Historia elektryczności
Elektryczność jest to ogół zjawisk wynikających z oddziaływań elektromagnetycznych pomiędzy cząstkami mikroświata.
Istnienie zjawisk elektrycznych znane już było w starożytności, odnosiło się jednak wyłącznie do zdolności przyciągania drobnych przedmiotów drewnianych przez potarty bursztyn. W XVI w. William Gilbert wprowadził pojęcie sił elektrycznych (greckie elektron - bursztyn). W 1729 r. angielski badacz Stephen Gray (1670-1736) podzielił ciała na izolatory i przewodniki, a w 1734 r. Francuz Ch.F. du Fay (1698-1739) stwierdził istnienie dwóch rodzajów ładunków elektrycznych: dodatnich (powstają w pocieranym szkle) i ujemnych (powstają w pocieranym ebonicie).
W 1785 r. Charles Augustin de Coulomb sformułował prawo opisujące oddziaływanie spoczywających ładunków elektrycznych. Duże znaczenie praktyczne miały wynalazki Alessandro Volty: kondensator (1782) i ogniwo elektryczne (1800). Gwałtowny rozwój badań zjawisk elektrycznych nastąpił w pierwszej połowie XIX w.: w 1820 r. Christien Hans Oersted odkrył wzajemny wpływ zjawisk elektrycznych i magnetycznych, w 1821 Andre Marie Ampere odkrył wzajemne oddziaływanie magnetyczne obwodów elektrycznych, przez które płynie prąd, w 1826 Georg Simon Ohm określił związek pomiędzy natężeniem prądu a napięciem w obwodzie elektrycznym. W 1831 Michael Faraday odkrył indukcję elektromagnetyczną (Faradaya prawo indukcji elektromagnetycznej) i samoindukcję, następnie skonstruował pierwszą prądnicę i silnik elektryczny. Gustav Robert Kirchhoff sformułował podstawowe prawa dotyczące prądów elektrycznych w obwodach (prawo Kirchhoffa). Ścisłe sformułowanie fundamentalnych praw elektrodynamiki klasycznej podał w 1864 James Clerk Maxwell (równania Maxwella), a w 1888 r. Heirich Rudolf Hertz odkrył przewidziane przez Maxwella fale elektromagnetyczne. W 1897 r. sir Joseph John Thomson odkrył elektron, w 1909 r. Robert Andrews Millikan wyznaczył wielkość ładunku elementarnego. W 1905 Albert Einstein wyjaśnił zjawiska magnetyczne jako efekty relatywistyczne wywołane ruchem ładunków elektrycznych (teoria względności).
Współczesną kwantową teorię elektromagnetyzmu stworzyli w 1948 r. Richards Phillips Feynman, Shin’ichiro Tomonaga i Julian Seymour Schwinger. W 1975 r. Steven Weinberg, Abdus Salam, Scheldon Lee Glashow wykazali, że zjawiska elektromagnetyczne stanowią przejaw bardziej fundamentalnych oddziaływań elektrosłabych (unifikacja mała). Ze zrozumienia zjawisk elektrycznych wynikały ich zastosowania w głównych XIX-wiecznych wynalazkach elektrotechnicznych, takich jak silnik elektryczny, prądnica, transformator, żarówka.
Ważną innowacją technologiczną było wprowadzenie w 1880 r. przez Nicola Tesla zmiennego prądu trójfazowego. W XX w. nastąpił gwałtowny rozwój elektroniki opartej pierwotnie na lampach elektronowych, a następnie na półprzewodnikach. Elektryczność ma znacznie większy wpływ na cała materię, niż to się przyjmuje w potocznym rozumieniu tego słowa. Wszystkie procesy chemiczne, a więc i biochemiczne również, są w swej istocie procesami określonymi przez oddziaływania elektromagnetyczne pomiędzy cząsteczkami i atomami. Co więcej, oddziaływania elektromagnetyczne określają w decydujący sposób także budowę samych atomów.
Coulomb Charles Augustin de (1736-1806), fizyk francuski, oficer wojsk inżynieryjnych, członek Akademii Nauk. Badacz zjawisk magnetycznych i elektrycznych oraz teorii maszyn prostych.
W 1785 r. sformułował prawo elektrostatyki, nazywane dziś jego imieniem, które brzmi: dwa ładunki odpychają się lub przyciągają z siła wprost proporcjonalną do iloczynu wartości tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Wprowadził pojęcie momentu magnetycznego, odkrył zjawisko ekranowania pola elektrycznego.
Volta Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio (1745-1827), fizyk włoski. Profesor na uniwersytetach w Como i Padwie. Pionier badań nad elektrycznością: wynalazł elektrofor (1775), kondensator (1782) i ogniwo złożone z elektrod srebrnej i cynkowej oraz wody morskiej jako elektrolitu (tzw. ogniwo Volty, 1800). Badał wpływ elektryczności na organizmy żywe. Odkrył też gaz błotny, czyli metan (1776) i oznaczył jego wartość opałową.
Kondensator elektryczny, przyrząd elektryczny zbudowany z dwóch (lub więcej) elementów wykonanych z przewodnika, rozdzielonych dielektrykiem. Elementy przewodzące nazywane są okładkami. Zazwyczaj dąży się do maksymalizacji ich powierzchni. Ogniwo elektrochemiczne składa się z dwóch układów redoks wraz z zanurzonymi w nich elektrodami (są to tzw. półogniwa) oraz drutu łączącego elektrody. Układy te mogą znajdować się w tym samym roztworze (wówczas zanurzone są w nim dwie różne elektrody) lub w różnych roztworach, przedzielonych przegrodą albo połączonych kluczem elektrolitycznym.
Ampère Andrè Marie (1775-1836), wybitny fizyk francuski pierwszej połowy XIX w., badacz zjawisk elektromagnetycznych, matematyk. 1809-1824 profesor cole Polytechnique w Paryżu, od 1824 - cole Normale tamże. Odkrył (1820) wzajemne oddziaływanie przewodników, przez które przepływa prąd elektryczny. Opisał prawo rządzące tym oddziaływaniem, prawo określające siłę, z jaką pole magnetyczne o indukcji B działa na przewodnik przez który płynie prąd o danym natężeniu I: dF = I (dL x B), gdzie dL - element przewodnika, dF - przyczynek siły działającej na element dL.
Do jego największych osiągnięć koncepcyjnych należy zaliczyć hipotezę, według której źródłem pola magnetycznego magnesów trwałych (i indukowanych) są pierścieniowe prądy elektryczne krążące wokół molekuł substancji. Hipoteza ta zrywała z pojęciami "cieczy magnetycznej" lub "substancji magnetycznej".
Ohm Georg Simon (1787-1854), fizyk niemiecki, profesor politechniki w Norymberdze (1833-1849) i uniwersytetu w Monachium (po 1849). Autor prac z dziedziny akustyki i badań nad elektrycznością. Sformułował (1826) i udowodnił prawo opisujące związek pomiędzy natężeniem (natężenie prądu elektrycznego) a napięciem prądu elektrycznego (prawo Ohma – natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami tego przewodnika). Badając zależność oporu (oporność elektryczną, wielkość charakteryzująca reakcję ośrodka na przepływ prądu elektrycznego. Wynika z rozpraszania elektronów przewodnictwa na deformacjach i defektach sieci krystalicznej) od formy geometrycznej przewodnika udowodnił istnienie oporności właściwej. Wykazał (1842), że ucho ludzkie dokonuje analizy harmonicznej dźwięku.
Kirchhoff Gustaw Robert (1824-1887), wybitny niemiecki fizyk, członek Berlińskiej, Petersburskiej i Paryskiej Akademii Nauk, profesor fizyki we Wrocławiu (1850-1854), Heidelbergu (1854-1875) i Berlinie (po 1875), badacz zjawisk elektrycznych (prawo Kirchhoffa – suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z węzła) oraz ich związków ze zjawiskami mechanicznymi (elektrostycja, magnetostrykcja). Również autor prac z dziedzin optyki i ciepła (Kirchhoffa prawo promieniowania), opracował wraz z R. W. Bunsenem metodę analizy spektralnej (spektroskopia).
Maxwell James Clerk (1831-1879), wybitny szkocki fizyk, profesor uniwersytetu w Aberdeen (1856-1860), Kings College w Londynie (1860-1865) i Cambridge (po 1871), organizator i pierwszy dyrektor Cavendish Laboratory w Cambridge.
Autor wybitnych prac teoretycznych dotyczących podstaw elektrodynamiki klasycznej (równania Maxwella, 1864), kinetycznej teorii gazów (Maxwella –Boltzmanna rozkład, Maxwella prawo rozkładu, 1860), optyki i teorii barw (np. zjawisko Maxwella, 1855-1872) oraz stabilności grawitacyjnej pierścieni Saturna (1859).
Maxwella równania, podstawowe równania klasycznej elektrodynamiki, opisujące związki pomiędzy natężeniami pola elektrycznego, magnetycznego i ładunkiem elektrycznym. Istnieje kilka równoważnych sformułowań równań Maxwella, najczęściej stosowane są formy różniczkowa lub całkowa równań Maxwella.
W postaci różniczkowej równania Maxwella wyrażają wzory:
rotE=-a(∂B/∂t)
rotH=a(∂D/∂t)+abj
div B=0
div D=bρ
gdzie: E – natężenie pola elektrycznego, H – natężenie pola magnetycznego, B =µH - indukcja pola magnetycznego, µ - przenikalność magnetyczna ośrodka, j - gęstość prądu elektrycznego, D =εE - indukcja pola elektrycznego, ε - przenikalność dielektryczna ośrodka (dialektyczna stała), ρ gęstość objętościowa ładunku elektrycznego, rot - operator rotacji, div - operator dywergencji, a i b - stałe uzgadniające jednostki, zależne od wyboru układu jednostek (np. w MKS i SI a=1= b, w układzie Gaussa a=1/c, b=4π, gdzie c – prędkość światła w próżni).
W postaci całkowej równania Maxwella wyrażone są wzorami (w układzie jednostek SI):
gdzie: C - zamknięta krzywa ograniczająca powierzchnię S, prostopadłą do elementu przewodnika, V - dowolna powierzchnia zamknięta, n - wersor normalny do powierzchni, ds - element łuku krzywej C, dσ - element powierzchni, Q - całkowity ładunek elektryczny zawarty w przestrzeni ograniczonej powierzchnią V, I - natężenie prądu płynącego w przewodniku. Pozostałe oznaczenia jak we wzorach różniczkowych równań Maxwella. Z pierwszego równania wynika prawo indukcji Faradaya, drugie mówi o tym, że źródłami pola magnetycznego są zmienne pola elektryczne lub płynące prądy, trzecie równanie mówi o braku ładunków magnetycznych. Z czwartego równania wynika, że strumień pola elektrycznego przenikającego pewną powierzchnię jest proporcjonalny do ładunku elektrycznego zawartego w przestrzeni ograniczonej tą powierzchnią, z czego można wywnioskować prawo Coulomba. Z równań Maxwella, uzupełnionych warunkami brzegowymi dla pól i prawami opisującymi zmianę pól na granicach nieciągłości ośrodków oraz równaniem na siłę Lorentza, można wyprowadzić wszystkie prawa elektrodynamiki klasycznej, ponadto z równań Maxwella dla pustej przestrzeni (j=0, ρ=0) Maxwell wywnioskował istnienie fal elektromagnetycznych (odkrytych później przez H. Hertza).
Z równań Maxwella wyprowadzono również formułę transformacji Lorenza.
Elektryczność w atmosferze ziemskiej to ogół zjawisk elektrycznych występujących w atmosferze ziemskiej. Zalicza się do nich jonizację powietrza, występowanie pola elektrycznego, powstawanie ładunków elektrycznych w chmurach i opadach, wyładowania elektryczne. Jonizacja (powstawanie jonów dodatnich i swobodnych elektronów) powietrza zachodzi pod wpływem promieniowania kosmicznego i promieniowania emitowanego przez obecne w atmosferze i skorupie ziemskiej substancje promieniotwórcze. Przewodnictwo elektryczne powietrza wynosi przy powierzchni Ziemi ok. (1–2) ∙ 10–16 –1 ∙ cm–1 i rośnie szybko z wysokością. Na wysokości 30 km jest ok. 150 razy większe niż przy powierzchni Ziemi, a na wysokości 50 km powietrze staje się bardzo dobrym przewodnikiem elektryczności. Ruch jonów w polu elektrycznym atmosfery jest skierowany pionowo ku powierzchni Ziemi, a gęstość prądu przewodzenia (przy dobrej pogodzie) wynosi (2–3)∙ 10–16 A/cm2. Kierunek pola elektrycznego atmosfery wskazuje, że ma ona ładunek dodatni w stosunku do powierzchni Ziemi, a wartość pola elektrycznego, wyrażona składową pionową natężenia pola, wynosi (w obszarach bezburzowych) przy powierzchni Ziemi średnio 100-130 V/m (ulega wahaniom dobowym) i maleje wykładniczo z wysokością. Pomiędzy powierzchnią Ziemi a wyższymi warstwami atmosfery (położonymi na wysokości ok. 50 km) występuje różnica potencjałów równa ok. 400 kV. Przytoczone wartości wielkości elektrycznych nie zależą od położenia geograficznego i są w przybliżeniu zawsze takie same (przy dobrej pogodzie). Wynika to z występowania w każdej chwili na kuli ziemskiej burz (ok. 40 tys. dziennie) stale podtrzymujących pole elektryczne atmosfery (bardzo duże przewodnictwo poziome górnych warstw atmosfery powoduje szybkie rozprzestrzenianie się zmian natężenia pola wokół całej Ziemi). W chmurach burzowych następuje elektryzacja cząstek opadowych (kropelek wody i kryształków lodu), a następnie rozdzielenie ładunków prowadzące do powstania 2 obszarów wypełnionych ładunkiem przestrzennym przeciwnego znaku (ładunek ujemny gromadzi się zwykle w dolnej części chmury, dodatni — w górnej). Różnice potencjałów między tymi obszarami i między dolną częścią chmury a Ziemią osiągają wartości rzędu 100 MV, co powoduje silne wyładowania, które transportują ładunek dodatni do górnych warstw atmosfery oraz ładunek ujemny do Ziemi.
Elektryczność ziemska, właściwości i zjawiska elektryczne zachodzące we wnętrzu globu ziemskiego i współkształtujące m.in. elektromagnetyzm ziemski. Charakterystyczne dla ziemskiej elektryczności zjawiska to np. prądy błądzące i prądy telluryczne.
Źródła:
1. G. Francuz-Ornat, T. Kulawik, M. Nowotny-Różańska: „Fizyka i astronomia dla gimnazjum” moduł 3; wyd. IV. Warszawa 2003.
2. Multimedialna Encyklopedia Powszechna - edycja 2002