История создания электричества, его виды и применение в науке и жизни

Трудно представить, что еще два столетия назад люди не использовали электричество столь же широко, как сейчас. Открытие и изучение свойств этой энергии сделали возможным появление бытовой техники, интернета, телевидения и высокоскоростного транспорта, без которых трудно представить комфортное существование. Однако не всем известно, что этим достижениям предшествовала многовековая исследовательская работа.

Состав невидимого потока

С точки зрения физики, сама возможность возникновения электричества исходит из способностей физической материи накапливать и сохранять электрический заряд. Вокруг этих накопителей образуется энергетическое поле.

В основе действия тока лежит сила невидимого потока заряженных частиц, движущихся в едином направлении, что образует магнитное поле, родственное по принципу действия с электрическим. Они могут влиять на другие тела, обладающие зарядом того или иного вида:

• отрицательным;
• положительным.

Согласно научным исследованиям, электроны вращаются вокруг центрального ядра любого атома, входящего в состав молекул, образующих все физические тела. Под воздействием магнитных полей они могут отрываться от родного ядра и присоединяться к другому, вследствие чего у одной молекулы получается недостаток электронов, а у другой возникает их переизбыток.

Но сама суть этих элементов состоит в стремлении восполнить нехватку в матрице — они всегда стремятся туда, где их наименьшее количество. Такая постоянная миграция наглядно показывает, как получается электричество, ведь на близком расстоянии электроны стремительно переходят от одного центра атома к другому. Это приводит к образованию тока, о нюансах действия которого интересно знать следующие факты:

• вектор — его направление всегда исходит из отрицательного заряженного полюса и стремится к положительному;
• атомы с избытком электронов имеют заряд «минус» и именуются «ионами», недостаток же этих элементов создает «плюс»;
• в контактах проводов «минусовой» заряд называют «фаза», а «плюс» обозначается нулем;
• наименьшее расстояние между атомами — в составе металлов, поэтому они являются наилучшими проводниками тока;
• наибольшая межатомная дистанция зафиксирована в резине и твердых телах — мрамор, янтарь, фарфор, — которые являются диэлектриками, неспособными проводить ток, поэтому их еще называют «изоляторами»;
• энергия, образующаяся при движении электронов и разогревающая проводники, именуется «мощностью», которую принято измерять в ваттах.

Интересно, что все свойства явления до сих пор не изучены до конца, хотя квантовая физика и термодинамика проводят постоянные исследования. Проще всего обозначить определение электричества через тезис ученого Вильяма Гилберта, сказавшего, что это энергия движущихся заряженных частиц и освещение, получаемое с использованием данной силы.

От янтаря к молнии — долгая история

Нет однозначного ответа на вопрос, кто создал электричество, выделив его как отдельную управляемую энергию. С древнейших времен до наших дней величайшие деятели науки работали над этой темой и добавляли к предыдущей теории собственные знания и опыты по применению на практике.

Первые шаги ученых прошлого

Лексический корень, который лег в основу понятия, произошел от древнегреческого слова «электрон», что означает «янтарь». Ученый и философ Фалес, живший в 7 веке до н. э., случайно заметил в ходе других физических опытов, что если тщательно потереть необработанный янтарь о шерсть, он начнет притягивать пыль и нити, а большой камень — ткань и тонкие кусочки папируса.

Заинтересовавшись, Фалес провел ряд опытов и вышел на теорию заряженных частиц, однако в то время не было подходящего оборудования для доказательств его выводов. Исследования не получили продолжения, однако имя ученого навсегда вошло в историю как первооткрывателя. Позже Аристотель изучал морских угрей и скатов, поражающих жертву электроразрядом, а Плиний интересовался смолой как проводником заряда.

После долгих лет средневекового невежества интерес к исканиям античных ученых возник только в 17 веке, причем одновременно в нескольких европейских странах. Бургомистр Магдебурга Отто фон Герике, интересовавшийся наукой больше, чем скучной работой чиновника, именно на основе древних рукописей создал механизм научно-исследовательского характера, использующий статическое электричество.

Он представлял собой прибор, состоящий из железного штифта и шарика серы вместо янтаря сверху. Механизм был сделан не для практической пользы, а для дальнейших исследований, в ходе которых Герике удалось создать подобие современной лампочки с серным зерном в центре.

Немногим позже британский врач и физик Вильям Гилберт изобрел усовершенствованный прибор для более глубокого изучения свойств

новой энергии, назвав его электроскопом. Это было простое устройство из стрелы, крутившейся на толстой металлической игле по принципу компаса, однако благодаря ему Гилберт выявил взаимосвязи огня и электричества, смог понять и доказать, что вместо янтаря можно использовать драгоценные камни и самоцветы, а также стекло и хрусталь. Он определил целый ряд так называемых «электрических» предметов.

Открытия эпохи просвещения

Ученые 18 века пришли к выводу, что сила трения вызывает разные виды электричества в зависимости от того, какой материал взят за основу. Английские исследователи Гренвиль Уиллер и Стивен Грей обнаружили, что некоторые вещества не обладают пропускной способностью, тогда как через определенные материалы ток проходит мгновенно.

Они и обозначили ряд «проводников» электроэнергии — металлы, солевые растворы, мокрая земля и даже человеческое тело. В 1729 году Уиллер и Грей провели невероятный по своему влиянию на промышленный прогресс опыт — передали электрический ток на небольшое расстояние.

В том же знаменательном году голландский физик и математик Мушенбрук вместе с немцем Эдвальдом фон Клейстом придумали устройство, вошедшее в историю электричества как «лейденская банка» — по названию университета, где впервые были продемонстрированы их опыты. Вода в стеклянном сосуде получала заряд через металлическую палку, которую вставляли через отверстие в крышке из станиоля. Дно банки также находилось на тарелке из аналогичного материала. Наружный металл выступал в качестве электродов для накапливания энергии внутри сосуда. Почти полтора века «лейденская банка» служила источником тока для первых электроприборов.

Такие успехи вдохновили ученых всего мира на дальнейшие опыты и открытия:

1. Французский химик Шарль Дюфе сконструировал электроскоп с золотыми пластинками, а также выявил в ходе исследований, что бумага, натертая смолой, отталкивается от нее, но притягивается к стеклу, как к магниту, и наоборот. Он выделил два вида электричества — смоляное и стеклянное, на основе чего поделил все физические тела на две группы, согласно их реакции на смолу и стекло;
2. Русский ученый Михаил Ломоносов изучал природу атмосферного электричества, возникающего при грозах, пробуя измерить его совместно с немецким исследователем Рихманом. Для этого ими была придумана громомерная машина, с ее помощью Ломоносов узнал о разности потенциалов молний и измерял уровень электричества в атмосфере не только при грозе, но и в обычное время;
3. Французский ученый Шарль Кулон выявил закон электростатики с основным тезисом взаимодействия зарядов согласно квадрату расстояния между ними, а также определил силу отталкивания и притяжения одинаковых и противоположных «полюсов»;
4. Итальянец Гальвани придумал первую батарейку, смастерив ее из круглых серебряных цилиндров, между которыми была размоченная в солевом растворе бумага;
5. Англичанин Майкл Фарадей и француз Ампер разработали законы электродинамики, изучив химические свойства силы тока и их изменения при воздействии магнитного поля Земли, и доказали, что именно оно формирует электрическую энергию. С тех пор единица силы тока названа именем Ампера;
6. Русский ученый Лодыгин придумал подобие современных ламп накаливания с основой из углевой пластины, а француз Жорж Клод изобретал устройство, близкое по конструкции к неоновым лампочкам;
7. Итальянский химик Алессандро Вольта изобрел источник постоянного тока. Он пришел к выводу о необходимости подключения замкнутой цепи, в составе которой должны быть как металлические, так и жидкостные проводники. Он стал основоположником теории «контактного электричества», а его соотечественник Гальвани доказал присутствие этой энергии в теле человека.

Невозможно выделить одного ученого, которому можно приписать честь открытия и создания самой мощной энергии нашего времени. Каждый внес неоценимый вклад в общее дело.

Тесла и Франклин

Однако двое ученых все же выделяются из плеяды исследователей. Бенджамин Франклин проанализировал и синтезировал работы и опыты коллег, опубликовав самые аргументированные в одной книге под личной редакцией.

Он особо выделял теорию о положительных и отрицательных зарядах, а также доказал природное электрическое происхождение молний. После этого была выдвинута версия о том, что жизнь на планете зародилась вследствие синтеза первичных аминокислот, толчком к которому послужили молнии.

Франклин также впервые озвучил теорию об электрической природе нервных импульсов в человеческом теле, предшествующих двигательному процессу, циклу вдоха-выдоха, сенсорным ощущениям, что произвело революцию в научном мире.

Имя сербского ученого Никола Теслы является самым известным в народе и ассоциируется с открытиями в области электроэнергии. Он и правда посвятил этому всю жизнь, еще в детстве увидев, как светится шерсть любимой черной кошки от частых поглаживаний.

Тесла умел не только создавать теории, но и доказывать их экспериментами, которые бывали очень опасными. Он сконструировал и успешно применял высокочастотный механизм, получивший название «катушка Теслы», напряжение которого могло обеспечить работу компьютеров и телевизоров, тем более что их появление в будущем также было предсказано Теслой. К числу его гениальных изобретений можно отнести следующее:

• способ сохранения света и передачи освещения, неоновые лампы;
• переменный ток как безопасная альтернатива постоянному;
• электродвигатель на вращающихся магнитных полях;
• рентгеновские лучи и фотография;
• радиосигналы и дистанционное управление на их частотах;
• роботы и лазерные лучи.

Многие исследования ученого были связаны с разработкой машины времени и возможностью телепортации, но удалось ли ему осуществить эти теории, никто не знает. Он сжег многие свои работы, осознав, что человечество может использовать ценные знания во вред, а не во благо.

Освещение России

Русские ученые внесли огромный практический вклад в историю развития электричества, начиная с М. В. Ломоносова. Многие их идеи были заимствованы европейскими коллегами, однако в плане внедрения изобретений в практическую работу на пользу людям Россия всегда опережала другие страны.

Например, уже в 1879 году лампы фонарей на Литейном мосту были заменены на электрические, что было прогрессивным и смелым решением для того времени. В 1880 году был открыт отдел по делам электрификации городских районов при Русском техническом обществе. Первым населенным пунктом в мире, в котором было введено повсеместное освещение в вечернее и ночное время, стало Царское Село в 1881 году.

Весной 1883 года на Софийской набережной построили электростанцию и успешно провели праздничное освещение центра города, приуроченное к церемонии коронации нового императора — Александра ІІІ.

Праздничная иллюминация без сбоев и возгораний наглядно показала людям, пришедшим на праздник в большом количестве, как работает электричество в деле, и сторонников прогресса стало больше.

В этом же году был полностью электрифицирован центр Петербурга и его сердце — Зимний дворец. Небольшой отдел при техническом обществе вырос за пару лет в Ассоциацию электроосвещения Российской империи, стараниями которой было проведено множество работ по установке фонарей на улицах Москвы и Петербурга, включая отдаленные районы. Всего через два года по всей стране начнут строить электростанции, и население России окончательно встанет на путь прогресса.

Обыкновенное чудо природных явлений

Интересно, что тела человека и многих живых существ не просто являются проводниками электрических импульсов, но и способны вырабатывать эту энергию самостоятельно. Показательными примерами являются электрические скаты, миноги и угри, у которых есть специальные отростки в строении туловища, служащие своеобразной накопительной иглой, с помощью которой они поражают жертву разрядом частотой в несколько сотен герц.

Большинство ученых считают, что тело человека подобно электростанции с автономной системой саморегуляции. Бывали случаи, когда люди не только выживали после удара молнией, но и обретали исцеление от болезней и новые способности. Каждый из этих счастливцев обладал сильным природным иммунитетом, вследствие чего удар природного электричества только укрепил их врожденную силу.

В природе есть множество явлений, доказывающих, что электроэнергия — ее неотъемлемая часть и существует повсеместно:

1. Огненные знаки святого Эльма — знакомы мореплавателям с античных времен. Внешне они похожи на кистеобразные огни свечей нежно-голубого и лилового оттенка, а длина их может достигать одного метра. Появляются в бурю и грозы на шпилях мачт кораблей. Матросы пытались отломить концы мачт и спуститься с факелом вниз, но это никогда не удавалось, поскольку огонь переходил на другие высоко расположенные объекты. Удивительно, что огонь не обжигает руки и холодноват при прикосновении. Мореплаватели считали, что это благодатный знак от святого Эльма о том, что корабль находится под его защитой и благополучно придет в порт. Современные исследования показали, что необычный огонь имеет электрическую природу;
2. Полярное сияние — в верхних слоях атмосферы накапливается множество мелких элементов, прилетевших из глубин космоса. Они сталкиваются с частицами нижних слоев воздушной оболочки и пылинками с разными полюсами зарядов, результатом чего являются хаотично движущиеся световые вспышки разных цветов. Такое свечение характерно для периода полярной ночи и может длиться несколько суток;
3. Молнии — изменения в атмосферных потоках вызывают одновременное возникновение льдинок и капель. Сила трения от их столкновения наполняет кучевые облака мощными электрозарядами. От соприкосновения облаков с разноименными зарядами возникает мощный световой выброс в громовых раскатах. Когда нижние слои атмосферы переполнены электрическими зарядами, они могут объединиться в одно целое, и получается шаровая молния, которая движется по довольно низкой траектории и очень опасна, поскольку может взорваться, столкнувшись с живым существом или статичным предметом.

Помимо переменного и постоянного тока, существует еще и статическое электричество, возникающее при нарушении баланса внутри атомов. Синтетическая ткань обладает способностью накапливать его, что выражается небольшими искрами при движении одежды во время переодевания и ощущением укола при касании человека или металла.

Это весьма неприятные ощущения, к тому же в больших дозах это вредно для здоровья. Статическое излучение исходит и от телевизоров, компьютеров и бытовой техники, электризующих пыль. Поэтому, чтобы сберечь здоровье, необходимо носить одежду из натуральных тканей, не находиться долгое время около электроприборов и почаще делать уборку.

Во избежание опасности

Несмотря на несомненную пользу, которое принесло открытие электричества людям, улучшив качество жизни, существует и обратная сторона медали. Электроразряд может убить или нанести существенный вред здоровью. Негативное воздействие электрического тока на человека может выражаться в следующем:

• резкое и мощное сокращение мышечных волокон, что ведет к разрыву тканей;
• незначительный внешне ожог с глубоким внутренним поражением органа;
• нарушение баланса электролиза в теле;
• поражение глаз ультрафиолетовой вспышкой;
• перенапряжение и сбой в работе нервной системы;
• паралич дыхания и остановка сердца.

Вред от воздействия напрямую зависит от силы тока. Если она равна 0,05 А, то это считается относительно безопасным для жизни. Частота в 0,1 А и выше может лишить сознания и нейтрализовать способность мышц к сокращению, что порой является фатальным при падении или наличии хронических заболеваний. Ни в коем случае нельзя прикасаться к оголенному проводу, не будучи уверенным, что напряжение отсутствует. Одновременное касание двумя руками приведет к поражению током сердца, что может оказаться смертельным.

Первую помощь при поражении электричеством нужно оказывать, не поддаваясь панике, поскольку схватив пострадавшего, чье тело по своей природе является накопителем, удерживающим полученный разряд, есть риск самому подвергнуться удару током. Нельзя стремительно бежать к упавшему, вместо этого надо идти мелкими шажками, что обеспечит безопасность и позволит вызвать врачей, вместо того чтобы самому пострадать. А уже в ожидании скорой постараться помочь следующим образом:

• нейтрализовать главный источник энергии — через отключение рубильника или пробок;
• убрать от жертвы опасный электроприбор с помощью предмета с изолирующими свойствами, лучше всего деревянной палкой или скрученным в рулон журналом;
• при необходимости оттащить человека в безопасное место, нужно надеть резиновые перчатки или обмотать руки натуральной тканью, избегая прямого соприкосновения с кожей жертвы;
• пальцами в перчатках попытаться прощупать пульс и если он слабый, то сделать закрытый массаж сердца и перевернуть пострадавшего на правый бок.

Во избежание опасности поражения электричеством необходимо регулярно проверять исправность бытовой техники и состояние розеток, надевая на них резиновые заглушки, если в доме есть малыши. Также не стоит гулять в грозу во время частых молний, а находясь дома в это время, окна лучше закрыть.