Elektryczność
Elektryczność, ogół zjawisk wynikających z oddziaływań elektromagnetycznych pomiędzy cząstkami mikroświata.
Istnienie zjawisk elektrycznych znane już było w starożytności, odnosiło się jednak wyłącznie do zdolności przyciągania drobnych przedmiotów drewnianych przez potarty bursztyn. W XVI w. W. Gilbert wprowadził pojęcie sił elektrycznych (greckie elektron - bursztyn). W 1729 angielski badacz S. Gray (1670-1736) podzielił ciała na izolatory i przewodniki, a w 1734 Francuz Ch.F. du Fay (1698-1739) stwierdził istnienie dwóch rodzajów ładunków elektrycznych: dodatnich (powstają w pocieranym szkle) i ujemnych (powstają w pocieranym ebonicie).
W 1785 Ch.A. Coulomb sformułował prawo opisujące oddziaływanie spoczywających ładunków elektrycznych (Coulomba prawo). Duże znaczenie praktyczne miały wynalazki A. Volty: kondensator (1782) i ogniwo elektryczne (1800).
Gwałtowny rozwój badań zjawisk elektrycznych nastąpił w 1. poł. XIX w.: w 1820 H.Ch. Oersted odkrył wzajemny wpływ zjawisk elektrycznych i magnetycznych, w 1821 A.M Ampere odkrył wzajemne oddziaływanie magnetyczne obwodów elektrycznych, przez które płynie prąd (Ampere'a prawo), w 1826 G.S. Ohm określił związek pomiędzy natężeniem prądu a napięciem w obwodzie elektr. (Ohma prawo, oporność elektryczna).
W 1831 M. Faraday odkrył indukcję elektromagnetyczną (Faradaya prawo indukcji elektromagnetycznej) i samoindukcję, następnie skonstruował pierwszą prądnicę i silnik elektryczny.
G.R. Kirchhoff sformułował podstawowe prawa dotyczące prądów elektrycznych w obwodach (Kirchhoffa prawa).
Ścisłe sformułowanie fundamentalnych praw elektrodynamiki klasycznej podał w 1864 J.C. Maxwell (Maxwella równania), a w 1888 H. Hertz odkrył przewidziane przez Maxwella fale elektromagnetyczne. W 1897 J.J. Thomson odkrył elektron, w 1909 R.A. Millikan wyznaczył wielkość ładunku elementarnego.
W 1905 A. Einstein wyjaśnił zjawiska magnetyczne jako efekty relatywistyczne wywołane ruchem ładunków elektrycznych (względności teoria).
Współczesną kwantową teorię elektromagnetyzmu stworzyli w 1948 R.P. Feynman, S. Tomonaga i J. Schwinger. W 1975 S. Weinberg, A. Salam, S. Glashow wykazali, że zjawiska elektromagnetyczne stanowią przejaw bardziej fundamentalnych oddziaływań elektrosłabych (unifikacja mała).
Ze zrozumienia zjawisk elektrycznych wynikały ich zastosowania w głównych XIX-wiecznych wynalazkach elektrotechnicznych, takich jak silnik elektryczny, prądnica, transformator, żarówka.
Ważną innowacją techn. było wprowadzenie w 1880 przez N. Teslę zmiennego prądu trójfazowego. W XX w. nastąpił gwałtowny rozwój elektroniki opartej pierwotnie na lampach elektronowych, a następnie na półprzewodnikach.
Elektryczność ma znacznie większy wpływ na całą materię, niż to się przyjmuje w potocznym rozumieniu tego słowa. Wszystkie procesy chemiczne, a więc i biochemiczne również, są w swej istocie procesami określonymi przez oddziaływania elektromagnetyczne pomiędzy cząsteczkami i atomami; co więcej, oddziaływania elektromagnetyczne określają w decydujący sposób także budowę samych atomów.
Napięcie elektryczne
Napięcie elektryczne, różnica potencjału elektrostatycznego pomiędzy dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Napięcie elektryczne równe jest liczbowo pracy potrzebnej do przemieszczenia jednostkowego ładunku elektrycznego pomiędzy tymi punktami.
Dla źródła prądu stałego napięcie elektryczne U równe jest sile elektromotorycznej (SEM) pomniejszonej o wewnętrzny spadek napięcia równy I·R (gdzie: I - natężenie prądu płynącego w źródle, R - oporność wewnętrzna źródła). Dla odbiornika energii (np. silnika elektrycznego) U=SEM+I·R.
Jednostką napięcia elektrycznego jest wolt, a do jego pomiaru stosuje się woltomierze.
Obwód elektryczny
Obwód elektryczny, zespół połączonych ciał materialnych, przez który możliwy jest przepływ prądu elektrycznego. Rozróżnia się obwód prądu stałego lub przemiennego.
Parametrami charakteryzującymi obwód elektryczny są: siła elektromotoryczna źródła prądu, natężenie prądu elektrycznego, oporność elektryczna (lub impedancja). Parametry te powiązane są ze sobą prawami Kirchhoffa i Ohma.
Pole elektryczne
Pole elektryczne, jedna z postaci pola elektromagnetycznego; oddziaływanie między naładowanymi elektrycznie cząstkami lub ciałami, poruszającymi się w dowolny sposób względem inercjalnego układu odniesienia. Wywiera ono na ładunek elektryczny (naładowaną cząstkę lub ciało) siłę, która nie zależy od prędkości ruchu ładunku.
Pole elektryczne opisuje wektor natężenia pola elektrycznego E. Jest on równy stosunkowi siły F, jaką pole elektryczne wywiera na próbny ładunek punktowy, do wartości q tego ładunku:
E=F/q
Natężenie prądu elektrycznego
Natężenie prądu elektrycznego, I, wielkość skalarna (skalar) charakteryzująca przepływ prądu elektrycznego. Określa sumę ładunku elektrycznego Q przepływającego przez przewodnik w jednostce czasu. I=Q/t lub, dla prądów zmiennych w czasie, natężenie chwilowe wyraża się wzorem: I=dQ/dt, przy czym definiuje się też natężenie prądu skuteczne, równe takiemu natężeniu prądu stałego, przy którym w trakcie przepływu prądu w przewodniku wydzieli się taka sama ilość ciepła, jak dla danego prądu zmiennego. Natężenie prądu elektrycznego wyraża się w amperach (A).
Ogniwo elektrochemiczne
Ogniwo elektrochemiczne, ogniwo galwaniczne, układ służący do zamiany energii procesów elektrochemicznych na energię elektryczną.
Ogniwo elektrochemiczne składa się z dwóch układów redoks wraz z zanurzonymi w nich elektrodami (są to tzw. półogniwa) oraz drutu łączącego elektrody. Układy te mogą znajdować się w tym samym roztworze (wówczas zanurzone są w nim dwie różne elektrody) lub w różnych roztworach, przedzielonych porowatą przegrodą albo połączonych kluczem elektrolitycznym.
Wielkością charakteryzującą dane ogniwa jest wartość jego siły elektromotorycznej (SEM). Zgodnie z konwencją elektrodę ujemną (o niższym potencjale) umieszcza się w schematach ogniw po lewej stronie, elektrodę dodatnią (o wyższym potencjale) – po prawej. W ogniwach anodą nazwano elektrodę ujemną, katodą – elektrodę dodatnią. Na anodzie zawsze zachodzi utlenianie.
Do najbardziej popularnych w laboratorium ogniw elektrochemicznych należą:
– ogniwo Daniella (-)Zn/ZnSO4(aq)//CuSO4(aq)/Cu(+) (znak / – oznacza granicę faz, znak // – jest symbolem klucza elektrolitycznego),
– ogniwo Westona (-)Cd(Hg)/CdSO4(aq) //Hg2SO4,Hg(+) (tzw. ogniwo normalne, gdy roztwór CdSO4 jest nasycony), które stanowi wzorzec SEM,
– ogniwo Volty (-)Zn/Zn2+, H2SO4/H2/Cu(+).
Rozróżnia się ogniwa elektrochemiczne:
1) tworzenia (chemiczne) – w ogniwie zachodzi reakcja tworzenia związku chemicznego (np. w ogniwie elektrochemicznym (+)Pt, H2/HCl/Cl2, Pt(-) powstaje HCl),
2) stężeniowe – zbudowane z dwóch jednakowych półogniw różniących się tylko stężeniami reagentów,
3) amalgamatowe – tworzywem elektrod są dwa różne amalgamaty.
Ogniwa elektrochemiczne wykorzystywane praktycznie jako źródła energii elektrycznej to: akumulatory różnych rodzajów, Leclanchego suche ogniwo elektrochemiczne (-)Zn/Zn2+, NH4Cl(aq)/MnO2, C(+) oraz ogniwo elektrochemiczne paliwowe, np. (-)Ni, H2/NaOH, O2/NiO, Ni(+), w których na elektrodzie ujemnej zachodzi elektrochemiczne utlenianie paliwa, na elektrodzie dodatniej – redukcja utleniacza, co sumarycznie jest równoważne reakcji spalania konwencjonalnego paliwa (np. wodoru w tlenie). Sprawność przekształcania energii w takich ogniwach elektrochemicznych jest bliska 100%, dlatego znajdują one zastosowanie w napędzie pojazdów kosmicznych oraz dla celów militarnych.
Powstawanie lokalnych ogniw elektrochemicznych jest przyczyną korozji o charakterze elektrochemicznym (półogniwo, SEM).
Prawo Ohma
Ohma prawo, prawo fizyki głoszące, że stały prąd I płynący w przewodniku jest wprost proporcjonalny do przyłożonego napięcia U (napięcie elektryczne). U=RI, gdzie współczynnik proporcjonalności R jest oporem elektrycznym (oporność elektryczna).
Uogólnione prawo Ohma dla prądów zmiennych ma postać:
ZI=ε
gdzie Z - zespolona oporność (impedancja), ε - siła elektromotoryczna. Prawo odkrył G.S. Ohm.