Энергия – мера движения материи.

Вводная теория

Энергия – мера движения материи.

Различные виды энергии – это проявление тех или иных форм движения материи. Механическая энергия проявляется при механическом движении тел, тепловая – при молекулярно-атомном движении, атомная – при ядерных реакциях внутри атомов, химическая – при химических реакциях веществ, электромагнитная – в электромагнитных процессах.

Электрическая энергия – та часть электромагнитной энергии, за счет которой в приборе, включенном в электрическую цепь, выделяется теплота, свет, происходит электролиз, появляется механическое усилие.

Электричество – это понятие, определяющее всю совокупность явлений, связанных с существованием, движением и взаимодействием электрических зарядов.

Теперь немного истории.

Одним из первых электричество привлекло внимание греческого философа Фалеса в VII веке до н. э., который обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь приобретает свойства притягивать легкие предметы. Однако долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году появился сам термин электричество («янтарность»), а в 1650 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. В 1729 году англичанин Стивен Грей провел 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 шелк и смолы о шерсть. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создает первый электрический конденсатор — Лейденская банка.

Первую теорию электричества создает американец Б. Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает громоотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в плоскость точной науки после открытия в 1785 году Закона Кулона.

Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 г. изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 г. Василий Петров обнаружил вольтову дугу.

В 1820 год 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. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830).

Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создает на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привел 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. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита. Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка английским физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 году.

В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 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 год был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединенную теорию электрослабых взаимодействий.

Теперь теория.

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. Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные (выбор, какой именно заряд назвать положительным, а какой отрицательным, считается в науке чисто условным, однако этот выбор уже исторически сделан и теперь — хоть и условно — за каждым из зарядов закреплен вполне определенный знак). Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются.

Силу взаимодействия зарядов определяют по закону Кулона.

При движении заряженных тел (как макроскопических тел, так и микроскопических заряженных частиц, переносящих электрический ток в проводниках) возникает магнитное поле и имеют, таким образом, место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм) (Эрстед, Фарадей, Максвелл). В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к заряженным элементарным частицам, например, электрон имеет отрицательный заряд, а протон и позитрон — положительный.

Наиболее общая фундаментальная наука, имеющая предметом электрические заряды, их взаимодействие и поля, ими порождаемые и действующие на них (то есть практически полностью покрывающая тему электричества, за исключением таких деталей, как электрические свойства конкретных веществ, как то электропроводность и т.п.) — это электродинамика. Квантовые свойства электромагнитных полей, заряженных частиц и т.п. изучаются наиболее глубоко квантовой электродинамикой, хотя часть из них может быть объяснена более простыми квантовыми теориями.

Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представляющее собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.

Если на теле создан избыток или недостаток электронов, то говорят, что оно обладает зарядом q. Единицей измерения заряда q является кулон (К) - это заряд, которым обладают 6.25∙10¹⁸ электронов.

Вокруг такого тела (заряда) существует электрическое поле, каждая точка которого характеризуется потенциалом φ. Потенциал – это работа, которую необходимо совершить для переноса одного кулона положительного заряда из бесконечности в данную точку поля. Единицей измерения потенциала является вольт (В). Вольт – это потенциал такой точки поля, при переносе в которую одного кулона положительного заряда совершается работа в один джоуль.

В проводниках первого рода (металлах) носителями заряда являются свободные электроны. Если концы проводника присоединены к точкам электрического поля, имеющим разность потенциалов (напряжение U =φ_{А –} φ_В), то электроны начнут двигаться между атомами проводника от точки с меньшим потенциалом (минус источника тока) к точке с большим потенциалом (плюс источника тока). Тем не менее, за направление тока принято считать противоположное направление (от плюса к минусу), в котором двигались бы положительные заряды, если бы они находились между атомами проводника.

Интенсивность прохождения заряда через поперечное сечение проводника (интенсивность тока) оценивается силой тока (I).Сила тока – это отношение количества заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения (I=q/t), т. е. – это количество заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за одну секунду. Единицей измерения тока является ампер (А). Ампер – это такая сила тока, при которой через поперечное сечение проводника заряд 1 кулон проходит за одну секунду.

При движении электроны преодолевают сопротивление, сталкиваясь с атомами проводника. Величина сопротивления (R) равна отношению приложенного напряжения к силе тока R = U/I (закон Ома), т.е. сопротивление численно равно напряжению, которое необходимо приложить к концам проводника для того, чтобы сила тока установилась равной 1 амперу. Единицей измерения сопротивления является 1 Ом. Ом – это сопротивление такого проводника, через который протекает ток 1 ампер при напряжении 1 вольт.

Сопротивление проводника сечением 1 м² длиной 1 м зависит только от материала проводника и его температуры и называется удельным сопротивлением ρ, величина которого при температуре 20 ^оС ρ₂₀ для различных материалов проводников приводится в справочниках. Сопротивление проводника произвольных размеров будет тем больше, чем больше его длина и меньше сечение R₂₀= ρ₂₀l/S. Откуда единица измерения удельного сопротивления равна Ом∙м.

Если известно сопротивление при 20^оС, то сопротивление при любой температуре находится по формуле R_T = R₂₀ + αR₂₀(T-20), где Т – температура проводника в градусах Цельсия; α – температурный коэффициент сопротивления, 1/^оС. Температурный коэффициент сопротивления – это прирост сопротивления проводника величиной 1 Ом при нагреве проводника на 1 ^оС.

В проводниках второго рода (растворах кислот, солей или оснований) носителями тока являются диссоциированные в воде ионы растворённых веществ – положительные (катионы) и отрицательные (анионы). Способность растворов пропускать электрический ток удобнее всего оценивать величиной, обратной сопротивлению, – проводимостью. Проводимость – это отношение тока к приложенному напряжению. Иными словами проводимость численно равна протекающему через проводник току при напряжении 1 вольт (g=I/U). Измеряется проводимость в сименсах (См). Сименс – это такая проводимость, при которой через проводник при напряжении 1 вольт протекает ток 1 ампер. Проводимость проводников второго рода тем больше, чем больше температура, концентрация раствора и площадь S электродов и чем меньше расстояние d между электродами.

Проводимость между плоскими электродами сечением 1 м² при расстоянии между ними 1 м называется удельной проводимостью g. Она зависит только от свойств электролита и не зависит от размеров электродов. Измеряется она в См/м. Один См/м это такая удельная проводимость, при которой между плоскими электродами сечением 1 м² при расстоянии между ними 1 м проводимость равна одному сименсу. Если известна удельная проводимость, то проводимость между электродами определяется по формуле g=gS/d (R=1/g; r=1/g).

Удельная проводимость воды линейно увеличивается с увеличением температуры:

,

где – удельная проводимость при температуре воды 20 ^оС.

Увеличение проводимости связано с возрастанием подвижности ионов при нагреве воды.

Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Постоянный ток – ток, неизменный во времени.

Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой.

Электрические цепи бывают разветвленные и неразветвленные.

Ветвь – участок цепи, образованный последовательно соединенными элементами (через которые течет одинаковый ток) и заключенный между двумя узлами. Узел – точка цепи, в которой сходятся не менее трех ветвей.

Дата добавления: 2015-08-28