¿Qué es la electricidad?

El fenómeno de la electricidad está en todas partes, entonces ¿qué es la electricidad?

La electricidad es una forma de movimiento material y una forma de energía cuando los electrones contenidos en la materia se mueven con las partículas. Entonces, esencialmente, la electricidad es un tipo de energía, a menudo llamada energía eléctrica.

La electricidad se ha utilizado ampliamente en la producción y la vida de las personas. Por ejemplo, después de encenderse, puede hacer que las lámparas eléctricas brillen o los hornos eléctricos se calienten (lo que se denomina efecto térmico de la electricidad); girar (llamado efecto dinámico de la electricidad); puede realizar electrólisis (llamado efecto químico de la electricidad). Los electroimanes pueden producir una fuerte atracción (llamada efecto magnético de la electricidad), etc. Como puede verse, la electricidad tiene muchas funciones y se puede convertir en otras formas de energía. Por lo tanto, la gente suele referirse a la energía eléctrica representada por la energía eléctrica como electricidad.

Para poder entender mejor cuál es la naturaleza de la electricidad, primero debemos entender la estructura eléctrica de la materia. Una gran cantidad de experimentos en la ciencia moderna han demostrado que cualquier sustancia está compuesta de moléculas y las moléculas están compuestas de átomos que mantienen las propiedades de la sustancia original. Los átomos están compuestos por un núcleo y electrones, que también contienen protones y neutrones.

Dado que los neutrones están descargados y los protones están cargados positivamente, el núcleo está cargado positivamente y los electrones están cargados negativamente. En circunstancias normales, la carga positiva que lleva el núcleo es igual a la carga negativa que llevan los electrones, por lo que los átomos ordinarios (incluso las sustancias) no tienen carga. Los electrones se mueven alrededor del núcleo en una órbita determinada, al igual que la relación entre los planetas del sistema solar y el sol en el universo. La conexión entre los electrones en la órbita exterior y el núcleo es muy débil. Cuando un electrón obtiene una cierta cantidad de energía bajo la influencia de factores externos (como luz, calor, fuerza externa, etc.). ), puede liberarse de la atracción y restricción del núcleo atómico, salirse de la órbita y convertirse en electrones libres, haciendo que el objeto parezca positivo debido a la falta de electricidad negativa, mientras que otro objeto con electrones libres tiene carga negativa.

Una breve historia del desarrollo de la electricidad

La palabra "electricidad" se deriva de la palabra griega "ámbar" en Occidente, pero en China se deriva del fenómeno de truenos y relámpagos. Desde mediados del siglo XVIII se han ido iniciando paulatinamente las investigaciones sobre la electricidad. Cada descubrimiento importante de la electricidad por parte del ser humano ha desencadenado una extensa investigación práctica, promoviendo así el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología.

Hoy en día, la vida humana, las actividades científicas y tecnológicas y las actividades de producción material son inseparables de la electricidad. Es difícil imaginar cómo sería un mundo sin electricidad. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, algunos contenidos de investigación con conocimientos especializados se han ido independizando y formando disciplinas especializadas, como la electrónica, la ingeniería eléctrica, etc. La electricidad, también conocida como electromagnetismo, es una materia básica importante en física.

Los registros de electricidad se remontan al siglo VI a.C. Ya en el año 585 a. C., el filósofo griego Tales registró que frotar ámbar con madera puede atraer luz y objetos pequeños como la hierba. Más tarde, se descubrió que el jade de carbón frotado también tiene la capacidad de atraer luz y objetos pequeños. En los siguientes 2000 años, estos fenómenos sólo se consideraron propios de la naturaleza de la materia, como un imán que atrae al hierro, y no se hicieron otros descubrimientos importantes.

En 1600, el físico británico Gilbert descubrió que no sólo el ámbar y el jade de carbón pueden atraer la luz y los objetos pequeños después del frotamiento, sino que también muchas sustancias tienen la propiedad de atraer la luz y los objetos pequeños después del frotamiento. Hacia 1660, Gehrig de Madreburg inventó el primer motor de fricción del mundo.

En el siglo XVIII, la investigación sobre la electricidad se desarrolló rápidamente. En 1729, mientras estudiaba si el efecto eléctrico del ámbar podía transmitirse a otros objetos, Gray descubrió la diferencia entre conductores y aislantes: los metales pueden conducir la electricidad, pero los cables no. Cargó el cuerpo humano por primera vez. El experimento de Gray atrajo la atención del erudito francés Dufay. En 1733, Dufee descubrió que los metales aislantes también podían cargarse mediante fricción, por lo que concluyó que todos los objetos podían cargarse mediante fricción. Llamó "vidrio" a la electricidad generada en el vidrio. La electricidad generada en el ámbar era la misma que la electricidad generada en la resina, por eso la llamó "resina". Concluyó que los objetos con la misma carga eléctrica se repelen entre sí; los objetos con cargas eléctricas diferentes se atraen entre sí.

En 1745, Muschenbroek de Leiden, Países Bajos, inventó la jarra de Leyden que podía "ahorrar" electricidad. La invención de la jarra de Leyden proporcionó las condiciones para futuras investigaciones en electricidad y desempeñó un papel importante en la difusión del conocimiento eléctrico.

Casi en el mismo período, el científico estadounidense Franklin realizó muchos trabajos significativos, enriqueciendo la comprensión de la gente sobre la electricidad. En 1747, propuso que la electricidad es un fluido con propiedades extraordinarias: en circunstancias normales, la electricidad es un elemento presente en determinadas cantidades en toda la materia; la electricidad, como los fluidos, puede transferirse de un objeto a otro mediante fricción, pero no puede crearse; ; la carga total de cualquier objeto aislado es constante, lo que comúnmente se conoce como ley de conservación de la carga. Llamó electricidad positiva al exceso de electricidad obtenida cuando un objeto se frotaba, y a la porción insuficiente cuando un objeto perdía electricidad se le llamó electricidad negativa. Desde entonces, estos dos estados de carga distintos con propiedades diametralmente opuestas han recibido nombres formales. Luego, en 1752, el éxito del "Experimento de la cometa" que conmocionó al mundo verificó la conexión intrínseca entre el trueno y la electricidad. Los estudios cuantitativos de las interacciones de cargas comenzaron a finales del siglo XVIII. En 1776, Priestley descubrió que no había carga en la superficie interior de un recipiente metálico cargado y especuló que existían leyes similares entre la electricidad y la gravedad. En 1769, mediante experimentos sobre el equilibrio de la electricidad y la gravedad en una pequeña bola, Robinson determinó directamente por primera vez que la fuerza de interacción entre dos cargas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. En 1773, Cavendish calculó que la electricidad es inversamente proporcional a la forma cuadrática de la distancia.

Su experimento fue el prototipo de la verificación moderna y precisa de las leyes de la electricidad. En 1782, el físico italiano Volta desarrolló con éxito la batería. Aunque esta fuente de energía era muy primitiva, la invención de la batería supuso un gran avance desde la electricidad estática hasta la electricidad y promovió el rápido desarrollo de la investigación eléctrica.

En 1785, el físico francés Coulomb diseñó un exquisito experimento de equilibrio de torsión y midió directamente que la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales estáticas es inversamente proporcional a la distancia cuadrática entre ellas, y su producto eléctrico es proporcional al de Coulomb. ley. El experimento de Coulomb fue reconocido por el mundo y el estudio de la electricidad comenzó a entrar en las filas de la ciencia.

Después de la invención de la energía química, la gente descubrió rápidamente que podían hacer muchas cosas inusuales con ella. En 1800, Carlyle y Nicholson utilizaron corriente de bajo voltaje para dividir el agua; en el mismo año, Ritter recogió con éxito dos gases del agua electrolizada y cobre metálico electrolizado de una solución de sulfato de cobre; en 1807, David utilizó una enorme batería para convertir el potasio y el sodio; , calcio, magnesio y otros metales fueron electrolizados sucesivamente; en 1811, David utilizó un paquete de baterías compuesto por 2.000 celdas para hacer un arco de electrodo de carbono. A partir de la década de 1950, se convirtió en una potente fuente de luz en faros, teatros y otros lugares, y fue reemplazada gradualmente por la lámpara incandescente inventada por Edison en la década de 1970. Además, la celda voltaica también impulsó el desarrollo de la galvanoplastia, que fue inventada por Siemens y otros en 1839.

Aunque ya en 1750, Franklin había observado que la descarga de una jarra de Leyden podía magnetizar una aguja de acero, e incluso antes, observó que un rayo hacía girar la aguja magnética de una brújula, a principios del siglo XIX Siglo, la comunidad científica todavía cree en general que la electricidad y el magnetismo son dos funciones independientes. Contrariamente a este concepto tradicional, el filósofo natural danés Oersted aceptó las ideas filosóficas de los filósofos alemanes Kant y Schelling sobre la unidad de las fuerzas naturales y creía firmemente que existía alguna conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1807, el erudito danés Oersted descubrió que cuando un conductor se energiza, una pequeña aguja magnética cerca de él se desviará. Los resultados confirmaron que la corriente que desvía la aguja magnética tiene un efecto magnético. Afirmó que cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor, se crea un campo magnético alrededor del conductor. Este gran descubrimiento de que la energía eléctrica produce magnetismo reveló la conexión intrínseca entre los fenómenos eléctricos y los fenómenos magnéticos, sentando así las bases para el campo de investigación del electromagnetismo. El descubrimiento del efecto magnético de la corriente eléctrica abrió una nueva era en la investigación eléctrica.

El descubrimiento del efecto magnético de la corriente eléctrica abrió un nuevo campo de aplicaciones eléctricas. En 1825, Sturgeon inventó el electroimán, creando las condiciones para el uso generalizado de la electricidad. En 1833, Gauss y Weber construyeron el primer telégrafo simple de un solo hilo; en 1837, Wheatstone y Morse inventaron de forma independiente el telégrafo. Morse también inventó un conjunto de códigos mediante los cuales podía marcar puntos y rayas en papel en movimiento para transmitir información. En 1861, Bell inventó el teléfono, que todavía se utiliza como receptor en los tiempos modernos. Su micrófono fue una mejora del micrófono de carbono inventado por Edison y el micrófono inventado por Hughes.

Faraday construyó el primer generador basado en inducción electromagnética. Además, realizó extensas investigaciones vinculando los fenómenos eléctricos con otros fenómenos. En 1882, el físico francés Ampère propuso los principios electrodinámicos de la fuerza ejercida por una corriente eléctrica sobre una aguja magnética y cómo determinar la dirección del campo magnético producido por la corriente eléctrica (ley de la espiral derecha). Señale que la electricidad y el magnetismo son lo mismo y que los efectos electromagnéticos deben describirse uniformemente mediante la expresión "interacción de corrientes eléctricas". En 1826, Ohm, un famoso físico de Inglaterra e Irlanda, introdujo el concepto de resistencia en el estudio de la corriente eléctrica. Después de muchos experimentos, finalmente encontró la ley que controla la corriente y concluyó la famosa ley de Ohm: en cualquier circuito cerrado con corriente, la intensidad de la corriente es directamente proporcional a la fuerza electromotriz e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. . Después de más investigaciones por parte de otro científico alemán, Kirchhoff (también traducido como Kirchhoff), propuso la ley de la corriente de nodo y el voltaje de bucle para resolver circuitos arbitrarios, especialmente circuitos complejos. En 1827, el científico estadounidense Henry desarrolló con éxito un potente electroimán y experimentó con una bobina cilíndrica para observar los cambios de chispa cuando se encendía y apagaba la corriente en el circuito, descubriendo y proponiendo así el fenómeno de la autoinducción. En 1828, el científico alemán Gauss diseñó y fabricó un magnetómetro y un goniómetro de lado magnético, que utilizaba tres elementos: declinación magnética, inclinación magnética e intensidad magnética para describir el geomagnetismo. En agosto de 1831, el físico y químico británico Faraday finalmente descubrió la ley de que el magnetismo también puede generar electricidad, es decir, la ley de la magnetoelectricidad en movimiento. Aclaró aún más la relación entre la electricidad y el magnetismo y propuso el concepto de líneas de fuerza magnéticas. Fue este gran descubrimiento de la inducción electromagnética el que sentó las bases teóricas para la posterior invención de equipos eléctricos como los generadores. En 1833, Leng Ci, académico de la Academia de Ciencias de Rusia, afirmó en un artículo que los cambios en el campo magnético no podían ser cambios repentinos y explicó que eran causados ​​por una resistencia que inducía la fuerza electromotriz. Por tanto, la ley de Lenz también se denomina ley de inercia electromagnética. Al mismo tiempo, propuso la regla de orden frío para determinar la dirección de la fuerza electromotriz inducida, que es más universal que la regla de la mano derecha para determinar la dirección de la fuerza electromotriz inducida. Además, él y el físico británico Joule publicaron resultados de una investigación sobre los efectos térmicos de la corriente eléctrica en diferentes lugares casi al mismo tiempo, es decir, el calor generado en la resistencia es proporcional al cuadrado de la corriente que la atraviesa, el tamaño de la resistencia y el tiempo de energización, lo que más tarde se conoció como ley de Joule-Lenz o simplemente ley de Joule. En 1833, Faraday demostró con éxito que la triboelectricidad es la misma que la producida por una pila voltaica. En 1834, descubrió la ley de la electrólisis. En 1845, descubrió el efecto magnetoóptico, que explicaba el paramagnetismo y el diamagnetismo de la materia. También estudió en detalle los fenómenos de polarización y los fenómenos de inducción electrostática y demostró experimentalmente por primera vez la ley de conservación de la carga.

En 1856, el científico británico Maxwell no sólo sintetizó la ley de Coulomb, la ley de Ampère y la ley de Faraday, sino que también propuso el concepto de la llamada corriente de desplazamiento. El concepto de campo se introdujo en la teoría electromagnética original y se estableció la ecuación (diferencial) del campo electromagnético de Maxwell. Este fue otro hito glorioso en la historia del desarrollo eléctrico. Creía que se debía a que algo llamado éter en el espacio propagaba la fuerza electromagnética, negando así la famosa acción de Newton a distancia. En 1873, utilizó ecuaciones de transición para ilustrar que los campos eléctricos y magnéticos que varían en el tiempo en el espacio son interdependientes. Se cree que cambiar las propiedades del campo eléctrico puede producir un campo magnético, y viceversa, y se infiere que el campo electromagnético difundirá la energía y la masa electromagnética de la luz a la velocidad de la luz en el vacío. En 1887, el científico alemán Hertz realizó con éxito un experimento para generar ondas electromagnéticas artificialmente, confirmando así la exactitud de las predicciones de Maxwell.

El descubrimiento de la inducción electromagnética ha abierto nuevas perspectivas para el desarrollo y la utilización generalizada de la energía. En 1866, Siemens inventó un práctico motor autoexcitado; a finales de 1919, se logró la transmisión de energía eléctrica a larga distancia; los motores se utilizaron ampliamente en la producción y el transporte, lo que cambió en gran medida la faz de la producción industrial.

Maxwell creía que el campo magnético cambiante excita el campo eléctrico del vórtice en el espacio circundante; el campo eléctrico cambiante provoca cambios en el desplazamiento eléctrico del medio, y los cambios en el desplazamiento eléctrico pueden excitar campos magnéticos de corrientes parásitas en el espacio circundante como la corriente. Maxwell los expresó claramente mediante fórmulas matemáticas, obteniendo así las ecuaciones universales del campo electromagnético: las ecuaciones de Maxwell. En él se reflejan plenamente las ideas de Faraday sobre las líneas de fuerza magnética y la transmisión electromagnética.

En 1888, Hertz diseñó y fabricó una fuente de ondas electromagnéticas y un detector de ondas electromagnéticas basado en las propiedades de oscilación de la descarga del condensador. A través de experimentos, se pueden detectar ondas electromagnéticas y se puede determinar la velocidad de las ondas electromagnéticas. . También observó que las ondas electromagnéticas, al igual que las ondas de luz, están polarizadas y pueden reflejarse, refractarse y enfocarse. Desde entonces, la gente ha ido aceptando gradualmente la teoría de Maxwell.

La teoría electromagnética de Maxwell fue probada por el experimento de ondas electromagnéticas de Hertz, abriendo un nuevo campo: la aplicación e investigación de las ondas electromagnéticas. En 1895, Popov de Rusia y Marconi de Italia realizaron respectivamente la transmisión de señales de radio. Más tarde, Marconi mejoró el vibrador de Hertz hasta convertirlo en una antena vertical; la alemana Braun dividió aún más el transmisor en dos cables vibrantes, creando las condiciones para ampliar el rango de transmisión de la señal. En 1901, Marconi estableció el primer enlace de radio transatlántico. La invención del tubo de electrones y su aplicación en líneas de transmisión facilitó la transmisión y recepción de ondas electromagnéticas, impulsó el desarrollo de la tecnología de radio y cambió enormemente la vida humana. Cabe mencionar especialmente que Bell inventó el teléfono, para lo cual solicitó una patente en febrero de 1876 en la Oficina de Patentes de Estados Unidos.

En 1896, Lorenz propuso la teoría del electrón, aplicó las ecuaciones de Maxwell al campo microscópico y atribuyó las propiedades electromagnéticas de la materia al papel de los electrones en los átomos. Esto no sólo puede explicar la polarización, magnetización, conducción y absorción, dispersión y dispersión de la luz por la materia, sino también explicar con éxito el efecto Zeeman normal de la división espectral en un campo magnético. Además, Lorenz también derivó la fórmula para la velocidad de la luz en medios en movimiento basándose en la teoría del electrón, llevando la teoría de Maxwell un paso más allá.

En los sistemas teóricos de Faraday, Maxwell y Lorentz se supone que existe un medio especial, el "éter", que es portador de ondas electromagnéticas. Sólo en el sistema de referencia del éter, la velocidad de la luz en el vacío es estrictamente independiente de la dirección, y las ecuaciones de Maxwell y la fórmula de la fuerza de Lorentz son estrictamente verdaderas sólo en el sistema de referencia del éter. Esto significa que las leyes del electromagnetismo no cumplen con el principio de relatividad. Un estudio más profundo de este problema llevó a Einstein a formular la teoría especial de la relatividad en 1905. El establecimiento de la teoría especial de la relatividad no sólo desarrolló la teoría electromagnética, sino que también jugó un papel muy importante en el desarrollo futuro de la física teórica.

Con el desarrollo continuo de la ciencia de la energía eléctrica, a partir de la década de 1970, los seres humanos también han logrado avances sorprendentes en la invención y creación de tecnología de aplicación de energía eléctrica. En 1879, el científico e inventor estadounidense Edison inventó y mejoró muchas veces las lámparas incandescentes, y más tarde inventó el fusible (que en ese momento usaba alambre de zinc). La vida de inventos de Edison, incluidos generadores, telégrafos automáticos, máquinas de escribir, fonógrafos y baterías nuevas, hicieron contribuciones inmortales a la humanidad. En aquella época aparecieron en el mundo generadores monofásicos de corriente alterna y monofásicos síncronos, pero solo se utilizaban para iluminación. Los motores de CA utilizados en la industria eran originalmente motores asíncronos de CA monofásicos. Como no puede iniciarse por sí solo, su uso es muy limitado. En 1881, Edison inventó el alternador y, en 1882, el francés Geller y el británico Gobbs inventaron el transformador de circuito magnético. En 1888, los profesores de ingeniería rusos Brovsky y Lud establecieron un sistema de comunicación trifásico. En 1889, se probó y aplicó con éxito la corriente alterna trifásica y se estableció la primera línea de sistema trifásico del mundo. Pronto, aparecieron uno tras otro generadores trifásicos y motores eléctricos, sentando las bases para la aplicación generalizada de sistemas de CA trifásicos en todo el mundo. Desde la llegada del transformador trifásico con núcleo de hierro de tres columnas en 1890, los motores asíncronos trifásicos se han utilizado ampliamente y las fuentes de alimentación industriales fueron rápidamente reemplazadas por ellos. Esto ha llevado al rápido desarrollo de la aplicación de la energía eléctrica en la producción industrial y ha sustituido gradualmente al vapor y otras fuentes de energía. A principios del siglo XX, la humanidad puso fin a la era del vapor que se había creado desde la invención de la máquina de vapor por el inglés Watt en 1796, y entró en una era eléctrica más avanzada.

Se puede ver que en términos de la creación y desarrollo de la tecnología de aplicación del sistema de CA trifásico y la industria eléctrica, solo tomó más de cien años desde la creación, la experimentación hasta la aplicación generalizada en todo el mundo.

Campo eléctrico

Un campo eléctrico es una sustancia especial que existe en el espacio alrededor de una carga eléctrica y cambia el campo magnético. Los campos eléctricos son diferentes de los objetos físicos habituales. No está hecho de moléculas y átomos, pero existe objetivamente. Los campos eléctricos tienen propiedades objetivas como fuerza y ​​energía que tiene la materia ordinaria. La esencia de la fuerza del campo eléctrico es la siguiente: el campo eléctrico actúa sobre las cargas colocadas en él. Esta fuerza se llama fuerza del campo eléctrico. La esencia de la energía del campo eléctrico es que cuando las cargas se mueven en un campo eléctrico, la fuerza del campo eléctrico trabaja sobre las cargas (lo que indica que el campo eléctrico tiene energía).