Електрика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Електрика

Електрика, сукупність явищ, обумовлених існуванням, рухом і взаємодією електрично заряджених тіл або часток. Взаємодія електричних зарядів здійснюється за допомогою електромагнітного поля (в разі нерухомих електричних зарядів — електростатичного поля; див.(дивися) Електростатика ) . Рухомі заряди ( електричний струм ) поряд з електричним збуджують і магнітне поле, тобто породжують електромагнітне поле, за допомогою якого здійснюється електромагнітна взаємодія (учення про магнетизмі, т. о., є складовою частиною загального учення про Е.). Електромагнітні явища описуються класичною електродинамікою, в основі якої лежать Максвелла рівняння .

загрузка...

  Закони класичної теорії Е. охоплюють величезну сукупність електромагнітних процесів. Серед 4 типів взаємодій (електромагнітних, гравітаційних, сильних і слабких), що існують в природі, електромагнітні займають перше місце по широті і різноманітності проявів. Це пов'язано з тим, що всі тіла побудовані з електрично заряджених часток протилежних знаків, взаємодії між якими, з одного боку, на багато порядків інтенсивніше гравітаційних і слабких, а з іншої — є дальнодействующимі на відміну від сильних взаємодій. Будова атомних оболонок, зчеплення атомів в молекули (хімічні сили) і утворення речовини, що конденсує, визначаються електромагнітною взаємодією.

  Історична довідка. Прості електричні і магнітні явища відомі ще з глибокої старовини. Були знайдені мінерали, що притягують шматочки заліза, а також виявлено, що янтар (греч. електрон, elektron, звідси термін Е.), потертий об шерсть, притягує легкі предмети (електризація тертям). Проте лише в 1600 В. Гільберт вперше встановив відмінність між електричними і магнітними явищами. Він відкрив існування магнітних полюсів і невіддільність їх один від одного, а також встановив, що земна куля — гігантський магніт.

  В 17 — 1-ій половині 18 вв.(століття) проводилися багаточисельні досліди з наелектризованими тілами, були побудовані перші електростатичні машини, засновані на електризації тертям, встановлено існування електричних зарядів двох пологів (Ш. Дюфе ) , виявлена електропровідність металів (англійський учений С. Грей). З винаходом першого конденсатора — лейденської банки (1745) — з'явилася можливість нагромаджувати великі електричні заряди. У 1747—53 Би. Франклін виклав першу послідовну теорію електричних явищ, остаточно встановив електричну природу блискавки і винайшов громовідвід.

  В 2-ій половині 18 ст почалося кількісне вивчення електричних і магнітних явищ. З'явилися перші вимірювальні прилади — електроскопи різних конструкцій, електрометрії. Р. Кавендіш (1773) і Ш. Кулон (1785) експериментально встановили закон взаємодії нерухомих точкових електричних зарядів (роботи Кавендіша були опубліковані лише в 1879). Цей основний закон електростатики ( Кулона закон ) вперше дозволив створити метод виміру електричних зарядів під силу взаємодії між ними. Кулон встановив також закон взаємодії між полюсами довгих магнітів і ввів поняття про магнітні заряди, зосереджені на кінцях магнітів.

  Наступний етап в розвитку науки про Е. пов'язаний з відкриттям в кінці 18 ст Л. Гальвані «тваринної електрики» і роботами А. Вольти, який правильно тлумачив досліди Гальвані присутністю в замкнутому ланцюзі 2 різнорідних металів в рідині і винайшов перше джерело електричного струму — гальванічний елемент (т.з. вольтів стовп, 1800), що створює безперервний (постійний) струм протягом довгого часу. У 1802 Ст Ст Петров, побудувавши гальванічний елемент значно більшій потужності, відкрив електричну дугу, досліджував її властивості і вказав на можливість вживань її для освітлення, а також для плавлення і зварки металів. Р. Деві електролізом водних розчинів лугів отримав (1807) невідомі раніше метали — натрій і калій. Дж. П. Джоуль встановив (1841), що кількість теплоти, що виділяється в провіднику електричним струмом, пропорційно квадрату сили струму; цей закон був обгрунтований (1842) точними експериментами Е. Х. Лінь (закон Джоуля — Лінь). Р. Ом встановив (1826) кількісну залежність електричного струму від напруги в ланцюзі. До. ф. Гаус сформулював (1830) основну теорему електростатики (див. Гауса теорема ) .

  Найбільш фундаментальне відкриття було зроблене Х. Ерстедом в 1820; він виявив дію електричного струму на магнітну стрілку — явище, що свідчило про зв'язок між електрикою і магнетизмом. Услід за цим в тому ж році А. М. Ампер встановив закон взаємодії електричних струмів ( Ампера закон ) . Він показав також, що властивості постійних магнітів можуть бути пояснені на основі припущення про те, що в молекулах намагнічених тіл циркулюють постійні електричні струми (молекулярні струми). Т. о., згідно з Ампером, всі магнітні явища зводяться до взаємодій струмів, магнітних же зарядів не існує. З часу відкриттів Ерстеда і Ампера вчення про магнетизм зробилося складовою частиною учення про Е.

  З 2-ої чверті 19 ст почалося швидке проникнення Е. у техніку. У 20-х рр. з'явилися перші електромагніти. Одним з перших вживань Е. був телеграфний апарат, в 30—40-х рр. побудовані електродвигуни і генератори струму, а в 40-х гг.— електричні освітлювальні пристрої і т. д. Практичне вживання Е. надалі усе більш зростало, що у свою чергу надало істот, вплив на учення про Е.

  В 30—40-х рр. 19 ст в розвиток науки про Е. вніс великий вклад М. Фарадей творець загального вчення про електромагнітні явища, в якому всі електричні і магнітні явища розглядаються з єдиної точки зору. За допомогою дослідів він довів, що дії електричних зарядів і струмів не залежать від способу їх здобуття [до Фарадея розрізняли «звичайне» (отримане при електризації тертям), атмосферне, «гальванічне», магнітне, термоелектричне, «тварина» і інші види Е.]. У 1831 Фарадей відкрив індукцію електромагнітну збудження електричного струму в контурі, що знаходиться в змінному магнітному полі. Це явище (що спостерігалося в 1832 також Дж. Генрі ) складає фундамент електротехніки . В 1833—34 Фарадей встановив закони електролізу ; ці його роботи поклали початок електрохімії. Надалі він, намагаючись знайти взаємозв'язок електричних і магнітних явищ з оптичними, відкрив поляризацію діелектриків (1837), явища парамагнетизму і діамагнетизму (1845), магнітне обертання плоскості поляризації світла (1845) і ін.

  Фарадей вперше ввів уявлення про електричне і магнітне поля. Він заперечував концепцію дальнодействія, прибічники якої вважали, що тіла безпосередньо (через порожнечу) на відстані діють один на одного. Згідно з ідеями Фарадея, взаємодія між зарядами і струмами здійснюється за допомогою проміжних агентів: заряди і струми створюють в навколишньому просторі електричне або (відповідно) магнітне поля, за допомогою яких взаємодія передається від крапки до крапки (концепція блізкодействія). У основі його уявлень про електричне і магнітне поля лежало поняття силових ліній, які він розглядав як механічні утворення в гіпотетичному середовищі — ефірі, подібні до розтягнутих пружних ниток або шнурів.

  Ідеї Фарадея про реальність електромагнітного поля не відразу отримали визнання. Перше математичне формулювання законів електромагнітної індукції було дана ф. Нейманом в 1845 на мові концепції дальнодействія. Їм же були введені важливі поняття коефіцієнтів само- і взаємоиндукції струмів. Значення цих понять повністю розкрилося пізніше, коли В. Томсон (лорд Кельвін) розвинув (1853) теорію електричних коливань в контурі, що складається з конденсатора (електроємність) і котушки (індуктивність).

  Велике значення для розвитку учення про Е. мало створення нових приладів і методів електричних вимірів, а також єдина система електричних і магнітних одиниць вимірів, створена Гаусом і В. Вебером (див. Гауса система одиниць ) . В 1846 Вебер вказав на зв'язок сили струму з щільністю електричних зарядів в провіднику і швидкістю їх впорядкованого переміщення. Він встановив також закон взаємодії рухомих точкових зарядів, який містив нову універсальну електродинамічну постійну, таку, що є відношенням електростатичних і електромагнітних одиниць заряду і розмірністю швидкості, що має. При експериментальному визначенні (Вебер і ф. Кольрауш, 1856) цією постійною було набуто значення, близького до швидкості світла; це з'явилося визначеним вказівкою на зв'язок електромагнітних явищ з оптичними.

  В 1861—73 учення про Е. отримало свій розвиток і завершення в роботах Дж. До. Максвелла . Спираючись на емпіричні закони електромагнітних явищ і ввівши гіпотезу про породження магнітного поля змінним електричним полем, Максвелл сформулював фундаментальні рівняння класичної електродинаміки, названі його ім'ям. При цьому він, подібно до Фарадею, розглядав електромагнітні явища як деяку форму механічних процесів в ефірі. Головне нове слідство, витікаюче з цих рівнянь, — існування електромагнітних хвиль, що поширюються із швидкістю світла. Рівняння Максвелла лягли в основу електромагнітної теорії світла. Вирішальне підтвердження теорія Максвелла знайшла в 1886—89, коли Р. Герц експериментально встановив існування електромагнітних хвиль. Після його відкриття були зроблені спроби встановити зв'язок за допомогою електромагнітних хвиль, радіо, що завершилися створенням, і почалися інтенсивні дослідження в області радіотехніки .

  В кінці 19 — початку 20 вв.(століття) почався новий етап в розвитку теорії Е. Ісследованія електричних розрядів увінчалися відкриттям Дж. Дж. Томсоном дискретності електричних зарядів. У 1897 він виміряв відношення заряду електрона до його маси, а в 1898 визначив абсолютну величину заряду електрона. Х. Лоренц, спираючись на відкриття Томсона і виводи молекулярно-кінетичної теорії, заклав основи електронної теорії будови речовини (див. Лоренца — Максвелла рівняння ) . В класичній електронній теорії речовина розглядається як сукупність електрично заряджених часток, рух яких підпорядкований законам класичної механіки. Рівняння Максвелла виходять з рівнянь електронної теорії статистичним усереднюванням.

  Спроби вживання законів класичної електродинаміки до дослідження електромагнітних процесів в рухомих середовищах натрапили на істотні труднощі. Прагнучи вирішити їх, А. Ейнштейн прийшов (1905) до відносності теорії . Ця теорія остаточно спростувала ідею існування ефіру, наділеного механічними властивостями. Після створення теорії відносності стало очевидне, що закони електродинаміки не можуть бути зведені до законів класичної механіки.

  На малих просторово-часових інтервалах стають істотними квантові властивості електромагнітного поля, що не враховуються класичною теорією Е. Квантовая теорія електромагнітних процесів, — квантова електродинаміка була створена в 2-ій чверті 20 ст Квантова теорія речовини і поля вже виходить за межі учення про Е., вивчає фундаментальніші проблеми, що стосуються законів руху елементарних часток і їх будови.

  З відкриттям нових фактів і створенням нових теорій значення класичного учення про Е. не зменшилося, були визначені лише кордони застосовності класичної електродинаміки. У цих межах рівняння Максвелла і класична електронна теорія зберігають силу, будучи фундаментом сучасної теорії Е. Классичеськая електродинаміка складає основу більшості розділів електротехніки, радіотехніки, електроніки і оптики (виняток становить квантова електроніка). За допомогою її рівнянь було вирішено величезне число завдань теоретичного і прикладного характеру. Зокрема, багаточисельні проблеми поведінки плазми в лабораторних умовах і в космосі вирішуються за допомогою рівнянь Максвелла (див. Плазма, Керований термоядерний синтез, Зірки ) .

  Літ.: Кудрявцев П. С., Історія фізики, М., 1956; Льоцци М., Історія фізики, пер.(переведення) з італ.(італійський), М., 1970; Максвелл Дж. До., Ізбр. соч.(вигадування) по теорії електромагнітного поля, [пер. з англ.(англійський)], М., 1952; Лоренц Р. А., Теорія електронів і її застосування до явищ світла і тепловою випромінювання, пер.(переведення) з англ.(англійський), 2 видавництва, М., 1953; Тамм І. Е., Основи теорії електрики, 9 видавництво, М., 1976.

  Р. Я. Мякишев.