Електрика
Еле́ктрика (від грец. ήλεκτρον — бурштин; раніше також громови́на[1]) — розділ фізики, що вивчає електричні явища: взаємодію між зарядженими тілами, явища поляризації та проходження електричного струму.
| Класична електродинаміка |
|---|
 |
| Електрика · Магнетизм |
|
Коваріантне формулювання |
Електрика — явище природи, пов'язане з існуванням, рухом і взаємодією електричних зарядів[2].
Електричні явища лежать в основі сучасних засобів виробництва, транспортування й розподілу енергії, а тому є основою численних застосувань в сучасній технології.
Суміжні дисципліни
Зв'язок електричних явищ з магнітними, вивчається електромагнетизмом. Електродинаміка, яка охоплює електрику та магнетизм, вивчає також електромагнітні хвилі. На противагу електродинаміці розділ електрики, що вивчає тільки нерухомі електричні заряди, називається електростатикою.
На електриці ґрунтуються прикладні науки, такі як електротехніка, електрохімія тощо.
Історія
Електричні явища були відомі ще в давнину, давнім грекам, фінікійцям, жителям Межиріччя. Те, що при натиранні бурштин отримує властивість притягувати до себе легкі предмети, описував в 600-х роках до н. е. Фалес Мілетський. Фалес, однак, не відрізняв електрики від магнетизму, вважаючи це одним явищем, от тільки бурштин отримує таку дивну властивість при терті, а в магнетита вона постійна.
Новий крок у вивченні електричних явищ здійснив у 1600 році англійський лікар Вільям Ґілберт. Провівши дослідження електричних і магнітних явищ, він оприлюднив книгу, в якій зробив висновок, що властивості постійного магніту і здатність натертого бурштину притягати предмети — безумовно різні явища. Ґілберт почав застосовувати латинське слово electricus — бурштиноподібний, для опису такої властивості. У своїй книзі Ґілберт також прийшов до висновку, що Земля є магнітом, і саме тому стрілка компаса вказує на полюс.
У середині 17-го століття Отто фон Ґеріке винайшов електростатичний генератор.
Експерименти Стівена Ґрея показали, що електрику можна передавати на віддаль (до 800 футів) за допомогою провідників (зволожених ниток), якщо уникати контакту із землею і використовувати ізоляцію. Так почалися дослідження струмів і були закладені основи поділу матеріалів на провідники й діелектрики.
Шарль Дюфе відкрив два різні типи електрики, назвавши їх «скляним» і «смолистим» (тепер їх називають додатніми й від'ємними зарядами), показавши, що однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягаються. Дю Фе також поділив речовини на провідники й ізолятори, називаючи їх «електриками» і «неелектриками».
Досліди Бенджаміна Франкліна, проведені в 1752 році, продемонстрували, що блискавка має електричну природу.
У 1791 році Луїджі Гальвані оприлюднив відкриття біоелектрики. 1800 року Алессандро Вольта побудував першу батарею — вольтів стовп. Новий тип джерела струму був набагато надійнішим, ніж електростатичні генератори, що використовувалися до того. В 1820 році Андре-Марі Ампер відкрив зв'язок між електрикою і магнетизмом. В 1821 році Майкл Фарадей вигадав електродвигун, а в 1827 — Георг Ом встановив математичний закон, що описує струм в електричному колі.
Важко перечислити всі наукові відкриття в області вивчення електричних явищ у першій половині 19-го століття. Відкриття електромагнітної індукції Фарадеєм у 1831 році відкрило шлях до виробництва і використання електричної енергії у великих масштабах, і кінець 19-го століття став епохою численних винаходів в області електротехніки. До кінця століття зусиллями таких видатних науковців і винахідників, як Нікола Тесла, Томас Алва Едісон, Вернер фон Сіменс, лорд Кельвін, Галілео Ферраріс та багатьох інших, електрика перетворилася з наукової цікавинки на провідну силу другої промислової революції.
Основні положення
Сучасна фізика вважає, що електромагнітна взаємодія є однією з фундаментальних взаємодій. Електричний заряд — властивість елементарних частинок, серед яких найважливішими, зважаючи на свою стабільність, є електрон і протон. Всі речовини складаються з атомів, в центрі яких існує позитивно заряджене ядро, а навколо ядра — негативно заряджені електрони. Більшість атомів у навколишньому світі нейтральні — число електронів у їхньому складі дорівнює числу протонів, але рухливі електрони можуть покидати атом, утворюючи додатні йони, або приєднуватися до нейтрального атома, утворюючи від'ємні йони. Якщо в якомусь фізичному тілі число електронів відрізняється від числа протонів, то таке тіло отримує макроскопічний електричний заряд. Цей процес називається електризацією.
Однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються. Чисельно взаємодія між зарядами описується законом Кулона.
Якщо заряди помістити в суцільне середовище, то взаємодія між ними змінюється завдяки явищу, яке називається діелектричною поляризацією. Діелектрична поляризація виникає завдяки зміщенню електронів відносно ядер атомів у зовнішньому електричному полі або завдяки повороту молекул із власним дипольним моментом. У підсумку сила, яка діє на заряд з боку інших зарядів, визначається не лише величиною цих зарядів та їхнім розташуванням, а ще й наведеними дипольними моментами атомів і молекул середовища. При невеликих електричних полях (порівняно з внутрішньоатомними полями) здатність речовини поляризуватися, визначається діелектричною проникністю.
Під дією кулонівської сили заряджені частинки переміщаються, утворюючи електричний струм. Електричний струм створює магнітне поле, за яким його можна зареєструвати. Іншим наслідком проходження електричного струму крізь речовину, є виділення тепла.
Залежно від здатності проводити електричний струм речовини можна поділити на провідники й діелектрики. Провідники відрізняються від діелектриків тим, що містять вільні носії заряду, які можуть легко переміщатися всередині речовини.
Виробництво та використання електроенергії
Починаючи з кінця 19 століття, електричні явища відіграють дедалі більшу роль у виробництві й побуті. Електрика лежить у центрі нашої культури, починаючи від освітлення та різноманітних зручних у побуті приладів, і закінчуючи потужними електричними двигунами, які використовуються у виробництві.
Виробництво
В основному призначена для використання у виробництві і побуті електроенергія виробляється електростанціями, де механічна енергія обертання парових турбін перетворюється на електричну, електричними генераторами. Тепло, необхідне для нагрівання пари, яка обертає турбіни, отримують в основному за рахунок викопного палива. Крім теплових електростанцій значна частина електроенергії виробляється атомними електростанціями та гідроелектростанціями. В останньому випадку використовується відновлюване джерело енергії. Іншими відновлюваними джерелами енергії є енергія вітру, яку використовують дедалі популярніші в сучасну пору вітряні електростанції. Пряме використання сонячної енергії можливе завдяки сонячним елементам.
Вироблена електростанціями енергія розподіляється через електричну мережу в оселі людей, на фабрики й заводи.
Окрім виробництва й розподілу електричної енергії через мережу, широко використовуються також такі джерела електричної енергії, як електрохімічні батареї та акумулятори, які дозволяють отримати електричний струм невеликої напруги, потрібної для роботи переносних електронних приладів.
Використання
У 1870-х роках століття з'явилася лампа розжарення, яка стала першим побутовим приладом, що вимагав проведення електричної мережі в кожну людську оселю й установу. Ще до її появи електрика використовувалася телеграфом і телефоном — важливими комукаційними приладами. Серед важливих домашніх електроприладів: радіо, телевізор, програвач, пральна машина, холодильник, кондиціонер, обігрівач та багато інших. Багато з цих приладів використовують електродвигун, винайдений Майклом Фарадеєм. Із розвитком електроніки в людських оселях з'явилися також комп'ютери.
Виробництво теж широко використовує потужні електродвигуни, але електричні явища застосовуються також для гальванопластики, виплавки металів, зварювання та багатьма іншими способами.
Електрика і природний світ
Фізіологічні ефекти
Напруга, що прикладається до тіла людини, викликає протікання електричного струму крізь тканини, і чим вона більша, тим більшим буде струм.[3] Поріг сприйняття залежить від частоти струму та шляху, яким струм проходить тілом. Для мережевої частоти електроенергії значення лежить у межах від 0,1 мА до 1 мА, хоча струм у декілька мкА може бути виявленим як незначні електровібрації за певних умов. Якщо струм є досить високим, то це викликає скорочення м'язів, аритмії серця та опіки тканин.[3]
Відсутність видимих ознак робить електрику особливо небезпечною.
Електричні явища у природі
Електрику можна спостерігати в декількох формах у природі. Прикладом природної електрики є блискавка. Деякі кристали, такі як кварц, або навіть цукор, створюють різницю потенціалів при впливі зовнішнього тиску[4]. Це явище відоме як п'єзоефект. Ефект є взаємним, тобто коли п'єзоелектричний матеріал піддають дії електричного поля, відбувається невелика зміна фізичних розмірів матеріалу.
Деякі організми, наприклад, акули, здатні виявляти і реагувати на зміну електричного поля, ця здатність відома під назвою електрорецепція. А деякі гімнотоподібні, зокрема, електричний вугор, здатні виробляти електричне поле для виявлення здобичі і оглушення її за допомогою високих напруг, що генеруються у модифікованих м'язових клітинах.
Всі тварини передають інформацію по їх клітинних мембранах у вигляді імпульсів напруги — так звані потенціали дії, до функцій яких входить спілкування з боку нервової системи між нейронами і м'язами[5]. Потенціали дії також відповідають за координацію діяльності в деяких рослинах.
Див. також
Примітки
- Громовина — Академічний тлумачний словник української мови
- ЕЛЕ́КТРИКА //ЕСУ
- Tleis, Nasser (2008). Power System Modelling and Fault Analysis. Elsevier. с. 552–554. ISBN 978-0-7506-8074-5.
- Lima-de-Faria, José; Buerger, Martin J. (1990). Historical Atlas of Crystallography. Springer. с. 67. ISBN 0-7923-0649-X.
- Kandel, E.; Schwartz, J.; Jessell, T. (2000). Principles of Neural Science. McGraw-Hill Professional. с. 27–28. ISBN 0-8385-7701-6.
Джерела
- Фріш С. Е., Тіморєва А. В. Курс загальної фізики. — Київ : Радянська школа, 1953. — Т. 2 : Електричні і електромагнітні явища.
- Кучерук І. М., Горбачук І. Т., Луцик П. П. Загальний курс фізики : навчальний посібник у 3-х т. — Київ : Техніка, 2006. — Т. 2 : Електрика і магнетизм.
- Сивухин Л. В. Общий курс физики. — Москва : Наука, 1977. — Т. 3.