Электрический ток

Hа фабриках и на заводах, где трудовой день был 14-16 часов, отсутствие яркого света сказывалось на росте производительности и тормозило технический прогресс. Все это способствовало усилению работы изобретателей над новыми видами электрического освещения: над дуговыми лампами, лампами накаливания и газоразрядными лампами.

Раньше других появились в разработке дуговые лампы, хотя первое время  их прогресс сдерживался отсутствием  надёжных источников тока, не было и  хороших углей. Древесные угли, которыми пользовались Дэви Петров, быстро сгорали  и были не прочны. Выход нашёл  Роберт Бунзен - известный химик, изобретатель цинко-угольного элемента. Он предложил использовать твёрдый нагар, остающийся на раскалённых стенках газовых реторт. Из отбитых кусков этого нагара удавалось выпилить небольшие твёрдые стержни, которые хорошо проводили ток и сгорали значительно медленнее. Позже этот нагар стали молоть и из порошка формовали стержни требуемого размера и необходимой однородности.

Вторая трудность, её называли проблемой  регулятора, заключалась в том, что  угли сгорали - и расстояние между  ними увеличивалось. Дуга становилась  неспокойной, свет из белого становился голубым, начинал мигать и гас. Нужно  было придумать механизм, поддерживающий между концами угля одинаковое расстояние.

Изобретатели предложили много  устройств. Большинство из них имело  тот недостаток, что невозможно было включить несколько ламп в одну цепь. Поэтому каждый источник первое время  работал на один светильник.

Но вот в 1856 году в Москве изобретатель А. И. Шпаковский создал осветительную установку с одиннадцатью дуговыми лампами, снабженными оригинальными регуляторами. Правда, и они не решали проблему дробления света.

Первым разрешил её изобретатель В. H. Чиколев, применивший в 1869 году в дуговой лампе дифференциальный регулятор. Этот принцип используется до сих пор в больших прожекторных установках.

Примерно к тому же времени относятся  удачные опыты по применению ламп накаливания и даже первых газосветных  трубок. Но самую важную и решающую роль в переходе от опытов по электричеству  к электрическому освещению сыграли  работы русского электротехника П. П. Яблочкова… В 1875 Яблочков вместе с изобретателем. Глуховым организовал в Петербурге мастерскую физических приборов. Компаньоны с увлечением конструировали электротехнические новинки, ставили опыты, обсуждали  грандиозные проекты… К сожалению, оба оказались плохими предпринимателями, и финансовые дела их предприятия шли из рук вон плохо.

Однажды, получив заказ на изготовление установки для электролиза поваренной соли, Яблочков занялся поиском наивыгоднейшего положения электродов в растворе. Случилось так, что он коснулся концом одного электрода конца другого. Вспыхнула дуга. Они не переставали гореть, пока не сгорели. Павел Николаевич, мысли которого были заняты обдумыванием устройства дуговой лампы, сразу же понял, что перед ним простое и безусловное решение проблемы… Финансовый крах оторвал его от занятий. В октябре того же года Яблочков уезжает в Париж, где поступает на работу в электротехнические мастерские. Здесь он доводит своё изобретение до конца и получает за него патент. Два параллельно поставленных угольных стержня с прокладкой из каолина присоединялись к клеммам гальванической батарейки или машине постоянного тока. Наверху стояла угольная перемычка - запал, который быстро сгорал при включении. Hемало пришлось поэкспериментировать Павлу Николаевичу. Угли сгорали не равномерно. Положительный электрод уменьшался быстрее, приходилось его делать толще… Простота конструкции и безотказность в работе электрической свечи Яблочкова привели к тому, что успех изобретения превзошёл самые смелые ожидания. Технические журналы и мировая пресса пророчили наступление новой эпохи… В 1876 году русский изобретатель представил свою удивительную свечу на Лондонской выставке. И там она стала гвоздём программы. А год спустя предприимчивый француз Денейруз добился учреждения акционерного общества “Общество изучения электрического освещения по методам Яблочкова” . Благодаря стараниям этого француза, лампы Яблочкова появились в самых посещаемых местах Парижа, на улице - Авеню де ль'Опера и на площади Оперы, а также в магазине “Лувр” тусклое газовое и жидкостное освещение заменили матовые шары, которые светились белым, мягким светом.

Это было так прекрасно, что из Парижа русский свет шагнул не только в  другие города, но пересёк границы. Ещё большую популярность он получил  после удачного эксперимента Яблочкова, в котором он попробовал применять  не постоянный, а переменный ток (теперь угли сгорали равномерно).

Лампа накаливания

Единственное изобретение, которое  можно противопоставить дуговой  лампе Яблочкова носит название дуговой лампы. Её демонстрация произошла  тёмным осенним вечером 1873 года, толпы  петербуржцев спешили на Пески (ныне - район Советских улиц). “Там их ожидало чудесное зрелище. В двух уличных фонарях керосиновые  лампы были заменены какими-то стеклянными  пузырями, от которых шли провода  в толстой резиновой оболочке к световой машине. Рядом суетились  люди. Прилично одетый господин в длинном  расстёгнутом пальто что-то прикручивал, соединял. Провода лежали прямо на панели и путались под ногами. Hо вот застучала машина, зачихала, завертела якорь генератора, и пузырьки на столбах вспыхнули ярким светом. Люди вынимали припасённые газеты, сравнивали, на каком расстоянии от старого керосинового фонаря и нового можно было различить буквы. Разница была впечатляющей. Люди подходили и поздравляли господина в пальто” Господин Лодыгин, это великолепно! Господин Лодыгин, это изумительно!” .

Лампа накаливания была не первым его проектом, ещё в 1870 году он пытается предложить Франции своё детище электролёт. Hо, к сожалению, его проект, на который тогдашнее правительство Франции ассигнует 50 тысяч франков, был свёрнут по причине революции. А патент на применение электричества в воздушной навигации получили братья Гастон и Альфред Тиссандье - воздухоплаватели.

От него осталась незначительная деталь. Для освещения своего летательного аппарата Лодыгин предлагал лампочку накаливания. Вернувшись в Россию, он получает привилегию на неё и, имея уже некоторый опыт, патентует  изобретение в ряде европейских  государств.

В 70 годы того же века с лампочкой  Лодыгина случилась одна любопытная история… В то время на одной из Североамериканских верфей строили корабли для России, и когда настало время их принимать, туда поехал лейтенант русского флота А. H. Хотинский. Он взял с собой несколько ламп накаливания Лодыгина. Может, чтобы освещать помещения корабля. А почему бы и нет? Изобретение уже тогда было запатентовано во Франции, России, Бельгии, Австрии и Великобритании… Случилось так, что он показал русские лампы изобретателю по имени Томас Эдисон, которому новинка чрезвычайно понравилась. Американец принялся за усовершенствование русского изобретения.

Сейчас трудно установить насколько  описанное обстоятельство повлияло на изобретение Эдисона. Но именно он первым предложил выкачивать из ламп накаливания воздух. Но Лодыгин тоже не остановился на достигнутом и ставит всё новые и новые опыты, в результате которых он предложил использовать вместо угля вольфрам и другие металлы, тогда как у Эдисона роль спирали исполняло бамбуковое волокно.

Белое пятно в электричестве

В конце прошлого века учёные (Стюарт, 1878 год) пришли к выводу, что в  и атмосфере Земли на высоте примерно шестидесяти километров начинается ионизированная область - ионосфера, проводящий слой атмосферы, который как скорлупой  охватывает планету. Это позволяет  грубо и приближенно рассматривать  земную поверхность и ионосферный  слой как обкладки конденсатора с  разностью потенциалов около  трёхсот тысяч вольт. В районе ясной погоды этот природный конденсатор  постоянно разряжается, поскольку  ионы под действием сил электрического поля уходят к Земле. А вот в  районах грозовой деятельности картина  иная. Считается, что в один момент времени гроза охватывает примерно 1% земной поверхности. В этих районах  мощные токи текут снизу вверх, компенсируя  разряд в ясных районах.

Таким образом, грозовые облака - это  не что иное, как природные электрические  генераторы, поддерживающие в равновесии всю систему сложного электрического хозяйства во всем земном масштабе.

Казалось бы, люди, занявшиеся изучением  электрических сил, в первую очередь  должны были бы обратить внимание на атмосферное  электричество. Ведь оно, как ни какое  другое, ближе и всегда под руками. Однако на деле было не так. Долгое время  исследователи и не предполагали, что крошечная искорка и молния явления одной природы и лишь разные по своему масштабу. Вернее сказать, подозрения, конечно, были. Порою, они даже высказывались в слух. Но это были лишь подозрения. Глубокое заблуждение древних философов, убеждённых в том, что мир Земля не имеет ничего общего с миром Hеба, были стойкими и держались долго. Лишь в XVIII веке наступило время объединить наблюдаемые явления и уверенно заявить о том, что небесное и земное электричество - явления одной природы. И только XX столетие объяснило механизм образования грозы. Правда, пока объяснило тоже не до конца…

Поражение электрическим током

В 1862 году впервые был описан случай поражения электрическим током  при случайном соприкосновении  с токоведущими частями. Смерть наступила  мгновенно. Подобные случаи смерти, вызванной  электрическим током, начали регистрировать; по мере расширения использования электричества  число их росло. Мнение было единое - смерть наступала, как правило, мгновенно  и каких либо существенных изменений  на теле не обнаруживалось. Исключение составляли случаи, когда поражение  сопровождалось ожогом электрической  дугой.

С конца XIX века начинаются опыты на животных для определения пороговых - опасных - значений тока и напряжения. Определение этих значений вызвалось  необходимостью создания защитных мероприятий. Начиная с первых годов XIX столетия, особенно после того, как появляются сведения о крайне мучительной и  не мгновенной смерти при казни на электрическом стуле, возникли противоречия, как в оценке опасных значений поражающих токов, так и в оценке механизма поражения. Не вдаваясь сейчас в существо противоречий, отметим  одно: при электротравмах люди погибают иногда при небольших значениях напряжений и токов, и выживают при больших значениях напряжений и токов, достигающих нескольких киловольт и сотен миллиампер. Основоположник науки об опасности электричества - австрийский учёный Еллинек, столкнувшись при расследовании поражения электрическим током с этим фактом, еще в конце 20-ых годов нашего столетия впервые высказал предположение о том, что решающую роль во многих случаях поражений играет фактор внимания, то есть по существу, тяжесть исхода поражения обуславливается в значительной степени состоянием нервной системы человека в момент поражения.

3.Теория

Электрический заряд — свойство тел ,способное создавать вокруг себя электрическое поле  
и посредством него оказывать воздействие на другие обладающие электрическим зарядом тела.  
Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные.  
Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные — притягиваются. При движении заряженных тел возникает магнитное поле и имеют, таким образом, место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм).  
В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к заряженным элементарным частицам, например, электрон имеет отрицательный заряд, а протон и позитрон— положительный.  
Наиболее общая фундаментальная наука, имеющая предметом электрические заряды, их взаимодействие и поля, ими порождаемые и действующие на них (то есть практически полностью покрывающая тему электричества, за исключением таких деталей, как электрические свойства конкретных веществ, как то электропроводность и т.п.) — это электродинамика.  
Квантовые свойства электромагнитных полей, заряженных частиц итп изучаются наиболее глубоко квантовой электродинамикой, хотя часть из них может быть объяснена более простыми квантовыми теориями.

Основы Электричества

Электрическое поле. Напряженность  электрического поля. Любые материальные тела состоят из мельчайших элементарных частиц. Неотъемлемой составляющей всех частиц являются различные виды полей, которые окружают их вокруг и отталкиваются друг от друга.  
Таких полей множество, и одним из них есть электрическое поле. Электрическое поле — это особый вид материи, которая существует вокруг электрически заряженных элементарных частиц (электроны и протоны). Через электрические поля передаётся воздействие одного электрического заряда (неподвижного) на иной неподвижный электрический заряд. Данное взаимодействие происходит в соответствии с известными законами Кулона. Электрическое поле проявляет себя когда заряда одного вида становится больше или меньше, по отношению к противоположному. Тогда одни тела начинают притягиваться либо отталкивать другие на расстоянии. Поскольку в промежутке этого расстояния нет плотных тел, то можно утверждать о существовании невидимого поля. Электрическое поле существуют везде и вокруг всего.  
К свойствам электрического поля можно отнести:  
— невидимость (их определение происходит через поведение пробного электрического заряда)  
— электрические поля взаимодействуют только лишь с электрическими полями.  
— оно имеет векторное направление  
— может притягивать либо отталкивать  
— существует всегда вокруг заряженных частиц (в отличие от магнитного поля)  
— обладает свойством концентрации и неоднородности (имеется в виду напряженность)  
Электрическое поле определяется при помощи пробного точечного заряда.  
Если электрический заряд обладает электрическим полем внести в интересующую нас точку пространства, можно выяснить — есть ли в данном месте электрическое поле.  
Если начнёт действовать электрическая сила, то значит, в этой точки поле есть.  
Интенсивность данного электрического поля будет характеризовать напряженность поля.  
Силы, которые действуют на один и тот же точечный электрический заряд будут отличаться по направлению и величине в различных точках электрического поля. Поэтому и было целесообразно ввести силовую характеристику любой точки данного поля, созданного зарядом. К сожалению, сила «F» (Кулона) подобной характеристикой послужить не может, поскольку для одной точки поля эта сила будет прямо пропорциональна величине точечного заряда. Было принято считать силовой характеристикой точки электрического поля «E». Она стала называться напряжённостью электрического поля. Напряжённость измеряется силой, с которой электрическое поле действует на единичный положительный заряд, что был внесён в некую точку определяемого поля в пространстве. Напряженность является векторной величиной. Напряжённость электрического поля измеряется в Ньютонах на Кулон или в Вольтах на метр. И ещё, что можно сказать о напряжённости — если электрическое поле создаётся одновременно множеством электрических зарядов, то результативная (общая) напряжённость «E» в определённой точке электрического поля находится как геометрическая сумма всех имеющихся напряженностей, созданных в данной точке каждым конкретным электрическим зарядом в отдельности. P.S. Электрические поля, это неотъемлеммая составляющая всего существующего в мироздании, и лишь в силу нашей ограниченности восприятия мира, поля воспринимаются нами, как нечто загадочное и непонятное. 

Как это действует?

Электрический ток представляет собой  движение свободных электронов между  двумя точками проводника. Электроны  представляют собой частицы, которые  вращаются вокруг ядра (почти так  же, как планеты вокруг Солнца). Ядро и электроны составляют атом. Свободным  электроном называют электрон, способный  легко отделится от атома. Различают  два вида тел: те которые имеют свободные электроны и называются проводниками (в основном металлы), и те, которые их не имеют и называются изоляторами (стекло, фарфор, пластик, дерево и т. д.).

Генератор – установка, которая производит электричество. Генератор имеет две металлические клеммы. Он снабжен устройством, которое создает избыток электронов на одной клемме и их недостаток на другой. Поэтому клеммы для избытка электронов обозначают плюсом (+), а для недостатка – минусом (-) (рисунок1). Когда подсоединяют электроприбор-потребитель к клеммам (например, лампочку), генератор действует как насос для электронов: он втягивает заряды «+» и отталкивает заряды «-». Следовательно, электрический ток имеет некое направление. Раньше считали, что ток идет от клеммы «+» к клемме «-». В действительности все это происходит наоборот, однако сохранили эту условность.

Чтобы понять возможности электричества, проделаем следующий опыт. Соберем  электрическую цепь (рис.2), соединяя электропроводом следующие элементы последовательно, то есть один вслед за другим:

- лампочку;

- электроды (концы проводников  из меди или другого металла), которые погружены в раствор  соляной кислоты. Раствор в  данном случае представляет собой  продукт, который при смешивании  его с водой производит ионы (поскольку атомы теряют или  получают один или несколько  электронов);

- медную перемычку (под которую  ставим компас);

- выключатель;

- генератор.

Что происходит, если нажать на выключатель;

- лампочка зажигается и излучает  тепло – это тепловой эффект;

- заряженные частицы появляются  на электродах – это химический  эффект;

- стрелка компаса поворачивается  – это магнитный эффект.

Тепловой эффект мы наблюдаем, когда электрический ток проходит через материал, оказывающий сопротивление, - именно тогда электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Этот эффект используют для освещения, а также для обогрева (этот принцип применяют в электрическом конвекторе). Для освещения используют вольфрамовую нить, доводимую до свечения прохождением через нее электрического тока. Нить помещают в стеклянную колбу, в которой находится инертный газ (например, криптон) или в которой создан вакуум.

Химический эффект происходит во время прохождения электрического тока через раствор – между электродами начинается обмен электронами (заряженными частицами) от одного электрода к другому. Такая химическая реакция называется электролизом. Этот принцип используется в промышленности для рафинирования некоторых металлов (алюминия, золота, серебра) и для гальваностегии (создания металлического осадка на другом веществе, например серебрение, позолота).