Что будет, если прямо сейчас отключится интернет, все компьютеры, смартфоны, медицинские и навигационные приборы? Иначе как апокалипсисом такое не назвать. И для этого потребуется всего лишь лишить человечество одной простой и привычной вещи — электричества.
Если не брать во внимание первобытный страх древних людей перед молнией, и отталкиваться только от момента начала изучения электричества и сопутствующих ему явлений, то его история насчитывает уже более 2600 лет! За такой срок ученые смогли проникнуть в самую суть явления, объяснить и научиться использовать многие эффекты. Однако, новые открытия происходят регулярно, а значит история еще далека от завершения.
Первые шаги
Имя Фалеса Милетского, родившегося в 624 г. до н.э. в Древней Греции не особо известно в широких кругах. Он является одним из немногих досократических философов, и носит неофициальный титул первого в мире ученого. Фалес исследовал устройство мира, создал математические теоремы, экспериментировал с магнетизмом и записал первое известное наблюдение электростатических явлений.
В своих экспериментах Фалес растирал разные материалы, чтобы проанализировать их электростатический эффект. Он заметил, что янтарь при трении о пеньку или кошачий мех приобретал заряд, который мог притягивать легкие материалы, такие как пыль или пепел. Этот эксперимент дал имя электричеству, ведь "Янтарь" на греческом звучит как "Elektron"
Конечно, в то время Фалес этого не знал, но это притяжение было вызвано тем, что объекты были заряжены положительно или отрицательно. Благодаря процессу, известному сейчас как "трибоэлектрический эффект", трение может вызвать перенос электронов между объектами: уменьшение количества электронов — это положительный заряд, а увеличение — отрицательный заряд. Поскольку противоположные заряды притягиваются, янтарь в руках Фалеса притягивал противоположный заряд, обнаруженный в пыли и пепле.
Потом для науки наступили не самые простые времена. В течение тысячелетий после Фалеса электричество оставалось необъяснимым природным явлением, которому часто приписывалось божественное происхождение. В чуть более просвещенных кругах оно оставалось неизученной диковинкой, но в 17 веке статическое электричество снова привлекло к себе внимание, проложив дорогу великим свершениям.
На потеху толпе
В начале 18 века английский ученый Фрэнсис Хоксби, бывший лаборант Исаака Ньютона, изобрел то, что он назвал "электростатическим двигателем". Он поместил ртуть в стекло, откачал воздух и накопил электростатический заряд, потирая рукой внешнюю сторону стекла, создав один из первых электрических генераторов.
Затем, в 1729 году, ученый-любитель по имени Стивен Грей провел электростатические эксперименты (которые выглядели невероятно странно, и зачем-то включали в себя подвешивание мальчика на шелковой веревке) и обнаружил, что электричество может проходить через контакт. Таким образом, он заложил идею об электрическом токе, а также о проводниках и изоляторах. В современном материаловедении проводники — это объекты — обычно металлы — с неплотно упакованными электронами, которые обеспечивают свободный поток электричества (например, медь, цинк и золото), тогда как изоляторы — полная противоположность и заполнены плотно упакованными электронами, такими как керамика, стекло и ... да шелковые веревки вполне подходят на эту роль.
Казалось бы — вот они, важные открытия! Еще год-другой и электричество будет в каждом доме! Но, увы, ни одно из этих открытий не принесло большой пользы, и поэтому эти формы электрического и статического генерирования стали салонными трюками, которые исполнители, известные как "электрики". Да, знаете, в каком-то роде электричество добралось до гостиных знатных домов и элитных ресторанов.
Не всех ученых устраивала перспектива подрабатывать фокусником на знатных приемах. Одним из таких был Питер ван Мусшенбрук, который, работая в Лейдене, Нидерланды, создал банку, которая могла эффективно накапливать статическое электричество. Это устройство, известное как лейденская банка, по сей день используется во всех электронных устройствах. Правда, у нее сменилось название — конденсатор.
Прообраз современного конденсатора. Не столь компактен, и элегантен, но со своими задачами справляется.
Бенджамин Франклин несколько раз присутствовал на демонстрации шоу с "летающим мальчиком", и в 1752 году он приступил к изучению самого яркого примера природного электричества — молнии. Франклин придумал "положительный" и "отрицательный" полюса электрического заряда , а также соединил вместе набор лейденских банок, чтобы сделать то, что он назвал "батарейкой". Такое название устройство приобрело из-за сходства с конфигурацией военной артиллерии (батареей).
Несмотря на все эти достижения, как такового понимания свойств электричества все еще не было, но "заряд" который произвели описанные выше изобретения начал накапливать силу.
В конце 18 века в результате соперничества между итальянскими учеными Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани были получены бесценные знания работе электричества, о том, как оно действует в человеческом теле, и, что особенно важно, о том, как его можно хранить, а также о том, как оно может создаваться. Работая над опровержением утверждения Гальвани о том, что "животное электричество" отличается от других форм электричества, Вольта создал гальваническую батарею — башню из медных и цинковых дисков, разделенных пропитанной солевым раствором бумагой — это была первая в мире батарея.
В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию и создал первый электрический генератор. Возможно, это величайшее открытие эпохи электричества, поскольку теперь механическую энергию можно преобразовать в электричество. Сегодня электростанции, работающие на угле, природном газе, атомной энергии или ветряные, используют турбины и динамо-машины, основанные на науке об электромагнитной индукции.
В дальнейшем история электричества разевалась стремительно. Благодаря предыдущим открытиям Сэмюэл Морзе изобрел телеграф и отправил первое сообщение в 1844 году. Очевидные коммерческие преимущества телеграфа, наряду с уравнениями Джона Клерка Максвелла по электромагнетизму в 1860-х годах, вызвали беспрецедентный взрыв инноваций. Затем уже Томас Эдисон разработал первую в мире электростанцию. Ну и апогеем этого бума стал Никола Тесла, чей переменный ток сделал эти электростанции жизнеспособными. Финальный штрих сделал Гульельмо Маркони, который исследовал тип электромагнитного излучения, известный как радиоволны.
И вот, через почти 2500 лет после того, как Фалес Милетский задумался о свойствах своего янтаря, открытие электрона Дж. Дж. Томпсоном в 1897 году и атомного ядра Эрнестом Резерфордом в 1911 году, наконец, помогло объяснить, что такое электричество.
Что такое электричество и как оно работает?
Электричество, наряду с магнетизмом, является частью одной из четырех фундаментальных сил природы — гравитации, электромагнетизма, слабого ядерного взаимодействия и сильного ядерного взаимодействия — и фокусируется на взаимодействии заряженных частиц через электромагнитные поля.
Но с точки зрения электричества все дело в электроне: субатомной частице, впервые теоретизированной французским физиком Андре-Мари Ампером в начале 19 века, а затем описанной как "электродинамическая молекула". Каждый атом состоит из ядра протонов и нейтронов, окруженного рядом "оболочек", содержащих электроны. В то время как электроны вблизи ядра обладают сильной силой притяжения, электроны, расположенные дальше всего в так называемой "валентной оболочке", обладают гораздо более слабой силой.
Иногда эти слабые электроны могут быть вытеснены со своих орбит и перемещаться от одного атома к другому. Эти движущиеся электроны и есть то, что известно как электричество. Поскольку такие проводники, как медь и серебро, имеют только один электрон в своей валентной оболочке, эти элементы легко принимают больше электронов, что делает их проводящими. Изоляторы, с другой стороны, имеют полную или почти полную оболочку, что делает их устойчивыми к электрическим зарядам. Это представлено так называемой "шириной запрещенной зоны", когда у проводников вообще нет щели, тогда как у изоляторов щель слишком велика для того, чтобы электроны могли перейти на более высокий энергетический уровень.
Полупроводники, однако, находятся где-то посередине, а это означает, что их ширина запрещенной зоны не равна нулю, как у металлов, но они могут стать проводящими при использовании нагрева, легирования или, что наиболее важно, электрических полей. Самым известным из этих материалов является кремний, который делает возможными гаджеты (такие, как тот, о котором вы читаете это). Эти кремниевые пластины содержат транзисторы, которые переключаются между изоляторами и проводниками благодаря электрическим полям.
Электричество нельзя хранить?
Возможно, для вас будет шоком, но электричество не получится накопить, собрать в банки и убрать за ненадобностью. Из-за самой природы его хранение невозможно. Все: от батарей, до современных аккумуляторов или накапливает заряд, очень медленно высвобождая его, находясь вне цепи, или использует сложные химические реакции.
К примеру, литий-ионные аккумуляторы состоят из анода, катода, электролита и сепаратора. Проще говоря, движение ионов лития создает заряд в аноде, и этот заряд питает ваше устройство, а затем высвобождается на катоде. Как только в аноде закончатся свободные электроны, устройство выключается. Однако, когда вы заряжаете аккумулятор, ионы лития высвобождаются катодом и возвращаются к аноду. Хотя это химическое движение вперед и назад делает возможными мобильные технологии, постоянная подзарядка медленно разрушает анод, поэтому телефоны неуклонно теряют время автономной работы по мере старения.
А как же электричество в домах? На самом деле, электричество движется по проводам постоянно, непрерывной волной поступая через трансформаторы от электростанций. Включая какой-то прибор (или щелкая выключатель) вы включаете его в общую цепь.
Конец прогресса?
Может показаться, что мы используем электричество "на полную", ведь оно, буквально, часть нашего с вами мира. На самом деле — мы только в начале долгого пути. Может быть, в сравнении с подвешиванием мальчика на веревке для развлечения публики музыка сыгранная на катушках тесла — это невероятный прорыв, но подумайте о способах добычи и использования электричества.
Изменения в климате толкают прогресс в сторону усовершенствования методов добычи электричества без использования ископаемого тока. Ученые неустанно работают над созданием более совершенных способов по сохранению энергии, а квантовые компьютеры помогают находить сверхпроводящие материалы. Все это, так или иначе, помогает развиваться нашим отношениям с электричеством.