Изобретение электричества: история, применение, получение

Системы автоматического управления

Направление неизбежно стало популярным, после того как стало ясно, что машины с успехом могут заменить человеческий труд.

Автоматическое управление – возможность манипулировать работой иных устройств или даже целых систем. Управление может производиться температурой, скоростью, движением, углами и скоростью перемещения. Манипулирование может осуществляться как в полном автоматическом режиме, так и при участии человека.

Первой машиной подобного рода можно считать агрегат, сконструированный Чарльзом Бэбиджем. При помощи информации, заложенной в перфокарты, могло производиться управление насосами при помощи парового двигателя.

Первый компьютер был описан в трудах ирландского ученого Перси Ладгейта, которые были представлены общественности в 1909 году.

Аналоговые вычислительные устройства появились аккурат перед началом Второй мировой войны. Военные действия несколько затормозили развитие этой перспективной отрасли.

Первый прообраз современного компьютера был создан немцем Конрадом Цузе в 1938 году.

На сегодняшний день системы автоматического управления, как и было задумано их изобретателями, успешно заменяют людей на производствах, выполняя самую монотонную и опасную работу.

Электричество в природе

Молния ночью в Денвере

Ярким проявлением электричества в природе служат молнии, электрическая природа которых была установлена в XVIII веке. Молнии издавна вызывали лесные пожары. По одной из версий, именно молнии привели к первоначальному синтезу аминокислот и появлению жизни на земле (Эксперимент Миллера — Юри и Теория Опарина — Холдейна).
Атмосфера Земли представляет собой гигантский конденсатор, нижняя обкладка которого (земная поверхность) заряжена отрицательно, а верхняя обкладка (верхние слои атмосферы до высоты 50 км) положительно. Разность потенциалов между поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы составляет 400 кВ, вблизи поверхности Земли существует постоянное электрическое поле напряжённостью 100 В/м. Отрицательный заряд земной поверхности поддерживается молниями Весьма сомнительное утверждение[источник не указан 214 дней].

Для процессов в нервной системе человека и животных решающее значение имеет зависимость пропускной способности клеточной мембраны для ионов натрия от потенциала внутриклеточной среды. После повышения напряжения на клеточной мембране натриевый канал открывается на время порядка 0,1 — 1,0 мс., что приводит к скачкообразному росту напряжения, затем разность потенциалов на мембране снова возвращается к своему первоначальному значению. Описанный процесс кратко называется нервным импульсом. В нервной системе животных и человека информацию от одной клетки к другой передают нервные импульсы возбуждения длительностью около 1 мс. Нервное волокно представляет собой цилиндр, наполненный электролитом. Сигнал возбуждения передаётся без уменьшения амплитуды вследствие эффекта кратковременного увеличения проницаемости мембраны для ионов натрия.

Многие рыбы используют электричество для защиты и поиска добычи под водой. Южноамериканский электрический угорь способен генерировать электрические разряды напряжением до 500 вольт. Мощность разрядов электрического ската может достигать 0,5 кВт. Акулы, миноги, некоторые сомообразные используют электричество для поиска добычи. Электрический орган рыб работает с частотой несколько сотен герц и создаёт напряжение в несколько вольт. Электрическое поле улавливается электрорецепторами. Находящиеся в воде предметы искажают электрическое поле. По этим искажениям рыбы легко ориентируются в мутной воде.

Этапы создания теории

XVII-XVIII века ознаменовались созданием основ мировой науки. Начиная с XVII века происходит ряд открытий, которые в будущем позволят человеку полностью изменить свою жизнь.

Появление термина

Английский физик и придворный врач Уильям Гильберт в 1600 году издал книгу «О магните и магнитных телах», в которой он давал определение «электрический». Оно объясняло свойства многих твердых тел после натирания притягивать небольшие предметы. Рассматривая это событие надо понимать, что речь идет не об изобретении электричества, а лишь о научном определении.

Уильям Гильберт смог изобрести прибор, который назвал версор. Можно сказать, что он напоминал современный электроскоп, функцией которого является определение наличия электрического заряда. При помощи версора было установлено, что, кроме янтаря, способностью притягивать легкие предметы также обладают:

  • стекло;
  • алмаз;
  • сапфир;
  • аметист;
  • опал;
  • сланцы;
  • карборунд.

Первая электростатическая машина

В 1663 году немецкий инженер, физик и философ Отто фон Герике изобрел аппарат, являвшийся прообразом электростатического генератора. Он представлял собой шар из серы, насаженный на металлический стержень, который вращался и натирался вручную. С помощью этого изобретения можно было увидеть в действии свойство предметов не только притягиваться, но и отталкиваться.

В марте 1672 года известный немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц в письме к Герике упоминал, что при работе с его машиной он зафиксировал электрическую искру. Это стало первым свидетельством загадочного на тот момент явления. Герике создал прибор, послуживший прототипом всех будущих электрических открытий.

В 1729 году ученый из Великобритании Стивен Грей произвел опыты, которые позволили открыть возможность передачи электрического заряда на небольшие (до 800 футов) расстояния. А также он установил, что электричество не передается по земле. В дальнейшем это дало возможность классифицировать все вещества на изоляторы и проводники.

Два вида зарядов

Французский ученый и физик Шарль Франсуа Дюфе в 1733 году открыл два разнородных электрических заряда:

  • «стеклянный», который теперь именуется положительным;
  • «смоляной», называющийся отрицательным.

Затем он произвел исследования электрических взаимодействий, которыми было доказано, что разноименно наэлектризованные тела будут притягиваться один к одному, а одноименно — отталкиваться. В этих экспериментах французский изобретатель пользовался электрометром, который позволял измерять величину заряда.

Лейденская банка

В 1745 году физик из Голландии Питер ван Мушенбрук изобрел Лейденскую банку, которая стала первым электрическим конденсатором. Его создателем также является немецкий юрист и физик Эвальд Юрген фон Клейст. Оба ученых действовали параллельно и независимо друг от друга. Это открытие дает ученым полное право войти в список тех, кто создал электричество.

11 октября 1745 года Клейст произвел опыт с «медицинской банкой» и обнаружил способность хранения большого количества электрических зарядов. Затем он проинформировал об открытии немецких ученых, после чего в Лейденском университете был проведен анализ этого изобретения. Затем Питер ван Мушенбрук опубликовал свой труд, благодаря которому стала известна Лейденская банка.

Бенджамин Франклин

В 1747 году американский политический деятель, изобретатель и писатель Бенджамин Франклин опубликовал свое сочинение «Опыты и наблюдения с электричеством». В ней он представил первую теорию электричества, в которой обозначил его как нематериальную жидкость или флюид.

В современном мире фамилия Франклин часто ассоциируется со стодолларовой купюрой, но не следует забывать о том, что он являлся одним из величайших изобретателей своего времени. В списке его многочисленных достижений присутствуют:

  1. Известное сегодня обозначение электрических состояний (-) и (+).
  2. Франклин доказал электрическую природу молнии.
  3. Он смог придумать и представить в 1752 году проект громоотвода.
  4. Ему принадлежит идея электрического двигателя. Воплощением этой идеи стала демонстрация колеса, вращающегося под действием электростатических сил.

Публикация своей теории и многочисленные изобретения дают Франклину полное право считаться одним из тех, кто придумал электричество.

Переменный ток

В начале электрической эры все потребители пользовались постоянным электрическим током. Большой вклад в развитие и распространение сетей с постоянным током внёс американский изобретатель и предприниматель Томас Алва Эдисон (1847 – 1931 гг.). Человек удивительной работоспособности. Только в США он получил 1093 патента. Если брать другие страны мира, то это ещё около трёх тысяч запатентованных изобретения. Томас Эдисон стоял у истоков широкомасштабного применения электричества. Его вариант электрической лампы накаливания с прочной нитью в колбе с вакуумом имел большой коммерческий успех. Не без влияния Томаса Эдисона на промышленных предприятиях стали заменять паровые машины на электродвигатели постоянного тока (на переменном токе электродвигателей ещё не было). Одним словом, в конце XIX века электричество начало семимильными шагами входить в жизнь людей. 

К сожалению, у электрического тока в то время был обнаружен один существенный недостаток. Его очень сложно передавать на большие расстояния. Как мы знаем любой проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока. На маленьких расстояниях это практически незаметно, а на больших сопротивление прибавляется и потери становятся сильно ощутимы. Единственным приемлемым выходом из этой ситуации является передача электроэнергии на повышенном напряжении (десятки и сотни тысяч вольт). Чтобы на передающей стороне повысить, а на принимающей стороне опять понизить напряжение нужны специальные трансформаторы. С постоянным током трансформаторы не работают. Соответствующее решение предложил Никола Тесла (1856 – 1943 гг.). Именно он разработал системы передачи электроэнергии посредством многофазного переменного тока, в которую входили генераторы, повышающие и понижающие трансформаторы, а также в качестве потребителей были представлены электрические машины (в том числе, изобретённый им асинхронный электродвигатель переменного тока). 

Опора высоковольтной линии электропередачи

Переменный ток – электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению. Например, в обычной домашней розетке плюс с минусом на правой и левой клеммах меняются местами 50 раз в течение одной секунды. Человеческий глаз не может различать такую частоту. Поэтому, при включении дома обычной лампы накаливания мы видим ровное (без морганий) освещение. Количество изменений за 1 сек. называется частотой переменного тока и обозначается буквой F (эф). За единицу измерения частоты принят один «герц» (Гц). Такое название единица получила в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца (1857 – 1894 гг.). В России, как и во многих странах мира, стандарт частоты переменного тока равен 50 Гц. 

Переменный электрический ток вырабатывается на электростанциях (гидроэлектростанции, теплоэлектростанции и атомные электростанции). Принцип везде одинаков – механическое движение турбины передаётся ротору генератора, вращение которого приводит к возникновению напряжения в обмотках статора. На гидроэлектростанциях (ГЭС) турбину вращает поток воды. На теплоэлектростанциях (ТЭЦ) энергия сжигаемого топлива (бензин, керосин, дизельное топливо, газ и т.п.) нагревает в котлах воду до состояния пара, который вращает паровую турбину. На атомных электростанциях (АЭС) энергия ядерной реакции нагревает теплоноситель первого контура. Затем этим теплом до состояния пара нагревается вода второго контура, которая опять же вращает паровую турбину. 

XIX век

В XIX веке произошел настоящий прорыв в изучении и освоении электричества. Условно, с точки зрения становления электротехники, в девятнадцатом столетии обозначаются несколько периодов.

Зарождение научных основ электротехники

Начиная с 1800 года и до 30-тых годов XIX столетия закладываются научные основы электротехники. Первый электрохимический генератор – «Вольтов столб», стал толчком в развитии электротехники, за которым последовала череда важных открытий. На этом этапе были открыты законы Ома, Ампера, Био – Савара; найдены и описаны основные свойства электрического тока. Швейгер изобрел первый индикатор электрического тока.

Становление электротехники

Далее, вплоть до семидесятых годов XIX века, появляются первые электрические устройства.

Одно из важнейших открытий данного этапа – явление электромагнитной индукции, которое выявил Фарадей. Затем последовали изобретения первых электрических машин постоянного и переменного токов, Якоби построил первый электродвигатель с непосредственным вращением якоря.

электродвигатель Якоби (фото engineering-solutions.ru/motorcontrol/history)

В этот период сформировались законы Ленца и Кирхгофа, впервые были созданы источники электрического освещения и электрические приборы, происходит зарождение электроизмерительной техники.

Тем не менее в это время электрическая энергия не получает обширного применения, так как на тот момент еще не был изобретен экономичный электрический генератор.

Электротехника – самостоятельная отрасль

После 70-х годов XIX столетия начинается эра электротехники как самостоятельной отрасли техники. Новый этап открывает изобретение электромашинного генератора с самовозбуждением.

На это время приходится невероятный прогресс промышленности, сопровождавшийся непрерывным ростом потребности в электрической энергии.Появляются первые электрические станции постоянного тока, П. Н. Яблочков изобретает «электрическую свечу» (о нем и других выдающихся русских ученых читайте в нашем обзоре), разрабатываются способы передачи электричества на большие расстояния за счёт существенного повышения напряжения ЛЭП.

электрическая свеча (фото .wikipedia.org)

Дальнейшее развитие электрического освещения способствовало улучшению электрических машин и трансформаторов; ближе к концу века стартовало массовое производство однофазных трансформаторов с замкнутой магнитной системой.

В конце XIX века происходят значительные события – начинается строительство центральных электростанций переменного тока, открывается первая в мире ГЭС, разработаны трёхфазная электрическая сеть, трехфазные электрические двигатели и трансформаторы. Огромный вклад в развитие электротехники в эти годы внесли Михаил Доливо-Добровольский, Никола Тесла, Чарльз Браун и другие.

Начинается эпоха электричества: повышаются мощности и напряжения, возникают новые образы и виды электрических машин. Электрическая энергия проникает в различные отрасли производства и получает огромное распространение в различных сферах жизни.

Великие открытия 18-19 веков

Исследования в области электричества были успешно продолжены другими учеными. Так в 1707 году французский физик Дю Фей обнаружил разницу между электричеством, получаемым от трения о разные материалы. Для экспериментов использовались круги из стекла и древесной смолы.

В 1729 году английскими учеными Греем и Уилером было установлено, что отдельные виды веществ способны пропускать сквозь себя электричество. Именно с их открытия все тела начали разделяться по типам и называться проводниками и непроводниками электричества. В этом же году голландский физик Мушенбрук из Лейдена сделал грандиозное открытие. В ходе опытов со стеклянной банкой, закрытой с двух сторон листами станиоля, было установлено, что такой сосуд способен накапливать электричество. По месту проведения эксперимента данный прибор был назван лейденской банкой.

Большой вклад в науку внес американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин. Он доказал теорию совместного существования положительного и отрицательного электричества, объяснил процессы, происходящие во время зарядки и разрядки лейденской банки. Было установлено, что свободная электризация обкладок этого прибора может происходить под действием разных электрических зарядов. Бенджамин Франклин много времени уделял изучению атмосферного электричества и доказал с помощью громоотвода возникновение молнии от разности электрических потенциалов.

В 1785 году французским ученым Шарлем Кулоном был открыт закон, описывающий электрическое взаимодействие между точечными зарядами. Открытие точного физического закона произошло без сложного лабораторного оборудования, с помощью лишь стальных шариков. Для определения расстояния и силы взаимодействия использовались такие же крутильные весы, как и при исследованиях сил тяготения между двумя телами. Ученый не пользовался абсолютной величиной электрических зарядов, он просто брал два одинаковых заряда или неодинаковые, но с заранее известной разницей их величины.

Важное открытие в области электричества было сделано итальянским ученым Алессандро Вольта в 1800 году. Этим изобретением стала химическая батарея, состоящая из круглых серебряных пластинок, переложенных кусками бумаги, предварительно смоченных соленой водой

Химические реакции, возникающие в батарее, способствовали регулярному вырабатыванию электрического тока.

В 1831 году знаменитый английский физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, и на ее основе первым в мире изобрел электрический генератор. С именем Майкл Фарадей связаны понятия электрического и магнитного поля, изобретение простейшего электродвигателя.

Вся история электричества была бы неполной без выдающегося изобретателя Николы Тесла, работавшего на рубеже 19-20 веков и значительно обогнавшего свое время. Свои исследования в области магнетизма и электричества он постоянно переводил в практическую плоскость. Приборы, созданные гениальным ученым, до сих пор считаются уникальными и неповторимыми.

В течение всей своей жизни, посвященной изучению возможностей электричества, Тесла зарегистрировал множество патентов, сделал открытия, ставшие прорывом в электротехнике. Большинство изобретений и открытий, так или иначе до сих пор используются в повседневной жизни. Из наиболее известных работ следует отметить вращающееся магнитное поле, позволяющее использовать переменный ток в электродвигателях без преобразования в постоянный ток. Также Тесла создал двигатель переменного тока, на основе которого в дальнейшем был создан генератор переменного тока. Эти и другие открытия успешно использовались во многих технических решениях.

Ученых, сделавших весомый вклад в развитие науки об электричестве, можно перечислять очень долго. В завершение хочется отметить Георга Ома, который в ходе экспериментов вывел основной закон электрической цепи. Благодаря Ому появились такие термины, как электродвижущая сила, проводимость, падение напряжения и другие. Не менее известен Ампер Андре-Мари, придумавший правило правой руки для определения направления тока на магнитную стрелку. Ему принадлежит и конструкция усилителя магнитного поля, представляющего собой катушку с большим количеством витков. Эти и другие ученые много сделали для того, чтобы человечество в полной мере пользовалось теми благами, которые дает электричество.

Электричество из воздуха своими руками

Электричество из земли

Электричество из магнита

Как получить электричество из картошки

Как снять статическое электричество

Электричество в доме

Синдром Парижа

«Увидеть Париж и опсихеть» — такой сценарий, безо всяких шуток, может угрожать впечатлительному туристу. Но не любому, а туристу из Японии. Это одно из редких психических расстройств, которое поражает жителей конкретной страны.

Как и другие синдромы, спровоцированные культурным шоком, синдром Парижа проявляется у тех, у кого изначально были предпосылки для душевных расстройств, и визит на другой край света, резкая перемена обстановки сработали как детонатор.

В основе синдрома Парижа — чувство сильнейшего разочарования. Дело в том, что в Японии воспевается культ Парижа. Едва ли ни каждый японец уверен, что Париж — это квинтэссенция красоты, моды, любви и мировой гармонии. На этом ловко играют маркетологи французских модных брендов, торгуя не столько товаром конкретного дома мод, сколько «идеей Парижа» вообще.

И вот представьте себе человека, который копит на поездку в тот самый — ах! — Париж, чтобы прикоснуться своими недостойными руками к «Великому и Прекрасному», а приезжает… в Париж. С его этническим котлом, суетой, типичной для любого мегаполиса, и т. д. В общем, реалии настолько не оправдывают ожиданий, что у туриста происходит нервный срыв, нередко приводящий к суициду.

Синдром Парижа встречается достаточно часто, и при посольстве Японии во Франции работает отдельная горячая линия для тех, кому вдруг стало нехорошо.

Состав невидимого потока

С точки зрения физики, сама возможность возникновения электричества исходит из способностей физической материи накапливать и сохранять электрический заряд. Вокруг этих накопителей образуется энергетическое поле.

В основе действия тока лежит сила невидимого потока заряженных частиц, движущихся в едином направлении, что образует магнитное поле, родственное по принципу действия с электрическим. Они могут влиять на другие тела, обладающие зарядом того или иного вида:

  • отрицательным;
  • положительным.

Согласно научным исследованиям, электроны вращаются вокруг центрального ядра любого атома, входящего в состав молекул, образующих все физические тела. Под воздействием магнитных полей они могут отрываться от родного ядра и присоединяться к другому, вследствие чего у одной молекулы получается недостаток электронов, а у другой возникает их переизбыток.

Но сама суть этих элементов состоит в стремлении восполнить нехватку в матрице — они всегда стремятся туда, где их наименьшее количество. Такая постоянная миграция наглядно показывает, как получается электричество, ведь на близком расстоянии электроны стремительно переходят от одного центра атома к другому. Это приводит к образованию тока, о нюансах действия которого интересно знать следующие факты:

  • вектор — его направление всегда исходит из отрицательного заряженного полюса и стремится к положительному;
  • атомы с избытком электронов имеют заряд «минус» и именуются «ионами», недостаток же этих элементов создает «плюс»;
  • в контактах проводов «минусовой» заряд называют «фаза», а «плюс» обозначается нулем;
  • наименьшее расстояние между атомами — в составе металлов, поэтому они являются наилучшими проводниками тока;
  • наибольшая межатомная дистанция зафиксирована в резине и твердых телах — мрамор, янтарь, фарфор, — которые являются диэлектриками, неспособными проводить ток, поэтому их еще называют «изоляторами»;
  • энергия, образующаяся при движении электронов и разогревающая проводники, именуется «мощностью», которую принято измерять в ваттах.

Станции и трамваи

Появлялись в царскую эпоху и станции меньших масштабов. История электричества в России многим обязана немецкому промышленнику Вернеру фон Сименсу. В 1883 году он работал над праздничной иллюминацией московского Кремля. После первого удачного опыта его компания (которая позже станет известна как концерн мирового масштаба) создала систему освещения Зимнего дворца и Невского проспекта в Петербурге. В 1898 году небольшая электростанция появилась в столице на Обводном канале. Бельгийцы инвестировали средства в аналогичное предприятие на набережной Фонтанки, а немцы – в еще одно на Новгородской улице.

История электричества сводилась не только к появлению станций. Первый трамвай в Российской империи появился в 1892 году в Киеве. В Петербурге этот новейший вид общественного транспорта в 1907-м запустил инженер-энергетик Генрих Графтио. Инвесторами проекта были немцы. Когда началась война с Германией, они вывели из России капитал, а проект на время заморозился.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий