Что такое электричество? Информация о электрическом токе. Получение и использование электричества

.
 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.

Историческая справка об электризации тел

Мальгина Вера Борисовна, учитель физики, ГБОУ Центр образования №80 Центрального района Санкт Петербурга

История изучения электричества интересна и поучительна. Некоторые, наиболее существенные исторические примеры можно использовать на уроках для повышения интереса к теме.

Греческий философ Фалес Милетский, живший в 624-547 гг. до н.э., открыл, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойство притягивать мелкие предметы - пушинки, соломинки и т. п. Это свойство в течение ряда столетий приписывалось только янтарю.

Рождение учения об электричестве связано с именем Уильяма Гилберта (1540-1603),врача английской королевы Елизаветы. Первую свою работу по электричеству Гильберт опубликовал в 1600 г., где описал результаты своих 18 - летних исследований и выдвинул первые теории электричества и магнетизма. Здесь он впервые в истории науки применил термин «электричество» (от греческого слова «электрон», что означает «янтарь»). Он был одним из первых ученых, утвердивших опыт, эксперимент как основу исследования. Он показал, что при трении электризуется не только янтарь, но и многие другие вещества (алмаз, сапфир, хрусталь, стекло) и что притягивают они не только пылинки, но и металлы, дерево, листья, камешки и даже воду и масло. Гильберт открыл явление утечки электричества во влажной атмосфере, его уничтожения в пламени, экранирующее действие на электрический заряд бумаги, ткани или металлов, изолирующие свойства некоторых материалов.

Следующим этапом в развитии учения об электричестве были опыты немецкого ученого Отто фон Герике (1602-1686). В 1672г. вышла его книга, в которой были описаны опыты по электричеству. Наиболее интересным достижением Герике было изобретение им «электрической машины». «Электрическая машина» представляла собой шар, сделанный из серы и посаженный на железный шест. Герике вращал шар и натирал его ладонью руки. Впоследствии ученый несколько раз усовершенствовал свою «машину». С помощью этой «машины» Герике обнаружил, что кроме притяжения, существует и электрическое отталкивание.

В 1729 г. англичанин Стефан Грей (1666 - 1736г.) опытным путем открыл явление электропроводности. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой нити электричество не распространялось. В связи с этим Грей разделил все тела на проводники и непроводники электричества.

Два вида электричества

Более 250 лет прошло с тех пор, как стало известно о существовании двух видов электричества. В 1733 году французский физик Шарль Дюфе (1698 - 1739г.) опуб-ликовал во французском и английском журналах статьи. В них он описал результаты своих опытов по электризации различных тел. Для обнаружения и примитивного измерения электричества Дюфе пользовался версором Гилберта, сделав его намного более чувствительным.

Из многочисленных и остроумно поставленных экспериментов Дюфе сделал вывод, что существуют два вида электричества. Одно электричество возникает при натирании копала (ископаемой смолы), воска, шелка и многих других веществ. Другое появляется при натирании стекла, горного хрусталя, драгоценных камней, шерсти и др. Поэтому Дюфе назвал первое из них смоляным, а второе стеклянным электричеством. Тело, обладающее любым из двух видов электричества, притягивает к себе легкие тела (именно это свойство еще с античных времен обозначалось словом «электричество»). Различие же состоит в том, что тела, заряженные одним и тем же электричеством (стеклянным или смоляным), отталкивают друг друга, но если одно тело заряжено стеклянным, а другое смоляным электричеством, то они взаимно притягиваются.

Так были установлены фундаментальные факты: наличие двух видов электричества и существование электрических сил притяжения и отталкивания. Естественно возникает вопрос о том, как же появляется у тел то или иное электричество. В то время об этом можно было строить только догадки.

Флюид Франклина. Одна такая догадка была высказана в 1750 году американским физиком (а также известным государственным и общественным деятелем, одним из руководителей борьбы американских колоний за независимость) Бенджамином Франклином.

По Франклину, в каждом теле содержится особое электрическое вещество (флюид, как тогда говорили), что-то вроде электрической жидкости. Частицы этой электрической жидкости отталкиваются друг от друга, но сильно притягиваются частицами тела, так что всякое тело действует на электрическую жидкость подобно губке, втягивающей в себя воду (частицы электрической жидкости много меньше частиц самого тела, иначе они не могли бы проникать внутрь тела). Но присутствие электрической жид-кости в теле не делает его наэлектризованным, если она содержится в теле в некотором, так сказать, нормальном количестве. При натирании же одно-го тела другим часть электрической жидкости перетекает из одного тела в другое, вот тогда-то оба тела и становятся наэлектризованными. То тело, в которое электрическая жидкость перетекла и в котором поэтому создается ееизбыток по сравнению с нормальным количеством, становится обладателем стеклянного электричества. Второе тело, в котором электрической жидкости оказывается меньше нормального количества, заряжается смоляным электричеством. Однако Франклин дал этим двум видам электричества другие названия. Стеклянное электричество (им обладают тела с избытком электрической жидкости) Франклин назвал положительным, а смоляное (которым обладают тела с недостатком электрического флюида) - отрицательным. Эти названия сохранились до наших дней, впрочем, как и другие термины, введенные в науку об электричестве Франклином: заряд, разряд, конденсатор, батарея, проводник и т. д.

Электричество и… чулки.

Другое объяснение было предложено в 1759 году англичанином Р. Симмером. Поводом для этого послужили довольно занятные наблюдения, проведенные им.

Симмер имел обыкновение носить две пары чулок: черные шерстяные для тепла и белые шелковые для красоты. Снимая с ноги сразу оба чулка и выдергивая один из другого, Симмер видел, как оба чулка раздуваются, воспроизводят форму ноги и притягиваются друг к другу. Однако чулки одного цвета, как черные, так и белые, друг от друга отталкиваются. Если держать в одной руке два белых, а в другой два черных чулка, то при сбли-жении рук взаимное отталкивание одноцветных чулок и притяжение разноцветных приводит к забавной возне между ними - чулки противоположных цветов как бы набрасываются друг на друга и сплетаются в один причудливый клубок.

Эти наблюдения и привели Симмера к заключению, что в каждом теле имеется не одна, а две электрические жидкости - положительная и отрицательная, содержащиеся в теле в одинаковых количествах. При натирании двух тел какая-то из них может перейти из одного тела в другое, тогда в одном теле окажется избыток одной из жидкостей, а в другом - ее недостаток.

Электрический конфликт .

Так появились два представления об электричестве. Долгое время, почти полтора столетия, ни одна из них не получала всеобщего признания.

Когда в конце XVII- начале XIXвеков появилась возможность получать и изучать постоянный электрический ток, возник спор о том, что именно «течет» в цепи, содержащей источник тока и проводники. Были сомнения в том, одинаковы ли электричество, которое получают при натирании тел, и то, что течет в электрической цепи. Последнее получило даже специальное название - гальваническое электричество. Но все же многие считали, что в проводниках электрической цепи текут одновременно два симмеровских электричества, и называли электрический ток - электрическим конфликтом, поскольку эти электричества текут в противоположных направлениях. Так, например, когда в 1820 году X. Эрстед издал брошюру, в которой описывалось открытое им действие тока на магнитную стрелку, он назвал ее так: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку».

Тогда читателям было понятно это странное для нас название, и брошюра имела успех в виду фундаментальной важности сделанного открытия.

Окончательное разрешение старый спор двух теорий - Франклина и Симмера - получил лишь в конце XIX- начале XXвеков. Теперь мы знаем, что победителем в споре надо признать Симмера. «Электрические жидкости Симмера» - это отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны, которые в одинаковом числе содержатся в каждом нейтральном теле, в каждом атоме вещества.

Но кое-что оказалось верным в теории Франклина: при натирании тел переходить с одного тела на другое может только один «флюид» - отрицательно заряженные электроны. Однако тело, на которое они переходят, становится отрицательно заряженным, в то время как Франклин считал его заряженным положительно. Это связано с тем, что Франклин счел нужным назвать положительным стеклянное электричество Дюфе. От этого выбора, сделанного Франклином, следует и то, что электрону мы приписываем отрицательный знак заряда, и то, что за направление электрического тока принимается направление движения положительных зарядов, хотя в подавляющем большинстве проводников, прежде всего, металлических, фактически движутся отрицательно заряженные частицы. В электролитах и газах электрический ток - это встречное движение и положительных, и отрицательных частиц. Но теперь никто это не считает электрическим конфликтом.

Первые теории электричества

Вместе с ускорившимся развитием опытного исследования электрических явлений возникают и теории этих явлений.

Конечно, еще до середины XVIIIв. существовали некоторые соображения о природе электричества. Но они были весьма примитивными. В большинстве случаев электрические действия объяснялись наличием вокруг заряжен-ных тел неких электрических атмосфер.

В середине XVIIIв. появляются уже более содержательные теории электрических явлений. Эти теории можно разделить на две основные группы:

Первая группа - это теории электрических явлений, основанные на принципе дальнодействия.

Вторая группа - это теории, в основу которых положен принцип близко действия.

Остановимся сначала на развитии теории дальнодействия, которая получила в XVIIIв. почти всеобщее признание. Основоположниками теории дальнодействия были Франклин и петербургский академик Эпинус.

Франклин еще в 40-х г. XVIIIв. построил теорию электрических явлений. Он предположил, что существует особая электрическая материя, представляющая собой некую тонкую, невидимую жидкость. Частицы этой материи обладают свойством отталкиваться друг от друга и притягиваться к частице обычной материи, т. е. частицам вещества, по современным понятиям.

Эпинус же предполагает, что электрическая материя присутствует в телах в определенных количествах, и том случае ее присутствие не обнаруживается. Но если в теле появляется избыток этой материи, то тело электризуется положительно; наоборот, если в теле будет недостаток этой материи, то тело электризуется отрицательно. (Название «положительное и отрицательное электричество», которое так и осталось в науке, принадлежит Франклину.)

Электрическая материя, по Франклину, состоит из особо тонких частиц, поэтому она может проходить сквозь вещество. Особенно легко она проходитчерез проводники. Из теории Франклина следует очень важное положение о сохранении электрического заряда. Действительно, для создания, например, отрицательного заряда на каком-либо теле нужно от него отнять некоторое количество электрической жидкости, которая должна перейти на другое тело и образовать там положительный заряд такой же величины. После соединения этих тел электрическая материя вновь распределится между ними так, чтобы эти тела стали электрически нейтральными.

Это положение Франклин демонстрировал на опыте. Два человека стоят нaсмоляном диске (для изоляции их от окружающих предметов и земли). Один человек натирает стеклянную трубку. Другой касается этой трубки пальцем и извлекает искру. Оба человека теперь оказываются наэлектризованными: один - отрицательным электричеством, другой — положительным. Но при этом их заряды равны по абсолютной величине. После соприкосновения люди потеряют свои заряды и станут электрически нейтральными.

Теория Франклина была развита Францем Эпинусом (1724 - 1802). При этом Эпинус как бы брал за образец теорию тяготения Ньютона. Ньютонпредположил, что между всеми частицами обычных тел действуют дальнодействующие силы. Эти силы центральные, т.е. они действуют по прямой, соединяющей частицы.

Эпинус же предполагает, что между частицами электрической материи также действуют центральные дальнодействующие силы. Только силы тяготения являются силами притяжения, силы же, действующие между частицами электрической материи, - силами отталкивания. Кроме того, между частицами электрической материи и частицами обычного вещества, так же как и у Франклина действуют силы притяжения. И эти силы аналогично силам тяготения являются дальнодействующими и центральными. Далее Эпинус подобно Ньютону говорит, что введенные им силы нужно признать как факт и что в настоящее время нельзя объяснить, каким образом они действуют через пространство. Придумывать же необоснованные гипотезы он не желает. Здесь он полностью копирует Ньютона.

Эпинус идет дальше, сравнивая силы тяготения и электрические силы. Он предполагает, что силы, действующие между частицами электрической материи, «изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния. Так можно предполагать с некоторым правдоподобием, ибо в пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими, явлениями природы». Эта предполагаемая аналогия и дает возможность Эпинусу построить теорию электрических явлений. Одной из интересных его работ было исследование электрической индукции. Эпинус показал, что если к проводнику приблизить заряженное тело, то на проводнике появляются электрические заряды. При этом сторона его, к которой подносят заряженное тело, наэлектризуется зарядом противоположного знака. И наоборот, на удаленной части проводника образуется заряд того же знака, что и на поднесенном теле.

Если убрать заряженное, тело, то проводник снова становится незаряженным. Но если проводник может быть разделен на две части в присутствии заряженного тела, то получатся два проводника, заряженные разноименными зарядами, которые останутся и при удалении индуцирующего, заряда.

Эпинус подтвердил и закон сохранения электрического заряда. Он писал: «Если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен неизбежно взять ее вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле».

Одновременно с теорией электрических явлений, основанной на представлении о дальнодействии, появляются теории этих явлений, в основе которых лежит принцип близкодействия. Одним из родоначальников этой теории можно считать Ломоносова. Ломоносов был противником теории дальнодействия. Он считал, что тело не может действовать на другие мгновенно через пустое или заполненное чем-либо пространство. Он полагал, что электрическое взаимодействие передается от тела к телу через особую среду, заполняющую все пустое пространство, в частности и пространство между частицами, из которых состоит «весомая материя», т.е. вещество. Электрические явления, по Ломоносову, следует рассматривать как определенные микроскопические движения, происходящие в эфире. То же самое относится и к магнитным явлениям.

На точке зрения близкодействия в теории электричества и магнетизма стоял и другой петербургский академик - Эйлер. В середине XVIIIв., как и Ломоносов, он выступил за теорию близкодействия. Он предполагал существование эфира, движением и свойствами которого объяснял наблюдаемые электрические явления. Однако теоретические представления Ломоносова и Эйлера в то время не могли получить развития. Вскоре был открыт закон Кулона. Он был по своей форме таким же, как и закон всемирного тяготения, и, естественно, его понимание было таким же, как и понимание закона тяготения. Таким образом, закон Кулона был воспринят как доказательство теории дальнодействия.

После открытия закона Кулона теория дальнодействия совсем вытесняет теорию близкодействия. И только в XIXв. Майкл Фарадей возрождает теорию близкодействия. Однако ее всеобщее признание начинается со второй половины XIXв., после экспериментального доказательства теории Максвелла.

Литература

1. Большая энциклопедия в шестидесяти двух томах. - М.:Терра, 2006

2. Горев Л. А. Занимательные опыты по физике. Книга для учителя.- М.: Просвещение, 1985

Подвесив на двух нитях лёгкие шарики из фольги и коснувшись каждого из них стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, можно увидеть, что шарики оттолкнутся дpуг от друга. Если потом коснуться одного шарика стеклянной палочкой, потёpтой о шёлк, а другого эбонитовой палочкой, потёpтoй о мех, то шарики притянутся дpуг к другу. Это означает, что стеклянная и эбонитовая палочки при трении приобретают заряды разных знаков , т.е. в природе существуют два рода электрических зарядов , имеющих противоположные знаки: положительный и отрицательный. Условились считать, что стеклянная палочка, потёртая о шёлк, приобретает положительный заряд , а эбонитовая палочка, потёртая о мех, приобретает отрицательный заряд .

Из описанного опыта также следует, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом . Такое взаимодействие зарядов называют электрическим. При этом одноимённые заряды, т.е. заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые заряды притягиваются друг к другу.

На явлении отталкивания одноимённо заряженных тел основано устройство электроскопа - прибора, позволяющего определить, заряжено ли данное тело, и электрометра , прибора, позволяющего оценить значение электрического заряда.

Если заряженным телом коснуться стержня электроскопа, то листочки электроскопа разойдутся, поскольку они приобретут заряд одного знака. То же произойдёт со стрелкой электрометра, если коснуться заряженным телом его стержня. При этом, чем больше заряд, тем на больший угол отклонится стрелка от стержня.

Из простых опытов следует, что сила взаимодействия между заряженными телами может быть больше или меньше в зависимости от величины приобретённого заряда. Таким образом, можно сказать, что электрический заряд, с одной стороны, характеризует способность тела к электрическому взаимодействию, а с другой стороны, является величиной, определяющей интенсивность этого взаимодействия.

Заряд обозначают буквой q , за единицу заряда принят кулон : [q ] = 1 Кл .

Если коснуться заряженной палочкой одного электрометра, а затем этот электрометр соединить металлическим стержнем с другим электрометром, то заряд, находящийся на первом электрометре, поделится между двумя электрометрами. Можно затем соединить электрометр с ещё несколькими электрометрами, и заряд будет делиться между ними. Таким образом, электрический заряд обладает свойством делимости . Пределом делимости заряда, т.е. наименьшим зарядом, существующим в природе, является заряд электрона . Заряд электрона отрицателен и равен 1,6*10 -19 Кл . Любой другой заряд кратен заряду электрона.

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

Путь к электричеству начался еще в глубокой древности. Еще греку Фалесу из Милета, жившему в VI–V вв. до нашей эры, было известно свойство янтаря притягивать при натирании легкие предметы – перышки, солому, волосы и даже создавать искорки. Вплоть до шестнадцатого века это был единственный способ электризации тел, не имевший никакого практического применения.

В средние века, когда компас, позволяющий определять курс корабля, стал известен Западу, изучение магнитных явлений приобретает практическое значение. В 1600 г. вышла книга английского ученого Гильберта (1544–1603) «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» . В ней автор описал уже известные свойства магнита, а также собственные открытия. Он доказал, что наэлектризовать можно не только янтарь, но и алмаз, горный хрусталь и ряд других минералов. В отличие от магнита, который способен притягивать только железо (других магнитных материалов в то время не знали), наэлектризованное тело притягивает многие тела. Все тела, обладающие свойством притягивать, он назвал электриками, впервые введя этот термин в употребление (по-гречески янтарь–электрон).Одновременно им были определены вещества, не способные электризоваться.
Вслед за Гильбертом важное место в истории науки об электричестве принадлежит немецкому бургомистру Ото фон Герике (1602–1686) . Его исследования в области электричества заложили начало экспериментальной электростатики. Он сконструировал первое устройство для получения статического электричества – серный шар диаметром 15–20 см, вращающийся на оси. Насадив шар на ось, он наблюдал различные электрические явления. Притянутая к шару пушинка, отталкиваясь от него, парила в воздухе, притягиваясь к другим телам, особенно заостренным, а потом снова к шару. Параллельно, он обнаружил явление взаимного отталкивания двух наэлектризованных тел. Экспериментатор показал, что электростатические заряды могут распространяться по полуметровой льняной нитке, притягивающей к своему концу легкие предметы. Натирая шар рукой в темноте, он обнаружил слабое свечение. При этом роль одного из полюсов выполнял сам изобретатель.

Позднее машину Герике усовершенствовали другие изобретатели. Серный шар был заменен стеклянным, а в качестве одного из полюсов вместо ладоней исследователя применены кожаные подушечки. В 1729 г. англичанин Грей открыл явление электропроводности. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. В связи с этим Грей разделил все тела на проводники и не проводники электричества. Французский ученый Дюфе выяснил, что существует два вида электричества. Один вид электричества образуется при натирании стекла, горного хрусталя, шерсти и некоторых других тел. Это электричество Дюфе назвал стеклянным электричеством. Второй вид электричества образуется при натирании янтаря, шелка, бумаги и других веществ. Этот вид электричества Дюфе назвал смоляным. Ученый установил, что тела, наэлектризованные одним видом электричества, отталкиваются, а разными видами – притягиваются. Немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и нидерландский физик Питер ван Мушенбрук в 1745 году создали первый конденсатор – «лейденскую банку». Диэлектриком в ней были стенки стеклянной банки, откуда и возникло это название. Это был стеклянный сосуд с водой, обернутый фольгой. В воду погружали металлический стержень, пропущенный через пробку. Они считали, что накоплению электрических зарядов способствует вода, находящаяся в банке.

Американский ученый Бенджамин Франклин (1706–1790) доказал, что вода в накоплении электрических зарядов никакой роли не играет, этим свойством обладает стекло – диэлектрик . В сороковых годах XVIII века он выдвинул теорию о том, что существует электричество только одного рода – особая электрическая материя, состоящая из мельчайших частиц, способных проникать внутрь вещества. Если в теле имеется избыток электрической материи, оно заряжено положительно, при ее недостатке – тело заряжено отрицательно. Франклин предложил стеклянное электричество Дюфе назвать положительным, а смоляное – отрицательным и ввел в практику знаки «плюс» и «минус», а также термины конденсатор, проводник, заряд.

Уже к концу XVIII века свойства и поведение неподвижных зарядов были достаточно изучены и в какой-то мере объяснены. Однако ничего не было известно об электрическом токе – движущихся зарядах, так как не существовало устройства (детектора), которое могло бы регистрировать движение зарядов. Токи, получаемые от электростатической машины, были слишком малы, их нельзя было измерить. В конце XIX в. медик Гальвани (Luigi Aiosio Galvani) открыл первую конструкция детектора не искусственную, а природную – биологическую. Препарируя лягушек, он обнаружил появление в тканях препарированной лягушки кратковременных импульсов электрического тока, способствовавших резкому сокращению ее мышц. Сопоставив свои результаты с предыдущими исследованиями, он сделал вывод о существовании «животного» электричества. В предложенной им теории для описания поведения мышцы использовалась модель электрического конденсатора. Предполагалось, что внешняя поверхность и внутренняя часть лягушечьей мышцы представляют собой обкладки конденсатора. Зарядка такого конденсатора происходит за счет возбуждения спинного мозга, которое передается через нерв. В момент замыкания обкладок «живого» конденсатора металлическим крючком происходит разряд, и в цепи начинает протекать электрический ток, в результате чего и происходят подергивания мышцы. При этом разряд не зависит от того, замыкают цепь проводником из однородного металла или из двух различных металлов. Позже Гальвани предположил, что «животное» электричество в отличии от обычного, «более эффективно действует через разнородные проводники». Однако профессор из Павийского университета Алессандро Вольта (Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta), тщательно повторив все опыты Гальвани, не согласился с выводами автора . Вольта утверждал, что явление, открытое Гальвани, чисто физическое, а не физиологическое, и животного электричества не существует. Причина сокращения лягушечьей лапки, по мнению Вольта, который изобрел источник постоянного тока (вольтов столб) лежит в природе разнородных металлов, замыкающих цепь. Александро Вольта, как и Луиджи Гальвани, до конца своих дней твердо придерживался созданных им научных теорий, невзирая на то, что некоторые из них были неверными. Так, он считал, что в основе действия изобретенного им источника тока лежит контактная разность потенциалов. Однако по прошествии длительного времени было установлено, что причиной возникновения электродвижущей силы в гальваническом элементе является химическое взаимодействие металлов с проводящей жидкостью– электролитом. Полная теория гальванического элемента была создана только в конце XIX века. Исследования XX века показали, что явление контактной разности потенциалов существенно влияет на рабочие характеристики различных радиоэлектронных приборов и его необходимо учитывать при их разработке. Контактная разность потенциалов оказывает заметное влияние на вид вольтамперных характеристик электровакуумных ламп. На контактной разности потенциалов основана работа элементов полупроводниковой электроники: p-n-переходов и контактов «металл-полупроводник» .

Таким образом, XIX век стал веком теоретического осмысления природы магнетизма и электричества. Именно в этом веке теоретически было доказано наличие электромагнитных волн, что и предопределило техническую революцию в области связи, а затем и телекоммуникационных технологий.