Elektřina - Electricity

z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Několik nočních blesků na město
Blesk je jedním z nejdramatičtějších účinků elektřiny.

Elektřina je soubor fyzikálních jevů spojených s přítomností a pohybem z hmoty , která má vlastnost elektrického náboje . Elektřina souvisí s magnetismem , přičemž obě jsou součástí fenoménu elektromagnetismu , jak je popsáno v Maxwellových rovnicích . S elektřinou souvisejí různé běžné jevy, včetně blesků , statické elektřiny , elektrického topení , elektrických výbojů a mnoha dalších.

Přítomnost elektrického náboje , který může být kladný nebo záporný, vytváří elektrické pole . Pohyb elektrických nábojů je elektrický proud a vytváří magnetické pole .

Když je náboj umístěn na místo s nenulovým elektrickým polem, bude na něj působit síla. Velikost této síly je dána Coulombovým zákonem . Pokud se náboj pohne, elektrické pole bude pracovat na elektrickém náboji. Můžeme tedy mluvit o elektrickém potenciálu v určitém bodě ve vesmíru, který se rovná práci externího agenta při přenášení jednotky kladného náboje z libovolně zvoleného referenčního bodu do tohoto bodu bez jakéhokoli zrychlení a obvykle se měří ve voltech .

Elektřina je srdcem mnoha moderních technologií, které se používají pro:

Elektrické jevy byly studovány od starověku, ačkoli pokrok v teoretickém porozumění zůstal pomalý až do sedmnáctého a osmnáctého století. Teorie elektromagnetismu byla vyvinuta v 19. století a na konci tohoto století byla elektřina používána elektrotechniky k průmyslovému a domácímu použití . Rychlá expanze v elektrotechnice v této době změnila průmysl a společnost a stala se hybnou silou druhé průmyslové revoluce . Mimořádná všestrannost elektřiny znamená, že ji lze použít pro téměř neomezenou řadu aplikací, které zahrnují dopravu , vytápění , osvětlení , komunikaci a výpočty . Elektrická energie je nyní páteří moderní průmyslové společnosti.

Dějiny

Busta vousatého muže s rozcuchanými vlasy
Thales , nejdříve známý výzkumník elektřiny

Dlouho předtím, než existovaly jakékoli znalosti o elektřině, si lidé byli vědomi šoků z elektrických ryb . Staroegyptské texty z roku 2750 př. N. L. Odkazovaly na tyto ryby jako na „Thunderer Nilu “ a označovaly je jako „ochránce“ všech ostatních ryb. Elektrické ryby byly znovu hlášeny o tisíciletí později starověkými řeckými , římskými a arabskými přírodovědci a lékaři . Několik starověkých spisovatelů, takový jako Pliny starší a Scribonius Largus , svědčí o efektu znecitlivění elektrickým šokům dodaných elektrického sumce a elektrické paprsky , a věděl, že tyto šoky mohly cestovat podél vodivých předmětů. Pacienti trpící onemocněními, jako je dna nebo bolest hlavy, byli nasměrováni na dotek elektrických ryb v naději, že je silný otřes dokáže vyléčit.

Starověké kultury kolem Středomoří věděly, že některé předměty, jako jsou tyčinky jantaru , lze potřít kočičí srstí, aby přilákaly lehké předměty jako peří. Thales z Milétu provedl řadu pozorování statické elektřiny kolem roku 600 př. N.l., z nichž podle jeho názoru tření učinilo jantar magnetickým , na rozdíl od minerálů, jako je magnetit , které nepotřebovaly žádné tření. Thales nesprávně věřil, že přitažlivost byla způsobena magnetickým efektem, ale později by věda dokázala souvislost mezi magnetismem a elektřinou. Podle kontroverzní teorie mohli Parthové mít znalosti o galvanickém pokládání na základě objevu bagdádské baterie z roku 1936 , která připomíná galvanický článek , i když není jisté, zda měl artefakt elektrický charakter.

Polodlouhý portrét plešatého, poněkud nevychovaného muže v třídílném obleku.
Benjamin Franklin provedl v 18. století rozsáhlý výzkum elektřiny, jak dokumentuje Joseph Priestley (1767) Historie a současný stav elektřiny , s nímž Franklin pokračoval v rozšířené korespondenci.

Elektřina by po tisíciletí zůstala jen něco víc než intelektuální zvědavost, dokud 1600, kdy anglický vědec William Gilbert napsal De Magnete , ve kterém pečlivě studoval elektřinu a magnetismus a odlišil efekt boule od statické elektřiny vyrobené třením jantaru. Razil nové latinské slovo electricus („z jantaru“ nebo „jako jantar“, z ἤλεκτρον, elektron , řecké slovo pro „jantar“), aby odkazoval na vlastnost přitahování malých předmětů po jeho otření. Tato asociace dala vzniknout anglických slov „elektrické“ a „elektrické energie“, který dělal jejich první vzhled v tisku v Thomas Browne je Pseudodoxia Epidemica 1646.

Další práce v 17. a na počátku 18. století provedli Otto von Guericke , Robert Boyle , Stephen Gray a CF du Fay . Později v 18. století provedl Benjamin Franklin rozsáhlý výzkum elektřiny a prodával svůj majetek za účelem financování své práce. V červnu 1752 je pokládán za připevnění kovového klíče ke spodní části tlumené struny draka a létání draka na obloze ohrožené bouří. Posloupnost jisker skákajících z klíče do hřbetu jeho ruky ukázala, že blesk má skutečně elektrický charakter. Vysvětlil také zjevně paradoxní chování Leydenské nádoby jako zařízení pro skladování velkého množství elektrického náboje, pokud jde o elektřinu sestávající z kladných i záporných nábojů.

Poloviční portrétní olejomalba muže v tmavém obleku
Objevy Michaela Faradaye tvořily základ technologie elektromotorů

V roce 1791 zveřejnil Luigi Galvani svůj objev bioelektromagnetiky , který demonstroval, že elektřina je médium, kterým neurony předávají signály do svalů. Baterie Alessandra Volty nebo hromada galvanických vláken z roku 1800, vyrobená ze střídavých vrstev zinku a mědi, poskytovala vědcům spolehlivější zdroj elektrické energie než dříve používané elektrostatické stroje . Za uznání elektromagnetismu , jednoty elektrických a magnetických jevů, stojí Hans Christian Ørsted a André-Marie Ampère v letech 1819–1820. Michael Faraday vynalezl elektrický motor v roce 1821 a Georg Ohm matematicky analyzoval elektrický obvod v roce 1827. Elektřina a magnetismus (a světlo) byly definitivně spojeny Jamesem Clerkem Maxwellem , zejména v jeho „ On Physical Lines of Force “ v letech 1861 a 1862 .

Zatímco na počátku 19. století došlo v elektrotechnice k rychlému pokroku, na konci 19. století došlo k největšímu pokroku v elektrotechnice . Prostřednictvím lidí jako Alexander Graham Bell , Ottó Bláthy , Thomas Edison , Galileo Ferraris , Oliver Heaviside , Ányos Jedlik , William Thomson, 1. baron Kelvin , Charles Algernon Parsons , Werner von Siemens , Joseph Swan , Reginald Fessenden , Nikola Tesla a George Westinghouse , elektřina se změnila z vědecké zvědavosti na základní nástroj moderního života.

V roce 1887 Heinrich Hertz objevil, že elektrody osvětlené ultrafialovým světlem vytvářejí elektrické jiskry snadněji. V roce 1905 Albert Einstein publikoval článek, který vysvětlil experimentální data z fotoelektrického jevu jako výsledek světelné energie přenášené v diskrétních kvantovaných paketech, energizujících elektrony. Tento objev vedl ke kvantové revoluci. Einstein získal Nobelovu cenu za fyziku v roce 1921 za „objev zákona fotoelektrického jevu“. Fotoelektrický efekt se také používá ve fotobunkách , které lze nalézt na solárních panelech, a to se často používá ke komerční výrobě elektřiny.

Prvním polovodičovým zařízením byl „ detektor kočičích vousů “, který se poprvé používal ve 20. letech 20. století v rádiových přijímačích. Drátek podobný vlásku je umístěn lehce do kontaktu s pevným krystalem (například krystalem germania ), aby detekoval rádiový signál účinkem kontaktního spojení. V polovodičové složce je proud omezen na pevné prvky a sloučeniny navržené speciálně pro jeho přepínání a zesílení. Proudový tok lze chápat ve dvou formách: jako záporně nabité elektrony a jako kladně nabitý nedostatek elektronů nazývaný otvory . Tyto náboje a díry jsou chápány z hlediska kvantové fyziky. Stavební materiál je nejčastěji krystalický polovodič .

Elektronika v pevné fázi si přišla s nástupem technologie tranzistorů . První funkční tranzistor, tranzistor s bodovým kontaktem na bázi germania , vynalezli John Bardeen a Walter Houser Brattain v Bell Labs v roce 1947, následovaný bipolárním spojovacím tranzistorem v roce 1948. Tyto rané tranzistory byly relativně objemné zařízení, které bylo obtížné vyrobit na bázi hromadné výroby . Po nich následoval MOSFET na bázi křemíku (tranzistor s efektem pole-oxid polovodičového pole nebo tranzistor MOS), který vynalezli Mohamed M. Atalla a Dawon Kahng v Bell Labs v roce 1959. Byl to první skutečně kompaktní tranzistor, který mohl být miniaturizovaný a sériově vyráběný pro širokou škálu použití, vedoucí k silikonové revoluci . Polovodičová zařízení začala převládat od 60. let 20. století, kdy došlo k přechodu od elektronek k polovodičovým diodám , tranzistorům, čipům s integrovanými obvody (MOSFET ) a technologii LED ( light-emitting diode ).

Nejběžnějším elektronickým zařízením je MOSFET, který se stal nejrozšířenějším zařízením v historii. Běžná polovodičová zařízení MOS zahrnují mikroprocesorové čipy a polovodičovou paměť . Zvláštním typem polovodičové paměti je flash paměť , která se používá v USB flash disky a mobilní zařízení , jakož i solid-state drive technologie (SSD) mechanicky nahradit rotující magnetický disk pevného disku technologie (HDD).

Koncepty

Elektrický náboj

Kupole z čirého skla má vnější elektrodu, která se spojuje skrz sklo s párem zlatých listů.  Nabitá tyč se dotkne vnější elektrody a způsobí odpuzování listů.
Náboj na elektroskopu se
zlatými listy způsobí, že se listy navzájem viditelně odpuzují

Přítomnost náboje vede k elektrostatické síle: náboje na sebe vyvíjejí sílu , což byl účinek, který byl známý, i když nebyl pochopen, ve starověku. Lehkou kouli zavěšenou na provázku lze nabít dotykem skleněné tyčinky, která byla sama nabitá třením hadříkem. Pokud je podobná koule nabitá stejnou skleněnou tyčinkou, bylo zjištěno, že odpuzuje první: náboj působí tak, že obě koule od sebe odděluje. Dvě koule, které jsou nabité třením jantarové tyče, se také navzájem odpuzují. Pokud je však jedna koule nabitá skleněnou tyčí a druhá jantarovou tyčí, zjistí se, že se obě koule navzájem přitahují. Tyto jevy byly zkoumány na konci osmnáctého století Charles-Augustin de Coulomb , který odvodil, že náboj se projevuje ve dvou protichůdných formách. Tento objev vedl ke známému axiomu: objekty s podobným nábojem odpuzují a objekty s opačným nábojem přitahují .

Síla působí na samotné nabité částice, proto má náboj tendenci se co nejrovnoměrněji šířit po vodivém povrchu. Velikost elektromagnetické síly, ať už přitažlivé nebo odpudivé, je dána Coulombovým zákonem , který spojuje sílu s produktem nábojů a má vztah mezi nimi a druhou mocninou . Elektromagnetická síla je velmi silná, druhá pouze v síle silné interakce , ale na rozdíl od této síly působí na všechny vzdálenosti. Ve srovnání s mnohem slabší gravitační silou je elektromagnetická síla tlačící dva elektrony od sebe 10 42krát větší než gravitační přitažlivost, která je táhne k sobě.

Náboj pochází z určitých typů subatomárních částic , jejichž nejznámějšími nosiči jsou elektron a proton . Elektrický náboj vyvolává a interaguje s elektromagnetickou silou , jednou ze čtyř základních přírodních sil . Experiment ukázal, že náboj je konzervované množství , to znamená, že čistý náboj v elektricky izolovaném systému zůstane vždy konstantní bez ohledu na jakékoli změny, které v tomto systému probíhají. V systému může být náboj přenášen mezi těly, a to buď přímým kontaktem, nebo průchodem vodivým materiálem, jako je drát. Neformální termín statická elektřina označuje čistou přítomnost (nebo „nerovnováhu“) náboje na těle, která je obvykle způsobena třením různých materiálů o sebe a přenos náboje z jednoho do druhého.

Náboj na elektronech a protonech je opačný, takže množství náboje může být vyjádřeno jako záporné nebo kladné. Podle konvence je náboj nesený elektrony považován za negativní a ten za protony pozitivní, což je zvyk, který vznikl prací Benjamina Franklina . Výše poplatku se obvykle označuje symbolem Q a vyjadřuje se v coulombech ; každý elektron nese stejný náboj přibližně −1,6022 × 10 −19  coulomb . Proton má náboj, který je stejný a opačný, a tedy + 1,6022 × 10 −19   coulomb. Poplatek je ovládán nejen hmotou , ale také antihmotou , přičemž každá antičástice nese stejný a opačný náboj než její odpovídající částice.

Poplatek lze měřit mnoha způsoby, přičemž jedním z prvních nástrojů byl elektroskop se zlatými listy , který, přestože se stále používá pro demonstrace ve třídě, byl nahrazen elektronickým elektrometrem .

Elektrický proud

Pohyb elektrického náboje je znám jako elektrický proud , jehož intenzita se obvykle měří v ampérech . Proud může sestávat z jakýchkoli pohybujících se nabitých částic; nejčastěji se jedná o elektrony, ale jakýkoli náboj v pohybu představuje proud. Elektrický proud může protékat některými věcmi, elektrickými vodiči , ale nebude protékat elektrickým izolátorem .

Podle historické konvence je kladný proud definován tak, že má stejný směr toku jako jakýkoli kladný náboj, který obsahuje, nebo protékat z nejpozitivnější části obvodu do nejnegativnější části. Takto definovaný proud se nazývá konvenční proud . Pohyb záporně nabitých elektronů kolem elektrického obvodu , jedné z nejznámějších forem proudu, je tedy považován za pozitivní v opačném směru k pohybu elektronů. V závislosti na podmínkách však může elektrický proud sestávat z toku nabitých částic v obou směrech nebo dokonce v obou směrech najednou. Pro zjednodušení této situace je široce používána konvence pozitivní-negativní.

Dva kovové dráty tvoří obrácený tvar V.  Mezi jejich špičkami proudí oslepující jasně oranžově bílý elektrický oblouk.
Elektrický oblouk poskytuje energickou demonstraci elektrického proudu

Proces, kterým elektrický proud prochází materiálem, se nazývá elektrické vedení a jeho povaha se mění s povahou nabitých částic a materiálu, kterým procházejí. Mezi příklady elektrických proudů patří kovové vedení, kde elektrony protékají vodičem, jako je kov, a elektrolýza , kde ionty (nabité atomy ) protékají kapalinami nebo plazmatem, jako jsou elektrické jiskry. Zatímco samotné částice se mohou pohybovat poměrně pomalu, někdy s průměrnou rychlostí driftu jen zlomky milimetru za sekundu, elektrické pole, které je pohání, se šíří rychlostí blízkou rychlosti světla , což umožňuje elektrickým signálům rychle procházet dráty.

Proud způsobuje několik pozorovatelných efektů, které historicky byly prostředkem k rozpoznání jeho přítomnosti. Že voda mohla být rozložena proudem z galvanické hromady, objevili Nicholson a Carlisle v roce 1800, což je proces nyní známý jako elektrolýza . Jejich práci výrazně rozšířil Michael Faraday v roce 1833. Proud způsobený odporem způsoboval lokalizované topení, což byl efekt, který James Prescott Joule matematicky studoval v roce 1840. Jeden z nejdůležitějších objevů týkajících se proudu náhodně učinil Hans Christian Ørsted v roce 1820, kdy , když připravoval přednášku, byl svědkem proudu v drátu, který rušil jehlu magnetického kompasu. Objevil elektromagnetismus , základní interakci mezi elektřinou a magnetikou. Úroveň elektromagnetických emisí generovaných elektrickým obloukem je dostatečně vysoká, aby způsobila elektromagnetické rušení , které může být škodlivé pro fungování sousedních zařízení.

Ve strojírenských nebo domácích aplikacích je proud často popisován jako buď stejnosměrný (DC), nebo střídavý (AC). Tyto pojmy označují, jak se proud mění v čase. Stejnosměrný proud, který je vytvářen například z baterie a je vyžadován většinou elektronických zařízení, je jednosměrný tok z kladné části obvodu do záporné. Pokud je tento tok, jak je nejběžnější, nesen elektrony, budou cestovat opačným směrem. Střídavý proud je jakýkoli proud, který opakovaně obrací směr; téměř vždy to má podobu sinusové vlny . Střídavý proud tak pulzuje tam a zpět ve vodiči, aniž by se náboj v průběhu času pohyboval po čisté vzdálenosti. Časově zprůměrovaná hodnota střídavého proudu je nula, ale dodává energii v prvním jednom směru a poté v opačném směru. Střídavý proud je ovlivňován elektrickými vlastnostmi, které nejsou pozorovány v ustáleném stavu stejnosměrného proudu, jako je indukčnost a kapacita . Tyto vlastnosti se však mohou stát důležitými, když jsou obvody vystaveny přechodným jevům , například při prvním zapnutí.

Elektrické pole

Koncept elektrického pole představil Michael Faraday . Elektrické pole je vytvářeno nabitým tělesem v prostoru, který jej obklopuje, a vede k síle vyvíjené na jakékoli další náboje umístěné v poli. Elektrické pole působí mezi dvěma náboji podobným způsobem, jakým gravitační pole působí mezi dvěma hmotami a podobně se rozprostírá směrem k nekonečnu a vykazuje inverzní čtvercový vztah se vzdáleností. Existuje však důležitý rozdíl. Gravitace vždy působí přitažlivě, přitahuje dvě hmoty k sobě, zatímco elektrické pole může mít za následek přitažlivost nebo odpor. Jelikož velká tělesa, jako jsou planety, obvykle nemají žádný síťový náboj, je elektrické pole na dálku obvykle nulové. Gravitace je tedy dominantní silou na dálku ve vesmíru, přestože je mnohem slabší.

Siločáry vycházející z kladného náboje nad rovinným vodičem

Elektrické pole se obecně v prostoru mění a jeho síla v kterémkoli jednom bodě je definována jako síla (na jednotku náboje), kterou by pocítil stacionární zanedbatelný náboj, pokud by byl umístěn v tomto bodě. Koncepční náboj, nazývaný „ testovací náboj “, musí být mizivě malý, aby zabránil tomu, aby jeho vlastní elektrické pole rušilo hlavní pole, a musí být také stacionární, aby zabránil působení magnetických polí . Vzhledem k tomu, elektrické pole je definována z hlediska síly a síly je vektor , který má jak velikost a směr , tak to znamená, že elektrické pole je vektorové pole .

Studium elektrických polí vytvářených stacionárními náboji se nazývá elektrostatika . Pole lze vizualizovat pomocí sady imaginárních čar, jejichž směr v kterémkoli bodě je stejný jako směr pole. Tento koncept představil Faraday, jehož termín „ silové linie “ stále někdy vidí použití. Polní čáry jsou cesty, které by bodový kladný náboj hledal, protože byl nucen se pohybovat v poli; jsou však imaginárním konceptem bez fyzické existence a pole prostupuje celým mezilehlým prostorem mezi řádky. Siločáry vycházející ze stacionárních nábojů mají několik klíčových vlastností: zaprvé, že vznikají kladnými náboji a končí zápornými náboji; zadruhé, že musí vstoupit do jakéhokoli dobrého dirigenta v pravém úhlu, a zatřetí, že se nikdy nemohou křížit ani se blížit k sobě.

Duté vodivé těleso nese veškerý svůj náboj na svém vnějším povrchu. Pole je tedy na všech místech uvnitř těla nulové. Toto je provozní princip Faradayovy klece , vodivé kovové skořepiny, která izoluje její vnitřek od vnějších elektrických účinků.

Při navrhování prvků vysokonapěťového zařízení jsou důležité zásady elektrostatiky . Existuje intenzita elektrického pole, kterou může jakékoli médium odolat. Za tímto bodem dojde k elektrickému rozbití a elektrický oblouk způsobí přeskakování mezi nabitými částmi. Například vzduch má tendenci k oblouku přes malé mezery při síle elektrického pole, která překračuje 30 kV na centimetr. Na větších mezerách je jeho průrazová pevnost slabší, asi 1 kV na centimetr. Nejviditelnějším přirozeným výskytem je blesk , který je způsoben oddělováním náboje v oblacích stoupajícími sloupci vzduchu a zvyšuje elektrické pole ve vzduchu na větší úroveň, než vydrží. Napětí velkého mraku blesku může být až 100 MV a má výbojovou energii až 250 kWh.

Intenzita pole je velmi ovlivněna blízkými vodivými objekty a je obzvláště intenzivní, když je nucena křivit kolem ostře špičatých objektů. Tento princip je využíván v hromosvodu , jehož ostrý hrot působí spíše na to, aby se tam vyvinul úder blesku, než na budovu, která slouží k ochraně

Elektrický potenciál

Dvě AA baterie mají na jednom konci znaménko plus.
Dvojice AA buněk . Znaménko + označuje polaritu potenciálního rozdílu mezi svorkami baterie.

Koncept elektrického potenciálu je úzce spojen s konceptem elektrického pole. Malý náboj umístěný v elektrickém poli zažívá sílu a přivést tento náboj do tohoto bodu proti síle vyžaduje práci . Elektrický potenciál v kterémkoli bodě je definován jako energie potřebná k pomalému přivedení jednotkového zkušebního náboje z nekonečné vzdálenosti do tohoto bodu. Obvykle se měří ve voltech a jeden volt je potenciál, pro který musí být vynaložena jedna joule práce, aby se z nekonečna dostal náboj jednoho coulomba . Tato definice potenciálu, i když je formální, má malou praktickou aplikaci a užitečnějším konceptem je rozdíl elektrických potenciálů a je to energie potřebná k pohybu jednotkového náboje mezi dvěma specifikovanými body. Elektrické pole má zvláštní vlastnost, že je konzervativní , což znamená, že dráha zkoušeného náboje je irelevantní: všechny dráhy mezi dvěma určenými body spotřebovávají stejnou energii, a proto lze uvést jedinečnou hodnotu rozdílu potenciálu. Volt je tak silně identifikován jako jednotka volby pro měření a popis rozdílu elektrického potenciálu, že termín napětí vidí větší každodenní použití.

Z praktických důvodů je užitečné definovat společný referenční bod, ke kterému lze potenciály vyjádřit a porovnat. I když by to mohlo být v nekonečnu, mnohem užitečnějším odkazem je samotná Země , u které se předpokládá, že má stejný potenciál všude. Tento referenční bod přirozeně přebírá název Země nebo Země . Země se považuje za nekonečný zdroj stejného množství kladného a záporného náboje, a proto je elektricky nenabitá - a nenabíjecí.

Elektrický potenciál je skalární veličina , to znamená, že má pouze velikost a ne směr. Lze to považovat za analogické s výškou : stejně jako uvolněný objekt propadne rozdílem výšek způsobeným gravitačním polem, tak náboj „spadne“ přes napětí způsobené elektrickým polem. Vzhledem k tomu, že reliéfní mapy zobrazují obrysové čáry označující body stejné výšky, lze kolem elektrostaticky nabitého objektu nakreslit sadu čar označujících body se stejným potenciálem (známé jako ekvipotenciály ). Ekvipotenciály protínají všechny silové linie v pravých úhlech. Musí také ležet rovnoběžně s povrchem vodiče , jinak by to vyprodukovalo sílu, která posune nosiče náboje dokonce na potenciál povrchu.

Elektrické pole bylo formálně definováno jako síla vyvíjená na jednotku náboje, ale koncept potenciálu umožňuje užitečnější a ekvivalentnější definici: elektrické pole je lokální gradient elektrického potenciálu. Směr vektoru pole je obvykle vyjádřen ve voltech na metr a je přímkou ​​největšího sklonu potenciálu a kde ekvipotenciály leží nejblíže k sobě.

Elektromagnety

Drát vede proud směrem ke čtečce.  Soustředné kruhy představující kruh magnetického pole proti směru hodinových ručiček kolem drátu, při pohledu čtenářem.
Kruhy magnetického pole kolem proudu

Ørstedův objev v roce 1821, že magnetické pole existuje kolem všech stran drátu nesoucího elektrický proud, naznačuje, že existuje přímý vztah mezi elektřinou a magnetismem. Interakce se navíc zdála odlišná od gravitačních a elektrostatických sil, tedy dvou známých přírodních sil. Síla působící na jehlu kompasu ji nesměřovala k nebo od drátu nesoucího proud, ale působila na něj kolmo. Ørstedova slova byla, že „elektrický konflikt působí otáčivě“. Síla také závisela na směru proudu, protože pokud byl tok obrácen, pak síla také.

Ørsted svému objevu úplně nerozuměl, ale všiml si, že účinek je vzájemný: proud vyvíjí sílu na magnet a magnetické pole vyvíjí sílu na proud. Tento jev dále zkoumal Ampère , který zjistil, že dva paralelní vodiče vedoucí proud vyvíjely na sebe sílu: dva vodiče vedoucí proudy ve stejném směru jsou navzájem přitahovány, zatímco vodiče obsahující proudy v opačných směrech jsou od sebe oddělovány. Interakce je zprostředkována magnetickým polem, které produkuje každý proud, a tvoří základ pro mezinárodní definici ampéru .

Výřezový diagram malého elektrického motoru
Elektromotor využívá důležitý účinek elektromagnetismu: proud procházející magnetickým polem prožívá sílu kolmou k poli i proudu

Tento vztah mezi magnetickými poli a proudy je nesmírně důležitý, protože vedl k objevu elektromotoru Michaela Faradaye v roce 1821. Faradayův homopolární motor sestával z permanentního magnetu, který seděl v kaluži rtuti . Proud byl povolen drátem zavěšeným na otočném čepu nad magnetem a ponořen do rtuti. Magnet vyvíjel tangenciální sílu na drát, takže po dobu, kdy byl udržován proud, kroužil kolem magnetu.

Experimenty provedené Faradayem v roce 1831 odhalily, že drát pohybující se kolmo na magnetické pole vytvořil mezi svými konci potenciální rozdíl. Další analýza tohoto procesu, známého jako elektromagnetická indukce , mu umožnila uvést princip, nyní známý jako Faradayův zákon indukce , že potenciální rozdíl indukovaný v uzavřeném obvodu je úměrný rychlosti změny magnetického toku smyčkou. Využití tohoto objevu mu umožnilo vyvinout první elektrický generátor v roce 1831, ve kterém přeměnil mechanickou energii rotujícího měděného disku na elektrickou energii. Faradayův disk byl neúčinný a nepoužitelný jako praktický generátor, ale ukazoval možnost generování elektrické energie pomocí magnetismu, což je možnost, kterou by převzali ti, kteří navázali na jeho práci.

Elektrochemie

Italský fyzik Alessandro Volta ukazuje jeho baterie pro francouzský císař Napoleon Bonaparte na počátku 19. století.

Schopnost chemických reakcí vyrábět elektřinu a naopak schopnost elektřiny řídit chemické reakce má širokou škálu použití.

Elektrochemie byla vždy důležitou součástí elektřiny. Od počátečního vynálezu hromady Voltaic se elektrochemické články vyvinuly v mnoho různých typů baterií, galvanických a elektrolýzních článků. Hliník se tímto způsobem vyrábí ve velkém množství a mnoho přenosných zařízení je elektricky napájeno pomocí dobíjecích článků.

Elektrické obvody

Základní elektrický obvod . Zdroj napětí V na levé řídí proud I po celém obvodu, dodává elektrickou energii do odporu R . Z odporu se proud vrací ke zdroji a dokončí obvod.

Elektrický obvod je vzájemné propojení elektrických součástí, takže elektrický náboj proudí po uzavřené dráze (obvodu), obvykle za účelem provedení nějakého užitečného úkolu.

Komponenty v elektrickém obvodu mohou mít mnoho forem, které mohou zahrnovat prvky, jako jsou rezistory , kondenzátory , spínače , transformátory a elektronika . Elektronické obvody obsahují aktivní součásti , obvykle polovodiče , a obvykle vykazují nelineární chování, což vyžaduje komplexní analýzu. Nejjednodušší elektrické komponenty jsou ty, které se nazývají pasivní a lineární : mohou sice dočasně ukládat energii, ale neobsahují žádné její zdroje a vykazují lineární odezvu na podněty.

Odpor je možná nejjednodušší pasivních obvodových prvků: jak již název napovídá, že odolává proud přes to, pohlcovat energii ve formě tepla. Odpor je důsledkem pohybu náboje vodičem: například v kovech je odpor primárně způsoben kolizemi mezi elektrony a ionty. Ohmův zákon je základní zákon teorie obvodů , který uvádí, že proud procházející odporem je přímo úměrný rozdílu potenciálů napříč ním. Odpor většiny materiálů je v celém rozsahu teplot a proudů relativně konstantní; materiály za těchto podmínek jsou známé jako „ohmické“. Ohm , jednotka odporu, byl pojmenován na počest Georg Ohm , a je symbolizován řeckým písmenem w. 1 Ω je odpor, který způsobí rozdíl potenciálů jednoho voltu v reakci na proud jednoho zesilovače.

Kondenzátor je vývoj Leyden sklenice a je zařízení, které je možné uložit náboj, a tím i uložení elektrické energie ve výsledné pole. Skládá se ze dvou vodivých desek oddělených tenkou izolační dielektrickou vrstvou; v praxi jsou tenké kovové fólie stočeny dohromady, čímž se zvyšuje povrchová plocha na jednotku objemu a tím i kapacita . Jednotkou kapacity je farad , pojmenovaný podle Michaela Faradaye , a daný symbolem F : jedna farad je kapacita, která vyvine potenciální rozdíl jednoho voltu, když uloží náboj jednoho coulombu. Kondenzátor připojený ke zdroji napětí zpočátku způsobuje proud, protože akumuluje náboj; tento proud se však bude časem rozpadat, jak se kondenzátor plní, a nakonec klesne na nulu. Kondenzátor proto neumožňuje ustálený proud, ale blokuje ho.

Induktor je vodič, obvykle cívka drátu, která ukládá energie v magnetickém poli v reakci na proud přes něj. Při změně proudu se mění také magnetické pole, které indukuje napětí mezi konci vodiče. Indukované napětí je úměrné časové rychlosti změny proudu. Konstanta proporcionality se nazývá indukčnost . Jednotkou indukčnosti je henry , pojmenoval podle Josepha Henryho , současník Faraday. Jeden Henry je indukčnost, která indukuje potenciální rozdíl jednoho voltu, pokud se jeho proud mění rychlostí jednoho ampéru za sekundu. Chování induktoru je v některých ohledech obráceno k chování kondenzátoru: bude volně umožňovat neměnný proud, ale postaví se proti rychle se měnícímu.

Elektrická energie

Elektrická energie je rychlost, při které elektrické energie je přenášena pomocí elektrického obvodu . SI jednotka síly je W , jeden joule za sekundu .

Elektrické energie, jako je mechanické energie , je míra dělá práci , měřeno ve wattech , a reprezentovaný písmenem P . Termín příkon se hovorově používá k označení „elektrická energie ve wattech“. Elektrická energie ve wattech produkovaná elektrickým proudem I skládající se z náboje Q coulombů každých t sekund procházejících rozdílem elektrického potenciálu ( napětí ) V je

kde

Q je elektrický náboj v coulombech
t je čas v sekundách
I je elektrický proud v ampérech
V je elektrický potenciál nebo napětí ve voltech

Výroba elektřiny se často provádí pomocí elektrických generátorů , ale lze ji také dodávat z chemických zdrojů, jako jsou elektrické baterie, nebo jinými prostředky z nejrůznějších zdrojů energie. Elektrická energie je obecně dodávána podnikům a domácnostem v odvětví elektrické energie . Elektřina se obvykle prodává v kilowatthodině (3,6 MJ), což je produkt energie v kilowattech vynásobený dobou provozu v hodinách. Elektrické společnosti měří energii pomocí elektroměrů , které udržují průběžný součet elektrické energie dodávané zákazníkovi. Na rozdíl od fosilních paliv je elektřina formou energie s nízkou entropií a může být s vysokou účinností přeměněna na pohyb nebo mnoho dalších forem energie.

Elektronika

Elektronické součástky pro
povrchovou montáž

Elektronika se zabývá elektrickými obvody, které zahrnují aktivní elektrické součásti, jako jsou vakuové trubice , tranzistory , diody , optoelektronika , senzory a integrované obvody , a související technologie pasivního propojení. Nelineární chování aktivních složek a jejich schopností kontrolovat elektronu toků činí zesílení slabých signálů možných a elektroniky je široce používán v zpracování informací , telekomunikace a zpracování signálu . Schopnost elektronických zařízení fungovat jako přepínače umožňuje digitální zpracování informací. Technologie propojení, jako jsou desky s plošnými spoji , technologie balení elektroniky a další rozmanité formy komunikační infrastruktury, doplňují funkčnost obvodu a transformují smíšené komponenty do běžného funkčního systému .

Dnes většina elektronických zařízení používá k řízení elektronů polovodičové komponenty. Studium polovodičových součástek a související technologie je považováno za obor fyziky pevných látek , zatímco návrh a konstrukce elektronických obvodů pro řešení praktických problémů spadá pod elektroniku .

Elektromagnetická vlna

Faradayova a Ampereova práce ukázaly, že časově proměnné magnetické pole působilo jako zdroj elektrického pole a časově proměnlivé elektrické pole bylo zdrojem magnetického pole. Když se tedy jedno pole mění v čase, je nutně indukováno pole druhého. Takový jev má vlastnosti vlny a přirozeně se označuje jako elektromagnetická vlna . Elektromagnetické vlny byly teoreticky analyzovány Jamesem Clerkem Maxwellem v roce 1864. Maxwell vyvinul sadu rovnic, které by mohly jednoznačně popsat vzájemný vztah mezi elektrickým polem, magnetickým polem, elektrickým nábojem a elektrickým proudem. Navíc mohl dokázat, že taková vlna by nutně cestovala rychlostí světla , a tak samotné světlo bylo formou elektromagnetického záření. Maxwellovy zákony , které sjednocují světlo, pole a náboj, jsou jedním z největších milníků teoretické fyziky.

Práce mnoha vědců tedy umožnila použití elektroniky k převodu signálů na vysokofrekvenční oscilační proudy a prostřednictvím vhodně tvarovaných vodičů umožňuje elektřina přenos a příjem těchto signálů rádiovými vlnami na velmi dlouhé vzdálenosti.

Výroba a použití

Výroba a přenos

Alternátor z počátku 20. století vyrobený v Budapešti v Maďarsku v hale pro výrobu elektřiny z vodní elektrárny (fotografie Prokudina-Gorského , 1905–1915).

V 6. století před naším letopočtem experimentoval řecký filozof Thales z Milétu na jantarových prutech a tyto experimenty byly prvními studiemi výroby elektrické energie. Zatímco tato metoda, nyní známá jako triboelektrický efekt , dokáže zvedat světelné objekty a generovat jiskry, je extrémně neúčinná. Teprve vynález galvanické hromady v osmnáctém století přinesl životaschopný zdroj elektřiny. Elektrický akumulátor a jeho moderní potomek, elektrická baterie , chemicky ukládají energii a na požádání ji dodávají ve formě elektrické energie. Baterie je všestranný a velmi běžný zdroj energie, který je ideální pro mnoho aplikací, ale její skladování energie je omezené a po vybití je třeba ji zlikvidovat nebo dobít. U velkých elektrických požadavků musí být elektrická energie generována a přenášena nepřetržitě po vodivých přenosových vedeních.

Elektrická energie je obvykle generována elektromechanickými generátory poháněnými párou produkovanou spalováním fosilních paliv nebo teplem uvolněným z jaderných reakcí; nebo z jiných zdrojů, jako je kinetická energie extrahovaná z větru nebo tekoucí vody. Moderní parní turbína, kterou vynalezl Sir Charles Parsons v roce 1884, dnes vyrábí přibližně 80 procent elektrické energie na světě pomocí různých zdrojů tepla. Takové generátory se nijak nepodobají Faradayovu generátoru homopolárních disků z roku 1831, ale stále se spoléhají na jeho elektromagnetický princip, že vodič spojující měnící se magnetické pole indukuje na svých koncích potenciální rozdíl. Vynález transformátoru na konci devatenáctého století znamenal, že elektrická energie mohla být přenášena efektivněji při vyšším napětí, ale při nižším proudu. Efektivní elektrický přenos zase znamenal, že elektřina mohla být vyráběna v centralizovaných elektrárnách , kde těží z úspor z rozsahu , a poté mohla být odeslána na dlouhé vzdálenosti tam, kde byla potřeba.

Větrná farma asi tuctu bílých větrných turbín se třemi lopatkami.
Větrná energie má v mnoha zemích stále větší význam

Vzhledem k tomu, že elektrickou energii nelze snadno skladovat v dostatečně velkém množství, aby splňovalo požadavky v celostátním měřítku, je vždy třeba vyrobit přesně tolik, kolik je potřeba. To vyžaduje, aby energetické společnosti prováděly pečlivé předpovědi svých elektrických zátěží a udržovaly stálou koordinaci se svými elektrárnami. Určité množství generace musí být vždy udržováno v rezervě, aby se tlumila elektrická síť proti nevyhnutelným poruchám a ztrátám.

Poptávka po elektřině roste velmi rychle, jak se národ modernizuje a jeho ekonomika se vyvíjí. Spojené státy vykázaly 12% nárůst poptávky během každého roku v prvních třech desetiletích dvacátého století, což je tempo růstu, které nyní zažívají rozvíjející se ekonomiky, jako jsou ekonomiky Indie nebo Číny. Historicky míra růstu poptávky po elektřině předstihla růst u jiných forem energie.

Problémy životního prostředí s výrobou elektřiny vedly ke zvýšenému zaměření na výrobu z obnovitelných zdrojů , zejména z větru a sluneční energie . I když lze očekávat pokračování debaty o dopadu různých způsobů výroby elektřiny na životní prostředí, jeho konečná podoba je relativně čistá.

Aplikace

Žárovka , časný aplikace elektřiny, pracuje tak, že Jouleova ohřevu : průchod proudu přes odpor generující teplo

Elektřina je velmi pohodlný způsob přenosu energie a byla přizpůsobena obrovskému a rostoucímu počtu použití. Vynález praktické žárovky v 70. letech 19. století vedl k tomu, že se osvětlení stalo jednou z prvních veřejně dostupných aplikací elektrické energie. Ačkoli elektrifikace s sebou přinesla svá vlastní nebezpečí, nahrazení otevřeného ohně plynového osvětlení výrazně snížilo nebezpečí požáru v domácnostech a továrnách. V mnoha městech byly zřízeny veřejné služby zaměřené na rostoucí trh s elektrickým osvětlením. Na konci 20. století a v moderní době začal trend proudit směrem k deregulaci v odvětví elektrické energie.

Rezistivní Jouleův ohřívací efekt používaný u žárovek s vlákny také vidí přímější použití v elektrickém ohřevu . I když je to všestranné a kontrolovatelné, lze to považovat za plýtvání, protože většina výroby elektřiny již vyžadovala výrobu tepla v elektrárně. Řada zemí, jako je Dánsko, vydala legislativu omezující nebo zakazující použití odporového elektrického vytápění v nových budovách. Elektřina je však stále velmi praktickým zdrojem energie pro vytápění a chlazení , přičemž klimatizace / tepelná čerpadla představují rostoucí odvětví poptávky po elektřině pro vytápění a chlazení, jehož důsledky jsou stále více povinny zvládat energetické společnosti.

Elektřina se používá v telekomunikacích a elektrický telegraf , který komerčně předvedli v roce 1837 Cooke a Wheatstone , byl jednou z jeho prvních aplikací. S výstavbou prvních transkontinentálních a poté transatlantických telegrafních systémů v 60. letech 19. století umožnila elektřina komunikaci během několika minut po celém světě. Optická vlákna a satelitní komunikace se podílely na trhu komunikačních systémů, lze však očekávat, že elektřina zůstane podstatnou součástí procesu.

Účinky elektromagnetismu jsou nejviditelněji využívány v elektromotoru , který poskytuje čistý a efektivní prostředek k pohonu. Stacionární motor, jako je naviják, lze snadno opatřit napájecím zdrojem, ale motor, který se pohybuje se svou aplikací, jako je například elektrické vozidlo , je povinen nést zdroj energie, jako je baterie, nebo odebírat proud z posuvný kontakt, jako je pantograf . Ve veřejné dopravě se používají elektricky poháněná vozidla, jako jsou elektrické autobusy a vlaky, a stále větší počet elektromobilů na baterie v soukromém vlastnictví.

Elektronická zařízení využívají tranzistor , možná jeden z nejdůležitějších vynálezů dvacátého století a základní stavební kámen všech moderních obvodů. Moderní integrovaný obvod může obsahovat několik miliard miniaturizovaných tranzistorů v oblasti jen několik centimetrů čtverečních.

Elektřina a přírodní svět

Fyziologické účinky

Napětí aplikované na lidské tělo způsobuje elektrický proud tkáními, a ačkoli vztah je nelineární, čím větší je napětí, tím větší je proud. Prahová hodnota pro vnímání se mění s napájecí frekvencí a s dráhou proudu, ale je asi 0,1 mA až 1 mA pro síťovou frekvenci, i když za určitých podmínek lze detekovat proud tak nízký jako mikroampér jako elektrovibrační efekt. Pokud je proud dostatečně vysoký, způsobí to kontrakci svalů, fibrilaci srdce a popáleniny tkání . Nedostatek viditelných známek, že je vodič elektrifikován, činí elektřinu zvláštním nebezpečím. Bolest způsobená úrazem elektrickým proudem může být intenzivní, což občas vede k elektřině, která se používá jako metoda mučení . Smrt způsobená úrazem elektrickým proudem je označován jako elektrickým proudem . Úraz elektrickým proudem je v některých jurisdikcích stále prostředkem soudního výkonu , ačkoli jeho použití se v poslední době stalo vzácnějším.

Elektrické jevy v přírodě

Elektrický úhoř, Electrophorus electricus

Elektřina není lidský vynález a lze ji v přírodě pozorovat v několika formách, jejichž prominentním projevem je blesk . Mnoho interakcí známých na makroskopické úrovni, jako je dotyk , tření nebo chemická vazba , je způsobeno interakcemi mezi elektrickými poli v atomovém měřítku. Předpokládá se, že magnetické pole Země pochází z přirozeného dynama cirkulujících proudů v jádru planety. Určité krystaly, jako je křemen , nebo dokonce cukr , vytvářejí potenciální rozdíl mezi jejich tvářemi, když jsou vystaveny vnějšímu tlaku. Tento jev je známý jako piezoelektřina z řeckého piezeinu (πιέζειν), což znamená tisk, a byl objeven v roce 1880 Pierrem a Jacquesem Curiem . Efekt je vzájemný a když je piezoelektrický materiál vystaven elektrickému poli, dochází k malé změně fyzikálních rozměrů.

§Bioelektrogeneze v mikrobiálním životě je prominentním jevem v ekologii půd a sedimentů, který je výsledkem anaerobního dýchání . Tyto mikrobiální palivových článků napodobuje tuto všudypřítomný přírodní jev.

Některé organismy, jako jsou žraloci , jsou schopné detekovat a reagovat na změny v elektrických polích, což je schopnost známá jako elektrorecepce , zatímco jiné, nazývané elektrogenní , jsou schopny samy generovat napětí, které slouží jako dravá nebo obranná zbraň. Řád Gymnotiformes , jehož nejznámějším příkladem je úhoř elektrický , detekuje nebo omráčí svou kořist pomocí vysokého napětí generovaného z modifikovaných svalových buněk zvaných elektrocyty . Všechna zvířata přenášejí informace podél svých buněčných membrán napěťovými impulsy zvanými akční potenciály , jejichž funkce zahrnují komunikaci nervového systému mezi neurony a svaly . Elektrický šok stimuluje tento systém a způsobuje kontrakci svalů. Akční potenciály jsou také zodpovědné za koordinaci činností v určitých závodech.

Kulturní vnímání

V roce 1850 se William Gladstone zeptal vědce Michaela Faradaye, proč je elektřina cenná. Faraday odpověděl: "Jednoho dne, pane, můžete to zdanit."

V 19. a na počátku 20. století nebyla elektřina součástí každodenního života mnoha lidí, dokonce ani v industrializovaném západním světě . Populární kultura času podle toho často líčen jako tajemné, kvazi-kouzelné síly, která může zabít život, oživit mrtvé ani jinak ohýbat zákony přírody. Tento postoj začal experimenty Luigiho Galvaniho z roku 1771, ve kterých se ukázalo, že nohy mrtvých žab se trhají při použití zvířecí elektřiny . Krátce po Galvaniho práci byla v lékařské literatuře uvedena „revitalizace“ nebo resuscitace zjevně mrtvých nebo utopených osob. O těchto výsledcích věděla Mary Shelleyová, když napsala knihu Frankenstein (1819), ačkoli metodu revitalizace monstra nepojmenuje. Oživení příšer pomocí elektřiny se později stalo základním tématem hororových filmů.

Vzhledem k tomu, že veřejné povědomí o elektřině, které bylo zdrojem druhé průmyslové revoluce, rostlo, její vládci byli častěji vrháni do pozitivního světla, jako například dělníci, kteří „kousají prsty na konci svých rukavic, když skládají a odpuzují živé dráty“ v Báseň Rudyarda Kiplinga z roku 1907 Synové Marty . Elektricky poháněná vozidla všeho druhu se vyznačovala velkými dobrodružnými příběhy, jako jsou knihy Julesa Verna a knihy Toma Swifta . Mistři elektřiny, ať už fiktivní nebo skuteční - včetně vědců jako Thomas Edison , Charles Steinmetz nebo Nikola Tesla - byli populárně koncipováni jako čarodějníci.

Vzhledem k tomu, že elektřina přestala být ve druhé polovině 20. století novinkou a stala se nezbytností každodenního života, vyžadovala zvláštní pozornost populární kultury až poté, co přestala proudit, což je událost, která obvykle signalizuje katastrofu. Lidé, kteří to udržují v chodu , například bezejmenný hrdina písně Jimmyho WebbaWichita Lineman “ (1968), jsou stále často považováni za hrdinské postavy podobné čarodějům.

Viz také

Poznámky

Reference

externí odkazy