Современный человек привык к широкому использованию электрической энергии в повседневном обиходе. Постоянное применение электроприборов для освещения, обогрева, приготовления пищи и обмена информацией составляет неотъемлемую часть человеческой деятельности. Временное отключение электричества нарушает нормальный ход жизни, создавая огромную проблему. Не случайно электрификация считается символом доступа к благам цивилизации.
Бытовые условия жизни древних предков представляются современным людям достаточно примитивными: приготовление пищи на открытом огне, грубая одежда, отсутствие комфорта. Мало кто знает, что электрические явления были известны людям уже в древние времена.
Имен древних первооткрывателей электричества летописи не сохранили, однако факты свидетельствуют о многолетней истории использования людьми свойств электрических зарядов. Например, способность некоторых видов рыб провоцировать разряд электричества была описана в древних документах. В число других предметов древних технологий, найденных археологами, входит химический источник электрического тока, созданный более 25 веков назад.
История изучения
Наиболее впечатляющим электрическим явлением, поражавшим воображение древних людей, были разряды молний. Не зря в античные времена верховный бог Юпитер (Зевс) носил титул громовержца. Разряд молнии мог вызвать пожар, но также был источником огня, который можно было сохранить и использовать для приготовления пищи.
Объяснить разряды молний с научных позиций в древние времена было невозможно. Древние ученые могли лишь обобщать результаты наблюдений и строить гипотезы, позволяющие понять и использовать мощную энергию.
Первые наблюдения
Древние исследователи были осведомлены о необычных качествах, присущих некоторым рыбам. В папирусах Древнего Египта ученые нашли упоминания о нильских рыбах, создающих мощные разряды, поражающие на расстоянии.
При изучении древних египетских барельефов, созданных около 3,5 тыс. лет назад, ученые обнаружили картинки рыбной ловли с изображением электрического сома.
Античный исследователь Плиний Старший писал о существовании скатов и сомов, испускающих разряды, способные передвигаться по проводникам на дальнее расстояние.
Целители древних цивилизаций использовали разряды, создаваемые рыбами, для лечения артритов и мигреней. Метод лечения заключался в контакте больного участка тела с рыбой, вызывающим электрошок.
Целитель из Древнего Рима Гален применял метод лечения электрошоком настолько успешно, что стал личным доктором римского императора Марка Аврелия.
Древний египетский храм, посвященный богине Хатхор, покрыт барельефами с изображением предметов, похожих на лампы дневного света. Это древнее здание было построено больше 45 веков назад. Научный анализ все же приводит к выводу, что для создания вакуумных приборов с колбами из тонкого стекла у древних египтян не было технических возможностей. По-видимому, сходство нарисованных предметов с современными осветительными приборами чисто внешнее.
Следующий этап развития теории электричества связан с именем Фалеса Милетского, математика из Древней Греции. Исследователь убедился, что янтарная палочка после трения о мех приобретает свойство притягивать небольшие объекты. Определить причину данного явления ученый был не в состоянии, поэтому воздействие было объяснено вмешательством божества.
Термин «электричество» появился благодаря слову «электрон», что на греческом языке означало «янтарь».
Исследования руин древних цивилизаций, найденных на территории современного Ирака, привели к неожиданной находке. Найденный древний сосуд содержал цилиндр из меди, содержащий внутри металлическим стержнем. Конструкция находки позволила исследователям выдвинуть предположение, что древний сосуд представлял собой источник электрического тока, работающий по химическому принципу при условии заполнения внутреннего пространства раствором кислоты или щелочи. Впоследствии ученые провели эксперимент с копией находки и доказали, что при заполнении аналогичного сосуда электролитом батарея создает напряжение около двух вольт.
Гипотеза о существовании источников тока, созданных представителями древних цивилизаций, была неоднократно оспорена. Противники теории обращают внимание на факт, что не обнаружено оборудования, которое могло быть использовано вместе с батареей. Помимо этого, верхняя часть древнего сосуда закрыта слоем битума, что больше похоже на емкость для хранения документов.
Начало экспериментов
На рубеже XVI и XVII веков исследователи свойств природы начали изучать работы древних ученых. Слово «электричество» было введено в обращение придворным медиком английской королевы Гилбертом.
Термин был призван обозначать силу, возникающую между двумя телами после взаимного трения. Другая научная работа Гилберта была посвящена магнитным свойствам Земли. Ученый предложил теорию, в которой Земля являлась огромным магнитом с полюсами, находящимися вблизи географических полюсов.
Гилберт выдвинул гипотезу о различии понятий магнитного и электростатического взаимодействия тел. Экспериментатор создал несложный прибор, помогающий определять наличие электростатического поля. При помощи созданного прибора Гилберт подтвердил собственную гипотезу о том, что сила электростатического притяжения возникает при трении о различные материалы, а не только о янтарь. Гилберт был первым ученым, описавшим присущие различным материалам качества, позволяющие изолировать или экранировать электростатическое воздействие.
Опыты Гилберта по изучению электростатического взаимодействия были продолжены в Германии, где в XVII веке исследователь Отто фон Герике создал прибор, предназначенный для проведения экспериментов по притяжению и отталкиванию заряженных тел.
Прибор представлял собой серный шар с закрепленным внутри металлическим стержнем. Чтобы создать серный шар, нагретую серу вливали в сосуд из стекла. После охлаждения серы стеклянную оболочку сосуда разбивали. Изготовленный серный шар закреплялся на оси, которую можно было механически вращать. Прикосновение к серному шару сухой рукой приводило к разделению электростатических зарядов. Результат воздействия проявлялся в виде притяжения или отталкивания заряженных тел. Экспериментатор Отто фон Герике также осуществил передачу электростатических зарядов на короткие расстояния через льняную нитку.
Эксперименты Отто фон Герике, доказавшие возможность передавать электростатические заряды на дистанцию, были продолжены английским исследователем Стивеном Греем. Ученый изучил взаимодействие электростатических зарядов на приборе, состоящем из стеклянной трубки, закрытой пробкой. После трения трубки пробка начинала притягивать небольшие объекты. Соединив пробку нитью из шелка с удаленными объектами, ученый узнал, что электрические заряды могут передаваться на расстояния до 800 футов.
При проведении экспериментов Стивен Грей установил, что максимум расстояния, на которое происходит передача электричества, зависит от материала шнура, а не от толщины.
В результате проведенных экспериментов исследователь также узнал о возможности электризовать тела без непосредственного соприкосновения. Это явление позже было названо электростатической индукцией. Другим важным открытием Стивена Грея было разделение материалов на проводящие и изолирующие.
Исследователь из Франции Шарль Дюфе обобщил результаты экспериментов, проведенных другими учеными, и смог доказать существование двух видов электрических зарядов, определяющих направление сил притяжения или отталкивания заряженных объектов. Как выяснил ученый, заряды одинакового вида отталкиваются друг от друга, а заряды, принадлежащие к двум различным видам, испытывают притяжение друг к другу.
Значительный прогресс в изучении электрических явлений был достигнут исследователями, впервые создавшими конденсатор в 1745 году. Первоначальное название этого электроприбора «лейденская банка» связано с городом Лейденом, в котором было сделано открытие.
История создания конденсатора включает элемент случайности и связана с именами двух ученых: Клейста и Мушенбрука. Первый исследовал изучал действие электростатической машины, заряжая различные предметы. Зарядив металлический гвоздь, находящийся в банке, экспериментатор взялся за предмет одной рукой, держа в другой руке сосуд. Такое действие вызвало замыкание цепи, и Клейст испытал электрошок от прохождения тока. Повторив эксперимент, исследователь сделал вывод о возможности накапливать электрические заряды.
Немного позднее аналогичный опыт был проведен профессором Мушенбруком. Экспериментатор использовал в качестве накопителя электричества стеклянный сосуд с водой, в который была погружена проволока из меди, подключенная к электростатической машине. Приведя машину в действие, исследователь зарядил проволоку, а заряд другого знака накопился на руках помощника, державшего стеклянный сосуд. При попытке коснуться другой рукой проводника помощник испытал электрошок от прохождения тока по телу.
В конце XVIII века эксперименты с атмосферным электричеством проводили ученые Риман и Ломоносов, заряжавшие электроприбор «лейденская банка» при помощи громоотвода. В процессе экспериментов был создан электроприбор, позволяющий измерять количество накопленного заряда. Один из опытов трагически закончился для Римана, получившего смертельный электрошок от разряда молнии.
Исследования Франклина
Американскому политику и исследователю Бенджамину Франклину принадлежит авторство деления электрических зарядов на положительные и отрицательные.
Эксперименты по исследованию атмосферного электричества, проводимые Франклином, включали использование воздушного змея для запуска в грозовую тучу. Конструкция воздушного змея представляла собой деревянную крестовину, обтянутую шелком, на которой был закреплен острый металлический стержень. При запуске в облако змей собирал на себе заряды электричества. Для управления воздушным змеем использовалась шелковая лента с металлическим ключом, привязанным к нижнему концу. При намокании под дождем лента приобретала проводящие свойства и накопленный заряд электричества переходил на ключ. О том, что ключ заряжен, можно было судить по срывавшимся с предмета искрам.
Другим вкладом Франклина в изучение электричества стало усовершенствование громоотвода, верхний конец которого ученый предложил сделать заостренным. Изучение громоотвода позволило исследователю доказать электрическую природу разрядов молнии.
Электрофизиология
На рубеже XVIII и XIX веков опыты с электричеством были продолжены итальянскими экспериментаторами, заложившими основы новой научной отрасли – электрофизиологии. Экспериментатор Гальвани случайно обнаружил эффект непроизвольного сокращения лягушачьих лапок под воздействием прохождения тока. Данное явление было названо гальванизмом в честь первооткрывателя.
Эксперименты, продолженные итальянским ученым Вольта, позволили создать первый искусственный источник тока. Другой последователь Гальвани прославился экспериментами над телами казненных преступников. Во время демонстраций мертвые тела под воздействием прохождения электрических зарядов совершали непроизвольные движения, производя на публику неизгладимое впечатление.
Развитие теории и практики использования электроэнергии
Отправной точкой создания общей теории электричества стало открытие закона электростатического взаимодействия зарядов французским ученым Шарлем Кулоном. Математически закон Кулона выражает прямую зависимость силы электростатического взаимодействия от величины точечных зарядов и обратную квадратичную зависимость этой же силы от расстояния между заряженными точками.
Опыты итальянского ученого Гальвани в области электрофизиологии подтолкнули другого исследователя из Италии Алессандро Вольта продолжить экспериментировать с теми же объектами. Экспериментатор установил, что мышечная реакция лягушачьих лапок зависит от вида металлов, используемых как контакты. При использовании одинаковых металлов мышечных сокращений не происходило. По итогам экспериментов ученый сформулировал понятие разности потенциалов и пришел к пониманию, что лягушачьи лапки вместе с подведенными контактами представляют собой разновидность замкнутой цепи. Также Вольта сделал вывод о более высокой реакции нервных тканей организма на внешние раздражители по сравнению с мышечными тканями и выявил чувствительность человеческих чувств вкуса и зрения к электротоку.
Результатом исследований явилось создание источника тока, работающего благодаря химическому взаимодействию. Конструкция прибора представляла собой последовательность металлических пластин из различных материалов. Внутри щелей между пластинами размещались бумажные диски, смоченные раствором щелочи.
По чертежам Вольта российским исследователем Петровым был создан 12-метровый источник тока. Прибор состоял из более чем двух тысяч пар металлических пластин из меди и цинка, между которыми были размещены картонные диски, пропитанные раствором нашатыря, Огромный источник тока использовался для создания мощного дугового электрического разряда.
Дуговой разряд применялся для:
- электросварки;
- плавильных процессов;
- добычи металлов из горных пород;
- освещения.
Петров является автором термина «сопротивление», означавшего воздействие материала на прохождение тока. Увеличение сопротивление приводило к торможению движения зарядов и уменьшению силы тока. Эксперименты по движению электротока через различные материалы позволили изучить явление электролиза.
Этапы создания теории электромагнитных взаимодействий
Первая половина XIX века была ознаменована чередой открытий, позволивших ученым установить связь между электричеством и магнитными явлениями и сформулировать основные законы, описывающие характеристики электрического и магнитного полей.
Эксперименты исследователя Эрстеда продемонстрировали, что прохождение тока по проводам приводит к отклонению магнитной стрелки компаса, расположенного около проводника. Последующие опыты ученого с проводниками, выполненными из различных материалов, неизменно приводили к возникновению магнитных эффектов в пространстве, окружающем провода с электротоком. Эксперименты также показали, что появление магнитных эффектов при протекании тока зависит от ориентации проводников в пространстве.
Исследования, начатые Эрстедом, были продолжены французским исследователем Ампером. С именем Ампера связана теорема, описывающая зависимость воздействия магнитного поля на провод от скорости движения зарядов и пространственного расположения проводника. Таким образом Ампер установил взаимосвязь между магнитным полем и переменным электрическим полем.
Продолжив эксперименты, Ампер установил, что магнитное поле не только воздействует на электроток, но и порождается током. Исследователь обнаружил, что пропускание заряда через провод, намотанный на катушку с металлическим сердечником, создает магнитное поле в пространстве вокруг катушки.
Зависимость силы тока от разности потенциалов и проводящих свойств элементов цепи в 1826 году установил физик из Германии Георг Ом, в честь которого и был назван открытый закон.
Исследования электростатического поля были продолжены Гауссом. Немецкий математик доказал, что характеристики электростатического поля находятся в зависимости от зарядов, порождающих поле.
Английский исследователь Фарадей является автором открытия о том, что изменения магнитного поля приводят к возникновению вихревого электрического поля. Открытое Фарадеем явление, получившее название электромагнитной индукции, состояло в возникновении электротока в замкнутом контуре под воздействием меняющегося потока магнитной индукции.
Принцип электромагнитной индукции был положен в основу работы первых электрогенераторов и двигателей, работающих от электричества. Фарадею также принадлежит идея о том, что переносчиками электричества являются мельчайшие частицы материи.
Российский ученый Ленц продолжил изучение электромагнитных явлений, сформулировав правило, по которому можно определить направление тока индукции. Правило было названо в честь ученого. Из результатов экспериментов с током Ленц вывел формулу для расчета тепловой энергии, выделяющейся в проводнике при прохождении электротока. Ученый также доказал возможность обратимости циклов работы электрических машин.
Теория Максвелла
После обнаружения эффекта электромагнитной индукции научный мир разделился на два лагеря. Часть ученых придерживалась идеи, что передача воздействия электромагнитных сил на удаленные объекты осуществляется мгновенно, подобно гравитации. Эта концепция получила название теории дальнодействия. Фарадей выдвинул гипотезу о силовых линиях, соединяющих между собой заряды разных знаков.
Английскому ученому Максвеллу удалось вывести систему уравнений, описывающих весь комплекс электрических и магнитных явлений. По теории Максвелла, меняющееся электрическое поле является причиной возникновения магнитного поля. Меняющееся магнитное поле порождает электрическое. Эти воздействия передаются на расстоянии с конечной скоростью, равной 300 тыс. км в секунду (скорость света). Позднее эта теория позволила понять, что лучи видимого света представляют собой одну из разновидностей распространяющейся в пространстве электромагнитной волны.
Развитие электротехники
Научные открытия из области электромагнитных явлений создали базу для развития технологий, использующих электрический ток. Формулы Максвелла и другие законы позволили проводить расчеты сложных схем цепей электротока, что дало возможность создавать сложные электроприборы.
Мощность, развиваемая тепловыми машинами, уже не удовлетворяла нужды промышленности. Использование электрических машин привело к резкому увеличению эффективности производства.
Первые электродвигатели, использующие электроэнергию для совершения механической работы, были созданы в первой половине XIX века в соответствии с идеями Фарадея. Следующий технологический рывок был совершен в середине XIX века благодаря созданию электродвигателя с вращающейся рабочей рамкой. Конструкция электродвигателя, предложенная российским исследователем Якоби, выгодно отличалась от предыдущих моделей, производивших электроток только за счет колебаний или движений «вперед-назад».
Принципиальная схема конструкции электродвигателя включала две категории электромагнитов:
- подвижные, закрепленные на роторе;
- статичные, закрепленные на статоре.
Периодическая смена полярности осуществлялась через коммутатор. Частота вращения вала составляла сорок оборотов в минуту. На выходе конструкции, питавшейся постоянным электротоком от гальванической батареи, потреблялась мощность около 15 Вт.
Следующий этап совершенствования конструкции электродвигателей связан с именем ученого Николы Теслы. Этот сербский исследователь запатентовал двухфазный электродвигатель, использующий две обмотки, смещенные одна относительно другой на 90⁰.
Позднее конструкция была усовершенствована и создан асинхронный трехфазный прибор, позволяющий передавать электроэнергию на дальние расстояния. При экспериментах, проведенных в 1891 году, у исследователей получилось передать электроэнергию на расстояние 170 км.
Первые бытовые электрические приборы
Российский ученый Лодыгин создал первый осветительный прибор, использующий стержень из угля, в 1872 году. Лампы освещения были установлены в Санкт-Петербурге на Литейном мосту.
Осветительный прибор, созданный изобретателем Яблочковым, использовал в качестве источника световой энергии дуговой разряд электричества. Эта лампа была дешевле осветительного прибора Лодыгина и более яркий свет. Конструкция лампы включала два стержня из угля, разделенные изолятором, к верхушкам которых прикреплялась тонкая проволочка. При замыкании цепи проволочка перегорала, приводя к поджиганию дуги лампы. Процесс горения продолжался около 90 минут.
Позднее Яблочков внес в конструкцию осветительного прибора изменения, позволившие перевести лампу на многократный цикл использования. Удобную в использовании лампу в начале ХХ века применяли для освещения во многих странах.
Электрическое освещение
В XIX веке повсеместно использовалось освещение газовыми или керосиновыми лампами, представлявшее большую пожарную опасность. Освещение при помощи электричества оказалось более безопасным и энергетически выгодным.
Осуществить повсеместный переход на освещение при помощи электричества удалось благодаря созданию осветительного прибора, известного как лампа Эдисона. Американский изобретатель Эдисон в 1879 году создал прибор освещения, конструкция которого содержала лампу со спиральной резьбой на цоколе, облегчающей завинчивание в патрон. Система освещения включала также провода, штепсельную вилку, розетку, счетчик электричества и предохранители. Нить накаливания представляла собой проволоку из вольфрама, которая раскалялась и давала свет при прохождении тока.
В 80-е годы XIX века освещение Нью-Йорка осуществлялось при помощи электроэнергии, создаваемой городской электростанцией. Электричества, производимого шестью паровыми динамо-машинами, было достаточно для освещения центрального городского района, занимавшего территорию около 2,5 кв. км.
На рубеже XIX и XX веков были созданы первые бытовые приборы, использующие электроэнергию:
- электрочайник;
- дрель;
- вентилятор;
- электрическая плита;
- кофеварка;
- холодильник.
Электрификация России
Начало распространению электроэнергии в России положило общество известных российских ученых, занимавшихся развитием электрических технологий. Авторитетными членами научиного общества стали российские ученые Лодыгин, Яблочков, Чиколев.
Научное бщество начало свою деятельность с организации уличного освещения в крупнейших российских городах. В Санкт-Петербурге при помощи ламп с электродугой было организовано освещение зданий театра и манежа. В Москве осветительные приборы были установлены на площади около Храма Христа Спасителя.
Дороговизна и необходимость наличия близких электростанций приводила к использованию освещения электричеством почти исключительно для общественных мест, магазинов, производственных цехов. Электричество в доме было доступно лишь очень обеспеченным людям.
В начале ХХ века даже при отсутствии поддержки государства потребление электроэнергии росло с каждым годом благодаря повсеместному переходу на приборы электрического освещения. Первая мировая война привела к снижению темпов электрификации. Смена власти в стране и последовавшая за этим гражданская война привели к полному разрушению системы электроснабжения.
В первые годы советской власти была создана специальная комиссия для создания плана по созданию единой системы российской электроэнергетики. К началу 30-х годов количество вырабатываемой в СССР ежегодно электроэнергии выросло в семь раз по сравнению с дореволюционным периодом. Количество новых электростанций составило 40.
Заключение
Статья содержит описание изучения природы электричества, начало которому было положено тысячи лет назад. Описываются факты первых наблюдений электрических явлений, известные по находкам археологов и древним документам, дошедшим до наших дней. Рассказано о начале экспериментов, проводимых исследователями с XVI по XIX век. Информирует об этапах создания теории электромагнитных взаимодействий, а также об истории использования электроэнергии. Рассказано о первых приборах электрического освещения, а также о создании системы электрификации России. Эти исследования заложили основу для создания современной теории электричества.
