Драмы науки: неизвестная «война токов»
В школе нам рассказывали о знаменитых войнах, которые меняли ход истории. Все мы знаем о Столетней войне между Францией и Англией, хотя она закончилась еще в середине XV века. А вот о другом столетнем конфликте, завершившемся в конце ноября 2007 года, мало кто знает. Отчасти потому, что он разворачивался в США — и отнюдь не на полях сражений.
Проницательные читатели уже догадались, что речь пойдет о так называемой «Войне токов» — War of the Currents или Battle of Currents. Так стали называть противостояние между Томасом Эдисоном (1847-1931) и Джорджем Вестингаузом (1846-1914) за использование постоянного и переменного тока. Неизвестно точно, кто и когда первым использовал это определение — в газетах конца XIX века оно не встречается. Спор, начатый двумя американскими изобретателями и бизнесменами еще в 1880-е годы, окончательно завершился в конце ноября 2007 года, когда Нью-Йорк, электрифицированный 125 лет назад Эдисоном, окончательно перешел с постоянного тока на переменный.
Это была война за столь огромный рынок, как Соединенные Штаты Америки, которую вели две крупнейшие корпорации, Edison General Electric (в начале 1890-х годов она стала называться General Electric) и Westinghouse Electric. Первоначально в США стали использоваться стандарт постоянного тока. Патент на предоставление этого вида услуг имел Эдисон, поэтому он отстаивал право передавать электрическую энергию таким способом.
Однако при передаче постоянного тока, в котором электроны летят в одном направлении, на большие расстояния значительное количество электроэнергии теряется. Ток с электростанций Эдисона, вырабатывавших напряжение 110 вольт, эффективно передавался лишь на расстояние чуть более полутора километров. Ликвидировать этот недостаток можно было, используя медные провода очень большого сечения или строя множество локальных электростанций. Обе перспективы оказались не слишком радужными из-за их сложности и дороговизны.
Когда Джордж Вестингауз узнал про планы Эдисона, он выступил за ток переменный. К тому времени уже появились недорогие трансформаторы, работавшие на высоких мощностях. Передавать электричество на большие расстояния с минимальными потерями можно было при помощи высоковольтных линий. Кроме того, выпускник высшего технического училища в Граце и Пражского университета, серб-эмигрант Никола Тесла, в течение года успешно работавший на фирму Эдисона, в 1885 году оказался у Вестингауза — на предыдущем месте ему опрометчиво отказались повысить зарплату. Уже в 1888 году Тесла запатентовал работавший на переменном токе индукционный двигатель.
Казалось, у Эдисона не было никаких шансов победить. Тогда предприниматель в Эдисоне взял верх над изобретателем и физиком. Он подал дюжину исков, обвиняя Вестингауза в плагиате, но сутяге Эдисону во всех случаях было отказано. И тогда отец фонографа решил создать своему противнику имидж злокозненного изобретателя — посредством черного пиара представить Вестингауза зловещим мистером Хайдом, скрывавшимся под личиной добренького доктора Джекила.
Как-то раз в результате несчастного случая погиб человек. Его убило переменным током от пробитого трансформатора, стоявшего у него в подвале. Происшествие широко освещалось в прессе, что сыграло на руку Эдисону. Вдобавок Эдисон в 1903 году заснял казнь слонихи Топси — она была приговорена к убийству электрическим током за то, что растоптала троих людей, в том числе и жестокого дрессировщика.
При помощи электричества стали отправлять в лучший мир не только слонов. Первым преступником, казненным в США на электрическом стуле, стал некий Уильям Кеммлер, убивший жену топором. В 1890 году через тело Кеммлера пропустили два мощных разряда переменного тока напряжением 1,3 тысяч вольт каждый. А уже на следующий день появилась статья с громким заголовком «Вестингауз казнил Кеммлера». Казнь выглядела настолько мерзко, что сам Вестингауз мрачно заметил: «Топором бы у них вышло лучше». В итоге он отказался поставлять генераторы переменного тока для казни на электрическом стуле.
Однако победа Эдисона на поверку оказалась пирровой. Несмотря на то, что уже в 1892 году на Манхэттене появилась первая в США работающая на постоянном токе электростанция и количество потребителей увеличивалось год от года, законы рынка, как водится, были неумолимы.
Уже в 1893 году Вестингауз и Тесла выиграли тендер на освещение Всемирной ярмарки в Чикаго, а три года спустя смонтировали на Ниагарском водопаде первую гидросистему для питания переменным током второго по величине города штата Нью-Йорк — Буффало. В то же время Эдисону спешно пришлось объединить свою компанию с Thomson-Houston Electric Company, занимавшейся производством продукции для инфраструктуры энергоснабжения переменным током.
Персональный спор двух деловых людей завершился к 1896 году, его результат определили соображения экономической выгоды от использования переменного тока. Все дела в General Electric Эдисон передал в руки профессиональных менеджеров. Скрепя сердце он вынужден был признать поражение и назвал свое выступление в поддержку постоянного тока самой большой ошибкой в своей карьере.
Впрочем, не исключено, что «война токов» скоро возобновится, поскольку у постоянного тока появился шанс взять реванш. Дело в том, что в активно разрабатываемых сейчас сверхпроводящих кабелях наиболее выгодно использовать именно эту разновидность электрического тока. Поэтому говорить об окончательной победе сторонников переменного тока пока что рано…
Присоединяйтесь к телеграм-каналу Правды.Ру с возможностью высказать ваше собственное мнение)
Торжество постоянного тока и роль Томаса Эдисона
Выпуск динамо-машин, описанных в предыдущей статье данного цикла [1], которые заменили гальванические батареи, ускорил практическое использование постоянного тока в гальванопластике, минном деле, телеграфии и телефонии, для привода станков и механизмов, а также в электротяге (например, в трамвае) [2-4]. Передовые страны Северной Америки и Европы (включая Россию) стали покрываться сетью телеграфных линий [5]. В 1858 г. был проложен первый трансатлантический телеграфный кабель. Следующим важным этапом было внедрение электрического освещения, во многом обеспеченное работами выдающегося американского инженера и плодовитого изобретателя Томаса Эдисона (Thomas Edison; рис. 1).
Рис. 1. Томас Эдисон (1847-1931)
Первыми распространенными устройствами электрического света служили дуговые лампы. Электрическая дуга была открыта профессором петербургской Военно-медицинской академии Василием Владимировичем Петровым в 1803 г., построившим самую мощную по тем временам гальваническую батарею длиной в 12 м, и независимо от него в 1808 г. знаменитым лондонским физиком Гемфри Дэви (Humphry Davy), первым наставником Фарадея [4]. Электродуговые лампы излучали яркий свет, что и предопределяло их использование в прожекторах маяков, а также для освещения больших пространств. Однако электроды дуги, располагаемые встречно, изготавливались из углерода, который под воздействием высокой температуры дуги постепенно сгорал. Поэтому для поддержания дуги электроды было необходимо сводить специальным регулятором, один из которых создал известный электротехник Владимир Николаевич Чиколев [4, 6, 7].
В 1876 г. великий русский изобретатель Яблочков предложил гениальное по своей простоте решение, поместив электроды, разделенные изолирующим слоем из каолина, вертикально, как показано на рис. 2. Таким образом оба электрода сгорали одновременно, и дуга автоматически смещалась вниз [4].
Рис. 2. Свеча Яблочкова
Павел Николаевич Яблочков (рис. 3) окончил Николаевское военно-инженерное училище, однако потом быстро вышел в отставку и поступил на телеграфную службу в Москве [7]. Там он заинтересовался электричеством и даже организовал собственную мастерскую, однако в связи с ее банкротством был вынужден перебраться в Париж, где работал в знаменитой приборной мастерской Бреге и создал свою знаменитую свечу.
Устройство, названное «Свечой Яблочкова», или «Русским светом», успешно использовалось с 1878 г. в системах освещения улиц и общественных зданий Парижа, Лондона и других городов, в том числе и в Петербурге, где Яблочков открыл электромеханический завод. К 1881 г. в России использовалось около 500 таких фонарей [4, 7].
Рис. 3. Павел Николаевич Яблочков (1847-1894)
Однако дуговые лампы были слишком яркими для бытового и уличного освещения, поэтому изобретатели предлагали различные варианты ламп накаливания. Наиболее работоспособная по тому времени лампа была запатентована в 1874 г. почетным инженером-электриком Александром Николаевичем Лодыгиным для бортового освещения проектируемого им электрического вертолета (рис. 4) [4, 7]. Она содержала угольный стерженек в запаянном стеклянном баллоне, который, к сожалению, светил не более 0,5 часа.
Рис. 4. Лампа Лодыгина
Тем не менее в 1873 г. Лодыгин продемонстрировал электрическое освещение Одесской улицы и ряда общественных помещений в Петербурге. Позднее он продолжал улучшать лампу во Франции и США, предложив, в частности, вольфрамовую нить, но коммерческого успеха не имел. Усовершенствования, введенные другими изобретателями, в частности английским химиком и физиком Джозефом Сваном (Joseph Swan), не сделали их более практичными. Все они имели низкое сопротивление и должны были включаться последовательно, что создавало большие неудобства. Поэтому в бытовом и уличном освещении по-прежнему безраздельно господствовали газовые фонари, которые были вытеснены только системами электрического освещения лампами накаливания Эдисона [8–10].
Предки Эдисона были выходцами из Голландии. Начальное образование Томас получил от матери, поскольку в школу практически не ходил, считаясь умственно отсталым. Работать начал с мелкой торговли в поездах, сам издавал газету. В благодарность за спасение сына начальник станции обучил Эдисона телеграфии, где он проявил себя очень расторопным телеграфистом, умевшим чинить телеграфные аппараты (рис. 5).
Рис. 5. Эдисон в юности
Он также попробовал вносить в них улучшения и начиная с 1868 г. получил несколько патентов. На вырученные от их продажи деньги открыл мастерскую, а затем, в 1876 г., и знаменитую лабораторию в Менло-Парке (Нью-Йорк). Электричество изучал по трудам Фарадея, не пользовавшегося высокой математикой. Так началась его карьера профессионального изобретателя, которой он посвятил шестьдесят лет своей жизни. Метод Эдисона — это кропотливый перебор всех вариантов. Великий электротехник Никола Тесла, работавший на него одно время, писал, что, если бы Эдисону потребовалось найти иголку в стоге сена, он «…немедленно, с лихорадочным прилежанием пчелы, начал бы осматривать соломинку за соломинкой…» [9].
Первой задачей, поставленной Эдисоном, стало увеличение срока службы электрической лампы. Для этого он провел более 6000 опытов, пробуя все доступные материалы со всех частей света, например картон, швейные нитки, бамбук из Японии и т. д. Кроме того, он достиг более высокого вакуума внутри стеклянного баллона. Созданная таким образом лампа (рис. 6) с обугленной нитью растительного волокна, на которую был получен основной патент в 1880 г., превзошла все ожидания — она светила более 800 часов. Другим преимуществом ламп Эдисона было их высокое сопротивление, что позволяло параллельно соединять любое число независимо включаемых ламп, подобно газовым горелкам.
Рис. 6. Лампа Эдисона
Однако одна, даже самая хорошая лампа не решает всех проблем освещения. И в Менло-Парке разрабатывается вся необходимая арматура: винтовой патрон, проводка на роликах, выключатели, предохранители, счетчики, подводящие линии и др. До Эдисона любое электрическое освещение требовало установки в каждом здании отдельного электрогенератора и паровой машины. По примеру газовых станций, Эдисон предложил строить центральные электрические станции, обслуживающие большой район площадью до 2,5 км 2 [4]. Первая такая станция, открытая в 1882 г. на Манхэттене, центральном районе Нью-Йорка, показана на рис. 7.
Рис. 7. Электрическая станция на Перл стрит
На этой станции были установлены самые мощные по тем временам динамо-машины с паровым двигателем «Джумбо» на 110 кВт весом 30 т с автоматическим регулированием напряжения, спроектированные самим Эдисоном, для питания до 1400 ламп (рис. 8).
Но и этого было недостаточно. Приступая к проекту, Эдисон подсчитал, что для победы над газовым освещением продажная цена лампы не должна превышать 40 центов [8]. Для массового производства ламп на базе купленной посудной фабрики была основана компания Edison Electric Light, которая впоследствии превратилась в самую крупную электротехническую компанию мира — General Electric. Сначала себестоимость лампы составляла 2 доллара, затем постепенно снижалась. Но когда она достигла 22 центов и производство стало весьма прибыльным, Эдисон фабрику продал, посчитав, что дальше уже ничего нельзя улучшить. И действительно, если мы посмотрим на выпускаемые сейчас бытовые лампы накаливания, то их срок службы обычно 1000 часов, а цена самых дешевых около 17 руб., т. е. 25 центов.
Первыми успешными коммерческими проектами Эдисона в начале 80-х годов стали осветительные установки грузового парохода «Колумбия» (115 ламп), типографии, виадука и близлежащих зданий в Лондоне (1000 ламп) [10].
Победа электрического освещения по системе Эдисона стала совершенно очевидной после Первой всемирной электротехнической выставки в Париже в 1881 г., где оно получило наивысшую награду. Идеи Эдисона подхватили и другие изобретатели: упоминавшийся выше Сван, американцы Уильям Сойер (William Sawyer) и изобретатель пулемета Хайрем Максим (Hiram Maxim), что породило многочисленные громкие судебные тяжбы. В Европе были созданы четыре филиала Эдисона, в частности в Германии — Deutche Edison-Gesellchaft (впоследствии — знаменитая компания AEG). Аппаратуру системы освещения Эдисона производила крупнейшая электротехническая компания Европы — Siemens-Halske [5]. Электричество наконец пришло в общественные и жилые здания, открыв дорогу многочисленным электробытовым приборам. К 1891 г. только в США действовало уже 130 центральных электрических станций постоянного тока, обслуживающих около трех миллионов ламп. В 1878 г. появилось и уличное электрическое освещение (в Париже — дуговое, в Лондоне — лампами накаливания). Это стало началом электрификации [4, 10].
Рис. 8. Динамо-машина «Джумбо»
Результатом исследований Эдисона явилось также открытие явления односторонней проводимости внутри лампы накаливания с дополнительным электродом (эффект Эдисона) [8, 9]. Сам Эдисон не смог найти ему никакого практического приложения, но в 1904 г. сотрудник филиала его компании в Англии, впоследствии знаменитый профессор, Джон Флеминг (John Fleming) использовал этот эффект при создании первого электровакуумного диода, предложенного им Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi) для детектирования радиосигналов. Это стало началом электроники.
Деятельность Эдисона охватывала самые разнообразные области [8–10]. Среди его первых изобретений был многоканальный телеграф, позволявший по одной линии работать нескольким телеграфным аппаратам, и угольный микрофон. В первых аппаратах изобретателя телефона Александра Белла (Alexander Bell) микрофон был электромагнитным, содержащим мембрану и катушку с сердечником, индуктивное сопротивление которой изменялось при колебании мембраны. По предложению другого известного американского изобретателя Эмиля Берлинера (Emile Berliner) катушка была заменена угольной пластиной, на которую давила мембрана, что повышало мощность электрического сигнала. Эдисон также добился существенного улучшения характеристик микрофона, заменив пластину угольным порошком, и в таком виде угольный микрофон дожил до наших дней. Он же предложил телефонное приветствие «Алло» (англ. hallo). Как известно, его конкурент Александр Белл предлагал свой вариант — слово ahoy, но оно не прижилось.
Далее последовали сотни других патентов по улучшению аккумулятора (в том числе щелочного для электромобиля), трамвайного оборудования, двигателей и генераторов постоянного тока (в частности, шихтованный магнитопровод для снижения его нагрева), киноаппарата, сепарации руды и т. д. Эдисон совершенствовал все, что попадалось ему на глаза, им созданы самые разнообразные вещи: фольга, электрический стул, аппарат для подсчета голосов, мимеограф, дом целиком из бетона и т. д.
Всеобщее восхищение вызвало и изобретение в 1877 г. фонографа — первого аппарата для механической записи звука. Он содержал вращающийся барабан, первоначально покрытый фольгой, а затем воском, и иглу, соединенную с мембраной, вставленной в рупор, как показано на рис. 9. Под действием звука игла совершала вертикальные колебания, оставляя канавку переменной глубины.
Рис. 9. Фонограф Эдисона
Фонограф, поначалу казавшийся чудом, сразу стал весьма популярным. Однако скоро у него появился опасный конкурент в виде изобретенного в 1887 г. Берлинером граммофона со звуконосителем в виде диска из шеллака с горизонтальной звуковой дорожкой. Помимо большей компактности и возможности легкого тиражирования, граммофон обеспечивал гораздо лучшее качество и громкость записи, поэтому Берлинер стремился записывать музыку и пение мировых знаменитостей, что льстило обывателю. Из-за этого граммофон быстро стал победителем, что, в конце концов, признал и Эдисон.
Эдисон считал себя химиком и в результате неудачных опытов в молодости потерял слух. Отличался исключительным трудолюбием и упорством, спал не более 4–5 часов. Он умер очень богатым человеком, и его заслуги были признаны во всем мире (рис. 10).
Рис. 10. Эдисон в преклонные годы
Эдисону принадлежит больше всего патентов — свыше 3000, в том числе 1093 первичных, т. е. выданных в США. Он входит в число 25 самых выдающихся американцев, и ежегодно Международный институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) вручает золотую медаль Эдисона за исключительные инновации. Сам этот институт, созданный в США в 1884 г., объединил энтузиастов, которые по инициативе Эдисона именовали себя инженерами-электриками. Был почетным членом АН СССР. В США есть музеи Эдисона, а рядом с одним из них на месте легендарной лаборатории в Менло-Парке установлена башня с символической лампой накаливания наверху. Биограф Эдисона Митчел Уилсон писал о нем: «Он дожил до старости, но не прекращал работы, не утратил своей гордости и никогда не знал горечи поражений» [8].
Эдисон был убежденным сторонником постоянного тока и переменных токов не признавал. К концу XIX века блага электричества не коснулись 95% населения даже в развитых странах, что объясняется невозможностью передачи постоянного тока на расстояние более одного километра от центральной станции. Поэтому широкая электрификация развернулась лишь после перехода к электротехнике переменных токов, начатому компаниями Westinghouse и AEG и сопровождавшемуся ожесточенной «войной токов». Об этом переломном моменте в истории электротехники будет рассказано в следующих статьях.
Как Тесла с Эдисоном работал и почему до самой смерти не мог его терпеть
Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.
Гений коммерции против гения физики
Серб Никола Тесла, уроженец Австро-Венгрии, был известен, с одной стороны, как чуждающийся всего земного чудак — не любитель ни женщин, ни мужчин, почти равнодушный к пище и деньгам — и как повелитель молний — посетителям он устраивал потрясающие шоу с электроразрядами. Его многочисленные изобретения позволили осуществиться второму этапу промышленной революции, а значит — сформировали технический мир таким, каким мы его знаем.
Голландец по крови и американец по месту рождения Томас Эдисон также считался очень талантливым исследователем и изобретателем — но уже в наше время авторство многих его патентов ставится под сомнение. На Эдисона работала много куда менее известных американцев, которые, по контракту, вполне возможно, обязаны были передавать ему права на все свои разработки. Эдисон, без сомнения, был гением — гением добычи денег, но, вероятно, учёным был не настолько талантливым, как о нём привыкли думать.
Впрочем, нет никакого сомнения, что Эдисон сделал всё, чтобы внедрить как можно больше технических новинок в жизнь, облегчив жизнь (и немного кошельки) своим современникам. Знакомая нам лампочка накаливания грушевидной формы, повсеместное распространение телефонов, удешевление электричества — всё это работа Эдисона, так что он тоже формировал тот технический мир, который мы знаем.
Американский юмор
В 1884 году на берег в Нью-Йорке сошёл худой и весьма потрёпанный на вид мужчина двадцати восьми лет — Никола Тесла. Спросив у полисмена адрес конторы Томаса Эдисона, он пошёл туда пешком — денег на транспорт у него не было. Но по пути он увидел небольшую мастерскую, в которой пожилой американец пытался наладить работу электрогенератора. Тесла зашёл, чтобы помочь ему, и неожиданно для себя заработал немного денег. Это дало ему предстать перед Эдисоном позже — но сытым и выспавшимся. Первый день в США оказался вещим — именно на роль ремонтника Эдисон серба и взял.
Тесла постоянно убеждал босса начать использовать переменный ток для генераторов, но идея Эдисона не очень вдохновляет. Наконец, американец сказал сербу, что если тот разработает нечто подобное — и чтобы намного лучше тех генераторов, что уже есть — то получит полсотни тысяч долларов. Гигантские деньги по тем временам!
Тесла задание принял и в уникально короткие сроки представил двадцать четыре (!) версии генератора на переменном токе, новый коммутатор и регулятор. Эдисону понравилось всё — он забрал чертежи. Но на вопрос о полусотне тысяч сказал, что Тесла явно не понимает американского юмора. Оскорблённый серб немедленно уволился и вскоре открыл на соседней улице собственную компанию, занимающуюся электричеством.
Война токов
Генераторы Эдисона по-прежнему работали на постоянном токе, Теслы — на переменном. Чтобы устранить конкурента, Эдисон развернул кампанию по убеждению широкой публики, что генераторы на переменном токе очень опасны. Это было главным аргументом, потому что ток от генераторов Эдисона можно было передавать только на относительно небольшие расстояния, до полутора километров, а от Теслы и поддерживающего его физика Вестингауза — не то, чтобы неограниченно, но куда дальше, и людям это нравилось.
Естественно, Эдисон пытался — как он часто делал — доказать в суде, что все изобретения конкурентов настолько базируются на его собственных, что могут считаться нарушением патентов. Но — как часто с ним же было — проиграл дело. Фактически и суд был нужен для того, чтобы привлечь внимание журналистов, которые, конечно же, записали претензии Эдисона, очерняющие Теслу и Вестингауза.
Чтобы поразить воображение толпы, Эдисон публично убивал переменным током животных. Наконец, с подачи Эдисона его человек, инженер Гарольд Браун, предложил убивать электричеством преступников. Вестингауз был радикально против и даже нанял адвокатов убийце, которого должны были первым убить на электрическом стуле — но всё зря, и пресса наводнилась сообщениями о том, что разработка Вестингауза убила первого преступника. Всё было сделано для того, чтобы переменный ток как таковой ассоциировался у людей со смертью.
Считается, что “война токов” продлилась до 2007 года, когда США полностью перешло на генераторы переменного тока для электрификации городов. Тесла успел разориться задолго до того. Словно в насмешку над ним, в 1917 года его наградили медалью Томаса Эдисона; не скрывая раздражения, гений физики отказался от награды. Оба физика прожили долгую жизнь и до самого конца терпеть друг друга не могли.
История открытия электричества
Электричество – обыденное и жизненно необходимое для большинства людей явление. И как любая привычная вещь, оно редко заметно. Мало кто задаётся вопросом откуда оно появляется, как работает, что с его помощью можно сделать. Однако, его исследованием занимались задолго до нашей эры и до сих пор некоторые загадки остаются без ответа.
Что понимают под электрическим током
Электричество – это комплекс явлений, связанный с существованием электрических зарядов. Под этим словом чаще всего подразумевается электрический ток и все процессы, которые он вызывает.
Электрический ток – это направленное движение частиц, несущих заряд, под воздействием электрического поля.
Кто придумал электричество — история
Частные проявления электричества изучались ещё задолго до нашей эры. Но соединить их в одну теорию, объясняющую вспышки молний в небе, притяжение предметов, способность вызывать пожары и онемение частей тела или даже смерть человека, оказалось непростой задачей.
Учёные издревле изучали три проявления электричества:
- Рыбы, вырабатывающие электричество; ;
- Магнетизм.
В Древнем Египте целители знали о странных способностях нильского сома и пытались с его помощью лечить головную боль и другие заболевания. Древнеримские врачи использовали в сходных целях электрического ската. Древние греки подробно изучали странные способности ската и знали, что оглушить человека существо могло без прямого контакта через трезубец и рыболовные сети.
Несколько раньше было обнаружено, что если потереть янтарь о кусок шерсти, то он начнёт притягивать шерстинки и небольшие предметы. Позже был открыт и другой материал со сходными свойствами – турмалин.
Примерно в 500-х годах до н.э. индийские и арабские учёные знали о веществах, способных притягивать железо и активно использовали эту способность в разных областях. Около 100-го года до н.э. китайские учёные изобрели магнитный компас.
В 1600 году Уильям Гилберт, придворный врач Елизаветы I и Якова I, обнаружил, что вся планета – это один огромный компас и ввел понятие «электричество» (с греческого «янтарность»). В его трудах эксперименты с натиранием янтаря о шерсть и способность компаса указывать на север начали объединяться в одну теорию. На картине ниже он демонстрирует магнит Елизавете I.
В 1633 год инженер Отто фон Герике изобретает электростатическую машину, которая может не только притягивать, но и отталкивать предметы, а в 1745 году Питер ван Мушенбрук сооружает первый в мире накопитель электрического заряда.
В 1800 году итальянец Алессандро Вольта изобретает первый источник тока – электрическую батарею, вырабатывающую постоянный ток. Также он смог передать электрический ток на расстояние. Поэтому именно этот год многие считают годом изобретения электричества.
В 1831 году Майк Фарадей открывает явление электромагнитной индукции и открывает направление для изобретения различных устройств на основе электрического тока.
На рубеже XIX-XX веков совершается огромное количество открытий и достижений, благодаря деятельности Николы Тесла. Среди прочего, он изобрёл высокочастотный генератор и трансформатор, электродвигатель, антенну для радиосигналов.
Наука, изучающая электричество
Электричество – природное явление. Оно частично изучается в биологии, химии и физике. Наиболее полно электрические заряды рассматриваются в рамках электродинамики – одного из разделов физики.
Теории и законы электричества
Законов, которым подчиняется электричество немного, но они полностью описывают явление:
- Закон сохранения энергии – фундаментальный закон, которому подчиняются и электрические явления;
- Закон Ома – основной закон электрического тока;
- Закон электромагнитной индукции – о электромагнитном и магнитном полях;
- Закон Ампера – о взаимодействии двух проводников с токами;
- Закон Джоуля-Ленца – о тепловом эффекте электричества;
- Закон Кулон – об электростатике;
- Правила правой и левой руки – определяющие направления силовых линий магнитного поля и силы Ампера, действующей на проводник в магнитном поле;
- Правило Ленца – определяющее направление индукционного тока;
- Законы Фарадея – об электролизе.
Первые опыты с электричеством
Первые опыты с электричеством носили, в основном, развлекательный характер. Их суть была в лёгких предметах, которые притягивались и отталкивались под действием плохо изученной силы. Другой занимательный опыт – передача электричества через цепочку людей, взявшихся за руки. Физиологическое действие электричества активно изучал Жан Нолле, заставивший пройти электрический заряд через 180 человек.
Из чего состоит электрический ток
Электрический ток – это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц (электронов, ионов). Такие частицы называют носителями электрического заряда. Для того чтобы движение появилось, в веществе должны быть свободные заряженные частицы. Способность заряженных частиц перемещаться в веществе определяет проводимость этого вещества. По проводимости вещества различают на проводники, полупроводники, диэлектрики и изоляторы.
В металлах заряд перемещают электроны. Само вещество при этом никуда не утекает – ионы металла надёжно закреплены в узлах структуры и лишь слегка колеблются.
В жидкостях заряд переносят ионы: положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. Частицы устремляются к электродам с противоположным зарядом, где становятся нейтральными и оседают.
В газах под действием сил с разными потенциалами образуется плазма. Заряд переносится свободными электронами и ионами обоих полюсов.
В полупроводниках, заряд перемещают электроны, перемещаясь от атома к атому и оставляя после себя разрывы, считающиеся положительно заряженными.
Откуда берется электрический ток
Электричество, поступающее по проводам в дома, вырабатывается электрическим генератором на различных электростанциях. На них генератор соединён с постоянно вращающейся турбиной.
В конструкции генератора есть ротор – катушка, которая располагается между полюсами магнита. При вращении турбиной этого ротора в магнитном поле по законам физики появляется или наводится электрический ток. Таким образом назначение генератора – преобразовывать кинетическую силу вращения в электричество.
Заставить турбину крутиться можно многими способами, используя разнообразные источники энергии. Они разделяются на три вида:
- Возобновляемые – энергия, получаемая из неисчерпаемых ресурсов: потоков воды, солнечного света, ветра, геотермальных источников и биотоплива;
- Невозобновляемые – энергия, получаемая из ресурсов, которые возникают очень медленно, несоизмеримо с темпами расходования: уголь, нефть, торф, природный газ;
- Ядерные – энергия, получаемая из процесса ядерного деления клеток.
Чаще всего электроэнергия возникает благодаря работе:
- Гидроэлектростанций (ГЭС) – строятся на реках и используют силу водного потока;
- Тепловых электростанций (ТЭС) – работают на тепловой энергии от сжигания топлива;
- Атомные электростанции (АЭС) – работают на тепловой энергии, получаемой от процесса ядерной реакции.
Преобразованная энергия по проводам поступает в трансформаторные подстанции и распределительные устройства и уже потом доходит до конечного потребителя.
Сейчас активно развиваются так называемые альтернативные виды энергии. К ним относят ветрогенераторы, солнечные батареи, использование геотермальных источников и любые другие способы получить электроэнергию через необычные явления. Альтернативная энергетика сильно уступает по производительности и окупаемости традиционным источникам, но в определённых ситуациях помогают сэкономить и снизить нагрузку на основные электросети.
Также есть миф о существовании БТГ — бестопливных генераторов. В интернете есть ролики демонстрирующие их работу и предлагается их продажа. Но о достоверности этой информации идут большие споры.
Виды электричества в природе
Самый простой пример электричества, возникающего естественным путём – это молнии. Частицы воды в облаках постоянно сталкиваются друг с другом, приобретая положительный или отрицательный заряд. Более лёгкие, положительно заряженные частицы оказываются в верхней части облака, а тяжёлые отрицательные перемещаются вниз. Когда два подобных облака оказываются на достаточно близком расстоянии, но на разной высоте, положительные заряды одного начинают взаимно притягиваться отрицательными частицами другого. В этот момент и возникает молния. Также это явление возникает между облаками и самой земной поверхностью.
Другое проявление электричества в природе – это специальные органы у рыб, скатов и угрей. С их помощью они могут создавать электрические заряды, чтобы обороняться от хищников или оглушать своих жертв. Их потенциал – от совсем слабых разрядов, незаметных для человека, до смертельно опасных. Некоторые рыбы создают вокруг себя слабое электрическое поле, помогающее искать добычу и ориентироваться в мутной воде. Любой физический объект так или иначе искажает его, что помогает воссоздавать окружающее пространство и «видеть» без глаз.
Также электричество проявляется и в работе нервной системы живых организмов. Нервный импульс передаёт информацию от одной клетки к другой, позволяя реагировать на внешние и внутренние раздражители, мыслить и управлять своими движениями.
Кто изобрел лампочку первым?
Что такое статическое электричество и как с ним бороться?
Сила Лоренца и правило левой руки. Движение заряженных частиц в магнитном поле
Что такое ЭДС индукции и когда возникает?
Что такое электрический ток простыми словами
Определение направления вектора магнитной индукции с помощью правила буравчика и правила правой руки