Электричество — простое объяснение¶
Электричество — это физическое явление, связанное с существованием и движением электрического заряда, а также класс технологий, использующих это явление для передачи и преобразования энергии. В бытовом смысле под электричеством понимают электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц (обычно электронов в металлах или ионов в растворах), способное совершать работу: нагревать, освещать, приводить в движение двигатели.
¶Электрический заряд и его носители
В основе электричества лежит электрический заряд — свойство элементарных частиц (протонов, электронов) взаимодействовать через электромагнитное поле. Заряд бывает положительным и отрицательным: протоны несут положительный заряд, электроны — отрицательный. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые — притягиваются.
В металлах атомы образуют кристаллическую решётку, причём часть электронов («электронный газ») слабо связана с атомами и может перемещаться по всему объёму материала. Именно эти свободные электроны служат носителями тока в металлических проводниках. В электролитах (солевых растворах, расплавах) ток переносят ионы — заряженные атомы или группы атомов. В полупроводниках (кремний, германий) носителями служат электроны и «дырки» — вакансии в кристаллической решётке.
¶Электрический ток
Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц. Для возникновения тока в проводнике необходимо наличие разности потенциалов (напряжения) и замкнутой электрической цепи. Напряжение создаётся источником — батарейкой, генератором, солнечной панелью — и «толкает» электроны по цепи так же, как разность давлений прокачивает воду по трубам.
Сила тока измеряется в амперах (А), напряжение — в вольтах (В), сопротивление — в омах (Ом). Между этими величинами действует закон Ома: сила тока равна напряжению, делённому на сопротивление. Сопротивление зависит от материала, длины и толщины проводника, а также от температуры.
При прохождении тока через проводник с сопротивлением электрическая энергия преобразуется в тепловую — этот эффект лежит в основе работы электрочайников, обогревателей и ламп накаливания. В двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую, в генераторах — наоборот.
¶Откуда берётся электричество
Источники электрического тока делятся на первичные (химические батареи, гальванические элементы) и вторичные — устройства, преобразующие другую энергию в электрическую:
- Электростанции (тепловые, гидро, атомные, ветровые, солнечные) вырабатывают электроэнергию в промышленных масштабах. В России основу энергобаланса составляют ТЭС, ГЭС и АЭС.
- Генераторы на электростанциях работают по принципу электромагнитной индукции, открытой Михаилом Ломоносовым (опыты с «электрической машиной») и сформулированной Майклом Фарадеем в 1831 году: вращение катушки в магнитном поле создаёт электрический ток.
- Батарейки и аккумуляторы используют химические реакции для разделения зарядов.
¶Передача и использование
Электроэнергия передаётся по проводам на большие расстояния. Для снижения потерь на нагрев проводов ток повышают до высокого напряжения с помощью трансформаторов (до сотен киловольт), передают по ЛЭП, затем понижают до безопасных 220–380 вольт для бытовых нужд. В России стандартное бытовое напряжение — 220 В при частоте 50 Гц.
Потребители электричества делятся на активные (лампы, нагреватели, двигатели) и реактивные (трансформаторы, некоторые двигатели), что учитывается при проектировании сетей.
¶Электричество в природе и быту
Электрические явления повсеместны в природе: молния — разряд между заряженными облаками и землёй, электрические скаты и угорь генерируют заряды для охоты и защиты, нервные сигналы в организме человека передаются электрическими импульсами вдоль нейронов.
История освоения электричества связана с именами Уильяма Гилберта (первое систематическое исследование, 1600 год), Стивена Грея, Шарля Дюфе, Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта (первые батареи, 1800 год), Фарадея, Джеймса Максвелла (теория электромагнитного поля, 1860-е), Томаса Эдисона (первые электростанции, 1880-е) и Николы Теслы (переменный ток, высоковольтные линии).
¶Источники
- Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. «Фейнмановские лекции по физике»
- Савельев И. В. «Курс общей физики»
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
- Большая российская энциклопедия, статья «Электричество»