Что такое электричество. Физика электричества: определение, опыты, единица измерения. Электричество - это

Физика электричества - это то, с чем приходится сталкиваться каждому из нас. В статье мы рассмотрим основные понятия, связанные с ней.

Что такое электричество? Для человека непосвященного оно ассоциируется со вспышкой молнии или с энергией, питающей телевизор и стиральную машину. Он знает, что электропоезда используют О чем еще он может рассказать? О нашей зависимости от электричества ему напоминают линии электропередач. Кто-то сможет привести и несколько других примеров.

Однако с электричеством связано немало других, не столь очевидных, но повседневных явлений. Со всеми ними нас знакомит физика. Электричество (задачи, определения и формулы) мы начинаем изучать еще в школе. И узнаем много интересного. Оказывается, бьющееся сердце, бегущий спортсмен, спящий ребенок и плавающая рыба - все вырабатывает электрическую энергию.

Электроны и протоны

Определим основные понятия. С точки зрения ученого, физика электричества связана с движением электронов и других заряженных частиц в различных веществах. Поэтому научное понимание природы интересующего нас явления зависит от уровня знаний об атомах и составляющих их субатомных частицах. Ключом к этому пониманию служит крошечный электрон. Атомы любого вещества содержат один или более электронов, движущихся по различным орбитам вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Обычно в атоме равно количеству протонов в ядре. Однако протоны, будучи значительно тяжелее электронов, можно считать как бы закрепленными в центре атома. Этой предельно упрощенной модели атома вполне достаточно, чтобы объяснить основы такого явления, как физика электричества.

О чем еще необходимо знать? Электроны и протоны имеют одинаковый по величине (но разного знака), поэтому они притягиваются друг к другу. Заряд протона является положительным, а электрона - отрицательным. Атом, имеющий электронов больше или меньше, чем обычно, называется ионом. Если в атоме их недостаточно, то он называется положительным ионом. Если же он содержит их избыток, то его называют отрицательным ионом.

Когда электрон покидает атом, тот приобретает некоторый положительный заряд. Электрон, лишенный своей противоположности - протона, либо движется к другому атому, либо возвращается к прежнему.

Почему электроны покидают атомы?

Это объясняется несколькими причинами. Наиболее общая состоит в том, что под воздействием импульса света или какого-то внешнего электрона движущийся в атоме электрон может быть выбит со своей орбиты. Тепло заставляет атомы колебаться быстрее. Это означает, что электроны могут вылететь из своего атома. При химических реакциях они также перемещаются от атома к атому.

Хороший пример взаимосвязи химической и электрической активности дают нам мышцы. Их волокна сокращаются при воздействии электрического сигнала, поступающего из нервной системы. Электрический ток стимулирует химические реакции. Они-то и приводят к сокращению мышцы. Внешние электрические сигналы нередко используются для искусственного стимулирования мышечной активности.

Проводимость

В некоторых веществах электроны под действием внешнего электрического поля движутся более свободно, чем в других. Говорят, что такие вещества обладают хорошей проводимостью. Их называют проводниками. К ним относится большинство металлов, нагретые газы и некоторые жидкости. Воздух, резина, масло, полиэтилен и стекло плохо проводят электричество. Их называют диэлектриками и используют для изоляции хороших проводников. Идеальных изоляторов (абсолютно не проводящих тока) не существует. При определенных условиях электроны можно удалить из любого атома. Однако обычно эти условия столь трудно выполнить, что с практической точки зрения подобные вещества можно считать непроводящими.

Знакомясь с такой наукой, как "Электричество"), мы узнаем, что существует особая группа веществ. Это полупроводники. Они ведут себя отчасти как диэлектрики, а отчасти - как проводники. К ним, в частности, относятся: германий, кремний, окись меди. Благодаря своим свойствам полупроводник находит множество применений. Например, он может служить электрическим вентилем: подобно клапану велосипедной шины он позволяет зарядам двигаться только в одном направлении. Такие устройства называются выпрямителями. Они используются и в миниатюрных радиоприемниках, и на больших электростанциях для преобразования переменного тока в постоянный.

Тепло представляет собой хаотичную форму движения молекул или атомов, а температура - мера интенсивности этого движения (у большинства металлов с понижением температуры движение электронов становится более свободным). Это означает, что сопротивление свободному движению электронов падает с уменьшением температуры. Другими словами, проводимость металлов возрастает.

Сверхпроводимость

В некоторых веществах при очень низких температурах сопротивление потоку электронов исчезает полностью, и электроны, начав движение, продолжают его неограниченно. Это явление называется сверхпроводимостью. При температуре несколько градусов выше абсолютного нуля (— 273 °С) она наблюдается в таких металлах, как олово, свинец, алюминий и ниобий.

Генераторы Ван де Граафа

В школьную программу входят различные опыты с электричеством. Существует можество видов генераторов, об одном из которых нам хотелось бы подробнее рассказать. Генератор Ван де Граафа используется для получения сверхвысоких напряжений. Если предмет, содержащий избыток положительных ионов, поместить внутрь контейнера, то на внутренней поверхности последнего появятся электроны, а на внешней - такое же количество положительных ионов. Если теперь коснуться внутренней поверхности заряженным предметом, то на него перейдут все свободные электроны. На внешней же положительные заряды останутся.

В положительные ионы от источника наносятся на ленту конвейера, проходящего внутри металлической сферы. Лента связана с внутренней поверхностью сферы с помощью проводника в виде гребня. Электроны стекают с внутренней поверхности сферы. На внешней же стороне ее появляются положительные ионы. Эффект можно усилить, используя два генератора.

Электрический ток

В школьный курс физики входит и такое понятие, как электрический ток. Что же это такое? Электрический ток обусловлен движением электрических зарядов. Когда электрическая лампа, соединенная с батареей, включена, ток течет по проводу от одного полюса батареи к лампе, затем через ее волосок, вызывая его свечение, и возвращается назад по второму проводу к другому полюсу батареи. Если выключатель повернуть, то цепь разомкнется - движение тока прекратится, и лампа погаснет.

Движение электронов

Ток в большинстве случаев представляет собой упорядоченное движение электронов в металле, служащем проводником. Во всех проводниках и некоторых других веществах всегда происходит какое-то случайное их движение, даже если ток не протекает. Электроны в веществе могут быть относительно свободны или сильно связаны. Хорошие проводники имеют свободные электроны, способные перемещаться. А вот в плохих проводниках, или изоляторах, большинство этих частиц достаточно прочно связано с атомами, что препятствует их движению.

Иногда естественным или искусственным путем в проводнике создается движение электронов в определенном направлении. Этот поток и называют электрическим током. Он измеряется в амперах (А). Носителями тока могут служить также ионы (в газах или растворах) и «дырки» (нехватка электронов в некоторых видах полупроводников. Последние ведут себя как положительно заряженные носители электрического тока. Чтобы заставить электроны двигаться в том или ином направлении, необходима некая сила. В природе ее источниками могут быть: воздействие солнечного света, магнитные эффекты и химические реакции. Некоторые из них используются для получения электрического тока. Обычно для этой цели служат: генератор, использующий магнитные эффекты, и элемент (батарея), действие которого обусловлено химическими реакциями. Оба устройства, создавая заставляют электроны двигаться в одном направлении по цепи. Величина ЭДС измеряется в вольтах (В). Таковы основные единицы измерения электричества.

Величина ЭДС и сила тока связаны между собой, как давление и поток в жидкости. Водопроводные трубы всегда заполнены водой под определенным давлением, но вода начинает течь, только когда открывают кран.

Аналогично может быть соединена с источником ЭДС, но ток в ней не потечет до тех пор, пока не будет создан путь, по которому могут двигаться электроны. Им может быть, скажем, электрическая лампа или пылесос, выключатель здесь играет роль крана, «выпускающего» ток.

Соотношение между током и напряжением

По мере роста напряжения в цепи растет и ток. Изучая курс физики, мы узнаем, что электрические цепи состоят из нескольких различных участков: обычно это выключатель, проводники и прибор - потребитель электричества. Все они, соединенные вместе, создают сопротивление электрическому току, которое (при условии постоянства температуры) для этих компонентов не изменяется со временем, но для каждого из них различно. Поэтому, если одно и то же напряжение применить к лампочке и к утюгу, то поток электронов в каждом из приборов будет различен, поскольку различны их сопротивления. Следовательно, сила тока, протекающего через определенный участок цепи, определяется не только напряжением, но и сопротивлением проводников и приборов.

Закон Ома

Величина электрического сопротивления измеряется в омах (Ом) в такой науке, как физика. Электричество (формулы, определения, опыты) - обширная тема. Мы не будем выводить сложные формулы. Для первого знакомства с темой достаточно того, что было сказано выше. Однако одну формулу все-таки стоит вывести. Она совсем несложная. Для любого проводника или системы проводников и приборов соотношение между напряжением, током и сопротивлением задается формулой: напряжение = ток х сопротивление. Это математическое выражение закона Ома, названного так в честь Георга Ома (1787-1854 гг.), который первым установил взаимосвязь этих трех параметров.

Физика электричества - очень интересный раздел науки. Мы рассмотрели лишь основные понятия, связанные с ней. Вы узнали, что такое электричество, как оно образуется. Надеемся, эта информация вам пригодится.

Существует невидимая сила, которая протекает внутри биологических объектов и неживой среды. Эта сила называется электричеством. Что такое электричество? Это энергия, создаваемая движением и взаимодействием заряженных частиц. Термин «электричество» произошел от греческого слова «электрон», которое переводится как «янтарь». Древние греки обнаружили, что, потерев этот камень, можно получить небольшой статистический заряд. Но создавать электрический ток для своих потребностей люди научились только в начале XIX века.

Что такое электричество и откуда оно возникает

Все окружающие нас неживые предметы, люди и даже воздух состоят из атомов. Атом представляет собой ядро, вокруг которого вращаются электроны. Это отрицательно заряженная частица, которая притягивается к ядру, но не соединяется с ним, так как находится в постоянном движении. Электроны нейтрализуют положительно заряженные частицы протоны. Поэтому атом в целом является электрически нейтральным.

Можно путем направленного перемещения электронов на другой атом. Такое движение создается с помощью магнитного поля генератора, трения или химической реакции в батарее. В основе процесса лежит свойство притяжения одноименно заряженных частиц и отталкивания противоположно заряженных.

В результате целенаправленного движения заряженных частиц под воздействием электрического поля возникает ток. Электрический может свободно передаваться через некоторые материалы, называемые проводниками. Например, медь и другие металлы, вода. Материалы, неспособные проводить ток, называют изоляторами. Хорошими изоляторами являются дерево, пластмасса, эбонит.

Статическое электричество

Статическое электричество образуется в результате нарушения баланса протонов и электронов внутри атома, возникающее, как правило, в результате трения. Еще одной причиной возникновения данного явления является соприкосновение двух диэлектриков, между которыми возникает разность потенциалов.

В быту человек практически каждый день сталкивается со статическим электричеством. Например, синтетическая одежда при носке и трении о тело накапливает небольшой заряд и при раздевании можно услышать легкое потрескивание и увидеть искры. Подобное явление происходит при расчесывании волос пластиковой расческой. Источниками статического электричества в квартире являются бытовые электроприборы, компьютеры, оргтехника. В процессе работы они электризуют мельчайшие частицы пыли, которые оседают на полу, мебели, одежде и коже человека, а также попадают в дыхательные пути.

Статическое электричество негативно влияет на здоровье человека. При длительном воздействии статический заряд может вызвать нарушения в работе центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, потерю сна и аппетита, раздражительность, головные боли.

Самым ярким примером проявления статического электричества в природе является молния. Мощный электрический разряд образуется в результате скопления электронов в нижних слоях атмосферы.

Производство и использование электричества

Объем потребления электричества увеличивается с каждым годом. Оно необходимо для отопления, освещения помещений, обеспечивает работу промышленных предприятий. Все бытовые приборы, без которых немыслима жизнь человека, также работают от электричества.

Подавляющее количество электроэнергии для промышленных и бытовых нужд производится на электростанциях, которые вырабатывают электроэнергию с помощью генераторов и передают ее на большие расстояния по линиям электропередач. В зависимости от источника энергии электростанции бывают трех видов:

• атомные - в качестве топлива используют радиоактивные материалы (уран и плутоний);
• тепловые - работают на газе, дизельном топливе или угле;
• гидроэлектростанции - турбины генератора вращаются потоком воды.

В качестве альтернативных источников электроэнергии используются ветровые установки, газогенераторы, солнечные батареи.

Сегодня я хочу рассказать Вам вкратце, что такое электричество.

А то все изучаем темы по электричеству, а про основы и внутренние процессы его возникновения даже не задумываемся.

Сильно углубляться в изучение происхождения и возникновения электричества мы не будем, т.к. это очень трудоемко и время затратно, а вот рассмотреть основы я считаю нужно.

Как Вы все знаете из курса школьной физики, а может и не знаете, все тела состоят из следующих мельчайших частиц:

• молекула
• молекула в свою очередь состоит из атомов
• атом состоит из протонов, нейтронов и электронов

Так вот каждая из перечисленных частиц обладает своим электрическим зарядом.

Заряд бывает положительным, либо отрицательным. Соответственно, тело с положительным зарядом всегда притягивается к телу с отрицательным зарядом. А два тела с положительными зарядами, либо отрицательными, всегда отталкиваются друг от друга.

Разноименные заряженные тела притягиваются, а одноименные — отталкиваются, т.е. в этот момент можно наблюдать тенденцию движения этих тел.

Интенсивность и скорость движения мельчайших частиц в телах зависит от множества следующих факторов:

• температура
• деформация
• трение
• химические реакции

Происхождение и возникновение электричества

Чуть выше я упоминал, что атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Так вот протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтрально заряженные) это и есть само ядро атома. На изображении ниже смотрите из чего состоит атом.

Ядро атома всегда имеет положительный заряд. Нейтрон (показаны красным цветом) не обладает электрическим зарядом. Протон (показаны голубым цветом) обладает всегда положительным зарядом.

Вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные электроны (изображены синим цветом), которые могут находиться от ядра на различном расстоянии, в зависимости от материала вещества. Расстояние, а точнее, энергетический уровень электрона, зависит от энергии, которую электрон может поглощать из вне (обычно от фотонов) и излучать. Этим занимаются электроны внешних электронных оболочек (самые удалённые от ядра). Если электрон «захапает» слишком много энергии, то может покинуть атом, о чём и говорится чуть ниже. Т.е. взаимодействие атома с другими атомами и прочими частицами происходит благодаря внешним электронам.

Заряд электрона в точности равен заряду протона по величине и противоположен по знаку. Поэтому в целом атом нейтрален.

Взаимодействие положительных протонов ядра с отрицательными электронами не всегда постоянно, и по мере удаления электронов от ядра оно уменьшается.

Т.е. получается, что количество электронов в атомах мы можем изменить.

Способы воздействия и факторы, воздействующие на тела я упоминал выше — это свет, температура, деформация, трение и различные химические реакции. А теперь о каждом воздействии поговорим подробнее.

Свет

Например, под воздействием светового излучения на вещество, из него могут вылететь электроны, которые в свою очередь заряжаются положительным зарядом. Такое явление в физике названо фотоэффектом . О нем мы поговорим в следующих статьях. Чтобы не пропустить новые статьи — подпишитесь на получение уведомления о выходе новых статей на сайте.

На явлении фотоэффекта основан принцип действия фотоэлементов.

Температура

При воздействии на вещество (тело) высокой температурой, удаленные от ядра электроны увеличивают свою скорость вращения вокруг ядра и в один прекрасный момент им хватает кинетической энергии, чтобы оторваться от ядра. В этом случае электроны становятся свободными частицами с отрицательными зарядами.

Такое явление в физике называется термоэлектронной эмиссией . Применяется это явление достаточно обширно. Но об этом в следующих статьях. Следите за обновлениями на сайте.

Химическая реакция

При химических реакциях в результате переноса зарядов образуются положительные и отрицательные полюсы. На этом основано устройство аккумуляторов.

Трение и деформация

При воздействии на некоторые тела трением, сжатием, растяжением или же просто деформировать их, то на их поверхности могут появиться электрические заряды. Такое явление физики называют пьезоэлектрическим эффектом, или сокращенно, пьезоэффектом .

Электродвижущая сила

При каждом способе воздействия на тело, в результате появляются небольшие источники двух полярностей: положительной и отрицательной. Каждая из этих полярностей имеет свою величину, которая называется потенциалом. Все Вы наверное слышали такое выражение.

Потенциал — это запасенная потенциальная энергия единицы количества электричества, находящейся в определенной точке электрического поля.

Так вот, чем больше потенциал, тем больше разница между положительным и отрицательным полюсами. Эта вот самая разница потенциалов и есть электродвижущая сила (ЭДС).

Если цепь замкнуть, то под действием ЭДС источника в цепи появится электрический ток.

Единицей измерения разницы потенциалов является вольт. Измерить разницу потенциалов можно вольтметром, или .

P.S. Все перечисленные способы получения электричества являются лишь небольшими примерами. Человек же создал на их основе более крупные источники энергии, такие как генераторы, аккумуляторы и прочее.

Электричество — это движущийся в определенном направлении поток частиц. Они обладают неким зарядом. По-другому, электричество — это энергия, которая получается при движении, а также освещение, появляющееся после получения энергии. Термин ввел ученый Уильям Гилберт в 1600 году. При проведении опытов с янтарем еще древнегреческий Фалес обнаружил, что минералом приобретался заряд. «Янтарь» в переводе с греческого означает «электрон». Отсюда пошло и название.

Электричество - это...

Благодаря электричеству, вокруг проводников тока или тел, обладающих зарядом, создается электрическое поле. Через него появляется возможность воздействовать на другие тела, у которых также есть некий заряд.

Все знают, что заряды бывают положительными и отрицательными. Конечно, это условное деление, но по сложившейся истории их так и продолжают обозначать.

Если тела заряжены одинаково, они будут отталкиваться, а если по-разному — притягиваться.

Суть электричества заключается не только в создании электрического поля. Возникает и магнитное поле. Поэтому между ними имеется родство.

Больше века спустя, в 1729 году, Стивен Грей установил, что есть тела, обладающие очень большим сопротивлением. Они способны проводить

В настоящее время больше всего электричеством занимается термодинамика. Но квантовые свойства электромагнетизма изучает квантовая термодинамика.

История

Вряд ли можно назвать конкретного человека, открывшего явление. Ведь и по сей день продолжаются исследования, выявляются новые свойства. Но в науке, которую нам преподают в школе, называют несколько имен.

Считается, что первым, кто заинтересовался электричеством, был живший в Древней Греции. Это он тер янтарь о шерсть и наблюдал, как начинали притягиваться тела.

Затем Аристотель изучал угрей, поражавших врагов, как поняли позже, электричеством.

Позже Плиний писал об электрических свойствах смолы.

Ряд интересных открытий закрепили за врачом английской королевы, Вильямом Жильбером.

В середине семнадцатого века, после того как стал известен термин «электричество», бургомистр Отто фон Герике изобрел электростатическую машину.

В восемнадцатом веке Франклин создал целую теорию явления, говоряющую о том, что электричество - это флюид или нематериальная жидкость.

Кроме упомянутых людей, с этим вопросом связывают такие знаменитые имена, как:

• Кулон;
• Гальвани;
• Вольт;
• Фарадей;
• Максвелл;
• Ампер;
• Лодыгин;
• Эдисон;
• Герц;
• Томсон;
• Клод.

Несмотря на их неоспоримый вклад, самым могущественным из ученых в мире по праву признают Николу Теслу.

Никола Тесла

Ученый родился в семье сербского православного священника на территории нынешней Хорватии. В шесть лет мальчик обнаружил чудесное явление, когда играл с черной кошкой: ее спина вдруг осветилась полоской голубого цвета, что сопровождалось искрами при прикосновении. Так мальчик впервые узнал, что такое «электричество». Это и определило всю его будущую жизнь.

Ученому принадлежат изобретения и научные работы о:

• переменном токе;
• эфире;
• резонансе;
• теории полей;
• радио и еще многом другом.

Многие связывают событие, получившее название с именем Николы Теслы, считая, что огромный взрыв в Сибири был вызван не падением космического тела, а опытом, проводимым ученым.

Природное электричество

Одно время в научных кругах существовало мнение, что электричества в природе не существует. Но эту версию опровергли тогда, когда Франклином была установлена электрическая природа молнии.

Именно благодаря ей аминокислоты начали синтезироваться, а значит, и появилась жизнь. Установлено, что движения, дыхание и другие процессы, происходящие в организме, возникают от нервного импульса, который имеет электрическую природу.

Всем известные рыбы — электрические скаты - и некоторые другие виды защищаются таким образом, с одной стороны, и поражают жертву, с другой.

Применение

Подключение электричества происходит за счет работы генераторов. На электростанциях создается энергия, передаваемая по специальным линиям. Ток образуется за счет преобразования внутренней или в электрическую. Станции, которые ее вырабатывают, где происходит подключение или отключение электричества, бывают различных видов. Среди них выделяют:

• ветровые;
• солнечные;
• приливные;
• гидроэлектростанции;
• тепловые атомные и другие.

Подключение электричества сегодня происходит практически везде. Представить себе жизнь без него современный человек не может. С помощью электричества производится освещение, передается информация по телефону, радио, телевидению… За счет него функционирует такой транспорт, как трамваи, троллейбусы, электрички, поезда метро. Появляются и все смелее заявляют о себе электромобили.

Если происходит отключение электричества в доме, то человек часто становится беспомощным в разных делах, так как даже бытовые приборы работают при помощи этой энергии.

Неразгаданные тайны Теслы

Свойства явления изучали с древних времен. Человечество узнало, как провести электричество, используя различные источники. Это в значительной степени облегчило им жизнь. Тем не менее в будущем людям еще предстоит немало открытий, связанных с электричеством.

Некоторые из них, может быть, даже уже были сделаны известным Николой Теслой, но затем были засекречены или уничтожены им самим. Биографы утверждают, что в конце жизни большинство записей ученый собственноручно сжег, осознав, что человечество не готово к ним и может навредить себе, использовав его открытия как самое мощное оружие.

Но по другой версии, считается, что часть записей была изъята спецслужбами США. Истории известен эсминец ВМФ США «Элдридж», который не только обладал способностью быть невидимым для радаров, но и перемещался моментально в пространстве. Есть свидетельства эксперимента, после которого часть экипажа тогда погибла, другая часть исчезла, а оставшиеся в живых сошли с ума.

Так или иначе, понятно, что все тайны электричества еще не раскрыты. Значит, человечество нравственно еще не готово к этому.