Die moderne Welt ist ohne Elektrizität nicht möglich. Heutzutage denkt niemand mehr über die Technologie seiner Herstellung nach, und in der Antike kannte man ein solches Wort nicht einmal. Aber schon damals gab es neugierige Köpfe. Im Jahr 700 v. Chr. bemerkte der aufmerksame griechische Philosoph Thales, dass Bernstein begann, leichte Objekte anzuziehen, wenn es zu Reibung mit Wolle kam. An diesem Punkt hörte das Wissen auf.

Weiterentwicklung des Wissens

Erst viele Jahrhunderte später erfuhr dieser Wissenszweig eine Weiterentwicklung. Der englische Physiker und nebenamtliche Arzt am königlichen Hof, William Gilbert, der die besten Universitäten Oxford und Cambridge absolvierte, wurde zum Begründer der Elektrizitätswissenschaft. Er erfand den ersten Prototyp des Elektroskops namens Versor und mit seiner Hilfe fand ich heraus, dass nicht nur Bernstein, sondern auch andere Steine ​​die Eigenschaft haben, kleine Gegenstände (Strohhalme) anzuziehen. Zu den „elektrischen“ Mineralien gehören:

• Diamant;
• Amethyst;
• Glas;
• Opal;
• Karborund;
• Schiefer;
• Saphir;
• Bernstein.

Mit dem Gerät konnte der Wissenschaftler mehrere interessante Entdeckungen machen. Darunter: der gravierende Einfluss von Flammen auf die elektrischen Eigenschaften von Körpern, die durch Reibung entstanden sind. Gilbert schlug auch vor, dass Donner und Blitz Phänomene elektrischer Natur seien.

Der Begriff „Elektrizität“ selbst tauchte erstmals im 16. Jahrhundert auf. Im Jahr 1663 schuf der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke eine spezielle Forschungsmaschine. Mit seiner Hilfe konnte man die Wirkung von Anziehung und Abstoßung beobachten.

Erste Experimente mit Elektrizität

Im Jahr 1729 führte der Wissenschaftler Stephen Gray in England das erste Experiment zur Übertragung von Elektrizität über eine kurze Distanz durch. Doch dabei wurde festgestellt, dass nicht alle Körper Elektrizität übertragen können. Vier Jahre nach der ersten ernsthaften Forschung entdeckte der französische Wissenschaftler Charles Dufay das Es gibt zwei Arten elektrischer Ladung: Glas und Harz, je nach dem für die Reibung verwendeten Material.

Mitte des 17. Jahrhunderts stellt Pieter van Musschenbroek in Holland einen Kondensator namens „Leyden-Glas“ her. Kurze Zeit später erschien die Theorie von Benjamin Franklin und es wurden erste Studien durchgeführt, die die Theorie experimentell bestätigten. Die durchgeführte Forschung wurde zur Grundlage für die Entwicklung eines Blitzableiters.

Danach wurde eine neue Wissenschaft entdeckt, die untersucht wird. Und 1791 wurde von Galvani „Eine Abhandlung über die Kraft der Elektrizität in der Muskelbewegung“ veröffentlicht. Im Jahr 1800 war es der italienische Erfinder Volta eine neue aktuelle Quelle erstellt sogenannte galvanische Zelle. Bei diesem Gerät handelt es sich um ein Objekt in Form einer Säule aus Zink und Silberringe getrennt durch in Salzwasser getränkte Papierstücke. Ein paar Jahre später entdeckt der russische Erfinder Wassili Petrow den „Volta-Bogen“.

Etwa im selben Jahrzehnt erfand der Physiker Jean Antoine Nollet das erste Elektroskop, das den schnelleren „Abfluss“ von Elektrizität aus scharf geformten Körpern aufzeichnete und eine Theorie über die Wirkung von Strom auf lebende Organismen entwickelte. Dieser Effekt wurde zur Grundlage für die Erfindung des medizinischen Elektrokardiographen. Im Jahr 1809 begann eine neue Ära auf dem Gebiet der Elektrizität, als der Engländer Delarue die Glühlampe erfand. Schon in 100 Jahren Es erschienen moderne Glühbirnen mit einer Wolframspirale und Füllen mit Inertgas. Ihr Entwickler war Irving Langmuir.

Komplexe Forschung und großartige Entdeckungen

IN Anfang des 18. Jahrhunderts Jahrhundert verfasste Michael Faraday eine Abhandlung über das elektromagnetische Feld.

Die elektromagnetische Wechselwirkung wurde 1820 bei Experimenten des dänischen Wissenschaftlers Oersted entdeckt, und ein Jahr später verband der Physiker Ampere in seiner Theorie Elektrizität und Magnetismus. Diese Studien wurden zur Grundlage für die Entstehung moderne Wissenschaft- Elektrotechnik.

Im Jahr 1826 konnte Georg Simon Ohm aufgrund seiner Experimente das Grundgesetz des Stromkreises formulieren und neue Begriffe der Elektrotechnik einführen:

• "Leitfähigkeit";
• "elektromotorische Kraft";
• „Spannungsabfall im Stromkreis.“

Oersteds Anhänger war Andre-Marie Ampère, der eine Regel zur Bestimmung der Stromrichtung auf einer Magnetnadel formulierte. Dieses Muster hat viele Namen erhalten, einer davon ist „Regel“. rechte Hand" genau Er erfand den Verstärker für elektromagnetische Felder- Multiwindungsspulen bestehend aus Kupferdraht mit eingebauten Weicheisenkernen. Basierend auf dieser Entwicklung wurde 1829 der elektromagnetische Telegraph erfunden.

Eine neue Forschungsrunde

Als der berühmte englische Wissenschaftler auf dem Gebiet der Physik Michael Faraday mit der Arbeit von H. Oersted vertraut wurde, forschte er auf dem Gebiet der Beziehung zwischen elektromagnetischen und elektrischen Phänomenen und entdeckte, dass sich ein Magnet um einen Stromleiter dreht und umgekehrt Ein Leiter dreht sich um einen Magneten.

Nach diesen Experimenten versuchte der Wissenschaftler weitere 10 Jahre lang, Magnetismus in elektrischen Strom umzuwandeln, und zwar als Ergebnis entdeckte die elektromagnetische Induktion und die Grundlagen der elektromagnetischen Feldtheorie und trug auch dazu bei, die Grundlage für die Entstehung eines neuen Wissenschaftszweigs zu schaffen – der Funktechnik. In den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts, als auf dem Territorium der UdSSR mit der groß angelegten Elektrifizierung begonnen wurde, tauchte der Begriff „Iljitschs Glühbirne“ auf.

Da viele Entwicklungen parallel in verschiedenen Ländern durchgeführt wurden, streiten sich Historiker darüber, wer die Elektrizität zuerst erfunden hat. Viele Wissenschaftler und Erfinder haben ihre Kraft und ihr Wissen zur Entwicklung der Elektrizitätswissenschaft beigetragen: Ampere und Lenz, Joule und Ohm. Dank dieser Bemühungen haben moderne Menschen keine Probleme, die Stromversorgung ihrer Häuser und anderer Räumlichkeiten zu organisieren.

Was ist Elektrizität?

Elektrizität ist eine Reihe physikalischer Phänomene, die mit dem Vorhandensein elektrischer Ladung verbunden sind. Obwohl Elektrizität zunächst als ein vom Magnetismus getrenntes Phänomen betrachtet wurde, erkannte man mit der Entwicklung der Maxwell-Gleichungen beide als Teil eines einzigen Phänomens: des Elektromagnetismus. Mit Elektrizität werden verschiedene häufige Phänomene in Verbindung gebracht, wie z. B. Blitzschlag, statische Elektrizität, elektrische Erwärmung, elektrische Entladungen und viele andere. Darüber hinaus ist Elektrizität die Grundlage vieler moderner Technologien.

Das Vorhandensein einer elektrischen Ladung, die entweder positiv oder negativ sein kann, erzeugt ein elektrisches Feld. Andererseits Bewegung elektrische Aufladungen, der elektrische Strom genannt wird, erzeugt ein Magnetfeld.

Wenn eine Ladung an einem Punkt mit einem elektrischen Feld ungleich Null platziert wird, wird eine Kraft auf sie ausgeübt. Die Größe dieser Kraft wird durch das Coulombsche Gesetz bestimmt. Wenn also diese Ladung bewegt würde, würde das elektrische Feld die Aufgabe übernehmen, die elektrische Ladung zu bewegen (abzubremsen). Wir können also über das elektrische Potential an einem bestimmten Punkt im Raum sprechen, gleich der Arbeit, die ein externer Agent leistet, um eine Einheit positiver Ladung von einem willkürlich gewählten Referenzpunkt ohne Beschleunigung zu diesem Punkt zu übertragen, und in der Regel gemessen in Volt.

In der Elektrotechnik wird Strom verwendet für:

• Bereitstellung von Elektrizität an Orten, an denen elektrischer Strom zur Stromversorgung von Geräten verwendet wird;
• im Umgang mit Elektronik Stromkreise, einschließlich aktiv elektrische Bauteile, wie Vakuumröhren, Transistoren, Dioden und integrierte Schaltkreise sowie zugehörige passive Elemente.

Elektrische Phänomene werden seit der Antike untersucht, Fortschritte im theoretischen Verständnis begannen jedoch erst im 17. und 18. Jahrhundert. Sogar dann praktischer Nutzen Elektrizität war selten und Ingenieure konnten sie erst Ende des 19. Jahrhunderts für Industrie- und Wohnzwecke nutzen. Schnelle Expansion elektrische Technologien Dieses Mal veränderte Industrie und Gesellschaft. Die Vielseitigkeit von Elektrizität besteht darin, dass sie in nahezu unbegrenzten Branchen eingesetzt werden kann, beispielsweise im Transport-, Heizungs-, Beleuchtungs-, Kommunikations- und Computerbereich. Elektrizität ist heute die Grundlage der modernen Industriegesellschaft.

Geschichte der Elektrizität

Schon lange bevor es Kenntnisse über Elektrizität gab, kannte man elektrische Fischschocker. Altägyptische Texte aus dem Jahr 2750 v. Chr. Chr. nannten sie diese Fische „Donnerkeil des Nils“ und beschrieben sie als „Beschützer“ aller anderen Fische. Beweise für elektrische Fische tauchen Tausende von Jahren später von antiken griechischen, römischen und arabischen Naturforschern und Ärzten wieder auf. Mehrere antike Schriftsteller, wie Plinius der Ältere und Scribonius Largus, bezeugen Taubheitsgefühle als Folge von Elektroschocks, die von Welsen und Zitterrochen erzeugt werden, und sie wussten auch, dass solche Schocks durch leitende Objekte übertragen werden könnten. Patienten, die an Krankheiten wie Gicht oder Kopfschmerzen litten, wurden angewiesen, solche Fische zu berühren, in der Hoffnung, dass ein starker Elektroschock sie heilen könnte. Es ist möglich, dass der früheste und naheliegendste Ansatz zur Entdeckung der Identität von Blitz und Elektrizität aus einer anderen Quelle von den Arabern stammte, die bis zum 15. Jahrhundert in ihrer Sprache das Wort für Blitz (raad) für elektrische Strahlen verwendeten.

Alte mediterrane Kulturen wussten, dass das Reiben bestimmter Gegenstände wie Bernsteinstäbchen mit dem Fell einer Katze leichte Gegenstände wie Federn anlockt. Thales von Milet machte um 600 v. Chr. eine Reihe von Beobachtungen statischer Elektrizität und folgerte daraus, dass Reibung notwendig sei, damit Bernstein Objekte anziehen könne, im Gegensatz zu Mineralien wie Magnetit, die keine Reibung erforderten. Thales glaubte zu Unrecht, dass die Anziehungskraft von Bernstein auf einen magnetischen Effekt zurückzuführen sei, doch später bewies die Wissenschaft den Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität. Einer kontroversen Theorie zufolge, die auf der Entdeckung der Bagdad-Batterie im Jahr 1936 basiert, die einer Voltaikzelle ähnelt, obwohl unklar ist, ob das Artefakt elektrischer Natur war, könnten die Parther von der Galvanisierung gewusst haben.

Elektrizität weckte jahrtausendelang kaum mehr als intellektuelle Neugier, bis der englische Wissenschaftler William Gilbert im Jahr 1600 eine gründliche Untersuchung von Elektrizität und Magnetismus durchführte und den „Magnetit“-Effekt von der statischen Elektrizität unterschied, die durch das Reiben von Bernstein entsteht. Er prägte das neue lateinische Wort electricus („Bernstein“ oder „wie Bernstein“, von ἤλεκτρον, Elektron, aus dem Griechischen: „Bernstein“), um die Eigenschaft von Gegenständen zu bezeichnen, kleine Gegenstände nach dem Reiben anzuziehen. Aus dieser sprachlichen Assoziation entstand englische Wörter„elektrisch“ und „Elektrizität“, die erstmals 1646 in Thomas Brownes Pseudodoxia Epidemica gedruckt erschienen.

Weitere Arbeiten wurden von Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray und Charles Francois Dufay durchgeführt. Im 18. Jahrhundert führte Benjamin Franklin umfangreiche Forschungen zur Elektrizität durch und verkaufte seine Anteile, um seine Arbeit zu finanzieren. Im Juni 1752 befestigte er einen Metallschlüssel an der Unterseite der Drachenschnur und ließ den Drachen in einen stürmischen Himmel fliegen. Eine Folge von Funken, die vom Schlüssel auf den Handrücken sprangen, zeigte, dass der Blitz tatsächlich elektrischer Natur war. Er erklärte auch das scheinbar paradoxe Verhalten des Leidener Glases als Gerät zur Speicherung großer Mengen elektrischer Ladung, bestehend aus positiven und negativen Ladungen.

Im Jahr 1791 verkündete Luigi Galvani seine Entdeckung des Bioelektromagnetismus und zeigte damit, dass Elektrizität das Mittel ist, mit dem Neuronen Signale an Muskeln übertragen. Akkumulatorbatterie Der Alessandro Volta oder Galvanisierungspfahl des 19. Jahrhunderts wurde aus abwechselnden Schichten von Zink und Kupfer hergestellt. Für Wissenschaftler war es eine zuverlässigere Quelle elektrischer Energie als die zuvor verwendeten elektrostatischen Maschinen. Das Verständnis des Elektromagnetismus als Einheit elektrischer und magnetischer Phänomene gelang Oersted und Andre-Marie Ampère in den Jahren 1819-1820. Michael Faraday erfand 1821 den Elektromotor und Georg Ohm analysierte 1827 den Stromkreis mathematisch. Elektrizität und Magnetismus (und Licht) wurden schließlich von James Maxwell miteinander verbunden, insbesondere in seinem Werk On Physical Lines of Force aus den Jahren 1861 und 1862.

Während die Wissenschaft der Elektrizität im frühen 19. Jahrhundert weltweit rasante Fortschritte machte, wurden die größten Fortschritte im Bereich der Elektrotechnik im späten 19. Jahrhundert erzielt. Mit der Hilfe von Menschen wie Alexander Graham Bell, Otto Titus Blaty, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Anjos Istvan Jedlik, William Thomson, 1. Baron Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Wilson Swan, Reginald Fessenden, Nikola Tesla und George Westinghouse entwickelten sich Elektrizität von einer wissenschaftlichen Kuriosität zu einem unverzichtbaren Werkzeug für das moderne Leben und wurden zur treibenden Kraft hinter der zweiten industriellen Revolution.

Im Jahr 1887 entdeckte Heinrich Hertz, dass mit ultraviolettem Licht beleuchtete Elektroden leichter elektrische Funken erzeugen als unbeleuchtete. Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein eine Arbeit, in der er experimentelle Beweise für den photoelektrischen Effekt als Ergebnis der Übertragung von Lichtenergie durch diskrete quantisierte Pakete erläuterte, die Elektronen anregen. Diese Entdeckung führte zur Quantenrevolution. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik für seine „Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“. Der photovoltaische Effekt wird auch in Photovoltaikzellen, wie sie in Solarmodulen zum Einsatz kommen, genutzt und häufig zur Stromerzeugung für kommerzielle Zwecke genutzt.

Das erste Halbleiterbauelement war der Katzenschnurrbart-Detektor, der erstmals im 20. Jahrhundert in Radios eingesetzt wurde. Ein schnurrhaarartiger Draht wird in Lichtkontakt mit einem festen Kristall (z. B. einem Germaniumkristall) gebracht, um durch einen Kontaktübergangseffekt ein Funksignal zu erfassen. In einer Halbleiterbaugruppe wird Strom an Halbleiterelemente und Anschlüsse geliefert, die speziell zum Schalten und Verstärken des Stroms ausgelegt sind. Elektrischer Strom kann in zwei Formen dargestellt werden: als negativ geladene Elektronen und auch als positiv geladene Elektronenleerstellen (ungefüllte Elektronenräume in einem Halbleiteratom), sogenannte Löcher. Diese Ladungen und Löcher werden aus der Perspektive der Quantenphysik verstanden. Das Baumaterial ist meist ein kristalliner Halbleiter.

Die Entwicklung von Halbleiterbauelementen begann mit der Erfindung des Transistors im Jahr 1947. Gängige Halbleiterbauelemente sind Transistoren, Mikroprozessorchips usw Arbeitsspeicher. In USB-Flash-Laufwerken wird ein spezieller Speichertyp namens Flash-Speicher verwendet, und in jüngerer Zeit ersetzen Solid-State-Laufwerke mechanisch rotierende magnetische Festplattenlaufwerke. Halbleiterbauelemente wurden in den 1950er und 1960er Jahren im Zuge des Übergangs von Vakuumröhren zu Halbleiterdioden, Transistoren, integrierten Schaltkreisen (ICs) und Leuchtdioden (LEDs) weit verbreitet.

Grundbegriffe der Elektrizität

Elektrische Ladung

Das Vorhandensein einer Ladung führt zu einer elektrostatischen Kraft: Ladungen üben eine Kraft aufeinander aus. Dieser Effekt war bereits in der Antike bekannt, obwohl man ihn damals noch nicht verstand. Eine an einer Schnur aufgehängte Lichtkugel kann aufgeladen werden, indem man sie mit einem Glasstab berührt, der zuvor durch Reiben am Stoff aufgeladen wurde. Eine ähnliche Kugel, die von demselben Glasstab aufgeladen wird, wird von der ersten abgestoßen: Durch die Ladung trennen sich die beiden Kugeln voneinander. Auch die beiden Kugeln, die vom geriebenen Bernsteinstab aufgeladen werden, stoßen sich gegenseitig ab. Wenn jedoch eine Kugel durch einen Glasstab und die andere durch einen Bernsteinstab aufgeladen wird, beginnen beide Kugeln, sich gegenseitig anzuziehen. Diese Phänomene wurden Ende des 18. Jahrhunderts von Charles Augustin de Coulomb untersucht, der zu dem Schluss kam, dass Ladung in zwei entgegengesetzten Formen auftritt. Diese Entdeckung führte zu dem bekannten Axiom: Gleich geladene Objekte stoßen sich ab und entgegengesetzt geladene Objekte ziehen sich an.

Die Kraft wirkt auf die geladenen Teilchen selbst, daher neigt die Ladung dazu, sich möglichst gleichmäßig über die leitende Oberfläche zu verteilen. Die Größe einer elektromagnetischen Kraft, ob anziehend oder abstoßend, wird durch das Coulombsche Gesetz bestimmt, das besagt, dass die elektrostatische Kraft proportional zum Produkt der Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist sehr stark, sie ist nur der starken Wechselwirkung überlegen, wirkt aber im Gegensatz zu dieser in jeder Entfernung. Im Vergleich zu den deutlich schwächeren Gravitationswechselwirkung, die elektromagnetische Kraft, drückt zwei Elektronen 1042-mal stärker auseinander, als die Gravitationskraft sie anzieht.

Die Studie zeigte, dass die Ladungsquelle bestimmte Arten subatomarer Teilchen sind, die die Eigenschaft einer elektrischen Ladung besitzen. Elektrische Ladung erzeugt und interagiert mit elektromagnetischer Kraft, einer der vier Grundkräfte der Natur. Die bekanntesten elektrischen Ladungsträger sind das Elektron und das Proton. Das Experiment zeigte, dass Ladung eine Erhaltungsgröße ist, das heißt, die Gesamtladung innerhalb eines isolierten Systems bleibt immer konstant, unabhängig von Änderungen, die innerhalb dieses Systems auftreten. In einem System kann Ladung zwischen Körpern entweder durch direkten Kontakt oder durch Übertragung durch ein leitendes Material wie einen Draht übertragen werden. Der informelle Begriff „statische Elektrizität“ bezieht sich auf das Vorhandensein von Ladung (oder „Ungleichgewicht“ von Ladungen) auf einem Körper, die normalerweise dadurch verursacht wird, dass unterschiedliche Materialien aneinander gerieben werden und Ladung voneinander übertragen.

Die Ladungen von Elektronen und Protonen haben entgegengesetzte Vorzeichen, daher kann die Gesamtladung entweder positiv oder negativ sein. Konventionell gilt die von Elektronen getragene Ladung als negativ und die von Protonen als positiv, entsprechend der durch die Arbeit von Benjamin Franklin begründeten Tradition. Die Ladungsmenge (Elektrizitätsmenge) wird üblicherweise als Q symbolisiert und in Coulomb ausgedrückt; Jedes Elektron trägt die gleiche Ladung, ungefähr -1,6022 × 10-19 Coulomb. Das Proton hat eine Ladung gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen, also + 1,6022 × 10-19 Coulomb. Nicht nur Materie, sondern auch Antimaterie hat eine Ladung; jedes Antiteilchen trägt sie gleiche Ladung, aber im Vorzeichen entgegengesetzt zur Ladung des entsprechenden Teilchens.

Ladung kann auf verschiedene Arten gemessen werden: Ein frühes Instrument ist das Blattgold-Elektroskop, das zwar immer noch für pädagogische Demonstrationen verwendet wird, heute jedoch durch ein elektronisches Elektrometer ersetzt wird.

Elektrischer Strom

Die Bewegung elektrischer Ladungen wird als elektrischer Strom bezeichnet und ihre Intensität wird normalerweise in Ampere gemessen. Der Strom kann durch alle sich bewegenden geladenen Teilchen erzeugt werden; Meistens handelt es sich dabei um Elektronen, aber im Prinzip stellt jede in Bewegung gesetzte Ladung einen Strom dar.

Nach historischer Konvention wird ein positiver Strom durch die Bewegungsrichtung positiver Ladungen bestimmt, die vom positiveren Teil des Stromkreises zum negativeren Teil fließen. Der so ermittelte Strom wird konventioneller Strom genannt. Eine der bekanntesten Stromformen ist die Bewegung negativ geladener Elektronen durch einen Stromkreis. Daher ist die positive Richtung des Stroms in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung der Elektronen gerichtet. Abhängig von den Bedingungen kann ein elektrischer Strom jedoch aus einem Strom geladener Teilchen bestehen, der sich in jede Richtung und sogar in beide Richtungen gleichzeitig bewegt. Um diese Situation zu vereinfachen, wird häufig die Konvention verwendet, die positive Stromrichtung als Bewegungsrichtung positiver Ladungen zu betrachten.

Der Prozess, bei dem ein elektrischer Strom durch ein Material fließt, wird als elektrische Leitfähigkeit bezeichnet und seine Natur variiert je nach den geladenen Teilchen, die ihn transportieren, und dem Material, durch das er sich bewegt. Als Beispiele elektrische Ströme Beispiele hierfür sind die metallische Leitung, die durch den Fluss von Elektronen durch einen Leiter wie ein Metall erfolgt, und die Elektrolyse, die durch den Fluss von Ionen (geladenen Atomen) durch eine Flüssigkeit oder ein Plasma, wie bei elektrischen Funken, erfolgt. Während sich die Teilchen selbst sehr langsam bewegen können, manchmal mit einer durchschnittlichen Driftgeschwindigkeit von nur einem Bruchteil eines Millimeters pro Sekunde, bewegt sich das elektrische Feld, das sie antreibt, nahezu mit Lichtgeschwindigkeit, sodass elektrische Signale schnell durch Drähte übertragen werden können.

Der Strom erzeugt eine Reihe beobachtbarer Effekte, die in der Vergangenheit ein Zeichen für seine Präsenz waren. Die Möglichkeit der Wasserzersetzung unter dem Einfluss des Stroms einer galvanischen Säule wurde 1800 von Nicholson und Carlisle entdeckt. Dieser Vorgang wird heute Elektrolyse genannt. Ihre Arbeit wurde 1833 von Michael Faraday erheblich erweitert. Der durch den Widerstand fließende Strom verursacht eine lokale Erwärmung. Dieser Effekt wurde 1840 von James Joule mathematisch beschrieben. Eine der wichtigsten Entdeckungen in Bezug auf Strom machte Oersted im Jahr 1820 zufällig, als er bei der Vorbereitung einer Vorlesung entdeckte, dass Strom, der durch einen Draht floss, die Nadel eines Magnetkompasses drehte. So entdeckte er den Elektromagnetismus, die grundlegende Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus. Die von einem Lichtbogen erzeugten elektromagnetischen Emissionen sind hoch genug, um elektromagnetische Störungen zu erzeugen, die den Betrieb benachbarter Geräte beeinträchtigen können. Er entdeckte den Elektromagnetismus, die grundlegende Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus. Die von einem Lichtbogen erzeugte elektromagnetische Strahlung ist hoch genug, um elektromagnetische Störungen zu erzeugen, die den Betrieb von Geräten in der Nähe beeinträchtigen können.

Für technische oder häusliche Anwendungen wird Strom häufig als Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) bezeichnet. Diese Begriffe beziehen sich darauf, wie sich der Strom im Laufe der Zeit verändert. Gleichstrom, wie er beispielsweise von einer Batterie erzeugt wird und von den meisten Menschen benötigt wird elektronische Geräte ist ein unidirektionaler Fluss vom positiven Potential des Stromkreises zum negativen. Wird dieser Fluss, wie es häufig der Fall ist, von Elektronen getragen, bewegen sie sich in die entgegengesetzte Richtung. Wechselstrom ist jeder Strom, der ständig seine Richtung ändert; er hat fast immer die Form einer Sinuswelle. Wechselstrom pulsiert innerhalb eines Leiters hin und her, ohne Ladung über einen langen Zeitraum über eine begrenzte Distanz zu bewegen. Der zeitlich gemittelte Wert des Wechselstroms ist Null, er liefert jedoch Energie zuerst in eine Richtung und dann in die entgegengesetzte Richtung. Wechselstrom hängt von elektrischen Eigenschaften ab, die im stationären Gleichstrom nicht auftreten, wie z. B. Induktivität und Kapazität. Diese Eigenschaften können jedoch sichtbar werden, wenn der Schaltkreis Transienten ausgesetzt ist, beispielsweise während der anfänglichen Stromzufuhr.

Elektrisches Feld

Das Konzept des elektrischen Feldes wurde von Michael Faraday eingeführt. Ein elektrisches Feld wird von einem geladenen Körper in dem den Körper umgebenden Raum erzeugt und führt zu einer Kraft, die auf alle anderen im Feld befindlichen Ladungen wirkt. Das zwischen zwei Ladungen wirkende elektrische Feld ähnelt dem zwischen zwei Massen wirkenden Gravitationsfeld, erstreckt sich ebenfalls bis ins Unendliche und ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Körpern. Es gibt jedoch einen erheblichen Unterschied. Die Schwerkraft zieht immer an und führt dazu, dass zwei Massen zusammenkommen, während ein elektrisches Feld entweder zu Anziehung oder Abstoßung führen kann. Da große Körper wie Planeten im Allgemeinen eine Nettoladung von Null haben, ist ihr elektrisches Feld in der Ferne normalerweise Null. Somit ist die Schwerkraft in großen Entfernungen im Universum die dominierende Kraft, obwohl sie selbst viel schwächer ist.

Das elektrische Feld ist in der Regel an verschiedenen Punkten im Raum unterschiedlich und seine Intensität an jedem Punkt wird als die Kraft (pro Ladungseinheit) definiert, die eine stationäre, vernachlässigbare Ladung erfahren würde, wenn sie an diesem Punkt platziert würde. Die abstrakte Ladung, „Testladung“ genannt, muss verschwindend klein sein, damit ihr eigenes elektrisches Feld, das das Hauptfeld stört, vernachlässigt werden kann, und muss außerdem stationär (unbeweglich) sein, um den Einfluss magnetischer Felder zu verhindern. Da das elektrische Feld durch Kraft definiert wird und die Kraft ein Vektor ist, ist das elektrische Feld auch ein Vektor mit sowohl Größe als auch Richtung. Genauer gesagt ist das elektrische Feld ein Vektorfeld.

Die Untersuchung elektrischer Felder, die durch stationäre Ladungen erzeugt werden, wird Elektrostatik genannt. Das Feld kann mithilfe einer Reihe imaginärer Linien visualisiert werden, deren Richtung an jedem Punkt im Raum mit der Richtung des Feldes übereinstimmt. Dieses Konzept wurde von Faraday eingeführt und der Begriff „Feldlinien“ wird immer noch manchmal verwendet. Feldlinien sind die Wege, entlang derer sich eine punktförmige positive Ladung unter dem Einfluss eines Feldes bewegt. Sie sind jedoch eher ein abstraktes als ein physisches Objekt, und das Feld durchdringt den gesamten Zwischenraum zwischen den Linien. Von stationären Ladungen ausgehende Feldlinien haben mehrere Schlüsseleigenschaften: Erstens beginnen sie bei positiven Ladungen und enden bei negativen Ladungen; Zweitens müssen sie (normalerweise) im rechten Winkel in jeden idealen Leiter eintreten, und drittens dürfen sie sich niemals schneiden oder schließen.

Ein hohler leitender Körper enthält seine gesamte Ladung äußere Oberfläche. Daher ist das Feld an allen Stellen im Körper Null. Nach diesem Prinzip funktioniert ein Faradayscher Käfig – eine Metallhülle, die ihren Innenraum von äußeren elektrischen Einflüssen isoliert.

Die Prinzipien der Elektrostatik sind bei der Konstruktion von Hochspannungsanlagenkomponenten wichtig. Es gibt eine endliche Grenze für die elektrische Feldstärke, der jedes Material standhalten kann. Oberhalb dieses Wertes kommt es zum elektrischen Durchschlag, der einen Lichtbogen zwischen den geladenen Teilen verursacht. Beispielsweise kommt es in der Luft bei elektrischen Feldstärken über 30 kV pro Zentimeter zu elektrischen Durchschlägen an kleinen Lücken. Mit zunehmender Lücke sinkt die endgültige Durchbruchspannung auf etwa 1 kV pro Zentimeter. Das auffälligste Naturphänomen dieser Art ist der Blitz. Es entsteht, wenn Ladungen in Wolken durch aufsteigende Luftsäulen getrennt werden und das elektrische Feld in der Luft beginnt, den Durchschlagswert zu überschreiten. Die Spannung einer großen Gewitterwolke kann 100 MV erreichen und eine Entladungsenergie von 250 kWh haben.

Die Größe der Feldstärke wird stark von nahegelegenen leitfähigen Objekten beeinflusst und ist besonders hoch, wenn das Feld um spitze Objekte gebogen werden muss. Dieses Prinzip wird bei Blitzableitern verwendet, deren scharfe Spitzen dazu führen, dass Blitze in sie einschlagen und nicht in die Gebäude, die sie schützen.

Elektrisches Potenzial

Das Konzept des elektrischen Potentials ist eng mit dem elektrischen Feld verbunden. Eine kleine Ladung, die in ein elektrisches Feld gebracht wird, erfährt eine Kraft, und es ist Arbeit erforderlich, um die Ladung gegen diese Kraft zu bewegen. Das elektrische Potenzial an einem beliebigen Punkt ist definiert als die Energie, die aufgewendet werden muss, um eine Testladung extrem langsam von unendlich zu diesem Punkt zu bewegen. Das Potenzial wird normalerweise in Volt gemessen, und ein Potenzial von einem Volt ist das Potenzial, bei dem ein Joule Arbeit aufgewendet werden muss, um eine Ladung um ein Coulomb aus dem Unendlichen zu bewegen. Diese formale Definition des Potenzials hat wenig praktische Anwendung. Nützlicher ist das Konzept der elektrischen Potenzialdifferenz, also der Energie, die erforderlich ist, um eine Ladungseinheit zwischen zwei gegebenen Punkten zu bewegen. Das elektrische Feld hat eine Besonderheit: Es ist konservativ, was bedeutet, dass der von der Testladung zurückgelegte Weg keine Rolle spielt: Für den Durchgang aller möglichen Wege zwischen zwei gegebenen Punkten wird immer die gleiche Energie aufgewendet, und es gibt also einen einzigen Wert der Differenzpotentiale zwischen zwei Positionen. Das Volt hat sich als Maßeinheit und Beschreibung der elektrischen Potentialdifferenz so fest etabliert, dass der Begriff Spannung weit verbreitet und alltäglich verwendet wird.

Aus praktischen Gründen ist es sinnvoll, einen gemeinsamen Bezugspunkt zu definieren, anhand dessen Potenziale ausgedrückt und verglichen werden können. Obwohl es im Unendlichen liegen kann, ist es viel praktischer, die Erde selbst zu verwenden, von der angenommen wird, dass sie an allen Orten das gleiche Potenzial hat, als das Nullpotenzial. Dieser Bezugspunkt wird naturgemäß als „Masse“ bezeichnet. Die Erde ist eine unendliche Quelle gleicher Mengen positiver und negativer Ladungen und daher elektrisch neutral und nicht aufladbar.

Das elektrische Potential ist eine skalare Größe, das heißt, es hat nur einen Wert und keine Richtung. Man kann es sich als Analogie zur Höhe vorstellen: So wie ein losgelassenes Objekt durch einen durch ein Gravitationsfeld verursachten Höhenunterschied fällt, so „fällt“ eine Ladung durch eine durch ein elektrisches Feld verursachte Spannung. So wie Karten Landformen mithilfe von Höhenlinien anzeigen, die Punkte gleicher Höhe verbinden, kann eine Reihe von Linien, die Punkte gleichen Potenzials (sogenannte Äquipotentiale) verbinden, um ein elektrostatisch geladenes Objekt gezogen werden. Äquipotentiale schneiden alle Kraftlinien im rechten Winkel. Außerdem müssen sie parallel zur Oberfläche des Leiters liegen, sonst entsteht eine Kraft, die Ladungsträger entlang der Äquipotentialfläche des Leiters bewegt.

Das elektrische Feld wird formal als die pro Ladungseinheit ausgeübte Kraft definiert, aber das Konzept des Potenzials bietet eine nützlichere und äquivalente Definition: Das elektrische Feld ist der lokale Gradient des elektrischen Potenzials. Typischerweise wird es in Volt pro Meter ausgedrückt und die Richtung des Feldvektors ist die Linie der größten Potentialänderung, also die Richtung des nächstgelegenen Ortes des anderen Äquipotentials.

Elektromagnete

Oersteds Entdeckung im Jahr 1821, dass um alle Seiten eines stromdurchflossenen Drahtes ein Magnetfeld existiert, zeigte, dass ein direkter Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus besteht. Darüber hinaus schien sich die Wechselwirkung von der Gravitation zu unterscheiden elektrostatische Kräfte, zwei damals bekannte Naturkräfte. Die auf die Kompassnadel wirkende Kraft richtete sie nicht auf den stromdurchflossenen Draht zu oder von ihm weg, sondern wirkte im rechten Winkel dazu. Oersted drückte seine Beobachtung mit den etwas unklaren Worten aus: „Elektrischer Konflikt hat rotierendes Verhalten.“ Diese Kraft hing auch von der Richtung des Stroms ab, denn wenn der Strom seine Richtung änderte, änderte auch die Magnetkraft seine Richtung.

Oersted verstand seine Entdeckung nicht vollständig, aber der von ihm beobachtete Effekt war reziprok: Der Strom übt eine Kraft auf den Magneten aus, und das Magnetfeld übt eine Kraft auf den Strom aus. Das Phänomen wurde von Ampere weiter untersucht, der entdeckte, dass zwei parallele, stromdurchflossene Drähte eine Kraft aufeinander ausüben: Zwei Drähte, durch die Ströme in die gleiche Richtung fließen, ziehen sich gegenseitig an, während Drähte, die Ströme in entgegengesetzter Richtung enthalten, einander anziehen , abstoßen. Diese Wechselwirkung erfolgt durch das Magnetfeld, das jeder Strom erzeugt, und auf der Grundlage dieses Phänomens wird die Maßeinheit des Stroms bestimmt – Ampere im internationalen Einheitensystem.

Dieser Zusammenhang zwischen Magnetfeldern und Strömen ist äußerst wichtig, da er 1821 zur Erfindung des Elektromotors durch Michael Faraday führte. Sein unipolarer Motor bestand aus Dauermagnet in ein Gefäß mit Quecksilber gegeben. Der Strom wurde durch einen Draht geleitet, der kardanisch über einem Magneten aufgehängt und in Quecksilber getaucht war. Der Magnet übte eine Tangentialkraft auf den Draht aus, die dazu führte, dass sich dieser um den Magneten drehte, solange der Strom im Draht aufrechterhalten wurde.

Ein von Faraday im Jahr 1831 durchgeführtes Experiment zeigte, dass ein Draht, der sich senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt, an den Enden eine Potentialdifferenz erzeugt. Eine weitere Analyse dieses als elektromagnetische Induktion bekannten Prozesses ermöglichte es ihm, das heute als Faradaysche Induktionsgesetz bekannte Prinzip zu formulieren, wonach die in einem geschlossenen Stromkreis induzierte Potenzialdifferenz proportional zur Änderungsrate des durch den Stromkreis fließenden magnetischen Flusses ist. Die Entwicklung dieser Entdeckung ermöglichte es Faraday, 1831 den ersten elektrischen Generator zu erfinden, der umwandelte mechanische Energie rotierende Kupferscheibe in elektrische Energie umwandeln. Die Faraday-Scheibe war ineffizient und wurde nicht als praktischer Generator verwendet, aber sie zeigte die Möglichkeit, mithilfe von Magnetismus Elektrizität zu erzeugen, und diese Möglichkeit wurde von denen, die seine Entwicklungen verfolgten, aufgegriffen.

Die Fähigkeit chemischer Reaktionen, Elektrizität zu erzeugen, und die umgekehrte Fähigkeit von Elektrizität, chemische Reaktionen hervorzurufen, haben ein breites Anwendungsspektrum.

Die Elektrochemie war schon immer ein wichtiger Teil der Elektrizitätslehre. Von der ursprünglichen Erfindung der Voltaiksäule haben sich Voltaikzellen zu einer Vielzahl von Batterietypen, Voltaikzellen und Elektrolysezellen entwickelt. Aluminium wird in großen Mengen durch Elektrolyse hergestellt und viele tragbare elektronische Geräte verwenden wiederaufladbare Stromquellen.

Stromkreise

Ein Stromkreis ist eine Verbindung elektrischer Komponenten, sodass die elektrische Ladung, die gezwungen ist, entlang eines geschlossenen Pfades (Stromkreises) zu fließen, normalerweise eine Reihe nützlicher Aufgaben erfüllt.

Komponenten in einem Stromkreis können beschädigt werden verschiedene Formen, die als Elemente wie Widerstände, Kondensatoren, Schalter, Transformatoren usw. fungieren elektronische Bauteile. Elektronische Schaltkreise enthalten aktive Komponenten wie Halbleiter, die typischerweise in einem nichtlinearen Modus arbeiten und eine komplexe Analyse erfordern. Die einfachsten elektrischen Komponenten werden als passiv und linear bezeichnet: Sie können zwar Energie vorübergehend speichern, enthalten jedoch keine Energiequellen und arbeiten linear.

Ein Widerstand ist vielleicht das einfachste passive Schaltungselement: Wie der Name schon sagt, widersteht er dem durch ihn fließenden Strom und gibt elektrische Energie in Wärme ab. Widerstand ist eine Folge der Ladungsbewegung durch einen Leiter: In Metallen beispielsweise entsteht Widerstand hauptsächlich durch Kollisionen zwischen Elektronen und Ionen. Das Ohmsche Gesetz ist das Grundgesetz der Schaltkreistheorie und besagt, dass der durch einen Widerstand fließende Strom direkt proportional zur Potentialdifferenz über ihm ist. Der Widerstand der meisten Materialien ist über einen weiten Temperatur- und Strombereich relativ konstant; Materialien, die diese Bedingungen erfüllen, werden als „ohmsch“ bezeichnet. Ohm ist eine Widerstandseinheit, benannt nach Georg Ohm und wird mit dem griechischen Buchstaben Ω bezeichnet. 1 Ohm ist ein Widerstand, der eine Potentialdifferenz von einem Volt erzeugt, wenn ein Strom von einem Ampere durch ihn fließt.

Ein Kondensator ist eine Modernisierung des Leidener Glases und ein Gerät, das eine Ladung und damit elektrische Energie im resultierenden Feld speichern kann. Es besteht aus zwei leitenden Platten, die durch eine dünne Isolierschicht aus Dielektrikum getrennt sind. In der Praxis handelt es sich um ein Paar dünner Metallfolienstreifen, die zusammengewickelt werden, um die Oberfläche pro Volumeneinheit und damit die Kapazität zu erhöhen. Die Einheit der Kapazität ist das Farad, benannt nach Michael Faraday und symbolisiert durch das Symbol F: Ein Farad ist die Kapazität, die beim Speichern einer Ladung von einem Coulomb eine Potentialdifferenz von einem Volt erzeugt. Der Strom fließt zunächst durch einen Kondensator, der an eine Stromquelle angeschlossen ist, während sich im Kondensator Ladung ansammelt. Dieser Strom nimmt jedoch mit zunehmender Ladung des Kondensators ab und wird schließlich Null. Der Kondensator lässt also keinen Gleichstrom durch, sondern sperrt ihn.

Eine Induktivität ist ein Leiter, normalerweise eine Drahtspule, der Energie in einem Magnetfeld speichert, das entsteht, wenn Strom durch ihn fließt. Wenn sich der Strom ändert, ändert sich auch das Magnetfeld, wodurch eine Spannung zwischen den Enden des Leiters entsteht. Die induzierte Spannung ist proportional zur Stromänderungsrate. Der Proportionalitätsfaktor wird Induktivität genannt. Die Einheit der Induktivität ist das Henry, benannt nach Joseph Henry, einem Zeitgenossen Faradays. Eine Induktivität von einem Henry ist eine Induktivität, die eine Potentialdifferenz von einem Volt erzeugt, wenn die Änderungsrate des durch sie fließenden Stroms ein Ampere pro Sekunde beträgt. Das Verhalten einer Induktivität ist das Gegenteil von dem eines Kondensators: Sie lässt Gleichstrom ungehindert durch und blockiert schnell wechselnde Ströme.

Elektrische Energie

Unter elektrischer Leistung versteht man die Geschwindigkeit, mit der elektrische Energie von einem Stromkreis übertragen wird. Die SI-Einheit der Leistung ist das Watt, was einem Joule pro Sekunde entspricht.

Elektrische Leistung ist wie mechanische Leistung die Geschwindigkeit, mit der Arbeit verrichtet wird. Sie wird in Watt gemessen und mit dem Buchstaben P bezeichnet. Der umgangssprachlich verwendete Begriff Leistungsaufnahme bedeutet „elektrische Leistung in Watt“. Elektrische Leistung in Watt, die von einem elektrischen Strom I erzeugt wird, der dem Durchgang einer Ladung Q Coulomb alle t Sekunden entspricht elektrischer Unterschied Potentiale (Spannung) V ist gleich

P = QV/t = IV

• Q – elektrische Ladung in Coulomb
• t – Zeit in Sekunden
• I - elektrischer Strom in Ampere
• V – elektrisches Potenzial oder Spannung in Volt

Die Stromerzeugung erfolgt häufig durch elektrische Generatoren, kann aber auch durch chemische Quellen wie elektrische Batterien oder auf andere Weise unter Verwendung einer Vielzahl von Energiequellen erfolgen. Die Stromversorgung von Unternehmen und Privathaushalten erfolgt in der Regel durch Energieversorgungsunternehmen. Stromrechnungen werden in der Regel pro Kilowattstunde (3,6 MJ) bezahlt, also der erzeugten Leistung in Kilowatt multipliziert mit der Betriebszeit in Stunden. In der Elektrizitätswirtschaft werden Leistungsmessungen mithilfe von Stromzählern durchgeführt, die die Menge der gesamten an den Kunden gelieferten elektrischen Energie speichern. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen ist Elektrizität eine Energieform mit niedriger Entropie und kann mit hoher Effizienz in Antriebsenergie oder viele andere Energieformen umgewandelt werden.

Elektronik

Die Elektronik befasst sich mit elektrischen Schaltkreisen, zu denen aktive elektrische Komponenten wie Vakuumröhren, Transistoren, Dioden und integrierte Schaltkreise sowie zugehörige passive und Schaltelemente gehören. Das nichtlineare Verhalten aktiver Komponenten und ihre Fähigkeit, den Elektronenfluss zu steuern, ermöglichen die Verstärkung schwacher Signale und den weit verbreiteten Einsatz von Elektronik in der Informationsverarbeitung, Telekommunikation und Signalverarbeitung. Die Fähigkeit elektronischer Geräte, als Schalter zu fungieren, ermöglicht die digitale Verarbeitung von Informationen. Schaltelemente wie z Leiterplatten, Layout-Technologien und andere verschiedene Formen der Kommunikationsinfrastruktur ergänzen Funktionalität Schaltkreise und verwandeln heterogene Komponenten in ein gemeinsames funktionierendes System.

Heutzutage verwenden die meisten elektronischen Geräte Halbleiterkomponenten zur elektronischen Steuerung. Das Studium von Halbleiterbauelementen und verwandten Technologien gilt als Zweig der Festkörperphysik, ebenso wie Design und Ingenieurwesen elektronische Schaltkreise zur Lösung praktischer Probleme gehören zum Bereich der Elektronik.

Elektromagnetische Wellen

Die Arbeit von Faraday und Ampere zeigte, dass ein zeitlich veränderliches Magnetfeld ein elektrisches Feld erzeugt und ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld die Quelle eines Magnetfelds ist. Wenn sich also ein Feld im Laufe der Zeit ändert, wird immer ein anderes Feld induziert. Dieses Phänomen hat Welleneigenschaften und wird natürlich als elektromagnetische Welle bezeichnet. Elektromagnetische Wellen wurden 1864 von James Maxwell theoretisch analysiert. Maxwell entwickelte eine Reihe von Gleichungen, die die Beziehung zwischen elektrischem Feld, magnetischem Feld, elektrischer Ladung und elektrischem Strom eindeutig beschreiben konnten. Er konnte auch nachweisen, dass sich eine solche Welle zwangsläufig mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und Licht somit selbst eine Form elektromagnetischer Strahlung ist. Die Entwicklung der Maxwellschen Gesetze, die Licht, Felder und Ladung vereinen, ist eine der wichtigsten Etappen in der Geschichte der theoretischen Physik.

So ist es durch die Arbeit vieler Forscher möglich geworden, mithilfe von Elektronik Signale in hochfrequente oszillierende Ströme umzuwandeln, und durch entsprechend geformte Leiter ermöglicht Elektrizität die Übertragung und den Empfang dieser Signale über Funkwellen über sehr große Entfernungen.

Erzeugung und Nutzung elektrischer Energie

Erzeugung und Übertragung von elektrischem Strom

Im 6. Jahrhundert v. Chr. e. Der griechische Philosoph Thales von Milet experimentierte mit Bernsteinstäben und diese Experimente waren die ersten Forschungen zur Erzeugung elektrischer Energie. Während diese Methode, die heute als triboelektrischer Effekt bekannt ist, nur leichte Gegenstände anheben und Funken erzeugen konnte, war sie äußerst wirkungslos. Mit der Erfindung des Voltaikpols im 18. Jahrhundert wurde eine brauchbare Stromquelle verfügbar. Der Voltaikpol und sein moderner Nachfolger, die elektrische Batterie, speichern Energie chemische Form und stellt diese bei Bedarf in Form von elektrischer Energie zur Verfügung. Die Batterie ist eine vielseitige und weit verbreitete Energiequelle, die sich ideal für viele Anwendungen eignet. Allerdings ist die darin gespeicherte Energie endlich und sobald sie aufgebraucht ist, muss die Batterie entsorgt oder wieder aufgeladen werden. Für einen großen Bedarf muss elektrische Energie kontinuierlich über leitfähige Stromleitungen erzeugt und übertragen werden.

Elektrischer Strom wird typischerweise durch elektromechanische Generatoren erzeugt, die durch Dampf aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder durch Wärme aus Kernreaktionen angetrieben werden. oder aus anderen Quellen wie kinetischer Energie, die aus Wind oder fließendem Wasser gewonnen wird. Modern Dampfturbine, 1884 von Sir Charles Parsons entwickelt, produziert heute etwa 80 Prozent des weltweiten Stroms aus verschiedenen Wärmequellen. Solche Generatoren haben keine Ähnlichkeit mit dem homopolaren Faraday-Scheibengenerator von 1831, basieren aber dennoch auf ihm elektromagnetisches Prinzip, wonach ein Leiter, der mit einem sich ändernden Magnetfeld in Kontakt kommt, an seinen Enden eine Potentialdifferenz induziert. Die Erfindung des Transformators im späten 19. Jahrhundert ermöglichte die effizientere Übertragung elektrischer Energie bei höheren Spannungen, aber geringeren Strömen. Effizient elektrische Übertragung Dies bedeutet wiederum, dass Strom in zentralen Kraftwerken erzeugt und von Skaleneffekten profitiert und dann über relativ weite Strecken dorthin transportiert werden kann, wo er benötigt wird.

Da elektrische Energie nicht einfach in ausreichenden Mengen gespeichert werden kann, um den nationalen Bedarf zu decken, muss sie jederzeit in entsprechenden Mengen produziert werden dieser Moment Es ist notwendig. Dies erfordert von den Energieversorgern eine sorgfältige Prognose ihrer Stromlasten und eine kontinuierliche Abstimmung dieser Daten mit den Kraftwerken. Als Sicherheitsnetz für den Fall eines starken Anstiegs des Strombedarfs sollte immer eine gewisse Erzeugungskapazität als Reserve für das Stromnetz bereitgehalten werden.

Der Strombedarf wächst rasant, da das Land modernisiert und seine Wirtschaft weiterentwickelt. Die Vereinigten Staaten verzeichneten in den ersten drei Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts jedes Jahr ein Nachfragewachstum von 12 Prozent. Diese Wachstumsrate ist derzeit in Schwellenländern wie Indien oder China zu beobachten. Historisch gesehen ist die Wachstumsrate der Stromnachfrage schneller gestiegen als die Wachstumsrate der Nachfrage nach anderen Energiearten.

Umweltbedenken im Zusammenhang mit der Stromerzeugung haben zu einem verstärkten Fokus auf die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen, insbesondere Wind- und Wasserkraftwerken, geführt. Allerdings ist mit einer anhaltenden Debatte über die Auswirkungen zu rechnen Umfeld verschiedene Bedeutungen Bei der Stromerzeugung ist die endgültige Form relativ rein.

Methoden zur Nutzung von Elektrizität

Die Übertragung von Elektrizität ist sehr auf bequeme Weise Energieübertragung und wurde an eine große und wachsende Zahl von Anwendungen angepasst. Die Erfindung der praktischen Glühlampe in den 1870er Jahren führte dazu, dass Beleuchtung zu einer der ersten Massenanwendungen von Elektrizität wurde. Obwohl die Elektrifizierung ihre eigenen Risiken mit sich brachte, verringerte der Ersatz der offenen Flammen der Gasbeleuchtung die Brandgefahr in Häusern und Fabriken erheblich. In vielen Städten wurden Versorgungsunternehmen gegründet, um den wachsenden Markt für elektrische Beleuchtung zu bedienen.

Der hitzebeständige Joule-Effekt wird in Glühlampenfäden genutzt und findet auch direktere Anwendungen in Systemen Elektroheizung. Obwohl diese Heizmethode vielseitig und kontrollierbar ist, kann sie als verschwenderisch angesehen werden, da die meisten Stromerzeugungsmethoden bereits die Erzeugung von Wärmeenergie in einem Kraftwerk erfordern. Eine Reihe von Ländern, beispielsweise Dänemark, haben Gesetze erlassen, die den Einsatz elektrischer Widerstandsheizungen in Neubauten einschränken oder verbieten. Elektrizität ist jedoch immer noch eine sehr praktische Energiequelle zum Heizen und Kühlen, da Klimaanlagen oder Wärmepumpen einen wachsenden Sektor der Nachfrage nach Heiz- und Kühlstrom darstellen, dessen Konsequenzen die Versorgungsunternehmen zunehmend berücksichtigen müssen.

Elektrizität wird in der Telekommunikation verwendet, und tatsächlich war der elektrische Telegraph, dessen kommerzielle Nutzung 1837 von Cook und Wheatstone demonstriert wurde, eine der frühesten elektrischen Telekommunikationsanwendungen. Mit dem Bau der ersten interkontinentalen und dann transatlantischen Telegraphensysteme in den 1860er Jahren ermöglichte die Elektrizität die Kommunikation innerhalb von Minuten mit allem. der Globus. Glasfaser und Satellitenkommunikation haben den Markt für Kommunikationssysteme übernommen, es ist jedoch davon auszugehen, dass Elektrizität ein wichtiger Teil dieses Prozesses bleiben wird.

Die offensichtlichste Nutzung der Wirkung des Elektromagnetismus findet im Elektromotor statt, bei dem es sich um einen reinen und reinen Motor handelt wirksames Mittel treibende Kraft. Ein stationärer Motor wie eine Winde kann problemlos mit Strom versorgt werden, aber ein Motor für eine mobile Anwendung wie ein Elektrofahrzeug muss entweder Stromquellen wie Batterien mit sich führen oder Strom über einen Schleifkontakt, einen sogenannten Stromabnehmer, aufnehmen.

Elektronische Geräte nutzen den Transistor, vielleicht eine der wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts, die von grundlegender Bedeutung ist Baustein alle modernen Systeme. Ein moderner integrierter Schaltkreis kann auf einer Fläche von nur wenigen Quadratzentimetern mehrere Milliarden miniaturisierte Transistoren enthalten.

Strom wird auch als Treibstoffquelle für den öffentlichen Verkehr genutzt, darunter Elektrobusse und -züge.

Die Wirkung von Elektrizität auf lebende Organismen

Die Wirkung von elektrischem Strom auf den menschlichen Körper

An den menschlichen Körper angelegte Spannung führt dazu, dass ein elektrischer Strom durch das Gewebe fließt. Dieser Zusammenhang ist zwar nicht linear, aber je mehr Spannung angelegt wird, desto mehr Strom wird erzeugt. Die Wahrnehmungsschwelle variiert je nach Frequenz der Versorgung und Ort des Stroms und liegt bei etwa 0,1 mA bis 1 mA für Elektrizität mit Netzfrequenz, obwohl unter bestimmten Bedingungen ein Strom von nur einem Mikroampere als Elektrovibrationseffekt erkannt werden kann. Wenn der Strom groß genug ist, kann es zu Muskelkontraktionen, Herzrhythmusstörungen und Gewebeverbrennungen kommen. Das Fehlen sichtbarer Anzeichen dafür, dass ein Leiter unter Spannung steht, macht Elektrizität besonders gefährlich. Der durch elektrischen Strom verursachte Schmerz kann stark sein, weshalb Elektrizität manchmal als Foltermethode eingesetzt wird. Die Todesstrafe, die durch einen Stromschlag verhängt wird, wird Stromschlag genannt. In manchen Ländern ist der Stromschlag noch immer ein Mittel der gerichtlichen Bestrafung, auch wenn seine Anwendung in jüngster Zeit seltener geworden ist.

Elektrische Phänomene in der Natur

Elektrizität ist keine menschliche Erfindung, sondern kann in verschiedenen Formen in der Natur beobachtet werden, eine bemerkenswerte Manifestation davon ist der Blitz. Viele auf makroskopischer Ebene bekannte Wechselwirkungen wie Berührung, Reibung usw chemische Bindung werden durch Wechselwirkungen zwischen elektrischen Feldern auf atomarer Ebene verursacht. Es wird angenommen, dass das Magnetfeld der Erde daraus entsteht natürliche Produktion zirkulierende Strömungen im Kern des Planeten. Einige Kristalle wie Quarz oder sogar Zucker können bei äußerem Druck Potenzialunterschiede auf ihren Oberflächen erzeugen. Dieses als Piezoelektrizität bekannte Phänomen, abgeleitet vom griechischen piezein (πιέζειν), was „drücken“ bedeutet, wurde 1880 von Pierre und Jacques Curie entdeckt. Dieser Effekt ist reversibel und wenn ein piezoelektrisches Material einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, kommt es zu einer kleinen Änderung seiner physikalischen Abmessungen.

Einige Organismen, wie zum Beispiel Haie, sind in der Lage, Veränderungen in elektrischen Feldern zu erkennen und darauf zu reagieren, eine Fähigkeit, die als Elektrorezeption bezeichnet wird. Gleichzeitig sind andere Organismen, sogenannte elektrogene, in der Lage, selbst Spannungen zu erzeugen, die ihnen als Verteidigungs- oder Raubwaffe dienen. Fische der Ordnung Gymnotiiformes, deren bekanntester Vertreter der Zitteraal ist, können mit Hilfe von Fischen ihre Beute aufspüren oder betäuben Hochspannung wird von veränderten Muskelzellen, sogenannten Elektrozyten, erzeugt. Alle Tiere übertragen Informationen über Zellmembranen durch Spannungsimpulse, sogenannte Aktionspotentiale, deren Funktion darin besteht, das Nervensystem mit der Kommunikation zwischen Neuronen und Muskeln zu versorgen. Ein Elektroschock stimuliert dieses System und führt zu einer Muskelkontraktion. Aktionspotentiale sind auch für die Koordination der Aktivitäten bestimmter Pflanzen verantwortlich.

Im Jahr 1850 fragte William Gladstone den Wissenschaftler Michael Faraday nach dem Wert der Elektrizität. Faraday antwortete: „Eines Tages, Sir, werden Sie in der Lage sein, ihn zu besteuern.“

Im 19. und frühen 20. Jahrhundert gehörte Elektrizität nicht dazu Alltagsleben viele Menschen, auch in der industrialisierten westlichen Welt. Die damalige Populärkultur stellte ihn daher oft als eine geheimnisvolle, quasi-magische Kraft dar, die die Lebenden töten, die Toten auferwecken oder auf andere Weise die Naturgesetze ändern konnte. Diese Ansicht begann sich mit Galvanis Experimenten von 1771 durchzusetzen, die zeigten, dass die Beine toter Frösche zuckten, wenn tierische Elektrizität angelegt wurde. Über die „Wiederbelebung“ oder Wiederbelebung scheinbar toter oder ertrunkener Personen wurde kurz nach Galvanis Werk in der medizinischen Fachliteratur berichtet. Diese Berichte wurden Mary Shelley bekannt, als sie begann, Frankenstein (1819) zu schreiben, obwohl sie keine solche Methode zur Wiederbelebung des Monsters angibt. Monster mithilfe von Elektrizität zum Leben zu erwecken, wurde später zu einem beliebten Thema in Horrorfilmen.

Als das öffentliche Bewusstsein für Elektrizität, das Lebenselixier der zweiten industriellen Revolution, zunahm, wurden ihre Nutzer oft in einem positiven Licht dargestellt, wie zum Beispiel die Elektroarbeiter, die als „der Tod durch ihre Handschuhe, die ihre Finger beim Weben der Drähte abkühlen“ beschrieben wurden Rudyard Kiplings Gedicht von 1907. „Sons of Martha“ In den Abenteuergeschichten von Jules Verne und Tom Swift spielten verschiedene elektrisch angetriebene Fahrzeuge eine herausragende Rolle. Elektroexperten, ob fiktiv oder real – darunter Wissenschaftler wie Thomas Edison, Charles Steinmetz oder Nikola Tesla – galten weithin als Zauberer mit magischen Kräften.

Als Elektrizität in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts kein Novum mehr war, sondern zu einer Notwendigkeit im täglichen Leben wurde, erregte sie in der Populärkultur erst dann besondere Aufmerksamkeit, als die Stromversorgung aufhörte, ein Ereignis, das normalerweise eine Katastrophe ankündigt. Die Menschen, die seine Ankunft unterstützten, wie der namenlose Held von Jimmy Webbs Lied „Wichita Lineman“ (1968), wurden zunehmend als heroische und magische Charaktere dargestellt.

Oder elektrischer Schock bezeichnet einen sich gerichtet bewegenden Strom geladener Teilchen, wie z. B. Elektronen. Unter Elektrizität versteht man auch die Energie, die durch die Bewegung geladener Teilchen entsteht, und die Beleuchtung, die auf der Grundlage dieser Energie entsteht. Der Begriff „Elektrizität“ wurde 1600 vom englischen Wissenschaftler William Gilbert in seinem Aufsatz „On the Magnet, Magnetic Bodies, and the Great Magnet-Earth“ eingeführt.

Gilbert führte Experimente mit Bernstein durch, der durch Reibung mit Stoff andere Lichtkörper anziehen konnte, also eine bestimmte Ladung erhielt. Und da Bernstein aus dem Griechischen als Elektron übersetzt wird, wurde das vom Wissenschaftler beobachtete Phänomen „Elektrizität“ genannt.

Elektrischer Strom

Eine kleine Theorie über Elektrizität

Elektrizität kann ein elektrisches Feld um Stromleiter oder geladene Körper herum erzeugen. Durch ein elektrisches Feld ist es möglich, andere Körper mit elektrischer Ladung zu beeinflussen.fv

Wie jeder weiß, werden elektrische Ladungen in positive und negative unterteilt. Diese Wahl ist jedoch bedingt, da sie historisch schon lange getroffen wurde, nur aus diesem Grund wird jeder Ladung ein bestimmtes Vorzeichen zugeordnet.

Körper, die mit dem gleichen Zeichentyp aufgeladen sind, stoßen sich gegenseitig ab, und Körper mit unterschiedlichen Ladungen ziehen sich im Gegenteil an.

Bei der Bewegung geladener Teilchen, also der Existenz von Elektrizität, entsteht neben dem elektrischen Feld auch ein magnetisches Feld. Dies ermöglicht Ihnen die Einstellung Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus.

Interessant ist, dass es Körper gibt, die elektrischen Strom leiten oder Körper mit sehr hohem Widerstand haben. Dies wurde 1729 vom englischen Wissenschaftler Stephen Gray entdeckt.

Das Studium der Elektrizität wird im Wesentlichen von einer Wissenschaft wie der Thermodynamik durchgeführt. Die Quanteneigenschaften elektromagnetischer Felder und geladener Teilchen werden jedoch von einer völlig anderen Wissenschaft untersucht – der Quantenthermodynamik, aber einige Quantenphänomene können ganz einfach durch gewöhnliche Quantentheorien erklärt werden.

Grundlagen der Elektrizität

Geschichte der Entdeckung der Elektrizität

Zunächst muss gesagt werden, dass es keinen solchen Wissenschaftler gibt, der als Entdecker der Elektrizität gelten kann, da viele Wissenschaftler seit der Antike bis heute ihre Eigenschaften untersucht und etwas Neues über Elektrizität gelernt haben.

• Der erste Mensch, der sich für Elektrizität interessierte, war der antike griechische Philosoph Thales. Er entdeckte, dass Bernstein, der auf Wolle gerieben wird, die Eigenschaft erhält, andere Lichtkörper anzuziehen.
• Dann untersuchte ein anderer altgriechischer Wissenschaftler, Aristoteles, bestimmte Aale, die Feinde, wie wir heute wissen, mit einer elektrischen Entladung schlugen.
• Im Jahr 70 n. Chr. untersuchte der römische Schriftsteller Plinius die elektrischen Eigenschaften von Harz.
• Allerdings dann lange Zeit Es wurden keine Erkenntnisse über Elektrizität gewonnen.
• Und erst im 16. Jahrhundert begann der Hofarzt der englischen Königin Elisabeth I., William Gilbert, die elektrischen Eigenschaften zu untersuchen und machte eine Reihe interessanter Entdeckungen. Danach begann im wahrsten Sinne des Wortes der „elektrische Wahnsinn“.
• Erst im Jahr 1600 tauchte der Begriff „Elektrizität“ auf, der vom englischen Wissenschaftler William Gilbert eingeführt wurde.
• Dank des Magdeburger Bürgermeisters Otto von Guericke, der 1650 eine elektrostatische Maschine erfand, wurde es möglich, den Effekt der Abstoßung von Körpern unter dem Einfluss von Elektrizität zu beobachten.
• Im Jahr 1729 entdeckte der englische Wissenschaftler Stephen Gray bei Experimenten zur Übertragung von elektrischem Strom über eine Entfernung zufällig, dass nicht alle Materialien gleichermaßen in der Lage sind, Elektrizität zu übertragen.
• Im Jahr 1733 entdeckte der französische Wissenschaftler Charles Dufay die Existenz zweier Arten von Elektrizität, die er Glas und Harz nannte. Sie erhielten diese Namen aufgrund der Tatsache, dass sie durch das Reiben von Glas auf Seide und Harz auf Wolle sichtbar wurden.
• Der erste Kondensator, also ein Stromspeicher, wurde 1745 vom Niederländer Pieter van Musschenbroek erfunden. Dieser Kondensator wurde Leidener Glas genannt.
• Im Jahr 1747 entwickelte der Amerikaner B. Franklin die weltweit erste Elektrizitätstheorie. Laut Franklin ist Elektrizität eine immaterielle Flüssigkeit oder Flüssigkeit. Ein weiterer Verdienst Franklins für die Wissenschaft besteht darin, dass er den Blitzableiter erfand und mit dessen Hilfe bewies, dass Blitze einen elektrischen Ursprung haben. Er führte auch die Konzepte der positiven und negativen Ladungen ein, entdeckte jedoch keine Ladungen. Diese Entdeckung wurde vom Wissenschaftler Simmer gemacht, der die Existenz von Ladungspolen bewies: positiv und negativ.
• Das Studium der Eigenschaften der Elektrizität verlagerte sich in die exakten Wissenschaften, nachdem Coulomb 1785 das Gesetz über die Wechselwirkungskraft zwischen elektrischen Punktladungen entdeckte, das als Coulombsches Gesetz bezeichnet wurde.
• Dann, im Jahr 1791, veröffentlichte der italienische Wissenschaftler Galvani eine Abhandlung, in der er besagte, dass in den Muskeln von Tieren ein elektrischer Strom entsteht, wenn sie sich bewegen.
• Die Erfindung der Batterie durch einen anderen italienischen Wissenschaftler, Volta, im Jahr 1800 führte zu einer rasanten Entwicklung der Elektrizitätswissenschaft und einer Reihe wichtiger Entdeckungen auf diesem Gebiet.
• Es folgten die Entdeckungen von Faraday, Maxwell und Ampere, die in nur 20 Jahren erfolgten.
• Im Jahr 1874 erhielt der russische Ingenieur A. N. Lodygin ein Patent für eine 1872 erfundene Glühlampe mit Kohlenstoffstab. Dann begann die Lampe einen Wolframstab zu verwenden. Und 1906 verkaufte er sein Patent an die Firma von Thomas Edison.
• Im Jahr 1888 zeichnete Hertz elektromagnetische Wellen auf.
• Im Jahr 1879 entdeckte Joseph Thomson das Elektron, den materiellen Träger der Elektrizität.
• 1911 erfand der Franzose Georges Claude die weltweit erste Neonlampe.
• Das 20. Jahrhundert bescherte der Welt die Theorie der Quantenelektrodynamik.
• 1967 wurde ein weiterer Schritt zur Erforschung der Eigenschaften von Elektrizität unternommen. In diesem Jahr wurde die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkungen entwickelt.

Dies sind jedoch nur die wichtigsten Entdeckungen der Wissenschaftler, die zur Nutzung von Elektrizität beigetragen haben. Aber die Forschung geht bis heute weiter und jedes Jahr werden Entdeckungen auf dem Gebiet der Elektrizität gemacht.

Jeder ist sich sicher, dass Nikola Tesla der größte und mächtigste Entdecker im Zusammenhang mit Elektrizität war. Er selbst wurde im Kaiserreich Österreich, dem heutigen Territorium Kroatiens, geboren. Zu seinem Gepäck an Erfindungen und wissenschaftlichen Arbeiten gehören: Wechselstrom, Feldtheorie, Äther, Radio, Resonanz und vieles mehr. Einige geben die Möglichkeit zu, dass das Phänomen „ Tunguska-Meteorit“, das ist nichts weiter als das Werk von Nikola Tesla selbst, nämlich eine Explosion enormer Kraft in Sibirien.

Herr der Welt – Nikola Tesla

Lange Zeit glaubte man, dass Elektrizität in der Natur nicht existierte. Nachdem B. Franklin jedoch feststellte, dass Blitze einen elektrischen Ursprung haben, hörte diese Meinung auf zu bestehen.

Die Bedeutung der Elektrizität in der Natur sowie im menschlichen Leben ist enorm. Schließlich waren es Blitze, die zur Synthese von Aminosäuren und damit zur Entstehung des Lebens auf der Erde führten.

Prozesse im Nervensystem von Menschen und Tieren, wie Bewegung und Atmung, erfolgen durch Nervenimpulse, die aus der im Gewebe von Lebewesen vorhandenen Elektrizität entstehen.

Manche Fischarten nutzen Elektrizität bzw. elektrische Entladungen, um sich vor Feinden zu schützen, unter Wasser nach Nahrung zu suchen und diese zu beschaffen. Zu diesen Fischen gehören: Aale, Neunaugen, Zitterrochen und sogar einige Haie. Alle diese Fische verfügen über ein spezielles elektrisches Organ, das nach dem Prinzip eines Kondensators funktioniert, das heißt, es sammelt eine ziemlich große elektrische Ladung und gibt diese dann an das Opfer ab, das einen solchen Fisch berührt. Außerdem arbeitet eine solche Orgel mit einer Frequenz von mehreren hundert Hertz und hat eine Spannung von mehreren Volt. Die Stromstärke des elektrischen Organs von Fischen verändert sich mit zunehmendem Alter: Je älter der Fisch wird, desto größer ist die Stromstärke. Dank des elektrischen Stroms navigieren auch Fische, die in großen Tiefen leben, im Wasser. Das elektrische Feld wird durch die Einwirkung von Objekten im Wasser verzerrt. Und diese Verzerrungen helfen den Fischen bei der Navigation.

Tödliche Experimente. Elektrizität

Strom bekommen

Kraftwerke wurden speziell zur Stromerzeugung geschaffen. In Kraftwerken wird mit Hilfe von Generatoren Strom erzeugt, der dann über Stromleitungen an die Verbrauchsorte übertragen wird. Elektrischer Strom entsteht durch die Umwandlung mechanischer oder innerer Energie in elektrische Energie. Kraftwerke werden unterteilt in: Wasserkraftwerke oder Wasserkraftwerke, thermische Kernkraftwerke, Wind-, Gezeiten-, Solar- und andere Kraftwerke.

In Wasserkraftwerken erzeugen Generatorturbinen, die durch die Wasserströmung angetrieben werden, elektrischen Strom. In Wärmekraftwerken oder anders gesagt Wärmekraftwerken wird zwar auch elektrischer Strom erzeugt, jedoch wird anstelle von Wasser Wasserdampf verwendet, der beim Erhitzen von Wasser bei der Verbrennung von Brennstoff, beispielsweise Kohle, entsteht.

Ein sehr ähnliches Funktionsprinzip wird in verwendet Kernkraftwerk oder Atomkraftwerk. Nur Kernkraftwerke verwenden eine andere Art von Brennstoff – radioaktive Stoffe, zum Beispiel Uran oder Plutonium. Durch die Spaltung ihrer Kerne wird eine sehr große Wärmemenge freigesetzt, die dazu genutzt wird, das Wasser zu erhitzen und in Wasserdampf umzuwandeln, der dann in eine Turbine gelangt, die elektrischen Strom erzeugt. Der Betrieb solcher Stationen erfordert sehr wenig Treibstoff. Zehn Gramm Uran erzeugen also die gleiche Menge Strom wie ein Auto mit Kohle.

Nutzung von Elektrizität

Heutzutage wird ein Leben ohne Strom unmöglich. Es ist im Leben der Menschen des 21. Jahrhunderts weitgehend integriert. Elektrizität wird häufig zur Beleuchtung verwendet, zum Beispiel mit einer Elektro- oder Neonlampe, und zur Übertragung von Informationen aller Art per Telefon, Fernsehen und Radio, früher auch per Telegraf. Außerdem entstand im 20. Jahrhundert ein neues Anwendungsgebiet der Elektrizität: eine Stromquelle für Elektromotoren von Straßenbahnen, U-Bahnen, Oberleitungsbussen und Elektrozügen. Strom ist notwendig, um verschiedene Haushaltsgeräte zu betreiben, die das Leben erheblich verbessern moderner Mann.

Heute wird auch Strom zur Produktion genutzt hochwertige Materialien und deren Verarbeitung. Mit Strom betriebene E-Gitarren können zum Musizieren verwendet werden. In Ländern, die die Todesstrafe zulassen, wird Elektrizität auch weiterhin als humane Methode zur Tötung von Kriminellen (der elektrische Stuhl) eingesetzt.

Wenn man außerdem bedenkt, dass das Leben eines modernen Menschen ohne Computer und Mobiltelefone, die für ihren Betrieb Strom benötigen, fast unmöglich wird, wird die Bedeutung von Strom kaum zu überschätzen sein.

Elektrizität in Mythologie und Kunst

In der Mythologie fast aller Nationen gibt es Götter, die Blitze werfen, also Elektrizität nutzen können. Bei den Griechen war dieser Gott beispielsweise Zeus, bei den Hindus Agni, der sich in Blitze verwandeln konnte, bei den Slawen Perun und bei den skandinavischen Völkern Thor.

Cartoons haben auch Strom. So gibt es im Disney-Zeichentrickfilm Black Cape einen Antihelden Megavolt, der Elektrizität kontrollieren kann. In japanischen Animationen wird Elektrizität vom Pokémon Pikachu ausgeübt.

Abschluss

Die Erforschung der Eigenschaften von Elektrizität begann in der Antike und dauert bis heute an. Durch das Erlernen der grundlegenden Eigenschaften der Elektrizität und den richtigen Umgang mit ihnen haben die Menschen ihr Leben viel einfacher gemacht. Strom wird auch in Fabriken, Fabriken usw. verwendet, das heißt, er kann zur Erzielung anderer Vorteile genutzt werden. Die Bedeutung der Elektrizität ist sowohl in der Natur als auch im Leben des modernen Menschen enorm. Ohne ein elektrisches Phänomen wie den Blitz wäre das Leben auf der Erde nicht entstanden, und ohne Nervenimpulse, die auch durch Elektrizität entstehen, wäre eine koordinierte Arbeit aller Teile des Organismus nicht möglich gewesen.

Die Menschen waren der Elektrizität schon immer dankbar, auch wenn sie nichts von ihrer Existenz wussten. Sie statteten ihre Hauptgötter mit der Fähigkeit aus, Blitze zu werfen.

Auch der moderne Mensch vergisst die Elektrizität nicht, aber ist es möglich, sie zu vergessen? Er versorgt Zeichentrick- und Filmfiguren mit Strom, baut Kraftwerke zur Stromerzeugung und vieles mehr.

Somit ist Elektrizität das größte Geschenk, das uns die Natur selbst schenkt und das wir glücklicherweise zu nutzen gelernt haben.

Es gibt eine unsichtbare Kraft, die in biologischen Objekten und unbelebten Umgebungen fließt. Diese Kraft nennt man Elektrizität. Was ist Elektrizität? Dies ist die Energie, die durch die Bewegung und Wechselwirkung geladener Teilchen entsteht. Der Begriff „Elektrizität“ kommt vom griechischen Wort „Elektron“, was übersetzt „Bernstein“ bedeutet. Die alten Griechen entdeckten, dass das Reiben dieses Steins eine kleine statische Aufladung erzeugen kann. Doch erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts lernten die Menschen, elektrischen Strom für ihren Bedarf zu erzeugen.

Was ist Strom und wo kommt er her?

Alle unbelebten Objekte um uns herum, Menschen und sogar Luft, bestehen aus Atomen. Ein Atom ist ein Kern, um den Elektronen kreisen. Dabei handelt es sich um ein negativ geladenes Teilchen, das vom Kern angezogen wird, sich aber nicht mit ihm verbindet, da es sich in ständiger Bewegung befindet. Elektronen neutralisieren positiv geladene Teilchen, Protonen. Daher ist das Atom als Ganzes elektrisch neutral.

Dies ist durch die gerichtete Bewegung von Elektronen zu einem anderen Atom möglich. Diese Bewegung wird durch das Magnetfeld des Generators, Reibung oder Reibung erzeugt chemische Reaktion in der Batterie. Der Prozess basiert auf der Eigenschaft der Anziehung gleich geladener Teilchen und der Abstoßung entgegengesetzt geladener Teilchen.

Durch die gezielte Bewegung geladener Teilchen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes entsteht ein Strom. Elektrizität kann durch bestimmte Materialien, sogenannte Leiter, frei übertragen werden. Zum Beispiel Kupfer und andere Metalle, Wasser. Materialien, die keinen Strom leiten können, werden als Isolatoren bezeichnet. Gute Isolatoren sind Holz, Kunststoff und Ebonit.

Statische Elektrizität

Statische Elektrizität entsteht durch ein Ungleichgewicht von Protonen und Elektronen innerhalb eines Atoms, das normalerweise auf Reibung zurückzuführen ist. Ein weiterer Grund für dieses Phänomen ist der Kontakt zweier Dielektrika, zwischen denen eine Potentialdifferenz entsteht.

Im Alltag begegnen Menschen fast täglich statischer Elektrizität. Zum Beispiel, synthetische Kleidung Beim Tragen und Reiben am Körper lädt es sich leicht auf und beim Ausziehen hört man ein leichtes Knistern und sieht Funken. Ein ähnliches Phänomen tritt beim Kämmen der Haare mit einem Kunststoffkamm auf. Quellen statischer Elektrizität in der Wohnung sind elektrische Haushaltsgeräte, Computer und Bürogeräte. Im Betrieb elektrisieren sie winzige Staubpartikel, die sich auf dem Boden, Möbeln, Kleidung und der menschlichen Haut absetzen und auch in die Atemwege gelangen.

Statische Elektrizität wirkt sich negativ auf die menschliche Gesundheit aus. Bei längerer Exposition kann eine statische Aufladung zu Funktionsstörungen des Zentralnerven- und Herz-Kreislauf-Systems, Schlaf- und Appetitlosigkeit, Reizbarkeit und Kopfschmerzen führen.

Am meisten ein leuchtendes Beispiel Die Manifestation statischer Elektrizität in der Natur ist der Blitz. Durch die Ansammlung von Elektronen in den unteren Schichten der Atmosphäre entsteht eine starke elektrische Entladung.

Stromerzeugung und -nutzung

Der Stromverbrauch nimmt jedes Jahr zu. Es ist zum Heizen, Beleuchten von Räumen und zur Sicherstellung der Arbeit notwendig Industrieunternehmen. Auch alle Haushaltsgeräte, ohne die das menschliche Leben nicht denkbar ist, werden mit Strom betrieben.

Der überwiegende Teil des Stroms wird für Industrie und Haushaltsbedürfnisse Hergestellt in Kraftwerken, die mit Generatoren Strom erzeugen und ihn über Stromleitungen über weite Strecken transportieren. Abhängig von der Energiequelle gibt es drei Arten von Kraftwerken:

• nuklear – sie verwenden radioaktive Materialien (Uran und Plutonium) als Brennstoff;
• thermisch – Betrieb mit Gas, Dieselkraftstoff oder Kohle;
• Wasserkraftwerke – Generatorturbinen werden durch den Wasserfluss gedreht.

Wird als alternative Stromquelle verwendet Windräder, Gasgeneratoren, Sonnenkollektoren.

Die Entdeckung der Elektrizität veränderte das menschliche Leben völlig. Das physikalisches Phänomen nimmt ständig am Alltag teil. Die Beleuchtung des Hauses und der Straße, die Bedienung aller möglichen Geräte, unsere schnelle Fortbewegung – all das wäre ohne Strom nicht möglich. Dies wurde dank zahlreicher Studien und Experimente möglich. Betrachten wir die wichtigsten Etappen in der Geschichte der elektrischen Energie.

Antike Zeit

Der Begriff „Elektrizität“ kommt vom altgriechischen Wort „Elektron“, was „Bernstein“ bedeutet. Die erste Erwähnung dieses Phänomens geht auf die Antike zurück. Antiker griechischer Mathematiker und Philosoph Thales von Milet im 7. Jahrhundert v. Chr e. entdeckte, dass der Stein die Fähigkeit erlangte, kleine Objekte anzuziehen, wenn er an Wolle gerieben wurde.

Tatsächlich handelte es sich um ein Experiment zur Erforschung der Möglichkeit der Stromerzeugung. In der modernen Welt ist diese Methode als triboelektrischer Effekt bekannt, der es ermöglicht, Funken zu erzeugen und leichte Objekte anzuziehen. Trotz der geringen Effizienz dieser Methode können wir von Thales als dem Entdecker der Elektrizität sprechen.

IN Antike Auf dem Weg zur Entdeckung der Elektrizität wurden mehrere weitere zaghafte Schritte unternommen:

• antiker griechischer Philosoph Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. e. untersuchte Aalarten, die einen Feind mit einer elektrischen Entladung angreifen können;
• Der antike römische Schriftsteller Plinius erforschte im Jahr 70 n. Chr. die elektrischen Eigenschaften von Harz.

All diese Experimente werden uns wahrscheinlich nicht dabei helfen, herauszufinden, wer die Elektrizität entdeckt hat. Diese isolierten Experimente wurden nicht entwickelt. Die nächsten Ereignisse in der Geschichte der Elektrizität ereigneten sich viele Jahrhunderte später.

Phasen der Theoriebildung

Das 17.-18. Jahrhundert war geprägt von der Schaffung der Grundlagen der Weltwissenschaft. Seit dem 17. Jahrhundert wurden eine Reihe von Entdeckungen gemacht, die es einem Menschen in Zukunft ermöglichen werden, sein Leben völlig zu verändern.

Aussehen des Begriffs

Der englische Physiker und Hofarzt veröffentlichte im Jahr 1600 das Buch „On the Magnet and Magnetic Bodies“, in dem er „elektrisch“ definierte. Es erklärte die Eigenschaften vieler Feststoffe Nach dem Reiben kleine Gegenstände anziehen. Wenn man dieses Ereignis betrachtet, muss man verstehen, dass es sich nicht um die Erfindung der Elektrizität handelt, sondern nur um eine wissenschaftliche Definition.

William Gilbert konnte ein Gerät namens Versor erfinden. Wir können sagen, dass es einem modernen Elektroskop ähnelte, dessen Funktion darin besteht, das Vorhandensein einer elektrischen Ladung festzustellen. Anhand des Versors wurde festgestellt, dass neben Bernstein auch folgende Stoffe die Fähigkeit besitzen, leichte Objekte anzuziehen:

• Glas;
• Diamant;
• Saphir;
• Amethyst;
• Opal;
• Schiefer;
• Karborund.

1663 deutscher Ingenieur, Physiker und Philosoph Otto von Guericke erfand einen Apparat, der ein Prototyp war elektrostatischer Generator. Es handelte sich um eine Kugel aus Schwefel, die auf einem Metallstab befestigt war, der von Hand gedreht und gerieben wurde. Mit Hilfe dieser Erfindung war es möglich, die Eigenschaft von Objekten, nicht nur anzuziehen, sondern auch abzustoßen, in die Tat umzusetzen.

Im März 1672 wurde der berühmte deutsche Wissenschaftler Gottfried Wilhelm Leibniz in einem Brief an Guericke erwähnte, dass er bei der Arbeit an seiner Maschine einen elektrischen Funken entdeckt habe. Dies war der erste Beweis für ein damals mysteriöses Phänomen. Guericke schuf ein Gerät, das als Prototyp für alle zukünftigen elektrischen Entdeckungen diente.

1729 ein Wissenschaftler aus Großbritannien Stephen Gray führte Experimente durch, die es ermöglichten, die Möglichkeit der Übertragung elektrischer Ladung über kurze Entfernungen (bis zu 800 Fuß) zu entdecken. Er stellte auch fest, dass Elektrizität nicht durch die Erde übertragen wird. Dies ermöglichte später die Einteilung aller Stoffe in Isolatoren und Leiter.

Zwei Arten von Gebühren

Französischer Wissenschaftler und Physiker Charles Francois Dufay 1733 entdeckte er zwei unterschiedliche elektrische Ladungen:

• „Glas“, das jetzt positiv genannt wird;
• „harzig“, negativ genannt.

Dann führte er Studien über elektrische Wechselwirkungen durch, die bewiesen, dass unterschiedlich elektrifizierte Körper sich gegenseitig anziehen und ähnlich elektrifizierte Körper abstoßen. Bei diesen Experimenten verwendete der französische Erfinder ein Elektrometer, das die Messung der Ladungsmenge ermöglichte.

1745 ein Physiker aus Holland Pieter van Muschenbrouck erfand das Leidener Gefäß, das zum ersten elektrischen Kondensator wurde. Ihr Schöpfer ist ebenfalls der deutsche Jurist und Physiker Ewald Jürgen von Kleist. Beide Wissenschaftler agierten parallel und unabhängig voneinander. Diese Entdeckung gibt Wissenschaftlern das Recht, in die Liste derjenigen aufgenommen zu werden, die Strom erzeugt haben.

11. Oktober 1745 Kleist führte ein Experiment mit einem „medizinischen Glas“ durch und entdeckte die Fähigkeit, große Mengen elektrischer Ladungen zu speichern. Anschließend informierte er deutsche Wissenschaftler über die Entdeckung, woraufhin eine Analyse dieser Erfindung an der Universität Leiden durchgeführt wurde. Dann Pieter van Muschenbrouck veröffentlichte sein Werk, wodurch die Leiden Bank berühmt wurde.

Benjamin Franklin

Im Jahr 1747 US-amerikanischer Politiker, Erfinder und Schriftsteller Benjamin Franklin veröffentlichte seinen Aufsatz „Experimente und Beobachtungen mit Elektrizität“. Darin stellte er die erste Theorie der Elektrizität vor, in der er sie als immaterielle Flüssigkeit oder Flüssigkeit bezeichnete.

In der modernen Welt wird der Name Franklin oft mit dem Hundert-Dollar-Schein in Verbindung gebracht, aber wir sollten nicht vergessen, dass er einer der größten Erfinder seiner Zeit war. Die Liste seiner zahlreichen Erfolge umfasst:

1. Die heute bekannte Bezeichnung elektrischer Zustände ist (-) und (+).
2. Franklin bewies die elektrische Natur des Blitzes.
3. Im Jahr 1752 gelang es ihm, ein Blitzableiterprojekt zu entwickeln und vorzustellen.
4. Er kam auf die Idee eines Elektromotors. Die Verkörperung dieser Idee war die Demonstration eines Rades, das sich unter dem Einfluss elektrostatischer Kräfte dreht.

Die Veröffentlichung seiner Theorie und zahlreicher Erfindungen geben Franklin das Recht, als einer der Erfinder der Elektrizität angesehen zu werden.

Von der Theorie zur exakten Wissenschaft

Die durchgeführten Forschungen und Experimente ermöglichten es dem Studium der Elektrizität, in die Kategorie einer exakten Wissenschaft aufzusteigen. Der erste einer Reihe wissenschaftlicher Errungenschaften war die Entdeckung des Coulombschen Gesetzes.

Gesetz der Ladungswechselwirkung

Französischer Ingenieur und Physiker Charles Augustin de Coulon 1785 entdeckte er ein Gesetz, das die Wechselwirkungskraft zwischen statischen Punktladungen widerspiegelte. Coulomb hatte zuvor die Torsionswaage erfunden. Die Entstehung des Gesetzes erfolgte dank Coulombs Experimenten mit diesen Skalen. Mit ihrer Hilfe maß er die Wechselwirkungskräfte zwischen geladenen Metallkugeln.

Das Coulombsche Gesetz war das erste Grundgesetz zur Erklärung elektromagnetischer Phänomene, mit dem die Wissenschaft des Elektromagnetismus begann. Eine Einheit elektrischer Ladung wurde 1881 zu Ehren von Coulomb benannt.

Erfindung der Batterie

Im Jahr 1791 verfasste ein italienischer Arzt, Physiologe und Physiker eine Abhandlung über die Kräfte der Elektrizität bei Muskelbewegungen. Darin zeichnete er das Vorhandensein elektrischer Impulse auf Muskelgewebe Tiere. Er entdeckte auch einen Potentialunterschied bei der Wechselwirkung zweier Metallarten und Elektrolyten.

Die Entdeckung von Luigi Galvani ging auf die Arbeit des italienischen Chemikers, Physikers und Physiologen Alessandro Volta zurück. Im Jahr 1800 erfindet er die „Voltasäule“ – eine Quelle für Gleichstrom. Es bestand aus einem Stapel von Silber- und Zinkplatten, die durch in Salzlösung getränkte Papierstücke voneinander getrennt waren. Die „Voltasäule“ wurde zum Prototyp galvanischer Zellen, in denen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wurde.

1861 wurde ihm zu Ehren der Name „Volt“ eingeführt – eine Maßeinheit für die Spannung.

Galvani und Volta gehören zu den Begründern der Lehre von elektrischen Phänomenen. Die Erfindung der Batterie löste eine rasante Entwicklung und anschließendes Wachstum aus wissenschaftliche Entdeckungen. Das Ende des 18. Jahrhunderts und Anfang des 19. Jahrhunderts Jahrhundert kann als die Zeit bezeichnet werden, in der die Elektrizität erfunden wurde.

Die Entstehung des Begriffs des Stroms

Im Jahr 1821 wurde der französische Mathematiker, Physiker und Naturwissenschaftler Andre-Marie Ampère In seiner eigenen Abhandlung stellte er einen Zusammenhang zwischen magnetischen und elektrischen Phänomenen her, der in der statischen Natur der Elektrizität fehlt. Damit führte er erstmals den Begriff „elektrischer Strom“ ein.

Ampere hat eine Spule mit mehreren Windungen aus Kupferdrähten entwickelt, die als Verstärker für elektromagnetische Felder klassifiziert werden kann. Diese Erfindung diente in den 30er Jahren des 19. Jahrhunderts zur Entstehung des elektromagnetischen Telegraphen.

Dank der Forschung von Ampere wurde die Geburt der Elektrotechnik möglich. Ihm zu Ehren wurde 1881 die Stromeinheit „Ampere“ genannt und Instrumente zur Kraftmessung wurden „Amperemeter“ genannt.

Stromkreisgesetz

Physiker aus Deutschland Georg Simon Ohm führte 1826 ein Gesetz ein, das den Zusammenhang zwischen Widerstand, Spannung und Strom in einem Stromkreis bewies. Dank Om entstanden neue Begriffe:

• Spannungsabfall im Netzwerk;
• Leitfähigkeit;
• elektromotorische Kraft.

Im Jahr 1960 wurde eine Einheit für den elektrischen Widerstand nach ihm benannt, und das Ohm gehört zweifellos zu den Erfindern der Elektrizität.

Englischer Chemiker und Physiker Michael Faraday machte 1831 die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion, die der Massenproduktion von Elektrizität zugrunde liegt. Basierend auf diesem Phänomen entwickelt er den ersten Elektromotor. Im Jahr 1834 entdeckte Faraday die Gesetze der Elektrolyse und kam daraus zu dem Schluss, dass Atome als Träger elektrischer Kräfte angesehen werden können. Elektrolysestudien spielten eine bedeutende Rolle bei der Entstehung der elektronischen Theorie.

Faraday ist der Schöpfer der Lehre vom elektromagnetischen Feld. Er konnte das Vorhandensein elektromagnetischer Wellen vorhersagen.

Öffentliche Nutzung

All diese Entdeckungen wären ohne praktische Anwendung nicht legendär geworden. Der Erste von mögliche Wege Anwendung war elektrisches Licht, das nach der Erfindung der Glühlampe in den 70er Jahren des 19. Jahrhunderts verfügbar wurde. Sein Schöpfer war ein russischer Elektroingenieur Alexander Nikolajewitsch Lodygin.

Die erste Lampe war ein geschlossenes Glasgefäß, das einen Kohlenstoffstab enthielt. 1872 wurde die Erfindung angemeldet und 1874 erhielt Lodygin ein Patent für die Erfindung einer Glühlampe. Wenn Sie versuchen, die Frage zu beantworten, in welchem ​​Jahr der Strom auftauchte, dann kann dieses Jahr als eine der richtigen Antworten angesehen werden, da das Erscheinen der Glühbirne zu einem offensichtlichen Zeichen der Zugänglichkeit wurde.

Die Entstehung der Elektrizität in Russland

Es wird interessant sein herauszufinden, in welchem ​​Jahr in Russland Elektrizität auf den Markt kam. Beleuchtung erschien erstmals 1879 in St. Petersburg. Dann wurden die Lichter auf der Liteiny-Brücke installiert. 1883 nahm dann das erste Kraftwerk an der Polizeibrücke (Volksbrücke) den Betrieb auf.

Die Beleuchtung erschien erstmals 1881 in Moskau. Das erste städtische Kraftwerk nahm 1888 in Moskau seinen Betrieb auf.

Als Gründungstag des russischen Energiesystems gilt der 4. Juli 1886, als Alexander III. die Satzung der Electric Lighting Society von 1886 unterzeichnete. Gegründet wurde es von Karl Friedrich Siemens, dem Bruder des Gründers des weltberühmten Siemens-Konzerns.

Es ist unmöglich, genau zu sagen, wann Elektrizität auf der Welt erschien. Es gibt zu viele über die Zeit verstreute Ereignisse, die gleichermaßen wichtig sind. Daher kann es viele Antwortmöglichkeiten geben, und alle werden richtig sein.