Energia elektryczna jest zjawiskiem powszechnym i niezbędnym dla większości ludzi. I jak każda znana rzecz, rzadko jest zauważana. Niewiele osób zastanawia się nad tym, skąd się bierze, jak działa i co można z nim zrobić. Była ona jednak badana już na długo przed Chrystusem, a niektóre tajemnice pozostają bez odpowiedzi.
Spis treści
Co oznacza pojęcie prądu elektrycznego?
Elektryczność to złożone zjawisko polegające na występowaniu ładunków elektrycznych. Słowo najczęściej używane w odniesieniu do prądu elektrycznego i wszystkich procesów, które on wywołuje.
Prąd elektryczny to kierunkowy ruch cząstek przenoszących ładunek pod wpływem pola elektrycznego.
Kto wynalazł elektryczność - historia
Poszczególne przejawy elektryczności były badane już na długo przed naszą erą. Jednak połączenie ich w jedną teorię, która wyjaśniałaby błyskawice na niebie, przyciąganie przedmiotów, zdolność wywoływania pożarów i drętwienia części ciała, a nawet śmierć człowieka, okazało się nie lada wyzwaniem.
Naukowcy badali trzy przejawy elektryczności od czasów starożytnych:
- Ryby wytwarzające energię elektryczną;
- Elektryczność statyczna.;
- Magnetyzm.
W starożytnym Egipcie uzdrowiciele znali dziwne właściwości suma nilowego i próbowali wykorzystywać go do leczenia bólów głowy i innych dolegliwości. Do podobnych celów starożytni rzymscy lekarze używali płaszczki elektrycznej. Starożytni Grecy szczegółowo badali dziwne zdolności płaszczki i wiedzieli, że stworzenie to może ogłuszyć człowieka bez bezpośredniego kontaktu za pomocą trójzębu i sieci rybackich.
Nieco wcześniej odkryto, że jeśli pociera się bursztyn o kawałek wełny, zaczyna on przyciągać wełnę i drobne przedmioty. Później odkryto inny materiał o podobnych właściwościach - turmalin.
Około 500 r. p.n.e. Indyjscy i arabscy naukowcy wiedzieli o substancjach zdolnych do przyciągania żelaza i aktywnie wykorzystywali tę zdolność w różnych dziedzinach. Około 100 r. p.n.e. chińscy naukowcy wynaleźli kompas magnetyczny.
W 1600 r. William Gilbert, nadworny lekarz Elżbiety I i Jakuba I, odkrył, że cała planeta jest jednym wielkim kompasem i wprowadził pojęcie "elektryczności" (z greckiego "bursztyn"). W jego pismach eksperymenty z pocieraniem bursztynu o wełnę i zdolność kompasu do wskazywania północy zaczęły łączyć się w jedną teorię. Na zdjęciu poniżej demonstruje on magnes Elżbiecie I.
W 1633 r. inżynier Otto von Guericke wynalazł maszynę elektrostatyczną, która może przyciągać i odpychać przedmioty, a w 1745 r. Pieter van Muschenbroek skonstruował pierwszy na świecie akumulator ładunków elektrycznych.
W 1800 r. Włoch Alessandro Volta wynalazł pierwszy zasilacz - bateria elektryczna, która generuje prąd stały. Potrafił również przesyłać prąd elektryczny na odległość. Dlatego też ten rok jest przez wielu uważany za rok wynalezienia elektryczności.
W 1831 r. Mike Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej i otworzył drogę do wynalezienia różnych urządzeń opartych na prądzie elektrycznym.
Na przełomie XIX i XX wieku dzięki pracy Nikoli Tesli dokonano wielu odkryć i osiągnięć. Wynalazł m.in. generator wysokiej częstotliwości i transformatorsilnik elektryczny, antena dla sygnałów radiowych.
Nauka o elektryczności
Elektryczność jest zjawiskiem naturalnym. Jest on częściowo badany w biologii, chemii i fizyce. Ładunki elektryczne są najpełniej badane w ramach elektrodynamiki - jednej z gałęzi fizyki.
Teorie i prawa elektryczności
Istnieje niewiele praw dotyczących elektryczności, ale w pełni opisują one to zjawisko:
- Prawo zachowania energii jest podstawowym prawem, któremu podporządkowane są również zjawiska elektryczne;
- Prawo Ohma - podstawowe prawo dotyczące prądu elektrycznego;
- Prawo indukcji elektromagnetycznej - o polach elektromagnetycznych i magnetycznych;
- Prawo Ampere'a - o wzajemnym oddziaływaniu dwóch przewodników z prądami;
- Prawo Joule'a-Lenza - o efekcie cieplnym energii elektrycznej;
- Prawo Coulomba - o elektrostatyce;
- Zasady prawej i lewej strony - wyznaczanie kierunków linii sił pola magnetycznego i siły amperowej działającej na przewodnik w polu magnetycznym;
- Reguła Lenza - wyznaczanie kierunku prądu indukcyjnego;
- Prawa Faradaya - o elektrolizie.
Pierwsze eksperymenty z elektrycznością
Pierwsze eksperymenty z elektrycznością miały głównie charakter rozrywkowy. Ich istotą były lekkie obiekty, które przyciągały się i odpychały pod wpływem działania słabo poznanej siły. Innym ciekawym doświadczeniem było przesyłanie prądu przez łańcuch ludzi trzymających się za ręce. Jean Nollet aktywnie badał fizjologiczne skutki działania elektryczności, przepuszczając ładunek elektryczny przez 180 osób.
Z czego składa się prąd elektryczny
Prąd elektryczny to ukierunkowany lub uporządkowany ruch naładowanych cząstek (elektronów, jonów). Cząstki takie nazywane są nośnikami ładunku elektrycznego. Aby mógł zaistnieć ruch, w materii muszą znajdować się swobodnie naładowane cząstki. Zdolność naładowanych cząstek do poruszania się w danej substancji określa jej przewodnictwo. Ze względu na przewodnictwo substancje dzieli się na przewodniki, półprzewodniki, dielektryki i izolatory.
W metalach elektrony przenoszą ładunek. Sama substancja nie odpływa - jony metalu są mocno przytwierdzone do węzłów struktury i tylko nieznacznie drgają.
W cieczach ładunek elektryczny niosą jony: dodatnio naładowane kationy i ujemnie naładowane aniony. Cząsteczki pędzą w kierunku elektrod o przeciwnym ładunku, gdzie stają się neutralne i osiadają.
W gazach plazma jest tworzona przez siły o różnych potencjałach. Ładunek przenoszony jest przez swobodne elektrony i jony z obu biegunów.
W półprzewodnikach ładunek przenoszony jest przez elektrony, wędrujące od atomu do atomu i pozostawiające za sobą luki, które uważa się za dodatnio naładowane.
Skąd się bierze prąd elektryczny?
Energia elektryczna płynąca przewodami do domów jest wytwarzana przez generator elektryczny w różnych elektrowniach. Generator jest w nich połączony z turbiną obracającą się w sposób ciągły.
Projekt generatora ma wirnik, czyli cewkę umieszczoną między biegunami magnesu. Gdy turbina obraca wirnikiem, w polu magnetycznym indukuje się lub wytwarza prąd elektryczny, zgodnie z prawami fizyki. Zadaniem prądnicy jest więc przekształcenie siły kinetycznej ruchu obrotowego w energię elektryczną.
Turbinę można wprawić w ruch obrotowy na wiele sposobów, korzystając z różnych źródeł energii. Dzielą się one na trzy rodzaje:
- Odnawialna - energia pochodząca z niewyczerpalnych zasobów: strumieni wody, światła słonecznego, wiatru, źródeł geotermalnych i biopaliw;
- Nieodnawialna - energia pochodząca z zasobów, które występują bardzo powoli, niewspółmiernie do tempa ich zużycia: węgiel, ropa naftowa, torf, gaz ziemny;
- Energia jądrowa - energia pochodząca z procesu rozszczepienia jądra komórkowego.
Energia elektryczna najczęściej pochodzi z działania elektrowni:
- Elektrownie wodne (HPP) - budowane na rzekach i wykorzystujące siłę przepływu wody;
- Elektrownie cieplne (TPP) - wykorzystują energię cieplną pochodzącą ze spalania paliwa;
- Elektrownie jądrowe (EJ) - wykorzystują energię cieplną pochodzącą z procesu reakcji jądrowej.
Przekształcona energia płynie przewodami do stacji transformatorowych i rozdzielczych, a następnie do odbiorcy końcowego.
Obecnie aktywnie rozwijane są tak zwane alternatywne formy energii. Należą do nich turbiny wiatrowe, panele słoneczne, wykorzystanie źródeł geotermalnych oraz wszelkie inne sposoby pozyskiwania energii elektrycznej za pomocą nietypowych zjawisk. Energia alternatywna znacznie ustępuje tradycyjnym źródłom pod względem wydajności i zwrotu z inwestycji, ale w pewnych sytuacjach pomaga zaoszczędzić pieniądze i zmniejszyć obciążenie głównych sieci energetycznych.
Istnieje również mit o istnieniu BTGS - Generatory bez paliwa. W Internecie można znaleźć filmy demonstrujące sposób ich działania, a także są one oferowane w sprzedaży. Istnieje jednak duży spór co do autentyczności tych informacji.
Rodzaje energii elektrycznej w przyrodzie
Najprostszym przykładem naturalnie występującej elektryczności jest błyskawica. Cząsteczki wody w chmurach nieustannie zderzają się ze sobą, naładowując się dodatnio lub ujemnie. Lżejsze, dodatnio naładowane cząstki trafiają na szczyt chmury, podczas gdy cięższe, ujemnie naładowane, przesuwają się w dół. Gdy dwie takie chmury znajdują się wystarczająco blisko siebie, ale na różnych wysokościach, dodatnie ładunki jednej z nich są wzajemnie przyciągane przez ujemne cząsteczki drugiej. To właśnie wtedy pojawiają się wyładowania atmosferyczne. Zjawisko to występuje również między chmurami a powierzchnią Ziemi.
Innym przejawem działania elektryczności w przyrodzie są specjalne narządy ryb, płaszczek i węgorzy. Mogą je wykorzystywać do wytwarzania ładunków elektrycznych, aby bronić się przed drapieżnikami lub ogłuszać swoje ofiary. Ich potencjał jest różny - od bardzo słabych wyładowań, niewidocznych dla człowieka, po wyładowania śmiertelne. Niektóre ryby wytwarzają wokół siebie słabe pole elektryczne, które ułatwia im znajdowanie ofiar i poruszanie się w mętnej wodzie. Każdy obiekt fizyczny zniekształca go w taki czy inny sposób, co pomaga odtworzyć otoczenie i "widzieć" bez oczu.
Elektryczność przejawia się również w układzie nerwowym organizmów żywych. Impuls nerwowy przekazuje informacje z jednej komórki do drugiej, dzięki czemu człowiek może reagować na bodźce zewnętrzne i wewnętrzne, myśleć i kontrolować swoje ruchy.
Powiązane artykuły:
