключается в том, что он изобрёл громоотвод и с помощью него доказал, что молния имеет электрическую природу возникновения. Также он ввёл такие понятия как положительный и отрицательный заряды, но не открывал заряды. Это открытие сделал учёный Симмер, который доказал существование полюсов зарядов: положительного и отрицательного.
• Изучение свойств электричества перешло к точным наукам после того как в 1785 году Кулон открыл закон о силе взаимодействия, происходящей между точечными электрическими зарядами, который получил название Закон Кулона.
• Затем, в 1791 году итальянский учёный Гальвани публикует трактат о том, что в мышцах животных, при их движении возникает электрический ток.
• Изобретение батареи другим итальянским учёным – Вольтом в 1800, привело к бурному развитию науки об электричестве и к последовавшему ряду важных открытий в этой области.
• Затем последовали открытия Фарадея, Максвелла и Ампера, которые произошли всего за 20 лет.
• В 1874 году российский инженер А.Н.Лодыгин получил патент, на изобретённую в 1872 году лампу накаливания с угольным стержнем. Затем в лампе стал использоваться стержень из вольфрама. А в 1906 году он продал свой патент компании Томаса Эдисона.
• В 1888 году Герц регистрирует электромагнитные волны.
• В 1879 году Джозеф Томсон открывает электрон, который является материальным носителем электричества.
• В 1911 году француз Жорж Клод изобрёл первую в мире неоновую лампу.
• Двадцатый век дал миру теорию Квантовой электродинамики.
• В 1967 году был сделан еще один шаг на пути изучения свойств электричества. В этом году была создана теория электрослабых взаимодействий.

Однако это только основные открытия, сделанные учёными, и способствовавшие применению электричества. Но исследования продолжаются и сейчас, и каждый год происходят открытия в области электричества.

Все уверенны что самым великим и могущественным в плане открытий связанных с электричеством, был Никола Тесла. Сам он родился в Австрийской империи, теперь это территория Хорватии. В его багаже изобретений и научных работ: переменный ток, теория полей, эфир, радио, резонанс и многое другое. Некоторые допускают возможность что явление “Тунгусского метеорита”, это ни что иное как работа рук самого Николы Теслы, а именно взрыв огромной мощности на территории Сибири.

Властелин мира - Никола Тесла

Какое-то время считалось, что электричество в природе не существует. Однако после того как Б.Франклин установил, что молнии имеют электрическую природу возникновения, это мнение перестало существовать.

Значение электричества в природе, как и в жизни человека достаточно огромно. Ведь именно молнии привели к синтезу аминокислот и, следовательно, к появлению жизни на земле .

Процессы в нервной системе человека и животных, например, движение и дыхание, происходят благодаря нервному импульсу, который возникает из-за электричества, существующего в тканях живых существ.

Некоторые виды рыб использую электричество, а точнее электрические разряды для защиты от врагов, поиска пищи под водой и её добывания. Такими рыбами являются: угри, миноги, электрические скаты и даже некоторые акулы. Все эти рыбы имеют специальный электрический орган, который работает по принципу конденсатора, то есть накапливает достаточно большой электрический заряд, а затем разряжает его на жертву, прикоснувшуюся к такой рыбе. Также такой орган работает с частотой в несколько сотен герц и имеет напряжение несколько вольт. Сила тока электрического органа рыб меняется с возрастом: чем старше становится рыба, тем сила тока больше. Также благодаря электрическому току рыбы, обитающие на большой глубине, ориентируются в воде. Электрическое поле искажается под действие предметов, находящихся в воде. А эти искажения и помогают рыбам ориентироваться.

Смертельные опыты. Электричество

Получение электричества

Для получения электричества были специально созданы электростанции. На электростанциях при помощи генераторов, создается электроэнергия, которая после передается в места потребления по линиям электропередач. Электрический ток создается благодаря переходу механической или внутренней энергии в электрическую энергию. Электростанции делятся на: гидроэлектростанции или ГЭС, тепловые атомные, ветровые, приливные, солнечные и другие электростанции.

В гидроэлектростанциях турбины генератора, движущиеся под действием потока воды, вырабатывают электрический ток. В тепловых электростанциях или по-другому ТЭЦ электрический ток образуется также, но только вместо воды используется водяной пар, возникающий в процессе нагрева воды при сгорании топлива, например, угля.

Очень похожий принцип работы используется в атомной станции или АЭС. Только в АЭС используется другой вид топлива – радиоактивные материалы, например, уран или плутоний. Происходит деление их ядер, благодаря чему выделяется очень большое количество теплоты, используемое для нагревания воды и превращения её в водяной пар, который затем поступает в турбину, вырабатывающую электрический ток. Для работы таких станций требуется очень мало топлива. Так десять граммов урана вырабатывает такое же количество электричества, как и вагон угля.

Использование электричества

В наше время жизнь без электричества становится невозможной. Оно достаточно плотно вошло в жизнь людей двадцать первого века. Часто электричество используют для освещения, например, используя электрическую или неоновую лампу, и для передачи всевозможной информации с помощью телефона, телевидения и радио, а в прошлом и телеграфа. Также еще в двадцатом веке появилась новая область применения электричества: источник питания электрических двигателей трамваев, поездов в метро, троллейбусов и электричек. Электричество необходимо для работы различных бытовых приборов, которые значительно улучшают жизнь современного человека.

Сегодня электричество также применяется для получения качественных материалов и их обработки. С помощью электрогитар, работающих благодаря электричеству, можно создавать музыку. Также электричество продолжает использоваться, как гуманный способ умерщвления преступников (электрический стул), в странах, в которых разрешена смертная казнь.

Также учитывая то, что жизнь современного человека становится практически невозможной без компьютеров и сотовых телефонов, для работы которых необходимо электричество, то важность электричества будет достаточно сложно переоценить.

Электричество в мифологии и искусстве

В мифологии почти всех народов есть боги, которые способны метать молнии, то есть умеющие использовать электричество. Например, у греков таким богом был Зевс, у индусов-Агни, который умел превращаться в молнию, у славян – это Перун, а у скандинавских народов-Тор.

В мультфильмах также есть электричество. Так в диснеевском мультфильме Черный плащ есть антигерой Мегавольт, который способен повелевать электричеством. В японской анимации электричеством владеет покемон Пикачу.

Заключение

Изучение свойств электричества началось ещё в глубокой древности и продолжается до сих пор. Узнав, основные свойства электричества и, научившись их правильно использовать, люди значительно облегчили свою жизнь. Электричество также используется на заводах, фабриках и тд., то есть с помощью него можно получать другие блага. Значение электричества, как в природе, так и в жизни современного человека огромно. Без такого электрического явления как молния на земле не зародилась бы жизнь, а без нервных импульсов, возникающих также благодаря электричеству, не возможно было бы обеспечить согласованную работу между всеми частями организмов.

Люди всегда были благодарны электричеству, даже когда не знали об его существовании. Они наделяли своих главных богов возможностью метать молнии.

Современный человек также не забывает об электричестве, но возможно ли о нем забыть? Он наделяет электрическими способностями героев мультфильмов и фильмов, строит электростанции, чтобы получать электричество и делает многое другое.

Таким образом, электричество величайший дар, данный нам самой природой и которым мы, к счастью, научились пользоваться.

.
 Внутренняя природа этих взаимодействий не известна до сих пор, поэтому нам остается только признать объективную реальность − некоторые тела обладают способностью взаимодействовать друг с другом также как «кусочки янтаря, потертые шерстью».
 Безусловно, со времен Древней Греции наши знания об окружающем мире невероятно расширились. Мы знаем, что все тела состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы состоят из электронов и ядер, ядра состоят из протонов и нейтронов, протоны и нейтроны состоят из… Впрочем, на этом пока можно остановится, мы и так уже вернулись к электрону, но не к «кусочку» янтаря, а к мельчайшей элементарной частице, способной взаимодействовать с некоторыми другими частицами также как «кусочки янтаря, потертые шерстью».

35.1 Два вида электрических зарядов.

Если некоторые частицы (или тела) обладают способностью принимать участие в электрических взаимодействиях, то имеет смысл приписать им некоторую характеристику, которая и будет указывать на это их свойство. Такая характеристика получила название электрический заряд. Тела, принимающие участие в электрических взаимодействиях называются заряженными. Таким образом, термин «электрически заряженный» является синонимом выражения «участвует в электрических взаимодействиях». Почему некоторые элементарные частицы обладают электрическим зарядом, а другие нет − никому не известно!
 Дальнейшие рассуждения, основанные на экспериментальных данных, призваны конкретизировать эту характеристику, по возможности, сделать ее количественной.
 История изучения электрических явлений длительна и полна драматизма, …
 Далее мы опишем ряд простых опытов, которые можно провести дома «на кухне», или в школьной лаборатории. При их объяснении мы будем пользоваться теми знаниями, которые получены в течение многими учеными нескольких сотен лет, в результате многочисленных и разнообразных экспериментов.
 Сейчас, мы воспроизведем в очень упрощенной форме некоторые этапы экспериментальных исследований, выводы из которых послужили основой современной теории электрических взаимодействий.
 Для проведения экспериментов, прежде всего, следует научиться получать заряженные тела. Простейший метод достижения этой цели − электризация трением. Например, хорошо электризуется, (то есть приобретает электрический заряд) стекло, если его потереть шелком. Появление электрического заряда проявляется в том, что такая палочка начинает притягивать кусочки бумаги, волоски, пылинки и т.д.
 Также можно установить, что многие другие вещества также электризуются посредством трения. Зная результат заранее, в качестве второго «источника» электричества выберем эбонитовую палочку, потертую шерстью. Назовем электрический заряд, который появляется на стекле − «стеклянным», а заряд на эбоните «смоляным 2 » .

Шарль Франсуа Дюфе (Charles François de Cisternay du Fay; 1698 − 1739) − французский учёный, физик, член Парижской Академии наук (рис.).
 Дюфе добился наибольших успехов в систематизации сведений по электрическим эффектам. Он составил программу для изучения электрических явлений и в результате открыл два рода электрического заряда: «стеклянный» и «смоляной» (сейчас их называют положительным и отрицательным); первым исследовал электрические взаимодействия и доказал, что одноименно наэлектризованные тела отталкиваются друг от друга, а разноименно − притягиваются. В своих экспериментах Дюфе пользовался уже не электроскопом, а электрометром, позволяющим измерить величину заряда. Для обнаружения и примитивного измерения электричества он пользовался версором Гильберта, сделав его намного более чувствительным. Первый наэлектризовал тело человека и «получил» из него электрические искры. Впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома (1735). Исследовал магнитные явления, фосфоресценцию, двойное лучепреломление в кристаллах.  Далее нам необходим «прибор», который мог бы реагировать на присутствие электрического заряда. Для этого подвесим на нити легкий стаканчик, скрученный из кусочка фольги. Легко проверить, что этот стаканчик не заряжен − чтобы мы не подносили к нему, карандаш, руку, учебник физики и т.д., никакого действия на стаканчик не проявляется.
 Поднесем к незаряженному стаканчику заряженную стеклянную электрическую палочку (рис. 217). Стаканчик притягивается к ней, как и другие мелкие тела. По углу отклонения нити (при известной массе стаканчика и длине нити) можно даже рассчитать силу притяжения. Если стаканчик не соприкоснулся с заряженной палочкой он остается незаряженным, что легко можно проверить экспериментально. Если же стаканчик прикоснется к заряженной палочке, то он резко оттолкнется от нее. Если теперь убрать палочку, стаканчик окажется заряженным, что можно проверить, если поднести к нему другое незаряженное тело. Например, он будет притягиваться к поднесенной руке.


рис. 217
 Аналогичные результаты получаются, если заменить стеклянную палочку, потертую о шелк, эбонитовой палочкой, потертой о шерсть.
 Таким образом, в этих экспериментах различие между «стеклянным» и «смоляным» электричеством не проявляется.

Не будем пока, обсуждать, почему незаряженный стаканчик притягивается к заряженной палочке, а заряженный стаканчик притягивается к незаряженной руке. Единственный вывод, который мы сделаем из проведенного эксперимента − в результате контакта стаканчик приобрел электрический заряд. Следовательно, электрический заряд может передаваться от одного тела к другому.
Возьмем два одинаковых стаканчика из фольги, подвесим рядом их на нитях одинаковой длины. Если стаканчики зарядить одинаково (либо с помощью стеклянной, либо с помощью эбонитовой палочки), то стаканчики отталкиваются (рис. 218).


рис. 218
Если же стаканчики заряжены различными зарядами, то они притягиваются.
 Таким образом, мы доказываем, что существует, по меньшей мере, два вида электрических зарядов.

Для дальнейших экспериментов заменим «измерительные стаканчики» более совершенным прибором, который называется электрометр (рис. 219).

рис. 219
 Прибор состоит из металлического стержня и легкой металлической стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Это устройство помещено в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. Угол отклонения стрелки можно измерять с помощью шкалы. Стержень со стрелкой закреплен в корпусе с помощью плексигласовой втулки. Стержень со стрелкой играют ту же роль, что и стаканчики из фольги в предыдущих опытах − при прикосновении заряженного тела к стержню, заряд будет перетекать на стержень и на стрелку, что приведет к ее отклонению. Причем, направление отклонения стрелки не зависит от вида сообщенного заряда.
 Для дальнейших экспериментов будем использовать два одинаковых электроскопа. Зарядим один из них с помощью, например, стеклянной палочки. Далее начнем соединять стержни электрометров с помощью различных материалов. При соединении стержней с помощью деревянной, незаряженных стеклянной, эбонитовой, пластмассовых палочек; текстильных нитей, никаких изменений не происходит − один электрометр остается заряженным, второй незаряженным. Если же соединить стержни с помощью металлической 3 проволоки, то оказываются заряженными оба электрометра. Причем, отклонение стрелки первоначально заряженного электрометра уменьшится (рис. 220).

рис. 220
 Из результатов этого опыта можно сделать два важных вывода: во-первых, некоторые материалы (металлы) могут передавать электрический заряд, другие (стекло, пластмасса, дерево) нет; во-вторых, заряд может изменяться, быть больше или меньше. Эти же эксперименты можно повторить с использованием и второго вида («смоляного») электричества. Результаты окажутся такими же − материалы, которые проводят «стеклянное» электричество, проводят и «смоляное». Если «стеклянный» заряд перераспределяется между электрометрами, то также себя ведет и «смоляной» заряд.
 Итак, мы можем разделить материалы на две группы − те, которые передают электрический заряд (эти материалы назвали проводники), и те, которые не передают электрический заряд (их назвали изоляторы). Кстати, стержень электрометра отделен от корпуса с помощью втулки из изолятора, чтобы электрический заряд не «растекался» по корпусу, а оставался на стержне и стрелке.
 Различные отклонения стрелки электрометра однозначно свидетельствуют о том, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть различной, поэтому и величины зарядов могут быть различными. Следовательно, заряд можно характеризовать некоторой численной величиной (а не так, как мы говорили ранее − «есть, или нет»).
 Еще один интересный результат − если к стержню заряженного электрометра прикоснуться рукой, то электрометр разряжается − заряд исчезает. Даже на основании этих качественных наблюдений можно объяснить, куда исчезает заряд, при прикосновении руки. Человеческое тело является проводником, поэтому заряд может перетечь в тело человека.
 Для подтверждения этой идеи о количественном характере заряда можно провести следующий опыт. Зарядим один электрометр − заметим угол отклонения стрелки. Соединим его со вторым электрометром − угол отклонения стрелки заметно уменьшится. Уберем контакт между приборами и рукой разрядим второй электрометр, после чего опять соединим электрометры − отклонение стрелки опять уменьшится. Таким образом, электрический заряд можно делить на части. Можно провести и обратный эксперимент − постепенно добавляя заряд электрометру.
 «Смешаем» сейчас, два имеющихся вида электричества. Для этого зарядим один электрометр «стеклянным» электричеством, а второй − «смоляным», стараясь, чтобы начальные отклонения стрелок обоих электрометров были примерно одинаковыми.

рис. 221
 После этого соединим стержни электрометров металлической проволокой (на изолирующей ручке, чтобы заряды не убежали»). Результат этого опыта может вызвать удивление − оба электроскопа разрядились, или «стеклянное» и «смоляное» электричество нейтрализовали, скомпенсировали друг друга.
 Следовательно, оказывается возможным приписать различным видам заряда различные алгебраические знаки − один заряд назвать положительным, второй отрицательным. Разумно предположить, что сила взаимодействия зависит от суммарного заряда. Если первоначально электрометры были заряжены разными видами электричества, но в разной степени (отклонения стрелок − различны), а потом их соединить, то произойдет лишь частичная компенсация зарядов − стрелки будут отклонены, но в гораздо меньшей степени.
 Исторически сложилось, что положительным назвали «стеклянный» заряд, а «смоляной» заряд стал отрицательным 3 .
 Описанный нами прибор, электрометр, позволяет лишь качественно судить о величине зарядов, проводить с ним количественные измерения невозможно. Попробуйте, например, поднести к заряженному электрометру руку (не прикасаясь к стержню) − отклонение стрелки увеличится! Поднесите к незаряженному стержню заряженную палочку, не прикасаясь к стержню − стрелка отклонится, хотя электрометр не заряжен. К объяснению этих фактов мы вернемся позднее.

Электричество не относится к накопительным ресурсам. На сегодняшний день нет эффективных технологий, позволяющих аккумулировать энергию, выработанную генераторами, поэтому передача электроэнергии потребителям относится к актуальным задачам. В стоимость ресурса входят затраты на его производство, потери при транспортировке и расходы на монтаж и обслуживание ЛЭП. При этом от схемы передачи напрямую зависит эффективность системы электроснабжения.

Высокое напряжение, как способ уменьшения потерь

Несмотря на то, что во внутренних сетях большинства потребителей, как правило, 220/380 В, электроэнергия передается к ним по высоковольтным магистралям и понижается на трансформаторных подстанциях. Для такой схемы работы есть весомые основания, дело в том, что наибольшая доля потерь приходится на нагрев проводов.

Мощность потерь описывает следующая формула: Q = I 2 * R л,

где I – сила тока, проходящего через магистраль, R Л – ее сопротивление.

Исходя из приведенной формулы можно заключить, что снизить затраты можно путем уменьшения сопротивления в ЛЭП или понизив силу тока. В первом случае потребуется увеличивать сечения провода, это недопустимо, поскольку приведет к существенному удорожанию электропередающих магистралей. Выбрав второй вариант, понадобится увеличить напряжение, то есть, внедрение высоковольтных ЛЭП приводит к снижению потерь мощности.

Классификация линий электропередач

В энергетике принято разделять ЛЭП на виды в зависимости от следующих показателей:

1. Конструктивные особенности линий, осуществляющих передачу электроэнергии. В зависимости от исполнения они могут быть двух видов:

1. Вольтаж . В зависимости от величины напряжения ЛЭП принято классифицировать на следующие виды:

1. Разделение по типу тока при передаче электричества , он может быть переменным и постоянным. Первый вариант более распространен, поскольку электростанции, как правило, оборудованы генераторами переменного тока. Но для уменьшения нагрузочных потерь энергии, особенно на большой дальности передачи, более эффективен второй вариант. Как организованы схемы передачи электричества в обоих случаях, а также преимущества каждого из них, будет рассказано ниже.
2. Классификация в зависимости от назначения . Для этой цели приняты следующие категории:

• Линии от 500,0 кВ для сверхдальних расстояний. Такие ВЛ связывают между собой отдельные энергетические системы.
• ЛЭП магистрального назначения (220,0-330,0 кВ). При помощи таких линий осуществляется передача электричества, вырабатываемого на мощных ГЭС, тепловых и атомных электростанциях, а также их объединения в единую энергосистему.
• ЛЭП 35-150 кВ относятся к распределительным. Они служат для снабжения электроэнергией крупных промышленных площадок, подключения районных распределительных пунктов и т.д.
• ЛЭП с напряжением до 20,0 кВ, служат для подключения групп потребителей к электрической сети.

Способы передачи электроэнергии

Осуществить передачу электроэнергии можно двумя способами:

• Методом прямой передачи.
• Преобразуя электричество в другой вид энергии.

В первом случае электроэнергия передается по проводникам, в качестве которых выступает провод или токопроводящая среда. В воздушных и кабельных ЛЭП применяется именно этот метод передачи. Преобразование электричества в другой вид энергии открывает перспективы беспроводного снабжения потребителей. Это позволит отказаться от линий электропередач и, соответственно, от расходов, связанных с их монтажом и обслуживанием. Ниже представлены перспективные беспроводные технологии, над совершенствованием которых ведутся работы.

К сожалению, на текущий момент возможности транспортировки электричества беспроводным способом сильно ограничены, поэтому об эффективной альтернативе методу прямой передачи говорить пока рано. Исследовательские работы в этом направлении позволяют надеяться, что в ближайшее время решение будет найдено.

Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя

Ниже на рисунке представлены типовые схемы, из которых первые две относятся к разомкнутому виду, остальные – к замкнутому. Разница между ними заключается в том, что разомкнутые конфигурации не являются резервированными, то есть, не имеют резервных линий, которые можно задействовать при критическом увеличении электрической нагрузки.

Обозначения:

1. Радиальная схема, на одном конце линии находится электростанция производящая энергию, на втором – потребитель или распределительное устройство.
2. Магистральный вариант радиальной схемы, отличие от предыдущего варианта заключается в наличии отводов между начальным и конечным пунктами передачи.
3. Магистральная схема с питанием на обоих концах ЛЭП.
4. Кольцевой тип конфигурации.
5. Магистраль с резервной линией (двойная магистраль).
6. Сложнозамкнутый вариант конфигурации. Подобные схемы применяются при подключении ответственных потребителей.

Теперь рассмотрим более подробно радиальную схему для передачи вырабатываемой электроэнергии по ЛЕП переменного и постоянного тока.

Обозначения:

1. Генератор, где вырабатывается я электроэнергия с синусоидальной характеристикой.
2. Подстанция с повышающим трехфазным трансформатором.
3. Подстанция с трансформатором, понижающим напряжение трехфазного переменного тока.
4. Отвод для передачи электироэнергии распределительному устройству.
5. Выпрямитель, то есть устройство преобразующее трехфазный переменный ток в постоянный.
6. Инверторный блок, его задача сформировать из постоянного напряжение синусоидальное.

Как видно из схемы (А), с источника энергии электричество подается на повышающий трансформатор, затем при помощи воздушных линий электропередач производится транспортировка электроэнергии на значительные расстояния. В конечной точке линия подключается к понижающему трансформатору и от него идет к распределителю.

Метод передачи электроэнергии в виде постоянного тока (В на рис.6) от предыдущей схемы отличается наличием двух преобразовательных блоков (5 и 6).

Закрывая тему раздела, для наглядности приведем упрощенный вариант схемы городской сети.

Обозначения:

1. Электростанция, где электроэнергия производится.
2. Подстанция, повышающая напряжение, чтобы обеспечить высокую эффективность передачи электроэнергии на значительные расстояния.
3. ЛЭП с высоким напряжением (35,0-750,0 кВ).
4. Подстанция с понижающими функциями (на выходе 6,0-10,0 кВ).
5. Пункт распределения электроэнергии.
6. Питающие кабельные линии.
7. Центральная подстанция на промышленном объекте, служит для понижения напряжения до 0,40 кВ.
8. Радиальные или магистральные кабельные линии.
9. Вводный щит в цеховом помещении.
10. Районная распределительная подстанция.
11. Кабельная радиальная или магистральная линия.
12. Подстанция, понижающая напряжение до 0,40 кВ.
13. Вводный щит жилого дома, для подключения внутренней электрической сети.

Передача электроэнергии на дальние расстояния

Основная проблема, связанная с такой задачей – рост потерь с увеличением протяженности ЛЭП. Как уже упоминалось выше, для снижения энергозатрат на передачу электричества уменьшают силу тока путем увеличения напряжения. К сожалению, такой вариант решения порождает новые проблемы, одна из которых коронные разряды.

С точки зрения экономической целесообразности потери в ВЛ не должны превышать 10%. Ниже представлена таблица, в которой приводится максимальная протяженность линий, отвечающих условиям рентабельности.

Таблица 1. Максимальная протяженность ЛЭП с учетом рентабельности (не более 10% потерь)

* – на текущий момент ультравысоковольтная ВЛ переведена на работу с напряжением в половину от номинального (500,0 кВ).

Постоянный ток в качестве альтернативы

В качестве альтернативы электропередачи переменного тока на большое расстояние можно рассматривать ВЛ с постоянным напряжением. Такие ЛЭП обладают следующими преимуществами:

• Протяженность ВЛ не влияет на мощность, при этом ее максимальное значение существенно выше, чем у ЛЭП с переменным напряжением. То есть при увеличении потребления электроэнергии (до определенного предела) можно обойтись без модернизации.
• Статическую устойчивость можно не принимать во внимание.
• Нет необходимости синхронизировать по частоте связанные энергосистемы.
• Можно организовать передачу электроэнергии по двухпроводной или однопроводной линии, что существенно упрощает конструкцию.
• Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи.
• Практически отсутствует генерация реактивной мощности.

Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях.

С инверсией (процесс полностью противоположный выпрямлению) также не все просто, необходимо допиться качественных синусоидальных характеристик, что существенно увеличивает стоимость оборудования. Помимо этого следует учитывать проблемы с организацией отбора мощности и низкую рентабельность при протяженности ВЛ менее 1000-1500 км.

Кратко о свехпроводимости.

Сопротивление проводов можно существенно снизить, охладив их до сверхнизких температур. Это позволило бы вывести эффективность передачи электроэнергии на качественно новый уровень и увеличить протяженность линий для использования электроэнергии на большом удалении от места ее производства. К сожалению, доступные на сегодняшний день технологии не могут позволить использования сверхпроводимости для этих целей ввиду экономической нецелесообразности.