??lectricit??
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Electricit?? (de New electricus latine, " ambr??e ") est un terme g??n??ral qui englobe une vari??t?? de ph??nom??nes r??sultant de la pr??sence et la circulation de charge ??lectrique . Il se agit notamment de nombreux ph??nom??nes ais??ment reconnaissables tels que la foudre et ??lectricit?? statique, mais en plus, les concepts moins familiers comme le champ ??lectromagn??tique et l'induction ??lectromagn??tique.
Dans l'usage g??n??ral, le mot ????lectricit???? est suffisant de se r??f??rer ?? un certain nombre d'effets physiques. Cependant, dans l'usage scientifique, le terme est vague, et ceux-ci li??e, mais distinctes, les concepts sont mieux identifi??s par des termes plus pr??cis:
- La charge ??lectrique - une propri??t?? de certains particules subatomiques, qui d??termine leurs interactions ??lectromagn??tiques . ??lectriquement mati??re charg??e est influenc?? par, et produit, les champs ??lectromagn??tiques.
- Le courant ??lectrique - un mouvement ou flux de particules charg??es ??lectriquement, g??n??ralement mesur??e en Amp??res.
- Champ ??lectrique - une influence produite par une charge ??lectrique pour d'autres accusations dans son voisinage.
- Potentiel ??lectrique - la capacit?? d'un champ ??lectrique pour faire le travail , g??n??ralement mesur??e en volts .
- Electromagn??tisme - un interaction fondamentale entre le champ ??lectrique et la pr??sence et le mouvement de la charge ??lectrique.
L'??lectricit?? a ??t?? ??tudi?? depuis l'antiquit??, bien que les progr??s scientifiques ne ??taient pas venir jusqu'?? ce que les XVIIe et XVIIIe si??cles. Il resterait cependant jusqu'?? la fin du XIXe si??cle que les ing??nieurs ont pu mettre de l'??lectricit?? ?? usage industriel et r??sidentiel, un temps qui a connu une expansion rapide dans le d??veloppement de la technologie ??lectrique. Extraordinaire polyvalence de l'??lectricit?? comme source d'??nergie signifie qu'il peut ??tre mis ?? un ensemble presque illimit?? d'applications qui comprennent transports, chauffage, l'??clairage, les communications , et calcul. L'??pine dorsale de la soci??t?? industrielle moderne est, et pour l'avenir pr??visible, on peut se attendre ?? rester, l'utilisation de l'??nergie ??lectrique.
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Histoire
Que certains objets tels que des tiges de l'ambre pourraient ??tre frott??es avec de la fourrure de chat et attirer des objets l??gers comme des plumes ont ??t?? connus pour les cultures anciennes autour de la. M??diterran??e Thal??s de Milet ont men?? une s??rie d'exp??riences en l'??lectricit?? statique autour de 600 avant JC, ?? partir de laquelle il croyait que le frottement rendu ambre magn??tique , contrairement aux min??raux tels que magn??tite, qui ne avait pas besoin frottement. Thales a eu tort de croire que l'activit?? a ??t?? due ?? un effet magn??tique, mais la science tard prouverait un lien entre le magn??tisme et l'??lectricit??.
Une revendication controvers??e est faite que le Parthes et M??sopotamiens avaient une certaine connaissance de galvanoplastie, sur la base de la d??couverte de la 1936 Batterie Bagdad, qui ressemble ?? un cellule galvanique, si ce manque de preuves ?? l'appui revendications la nature exacte de l'artefact, et si elle ??tait de nature ??lectrique.
Plusieurs auteurs anciens, tels que Pline l'Ancien et Scribonius Largus, attest?? ?? l'effet anesth??siant de chocs ??lectriques d??livr??s par poisson-chat et torpiller rayons, et savaient que ces chocs pourraient se d??placer le long des objets conducteurs. Les patients souffrant de maux tels que la goutte ou les maux de t??te ont ??t?? adress??es ?? toucher poissons ??lectriques dans l'espoir que la secousse puissante pourrait les gu??rir.
Electricit?? resterait peu plus d'une curiosit?? intellectuelle depuis plus de deux mill??naires jusqu'en 1600, lorsque le m??decin anglais William Gilbert a fait une ??tude attentive de l'??lectricit?? et le magn??tisme, distinguer le lodestone effet de l'??lectricit?? statique produite par frottant l'ambre jaune. Il a invent?? le Nouveau mot electricus latine ("de l'ambre?? ou ??comme l'ambre", ?? partir ηλεκτρον [elektron], le mot grec pour ??orange??) pour faire r??f??rence ?? la propri??t?? d'attirer de petits objets apr??s avoir ??t?? frott??. Cette association a donn?? lieu ?? mots anglais ????lectrique?? et ????lectricit????, qui fait sa premi??re apparition en version imprim??e dans Sir Thomas Browne Pseudodoxia Epidemica de 1646.
La poursuite des travaux a ??t?? r??alis??e par Otto von Guericke, Robert Boyle , Stephen Gray et CF du Fay. Au 18??me si??cle, Benjamin Franklin a men?? des recherches approfondies dans l'??lectricit??, la vente de ses biens pour financer son travail. En Juin 1752, il est r??put?? avoir attach?? une cl?? m??tallique au fond d'un cerf-volant imbib?? et pilot?? le cerf-volant dans un ciel de temp??te menac??. Il a observ?? une succession d'??tincelles saut de la cl?? ?? l'arri??re de sa main, montrant que la foudre ??tait en effet de nature ??lectrique.
En 1791, Luigi Galvani a publi?? sa d??couverte de bio??lectricit??, d??montrant que l'??lectricit?? ??tait le moyen par lequel les cellules nerveuses des signaux transmis vers les muscles. La batterie de Alessandro Volta, ou pile de Volta, de 1800, fabriqu?? ?? partir de couches de zinc et de cuivre en alternance, a fourni aux scientifiques une source plus fiable d'??nergie ??lectrique que le machines ??lectrostatiques pr??c??demment utilis??s. Andr??-Marie Amp??re a d??couvert la relation entre l'??lectricit?? et le magn??tisme en 1820; Michael Faraday a invent?? le moteur ??lectrique en 1821, et Georg Ohm analys?? math??matiquement le circuit ??lectrique en 1827.
Se il avait ??t?? le d??but du XIXe si??cle qui avait vu des progr??s rapides dans la science ??lectrique, la fin du XIXe si??cle verrait le plus grand progr??s dans l'ing??nierie ??lectrique . Gr??ce ?? des gens comme Nikola Tesla, Thomas Edison , George Westinghouse, Werner von Siemens, Alexander Graham Bell et Lord Kelvin , l'??lectricit?? a ??t?? transform?? d'une curiosit?? scientifique dans un outil essentiel pour la vie moderne, devenir une force motrice pour le Deuxi??me R??volution Industrielle.
Concepts
Charge ??lectrique
La charge ??lectrique est une propri??t?? de certains particules subatomiques, ce qui donne lieu ?? et interagit avec, la force ??lectromagn??tique , une des quatre forces fondamentales de la nature. Charge son origine dans le atome , dans lequel ses transporteurs les plus connus sont les ??lectrons et protons . C'est un quantit?? conserv??e, qui est, la charge nette au sein d'une syst??me isol?? restera toujours constant peu importe les changements qui ont lieu au sein de ce syst??me. Dans le syst??me, la charge peut ??tre transf??r??e entre les corps, soit par contact direct, soit en faisant passer le long d'un mat??riau conducteur, tel qu'un fil. Le terme informel l'??lectricit?? statique se r??f??re ?? la pr??sence net (ou ??d??s??quilibre??) de la charge sur un corps, g??n??ralement lorsque mat??riaux diff??rents sont frott??s ensemble, transf??rer la charge de l'un ?? l'autre.
La pr??sence de la charge donne lieu ?? la force ??lectromagn??tique: charges exercent une vigueur sur l'autre, un effet qui a ??t?? connu, mais pas entendu, dans l'antiquit??. Une balle l??g??re suspendue ?? une cha??ne peut ??tre charg?? par le toucher avec une tige de verre qui a lui-m??me ??t?? inculp?? en frottant avec un chiffon. Si une balle similaire est charg?? par la m??me tige en verre, il se trouve ?? repousser la premi??re: la charge agit pour forcer les deux billes de l'autre. Deux balles qui sont factur??s avec une tige de l'ambre frott?? repoussent aussi les uns des autres. Cependant, si une balle est charg?? par la tige de verre, et l'autre par une tige d'ambre, les deux billes se trouvent ?? attirer l'un l'autre. Ces ph??nom??nes ont ??t?? ??tudi??es par Charles-Augustin de Coulomb ?? la fin du XVIIIe si??cle, qui a d??duit que la charge se manifeste sous deux formes oppos??es, conduisant ?? l'axiome bien connu: objets comme charg??e repoussent et les objets oppos??s charg??e attirent.
Les force agit sur les particules charg??es elles-m??mes, d'o?? la charge a tendance ?? se r??pandre aussi r??guli??rement que possible sur une surface conductrice. L'ampleur de la force ??lectromagn??tique, si attractives ou r??pulsives, est donn??e par la loi de Coulomb , qui concerne la force au produit des charges et a une relation inverse du carr?? de la distance entre eux. La force ??lectromagn??tique est tr??s forte, en second lieu seulement ?? la force interaction forte, mais contrairement ?? ce que la force, il fonctionne sur toutes les distances. En comparaison avec la beaucoup plus faible force de gravitation, la force ??lectromagn??tique poussant deux ??lectrons part est de 10 42 fois celle de la gravitation attraction les r??unir.
La charge sur les ??lectrons et les protons est de signe oppos??, d'o?? une quantit?? de charge peut ??tre exprim??e comme ??tant soit positif ou n??gatif. Par convention, la charge port??e par les ??lectrons est r??put??e n??gative, et que par des protons positifs, une mesure qui a pris naissance avec le travail de Benjamin Franklin . La quantit?? de charge est habituellement donn?? le symbole Q et exprim??e en coulombs; chaque ??lectron porte la m??me charge d'environ -1,6022 ?? 10 -19 coulomb. Le proton a une charge qui est ??gale et oppos??e, et donc + 1,6022 x 10 -19 coulomb. Charge est poss??d?? non seulement par la mati??re , mais aussi par antimati??re, chaque antiparticule portant une charge ??gale et oppos??e ?? sa particule correspondante.
Charge peut ??tre mesur??e par un certain nombre de moyens, un instrument t??t ??tant le ??lectroscope ?? feuilles d'or, qui, bien que toujours en usage pour les d??monstrations en classe, a ??t?? remplac?? par l'??lectronique ??lectrom??tre.
Courant ??lectrique
Le mouvement de la charge ??lectrique est connu comme un courant ??lectrique, dont l'intensit?? est g??n??ralement mesur??e en Amp??res. Actuel peut consister en tout particules charg??es se d??placent; le plus souvent ce sont des ??lectrons, mais aucune charge en mouvement constitue un courant.
Par convention historique, un courant positif est d??fini comme ayant le m??me sens d'??coulement que toute charge positive qu'elle contient, ou de se ??couler de la partie la plus positive d'un circuit ?? la partie la plus n??gative. Current d??finie de cette mani??re est appel??e courant conventionnel. Le mouvement des ??lectrons charg??s n??gativement autour d'un circuit ??lectrique, une des formes les plus famili??res de courant, est donc consid??r?? comme positif dans la direction oppos??e ?? celle des ??lectrons. Toutefois, selon les conditions, un courant ??lectrique peut consister en un flux de particules charg??es dans les deux sens, ou m??me dans les deux directions ?? la fois. La convention positif ?? n??gatif est largement utilis?? pour simplifier cette situation. Si une autre d??finition est utilis??e, par exemple, "courant d'??lectrons" -il doit ??tre explicitement d??clar??.
Le processus par lequel le courant ??lectrique passe ?? travers un mat??riau est appel??e la conduction ??lectrique, et de leur nature varient en fonction de celle des particules charg??es et le mat??riau ?? travers lequel elles se d??placent. Des exemples de courants ??lectriques comprennent conduction m??tallique, o?? les ??lectrons circulent dans un conducteur tel qu'un m??tal, et de l'??lectrolyse , o?? les ions (charg??es atomes ) se ??coulent ?? travers les liquides. Alors que les particules elles-m??mes peuvent se d??placer tr??s lentement, parfois avec une moyenne vitesse de d??rive uniquement des fractions d'un millim??tre par seconde, le champ ??lectrique qui les entra??ne lui-m??me se propage ?? proximit?? de la vitesse de la lumi??re , ce qui permet de transmettre des signaux ??lectriques le long des fils rapidement.
Courant provoque plusieurs effets observables, qui ??taient historiquement les moyens de reconna??tre sa pr??sence. Cette eau pourrait ??tre d??compos?? par le courant d'une pile photovolta??que a ??t?? d??couvert par Nicholson et Carlisle en 1800, un processus maintenant connu comme l'??lectrolyse . Leur travail a ??t?? consid??rablement ??largi sur par Michael Faraday en 1833. courant ?? travers une r??sistance provoque un chauffage localis??, un effet James Joule ??tudi?? math??matiquement en 1840. L'une des d??couvertes les plus importantes relatives aux cours a ??t?? faite par inadvertance Hans Christian ??rsted en 1820, quand, lors de la pr??paration d'une conf??rence, il a ??t?? t??moin du courant dans un fil perturber l'aiguille d'une boussole magn??tique. Il avait d??couvert l'??lectromagn??tisme , une interaction fondamentale entre l'??lectricit?? et le magn??tisme.
Dans les applications d'ing??nierie ou le m??nage, le courant est souvent d??crit comme ??tant soit courant continu (DC) ou de courant alternatif (AC). Ces termes se rapportent ?? la mani??re dont le courant varie dans le temps. Courant continu, tel que produit par exemple ?? partir d'un batterie et requise par la plupart des ??lectroniques p??riph??riques, est un ??coulement unidirectionnel ?? partir de la partie positive d'un circuit ?? la borne n??gative. Si, comme ce est le plus courant, ce courant est effectu??e par des ??lectrons, ils se rendront dans la direction oppos??e. Le courant alternatif est tout courant qui change de direction ?? plusieurs reprises; presque toujours, cela prend la forme d'un onde sinuso??dale. Courant alternatif ainsi impulsions avant et en arri??re dans un conducteur sans la charge se d??pla??ant ne importe quelle distance nette au fil du temps. La valeur moyenne dans le temps d'un courant alternatif est ??gale ?? z??ro, mais il fournit de l'??nergie dans une premi??re direction, puis l'inverse. Le courant alternatif est affect??e par les propri??t??s ??lectriques qui ne sont pas respect??s dans les l'??tat d'??quilibre de courant continu, tels que l'inductance et capacitance . Toutefois, ces propri??t??s peuvent devenir importante lorsque les circuits est soumis ?? transitoires, comme lors de la premi??re tension.
Champ ??lectrique
Le concept de l'??lectricit?? champ a ??t?? introduit par Michael Faraday . Un champ ??lectrique est cr???? par un corps charg?? dans l'espace qui l'entoure, et se traduit par une force exerc??e sur toute autre charge plac??s dans le terrain. Le champ ??lectrique agit entre deux charges d'une mani??re similaire ?? la fa??on dont les actes sur le terrain gravitationnelles entre deux masses , et, comme lui, se ??tend vers l'infini et montre une relation inverse carr?? de la distance. Cependant, il existe une diff??rence importante. La gravit?? agit toujours dans l'attraction, en tirant deux masses ensemble, tandis que le champ ??lectrique peut se traduire soit par attraction ou de r??pulsion. Depuis grands organismes tels que plan??tes portent g??n??ralement pas de charge nette, le champ ??lectrique ?? distance est habituellement z??ro. Ainsi gravit?? est la force dominante ?? une distance dans l'univers, en d??pit d'??tre beaucoup plus faible.
Un champ ??lectrique varie g??n??ralement dans l'espace, et sa force en un point quelconque est d??finie comme la force (par unit?? de charge) qui serait ressentie par, une charge n??gligeable fixe se il est plac?? ?? ce point. La charge conceptuelle, appel?? une charge de test, doit ??tre extr??mement faible pour emp??cher son propre champ ??lectrique d??ranger le domaine principal et doit ??galement ??tre ?? l'arr??t pour ??viter l'effet de des champs magn??tiques. Comme le champ ??lectrique est d??finie en fonction de la force , et la force est une vecteur, de sorte qu'il en r??sulte qu'un champ ??lectrique est ??galement un vecteur, ayant ?? la fois ampleur et direction. Plus pr??cis??ment, il se agit d'un champ de vecteurs.
L'??tude des champs ??lectriques cr????s par des charges fixes est appel?? ??lectrostatique. Le champ peut ??tre visualis??e par un ensemble de lignes imaginaires dont la direction est en tout point la m??me que celle du champ. Ce concept a ??t?? 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 ?? faire comme il a ??t?? forc?? de se d??placer dans le champ; ils sont toutefois un concept imaginaire avec pas d'existence physique, et le champ impr??gne tout l'espace interm??diaire entre les lignes. Les lignes de champ ??manant de charges fixes ont plusieurs propri??t??s cl??s: premi??rement, qu'elles proviennent ?? charges positives et se terminent ?? des charges n??gatives; deuxi??mement, ils doivent entrer dans un bon conducteur ?? angle droit, et troisi??mement, ils peuvent ne jamais se croiser ni se refermer sur eux-m??mes.
Les principes de l'??lectrostatique sont importants lors de la conception des ??l??ments de ??quipements haute tension. Il existe une limite finie ?? la force du champ ??lectrique qui peut support??e par ne importe quel moyen. Au-del?? de ce point, claquage ??lectrique se produit et un arc ??lectrique provoque l'embrasement g??n??ral entre les parties charg??es. Air, par exemple, tend ?? l'arc ?? des champs ??lectriques qui d??passent 30 kV par centim??tre dans de petits espaces. Au cours des ??carts plus importants, sa r??sistance ?? la rupture est plus faible, peut-??tre 1 kV par centim??tre. Le ph??nom??ne naturel le plus visible de ce est la foudre, caus??e lorsque la charge se s??pare dans les nuages par la hausse des colonnes d'air, et augmente le champ ??lectrique dans l'air ?? plus de qu'il peut supporter. La tension d'un grand nuage de foudre peut ??tre aussi ??lev??e que 100 MV et ont ??nergies aussi grandes que 250 kWh de d??charge.
L'intensit?? du champ est grandement affect??e par des objets ?? proximit?? conducteurs, et il est particuli??rement intense quand il est forc?? ?? la courbe autour fortement objets pointus. Ce principe est exploit??e dans le paratonnerre , le pic de forte qui agit pour encourager le coup de foudre pour y d??velopper, plut??t que de l'immeuble, il sert ?? prot??ger.
Potentiel ??lectrique
La notion de potentiel ??lectrique est ??troitement li??e ?? celle du champ ??lectrique. Une petite charge plac??e dans un champ ??lectrique subit une force, et d'avoir apport?? cette charge ?? ce point contre la force n??cessite travaux . Le potentiel ??lectrique en un point quelconque est d??finie comme l'??nergie n??cessaire pour porter une accusation de test unitaire d'une distance infinie lentement ?? ce point. Elle est g??n??ralement mesur??e en volts , et un volt est le potentiel pour lequel une joule de travail doit ??tre d??pens?? pour apporter une charge d'une coulomb de l'infini. Cette d??finition du potentiel, alors que formelle, a peu d'application pratique, et un concept plus utile est celui de ??lectrique diff??rence de potentiel, et est l'??nergie requise pour d??placer une unit?? de charge entre deux points sp??cifi??s. Un champ ??lectrique a la propri??t?? sp??ciale 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 sp??cifi??s d??pensent la m??me ??nergie, et donc une valeur unique pour diff??rence de potentiel peut ??tre d??clar??. Le volt est si fortement identifi?? comme l'unit?? de choix pour la mesure et la description de diff??rence de potentiel ??lectrique que le terme tension voit une plus grande utilisation quotidienne.
Pour des raisons pratiques, il est utile de d??finir un point de r??f??rence commun ?? des potentiels qui peuvent ??tre exprim??es et compar??es. Bien que cela pourrait ??tre ?? l'infini, une r??f??rence beaucoup plus utile est la Terre elle-m??me, qui est suppos??e ??tre au m??me potentiel partout. Ce point de r??f??rence prend naturellement le nom la terre ou sol. La Terre est suppos??e ??tre une source infinie de quantit??s ??gales de charge positive et n??gative et est donc non charg?? ??lectriquement - et la recharger.
Le potentiel ??lectrique est un quantit?? scalaire, ce est ?? dire qu'il n'a plus qu'?? grandeur et direction non. Il peut ??tre consid??r?? comme analogue ?? la temp??rature : comme il existe une certaine temp??rature ?? chaque point dans l'espace, et la gradient de temp??rature indique la direction et la magnitude de la force motrice le flux de chaleur, de mani??re similaire, il existe un potentiel ??lectrique 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 derri??re le mouvement de charge. De m??me, le potentiel ??lectrique peut ??tre consid??r?? comme analogue ?? hauteur: tout comme un objet publi?? tombera par une diff??rence de hauteur caus??es par un champ gravitationnel, donc une charge ??chute?? ?? travers la tension provoqu??e par un champ ??lectrique.
Le champ ??lectrique a ??t?? officiellement d??finie comme la force exerc??e par unit?? de charge, mais le concept de potentiel permet une d??finition plus utile et ??quivalente: le champ ??lectrique est le gradient local du potentiel ??lectrique. Habituellement, exprim??e en volts par m??tre, la direction du vecteur du champ est la ligne de plus grande pente de potentiel.
Electromagn??tisme
La d??couverte de ??rsted en 1821 qu'un champ magn??tique existait tout autour d'un fil parcouru par un courant ??lectrique indiqu?? qu'il y avait une relation directe entre l'??lectricit?? et le magn??tisme. En outre, l'interaction semblait diff??rent de forces gravitationnelles et ??lectrostatiques, les deux forces de la nature alors connus. La force sur l'aiguille de la boussole n'a pas le diriger vers ou ?? partir du fil de transport de courant, mais a agi ?? angle droit. Mots peu obscurs de ??rsted ??taient que ??le conflit ??lectrique agit de mani??re renouvelable." La force d??pendait aussi de la direction du courant, car si le flux a ??t?? renvers??e, alors la force fait aussi.
??rsted ne comprenait pas bien sa d??couverte, mais il a observ?? l'effet ??tait r??ciproque: un courant exerce une force sur un aimant, et un champ magn??tique exerce une force sur un courant. Le ph??nom??ne a encore ??t?? examin?? par Amp??re, qui a d??couvert que deux fils porteurs de courant parall??les exerc?? une force sur l'autre: deux fils conducteurs courants dans le m??me sens sont attir??s les uns aux autres, tandis que les fils contenant courant circulant dans des directions oppos??es sont ??cart??es. L'interaction est induite par le champ magn??tique produit chaque courant et constitue la base de l'international d??finition de l'amp??re.
Cette relation entre les champs magn??tiques et des courants est extr??mement important, car il conduit ?? l'invention de Michael Faraday de la moteur ??lectrique en 1821. Faraday moteur homopolaire est compos??e d'un aimant permanent assis dans un bassin de mercure . On a laiss?? se ??couler un courant ?? travers un fil suspendu ?? un pivot au-dessus de l'aimant et plong?? 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 ??t?? maintenu.
L'exp??rimentation par Faraday en 1831 a r??v??l?? qu'un fil se d??pla??ant perpendiculairement ?? un champ magn??tique d??velopp?? une diff??rence de potentiel entre ses extr??mit??s. Une analyse plus pouss??e de ce proc??d??, connu sous le nom induction ??lectromagn??tique, lui a permis de pr??ciser le principal, maintenant connu comme La loi d'induction de Faraday, que la diff??rence de potentiel induite dans un circuit ferm?? est proportionnelle ?? la vitesse de variation de flux magn??tique ?? travers la boucle. L'exploitation de cette d??couverte lui a permis d'inventer le premier G??n??rateur ??lectrique en 1831, dans lequel il se convertit l'??nergie m??canique d'un disque de cuivre tournant ?? l'??nergie ??lectrique. Le disque de Faraday ??tait inefficace et inutile comme un g??n??rateur pratique, mais il a montr?? la possibilit?? de produire de l'??nergie ??lectrique en utilisant le magn??tisme, une possibilit?? qui serait prise par ceux qui ont suivi sur de son travail.
Faraday et le travail d'Amp??re a montr?? qu'un champ magn??tique variable dans le temps a agi comme une source d'un champ ??lectrique et un champ ??lectrique variable dans le temps a ??t?? une source d'un champ magn??tique. Ainsi, lorsque l'un des champs est en train de changer dans le temps, alors un champ de l'autre est n??cessairement induit. Un tel ph??nom??ne a les propri??t??s d'une onde , et est naturellement consid??r?? comme une onde ??lectromagn??tique . Les ondes ??lectromagn??tiques ont ??t?? analys??s th??oriquement par James Clerk Maxwell en 1864. Maxwell a d??couvert un ensemble d'??quations qui pourraient d??crire clairement la relation entre champ ??lectrique, champ magn??tique, charge ??lectrique, et le courant ??lectrique. Il pourrait d'ailleurs prouver qu'une telle vague serait n??cessairement se d??placer ?? la vitesse de la lumi??re , et donc la lumi??re elle-m??me ??tait une forme de rayonnement ??lectromagn??tique. Les lois de Maxwell , qui unifient la lumi??re, les champs, et la charge sont l'une des grandes ??tapes de la physique th??orique.
Circuits ??lectriques
Un circuit ??lectrique est une interconnexion de composants ??lectriques, g??n??ralement pour accomplir une t??che utile, avec un trajet de retour pour permettre ?? la charge de revenir ?? sa source.
Les composants d'un circuit ??lectrique peuvent prendre de nombreuses formes, qui peuvent inclure des ??l??ments tels que des r??sistances, condensateurs, des commutateurs, transformateurs et l'??lectronique . Circuits ??lectroniques contiennent composants actifs, g??n??ralement semi-conducteurs , et g??n??ralement exposition comportement non-lin??aire, n??cessitant une analyse complexe. Les composants ??lectriques les plus simples sont ceux que l'on appelle passive et lin??aire: si elles peuvent temporairement stocker de l'??nergie, ils ne contiennent pas de sources, et pr??sentent des r??ponses ?? des stimuli lin??aires.
Le r??sistance est peut-??tre le plus simple des ??l??ments de circuit passif: comme son nom l'indique, il r??siste ?? l'??coulement du courant ?? travers elle, dissiper son ??nergie sous forme de chaleur. La loi d'Ohm est une loi fondamentale de th??orie des circuits, indiquant que le courant traversant une r??sistance est directement proportionnelle ?? la diff??rence de potentiel ?? travers elle. Le ohms , l'unit?? de la r??sistance, a ??t?? nomm?? en l'honneur de Georg Ohm, et est symbolis??e par la lettre grecque Ω. 1 Ω est la r??sistance qui va produire une diff??rence de potentiel d'un volt en r??ponse ?? un courant d'un amp??re.
Le condensateur est un dispositif capable de stocker une charge, et ainsi accumuler de l'??nergie ??lectrique dans le champ r??sultant. Conceptuellement, il se compose de deux plaques conductrices s??par??es par une couche isolante mince; dans la pratique, de minces feuilles m??talliques sont enroul??es en m??me temps, en augmentant l'aire de surface par unit?? de volume et par cons??quent la capacit?? . L'unit?? de capacit?? est le farad, nomm?? d'apr??s Faraday, et ??tant donn?? le symbole F: une farad est la capacit?? qui d??veloppe une diff??rence de potentiel d'un volt lorsqu'il stocke une charge de un coulomb. Un condensateur connect?? ?? une alimentation en tension provoque d'abord un courant de circuler comme il accumule la charge; ce courant sera toutefois d??croissance dans le temps que le condensateur remplit, finalement tomber ?? z??ro. Un condensateur sera donc pas permettre une courant constant de se ??couler, mais au lieu bloque.
Le est un conducteur inducteur, g??n??ralement une bobine de fil, qui stocke l'??nergie dans un champ magn??tique en r??ponse au courant circulant ?? travers elle. Lorsque les changements actuels, le champ magn??tique ne trop, l'induction d'une tension entre les extr??mit??s du conducteur. La tension induite est proportionnelle ?? la taux de variation temporelle du courant. La constante de proportionnalit?? est appel??e inductance . L'unit?? d'inductance est le henry, nomm?? d'apr??s Joseph Henry, un contemporain de Faraday. Un henry est l'inductance qui va induire une diff??rence de potentiel d'un volt si le courant ?? travers elle change ?? un taux de un amp??re par seconde. Le comportement de l'inducteur est ?? certains ??gards inverse de celle du condensateur: il librement permettre ?? un courant de se ??couler immuable, mais se oppose ?? l'??coulement de changer rapidement une une.
Production et utilisations
G??n??ration
Les exp??riences de Thales avec des tiges d'ambre ont ??t?? les premi??res ??tudes sur la production d'??nergie ??lectrique. Bien que cette m??thode, maintenant connue sous le nom effet tribo??lectrique, est capable de soulever des objets l??gers et m??me g??n??rer des ??tincelles, il est extr??mement inefficace. Ce ne ??tait pas jusqu'?? l'invention de la pile volta??que dans le XVIIIe si??cle que une source viable de l'??lectricit?? est devenu disponible. La pile de Volta, et son descendant moderne, le batterie ??lectrique, stocker de l'??nergie chimique et le rendre disponible sur demande sous la forme d'??nergie ??lectrique. La batterie est une source d'??nergie polyvalente et tr??s commun qui est id??al pour de nombreuses applications, mais son stockage d'??nergie est finie, et une fois ??puis??e, elle doit ??tre ??limin?? ou recharg??e. Pour les grandes exigences ??lectriques de l'??nergie ??lectrique doit ??tre g??n??r?? et transmis en vrac.
L'??nergie ??lectrique est habituellement g??n??r?? par ??lectro-m??canique des g??n??rateurs entra??n??s par la vapeur produite ?? partir de combustibles fossiles combustion ou la chaleur lib??r??e par r??actions nucl??aires; ou d'autres sources telles que l'??nergie cin??tique extraite du vent ou de l'eau qui coule. Ces g??n??rateurs ne ressemblent pas ?? g??n??rateur de disque homopolaire de Faraday de 1831, mais ils comptent toujours sur son principe ??lectromagn??tique qui un conducteur reliant un champ magn??tique changeant induit une diff??rence de potentiel entre ses extr??mit??s. L'invention de la fin du XIXe si??cle de la transformateur signifiait que l'??lectricit?? pourrait ??tre g??n??r?? au centralis??e centrales ??lectriques, b??n??ficiant de ??conomies d'??chelle, et ??tre transmis ?? travers les pays avec une efficacit?? croissante. Depuis l'??nergie ??lectrique ne peut pas ??tre facilement stock?? en quantit?? suffisante pour r??pondre aux exigences ?? l'??chelle nationale, en tout temps exactement autant doit ??tre produit comme cela est requis. Cela exige les services publics d'??lectricit?? de faire des pr??dictions pr??cises de leurs charges ??lectriques, et de maintenir constante coordination avec leurs centrales. Une certaine quantit?? de g??n??ration doit toujours ??tre tenu ?? r??serve pour amortir un r??seau ??lectrique contre les perturbations et les pertes in??vitables.
La demande d'??lectricit?? cro??t tr??s rapidement en tant que nation modernise et d??veloppe son ??conomie. Les Etats-Unis a montr?? une augmentation de 12% de la demande au cours de chaque ann??e des trois premi??res d??cennies du XXe si??cle, un taux de croissance qui est maintenant connu par les ??conomies ??mergentes telles que celles de l'Inde ou de la Chine. Historiquement, le taux de la demande d'??lectricit?? de croissance a d??pass?? celui des autres formes d'??nergie, comme le charbon .
Les pr??occupations environnementales avec la production d'??lectricit?? ont conduit ?? mettre davantage l'accent sur la g??n??ration de sources d'??nergie renouvelables , en particulier de vent et hydro??lectricit??. Alors que le d??bat peut se attendre ?? poursuivre sur l'impact environnemental des diff??rents moyens de production d'??lectricit??, sa forme d??finitive est relativement propre.
Utilisations
L'??lectricit?? est une forme extr??mement flexible de l'??nergie, et il peut ??tre adapt?? ?? un ??norme, et de plus en plus, nombre d'utilisations. L'invention d'une pratique ampoule ?? incandescence dans les ann??es 1870 a conduit ?? ??clairage de devenir l'une des premi??res applications accessibles au public de l'??nergie ??lectrique. Bien que l'??lectrification a apport?? avec lui ses propres dangers, rempla??ant les flammes nues de l'??clairage au gaz fortement r??duits les risques d'incendie dans les foyers et les usines. Les services publics ont ??t?? mis en place dans de nombreuses villes ciblant le march?? en plein essor pour l'??clairage ??lectrique.
Le Joule effet de chauffage utilis?? dans l'ampoule voit aussi une utilisation plus directe dans chauffage ??lectrique. Bien que cela soit contr??lable et polyvalent, il peut ??tre consid??r?? comme inutile, puisque la plupart g??n??ration ??lectrique a d??j?? n??cessit?? la production de chaleur ?? une centrale ??lectrique. Un certain nombre de pays, comme le Danemark, ont adopt?? une l??gislation limitant ou interdisant l'utilisation du chauffage ??lectrique dans les nouveaux b??timents. L'??lectricit?? est cependant une source d'??nergie tr??s pratique pour r??frig??ration, avec la climatisation repr??sente un secteur en croissance de la demande d'??lectricit??, dont les effets les compagnies d'??lectricit?? sont de plus en plus oblig??s de se adapter.
L'??lectricit?? est utilis??e dans les t??l??communications , et en effet le t??l??graphe ??lectrique, d??montr?? dans le commerce en 1837 par Cooke et Wheatstone, ??tait l'une de ses premi??res applications. Avec la construction du premier intercontinentale, puis transatlantiques, syst??mes t??l??graphiques dans les ann??es 1860, l'??lectricit?? ont permis communications en quelques minutes ?? travers le monde. La fibre optique et la technologie de communication par satellite ont pris une part du march?? des syst??mes de communication, mais l'??lectricit?? peut se attendre ?? demeurer une partie essentielle du processus.
Les effets de l'??lectromagn??tisme sont plus visiblement employ??s dans le moteur ??lectrique, 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 d??place avec son application, par exemple un v??hicule ??lectrique, est oblig?? de transporter une ou l'autre le long d'une source d'alimentation telle qu'une batterie, ou par la collecte de courant ?? 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.
