Электричество

IЭлектри́чество совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов (См. Электрический заряд) осуществляется с помощью электромагнитного поля (См. Электромагнитное поле) (в случае неподвижных электрических зарядов — электростатического поля. См. Электростатика). Движущиеся заряды (Электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т. Е. Порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие (См. Электромагнитные взаимодействия) (учение о Магнетизме, т. О., является составной частью общего учения об Э.). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой (См.

Электродинамика), в основе которой лежат Максвелла уравнения. Законы классической теории Э. Охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий (электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существующих в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположных знаков, взаимодействия между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой — являются дальнодействующими в отличие от сильных взаимодействий. Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (химические силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.

Историческая справка. Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь (греч. Электрон, elektron, отсюда термин Э.), потёртый о шерсть, притягивает лёгкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различие между электрическими и магнитными явлениями. Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар — гигантский магнит. В 17 — 1-й половине 18 вв. Проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации трением, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш.

Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (английский учёный С. Грей). С изобретением первого конденсатора — лейденской банки (1745) — появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747—53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрёл молниеотвод. Во 2-й половине 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений. Появились первые измерительные приборы — электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основной закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерения электрических зарядов по силам взаимодействия между ними.

Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов. Следующий этап в развитии науки об Э. Связан с открытием в конце 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты (См. Вольта), который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрёл первый источник электрического тока — гальванический элемент (т. Н. Вольтов столб, 1800), создающий непрерывный (постоянный) ток в течение длительного времени. В 1802 В. В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применений её для освещения, а также для плавления и сварки металлов.

Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы — натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорционально квадрату силы тока. Этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля — Ленца). Г. Ом установил (1826) количественную зависимость электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (см. Гаусса теорема). Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820. Он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку — явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А.

М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов (Ампера закон). Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи (молекулярные токи). Т. О., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учения об Э. Со 2-й четверти 19 в. Началось быстрое проникновение Э. В технику. В 20-х гг. Появились первые электромагниты. Одним из первых применений Э. Был телеграфный аппарат, в 30—40-х гг. Построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг.— электрические осветительные устройства и т.

Д. Практическое применение Э. В дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существ, влияние на учение об Э. В 30—40-х гг. 19 в. В развитие науки об Э. Внёс большой вклад М. Фарадей — творец общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действия электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея различали «обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и другие виды Э.]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную (См. Индукция электромагнитная) — возбуждение электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле.

Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники (См. Электротехника). В 1833—34 Фарадей установил законы Электролиза. Эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (См. Поляризация диэлектриков) (1837), явления Парамагнетизма и Диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др. Фарадей впервые ввёл представление об электрическом и магнитном полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстоянии действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействие между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов.

Заряды и токи создают в окружающем пространстве электрическое или (соответственно) магнитное поля, с помощью которых взаимодействие передаётся от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрическом и магнитном полях лежало понятие силовых линий (См. Силовые линии), которые он рассматривал как механические образования в гипотетической среде — Эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам. Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание. Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана ф. Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимоиндукции токов.

Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон (лорд Кельвин) развил (1853) теорию электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность). Большое значение для развития учения об Э. Имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений, созданная Гауссом и В. Вебером (см. Гаусса система единиц). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядоченного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющую собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющую размерность скорости.

При экспериментальном определении (Вебер и ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света. Это явилось определённым указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими. В 1861—73 учение об Э. Получило своё развитие и завершение в работах Дж. К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений и введя гипотезу о порождении магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений, — существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света.

Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886—89, когда Г. Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники (См. Радиотехника). В конце 19 — начале 20 вв. Начался новый этап в развитии теории Э. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж. Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда Электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц, опираясь на открытие Томсона и выводы молекулярно-кинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества (см.

Лоренца - Максвелла уравнения). В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрически заряженных частиц, движение которых подчинено законам классической механики. Уравнения Максвелла получаются из уравнений электронной теории статистическим усреднением. Попытки применения законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришёл (1905) к относительности теории (См. Относительности теория). Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.

На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией Э. Квантовая теория электромагнитных процессов — Квантовая электродинамика — была создана во 2-й четверти 20 в. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об Э., изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения. С открытием новых фактов и созданием новых теорий значение классического учения об Э. Не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории Э.

Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники (См. Электроника) и оптики (См. Оптика) (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла (см. Плазма, Управляемый термоядерный синтез, Звёзды). Лит. Кудрявцев П. С., История физики, М., 1956. Льоцци М., История физики, пер. С итал., М., 1970. Максвелл Дж. К., Избр. Соч. По теории электромагнитного поля, [пер. С англ.], М., 1952. Лоренц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и тепловою излучения, пер.

С англ., 2 изд., М., 1953. Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976. Г. Я. Мякишев. IIЭлектри́чество («Электри́чество»,) ежемесячный научно-технический журнал, орган АН СССР, Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике и Центрального правления научно-технического общества энергетики и электротехнической промышленности. Один из старейших технических журналов. Основан в 1880 в Петербурге по инициативе П. Н. Яблочкова, В. Н. Чиколева, Д. А. Лачинова, А. Н. Лодыгина и др. С 1922 издаётся в Москве (перерывы в 1917—22, 1941—1944). Освещает актуальные вопросы теории и практики электроэнергетики и электротехники. Тираж (1978) около 19 тыс. Экз..