Électricité
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Electricité (de New electricus latine, " ambrée ") est un terme général qui englobe une variété de phénomènes résultant de la présence et la circulation de charge électrique . Il se agit notamment de nombreux phénomènes aisément reconnaissables tels que la foudre et électricité statique, mais en plus, les concepts moins familiers comme le champ électromagnétique et l'induction électromagnétique.
Dans l'usage général, le mot «électricité» est suffisant de se référer à un certain nombre d'effets physiques. Cependant, dans l'usage scientifique, le terme est vague, et ceux-ci liée, mais distinctes, les concepts sont mieux identifiés par des termes plus précis:
- La charge électrique - une propriété de certains particules subatomiques, qui détermine leurs interactions électromagnétiques . Électriquement matière chargée est influencé par, et produit, les champs électromagnétiques.
- Le courant électrique - un mouvement ou flux de particules chargées électriquement, généralement mesurée en Ampères.
- Champ électrique - une influence produite par une charge électrique pour d'autres accusations dans son voisinage.
- Potentiel électrique - la capacité d'un champ électrique pour faire le travail , généralement mesurée en volts .
- Electromagnétisme - un interaction fondamentale entre le champ électrique et la présence et le mouvement de la charge électrique.
L'électricité a été étudié depuis l'antiquité, bien que les progrès scientifiques ne étaient pas venir jusqu'à ce que les XVIIe et XVIIIe siècles. Il resterait cependant jusqu'à la fin du XIXe siècle que les ingénieurs ont pu mettre de l'électricité à usage industriel et résidentiel, un temps qui a connu une expansion rapide dans le développement de la technologie électrique. Extraordinaire polyvalence de l'électricité comme source d'énergie signifie qu'il peut être mis à un ensemble presque illimité d'applications qui comprennent transports, chauffage, l'éclairage, les communications , et calcul. L'épine dorsale de la société industrielle moderne est, et pour l'avenir prévisible, on peut se attendre à rester, l'utilisation de l'énergie électrique.
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Histoire
Que certains objets tels que des tiges de l'ambre pourraient être frottées avec de la fourrure de chat et attirer des objets légers comme des plumes ont été connus pour les cultures anciennes autour de la. Méditerranée Thalès de Milet ont mené une série d'expériences en l'électricité statique autour de 600 avant JC, à partir de laquelle il croyait que le frottement rendu ambre magnétique , contrairement aux minéraux tels que magnétite, qui ne avait pas besoin frottement. Thales a eu tort de croire que l'activité a été due à un effet magnétique, mais la science tard prouverait un lien entre le magnétisme et l'électricité.
Une revendication controversée est faite que le Parthes et Mésopotamiens avaient une certaine connaissance de galvanoplastie, sur la base de la découverte de la 1936 Batterie Bagdad, qui ressemble à un cellule galvanique, si ce manque de preuves à l'appui revendications la nature exacte de l'artefact, et si elle était de nature électrique.
Plusieurs auteurs anciens, tels que Pline l'Ancien et Scribonius Largus, attesté à l'effet anesthésiant de chocs électriques délivrés par poisson-chat et torpiller rayons, et savaient que ces chocs pourraient se déplacer le long des objets conducteurs. Les patients souffrant de maux tels que la goutte ou les maux de tête ont été adressées à toucher poissons électriques dans l'espoir que la secousse puissante pourrait les guérir.
Electricité resterait peu plus d'une curiosité intellectuelle depuis plus de deux millénaires jusqu'en 1600, lorsque le médecin anglais William Gilbert a fait une étude attentive de l'électricité et le magnétisme, distinguer le lodestone effet de l'électricité statique produite par frottant l'ambre jaune. Il a inventé le Nouveau mot electricus latine ("de l'ambre» ou «comme l'ambre", à partir ηλεκτρον [elektron], le mot grec pour «orange») pour faire référence à la propriété d'attirer de petits objets après avoir été frotté. Cette association a donné lieu à mots anglais «électrique» et «électricité», qui fait sa première apparition en version imprimée dans Sir Thomas Browne Pseudodoxia Epidemica de 1646.
La poursuite des travaux a été réalisée par Otto von Guericke, Robert Boyle , Stephen Gray et CF du Fay. Au 18ème siècle, Benjamin Franklin a mené des recherches approfondies dans l'électricité, la vente de ses biens pour financer son travail. En Juin 1752, il est réputé avoir attaché une clé métallique au fond d'un cerf-volant imbibé et piloté le cerf-volant dans un ciel de tempête menacé. Il a observé une succession d'étincelles saut de la clé à l'arrière de sa main, montrant que la foudre était en effet de nature électrique.
En 1791, Luigi Galvani a publié sa découverte de bioélectricité, démontrant que l'électricité était le moyen par lequel les cellules nerveuses des signaux transmis vers les muscles. La batterie de Alessandro Volta, ou pile de Volta, de 1800, fabriqué à partir de couches de zinc et de cuivre en alternance, a fourni aux scientifiques une source plus fiable d'énergie électrique que le machines électrostatiques précédemment utilisés. André-Marie Ampère a découvert la relation entre l'électricité et le magnétisme en 1820; Michael Faraday a inventé le moteur électrique en 1821, et Georg Ohm analysé mathématiquement le circuit électrique en 1827.
Se il avait été le début du XIXe siècle qui avait vu des progrès rapides dans la science électrique, la fin du XIXe siècle verrait le plus grand progrès dans l'ingénierie électrique . Grâce à des gens comme Nikola Tesla, Thomas Edison , George Westinghouse, Werner von Siemens, Alexander Graham Bell et Lord Kelvin , l'électricité a été transformé d'une curiosité scientifique dans un outil essentiel pour la vie moderne, devenir une force motrice pour le Deuxième Révolution Industrielle.
Concepts
Charge électrique
La charge électrique est une propriété de certains particules subatomiques, ce qui donne lieu à et interagit avec, la force électromagnétique , une des quatre forces fondamentales de la nature. Charge son origine dans le atome , dans lequel ses transporteurs les plus connus sont les électrons et protons . C'est un quantité conservée, qui est, la charge nette au sein d'une système isolé restera toujours constant peu importe les changements qui ont lieu au sein de ce système. Dans le système, la charge peut être transférée entre les corps, soit par contact direct, soit en faisant passer le long d'un matériau conducteur, tel qu'un fil. Le terme informel l'électricité statique se réfère à la présence net (ou «déséquilibre») de la charge sur un corps, généralement lorsque matériaux différents sont frottés ensemble, transférer la charge de l'un à l'autre.
La présence de la charge donne lieu à la force électromagnétique: charges exercent une vigueur sur l'autre, un effet qui a été connu, mais pas entendu, dans l'antiquité. Une balle légère suspendue à une chaîne peut être chargé par le toucher avec une tige de verre qui a lui-même été inculpé en frottant avec un chiffon. Si une balle similaire est chargé par la même tige en verre, il se trouve à repousser la première: la charge agit pour forcer les deux billes de l'autre. Deux balles qui sont facturés avec une tige de l'ambre frotté repoussent aussi les uns des autres. Cependant, si une balle est chargé par la tige de verre, et l'autre par une tige d'ambre, les deux billes se trouvent à attirer l'un l'autre. Ces phénomènes ont été étudiées par Charles-Augustin de Coulomb à la fin du XVIIIe siècle, qui a déduit que la charge se manifeste sous deux formes opposées, conduisant à l'axiome bien connu: objets comme chargée repoussent et les objets opposés chargée attirent.
Les force agit sur les particules chargées elles-mêmes, d'où la charge a tendance à se répandre aussi régulièrement que possible sur une surface conductrice. L'ampleur de la force électromagnétique, si attractives ou répulsives, est donnée par la loi de Coulomb , qui concerne la force au produit des charges et a une relation inverse du carré de la distance entre eux. La force électromagnétique est très forte, en second lieu seulement à la force interaction forte, mais contrairement à ce que la force, il fonctionne sur toutes les distances. En comparaison avec la beaucoup plus faible force de gravitation, la force électromagnétique poussant deux électrons part est de 10 42 fois celle de la gravitation attraction les réunir.
La charge sur les électrons et les protons est de signe opposé, d'où une quantité de charge peut être exprimée comme étant soit positif ou négatif. Par convention, la charge portée par les électrons est réputée négative, et que par des protons positifs, une mesure qui a pris naissance avec le travail de Benjamin Franklin . La quantité de charge est habituellement donné le symbole Q et exprimée en coulombs; chaque électron porte la même charge d'environ -1,6022 × 10 -19 coulomb. Le proton a une charge qui est égale et opposée, et donc + 1,6022 x 10 -19 coulomb. Charge est possédé non seulement par la matière , mais aussi par antimatière, chaque antiparticule portant une charge égale et opposée à sa particule correspondante.
Charge peut être mesurée par un certain nombre de moyens, un instrument tôt étant le électroscope à feuilles d'or, qui, bien que toujours en usage pour les démonstrations en classe, a été remplacé par l'électronique électromètre.
Courant électrique
Le mouvement de la charge électrique est connu comme un courant électrique, dont l'intensité est généralement mesurée en Ampères. Actuel peut consister en tout particules chargées se déplacent; le plus souvent ce sont des électrons, mais aucune charge en mouvement constitue un courant.
Par convention historique, un courant positif est défini comme ayant le même sens d'écoulement que toute charge positive qu'elle contient, ou de se écouler de la partie la plus positive d'un circuit à la partie la plus négative. Current définie de cette manière est appelée courant conventionnel. Le mouvement des électrons chargés négativement autour d'un circuit électrique, une des formes les plus familières de courant, est donc considéré comme positif dans la direction opposée à celle des électrons. Toutefois, selon les conditions, un courant électrique peut consister en un flux de particules chargées dans les deux sens, ou même dans les deux directions à la fois. La convention positif à négatif est largement utilisé pour simplifier cette situation. Si une autre définition est utilisée, par exemple, "courant d'électrons" -il doit être explicitement déclaré.
Le processus par lequel le courant électrique passe à travers un matériau est appelée la conduction électrique, et de leur nature varient en fonction de celle des particules chargées et le matériau à travers lequel elles se déplacent. Des exemples de courants électriques comprennent conduction métallique, où les électrons circulent dans un conducteur tel qu'un métal, et de l'électrolyse , où les ions (chargées atomes ) se écoulent à travers les liquides. Alors que les particules elles-mêmes peuvent se déplacer très lentement, parfois avec une moyenne vitesse de dérive uniquement des fractions d'un millimètre par seconde, le champ électrique qui les entraîne lui-même se propage à proximité de la vitesse de la lumière , ce qui permet de transmettre des signaux électriques le long des fils rapidement.
Courant provoque plusieurs effets observables, qui étaient historiquement les moyens de reconnaître sa présence. Cette eau pourrait être décomposé par le courant d'une pile photovoltaïque a été découvert par Nicholson et Carlisle en 1800, un processus maintenant connu comme l'électrolyse . Leur travail a été considérablement élargi sur par Michael Faraday en 1833. courant à travers une résistance provoque un chauffage localisé, un effet James Joule étudié mathématiquement en 1840. L'une des découvertes les plus importantes relatives aux cours a été faite par inadvertance Hans Christian Ørsted en 1820, quand, lors de la préparation d'une conférence, il a été témoin du courant dans un fil perturber l'aiguille d'une boussole magnétique. Il avait découvert l'électromagnétisme , une interaction fondamentale entre l'électricité et le magnétisme.
Dans les applications d'ingénierie ou le ménage, le courant est souvent décrit comme étant soit courant continu (DC) ou de courant alternatif (AC). Ces termes se rapportent à la manière dont le courant varie dans le temps. Courant continu, tel que produit par exemple à partir d'un batterie et requise par la plupart des électroniques périphériques, est un écoulement unidirectionnel à partir de la partie positive d'un circuit à la borne négative. Si, comme ce est le plus courant, ce courant est effectuée par des électrons, ils se rendront dans la direction opposée. Le courant alternatif est tout courant qui change de direction à plusieurs reprises; presque toujours, cela prend la forme d'un onde sinusoïdale. Courant alternatif ainsi impulsions avant et en arrière dans un conducteur sans la charge se déplaçant ne importe quelle distance nette au fil du temps. La valeur moyenne dans le temps d'un courant alternatif est égale à zéro, mais il fournit de l'énergie dans une première direction, puis l'inverse. Le courant alternatif est affectée par les propriétés électriques qui ne sont pas respectés dans les l'état d'équilibre de courant continu, tels que l'inductance et capacitance . Toutefois, ces propriétés peuvent devenir importante lorsque les circuits est soumis à transitoires, comme lors de la première tension.
Champ électrique
Le concept de l'électricité champ a été introduit par Michael Faraday . Un champ électrique est créé par un corps chargé dans l'espace qui l'entoure, et se traduit par une force exercée sur toute autre charge placés dans le terrain. Le champ électrique agit entre deux charges d'une manière similaire à la façon dont les actes sur le terrain gravitationnelles entre deux masses , et, comme lui, se étend vers l'infini et montre une relation inverse carré de la distance. Cependant, il existe une différence importante. La gravité agit toujours dans l'attraction, en tirant deux masses ensemble, tandis que le champ électrique peut se traduire soit par attraction ou de répulsion. Depuis grands organismes tels que planètes portent généralement pas de charge nette, le champ électrique à distance est habituellement zéro. Ainsi gravité est la force dominante à une distance dans l'univers, en dépit d'être beaucoup plus faible.
Un champ électrique varie généralement dans l'espace, et sa force en un point quelconque est définie comme la force (par unité de charge) qui serait ressentie par, une charge négligeable fixe se il est placé à ce point. La charge conceptuelle, appelé une charge de test, doit être extrêmement faible pour empêcher son propre champ électrique déranger le domaine principal et doit également être à l'arrêt pour éviter l'effet de des champs magnétiques. Comme le champ électrique est définie en fonction de la force , et la force est une vecteur, de sorte qu'il en résulte qu'un champ électrique est également un vecteur, ayant à la fois ampleur et direction. Plus précisément, il se agit d'un champ de vecteurs.
L'étude des champs électriques créés par des charges fixes est appelé électrostatique. Le champ peut être visualisée par un ensemble de lignes imaginaires dont la direction est en tout point la même que celle du champ. Ce concept a été introduit par Faraday, dont le mandat ' lignes de force »voit encore parfois utiliser. Les lignes de champ sont les chemins qui une charge positive du point chercherait à faire comme il a été forcé de se déplacer dans le champ; ils sont toutefois un concept imaginaire avec pas d'existence physique, et le champ imprègne tout l'espace intermédiaire entre les lignes. Les lignes de champ émanant de charges fixes ont plusieurs propriétés clés: premièrement, qu'elles proviennent à charges positives et se terminent à des charges négatives; deuxièmement, ils doivent entrer dans un bon conducteur à angle droit, et troisièmement, ils peuvent ne jamais se croiser ni se refermer sur eux-mêmes.
Les principes de l'électrostatique sont importants lors de la conception des éléments de équipements haute tension. Il existe une limite finie à la force du champ électrique qui peut supportée par ne importe quel moyen. Au-delà de ce point, claquage électrique se produit et un arc électrique provoque l'embrasement général entre les parties chargées. Air, par exemple, tend à l'arc à des champs électriques qui dépassent 30 kV par centimètre dans de petits espaces. Au cours des écarts plus importants, sa résistance à la rupture est plus faible, peut-être 1 kV par centimètre. Le phénomène naturel le plus visible de ce est la foudre, causée lorsque la charge se sépare dans les nuages par la hausse des colonnes d'air, et augmente le champ électrique dans l'air à plus de qu'il peut supporter. La tension d'un grand nuage de foudre peut être aussi élevée que 100 MV et ont énergies aussi grandes que 250 kWh de décharge.
L'intensité du champ est grandement affectée par des objets à proximité conducteurs, et il est particulièrement intense quand il est forcé à la courbe autour fortement objets pointus. Ce principe est exploitée dans le paratonnerre , le pic de forte qui agit pour encourager le coup de foudre pour y développer, plutôt que de l'immeuble, il sert à protéger.
Potentiel électrique
La notion de potentiel électrique est étroitement liée à celle du champ électrique. Une petite charge placée dans un champ électrique subit une force, et d'avoir apporté cette charge à ce point contre la force nécessite travaux . Le potentiel électrique en un point quelconque est définie comme l'énergie nécessaire pour porter une accusation de test unitaire d'une distance infinie lentement à ce point. Elle est généralement mesurée en volts , et un volt est le potentiel pour lequel une joule de travail doit être dépensé pour apporter une charge d'une coulomb de l'infini. Cette définition du potentiel, alors que formelle, a peu d'application pratique, et un concept plus utile est celui de électrique différence de potentiel, et est l'énergie requise pour déplacer une unité de charge entre deux points spécifiés. Un champ électrique a la propriété spéciale que ce est conservatrice, ce qui signifie que le chemin pris par la charge d'essai ne est pas pertinente: tous les chemins entre deux points spécifiés dépensent la même énergie, et donc une valeur unique pour différence de potentiel peut être déclaré. Le volt est si fortement identifié comme l'unité de choix pour la mesure et la description de différence de potentiel électrique que le terme tension voit une plus grande utilisation quotidienne.
Pour des raisons pratiques, il est utile de définir un point de référence commun à des potentiels qui peuvent être exprimées et comparées. Bien que cela pourrait être à l'infini, une référence beaucoup plus utile est la Terre elle-même, qui est supposée être au même potentiel partout. Ce point de référence prend naturellement le nom la terre ou sol. La Terre est supposée être une source infinie de quantités égales de charge positive et négative et est donc non chargé électriquement - et la recharger.
Le potentiel électrique est un quantité scalaire, ce est à dire qu'il n'a plus qu'à grandeur et direction non. Il peut être considéré comme analogue à la température : comme il existe une certaine température à chaque point dans l'espace, et la gradient de température indique la direction et la magnitude de la force motrice le flux de chaleur, de manière similaire, il existe un potentiel électrique au niveau de chaque point dans l'espace, et son gradient, ou la force sur le terrain, indique la direction et l'ampleur de la force motrice derrière le mouvement de charge. De même, le potentiel électrique peut être considéré comme analogue à hauteur: tout comme un objet publié tombera par une différence de hauteur causées par un champ gravitationnel, donc une charge «chute» à travers la tension provoquée par un champ électrique.
Le champ électrique a été officiellement définie comme la force exercée par unité de charge, mais le concept de potentiel permet une définition plus utile et équivalente: le champ électrique est le gradient local du potentiel électrique. Habituellement, exprimée en volts par mètre, la direction du vecteur du champ est la ligne de plus grande pente de potentiel.
Electromagnétisme
La découverte de Ørsted en 1821 qu'un champ magnétique existait tout autour d'un fil parcouru par un courant électrique indiqué qu'il y avait une relation directe entre l'électricité et le magnétisme. En outre, l'interaction semblait différent de forces gravitationnelles et électrostatiques, les deux forces de la nature alors connus. La force sur l'aiguille de la boussole n'a pas le diriger vers ou à partir du fil de transport de courant, mais a agi à angle droit. Mots peu obscurs de Ørsted étaient que «le conflit électrique agit de manière renouvelable." La force dépendait aussi de la direction du courant, car si le flux a été renversée, alors la force fait aussi.
Ørsted ne comprenait pas bien sa découverte, mais il a observé l'effet était réciproque: un courant exerce une force sur un aimant, et un champ magnétique exerce une force sur un courant. Le phénomène a encore été examiné par Ampère, qui a découvert que deux fils porteurs de courant parallèles exercé une force sur l'autre: deux fils conducteurs courants dans le même sens sont attirés les uns aux autres, tandis que les fils contenant courant circulant dans des directions opposées sont écartées. L'interaction est induite par le champ magnétique produit chaque courant et constitue la base de l'international définition de l'ampère.
Cette relation entre les champs magnétiques et des courants est extrêmement important, car il conduit à l'invention de Michael Faraday de la moteur électrique en 1821. Faraday moteur homopolaire est composée d'un aimant permanent assis dans un bassin de mercure . On a laissé se écouler un courant à travers un fil suspendu à un pivot au-dessus de l'aimant et plongé dans le mercure. L'aimant exerce une force tangentielle sur le fil, ce qui en fait cercle autour de l'aimant aussi longtemps que le courant a été maintenu.
L'expérimentation par Faraday en 1831 a révélé qu'un fil se déplaçant perpendiculairement à un champ magnétique développé une différence de potentiel entre ses extrémités. Une analyse plus poussée de ce procédé, connu sous le nom induction électromagnétique, lui a permis de préciser le principal, maintenant connu comme La loi d'induction de Faraday, que la différence de potentiel induite dans un circuit fermé est proportionnelle à la vitesse de variation de flux magnétique à travers la boucle. L'exploitation de cette découverte lui a permis d'inventer le premier Générateur électrique en 1831, dans lequel il se convertit l'énergie mécanique d'un disque de cuivre tournant à l'énergie électrique. Le disque de Faraday était inefficace et inutile comme un générateur pratique, mais il a montré la possibilité de produire de l'énergie électrique en utilisant le magnétisme, une possibilité qui serait prise par ceux qui ont suivi sur de son travail.
Faraday et le travail d'Ampère a montré qu'un champ magnétique variable dans le temps a agi comme une source d'un champ électrique et un champ électrique variable dans le temps a été une source d'un champ magnétique. Ainsi, lorsque l'un des champs est en train de changer dans le temps, alors un champ de l'autre est nécessairement induit. Un tel phénomène a les propriétés d'une onde , et est naturellement considéré comme une onde électromagnétique . Les ondes électromagnétiques ont été analysés théoriquement par James Clerk Maxwell en 1864. Maxwell a découvert un ensemble d'équations qui pourraient décrire clairement la relation entre champ électrique, champ magnétique, charge électrique, et le courant électrique. Il pourrait d'ailleurs prouver qu'une telle vague serait nécessairement se déplacer à la vitesse de la lumière , et donc la lumière elle-même était une forme de rayonnement électromagnétique. Les lois de Maxwell , qui unifient la lumière, les champs, et la charge sont l'une des grandes étapes de la physique théorique.
Circuits électriques
Un circuit électrique est une interconnexion de composants électriques, généralement pour accomplir une tâche utile, avec un trajet de retour pour permettre à la charge de revenir à sa source.
Les composants d'un circuit électrique peuvent prendre de nombreuses formes, qui peuvent inclure des éléments tels que des résistances, condensateurs, des commutateurs, transformateurs et l'électronique . Circuits électroniques contiennent composants actifs, généralement semi-conducteurs , et généralement exposition comportement non-linéaire, nécessitant une analyse complexe. Les composants électriques les plus simples sont ceux que l'on appelle passive et linéaire: si elles peuvent temporairement stocker de l'énergie, ils ne contiennent pas de sources, et présentent des réponses à des stimuli linéaires.
Le résistance est peut-être le plus simple des éléments de circuit passif: comme son nom l'indique, il résiste à l'écoulement du courant à travers elle, dissiper son énergie sous forme de chaleur. La loi d'Ohm est une loi fondamentale de théorie des circuits, indiquant que le courant traversant une résistance est directement proportionnelle à la différence de potentiel à travers elle. Le ohms , l'unité de la résistance, a été nommé en l'honneur de Georg Ohm, et est symbolisée par la lettre grecque Ω. 1 Ω est la résistance qui va produire une différence de potentiel d'un volt en réponse à un courant d'un ampère.
Le condensateur est un dispositif capable de stocker une charge, et ainsi accumuler de l'énergie électrique dans le champ résultant. Conceptuellement, il se compose de deux plaques conductrices séparées par une couche isolante mince; dans la pratique, de minces feuilles métalliques sont enroulées en même temps, en augmentant l'aire de surface par unité de volume et par conséquent la capacité . L'unité de capacité est le farad, nommé d'après Faraday, et étant donné le symbole F: une farad est la capacité qui développe une différence de potentiel d'un volt lorsqu'il stocke une charge de un coulomb. Un condensateur connecté à une alimentation en tension provoque d'abord un courant de circuler comme il accumule la charge; ce courant sera toutefois décroissance dans le temps que le condensateur remplit, finalement tomber à zéro. Un condensateur sera donc pas permettre une courant constant de se écouler, mais au lieu bloque.
Le est un conducteur inducteur, généralement une bobine de fil, qui stocke l'énergie dans un champ magnétique en réponse au courant circulant à travers elle. Lorsque les changements actuels, le champ magnétique ne trop, l'induction d'une tension entre les extrémités du conducteur. La tension induite est proportionnelle à la taux de variation temporelle du courant. La constante de proportionnalité est appelée inductance . L'unité d'inductance est le henry, nommé d'après Joseph Henry, un contemporain de Faraday. Un henry est l'inductance qui va induire une différence de potentiel d'un volt si le courant à travers elle change à un taux de un ampère par seconde. Le comportement de l'inducteur est à certains égards inverse de celle du condensateur: il librement permettre à un courant de se écouler immuable, mais se oppose à l'écoulement de changer rapidement une une.
Production et utilisations
Génération
Les expériences de Thales avec des tiges d'ambre ont été les premières études sur la production d'énergie électrique. Bien que cette méthode, maintenant connue sous le nom effet triboélectrique, est capable de soulever des objets légers et même générer des étincelles, il est extrêmement inefficace. Ce ne était pas jusqu'à l'invention de la pile voltaïque dans le XVIIIe siècle que une source viable de l'électricité est devenu disponible. La pile de Volta, et son descendant moderne, le batterie électrique, stocker de l'énergie chimique et le rendre disponible sur demande sous la forme d'énergie électrique. La batterie est une source d'énergie polyvalente et très commun qui est idéal pour de nombreuses applications, mais son stockage d'énergie est finie, et une fois épuisée, elle doit être éliminé ou rechargée. Pour les grandes exigences électriques de l'énergie électrique doit être généré et transmis en vrac.
L'énergie électrique est habituellement généré par électro-mécanique des générateurs entraînés par la vapeur produite à partir de combustibles fossiles combustion ou la chaleur libérée par réactions nucléaires; ou d'autres sources telles que l'énergie cinétique extraite du vent ou de l'eau qui coule. Ces générateurs ne ressemblent pas à générateur de disque homopolaire de Faraday de 1831, mais ils comptent toujours sur son principe électromagnétique qui un conducteur reliant un champ magnétique changeant induit une différence de potentiel entre ses extrémités. L'invention de la fin du XIXe siècle de la transformateur signifiait que l'électricité pourrait être généré au centralisée centrales électriques, bénéficiant de économies d'échelle, et être transmis à travers les pays avec une efficacité croissante. Depuis l'énergie électrique ne peut pas être facilement stocké en quantité suffisante pour répondre aux exigences à l'échelle nationale, en tout temps exactement autant doit être produit comme cela est requis. Cela exige les services publics d'électricité de faire des prédictions précises de leurs charges électriques, et de maintenir constante coordination avec leurs centrales. Une certaine quantité de génération doit toujours être tenu à réserve pour amortir un réseau électrique contre les perturbations et les pertes inévitables.
La demande d'électricité croît très rapidement en tant que nation modernise et développe son économie. Les Etats-Unis a montré une augmentation de 12% de la demande au cours de chaque année des trois premières décennies du XXe siècle, un taux de croissance qui est maintenant connu par les économies émergentes telles que celles de l'Inde ou de la Chine. Historiquement, le taux de la demande d'électricité de croissance a dépassé celui des autres formes d'énergie, comme le charbon .
Les préoccupations environnementales avec la production d'électricité ont conduit à mettre davantage l'accent sur la génération de sources d'énergie renouvelables , en particulier de vent et hydroélectricité. Alors que le débat peut se attendre à poursuivre sur l'impact environnemental des différents moyens de production d'électricité, sa forme définitive est relativement propre.
Utilisations
L'électricité est une forme extrêmement flexible de l'énergie, et il peut être adapté à un énorme, et de plus en plus, nombre d'utilisations. L'invention d'une pratique ampoule à incandescence dans les années 1870 a conduit à éclairage de devenir l'une des premières applications accessibles au public de l'énergie électrique. Bien que l'électrification a apporté avec lui ses propres dangers, remplaçant les flammes nues de l'éclairage au gaz fortement réduits les risques d'incendie dans les foyers et les usines. Les services publics ont été mis en place dans de nombreuses villes ciblant le marché en plein essor pour l'éclairage électrique.
Le Joule effet de chauffage utilisé dans l'ampoule voit aussi une utilisation plus directe dans chauffage électrique. Bien que cela soit contrôlable et polyvalent, il peut être considéré comme inutile, puisque la plupart génération électrique a déjà nécessité la production de chaleur à une centrale électrique. Un certain nombre de pays, comme le Danemark, ont adopté une législation limitant ou interdisant l'utilisation du chauffage électrique dans les nouveaux bâtiments. L'électricité est cependant une source d'énergie très pratique pour réfrigération, avec la climatisation représente un secteur en croissance de la demande d'électricité, dont les effets les compagnies d'électricité sont de plus en plus obligés de se adapter.
L'électricité est utilisée dans les télécommunications , et en effet le télégraphe électrique, démontré dans le commerce en 1837 par Cooke et Wheatstone, était l'une de ses premières applications. Avec la construction du premier intercontinentale, puis transatlantiques, systèmes télégraphiques dans les années 1860, l'électricité ont permis communications en quelques minutes à travers le monde. La fibre optique et la technologie de communication par satellite ont pris une part du marché des systèmes de communication, mais l'électricité peut se attendre à demeurer une partie essentielle du processus.
Les effets de l'électromagnétisme sont plus visiblement employés dans le moteur électrique, qui fournit un moyen propre et efficace de la puissance motrice. Un moteur stationnaire tel qu'un treuil est facilement disponible avec une alimentation de puissance, mais un moteur qui se déplace avec son application, par exemple un véhicule électrique, est obligé de transporter une ou l'autre le long d'une source d'alimentation telle qu'une batterie, ou par la collecte de courant à partir d'un contact glissant tel qu'un pantographe, en imposant des restrictions sur sa gamme ou la performance.
Les appareils électroniques utilisent le transistor, peut-être l'une des inventions les plus importantes du XXe siècle, et un bloc de construction fondamental de tous les circuits modernes. Un moderne circuit intégré peut contenir plusieurs milliards de transistors miniaturisés dans une région seulement quelques centimètres carrés.
L'électricité et le monde naturel
Les effets physiologiques
Une tension appliquée à un corps humain provoque un courant électrique de circuler à travers les tissus, et bien que la relation est non-linéaire, plus la tension est grande, plus le courant. Le seuil de perception varie en fonction de la fréquence d'alimentation et avec le chemin du courant, mais est d'environ 1 mA pour alimentation électrique haute fréquence. Si le courant est suffisamment élevé, il provoque la contraction musculaire, la fibrillation du coeur, et des brûlures tissulaires. L'absence de tout signe visible qui est un conducteur électrisé rend l'électricité un danger particulier. La douleur causée par un choc électrique peut être intense, conduisant l'électricité à certains moments être employées comme méthode de la torture. mort causée par un choc électrique est appelé électrocution. Electrocution est encore le moyen d' exécution judiciaire dans certaines juridictions, bien que son utilisation est devenue plus rare ces derniers temps.
Les phénomènes électriques dans la nature
L'électricité est nullement une invention purement humaine, et peut être observée dans plusieurs formes dans la nature, une manifestation importante de ce qui est la foudre. Le le champ magnétique de la Terre est pensé pour résulter d'une dynamo naturelle des courants de circulation dans le noyau de la planète. Certains, tels que les cristaux de quartz , ou encore le sucre de canne , de générer une différence de potentiel à travers leurs faces quand il est soumis à une pression externe. Ce phénomène est connu comme la piézoélectricité, du grec piezein , ce qui signifie à la presse, et a été découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie. L'effet est réciproque, et quand un matériau piézo-électrique est soumis à un champ électrique, un petit changement dans les dimensions physiques lieu.
Certains organismes, tels que les requins , sont capables de détecter et de réagir aux changements dans les champs électriques, une capacité connue comme electroreception, tandis que d'autres, appelés électrogène, sont capables de générer eux-mêmes tensions de servir comme une arme prédateur ou défensive. L'ordre Gymnotiformes, dont l'exemple le plus connu est l' anguille électrique, détecter ou assommer leurs proies via hautes tensions générées à partir de cellules musculaires modifiés appelés électrocytes. Tous les animaux transmettent des informations le long de leurs membranes cellulaires avec des impulsions de tension appelés potentiels d'action , dont les fonctions comprennent la communication par le système nerveux entre les neurones et les muscles. Ils sont également responsables de la coordination des activités dans certaines plantes.
