Электри́чество (от лат. electricus, далее из др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь) — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Электричество тесно связано с магнетизмом, и они являются частью фундаментального явления электромагнетизма, описываемого уравнениями Максвелла. Множество широко распространённых явлений связаны с электричеством, включая молнии, статическое электричество, электрический нагрев проводника и многие другие. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гильбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие веществаСпиридонов О. П. «Универсальные физические постоянные», М., «Просвещение», 1984, с. 52, ББК 22.3 С72.
Наличие электрического заряда, положительного либо отрицательного, создаёт электрическое поле. Движение носителей электрического заряда представляет собой электрический ток и порождает магнитное поле. В большинстве случаев сила, действующая на электрически заряженную частицу, определяется законом Кулона. Электрическое напряжение — это работа, совершаемая по перемещению электрического заряда из одной точки в другую внутри электрического поля; обычно оно измеряется в вольтах.
Электричество играет центральную роль во многих современных технологиях. Оно используется в электроэнергетике, где электрический ток применяется для питания оборудования; и в электронике, имеющей дело с электрическими цепями, включающими активные компоненты (такие как полупроводники, транзисторы, диоды и интегральные схемы), а также связанные с ними технологии пассивного соединения.
Изучение явлений, связанных с электричеством, началось в античности. Постепенное теоретическое описание электричества велось вплоть до XVII — XVIII веков. Развитие теории электромагнетизма в XIX веке открыло возможность применения электричества в промышленных и жилых целях к концу века. Стремительное развитие электрических технологий стало одной из основных движущих сил второй промышленной революции, что привело к значительным изменениям в жизни общества и промышленности. Электричество является незаменимой частью инфраструктуры, освещения, коммуникаций и вычислений, что делает его основой современного общества. История
Древность
Задолго до того, как появились какие-либо знания об электричестве, люди знали о свойствах электрических рыб. Древнеегипетские тексты, датируемые 2750 годом до н. э., упоминают этих рыб как «Громовержцев Нила» и описывают их как «защитников» всех других рыб. Тысячелетия спустя об электрических рыбах вновь сообщали древнегреческие, римские и арабские естествоиспытатели и врачи. Некоторые древние писатели, такие как Плиний Старший и Скрибоний Ларг, свидетельствовали о парализующем действии электрических разрядов, производимых электрическими сомами и электрическими скатами, и знали, что такие разряды могут перемещаться вдоль проводящих объектовBullock, Theodore H. (2005), Electroreception, Springer, pp. 5—7, ISBN 978-0-387-23192-1. Пациентам, страдающим от таких недугов, как подагра или головная боль, предписывалось дотрагиваться до электрических рыб — в надежде, что мощный разряд излечит ихMorris, Simon C. (2003), Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe, Cambridge University Press, pp. 182–85, ISBN 0-521-82704-3.
Древние культуры Средиземноморья знали, что некоторые предметы, такие как янтарные палочки, можно натереть кошачьим мехом, чтобы привлечь лёгкие предметы, такие как перья. Фалес Милетский сделал ряд наблюдений статического электричества около 600 г. до н. э., из которых он заключил, что трение делает янтарь магнитным — в отличие от минералов, таких как магнетит, которые не нуждаются в натирании. Фалес был неправ, полагая, что притяжение вызвано магнитным эффектом, но позже наука докажет связь между магнетизмом и электричеством.
Долгое время знание об электричестве не шло дальше подобных представлений. Хотя и существует основанная на открытии в 1936 году так называемой багдадской батареи полемическая теория, предполагающая использование гальванических элементов ещё в древности, однако неясно, был ли упомянутый артефакт электрическим по своей природе.
Теоретические описания В 1600 году Уильям Гилберт ввёл в обращение сам термин электричество («янтарность», от : [электрон] — янтарь), а в 1663 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. Исаак Ньютон проводил ранние исследования электричества. Одна из его идей, изложенная в книге «Оптика», по сути, положила начало теории поля электрической силы.
В 1729 году англичанин Стивен Грей провёл опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества, стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть. В 1745 году голландец Питер ван Мушенбрук создаёт первый электрический конденсатор — Лейденскую банку. Примерно в эти же годы работы по изучению атмосферного электричества вели и русские учёные — Г. В. Рихман и .
Первую теорию электричества создаёт американец Бенджамин Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения с электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году закона Кулона. В 1775 году Хью Уильямсон провёл серию экспериментов с электрическими разрядами электрических угрей. В том же году хирург Джон Хантер описал электрические органы угрей, создающие электрические разряды. Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных («животное электричество»). Открытие Гальвани доказало, что сигналы в нейронах передаются путём электричества.
Алессандро Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока — Вольтов столб, гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 году Василий Петров обнаружил вольтову дугу. С этого открытия русского учёного началась история электрической лампочки или лампы накаливания.
В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Георг Ом математически анализировал и описал электрические цепи, выведя закон Ома в 1826 году. Работы Джоуля, Ленца и Ома расширили научное понимание электричества.
Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создаёт на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привёл Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы — частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами», — утверждает он. Исследования электролиза, сделанные Фарадеем, сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволока с током, вращающаяся вокруг магнита.
Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка британским (шотландским) физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 году.
Индустриальное время В конце XIX века был сделан значительный прогресс в области электротехники. Благодаря работам таких учёных, как Александр Белл, Лорд Кельвин, Томас Эдисон, Никола Тесла и множества других, электричество из научной диковинки превратилось в незаменимый инструмент для индустриального общества. Основной вклад в России в области применения электричества и создания электрических источников освещения внесли русские инженеры Павел Николаевич Яблочков и Александр Николаевич Лодыгин.
Лодыгин после долгих экспериментов создал «Товарищество электрического освещения Лодыгин и компания» и в 1873 году продемонстрировал лампы накаливания своей системы. Академия наук присвоила Лодыгину Ломоносовскую премию за то, что его изобретение приводит к «полезным, важным и новым практическим применениям». Тогда же собственную конструкцию лампы параллельно разрабатывал Павел Яблочков. В 1876 году он получил патент за лампочку своей системы, которая получила название «свеча Яблочкова». После грандиозного успеха свечи Яблочкова на Парижской выставке 1878 года, которую посетило много русских, ею заинтересовались в России. Лодыгину, наоборот, не удалось наладить в России широкое производство своих ламп. Он уехал в Америку, и там узнал, что изобретённая им лампочка носит имя Эдисона. Но русский инженер не стал доказывать свой приоритет, а продолжал работу над усовершенствованием своего изобретения.
В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри открывают пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1887 год).
В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.
В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 году был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединённую теорию электрослабых взаимодействий, за что получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году.
Теория Электрический заряд
Электрический заряд — это свойство тел (количественно характеризуемое физической величиной того же названия), проявляющееся, прежде всего, в способности создавать вокруг себя электрическое поле и посредством него оказывать воздействие на другие заряженные (то есть обладающие электрическим зарядом) тела. Согласно современным соглашениям, заряд электронов определяется как отрицательный, а заряд протонов — как положительный. До открытия этих частиц Бенджамин Франклин определил положительный заряд как заряд, приобретаемый стеклянным стержнем при трении о шёлковую ткань. Протон по определению несёт заряд ровно кулонов. Это значение также определяется как элементарный заряд. Электрон имеет равный отрицательный заряд, то есть кулонов.
Тела, имеющие одинаковые заряды, отталкиваются, а противоположные — притягиваются. Это взаимодействие описывается законом Кулона и осуществляется посредством электрического поля. Сила взаимодействия двух тел пропорциональна сумме их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Один из результатов этого взаимодействия — тенденция заряда равномерно распределяться по проводящей поверхности (или объёму).