Наука об электричестве. Кто и в каком году изобрел электричество: история открытия

5 лекция на тему:

Развитие электромагнитной теории и электротехники

Первые наблюдения явлений, известных под названием электричества и магнетизма, относятся ко времени античности и были произведены народами, живущими в бассейне Средиземного моря, особенно греками. Началось с обнаружения свойства натертого янтаря притягивать легкие предметы. Кроме того, в древнем мире наблюдали явления атмосферных разрядов и анестезирующее действие некоторых видов рыб при соприкосновении их с человеческим телом. Но представлений о том, что в этом проявляются электрические явления, не возникало.

Сам термин «электричество» появился на рубеже XVI и XVII веков, а затем постепенно наполнялся содержанием. Начиная с XVIII века, происходит более быстрое накопление знаний, но только в XIX веке электричество стало служить человеку.

Переломный момент в истории электричества произошел в 1600 г., когда вышел в свет замечательный труд английского естествоиспытателя Уильяма Гильберта «De Magnete», представляющий собой один из первых научных трактатов, написанных на основе экспериментов. До этого считалось, что электрические силы присущи только янтарю и одной из разновидности турмалина – линкуриону, а магнитные только железу. Гильберт экспериментально доказал, что электризация при трении обнаруживается у многих веществ – стекла, смолы, минералов и пр., а Земля является огромным магнитом, хотя и не состоит из одного только железа. Гильберт ввел понятие «vis electrica» («сила янтаря»), т.е. электрической силы. С XVIII века производный термин «electricitas» стал широко применяться. В русской научной литературе в XVIII веке получил распространение термин «электричество».

Мушенбрук обратил внимание на различный характер электризации стекла и янтаря, что способствовало открытию в 1733 году Шарлем Франсуа Дюфе «смоляного» и «стекольного» электричества (положительного и отрицательного, согласно терминологии Бенджамина Франклина). К числу наиболее известных достижений Мушенбрука принадлежит лейденская банка – первый конденсатор, изобретенный им в 1745 году. При этом он создал первый прообраз его внешней обкладки (в первых опытах в ее качестве использовалась рука экспериментатора, державшего банку). Мушенбрук обратил внимание на физиологическое действие разряда, сравнив его с ударом ската (ученому принадлежало первое использование термина «электрическая рыба»), провел опыты для проверки своих предположений. При этом он отрицал электрическую природу молнии, пересмотрев свои взгляды лишь после знаменитых опытов Франклина.

Франклин объяснил принцип действия лейденской банки, установив, что главную роль в ней играет диэлектрик, разделяющий проводящие обкладки; ввел общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний "+" и "-"; разработал общую "унитарную" теорию электрических явлений, исходившую из предположения о существовании единой электрической субстанции, недостаток или избыток которой обусловливает знак заряда тела. Большая заслуга Франклина – установление тождества атмосферного и получаемого с помощью трения электричества и доказательство электрической природы молнии. Обнаружив, что металлические острия, соединённые с землёй, снимают электрические заряды с заряженных тел даже без соприкосновения с ними, Франклин предложил эффективный метод защиты от грозового разряда – молниеотвод.

Франклину принадлежит также ряд других технических изобретений: лампы для уличных фонарей, экономичная "франклиновская" печь, особый музыкальный инструмент, "электрическое колесо", вращающееся под действием электростатических сил, применение электрической искры для взрыва пороха и др.

Сущность электрических и магнитных явлений и связи между ними тогда не знали. Гильберт считал эти явления совершенно различными, и этот взгляд главенствовал до середины XVIII века, когда, благодаря трудам члена Петербургской АН Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724–1802), было положено начало новым взглядам: наука обогатилась представлениями о сходстве электрических и магнитных явлений. Вплоть до конца XVIII века ученые занимались только изучением статического электричества и его применением в практических целях: для лечебных целей, для взрыва пороха от искр при разряде и для передачи зарядов на расстояние – первой попыткой создания электрического телеграфа.

В течение XVIII века накопился большой опытный материал о статическом электричестве. Было установлено, существование проводников и непроводников электричества, доказано существование двух его родов – положительного (стеклянного) и отрицательного (смоляного). Удалось найти более совершенные методы получения значительных статических зарядов с помощью машин, изобрести способы их накопления при помощи лейденских банок и конденсаторов. Было обнаружено явление электростатической индукции. В конце XVIII века Кулон установил и количественную характеристику взаимодействия зарядов (закон Кулона).

Хотя все эти достижения еще не предвещали широкого применения электричества для практических целей, они имели существенное значение. Были созданы первые теории электричества, усовершенствована методика эксперимента, разработан ряд приборов.

В результате процесса изучения электрического тока, электротехника в последней трети XIX века стала важной самостоятельной отраслью науки и техники и оказала революционизирующее влияние на всю технику в целом, а в связи с этим и на все развитие производительных сил общества.

Разнообразные применения электрической энергии можно разделить на две группы:

– в первой электрическая энергия используется в значительных количествах с целью ее превращения в другие виды энергии: механическую (привод, тяга), световую (освещение), тепловую (термические процессы, отопление), химическую (электролиз) и т.п.

– ко второй группе относятся такие применения электрической энергии, при которых, хотя и происходят ее превращения в другие виды энергии, но они не являются целью. Здесь используются электрические импульсы или малые токи для воздействия на какие-либо индикаторы или приемники (телеграф, телефон, приборы управления или регулирования и т.д.).

В последнее десятилетие XVIII века внимание ученых обратилось к новым электрическим явлениям, обнаруженных Л. Гальвани и развитых Алессандро Вольта. Был найден новый вид электричества, который считали отличным от статического – электрический ток. В 1800 году Вольта, анализируя опыты и выводы Гальвани, приходит к построению первых генераторов электрического тока. Это Вольтов столб и чашечная батарея. Начался первый период электротехники – период изучения гальванического тока. Попытки его применения показали, что электрический ток может дать для практики то, что не способны дать другие области физики.

Основные периоды развития электротехники

Первый период развития электротехники (1800 – 1831 гг.) был сравнительно малоплодотворным для практики, но весьма богатым для изучения свойств электричества и потенциальных возможностей его практического применения.

В 1800 г. Карлейль и Никольсон разложили с помощью тока воду на водород и кислород. У. Крейкшенк показал в том же году, что и соли различных металлов также разлагаются током. В 1801 г. У. Х. Вулстен опытным путем доказал идентичность тока, получаемого от вольтова столба с теми зарядами, которые получаются при явлениях статического электричества. Были обнаружены тепловые действия тока – нагревание проводника. В 1802 выдающийся физик В. В. Петров, построив громадный вольтов столб из 4 200 медных и цинковых кружочков, дававший напряжение 1 700 В, получил устойчивую электрическую дугу между угольными электродами. Тогда же он обнаружил и явление тлеющего разряда при прохождении электрического тока через разреженные газы.

В. Риттер в 1803 г. обнаружил возможность аккумулирования энергии гальванического тока. В 1807–1808 гг. Х. Дэви произвел электролиз многих металлических солей и получил металлы в чистом виде (натрий, калий, кальций, стронций, магний, барий, бор). Петров, производя электролиз жиров и масел, обнаружил изоляционные свойства этих веществ.

Первая половина XIX века время триумфального развития промышленного переворота. Машинная индустрия, основанная на паровом двигателе, как источнике энергии, охватывала все новые и новые отрасли промышленности. На смену гужевому транспорту пришли железные дороги и паровые автомобили и тракторы, паровые машины на водном транспорте вытесняли паруса и весла.

Но появилась необходимость и в применении электрической энергии. Она основывалась на свойстве тока почти мгновенно распространяться на большие расстояния, что можно было использовать для создания электрической проводной связи. Вторым важным свойством была способность тока разлагать жидкости на составные части.

На этой основе Земмеринг построил электролитический телеграф, индикатором в котором служили пузырьки газа, образуемого при разложении жидкости током. Для практики этот телеграф оказался непригоден, однако он пробудил общий интерес к этому виду связи.

Второе применение – гальванический способ подрыва мин на расстоянии. В 1812 г. в Петербурге на Неве, а в 1815 г. в Париже на Сене Павел Львович Шиллинг демонстрировал методы гальванического взрыва подводных мин.

Существенные перемены в первом периоде развития электротехники оказались возможными в связи с открытием Эрстедом в 1819 г. электромагнетизма, т.е. действия тока на магнит. Опыты Эрстеда, продолженные и развитые Араго, Ампером и др., привели к созданию соленоида, мультипликатора, электромагнита и гальванометра. Опытами Барлоу, Фарадея и Генри была показана возможность превращения электрической и магнитной энергии в механическую, т.е. возможность создания электродвигателя.

В целом, в первом периоде только нащупывались пути применения гальванизма и электромагнетизма. Тормозом являлось то, что источники тока – вольтов столб и батареи элементов были пригодны только для лабораторных испытаний, т.е. маломощны и ненадежны в эксплуатации. Открытие в 1821 г. Зеебеком термоэлектричества также не обеспечило создание пригодных для практики генераторов. В связи с этим в первой трети XIX века развивалось только то направление электротехники, которое довольствовалось малыми или импульсными токами.

В первый период Ампер разработал многие вопросы взаимодействия токов, обобщенные в опубликованной в 1826–1827 гг. теории электродинамических явлений; начал свои эксперименты, в области индукции Фарадей, Георг Ом опубликовал трактат, посвященный закономерностям простых гальванических цепей. Био, Савар и Лаплас дали математическое выражение для силы взаимодействия между токами и магнитами, а Ампер для силы взаимодействия между токами.

В 1826 г. Георг Ом экспериментальным путем открыл основной закон электрической цепи и ввел понятие сопротивление. Он также научился вычислять сопротивление металлических проводников. Ученый мир поначалу не воспринял закон Ома. Первыми его признали русские физики Ленц и Якоби. И только в 1842 г. к Ому пришло признание – Лондонское Королевское общество наградило его золотой медалью.

Таким образом, в первом периоде развития электротехники (1800 –1831 гг.) были созданы предпосылки для ее развития, для последующих применений электрического тока.

Второй период развития электротехники (1831 – 1867 гг.) начинается с выдающегося открытия Майкла Фарадея – открытия электромагнитной индукции. Поэтому второй период можно назвать фарадеевским. До открытия способа превращать магнетизм в электричество применение последнего не выходило за пределы опытов и научных развлечений. Вся современная электротехника, основанная на применении больших токов имеет своим истоком открытие Фарадея.

Однако в этот период, независимо от открытия Фарадея развивалась и те области электротехники, для которых было достаточно импульсов или малых токов. В 1828–1932 гг. Шиллинг создал пригодный для практики электромагнитный телеграф, использовав в качестве индикатора переданных по определенному коду импульсов мультипликатор. Этим он открыл путь многим ученым в этой области, таким как Якоби, Морзе, Уитстон и др. Телеграфия в 1840-е гг. стала основной областью применения электрического тока. К концу 1860-х гг. Европа и Северная Америка были покрыты густой сетью телеграфных линий. Что касается подводных линий, то сначала они были проложены через реки, а в 1850 г. был проложен кабель через Ламанш, правда только через год удалось добиться хорошей связи. В 1856 г. была образована Атлантическая телеграфная компания для устройства телеграфной связи между Англией и США. Кроме огромных средств к ее работе были привлечены крупные научные силы во главе с У. Томсоном (лорд Кельвин). Длина этой линии составляла 3 600 км. В 1866 г. после десяти лет тяжелых трудов и устранения многочисленных аварий и неполадок была, наконец, установлена связь между Европой и Америкой.

Развитие телеграфа сыграло важную роль в разработке и установлении системы международных электрических единиц, способствовало возникновении и совершенствованию электрометрии и построению измерительных приборов.

Создание электродвигателя также могло основываться только на электромагнитном принципе. По этому пути и пошли изобретатели, создавшие электромоторы с постоянными магнитами. Однако для них необходимы были надежные источники тока, которыми не могли служить батареи гальванических элементов.

Академик Якоби в 1838 г. изобрел гальванопластику, на основе которой стала развиваться еще более широкая область применения электричества – гальваностегия.

В это время велись опыты и в области использования тока в электротермических процессах. Джоуль в 1841 г. и независимо от него в 1842 г. Ленц открыли закон выделения теплоты при прохождении тока.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) определил механический эквивалент тепла.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) сформулировал правило по которому наведенный ток всегда направлен так, что его магнитное поле противодействует процессам, вызывающим индукцию.

Но наибольший интерес во втором периоде развития электротехники, после телеграфии, вызывало электрическое освещение. Здесь уже были созданы основные типы дуговых ламп, и множество ламп накаливания.

Для всего этого нужен был надежный источник дешевой электроэнергии. Таким стал электромашинный генератор, основанный на принципе электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Созданию его способствовало развитие науки. Отметим установленные Кирхгоффом законы разветвленной электрической цепи, работы Вебера и Гаусса в области теории магнетизма, установления закона сохранения и превращения энергии, установления закона тепловых действий тока (закон Джоуля – Ленца) и обширные исследования Фарадея.

Познакомившись с экспериментальными исследованиями Фарадея в области электричества, Максвелл понял, что для торжества и развития его идей необходимо переложить их на строгий математический язык. В 1873 г. он создал обобщающую теорию электричества и магнетизма.

Третий период развития электротехники (1867 – 1891 гг.) начался в то время, когда на основе явления электромагнитной индукции и принципа самовозбуждения («динамоэлектрический принцип») был построен генератор Грамма, дававший дешевую электроэнергию. Во второй половине 1870-х гг., благодаря работам Яблочкова, появились генераторы однофазного переменного тока. Они получили применение лишь благодаря свече Яблочкова. Свеча Яблочкова дала возможность установить электрическое освещение в общественных помещениях, улицах, парках и т.д. В 1879 г. была изобретена лампа накаливания Т. Эдисона. Она, кстати вызвала к жизни новую отрасль – вакуумную технику.

Временные преимущества переменного тока с отмиранием свечи Яблочкова и широким распространением электродвигателей постоянного тока, укрепили позиции сторонников последнего. Однако увеличение спроса на электроэнергию и стремление понизить ее стоимость, выдвинули проблему создания больших электростанций и передачи энергии на большие расстояния. В 1880 г. Депре и Лачинов установили, что для уменьшения тепловых потерь надо передавать ток высокого напряжения. Все попытки передавать постоянный ток высокого напряжения, вырабатываемый специальными генераторами к успеху не привели. В 1885 г. венгерскими инженерами М. Дери, О. Блатти и К. Циперновским был создан промышленный тип однофазного трансформатора. Началось строительство электропередач на переменном токе, однако однофазный ток не годился для применения в электроприводах. Поэтому для этой цели применялись старые электростанции постоянного тока и старые генераторы в режиме двигателей.

Неудобство от существования двух электросетей были преодолены с открытием Феррарисом явления вращающегося магнитного поля и созданием на его основе двухфазной (Никола Тесла) и трехфазной (Михаил Иосифович Доливо-Добровольский) систем.

Четвертый период развития электротехники начался в 1891 г. и продолжается до сих пор. Его начало связано с и созданием паровых турбин Парсонса, пригодных для установки на электростанциях. IV период характеризуется огромным ростом производства электроэнергии не только на тепловых, но и гидро- и атомных электростанциях. В этот период зародились и невероятно развились радиотехника и электроника.

До 1600 г. знания европейцев об электричестве оставалось на уровне древних греков, что повторяло историю развития теории паровых реактивных двигателей ("Элеопил" А. Герона).

Основоположником науки об электричестве в Европе стал выпускник Кембриджа и Оксфорда английский физик и придворный врач королевы Елизаветы - Уильям Гилберт (1544-1603). С помощью своего "версора" (первого электроскопа) У. Гильберт показал, что способностью притягивать легкие тела (соломинки) обладает не только натертый янтарь, но и алмаз, сапфир, карборунд, опал, аметист, горный хрусталь, стекло, сланцы и др., которые он назвал "электрическими" минералами.

Кроме того, Гильберт заметил, что пламя "уничтожает" электрические свойства тел, приобретенные при трении, и впервые исследовал магнитные явления, установив, что:

Изучая магнитные свойства намагниченного шара с помощью магнитной стрелки, Гильберт пришел к выводу, что они соответствуют магнитным свойствам Земли, а Земля является самым большим магнитом, что и объясняет постоянное наклонение магнитной стрелки.

1650 г.: Отто фон Герике (1602-1686) создает первую электрическую машину, извлекавшую из натираемого шара, отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. Однако тайна свойств «электрической жидкости» , как в то время называли это явление, не получила тогда никакого объяснения.

1733 г.: французский физик , член Парижской Академии наук, Шарль Франсуа Дюфе (Dufay, Du Fay, 1698-1739) открыл существование двух видов электричества, которые назвал "стеклянным" и "смоляным". Первое возникает на стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, шерсти, волосах и т. д.; второе - на янтаре, шелке, бумаге и т. п.

После многочисленных экспериментов Ш. Дюфе впервые электризовал тело человека и "получил" из него искры. В область его научных интересов входил магнетизм, фосфоресценция и двойное лучепреломление в кристаллах, ставшее впоследствии основой для создания оптических лазеров. Для обнаружения измерения электричества пользовался версором Гилберта, сделав его намного более чувствительным. Впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома.

1745 г.: выпускник Лейденского университета (Голландия) физик Питер ван Мушенбрук (Musschenbroek Pieter van, 1692-1761) изобрел первый автономный источник электроэнергии - лейденскую банку и провел с ней ряд опытов, в ходе которых установил взаимозвязь электрического разряда с его физиологическим действием на живой организм.

Лейденская банка представляла собой стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри были оклеены свинцовой фольгой, и являлась первым электрическим конденсатором. Если обкладки прибора, заряженного от электростатического генератора О. фон Герике соединяли тонкой проволокой, то она быстро нагревалась, а иногда и плавилась, что указывало на наличие в банке источника энергии, которую можно было транспортировать далеко от места ее зарядки.

1747 г.: член Парижской Академии наук, французский физик-экспериментатор Жан Антуан Нолле (1700-1770) изобрел первый прибор для оценки электрического потенциала - электроскоп , зарегистрировал факт более быстрого "стекания" электричества с острых тел и впервые сформировал теорию действия электричества на живые организмы и растения.

1747–1753 гг.: американский государственный деятель, ученый и просветитель Бенджамин (Вениамин) Франклин (Franklin, 1706-1790) публикует цикл работ по физике электричества, в которых:

«+»

«–»

1759 г.: В России физик Франц Ульрих Теодор Эпинус (Aepinus, 1724-1802),впервые выдвигает гипотезу о наличии связи между электрическими и магнитными явлениями.

1761 г.: Швейцарский механик, физик и астроном Леонард Эйлер (L. Euler, 1707-1783) описывает новую электростатическую машину, состоящую из вращающегося диска из изоляционного материала с радиально наклеенными кожаными пластинами. Для съема электрического заряда к диску надо было подвести шелковые контакты, присоединенные к медным стержням со сферическими окончаниями. Приближая сферы друг к другу, можно было наблюдать процесс электрического пробоя атмосферы (искусственная молния).

1785-1789 гг.: Французский физик Шарль Огюстен Кулон (S. Coulomb, 1736-1806) публикует семь работ. в которых описывает закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (закон Кулона), вводит понятие магнитного момента и поляризации зарядов и доказывает, что электрические заряды всегда располагаются на поверхности проводника.

1791 г.: В Италии издается трактат Луиджи Гальвани (L. Galvani, 1737-1798), «De Viribus Electricitatis In Motu Musculari Commentarius» («Трактат о силах электричества при мышечном движении»), в котором доказывалось, что электричество вырабатывается живым организмом и наиболее эффективно проявляется в контакте разнородных проводников. В настоящее время этот эффект лежит в основе принципа действия электрокардиографов.

1795 г.: Итальянский профессор Александр Вольта (Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta, 1745-1827) исследует явление контактной разности потенциалов различных металлов и с помощью электрометра собственной конструкции дает численную оценку этому явлению. Результаты своих опытов А.Вольта впервые описывает 1 августа 1786 г. в письме своему другу. В настоящее время эффект контакной разности потенциалов используется в термопарах и системах анодной (электрохимической) защиты металлических сооружений.

1799 г:. А. Вольта изобретает источник гальванического (электрического) тока - вольтов столб . Первый вольтов столб состоял из 20 пар медных и цинковых кружочков, разделенных суконными кусочками, смоченными соленой водой, и предположительно мог давать напряжение 40-50 В и ток до 1 А.

В 1800 г. в журнале «Philosophical Transactions of the Royal Society, Vol. 90» под названием «On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds» («Электричество, получаемое в результате простого контакта разных веществ») было описано устройство, названное «электродвижущий аппарат», А. Вольта считал, что в основе принципа действия его источника тока лежит контактная разность потенциалов, и только спустя много лет было установлено, что причиной возникновения э.д.с. в гальваническом элементе является химическое взаимодействие металлов с проводящей жидкостью - электролитом. Осенью 1801 г. в России была создана первая гальваническая батарея, состоящая из 150 серебряных и цинковых дисков. Через год, осенью 1802 г., была изготовлена батарея из 4200 медных и цинковых дисков, дающая напряжение в 1500 В.

1820 г.: датский физик Ханс Кристиан Эрстед (Ersted, 1777-1851) в ходе опытов по отклонению магнитной стрелки под действием проводника с током, установил связь между электрическими и магнитными явлениями. Сообщение об этом явлении, опубликованное в 1820 г., стимулировало исследования в области электромагнетизма, что, в конечном счете, привело к формированию основ современной электротехники.

Первым последователем Х.Эрстеда стал французский физик Андре Мари Ампер (1775-1836) сформулировавший в том-же году правило определения направления действия электрического тока на магнитную стрелку, названное им "правилом пловца" (правило Ампера или правой руки), после чего были определены законы взаимодействия электрических и магнитных полей (1820 г.), в рамках которых впервые была сформулирована идея об использовании электромагнитных явлений для дистанционной передачи электрического сигнала.

В 1822 г. А. Ампер создает первый усилитель электромагнитного поля - многовитковые катушки из медного провода, внутри которых помещались сердечники из мягкого железа (соленоиды), ставшие технологической основой для изобретенного им в 1829 г. электромагнитного телеграфа, открывшего эру современной электросвязи.

821 г.: английский физик Майкл Фарадей (М. Faraday, 1791-1867) познакомился с работой Х. Эрстеда об отклонении магнитной стрелки вблизи проводника с током (1820) и после исследования взаимосвязи электрических и магнитных явлений установил факт вращения магнита вокруг проводника с током и вращения проводника с током вокруг магнита.

В течение последующих 10 лет М. Фарадей пытался «превратить магнетизм в электричество», результатом чего стало открытие в 1831 электромагнитной индукции , что привело к формированию основ теории электромагнитного поля и появлению новой отрасли промышленности - электротехники. В 1832 г. М. Фарадей публикует работу, в которой выдвигается идея о том, что распространение электромагнитных взаимодействий есть волновой процесс, происходящий в атмосфере с конечной скоростью, что стало основой для появления новой отрасли знаний - радиотехники.

Стремясь установить количественные соотношения между различными видами электричества, М. Фарадей начал исследования по электролизу и в 1833–1834 гг. сформулировал его законы. В 1845 г., исследуя магнитные свойства различных материалов, М. Фарадей открывает явления парамагнетизма и диамагнетизма и установливает факт вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Это было первое наблюдение связи между магнитными и оптическими явлениями, которое позднее было объяснено в рамках электромагнитной теории света Дж. Максвелла.

Примерно в это-же время свойства электричества изучал немецкий физик Георг Симон Ом (G.S. Ohm, 1787-1854). Проведя серию экспериментов, Г. Ом в 1826 г. сформулировал основной закон электрической цепи (закон Ома) и в 1827 г. дал его теоретическое обоснование, ввел понятия «электродвижущая сила», падение напряжения в цепи и «проводимость».

Закон Ома устанавливает, что сила постоянного электрического тока I в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника т.е. RI = U . Коэффициент пропорциональности R , получивший в 1881 г. название омическое сопротивление или просто сопротивление зависит от температуры проводника и его геометрических и электрических свойств.

Исследования Г. Ома завершают второй этап развития электротехники, а именно фомирования теоретической базы для расчета характеристик электрических цепей, что стало основой современной электроэнергетики.

Современная жизнь невозможна без освещения, автомобилей, оборудования, цифровой и другой техники, в их основу заложен единый ресурс, в связи с этим многие люди задаются вопросом кто изобрел используемое повсеместно электричество. Кем был тот человек, с которого началось развитие науки и производства, и стала потенциально возможной нынешняя комфортабельность жизни?

Изобретения электричества как такового не было, поскольку это явление природное и изучение его началось еще в Древней Греции в 7 веке до нашей эры. Философ и естествоиспытатель Фалес Милетский обратил внимание на то, что если янтарь натереть шерстью овцы, то у камня появляется способность притягивать к себе некоторые легкие предметы. Он же и сформулировал термин. Поскольку по-гречески янтарь называется «электрон», то выявленная сила была означена Фалесом «электричеством».

Научные изыскания

Реальные научные исследования электрической природы начинались только в XVII веке в эпоху Возрождения. В Магдебурге в то время служил бургомистром Отто фон Герике, но власть не была настоящим увлечением чиновника. Все свободное время он проводил в своей лаборатории, где после тщательного изучения трудов Фалеса Милетского изобрел первую в мире электрическую машину. Правда ее применение было не практическим, а скорее научным, она позволяла изобретателю исследовать эффекты притяжения и отталкивания посредством электрической силы. Машина представляла собой стержень, на котором кружился шарик серы, в данной конструкции он заменял янтарь.

Основатель электротехники

Также в конце XVII века при английском дворе трудился придворный медик и физик Уильям Гилберт. Его также вдохновили труды древнегреческого мыслителя, и он перешел к собственным исследованиям по данной тематике. Этот изобретатель разработал прибор для изучения электричества – версор. С его помощью он смог расширить знания об электрических явлениях. Так он установил, что подобными янтарю свойствами обладают сланцы, опал, алмаз, карборунд, аметист и стекло. Кроме этого, Гилберт установил взаимосвязь между пламенем и электричеством, а так же сделал ряд других открытий, которые позволили современным ученым называть его основоположником электротехники.

Передача электричества на расстояние

В XVIII веке исследования по теме были успешно продолжены. Два ученых из Англии Гренвилл Уилер и Стивен Грей установили, что электричество проходит через одни материалы (их назвали проводниками) и не проходит через другие. Они же поставили первый опыт по передаче электрической силы на расстояние. Ток прошел небольшую дистанцию. Так 1729 год можно назвать первой датой, при ответе на вопрос, в каком году изобрели промышленное электричество. Далее открытия последовали одно за другим:

профессор математики из Голландии Машенбрук изобрел «лейденскую банку», которая по своей сути явилась первым конденсатором;
французский естествоиспытатель Шарль Дюфе классифицировал электрические силы на стеклянные и смоляные;
Михаил Ломоносов доказал, что молнии получаются из-за разности потенциалов, и изобрел первый громоотвод;
профессор из Франции Шарль Кулон открыл закон взаимосвязи между неподвижными зарядами точечного формата.

Все установленные факты были собраны под одной обложкой Бенджамином Франклином, он же предложил несколько перспективных теорий, например, то, что заряды могут быть, как положительными, так и отрицательными.

От теории к практике

Все установленные факты были верны, и легли в основу практических разработок. В XIX веке научные изыскания одно за другим находили практические воплощения:

итальянский ученый Вольт разработал источник постоянного электрического тока;
ученый из Дании Эрстед установил электрические и магнитные взаимосвязи между предметами;
ученый из Санкт-Петербурга Петров разработал схему, которая позволяла использовать электрический ток для освещения помещений;
англичанин Деларю изобрел первую в мире лампу накаливания

Ампер вывил факт, что магнитное поле формируется не статическими зарядами, а электрическим полем;
Фарадей открыл электромагнитную индукцию и спроектировал первый двигатель;
Гаусс разработал теорию электрического поля;
итальянский физик Гальвани установил наличие электричества в организме человека, в частности выполнении движений мышцами посредством электротока.

Работы каждого из вышеназванных ученых мужей послужили основой для тех или иных направлений, поэтому любого их них смело можно назвать первым в мире ученым, кто изобрел электричество.

Эпоха «Великих открытий»

Сделанные открытия и осуществленные разработки позволили выполнить системный анализ явления и его возможностей, после которого сделались возможными проекты различных электрических систем и устройств. Кстати, к чести России можно сказать, что первым населенным пунктом на планете, который был освещен электричеством, стало Царское Село в 1881 году. Так, в результате труда нескольких поколений мы можем жить в максимально комфортном мире.

История электричества: видео

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

Инструкция

Электрические свойства янтаря открыли еще в Древнем Китае и в Индии, а в старых Греческих преданиях описываются опыты философа Фалеса Милетского с янтарем, который он натирал шерстяной тканью. После этой процедуры камень приобретал свойства притягивать к себе легкие предметы: пушинки, кусочки бумаги и т.д. «Электрон» переводится с греческого языка как «янтарь», в последующем он дал свое имя всем процессам электризации.

До начала XVII века о свойствах янтаря никто не вспоминал и проблемами электризации никто плотно не занимался. Только в 1600 году англичанин, практикующий врач У. Гильберт опубликовал труд, посвященный магнитам и свойствам магнетизма, там же он дал описания свойств предметов, встречающиеся в природе, и условно поделил их на те, которые электризуются и те, которые не поддаются электризации.

В середине XVII века немецкий ученый О. Герике создал машину, с помощью которой продемонстрировал свойства электризации. С течением времени эта машина улучшалась англичанином Хоксби, немецкими учеными Бозе и Винклером. Опыты с этими машинами помогли совершить ряд открытий и физику из Франции дю Феи и ученым из Англии Грею и Уилеру.

Английские физики в 1729 году установили, что одни тела обладают способностью пропускать электричество через себя, а другие такой проводимости не имеют. В этом же году математик и философ Мушенбрек из города Лейдена доказал, что стеклянная банка, оклеенная металлической фольгой, обладает способностью накапливать заряды электричества. Дальнейшие работы по испытанию лейденской банки позволили ученому В. Франклину доказать наличие в природе зарядов с положительной и отрицательной направленностью.

Русские ученые М.В. Ломоносов, Г. Рихман, Эпинус, Крафт также работали над проблемами электрических зарядов, но в основном они изучали свойства статического электричества. Пока само понятие электрического тока, как непрерывное течение заряженных частиц, еще не существовало.

Стремительное развитие событий

Далее открытия ученых-естествоиспытателей следовали одно за другим. После создания Питером ван Мушенбургом первого электрического конденсатора в 1745 году американец Франклин создает «флюидную» теорию об электричестве. Он конструирует первый молниеотвод и изучает природу электрических молний.

Точной наукой материалы об исследованиях электричества стали в 1875 году после формулирования Закона Кулона. Итальянец Гальвани находит электричество в мышечной ткани животных и в 1791 году пишет трактат об этом явлении. Его соотечественник Вольт изобретает первый гальванический элемент - прообраз современной батарейки, в 1800 году.

Датский ученый-физик Эрстед открывает в 1820 году электромагнитное взаимодействие. Работы Ампера, Ленца, Джоуля и Ома вносят существенный вклад в физику и расширяют понятие об электричестве.

Прорывом в изобретении современного электричества являются исследования Майкла Фарадея. После 1834 года он описывает электрические и магнитные поля и создает первый электрогенератор, а за ним и электродвигатель.

История исследования электричества - хороший пример того, что открытия такого масштаба всегда происходят на протяжении столетий. Одно поколение ученых сменяется другим много раз прежде, чем привычные сегодня вещи становятся такими, какие они есть.

Видео по теме