электричество
Электричество (от греческого ἤλεκτρον Elektron « янтарный ») является физический общий термин для всех явлений , которые вызваны статическим или движущихся электрических зарядов . Сюда входят многие явления, известные из повседневной жизни, такие как молния или силовой эффект магнетизма . В естествознании понятие электричества строго не разграничено, но определенные свойства включены в основную область электричества:
- Электрический заряд . Это свойство некоторых атомных частиц, таких как отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны , которые известны как носители заряда, и измеряется в кулонах . Обозначение положительное или отрицательное выбрано произвольно. Существенным свойством является то, что одноименные электрические заряды отталкивают друг друга, в то время как разные заряды притягиваются друг к другу.
- Электрический ток . Он описывает движение носителей электрического заряда, измеряется в единицах ампера и, помимо прочего, является причиной возникновения магнитных полей . Ускоренное движение электрических зарядов генерирует электромагнитные поля , которые описаны в области электродинамики и которые могут распространяться в пространстве независимо от электрических проводников .
- Электрическое поле описывает переменные состояния пространства , вызванные электрическими зарядами, которые называются напряженностью электрического поля и электрический потенциал . Электрическое напряжение , определяемое как разность потенциалов, обычно измеряется в вольтах .
Процессы, в которых не происходит никаких изменений с течением времени или каких-либо значительных изменений с течением времени, относятся к электростатике . Процессы, на которые изменение во времени оказывает значительное влияние, считаются электродинамикой .
История освоения
Явления электроэнергии присутствуют в естественной среде человека, самый известный и самый эффектный явление находится в области метеорологии в молнии . Поражение электрическим током , которое некоторые рыбы, такие как электрический скат или электрический угорь, используют для ловли добычи, произошло в Древнем Египте примерно в 2750 году до нашей эры. Chr. Известный. В древние времена , древние греки были уже знакомы с электризацией из янтаря (греческий ἤλεκτρον, электрон ). Это знание приписывается естественной философ Фалес из Милета , который жил около 600 г. до н. До н.э. описал привлекательность янтаря.
В I веке до н.э. Chr. Были найдены парфянские керамические изделия недалеко от Багдада, использовавшиеся в 1936 году королем Вильгельмом, а также известные как Багдадские батареи . Эти суда содержали железный стержень и медный цилиндр, залитый асфальтом. Испытания, проведенные в музее Ремера и Пелицея в Хильдесхайме, показали, что при таком расположении и использовании виноградного сока в качестве электролита можно достичь напряжения 0,5 В. Его использование в качестве батареи вызывает споры.
Целенаправленное и практическое применение электричества не имело места до начала современности . Британец Уильям Гилберт систематически исследовал электрический заряд многих веществ с помощью Версориума и ввел название «Электрика» (опубликовано в 1600 году). Примерно в 1663 году мэр Магдебурга Отто фон Герике разработал вращающийся серный шар , который, натирая рукой, должен был подтвердить космические силы (virtutes mundanae) . В 1706 году Фрэнсис Хоксби разработал фрикционную машину для электризации , шар которой был больше не из серы , а из стекла , для исследования электрических эффектов . Эти и подобные им электрические машины в последующие десятилетия служили в основном для развлечения.
В 1733 году французский натуралист Шарль дю Фэй обнаружил, что существует две противоположные формы электрического заряда, которые он первоначально назвал электричеством из смолы и стекла . Это открытие послужило основанием для обозначения как положительного, так и отрицательного электрического заряда.
Голландский физик Мушенбрук изобретен в бутылку Leiden , который также известен в Германии как «Клейст бутылки» , в 1745 году - независимо, и один год после того, как , Эвальд Юрген Георг фон Клейст . Лейденская бутылка считается первым конденсатором, в котором хранятся электрические заряды.
Примерно в 1752 году американец Бенджамин Франклин обнаружил связь с атмосферным электричеством после уже известного статического электричества. Он изобрел громоотвод и интерпретировал это явление как положительный полюс и отрицательный полюс.
Около 1770 года итальянский врач Луиджи Гальвани наблюдал подергивание мертвой лягушки с помощью электризующей машины на лягушачьих лапах. Стало известно, что электричество тоже может спровоцировать движение. «Животное» электричество на лягушачьих лапах - это переданная электрохимическая энергия и основа электрохимии .
В 1775 году итальянский физик Алессандро Вольта изобрел в electrophore , устройство для разделения зарядов с помощью влияния . Пять лет спустя он разработал гальваническую колонку , состоящую из металлов, меди и цинка, и электролита . Эта батарея впервые позволила генерировать электричество без трения, только за счет накопленной химической энергии. В течение многих лет гальваническая колонка была самым важным элементом оборудования для выработки постоянного тока .
В конце 18 века Шарль Огюстен де Кулон , Джозеф Пристли , Генри Кавендиш и Джон Робисон независимо друг от друга нашли и описали закон, описывающий силу между двумя электрическими зарядами, известный как закон Кулона . Немецкий физик Георг Симон Ом сформулировал фундаментальную взаимосвязь между электрическим током и электрическим напряжением при линейных электрических сопротивлениях . Эта связь позже известна как закон Ома .
2 мая 1800 года британские химики Уильям Николсон и Энтони Карлайл впервые преуспели в проведении электрического тока через воду с постоянным напряжением и, таким образом, разложили ее на основные химические компоненты, водород и кислород. Оба они - первооткрыватели электролиза .
Примерно в 1810 году химик Хамфри Дэви создал дугу между двумя угольными штырями, которые были подключены к батарее в качестве источника питания , тем самым заложив основу для угольной дуговой лампы .
Примерно в 1820 году Ганс Христиан Эрстед наблюдал отклонение магнитной стрелки под действием электричества. Основываясь на этом, Андре-Мари Ампер , французский физик, интерпретировал и описал силу отклонения магнитного поля как функцию силы тока. Он изобрел « амперметр », теорию электрического телеграфа , впервые использованную Карлом Фридрихом Гауссом и Вильгельмом Эдуардом Вебером , и электромагнит . Он является основоположником теории электромагнетизма и тезкой физической единицы электрического тока в амперах .
Британский физик Майкл Фарадей считается одним из основоположников электродинамики . Он впервые сформулировал закон индукции и рассмотрел законы электролиза в дальнейшей работе . Таким образом он заложил основы изобретения телеграфии . В 1864 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал основную теорию классической электродинамики в форме уравнений Максвелла и, таким образом, объединил эффекты статических и движущихся зарядов и их полей для описания электромагнитных явлений. Из этих законов он вывел существование электромагнитных волн . Он определил свет как проявление электромагнитных волн.
С 1830 года, после того, как были известны необходимые законы, стало широко применяться электричество. Эти технические приложения обозначаются термином « электротехника» . С 1831 года несколько исследователей экспериментировали с использованием электромагнетизма для электрических приводов и для электромеханической выработки электроэнергии. Это было достигнуто независимо в 1832 году французом Ипполитом Пикси и итальянцем Сальваторе Даль Негро . В 1834 году американец Томас Дэвенпорт подал заявку на патент на электровоз. Сэмюэл Ф. Б. Морс построил первый пригодный для использования пишущий телеграф в 1833 году. С телеграфной линией, которую он установил из Вашингтона в Балтимор, и азбукой Морзе, разработанной одним из его сотрудников, в 1844 году началась эра электросвязи, а вместе с ней и одновременности. В годы 1843/1844 Анри Adolphe Archereau и Луи-Жозеф Deleuil удалось впервые в электрическом освещении городской площади с угольной дуги лампы на площади де ла Конкорд в Париже .
Производство электроэнергии (и, следовательно, возможность электрического привода) с помощью электрической машины без постоянного магнита было достигнуто в 1851 году словаком Аньошем Едликом , в 1854 году датчанином Сёреном Хьёртом , получившим патент Англии № 2198 на это в том же году и Вернер фон Сименс в 1866 году , который довел их до серийного производства.
В 1882 году впервые на большом расстоянии был установлен источник электропитания - линия постоянного тока Мисбах - Мюнхен протяженностью 57 км . В 1886 году Никола Тесла с помощью своего спонсора Джорджа Вестингауза основал передачу электроэнергии с использованием переменного тока, которая широко распространена сегодня . В 1891 году была осуществлена первая передача на большие расстояния трехфазного переменного тока, распространенного сегодня в энергетике, с трехфазной передачей тока от Лауффена до Франкфурта на расстояние более 176 км.
В последующие годы специализация в области электротехники росла. Хотя по- прежнему тесно с инженерной связаны электроэнергетики служил в электроснабжения домов, предприятий и заводов, филиал проводит коммуникационные технологии для информации передачи , такие как новости с небольшими задержками на большие расстояния цели. Гульельмо Маркони провел первые радиоиспытания в Болонье около 1895 года . Он основывался на открытиях Генриха Герца , Александра Степановича Попова и Эдуарда Бранли . 24 марта 1896 г. Попову удалось передать по радио слова «Генрих Герц» во время демонстрации перед Русским физическим обществом.
ХХ век отмечен сильным расширением теоретической структуры. Классическая электродинамика Максвелла была распространена на релятивистскую электродинамику в рамках специальной теории относительности. В середине 20 века, особенно благодаря работам американского физика Ричарда Фейнмана , произошло расширение квантовой электродинамики . За эту работу Синъитиро Томонага , Джулиан Швингер и Ричард Фейнман получили Нобелевскую премию по физике в 1965 году «за фундаментальные достижения в квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц». Квантовая электродинамика (КЭД) находится в контексте квантовой физики , квантово-полевого теоретического описания электромагнетизма . В 1979 году Шелдон Глэшоу , Стивен Вайнберг и Абдус Салам получили Нобелевскую премию по физике «за их вклад в теорию объединенного слабого и электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами, включая предсказание слабых нейтральных токов» ( электрослабое взаимодействие ).
В техническом применении 20 - го века, Фердинанд Браун разработал на электронно- лучевой трубки в 1897 году , который лег в основу первых телевизоров. В 1911 году голландец Хайке Камерлинг-Оннес был первым, кто наблюдал эффект сверхпроводимости . В середине 20 - го века, Уолтер Х. Браттейн , Джон Бардин и Уильям Шокли разработал на транзистор , который в последующие годы был основой из первых интегральных схем и компьютерных технологий .
Электричество в быту
В сегодняшней повседневной жизни электричество в смысле электрической энергии незаменимо, о чем люди обычно снова узнают только при выходе из строя электросети . Однако 1,4 миллиарда человек во всем мире не имеют доступа к электроэнергии. Этот источник энергии почти всегда вырабатывается на электростанциях и распределяется по всем компаниям в энергосистеме (см. Электричество / таблицы и графики ). На протяжении более столетия такие применения электричества, как электрический свет , тепло и энергия, все больше определяли человеческую жизнь. Электричество имеет большое значение в области коммуникационных и информационных технологий .
В дополнение к молнии, электричество в своей естественной форме также менее заметно проявляется в форме передачи информации в нервных системах живых существ. При этом возникает лишь очень небольшое напряжение. Электричество также по-разному влияет на человеческий организм в зависимости от его силы. В случае поражения электрическим током большое значение имеют сила и продолжительность электрического тока на теле человека. Электрические токи от 30 мА могут быть опасными и вызывать паралич дыхания и остановку сердца . Электрический ток также используется для целенаправленного убийства людей, например, с помощью электрического стула .
Электричество из твердых тел
Твердые вещества с низкой электропроводностью или без нее классифицируются в соответствии с их поведением в электрических и магнитных полях. Причиной различного поведения вещества в поле является наличие или отсутствие соответствующих диполей и их поведение. Это описывается использованием соответствующего префикса для обоих полей как эквивалентных (см. Магнетизм твердых тел ). Это значит:
| Электрикум | Объяснение |
|---|---|
| диэлектрик | В диэлектрических материалах отсутствуют электрические диполи. Однако соответствующие диполи могут быть индуцированы внешними электрическими полями. В отличие от диамагнитных материалов диполи в диэлектрических материалах ориентированы в направлении электрического поля (электрическая проницаемость ε r > 1). Эти диполи существуют только до тех пор, пока материал находится в электрическом поле. Любая форма вещества - твердое, жидкое или газообразное - является диэлектриком. |
| Параэлектрический | Если есть диполи, которые можно ориентировать в веществе, но которые не образуют устойчивого дальнего порядка, эти вещества называют параэлектрическими. Кроме того, они выравниваются в направлении поля под действием приложенного извне электрического поля. Результирующая поляризация исчезает при выключении поля. Здесь также применимо следующее: ε r > 1. В отличие от диэлектрического случая электрическая проницаемость зависит от температуры. Таким образом, можно выделить оба эффекта. Жидкости и газы также могут быть параэлектрическими. |
| Сегнетоэлектрик | В сегнетоэлектрике все диполи параллельны друг другу. Если взять сегнетоэлектрик из электрического поля, электрическая поляризация останется. Сегнетоэлектрики также относятся к группе пьезоэлектриков. |
| Антисегнетоэлектрический | В антисегнетоэлектрике диполи в двух подсетках взаимно антипараллельны. Это означает, что поляризация подрешеток одинакова, но ориентирована в противоположном направлении. Следовательно, антисегнетоэлектрики не имеют поляризации вне электрического поля. |
| Ферриэлектрический | Условия в сегнетоэлектрике аналогичны условиям в антисегнетоэлектрике, то есть диполи также взаимно антипараллельны в двух подрешетках. В отличие от антисегнетоэлектрика, соответствующие поляризации не одинаковы. Поэтому, как и сегнетоэлектрики, они имеют поляризацию, когда они удалены из электрического поля. |
Префиксы Ферро-, Ферри- и Антиферро- обозначают различные формы диполей дальнего порядка. Области одного порядка называются доменами. Они соответствуют доменам Вейсса в магнетизме. Все эти материалы представляют собой твердые тела, многие из которых имеют высокотемпературную параэлектрическую фазу. Ориентацию диполей можно изменить достаточно сильным внешним полем. Это приводит к гистерезису . Отдельные формы можно различить по типу гистерезиса.
важность
Природные науки
Различные явления электричества являются объектами рассмотрения в разделах физики и химии :
- Электростатика занимается статическими электрическими зарядами, распределениями зарядов и электрическими полями заряженных тел.
- Классическая электродинамика имеет дело с постоянными во времени магнитными полями, изменяющимися во времени электрическими и магнитными полями и электромагнитными волнами.
- Квантовая электродинамика - это расширение классической электродинамики, которое включает квантовое теоретико-полевое описание электромагнетизма .
- Физика твердого тела описывает, среди прочего, поведение электрических зарядов в твердых материалах, таких как электрические проводники , полупроводники и непроводники , а также тепловое , пиро- и пьезоэлектричество .
- Электрохимия описывает взаимосвязь между электрическими и химическими процессами, происходящими в батареях и аккумуляторах .
Инженерное дело
Электротехника относится к той области инженерной науки и техники , которая занимается всеми аспектами электричества. Диапазоны спектра от электрической энергии технологии , такие как производство электроэнергии , за счет регулирования , контроля и измерительной технике , в электронике , микро- и наноэлектроники , к коммуникационной технологии и технологии автоматизации в качестве степени в области электротехники. Теоретическая электротехника составляет теоретическую основу .
Большое значение электрической энергии заключается в том, что ее можно транспортировать по высоковольтным линиям и легко преобразовывать в другие виды энергии, такие как механическая работа, тепло, свет или звук. Однако электрическая энергия может храниться плохо, и ее необходимо преобразовывать в другие источники энергии, такие как химическая энергия в аккумуляторах, или в потенциальную энергию, например, в гидроаккумулирующих электростанциях .
Экономика
Электроэнергетика описывает эту область энергетики , которая занимается всеми аспектами электричества.
литература
- Клаус Хеук, Клаус-Дитер Деттманн, Детлеф Шульц: Электроснабжение. Производство, передача и распределение электроэнергии для учебы и практики . 8-е, переработанное и дополненное издание. Vieweg + Teubner, Висбаден 2010, ISBN 3-8348-0736-2 .
- Адольф Дж. Шваб: Электроэнергетические системы - производство, транспортировка, передача и распределение электрической энергии . 3. Издание. Springer, Гейдельберг, 2012 г., ISBN 978-3-642-21957-3 .
- Дирк Йоханнес Виллем Сджоббема: История электроники . Elektor, Aachen 1999, ISBN 3-89576-066-8 .
веб ссылки
Индивидуальные доказательства
- ^ Питер Моллер: бионаука, обзор: электрическая рыба. Выпуск 11, том 41, декабрь 1991 г., стр. 794-796, DOI: 10.2307 / 1311732 .
- ^ Виллем Д. Хакманн: Электростатическая машина. В: Роберт Бад, Дебора Джин Уорнер (ред.): Инструменты науки. Историческая энциклопедия. Гарланд, Нью-Йорк и др., 1998, стр. 221-224.
- ↑ Макс Ле Блан: Учебник электрохимии. Verlag Oskar Leiner, Leipzig 1922, p. 33 ff.
- ↑ 2 мая 1800 г. В: funkzentrum.de. Проверено 25 марта 2019 года .
- ↑ Недостаток энергии. В: Süddeutsche Zeitung. 23 сентября 2010 г., с. 16.
- ^ Дитер Мешеде, Кристиан Гертсен: Gerthsen Physik . Springer, 2010, ISBN 978-3-642-12893-6 , стр. 403-411 .
