Електричество: определение, видове, свойства и приложения

История

Идеята за електричеството или фактът, че кехлибарът придобива способността да привлича светли предмети, когато се търка, може би е била известна на гръцкия философ Талес от Милет, живял около 600 г. пр.

Друг гръцки философ, Теофраст, твърди в един свой трактат, че тази сила се притежава и от други вещества.

Първото научно изследване на електрическите и магнитните явления обаче се появява едва през 1600 г. от н.е. в резултат на изследванията на английския лекар Уилям Гилбърт. Гилбърт е първият, който прилага термина "електричен" (от гръцки - elektron, "кехлибар") за силата, която веществата упражняват след разтриване. Той също така прави разлика между магнитно и електрическо действие.

Бен Франклин прекарва много време в електрически изследвания. Неговият известен експеримент с хвърчило доказва, че атмосферното електричество (което предизвиква явленията мълнии и гръмотевици) е идентично с електростатичния заряд на буркан от Лайден. Франклин развива теорията си, че електричеството е един "флуид", съществуващ във всяка материя, и че неговите ефекти могат да се обяснят с излишъците и недостига на този флуид.

Как работи електричеството

Съществуват два вида електрически заряди, които се притискат един към друг: положителни и отрицателни заряди. Електрическите заряди се избутват или придърпват един към друг, ако не се докосват. Това е възможно, защото всеки заряд създава електрическо поле около себе си. Електрическото поле е област, която заобикаля даден заряд. Във всяка точка в близост до заряд електрическото поле е насочено в определена посока. Ако в тази точка се постави положителен заряд, той ще бъде изтласкан в тази посока. Ако в тази точка се постави отрицателен заряд, той ще бъде изтласкан в точно обратната посока.

То работи като магнит и всъщност електричеството създава магнитно поле, в което сходни заряди се отблъскват, а противоположните се привличат. Това означава, че ако поставите два отрицателни заряда близо един до друг и ги пуснете, те ще се отдалечат един от друг. Същото важи и за два положителни заряда. Но ако поставите един положителен и един отрицателен заряд близо един до друг, те ще се привличат един към друг. Кратък начин да запомните това е фразата противоположностите се привличат, харесваните се отблъскват.

Цялата материя във Вселената е съставена от малки частици с положителен, отрицателен или неутрален заряд. Положителните заряди се наричат протони, а отрицателните - електрони. Протоните са много по-тежки от електроните, но и двете частици имат еднакъв електрически заряд, само че протоните са положителни, а електроните - отрицателни. Тъй като "противоположностите се привличат", протоните и електроните се слепват. Няколко протона и електрона могат да образуват по-големи частици, наречени атоми и молекули. Атомите и молекулите все още са много малки. Те са твърде малки, за да ги видим. Всеки голям обект, като пръста ви, съдържа повече атоми и молекули, отколкото някой може да преброи. Можем само да преценим колко са те.

Тъй като отрицателните електрони и положителните протони се слепват в големи обекти, всички големи обекти, които виждаме и усещаме, са електрически неутрални. Електрически е дума, която означава "описващ електричество", а неутрален е дума, която означава "балансиран". Ето защо не усещаме как обектите ни бутат и дърпат от разстояние, както би било, ако всичко беше електрически заредено. Всички големи обекти са електрически неутрални, защото в света има еднакво количество положителен и отрицателен заряд. Можем да кажем, че светът е точно балансиран или неутрален. Учените все още не знаят защо това е така.

Електрически ток

Електроните могат да се движат из целия материал. Протоните никога не се движат около твърд обект, защото са много тежки, поне в сравнение с електроните. Материал, който позволява на електроните да се движат наоколо, се нарича проводник. Материал, който държи всеки електрон плътно на мястото му, се нарича изолатор. Примери за проводници са медта, алуминият, среброто и златото. Примери за изолатори са гума, пластмаса и дърво. Медта се използва много често като проводник, защото е много добър проводник и има много от нея в света. Медта се среща в електрическите проводници. Но понякога се използват и други материали.

Вътре в проводника електроните подскачат, но не се движат в една посока дълго време. Ако в проводника се създаде електрическо поле, всички електрони ще започнат да се движат в посока, обратна на посоката, в която е насочено полето (защото електроните са отрицателно заредени). Батерията може да създаде електрическо поле в проводника. Ако двата края на парче проводник се свържат с двата края на батерия (наречени електроди), създаденият контур се нарича електрическа верига. Електроните ще се движат около и по веригата, докато батерията създава електрическо поле в проводника. Този поток от електрони по веригата се нарича електрически ток.

Проводник, използван за пренос на електрически ток, често е обвит в изолатор, например гума. Това е така, защото проводниците, по които тече ток, са много опасни. Ако човек или животно докосне оголена жица, по която тече ток, може да се нарани или дори да умре в зависимост от това колко силен е токът и колко електрическа енергия се предава от него. Трябва да бъдете внимателни около електрически контакти и оголени проводници, които могат да пренасят ток.

Възможно е да се свърже електрическо устройство към електрическа верига, така че през устройството да протича електрически ток. Този ток ще предаде електрическа енергия, за да накара устройството да направи нещо, което искаме да направи. Електрическите устройства могат да бъдат много прости. Например в електрическата крушка токът пренася енергия през специален проводник, наречен нажежаема жичка, която я кара да свети. Електрическите устройства могат да бъдат и много сложни. Електрическата енергия може да се използва за задвижване на електродвигател в инструмент като бормашина или острилка за моливи. Електрическата енергия се използва и за захранване на съвременни електронни устройства, включително телефони, компютри и телевизори.

Някои термини, свързани с електричеството

Ето няколко термина, с които човек може да се сблъска, когато изучава как работи електричеството. Изследването на електричеството и на това как то прави възможни електрическите вериги се нарича електроника. Съществува област на инженерството, наречена електротехника, в която хората измислят нови неща с помощта на електричеството. Всички тези термини са важни, за да ги знаят.

• Токът е количеството електрически заряд, което протича. Когато 1 кулон електричество премине някъде за 1 секунда, токът е 1 ампер. За измерване на тока в една точка се използва амперметър.

• Напрежението, наричано още "потенциална разлика", е "тласъкът" на тока. То е количеството работа, което един електрически източник може да извърши за един електрически заряд. Когато 1 кулон електричество има 1 джаул енергия, то ще има 1 волт електрически потенциал. За да измерим напрежението между две точки, използваме волтметър.

• Съпротивлението е способността на дадено вещество да "забавя" протичането на тока, т.е. да намалява скоростта, с която зарядът преминава през веществото. Ако електрическо напрежение от 1 волт поддържа ток от 1 ампер през проводник, съпротивлението на проводника е 1 ом - това се нарича закон на Ом. Когато потокът на тока се противопоставя, енергията се "изразходва", което означава, че тя се превръща в други форми (като светлина, топлина, звук или движение)

• Електрическата енергия е способността за извършване на работа с помощта на електрически устройства. Електрическата енергия е "запазено" свойство, което означава, че тя се държи като вещество и може да се премества от едно място на друго (например по преносна среда или в батерия). Електрическата енергия се измерва в джаули или киловатчаса (kWh).

• Електрическата мощност е скоростта, с която се използва, съхранява или пренася електрическа енергия. Потокът на електрическа енергия по електропроводите се измерва във ватове. Ако електрическата енергия се преобразува в друга форма на енергия, тя се измерва във ватове. Ако част от нея се преобразува, а друга се съхранява, тя се измерва във волт-ампери, а ако се съхранява (като в електрическо или магнитно поле), се измерва в реактивни волт-ампери.

Генериране на електрическа енергия

Електрическата енергия се произвежда предимно в места, наречени електроцентрали. Повечето електроцентрали използват топлина, за да сварят вода в пара, която се превръща в парна машина. Турбината на парния двигател завърта машина, наречена "генератор". Навитите проводници в генератора се въртят в магнитно поле. Това води до протичане на електричество през проводниците, което пренася електрическа енергия. Този процес се нарича електромагнитна индукция. Майкъл Фарадей открива как да го направи.

Много източници на топлина могат да се използват за варене на вода за генератори. Източниците на топлина могат да използват възобновяеми енергийни ресурси, при които запасите от топлинна енергия никога не се изчерпват, и невъзобновяеми енергийни ресурси, при които запасите ще бъдат изчерпани.

Понякога естественият поток, като например силата на вятъра или водата, може да се използва директно за завъртане на генератора, така че да не е необходима топлина.