Протягом тисячоліть явище, відоме як електрика, означало різні речі для різних людей. У стародавніх суспільствах електрика, а точніше блискавка, надихала деяких із наймогутніших богів у пантеонах по всьому світу. На зорі наукової революції електрика була не більш ніж цікавим трюком. У 19-му столітті дослідження електромагнетизму стало великим підприємством, яке заробляло гроші. Сьогодні вчені розуміють самі атомні властивості, які живлять наш світ.
Але навіть із таким надзвичайним обсягом знань залишається багато питань щодо таємниць електрики. Питань настільки багато, що 2600-річна історія електрики — і електромагнітної сили загалом — насправді тільки починається.
Давнє походження
Вивчення електрики, як і багато інших наукових досліджень, бере свій початок у Стародавній Греції.
Народжений в 624 році до нашої ери, Фалес з Мілета є одним із семи мудреців Греції та досократичним філософом, якого багато хто вважає першим ученим у світі. Фалес досліджував устрій світу, створював математичні теореми, експериментував з магнетизмом і записав перше відоме спостереження електростатичних явищ.
Під час своїх експериментів Фалес натирав різні матеріали разом, щоб проаналізувати їхній електростатичний ефект. Він помітив, що бурштин при терті об коноплі або котячу шерсть набуває заряду, який може притягувати легкі матеріали, такі як пил або попіл. Це давнє відкриття визначило найменування явища потоку електронів, тому що грецькою слово «бурштин» означає elektron.
Звичайно, Фалес в той час не знав про електричні заряди, але явище притяжіння було викликано позитивно або негативно зарядженими об’єктами. Завдяки процесу, відомому як «трибоелектричний ефект», тертя може спричинити перенесення електронів між об’єктами і предмет із зменшеною кількістю електронів набуває позитивної зарядженості, а предмет із збільшеною кількістю електронів — негативної зарядженості. Оскільки протилежні заряди притягуються, бурштин Фалеса притягував протилежний заряд, який міститься в пилу та попелі.
Протягом тисячоліть після Фалеса електрика залишалася непоясненим природним явищем часто з божественними поясненнями і в основному недослідженою цікавістю, але в 17 столітті статична електрика знову дала поштовх для відкриттів, які змінили світ.
Салонні фокуси та революції
На початку XVIII століття англійський учений Френсіс Хоксбі, колишній лаборант Ісаака Ньютона, винайшов те, що він назвав «електростатичним двигуном». Він помістив ртуть у скло, видалив повітря та створив електростатичний заряд, потерши рукою зовнішню сторону скла, створивши один із перших електричних генераторів.
Потім, у 1729 році, вчений-любитель на ім’я Стівен Ґрей провів електростатичні експерименти (які включали підвішування хлопчика на шовковій мотузці) і виявив, що електрика може проходити через контакт, створивши перші ідеї електричного струму, а також провідників та ізоляторів.
У матеріалознавстві провідники — це об’єкти, як правило, метали, які містять нещільно упаковані електрони, які забезпечують вільний потік електронів (наприклад, мідь, цинк і золото), тоді як ізолятори — навпаки, наповнені щільно упакованими електронами, як кераміка, скло, шовкові мотузки і електронам дуже важко переміщватися в ізоляторах.
Жодне з цих відкриттів спочатку не приносило великої користі, і тому ці форми генерації електрики та статики стали цікавими розважальними трюками. Але іскра спалахнула, і вчені, багато з яких з благоговінням дивувалися цим незрозумілим електрифікованим виставам, вирішили копнути глибше.
Демонстрація лейденської глеки з дерева XIX століття.
Одним із цих вчених був Пітер ван Мусшенбрук, який під час роботи в Лейдені, Нідерланди, створив банку, яка могла ефективно розсіювати статичну електрику. Цей пристрій, відомий як Лейденська банка, зараз використовується в усіх наших електронних пристроях і має іншу назву: конденсатор.
Бенджамін Франклін також відвідав демонстрацію «літаючого хлопчика» в Бостоні, а в 1752 році він почав відкривати тонкощі блискавки. Франклін винайшов «позитивний» і «негативний» терміни електричного заряду, а також з’єднав разом колекцію Лейденських банок, щоб зробити те, що він назвав «батареєю». Франклін думав, що пристрій імітує конфігурацію «батареї» військової артилерії.
Ілюстрація електричної машини Хаузена, 1850 рік.
Незважаючи на всі ці досягнення, епістемологічні знання про властивості електрики все ще залишалися загадкою.
Сучасне диво
Наприкінці 18 століття наукове суперництво між італійськими вченими Алессандро Вольтою та Луїджі Гальвані відкрило знання про внутрішню роботу електрики, про те, як вона працює в організмі людини, і, що важливо, як вона може зберігатися, а також як можна виробляти безперервний електричний заряд.
Працюючи над тим, щоб спростувати твердження Гальвані про те, що «тваринна електрика» відрізняється від інших форм електрики, Вольта створив вольтовий стовп — вежу з мідних і цинкових дисків, розділених папером, змоченим у розсолі — це була перша в світі батарейка.
Тепер шлюзи електричного винахідництва дійсно відкрилися. У 1831 році Майкл Фарадей відкрив електромагнітну індукцію і створив перший електричний генератор. Це, мабуть, найбільше відкриття епохи електрики, оскільки тепер механічну енергію можна перетворити на електрику.
Сьогодні електростанції — на вугіллі, природному газі, атомній енергіїї чи вітрі — використовують турбіни та динамо-машини, засновані на ефекті електромагнітної індукції.
Один із дискових електричних генераторів Фарадея 1889 року.
Завдяки цим відкриттям Семюель Морзе винайшов телеграф і надіслав перше повідомлення в 1844 році.
Очевидні комерційні переваги телеграфу разом із рівняннями електромагнетизму Джеймса Клерка Максвелла в 1860-х роках спричинили безпрецедентний вибух інновацій. Томас Едісон створив першу в світі електростанцію, Нікола Тесла винайшов змінний струм та зробив ці електростанції життєздатними, Гульєльмо Марконі досліджував тип електромагнітного випромінювання, відомий як радіохвилі та створив радіо.
Нарешті, приблизно через 2500 років після того, як Фалес з Мілета дивувався привабливим властивостям свого бурштину, відкриття електрона Дж. Дж. Томпсоном у 1897 році та атомного ядра Ернестом Резерфордом у 1911 році нарешті допомогли пояснити, що саме таке електрика.
Отже… Як працює електрика?
Електрика разом із магнетизмом є частиною однієї з чотирьох фундаментальних сил природи — тяжіння, електромагнетизму, слабкої ядерної сили та сильної ядерної сили — і зосереджена на взаємодії заряджених частинок через електромагнітні поля.
Але з точки зору електрики, це все про електрон: субатомну частинку, яку вперше теоретизував французький фізик Андре-Марі Ампер на початку 19 століття, а потім описав як «електродинамічну молекулу».
Кожен атом складається з ядра протонів і нейтронів, оточених кількома «оболонками», що містять електрони. У той час як електрони поблизу ядра мають сильну силу притягання, електрони, розташовані найдальше у так званій «валентній оболонці», мають набагато слабшу силу.
Ілюстрація атома. Протони і нейтрони містяться в центрі, відомому як ядро. Електрони рухаються по орбіті в оболонках, зовнішня з яких називається валентною оболонкою.
Іноді ці слабкі електрони можуть виштовхуватися зі своїх орбіт і подорожувати від одного атома до іншого. Ці рухомі електрони є тим, що називається електричним струмом.
Оскільки такі провідники, як мідь і срібло, мають лише один електрон у своїй валентній оболонці, ці елементи легко приймають більше електронів, що робить їх добрими провідниками.
З іншого боку, ізолятори мають повну або майже повну оболонку, що робить їх стійкими до переміщення електричних зарядів.
Ще є напівпровідники, які знаходяться десь посередині, тобто вони не так добре проводять електрони, як провідики в звичайних умовах. Але напівпровідники можуть стати чудовим провідником за допомогою нагрівання, легування або, що найважливіше, електричних полів. Найвідомішим із напівпровідникових матеріалів є кремній – саме він робить можливими гаджети (як той, на якому ви це читаєте). Кремній дозволяє створити транзистори – пристрій, який може контролювати потік електронів і часто управління транзистором виконується за допомогою електричного поля. Багато в чому саме транзистор перевернув сторінку від аналогової електричної революції до цифрової.
Основні терміни електрики
Ватт: одиниця потужності, що дорівнює одному джоулю роботи за секунду, названа на честь шотландського винахідника Джеймса Ватта, творця парової машини.
Вольт: різниця електричних потенціалів між двома точками, названа на честь італійського винахідника Алессандро Вольта, творця першої в світі батареї — вольтової батареї.
Ампер: один ампер дорівнює певному потоку струму (кулон), що проходить повз точку за одну секунду, і названий на честь французького фізика Андре-Марі Ампера, який першим висунув теорію про існування електрона.
Ом: одиниця електричного опору в ланцюзі, коли один ампер піддається різниці потенціалів в один вольт і названа на честь німецького фізика Георга Ома, чий однойменний закон виражає зв’язок між вольтом, ампером і омом.
Герц: одиниця частоти, яка еквівалентна циклу в секунду, і названа на честь Генріха Рудольфа Герца, який надав перший доказ електромагнітних хвиль, вперше передбачених Джоном Клерком Максвеллом.
Як працює електрика в будинку?
Енергія, якою ви насолоджуєтесь у своєму домі, створюється електростанцією, яка може бути за сотні кілометрів. Електромагнітна енергія, що проходить через ваш дім, була згенерована електростанцією мілісекунди тому і тут же спожита.
Хоча самі електрони рухаються дуже повільно, електромагнітні хвилі, які вони поширюють, рухаються майже зі швидкістю світла. Отже, це поле може подорожувати на великі відстані.
Оскільки матеріали опираються великому потоку електричного стуму (амперам), інженери йдуть на компроміс. Вони підвищуюють напругу, що пропорційно знижує ампери, які нагрівають дроти. Утім, частину енергії доводиться втрачати, щоб понизити високу напругу до низької для вашої домівки.
Електроніка та освітлення у вашому домі – це, по суті, схеми. Коли ви вмикаєте світло, ви створюєте суцільний дріт від електростанції до вашої лампочки. Коли ви вимикаєте те світло, ви розмикаєте цей ланцюг. Те саме можна сказати про ваш телевізор, холодильник і зарядний пристрій для телефону — усе, що підключено до розетки, використовує цю систему.
Як працює електрика в телефоні чи комп’ютері?
Хоча це пояснює як працюють підключені до розеток пристрої в наших домівках, мобільні пристрої не потребують потійного підключення до розетки. Як мобільні пристрої зберігають електричний заряд протягом дня? Відповіддю є акумулятори – набір позитивно та негативно заряджеих пластин, просочений рідиною, що дозволяє електричним зарядам переходити між пластинами.
Коли вільні електрони в акумуляторі закінчуються, він уже не може живити гаджет і треба зарядити акумулятор. Коли ви заряджаєте телефон, іони літію вивільняються катодом і повертаються до анода. З часом хімічна речовина акумулятора псується, що зеншує ємність акумулятора.
Літій-іонний акумулятор для електромобіля.
Яке майбутнє електрики?
Інноваційна сила електрики тільки починається. В епоху зміни клімату інженери наполегливо працюють над пошуком шляхів створення стійких первинних джерел енергії (одноразових батарейок) та створення вторинного джерела енергії (акумуляторів із можливістю повторного заряджання), і усунення нашої залежності від вугілля та природного газу. Хоча це передбачає подальший розвиток вітрової, сонячної та ядерної енергетики, воно також включає технології наступного покоління, як-от ядерний синтез.
Вчені розробляють також кращі технології передавання електричної енергії дротами та шукають способи відмовитися від дротів. Лише уявіть смартфон, який ніколи не треба ставити на зарядку, бо він заряджається без дротів.
За матеріалами: Popular Mechanics
