Elektrizität

Blitz und städtische Beleuchtung sind einige der dramatischsten Effekte von Elektrizität

Elektrizität ist der Satz von physisch Phänomene mit der Anwesenheit verbunden und Bewegung von Angelegenheit das hat eine Eigenschaft von elektrische Ladung. Strom hängt mit Magnetismusbeide Teil des Phänomens von Elektromagnetismus, wie beschrieben von Maxwells Gleichungen. Verschiedene gemeinsame Phänomene hängen mit Strom zusammen, einschließlich der Elektrizität Blitz, statische Elektrizität, Elektroheizung, elektrische Entladungen und viele andere.

Das Vorhandensein eines elektrische Ladung, was entweder positiv oder negativ sein kann, erzeugt eine elektrisches Feld. Die Bewegung von elektrische Aufladungen ist ein elektrischer Strom und produziert a Magnetfeld.

Wenn eine Ladung an einem Ort mit einem elektrischen Feld ungleich Null aufgelegt wird, wirkt eine Kraft darauf. Die Größe dieser Kraft ist gegeben durch Coulomb-Gesetz. Wenn sich die Ladung bewegt, würde das elektrische Feld tun Arbeit auf die elektrische Ladung. So können wir von sprechen elektrisches Potenzial an einem bestimmten Punkt im Raum, der der Arbeiten eines externen Agenten bei der Trage einer positiven Ladung von einem willkürlich ausgewählten Referenzpunkt bis zu diesem Punkt ohne Beschleunigung entspricht und in der Regel in gemessen wird und in der Regel in gemessen wird Volt.

Elektrizität ist das Herzstück vieler moderner Technologien, die für:

• Elektrische Energie wo elektrischer Strom verwendet wird, um die Ausrüstung zu energetisieren;
• Elektronik das befasst sich mit Stromkreise das beinhaltet aktive elektrische Komponenten wie zum Beispiel Vakuumröhren, Transistoren, Dioden und integrierte Schaltkreiseund zugehörige passive Verbindungstechnologien.

Elektrische Phänomene wurden seit der Antike untersucht, obwohl der Fortschritt im theoretischen Verständnis bis zum 17. und 18. Jahrhundert langsam blieb. Die Theorie des Elektromagnetismus wurde im 19. Jahrhundert entwickelt, und bis zum Ende dieses Jahrhunderts wurde der Strom für den Industrie- und Wohngebrauch von durchgesetzt Elektroingenieure. Die schnelle Expansion der Elektro -Technologie zu dieser Zeit veränderte Industrie und Gesellschaft und wurde zu einer treibenden Kraft für die Zweite industrielle Revolution. Die außergewöhnliche Vielseitigkeit von Elektrizität bedeutet, dass sie an einen nahezu unbegrenzten Satz von Anwendungen abgeschlossen werden kann, einschließlich Transport, Heizung, Beleuchtung, Kommunikation, und Berechnung. Elektrische Macht ist heute das Rückgrat der modernen Industriegesellschaft.^[1]

Geschichte

Thales, der früheste bekannte Forscher in Elektrizität

Lange bevor wir über Strom von Strom bestand, waren sich die Menschen von Schocks bewusst von elektrischer Fisch. Antike Ägypter Texte aus 2750 v. Chr bezeichnete diese Fische als den "Donnerer des Nil", und beschrieb sie als" Beschützer "aller anderen Fische. Elektrische Fische wurden erneut Jahrtausende von später nach Altgriechisch, römisch und Arabische Naturforscher und Ärzte.^[2] Mehrere alte Schriftsteller, wie z. Plinius der Älteste und Scribonius largus, bestätigt der betäubenden Wirkung von Elektroschocks geliefert von elektrischer Wels und elektrische Strahlenund wussten, dass solche Schocks entlang leitender Gegenstände reisen könnten.^[3] Patienten mit Beschwerden wie z. Gicht oder Kopfschmerzen wurden angewiesen, elektrische Fische zu berühren, in der Hoffnung, dass der mächtige Ruck sie heilen könnte.^[4]

Alte Kulturen um die Mittelmeer- wusste, dass bestimmte Objekte wie Stäbe von Bernstein, könnte mit Katzenfell gerieben werden, um leichte Objekte wie Federn anzuziehen. Thales of Miletus machte eine Reihe von Beobachtungen auf statische Elektrizität Um 600 v. Chr., von dem er glaubte, dass die Reibung Bernstein machte magnetischim Gegensatz zu Mineralien wie z. Magnetit, was kein Reiben brauchte.^[5][6][7][8] Thales war falsch, dass die Anziehungskraft auf einen magnetischen Effekt zurückzuführen war, aber später würde die Wissenschaft einen Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität erweisen. Nach einer umstrittenen Theorie die Parther möglicherweise Kenntnis von Kenntnis von elektroplierendbasierend auf der Entdeckung der 1936 der Bagdad Batterie, was ähnelt a Galvanische ZelleObwohl es ungewiss ist, ob das Artefakt elektrisch war.^[9]

Benjamin Franklin führte im 18. Jahrhundert umfangreiche Stromuntersuchungen durch, wie dokumentiert von Joseph Priestley (1767) Geschichte und gegenwärtiger Status des Stroms, mit dem Franklin eine ausgedehnte Korrespondenz durchführte.

Elektrizität würde bis 1600 bis 1600, als der englische Wissenschaftler William Gilbert schrieb De Magnete, in dem er eine sorgfältige Untersuchung von Elektrizität und Magnetismus machte und die unterscheidet Magnetit Effekt aus statischer Elektrizität, der durch Reiben von Bernstein erzeugt wird.^[5] Er prägte das Neues Latein Wort Elektrous ("von Bernstein" oder "wie Bernstein", von ἤλεκτρον, Elektron, das griechisch Wort für "Bernstein"), um sich auf die Eigenschaft zu beziehen, kleine Gegenstände nach dem Riebenen zu gewinnen.^[10] Diese Assoziation führte zu den englischen Wörtern "elektrisch" und "Elektrizität", was zu seinem ersten Auftritt in gedruckter Form in kam Thomas Browne's Pseudodoxie -Epidemie von 1646.^[11]

Weitere Arbeiten wurden im 17. und frühen 18. Jahrhundert von durchgeführt Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray und C. F. du Fay.^[12] Später im 18. Jahrhundert, Benjamin Franklin führte umfangreiche Elektrizitätsforschung durch und verkaufte seine Besitztümer, um seine Arbeit zu finanzieren. Im Juni 1752 hat er angeblich einen Metallschlüssel am Boden einer gedämpften Drachenkette befestigt und den Drachen in einem sturmbedrohlichen Himmel geflogen.^[13] Eine Abfolge von Funken, die vom Schlüssel zum Handrücken springen, zeigte das Blitz war in der Tat elektrischer Natur.^[14] Er erklärte auch das scheinbar paradoxe Verhalten^[15] des Leyden Jar als Vorrichtung zum Speichern großer Mengen an elektrischer Ladung in Bezug auf Elektrizität, bestehend sowohl aus positiven als auch aus negativen Ladungen.^[12]

Michael FaradayDie Entdeckungen bildeten die Grundlage der Elektromotor -Technologie

1775 meldete Hugh Williamson eine Reihe von Experimenten an die Royal Society über die Schocks der von der Zitteraal;^[16] Im selben Jahr der Chirurg und Anatomist John Hunter beschrieb die Struktur der Fische elektrische Organe.^[17][18] 1791, Luigi Galvani veröffentlichte seine Entdeckung von Bioelektromagnetikund zeigen, dass Strom das Medium war, mit dem Neuronen übergab Signale an die Muskeln.^[19][20][12] Alessandro VoltaBatterie oder Voltaic Stapelvon 1800, hergestellt aus abwechselnden Zink- und Kupferschichten, versorgte Wissenschaftler eine zuverlässigere Quelle für elektrische Energie als die elektrostatische Maschinen zuvor verwendet.^[19][20] Die Anerkennung von ElektromagnetismusDie Einheit elektrischer und magnetischer Phänomene ist darauf zurückzuführen Hans Christian Ørsted und André-Marie Ampère 1819–1820. Michael Faraday erfand die Elektromotor im Jahr 1821 und und Georg Ohm Mathematisch analysierte den elektrischen Stromkreis 1827.^[20] Elektrizität und Magnetismus (und Licht) wurden definitiv durch verbunden von James Clerk Maxwell, insbesondere in seinem ""On Physical Lines of Force"1861 und 1862.^[21]

Während das frühe 19. Jahrhundert rasante Fortschritte in der Elektrowissenschaft verzeichneten, würde das Ende des 19. Jahrhunderts die größten Fortschritte in den Elektrotechnik. Durch solche Menschen wie Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, William Thomson, 1. Baron Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Swan, Reginald Fessenden, Nikola Tesla und George Westinghouse, Elektrizität verwandelte sich von einer wissenschaftlichen Neugier in ein wesentliches Werkzeug für das moderne Leben.

1887, Heinrich Hertz^{[22]: 843–44[23]} entdeckte das Elektroden mit ultraviolettem Licht beleuchtet werden elektrische Funken noch einfacher. Im Jahr 1905, Albert Einstein veröffentlichte ein Papier, in dem experimentelle Daten aus dem erläutert wurden photoelektrischer Effekt Als Ergebnis der Leuchtenergie in diskreten quantisierten Paketen, die Elektronen anregen. Diese Entdeckung führte zu der Quanten Revolution. Einstein wurde mit dem ausgezeichnet Nobelpreis für Physik 1921 für "seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts".^[24] Der photoelektrische Effekt wird auch in verwendet Fotozellen wie können in gefunden werden in Solarplatten und dies wird häufig verwendet, um Strom kommerziell zu erzeugen.

Der Erste Festkörpergerät war das "Katzen-Whisker-Detektor"Zuerst in den 1900er Jahren in Funkempfängern verwendet. Ein flucherähnlicher Draht wird leicht mit einem festen Kristall in Kontakt gebracht (wie a Germanium Kristall) um a zu erkennen Radio Signal durch den Kontaktübergangseffekt.^[25] In einer Festkörperkomponente die aktuell ist auf feste Elemente und Verbindungen beschränkt, die speziell zum Wechseln und Verstärken konstruiert sind. Der Stromfluss kann in zwei Formen verstanden werden: als negativ geladen Elektronenund wie positiv geladene Elektronenmängel genannt Löcher. Diese Gebühren und Löcher werden in Bezug auf die Quantenphysik verstanden. Das Baumaterial ist am häufigsten kristalline Halbleiter.^[26][27]

Festkörperelektronik kam mit der Entstehung von in sich Transistor Technologie. Der erste arbeitende Transistor, a Germanium-basierend Punktkontakttransistor, wurde erfunden von John Bardeen und Walter Houser Brattain bei Bell Labs 1947,^[28] gefolgt von der Bipolar -Junction -Transistor 1948.^[29] Diese frühen Transistoren waren relativ sperrige Geräte, die auf a schwer hergestellt wurden Massenproduktion Basis.^{[30]: 168} Sie folgten von dem Silizium-basierend Mosfet (Metalle-Oxid-Sämiener-Feld-Effekt-Transistor oder MOS-Transistor), erfunden durch Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng 1959 bei Bell Labs.^[31][32][33] Es war der erste wirklich kompakte Transistor, der für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten miniaturisiert und massenproduziert werden konnte.^{[30]: 165, 179} führt zum Siliziumrevolution.^[34] Solid-State-Geräte wurden in den 1960er Jahren mit dem Übergang von der 1960er Jahre verbreitet Vakuumröhren zum Halbleiter Dioden, Transistoren, Integrierter Schaltkreis (IC) Chips, MOSFets und Leuchtdiode (LED) Technologie.

Das häufigste elektronische Gerät ist das MOSFET,^[32][35] Dies ist zum am weitesten verbreiteten Gerät in der Geschichte geworden.^[36] Häufige Festkörper-MOS-Geräte umfassen Mikroprozessor Chips^[37] und Halbleitergedächtnis.^[38][39] Eine spezielle Art von Halbleiterspeicher ist Flash-Speicher, was verwendet wird in USB -Flash -Laufwerke und mobile Geräte, ebenso gut wie Festkörperantrieb (SSD) -Technologie zum Ersetzen mechanisch rotierender Magnetscheibe Festplatte (HDD) -Technologie.

Konzepte

Elektrische Ladung

Gebühr auf a Goldblattelektroskop veranlasst die Blätter, sich sichtbar gegenseitig abzuwehren

Das Vorhandensein von Ladung führt zu einer elektrostatischen Kraft: Ladungen Ausübung a Macht Ein Effekt, der in der Antike bekannt war, obwohl nicht verstanden wurde.^{[22]: 457} Ein leichter Ball, der an einer Schnur gehängt ist, kann aufgeladen werden, indem er mit einer Glastruppe berührt wird, die selbst durch Reiben mit einem Tuch aufgeladen wurde. Wenn ein ähnlicher Ball von derselben Glasstange aufgeladen wird, wird festgestellt, dass er die erste abtauscht: Die Ladung wirkt die beiden Kugeln auseinander. Zwei Kugeln, die mit einer geriebenen Bernsteinstange aufgeladen sind, stellt sich ebenfalls gegenseitig ab. Wenn jedoch eine Kugel von der Glasstange aufgeladen wird und der andere von einer Bernsteinstange, werden sich die beiden Kugeln an, die sich gegenseitig anziehen. Diese Phänomene wurden im späten 18. Jahrhundert von untersucht Charles-Augustin de Coulomb, der diese Anklage abgeleitet hat, manifestiert sich in zwei gegnerischen Formen. Diese Entdeckung führte zum bekannten Axiom: Gleiche geladene Objekte stoßen ab und entgegengeladene Objekte ziehen an.^[22]

Die Kraft wirkt auf die geladenen Partikel selbst, weshalb die Ladung die Tendenz hat, sich über eine leitende Oberfläche so gleichmäßig wie möglich zu verbreiten. Die Größe der elektromagnetischen Kraft, ob attraktiv oder abstoßend, wird gegeben durch Coulomb-Gesetz, was die Kraft auf das Produkt der Gebühren bezieht und eine hat Inverse Quadrat Beziehung zum Abstand zwischen ihnen.^{[40][41]: 35} Die elektromagnetische Kraft ist sehr stark, nur zweiter in Stärke zur Stärke starke Interaktion,^[42] Aber im Gegensatz zu dieser Zwang arbeitet es über alle Entfernungen.^[43] Im Vergleich zu den viel schwächeren ErdanziehungskraftDie elektromagnetische Kraft, die zwei Elektronen auseinander drückt, beträgt 10⁴² mal das der des Gravitation Anziehung, die sie zusammenzieht.^[44]

Die Ladung stammt aus bestimmten Arten von subatomare Partikel, die bekanntesten Träger, von denen die sind Elektron und Proton. Elektrische Ladung führt zu und interagiert mit dem elektromagnetische Kraft, einer der vier Grundkräfte von Natur. Experiment hat gezeigt, dass die Ladung a ist Konservierte MengeDas heißt, die Nettoladung innerhalb eines elektrisch isolierten Systems bleibt unabhängig von Änderungen, die in diesem System stattfinden, immer konstant.^[45] Innerhalb des Systems kann die Ladung zwischen den Körpern entweder durch direkten Kontakt oder durch Weitergabe eines leitenden Materials wie einem Draht übertragen werden.^{[41]: 2–5} Der informelle Begriff statische Elektrizität Bezieht sich auf die Nettovorhandensein (oder „Ungleichgewicht“) der Ladung an einem Körper, normalerweise verursacht, wenn unähnliche Materialien zusammengerieben werden, wodurch die Ladung von einem auf den anderen übertragen wird.

Die Ladung für Elektronen und Protonen ist im Vorzeichen entgegengesetzt, daher kann eine Ladungsmenge als negativ oder positiv ausgedrückt werden. Nach Übereinkommen wird die von Elektronen getragene Ladung als negativ angesehen und die durch Protonen positiv, ein Brauch, der von der Arbeit von entstanden ist Benjamin Franklin.^[46] Die Ladungsmenge wird normalerweise das Symbol gegeben Q und ausgedrückt in Coulombs;^[47] Jedes Elektron hat die gleiche Ladung von ungefähr –1,6022 × 10^–19 Coulomb. Das Proton hat eine Ladung, die gleich und entgegengesetzt ist, und damit +1,6022 × 10^–19Coulomb. Die Anklage ist nicht nur von besessen Angelegenheit, aber auch von Antimaterie, jeder Antipartikel eine gleiche und entgegengesetzte Ladung zu seinem entsprechenden Teilchen tragen.^[48]

Die Ladung kann anhand einer Reihe von Mitteln gemessen werden, wobei ein frühes Instrument das ist Goldblattelektroskop, was zwar noch für Demonstrationen im Klassenzimmer verwendet wird, wurde von der Elektronik ersetzt Elektrometer.^{[41]: 2–5}

Elektrischer Strom

Die Bewegung der elektrischen Ladung ist als ein bekannt als eine elektrischer Stromdie Intensität wird normalerweise in gemessen Ampere. Strom kann aus beweglichen geladenen Partikeln bestehen; Am häufigsten sind dies Elektronen, aber jede Bewegung ist ein Strom. Elektrischer Strom kann durch einige Dinge fließen, Elektrikleiter, wird aber nicht durch einen fließen Elektrischer Isolator.^[49]

Nach historischer Konvention wird ein positiver Strom definiert als die gleiche Flussrichtung wie jede positive Ladung, die er enthält, oder um vom positivsten Teil einer Schaltung zum negativsten Teil zu fließen. Auf diese Weise definierte Strom wird genannt Konventioneller Strom. Die Bewegung negativ geladener Elektronen um eine Elektrischer KreislaufEine der bekanntesten Formen von Strom wird daher in der als positiv eingestuft Gegenteil Richtung zu der der Elektronen.^[50] Abhängig von den Bedingungen kann ein elektrischer Strom jedoch aus einem Fluss von bestehen geladene Partikel in beide Richtungen oder sogar in beide Richtungen gleichzeitig. Die positive bis negative Konvention wird häufig verwendet, um diese Situation zu vereinfachen.

Ein elektrischer Bogen bietet eine energetische Demonstration des elektrischen Stroms

Der Prozess, durch den der elektrische Strom durch ein Material führt elektrische Leitungund seine Natur variiert mit der der geladenen Partikel und dem Material, durch das sie reisen. Beispiele für elektrische Ströme sind die metallische Leitung, bei der Elektronen durch a fließen Dirigent wie Metall und Elektrolyse, wo Ionen (berechnet Atome) durch Flüssigkeiten fließen oder durch Plasmen wie elektrische Funken. Während sich die Partikel selbst ziemlich langsam bewegen können, manchmal mit einem Durchschnitt Driftgeschwindigkeit Nur Fraktionen eines Millimeter pro Sekunde,^{[41]: 17} das elektrisches Feld Das antreibt sie selbst in der Nähe des LichtgeschwindigkeitErmöglichen Sie, dass elektrische Signale schnell entlang der Drähte passieren.^[51]

Der Strom verursacht mehrere beobachtbare Effekte, die historisch gesehen das Mittel zur Erkennung seiner Anwesenheit waren. Dieses Wasser konnte durch den Strom von einem Voltaischen Stapel entdeckt werden Nicholson und Carlisle Im Jahr 1800 ein Prozess, der jetzt als bekannt ist als Elektrolyse. Ihre Arbeit wurde stark erweitert von Michael Faraday im Jahr 1833. Strom durch a Widerstand verursacht lokalisierte Erwärmung, einen Effekt James Prescott Joule 1840 mathematisch studiert.^{[41]: 23–24} Eine der wichtigsten Entdeckungen im Zusammenhang mit Strom wurde versehentlich von Hans Christian Ørsted 1820, als er während der Vorbereitung eines Vortrags den Strom in einem Draht beobachtete, der die Nadel eines magnetischen Kompasss störte.^[52] Er hatte entdeckt Elektromagnetismus, eine grundlegende Wechselwirkung zwischen Strom und Magnetik. Der Grad der elektromagnetischen Emissionen, die durch erzeugt werden durch elektrisches Lichtbogen ist hoch genug, um zu produzieren Elektromagnetische Interferenz, die sich nachteilig auf die Funktionsweise benachbarter Geräte auswirken können.^[53]

In Engineering- oder Haushaltsanwendungen wird der Strom häufig als entweder beschrieben Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC). Diese Begriffe beziehen sich darauf, wie der Strom zeitlich unterschiedlich ist. Gleichstrom, wie durch Beispiel von a erzeugt Batterie und von den meisten gefordert elektronisch Geräte sind ein unidirektionaler Strömung vom positiven Teil einer Schaltung zum Negativ.^{[54]: 11} Wenn dieser Fluss wie am häufigsten von Elektronen getragen wird, werden sie in die entgegengesetzte Richtung fahren. Wechselstrom ist jeder Strom, der die Richtung wiederholt umkehrt. Fast immer hat dies die Form von a Sinus.^{[54]: 206–07} Wechselstrom pulsiert somit in einem Leiter hin und her, ohne dass die Ladung im Laufe der Zeit einen Nettoabstand bewegt. Der zeitlich gemittelte Wert eines abwechselnden Stroms ist Null, liefert jedoch Energie in der ersten Einrichtung und dann umgekehrt. Wechselstrom wird durch elektrische Eigenschaften beeinflusst, die nicht beobachtet werden Gleichgewichtszustand Gleichstrom, wie z. Induktivität und Kapazität.^{[54]: 223–25} Diese Eigenschaften können jedoch wichtig werden, wenn Schaltkreise ausgesetzt sind Transienten, wie zum Beispiel, wenn er zuerst energetisiert ist.

Elektrisches Feld

Das Konzept der Elektrik aufstellen wurde vorgestellt von Michael Faraday. Ein elektrisches Feld wird von einem geladenen Körper in dem Raum erzeugt, der ihn umgibt, und führt zu einer Kraft, die auf anderen im Feld platzierten Ladungen ausgeübt wird. Das elektrische Feld wirkt zwischen zwei Ladungen auf ähnliche Weise wie das Gravitationsfeld zwischen zwei Massenund so erstreckt sich so in Richtung Unend und zeigt eine umgekehrte quadratische Beziehung mit der Entfernung.^[43] Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied. Die Schwerkraft wirkt immer in Anziehungskraft und zieht zwei Massen zusammen, während das elektrische Feld entweder zu Anziehung oder Abstoßung führen kann. Da große Körper wie Planeten im Allgemeinen keine Nettoladung tragen, ist das elektrische Feld in einer Entfernung normalerweise Null. Somit ist die Schwerkraft die dominierende Kraft im Bereich des Universums, obwohl sie viel schwächer ist.^[44]

Feldlinien, die von einer positiven Ladung über einem Flugzeugleiter ausgehen

Ein elektrisches Feld variiert im Allgemeinen im Weltraum,^[55] und seine Stärke an einem Punkt ist definiert als die Kraft (pro Ladung pro Einheit), die von einer stationären, vernachlässigbaren Ladung zu spüren wäre, wenn sie an diesem Punkt platziert wird.^{[22]: 469–70} Die konzeptionelle Gebühr bezeichnete als ''Testgebühr', muss verschwindend klein sein, um zu verhindern, dass sein eigenes elektrisches Feld das Hauptfeld stört, und muss auch stationär sein, um die Wirkung von zu verhindern Magnetfelder. Da das elektrische Feld in Bezug auf definiert ist Machtund Kraft ist a Vektor, haben beides Größe und RichtungDaraus folgt, dass ein elektrisches Feld a ist Vektorfeld.^{[22]: 469–70}

Die Untersuchung von elektrischen Feldern, die durch stationäre Gebühren erzeugt werden, heißt Elektrostatik. Das Feld kann durch eine Reihe imaginärer Linien visualisiert werden, deren Richtung zu jedem Zeitpunkt das gleiche ist wie das des Feldes. Dieses Konzept wurde von Faraday eingeführt,^[56] deren Begriff 'Kraftlinien'Es wird immer noch manchmal verwendet. Die Feldlinien sind die Pfade, die eine Punkt -positive Anklage machen würde, da sie gezwungen war, sich innerhalb des Feldes zu bewegen. Sie sind jedoch ein imaginäres Konzept ohne physikalische Existenz, und das Feld durchdringt den gesamten Zwischenraum zwischen den Linien.^[56] Feldlinien, die aus stationären Gebühren ausgehen, haben mehrere wichtige Eigenschaften: Erstens stammen sie aus positiven Gebühren und enden bei negativen Ladungen; Zweitens, dass sie im rechten Winkel einen guten Dirigenten betreten müssen, und drittens, damit sie sich niemals selbst überqueren oder sich selbst schließen.^{[22]: 479}

Ein hohl leitender Körper trägt seine gesamte Ladung auf der Außenfläche. Das Feld ist daher 0 an allen Stellen im Körper.^{[41]: 88} Dies ist der operative Direktor der Faradayscher Käfig, eine leitende Metallhülle, die sein Innenraum von außen elektrischen Effekten isoliert.

Die Prinzipien der Elektrostatik sind wichtig beim Entwerfen von Gegenständen von Hochspannung Ausrüstung. Die elektrische Feldstärke ist eine begrenzte Grenze, die durch jedes Medium standhalten kann. Über diesen Punkt hinaus, elektrischer Zusammenbruch tritt auf und an elektrischer Bogen verursacht den Überschlag zwischen den geladenen Teilen. Luft neigt zum Beispiel dazu, über kleine Lücken in elektrischen Feldstärken zu bogen, die 30 kV pro Zentimeter überschreiten. Bei größeren Lücken ist seine Zusammenbruchstärke schwächer, vielleicht 1 kV pro Zentimeter.^[57] Das sichtbarste natürliche Ereignis davon ist Blitz, verursacht, wenn die Ladung in den Wolken durch steigende Luftsäulen getrennt wird, und das elektrische Feld in der Luft auf größer als kann. Die Spannung einer großen Blitzwolke kann bis zu 100 mV betragen und Entladungsenergien von bis zu 250 kWh aufweist.^[58]

Die Feldstärke wird stark von nahe gelegenen leitenden Objekten beeinflusst, und es ist besonders intensiv, wenn es gezwungen ist, sich um scharf spitze Objekte zu krümmen. Dieses Prinzip wird in der genutzt Blitzableiter, der scharfe Spitze, deren Blitzhub dazu ermutigt, sich dort zu entwickeln, und nicht zu dem Gebäude, dem es dient, um zu schützen^{[59]: 155}

Elektrisches Potenzial

Ein Paar AA -Zellen. Das +-Schark zeigt die Polarität der Potentialdifferenz zwischen den Batterieklemmen an.

Das Konzept des elektrischen Potentials ist eng mit dem des elektrischen Feldes verbunden. Eine kleine Ladung, die innerhalb eines elektrischen Feldes eingelegt wird Arbeit. Das elektrische Potential an jedem Punkt ist definiert als die Energie, die erforderlich ist, um eine Unit -Testladung von einem zu bringen unendliche Entfernung Langsam bis zu diesem Punkt. Es wird normalerweise in gemessen Voltund ein Volt ist das Potenzial für welche Joule Arbeit muss aufgewendet werden, um eine Anklage für einen zu erheben Coulomb von unendlich.^{[22]: 494–98} Diese Definition von Potenzial hat zwar formal, hat wenig praktische Anwendung und ein nützlicheres Konzept ist das von elektrische Potentialdifferenzund ist die Energie, die erforderlich ist, um eine Einheitsladung zwischen zwei bestimmten Punkten zu bewegen. Ein elektrisches Feld hat die besondere Eigenschaft, die es ist konservativDies bedeutet, dass der durch die Testladung eingeführte Pfad irrelevant ist: Alle Pfade zwischen zwei festgelegten Punkten verbrauchen dieselbe Energie, und daher kann ein eindeutiger Wert für die Potentialdifferenz angegeben werden.^{[22]: 494–98} Der Volt wird so stark als die Einheit der Wahl für die Messung und Beschreibung der elektrischen Potentialdifferenz identifiziert, dass der Begriff Stromspannung sieht einen größeren Alltagsgebrauch.

Für praktische Zwecke ist es nützlich, einen gemeinsamen Bezugspunkt zu definieren, auf den Potentiale exprimiert und verglichen werden können. Während dies in Unendlichkeit sein könnte, ist eine viel nützlichere Referenz die Erde selbst, von dem angenommen wird, dass er überall gleich potentiell ist. Dieser Referenzpunkt nimmt natürlich den Namen Erde oder Boden. Es wird angenommen, dass die Erde eine unendliche Quelle gleichen Mengen an positiver und negativer Ladung ist, und ist daher elektrisch nicht aufgeladen - und unbekannt.^[60]

Elektrisches Potential ist a SkalarmengeDas heißt, es hat nur eine Größe und keine Richtung. Es kann als analog angesehen werden zu Höhe: Genau wie ein freigesetztes Objekt durch einen durch ein Gravitationsfeld verursachten Höhenunterschied fällt, fällt eine Ladung über die Spannung, die durch ein elektrisches Feld verursacht wird.^[61] Wie Erleichterungskarten zeigen Umriss Markierungspunkte gleicher Höhe, eine Reihe von Linien, die gleichpotentielles Markieren markieren (bekannt als Equipotentials) kann um ein elektrostatisch geladenes Objekt gezogen werden. Die Equipotentials überschreiten alle Kraftlinien im rechten Winkel. Sie müssen auch parallel zu a liegen DirigentAndernfalls würde dies eine Kraft erzeugen, die die Ladungsträger selbst auf das Potenzial der Oberfläche bewegen.

Das elektrische Feld wurde offiziell als die pro Ladung ausgenommene Kraft definiert, aber das Potentialkonzept ermöglicht eine nützlichere und äquivalentere Definition: Das elektrische Feld ist das lokale Gradient des elektrischen Potentials. Die Vektorrichtung des Feldes ist normalerweise in Volt pro Meter exprimiert, und ist die Grenze des größten Potentials und wo die Ausrüstungsmittel zusammen am nächsten liegen.^{[41]: 60}

Elektromagnetze

Magnetfeldkreise um einen Strom

Ørsteds Entdeckung im Jahr 1821, dass a Magnetfeld Um alle Seiten eines Drahtes mit einem elektrischen Strom gab es, dass es eine direkte Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus gab. Darüber hinaus schien die Wechselwirkung sich von den dann bekannten Kräften der Gravitation und der elektrostatischen Kräfte zu unterscheiden. Die Kraft auf der Kompassnadel lenkte sie nicht auf oder weg vom aktuell tragenden Draht, sondern wirkte rechtwinklig darauf.^[52] Ørsteds Worte waren, dass "der elektrische Konflikt auf drehende Weise handelt". Die Kraft hing auch von der Richtung des Stroms ab, denn wenn der Fluss umgekehrt war, dann tat es auch die Kraft.^[62]

Ørsted verstand seine Entdeckung nicht vollständig, aber er beobachtete, dass der Effekt gegenseitig war: Ein Strom übt eine Kraft auf einen Magneten aus, und ein Magnetfeld übt eine Kraft auf einen Strom aus. Das Phänomen wurde weiter untersucht von Ampere, der entdeckte, dass zwei parallelen Stromversorgungsdrähte eine Kraft aufeinander ausübten: Zwei Drähte, die Ströme in die gleiche Richtung leiten, werden voneinander angezogen, während Drähte, die Ströme in entgegengesetzte Richtungen enthalten, auseinandergesetzt werden.^[63] Die Wechselwirkung wird durch das Magnetfeld vermittelt. Jeder Strom erzeugt und bildet die Grundlage für den internationalen Definition des Ampere.^[63]

Der Elektromotor nutzt einen wichtigen Effekt des Elektromagnetismus: Ein Strom durch ein Magnetfeld erfährt eine Kraft im rechten Winkel sowohl zum Feld als auch zum Strom

Diese Beziehung zwischen Magnetfeldern und Strömungen ist äußerst wichtig, denn sie führte zu Michael Faradays Erfindung der Elektromotor im Jahr 1821. Faraday's Homopolarer Motor bestand aus a Dauermagnet sitzen in einem Pool von Merkur. Ein Strom wurde durch einen Draht erlaubt, der an einem Drehpunkt über dem Magneten aufgehängt und in das Quecksilber getaucht wurde. Der Magnet übte eine tangentiale Kraft auf den Draht aus, wodurch es so lange um den Magneten umkreist, wie der Strom beibehalten wurde.^[64]

Das Experimentieren von Faraday im Jahr 1831 ergab, dass ein Draht, das sich senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte, eine Potentialdifferenz zwischen seinen Enden entwickelte. Weitere Analyse dieses Prozesses, bekannt als Elektromagnetische Induktionermöglichte ihm, das Prinzip zu sagen, das jetzt als bekannt als Faradays Induktionsgesetz, dass die in einem geschlossene Schaltkreis induzierte Potentialdifferenz proportional zur Änderungsrate von ist Magnetischer Fluss durch die Schleife. Die Ausbeutung dieser Entdeckung ermöglichte es ihm, den ersten zu erfinden elektrischer Generator 1831, in dem er die mechanische Energie einer rotierenden Kupferscheibe in elektrische Energie umwandelte.^[64] Faradays Disc war ineffizient und nützlich als praktischer Generator, aber es zeigte die Möglichkeit, mit Magnetismus elektrische Leistung zu erzeugen, eine Möglichkeit, die von denjenigen, die aus seiner Arbeit folgten, aufgenommen werden würde.

Elektrochemie

Italienisch Physiker Alessandro Volta seine zeigen "Batterie" zu Französisch Kaiser Napoleon Bonaparte im frühen 19. Jahrhundert.

Die Fähigkeit chemischer Reaktionen, Elektrizität zu erzeugen, und umgekehrt die Fähigkeit von Elektrizität, chemische Reaktionen voranzutreiben, hat eine Vielzahl von Verwendungen.

Die Elektrochemie war schon immer ein wichtiger Bestandteil von Elektrizität. Aus der anfänglichen Erfindung des Voltaic Stapel,, Elektrochemische Zellen haben sich zu den vielen verschiedenen Arten von Batterien, Elektroplatten und Elektrolysezellen entwickelt. Aluminium wird auf diese Weise in riesigen Mengen hergestellt, und viele tragbare Geräte werden mit wiederaufladbaren Zellen elektrisch angetrieben.

Stromkreise

Ein grundlegender Elektrischer Kreislauf. Das Spannungsquelle V links fährt a aktuell I rund um den Stromkreis liefern elektrische Energie in die Widerstand R. Aus dem Widerstand kehrt der Strom zur Quelle zurück und vervollständigt die Schaltung.

Eine elektrische Schaltung ist eine Verbindung von elektrischen Komponenten, so dass die elektrische Ladung entlang eines geschlossenen Pfades (eine Schaltung) fließt, um normalerweise eine nützliche Aufgabe auszuführen.

Die Komponenten in einem elektrischen Stromkreis können viele Formen annehmen, einschließlich Elementen wie z. Widerstände, Kondensatoren, Schalter, Transformer und Elektronik. Elektronische Schaltkreise enthalten aktive Komponenten, normalerweise Halbleiter, und typisch ausstellen nichtlinear Verhalten, die eine komplexe Analyse erfordern. Die einfachsten elektrischen Komponenten sind diejenigen, die bezeichnet werden passiv und linear: Während sie vorübergehend Energie speichern können, enthalten sie keine Quellen davon und zeigen lineare Reaktionen auf Stimuli.^{[65]: 15–16}

Das Widerstand ist vielleicht die einfachste passive Schaltungselemente: Wie der Name schon sagt, ist es widersteht Der Strom durch sie, löst seine Energie als Wärme ab. Der Widerstand ist eine Folge der Ladungsbewegung durch einen Leiter: In Metallen ist beispielsweise der Widerstand hauptsächlich auf Kollisionen zwischen Elektronen und Ionen zurückzuführen. Ohm'sches Gesetz ist ein Grundgesetz von Kreistheoriemit der Begründung, dass der Strom, der durch einen Widerstand führt, direkt proportional zur Potentialdifferenz ist. Der Widerstand der meisten Materialien ist über einen Bereich von Temperaturen und Strömungen relativ konstant. Materialien unter diesen Bedingungen werden als "ohmisch" bezeichnet. Das Ohm, die Widerstandseinheit, wurde zu Ehren von benannt Georg Ohmund wird durch den griechischen Buchstaben ω symbolisiert. 1 Ω ist der Widerstand, der eine Potentialdifferenz von einem Volt als Reaktion auf einen Strom von einem Amp erzeugt.^{[65]: 30–35}

Das Kondensator ist eine Entwicklung des Leyden -Glass und ist ein Gerät, das die Ladung speichern kann und damit elektrische Energie im resultierenden Bereich gespeichert wird. Es besteht aus zwei leitenden Platten, die durch ein Dünn getrennt sind isolieren Dielektrikum Schicht; In der Praxis werden dünne Metallfolien miteinander zusammengefasst, wodurch die Oberfläche pro Volumeneinheit erhöht wird und daher die Kapazität. Die Kapazitätseinheit ist die Farad, benannt nach Michael Faradayund gegeben das Symbol F: Eine Farad ist die Kapazität, die eine Potentialdifferenz von einem Volt entwickelt, wenn sie eine Ladung einer Coulomb speichert. Ein mit einer Spannungsversorgung angeschlossener Kondensator verursacht zunächst einen Strom, wenn er Ladung ansammelt. Dieser Strom wird jedoch rechtzeitig verfallen, wenn der Kondensator schließlich auf Null fällt. Ein Kondensator erlaubt daher keine Gleichgewichtszustand Strom, blockiert es aber stattdessen.^{[65]: 216–20}

Das Induktor ist ein Leiter, normalerweise eine Drahtspule, die Energie in einem Magnetfeld als Reaktion auf den Strom speichert. Wenn sich der Strom ändert, tut auch das Magnetfeld, auch, induzieren eine Spannung zwischen den Enden des Leiters. Die induzierte Spannung ist proportional zur Zeitrate des Wandels des Stroms. Die Konstante der Verhältnismäßigkeit wird als als bezeichnet Induktivität. Die Einheit der Induktivität ist die Henry, benannt nach Joseph Henry, ein Zeitgenosse von Faraday. Ein Henry ist die Induktivität, die eine Potentialdifferenz von einem Volt induziert, wenn sich der Strom durch ihn mit einer Rate von einem Ampere pro Sekunde ändert. Das Verhalten des Induktors ist in gewisser Weise mit dem des Kondensators unterhalten: Er lässt einen unveränderlichen Strom frei, lehnt sich jedoch einem sich schnell verändernden.^{[65]: 226–29}

Elektrische Energie

Elektrische Leistung ist die Rate, mit der elektrische Energie wird von einem übertragen Elektrischer Kreislauf. Das Si Einheit von Energie ist der Watt, eines Joule pro zweite.

Elektrische Leistung, wie mechanische Kraft, ist die Rate des Tuns Arbeit, gemessen in Wattsund durch den Brief dargestellt P. Der Begriff wattieren wird umgangssprachlich als "elektrische Leistung in Watts" verwendet. Die elektrische Leistung in Watts erzeugt von einem elektrischen Strom I bestehend aus einer Gebühr von Q Coulombs alle t Sekunden, die durch eine gehen elektrisches Potenzial (Stromspannung) Unterschied von V ist

$oder$

wo

Q ist elektrische Ladung in Coulombs

t ist Zeit in Sekunden

I ist elektrischer Strom in Ampere

V ist elektrisches Potential oder Spannung in Volt

Stromerzeugung wird oft durch einen Prozess der Umwandlung mechanischer Energie in Elektrizität durchgeführt. Geräte wie Dampfturbine oder Gasturbinen sind an der Produktion der mechanischen Energie beteiligt, die an weitergegeben wird elektrische Generatoren die den Strom erzeugen. Strom kann auch durch chemische Quellen wie z. elektrische Batterien oder mit anderen Mitteln aus einer Vielzahl von Energiequellen. Elektrische Leistung wird im Allgemeinen an Unternehmen und Häuser von der geliefert Elektromotzahl. Strom wird normalerweise von der verkauft Kilowattstunde (3,6 MJ) Das ist das Produkt von Strom in Kilowatt multipliziert mit der Laufzeit in Stunden. Elektroversorgungsunternehmen messen die Stromversorgung mithilfe Elektrizitätsmesser, die eine Gesamtzahl der elektrischen Energie an einen Kunden hält. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen ist Strom niedrig Entropie Form der Energie und kann mit hoher Effizienz in Bewegung oder viele andere Energieformen umgewandelt werden.^[66]

Elektronik

Oberflächenhalterung elektronische Bauteile

Elektronik befasst sich mit Stromkreise das beinhaltet aktive elektrische Komponenten wie zum Beispiel Vakuumröhren, Transistoren, Dioden, Optoelektronik, Sensoren und integrierte Schaltkreiseund zugehörige passive Verbindungstechnologien. Das nichtlinear Das Verhalten aktiver Komponenten und ihre Fähigkeit zur Steuerung von Elektronenströmen ermöglichen die Verstärkung schwacher Signale, und die Elektronik wird in großem Umfang verwendet Informationsverarbeitung, Telekommunikation, und Signalverarbeitung. Die Fähigkeit elektronischer Geräte, als zu handeln als Schalter Die digitale Informationsverarbeitung ermöglicht. Verbindungstechnologien wie z. Leiterplatten, Elektronikverpackungstechnologie und andere unterschiedliche Formen der Kommunikationsinfrastruktur vollständige Schaltungsfunktionalität und verwandeln die gemischten Komponenten in eine reguläre Arbeit System.

Heute verwenden die meisten elektronischen Geräte Halbleiter Komponenten zur Durchführung der Elektronensteuerung. Die Untersuchung von Halbleitergeräten und verwandten Technologien wird als Zweig von betrachtet Festkörperphysik, während das Design und die Konstruktion von elektronische Schaltkreise Um praktische Probleme zu lösen, kommen Elektrotechnik.

Elektromagnetische Welle

Die Arbeit von Faradays und Ampère zeigte, dass ein zeitlich variierendes Magnetfeld als Quelle eines elektrischen Feldes fungierte und ein zeitlich variierendes elektrisches Feld eine Quelle eines Magnetfeldes war. Wenn sich also ein Feld in der Zeit ändert, wird ein Feld des anderen notwendigerweise induziert.^{[22]: 696–700} Ein solches Phänomen hat die Eigenschaften von a Welle, und wird natürlich als als bezeichnet Elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen wurden theoretisch durch analysiert James Clerk Maxwell 1864. Maxwell entwickelte eine Reihe von Gleichungen, die die Wechselbeziehung zwischen elektrischem Feld, Magnetfeld, elektrischer Ladung und elektrischem Strom eindeutig beschreiben konnten. Er konnte außerdem beweisen, dass eine solche Welle notwendigerweise in der reisen würde Lichtgeschwindigkeitund so war Licht selbst eine Form der elektromagnetischen Strahlung. Maxwells Gesetze, die Licht, Felder und Gebühren vereinen, sind einer der großen Meilensteine ​​der theoretischen Physik.^{[22]: 696–700}

Daher ermöglichte die Arbeit vieler Forscher die Verwendung von Elektronik Hochfrequenz Oszillierende Ströme und über angemessen geformte Leiter ermöglicht Strom die Übertragung und Rezeption dieser Signale über Funkwellen über sehr lange Entfernungen.

Produktion und Verwendung

Generation und Übertragung

Frühes 20. Jahrhundert Generator hergestellt in Budapest, Ungarn, in der Stromerzeugung Hall von a Wasserkraft Station (Foto von Prokudin-Gorsky1905–1915).

Im 6. Jahrhundert v. Chr. Der griechische Philosoph Thales of Miletus experimentiert mit Bernsteinstäben und diese Experimente waren die ersten Studien zur Produktion von elektrischer Energie. Während diese Methode, jetzt bekannt als die TROMELektrischer Effekt, kann Lichtobjekte anheben und Funken erzeugen, es ist äußerst ineffizient.^[67] Es war nicht bis zur Erfindung der Voltaic Stapel Im achtzehnten Jahrhundert wurde eine tragfähige Stromquelle verfügbar. Der Voltaic Stapel und sein moderner Nachkomme, der elektrische BatterieLagern Sie Energie chemisch und stellen Sie es auf Bedarf in Form von elektrischer Energie zur Verfügung.^[67] Die Batterie ist eine vielseitige und sehr häufige Stromquelle, die idealerweise für viele Anwendungen geeignet ist. Die Energiespeicherung ist jedoch begrenzt und muss nach dem Entladen sie entsorgt oder aufgeladen werden. Für große elektrische Anforderungen muss elektrische Energie erzeugt und kontinuierlich über leitende Übertragungsleitungen übertragen werden.

Elektrische Leistung wird normalerweise durch elektromechanische Erzeugung erzeugt Generatoren angetrieben durch Dampf produziert von fossiler Brennstoff Verbrennung oder die Wärme, die aus Kernreaktionen freigesetzt wird; oder aus anderen Quellen wie z. kinetische Energie aus Wind oder fließendem Wasser extrahiert. Das moderne Dampfturbine erfunden von Sir Charles Parsons Im Jahr 1884 erzeugt heute etwa 80 Prozent der elektrische Energie in der Welt mit einer Vielzahl von Wärmequellen. Solche Generatoren haben keine Ähnlichkeit mit Faradays homopolarem Scheibengenerator von 1831, aber sie verlassen sich immer noch auf sein elektromagnetisches Prinzip, dass ein Leiter, der ein sich wandeltes Magnetfeld verbindet, eine potentielle Differenz an seinen Enden induziert.^[68] Die Erfindung im späten neunzehnten Jahrhundert der Transformator bedeutete, dass die elektrische Leistung bei einer höheren Spannung, aber einem niedrigeren Strom effizienter übertragen werden konnte. Effizient elektrische Übertragung bedeutete wiederum, dass Strom bei zentralisiertem Strom erzeugt werden kann Kraftwerke, wo es profitierte Skaleneffekteund dann relativ lange Strecken dahin geschickt werden, wo es benötigt wurde.^[69][70]

Windkraft ist in vielen Ländern von zunehmender Bedeutung

Da elektrische Energie nicht leicht in Mengen gespeichert werden kann, die groß genug sind, um die Anforderungen auf nationaler Ebene zu erfüllen, muss genau so viel wie erforderlich erzeugt werden.^[69] Dies erfordert Stromversorger sorgfältige Vorhersagen ihrer elektrischen Belastungen zu treffen und eine ständige Koordination mit ihren Kraftstationen aufrechtzuerhalten. Eine bestimmte Menge an Generation muss immer eingehalten werden Reservieren ein elektrisches Netz gegen unvermeidliche Störungen und Verluste zu kissen.

Die Nachfrage nach Strom wächst mit großer Schnelligkeit, während sich eine Nation modernisiert und seine Wirtschaft entwickelt.^[71] Die Vereinigten Staaten verzeichneten in jedem Jahr der ersten drei Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts einen Anstieg der Nachfrage um 12%.^[72] Eine Wachstumsrate, die heute von Schwellenländern wie denen Indiens oder Chinas erlebt wird.^[73][74] In der Vergangenheit hat die Wachstumsrate für den Strombedarf diese für andere Energieformen übertroffen.^{[75]: 16}

Umweltbedenken bei der Stromerzeugung haben zu einer verstärkten Fokussierung auf die Generation aus geführt erneuerbare Ressourceninsbesondere aus Wind und Solar-. Es ist zu erwarten, dass die Debatte über die Umweltauswirkungen verschiedener Stromerzeugungserscheinungen fortgesetzt wird, aber die endgültige Form ist relativ sauber.^{[75]: 89}

Anwendungen

Das die Glühbirne, eine frühzeitige Anwendung von Strom, arbeitet von Joule Heizung: Der Durchgang von aktuell durch Widerstand Wärme erzeugen

Elektrizität ist eine sehr bequeme Möglichkeit, Energie zu übertragen, und wurde an eine riesige und wachsende Anzahl von Verwendungen angepasst.^[76] Die Erfindung eines Praktikums Glühbirne Glühbirne in den 1870er Jahren führte zu Beleuchtung zu einer der ersten öffentlich verfügbaren Anwendungen der elektrischen Leistung zu werden. Obwohl die Elektrifizierung ihre eigenen Gefahren mit sich brachte, reduzierten er die nackten Flammen der Gasbeleuchtung in Häusern und Fabriken stark ab.^[77] In vielen Städten wurden öffentliche Versorgungsunternehmen für die elektrische Beleuchtung auf den aufkeimenden Markt eingerichtet. Im späten 20. Jahrhundert und in der Neuzeit hat der Trend in Richtung der Deregulierung im elektrischen Stromsektor begonnen.^[78]

Der Widerstand Joule Heizung Effekt, der in Filament -Glühbirnen eingesetzt wird Elektroheizung. Dies ist zwar vielseitig und kontrollierbar, kann zwar als verschwenderisch angesehen werden, da die meisten elektrischen Erzeugung bereits die Herstellung von Wärme an einem Kraftwerk benötigt.^[79] Eine Reihe von Ländern, wie z. B. Dänemark, haben Gesetze zur Einschränkung oder Verbot der Verwendung von resistiver elektrischer Heizung in neuen Gebäuden herausgegeben.^[80] Strom ist jedoch immer noch eine sehr praktische Energiequelle für Erwärmung und Kühlung,^[81] mit Klimaanlage/Wärmepumpen Ein wachsender Sektor für den Strombedarf nach Heizung und Kühlung, deren Auswirkungen der Stromversorger zunehmend verpflichtet sind, sich aufzunehmen.^[82]

Strom wird innerhalb verwendet Telekommunikation, und tatsächlich die elektrischer Telegraph, im Jahr 1837 von kommerziell nachgewiesen von Cooke und Weizensteinwar eine seiner frühesten Anwendungen. Mit dem Bau von zuerst transkontinental, und dann transatlantisch, Telegraph Systems In den 1860er Jahren hatte der Strom die Kommunikation in Minuten weltweit ermöglicht. Optische Faser und Satellitenkommunikation haben einen Anteil des Marktes für Kommunikationssysteme genommen, aber es ist zu erwarten, dass Strom ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses bleibt.

Die Auswirkungen des Elektromagnetismus werden in der am sichtbarsten eingesetzt Elektromotor, was ein sauberes und effizientes Mittel zur Motivkraft bietet. Ein stationärer Motor wie a Winde wird leicht mit Strom versorgt, aber ein Motor, der sich mit seiner Anwendung bewegt, wie eins elektrisches Fahrzeug, ist verpflichtet, entweder eine Stromquelle wie eine Batterie mitzunehmen oder Strom von einem Gleitkontakt wie a zu sammeln Pantograph. Elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden im öffentlichen Verkehr eingesetzt, wie z. B. Elektrobusse und Züge,^[83] und eine zunehmende Anzahl von batteriebetriebenen Batterien elektrische Autos im privaten Eigentum.

Elektronische Geräte verwenden die Transistor, vielleicht eine der wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts,^[84] und ein grundlegender Baustein aller modernen Schaltkreise. Eine moderne Integrierter Schaltkreis Möglicherweise enthalten viele Milliarden miniaturisierter Transistoren in einer Region nur wenige Zentimeter.^[85]

Strom und die natürliche Welt

Physiologische Wirkungen

Eine auf einen menschliche Körper angewendete Spannung verursacht durch das Gewebe einen elektrischen Strom, und obwohl die Beziehung nicht linear ist, desto größer ist die Spannung, desto größer ist der Strom.^[86] Der Schwellenwert für die Wahrnehmung variiert mit der Versorgungsfrequenz und dem Weg des Strom Elektrovibration Effekt unter bestimmten Bedingungen.^[87] Wenn der Strom ausreichend hoch ist, wird er Muskelkontraktion verursachen, Fibrillation des Herzens und Gewebeverbrennungen.^[86] Das Fehlen eines sichtbaren Zeichens, dass ein Leiter elektrifiziert wird, macht Strom zu einer bestimmten Gefahr. Die durch einen Elektroschock verursachten Schmerzen können intensiv sein und dazu führen, dass der Strom manchmal als Methode von angewendet wird Folter. Der durch einen Elektroschock verursachte Tod wird als bezeichnet als Stromschlag. Stromschlag ist immer noch das Mittel von gerichtliche Ausführung In einigen Gerichtsbarkeiten, obwohl seine Verwendung in letzter Zeit seltener geworden ist.^[88]

Elektrische Phänomene in der Natur

Das Zitteraal, Elektrophorus Electricus

Elektrizität ist keine menschliche Erfindung und kann in verschiedenen Formen in der Natur beobachtet werden, eine herausragende Manifestation, die ist Blitz. Viele Wechselwirkungen, die auf makroskopischer Ebene vertraut sind, wie z. berühren, Reibung oder chemische Verbindung, sind auf Wechselwirkungen zwischen elektrischen Feldern auf der Atomskala zurückzuführen. Das Erdmagnetfeld Es wird angenommen, dass er aus einem entstehen wird Naturdynamo von zirkulierenden Strömen im Kern des Planeten.^[89] Bestimmte Kristalle, wie z. Quarz, oder auch ZuckerErzeugen Sie eine Potentialdifferenz über ihre Gesichter, wenn Sie einem externen Druck ausgesetzt sind.^[90] Dieses Phänomen ist bekannt als Piezoelektrizität, von dem griechisch Piezein (πιέζειν), was zu drücken bedeutet und 1880 von entdeckt wurde Pierre und Jacques Curie. Der Effekt ist wechselseitig, und wenn ein piezoelektrisches Material einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, findet eine geringe Änderung der physikalischen Abmessungen statt.^[90]

§Bioelektrogenese im mikrobiellen Leben ist ein herausragendes Phänomen in Böden und Sedimentökologie, die aus anaerobe Atmung. Das Mikrobielle Brennstoffzelle Nachahmt dieses allgegenwärtige natürliche Phänomen nach.

Einige Organismen, wie z. Haiekönnen in der Lage sein, Änderungen in elektrischen Feldern zu erkennen und zu reagieren, eine Fähigkeit, die als bekannt ist Elektrorekzeption,^[91] während andere, bezeichnet elektrogen, sind in der Lage, Spannungen selbst zu erzeugen, um als räuberische oder defensive Waffe zu dienen; diese sind elektrischer Fisch in verschiedenen Bestellungen.^[3] Die Bestellung Gymnotiformes, von denen das bekannteste Beispiel das ist Zitteraalerkennen oder betäuben ihre Beute über Hochspannungen, die aus modifizierten Muskelzellen genannt werden Elektrocyten.^[3][4] Alle Tiere übertragen Informationen entlang ihrer Zellmembranen mit Spannungsimpulsen Aktionspotentiale, deren Funktionen die Kommunikation durch das Nervensystem zwischen beinhalten Neuronen und Muskeln.^[92] Ein elektrischer Schock stimuliert dieses System und führt dazu, dass sich die Muskeln zusammenziehen.^[93] Aktionspotentiale sind auch für die Koordinierung von Aktivitäten in bestimmten Pflanzen verantwortlich.^[92]

Kulturelle Wahrnehmung

Im Jahr 1850, William Gladstone fragte der Wissenschaftler Michael Faraday Warum Strom wertvoll war. Faraday antwortete: "Eines Tages, Sir, Sie können es besteuern."^[94]

Im 19. und frühen 20. Jahrhundert war Elektrizität nicht Teil des Alltags vieler Menschen, selbst in den Industrieländern westliche Welt. Das Popkultur Von der Zeit zeigte es dementsprechend oft als mysteriöse, quasimagische Kraft, die die Lebenden töten, die Toten wiederbeleben oder die Naturgesetze auf andere Weise verbiegen kann.^[95] Diese Haltung begann mit den Experimenten von 1771 von Luigi Galvani in denen gezeigt wurde, dass die Beine toter Frösche zucken bei der Anwendung von Tierstrom. "Revitalisierung" oder Wiederbelebung von scheinbar toten oder ertrunkenen Personen wurde kurz nach Galvanis Arbeit in der medizinischen Literatur gemeldet. Diese Ergebnisse waren bekannt Mary Shelley Als sie verfasste Frankenstein (1819), obwohl sie die Methode der Wiederbelebung des Monsters nicht nennt. Die Wiederbelebung von Monstern mit Elektrizität wurde später zu einem Lagerthema in Horrorfilmen.

Als öffentliche Vertrautheit mit Elektrizität als Lebenselixier der Zweite industrielle Revolution wuchs, seine Fahrer wurden häufiger in ein positives Licht gegossen,^[96] wie die Arbeiter, die "den Tod am Ende ihrer Handschuhe fassen, wie sie die lebenden Drähte piehen und abgeben" Rudyard Kipling1907 Gedicht Söhne von Martha.^[96] Elektrisch angetriebene Fahrzeuge aller Art waren groß in Abenteuergeschichten wie denen von Jules Verne und die Tom Swift Bücher.^[96] Die Meister der Strom, ob fiktiv oder real - einschließlich Wissenschaftlern wie z. Thomas Edison, Charles Steinmetz oder Nikola Tesla-im Volksmund als Zauberer-ähnliche Kräfte konzipiert.^[96]

Da der Strom aufgehört hat, eine Neuheit zu sein und in der späteren Hälfte des 20. Jahrhunderts eine Notwendigkeit des Alltags zu werden, erforderte es nur dann besondere Aufmerksamkeit durch die Populärkultur, wenn es sich Stopps fließend,^[96] Ein Ereignis, das normalerweise eine Katastrophe signalisiert.^[96] Die Leute die behalten es fließt, wie der namenlose Held von Jimmy Webb'S Lied "Wichita Lineman"(1968),^[96] werden immer noch oft als heldenhafte, wizebarige Figuren besetzt.^[96]

Siehe auch

• Ampères Schaltungsgesetzverbindet die Richtung eines elektrischen Stroms und seine zugehörigen Magnetströme.
• Elektrische Potentialenergiedie potenzielle Energie eines Ladesystems
• Strommarkt, den Verkauf von elektrischer Energie
• Etymologie von Elektrizität, der Ursprung des Wortes Elektrizität und seine aktuellen unterschiedlichen Verwendungen
• Hydraulische Analogieeine Analogie zwischen dem Wasserfluss und dem elektrischen Strom

Anmerkungen

Verweise

• Nahvi, Mahmood; Joseph, Edminister (1965), Stromkreise, McGraw-Hill, ISBN 9780071422413
• Hammond, Percy (1981), "Elektromagnetismus für Ingenieure", Natur, Pergamon, 168 (4262): 4–5, Bibcode:1951natur.168 .... 4g, doi:10.1038/168004b0, ISBN 0-08-022104-1, S2CID 27576009
• Mory, a.; Hughes, E. (1994), Prinzipien der Elektrizität (5. Aufl.), Longman, ISBN 0-582-22874-3
• Naidu, M.S.; Kamataru, V. (1982), Hochspannungstechnik, Tata McGraw-Hill, ISBN 0-07-451786-4
• Nilsson, James; Riedel, Susan (2007), Stromkreise, Prentice Hall, ISBN 978-0-13-198925-2
• Patterson, Walter C. (1999), Elektrizität transformieren: die kommende Erzeugung von Veränderungen, Earthscan, ISBN 1-85383-341-x
• Benjamin, P. (1898). Eine Geschichte des Stroms (der intellektuelle Anstieg der Elektrizität) von der Antike zu den Tagen von Benjamin Franklin. New York: J. Wiley & Sons.

Externe Links

• Grundkonzepte von Elektrizität Kapitel von Lektionen in elektrischen Schaltungen Vol 1 DC Buch und Serie.
• "Einhundert Jahre Strom", Mai 1931, populäre Mechaniker
• Illustrierte Ansicht, wie das elektrische System eines amerikanischen Hauses funktioniert
• Strom auf der ganzen Welt
• Stromversorgungen
• Elektrizität und Magnetismus
• Elektrizität und Elektronik in etwa 10 Minuten verstehen
• Weltbankbericht über Wasser-, Strom- und Versorgungssubventionen