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historia de la electricidad
Electricidad, conjunto de fenómenos originados por la existencia, movimiento e interacción de cuerpos o partículas eléctricamente cargados. La interacción de las cargas eléctricas se lleva a cabo con la ayuda de electro. campo magnético(en el caso de cargas eléctricas inmóviles, un campo electrostático).
Las cargas en movimiento (corriente eléctrica), junto con una eléctrica, también excitan un campo magnético, es decir, generan un campo electromagnético a través del cual se lleva a cabo la interacción electromagnética (la doctrina del magnetismo es parte integral de la doctrina general de la electricidad) . Los fenómenos electromagnéticos son descritos por la electrodinámica clásica, que se basa en las ecuaciones de Maxwell.
Las leyes de la teoría clásica de la electricidad cubren un gran conjunto de procesos electromagnéticos. Entre los 4 tipos de interacciones (electromagnética, gravitacional, fuerte y débil) que existen en la naturaleza, las electromagnéticas ocupan el primer lugar en cuanto a amplitud y variedad de manifestaciones. Esto se debe al hecho de que todos los cuerpos están formados por partículas cargadas eléctricamente de signos opuestos, cuyas interacciones, por un lado, son muchos órdenes de magnitud más intensas que las gravitatorias y débiles, y por otro lado, son de largo alcance, a diferencia de las interacciones fuertes. La estructura de las capas atómicas, la adhesión de los átomos a las moléculas (fuerzas químicas) y la formación de materia condensada están determinadas por la interacción electromagnética.
Los fenómenos eléctricos y magnéticos más simples se conocen desde la antigüedad. Se encontraron minerales que atraían piezas de hierro, y también se encontró que el ámbar (del griego electrón, elektron, de ahí el término electricidad), frotado sobre lana, atrae objetos ligeros (electrificación por fricción). Sin embargo, no fue hasta 1600 que W. Gilbert estableció por primera vez la distinción entre fenómenos eléctricos y magnéticos. Descubrió la existencia de los polos magnéticos y su inseparabilidad entre sí, y también estableció que el globo terráqueo es un imán gigante.
En el siglo XVII - 1ª mitad del siglo XVIII. se realizaron numerosos experimentos con cuerpos electrificados, se construyeron las primeras máquinas electrostáticas basadas en la electrificación por fricción, se estableció la existencia de cargas eléctricas de dos clases (C. Dufay), y se descubrió la conductividad eléctrica de los metales (el científico inglés S . Gris). Con la invención del primer capacitor - tarro de Leiden(1745) - se hizo posible acumular grandes cargas eléctricas. En 1747-53, Franklin expuso la primera teoría consistente de los fenómenos eléctricos, finalmente estableció la naturaleza eléctrica de los rayos e inventó el pararrayos.
En la 2ª mitad del siglo XVIII. se inició el estudio cuantitativo de los fenómenos eléctricos y magnéticos. El primero instrumentos de medición- electroscopios de varios diseños, electrómetros. G. Cavendish (1773) y S. Coulomb (1785) establecieron experimentalmente la ley de interacción de cargas eléctricas puntuales inmóviles (los trabajos de Cavendish se publicaron solo en 1879).
Esta ley básica de la electrostática (ley de Coulomb) por primera vez hizo posible crear un método para medir cargas eléctricas por las fuerzas de interacción entre ellas. Coulomb también estableció la ley de interacción entre los polos de imanes largos e introdujo el concepto de cargas magnéticas concentradas en los extremos de los imanes.
La siguiente etapa en el desarrollo de la ciencia de la electricidad está asociada con el descubrimiento a fines del siglo XVIII. L. Galvani "electricidad animal" y obras A.Volta quien invento la primera fuente corriente eléctrica- una celda galvánica (la llamada columna de voltios, 1800), que crea una corriente continua (constante) durante mucho tiempo. En 1802, V. V. Petrov, habiendo construido una celda galvánica de mucha mayor potencia, descubrió el arco eléctrico, investigó sus propiedades y señaló la posibilidad de utilizarlo para iluminación, así como para fundir y soldar metales. G. Davy por electrólisis soluciones acuosas los álcalis recibieron (1807) metales previamente desconocidos: sodio y potasio. J, P. Joule estableció (1841) que la cantidad de calor liberada en el conductor por la corriente eléctrica es proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente; esta ley fue corroborada (1842) por los experimentos exactos de EH Lenz (la ley de Joule-Lenz).
G. Ohm estableció (1826) la dependencia cuantitativa de la corriente eléctrica del voltaje en el circuito. KF Gauss formuló (1830) el teorema fundamental de la electrostática.
El descubrimiento más fundamental lo hizo H. Oersted en 1820; descubrió la acción de una corriente eléctrica sobre una aguja magnética, un fenómeno que atestiguaba la conexión entre la electricidad y el magnetismo. A continuación, en el mismo año, A.M.Ampere estableció la ley de interacción de las corrientes eléctricas (ley de Ampere). También demostró que las propiedades de los imanes permanentes se pueden explicar sobre la base de la suposición de que circulan corrientes eléctricas constantes (corrientes moleculares) en las moléculas de los cuerpos magnetizados. Así, según Ampère, todos los fenómenos magnéticos se reducen a interacciones de corrientes, mientras que las cargas magnéticas no existen. Desde los descubrimientos de Oersted y Ampère, la doctrina del magnetismo se ha convertido en parte integral de la doctrina de la electricidad.
Del 2º cuarto del siglo XIX. comenzó la rápida penetración de la electricidad en la tecnología. En los años 20. aparecieron los primeros electroimanes. Uno de los primeros usos de la electricidad fue el aparato de telégrafo, en los años 30 y 40. se construyeron motores eléctricos y generadores de corriente;
En los años 30-40. Siglo 19 M. Faraday, el creador de la doctrina general de los fenómenos electromagnéticos, en la que se consideran todos los fenómenos eléctricos y magnéticos desde un único punto de vista, hizo una gran contribución al desarrollo de la ciencia de la electricidad. Con la ayuda de experimentos, demostró que los efectos de las cargas y corrientes eléctricas no dependen del método de su producción [antes de Faraday, distinguían entre "ordinario" (obtenido por electrificación por fricción), atmosférico, "galvánico", magnético , termoeléctrica, "animal" y otros tipos de energía eléctrica. ].
Experimento de Arago ("magnetismo de rotación").
En 1831, Faraday descubrió la inducción electromagnética, la excitación de una corriente eléctrica en un circuito ubicado en un campo magnético alterno. Este fenómeno (observado en 1832 también por J. Henry) constituye la base de la ingeniería eléctrica. En 1833-34 Faraday estableció las leyes de la electrólisis; estas obras suyas sentaron las bases de la electroquímica. Posteriormente, tratando de encontrar la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos con los ópticos, descubrió la polarización de los dieléctricos (1837), los fenómenos de paramagnetismo y diamagnetismo (1845), la rotación magnética del plano de polarización de la luz (1845), etc.
Faraday introdujo por primera vez el concepto de campos eléctricos y magnéticos. Negó el concepto de acción de largo alcance, cuyos defensores creían que los cuerpos directamente (a través del vacío) a distancia actúan unos sobre otros.
Según las ideas de Faraday, la interacción entre cargas y corrientes se lleva a cabo a través de agentes intermedios: cargas y corrientes crean campos eléctricos o (respectivamente) magnéticos en el espacio circundante, con la ayuda de los cuales la interacción se transmite de punto a punto (el concepto de acción de corto alcance). Sus ideas sobre los campos eléctricos y magnéticos se basaban en el concepto de líneas de fuerza, que consideraba como formaciones mecánicas en un medio hipotético: el éter, similares a hilos o cuerdas elásticas estiradas.
Las ideas de Faraday sobre la realidad del campo electromagnético no fueron reconocidas inmediatamente. La primera formulación matemática de las leyes de la inducción electromagnética fue dada por F. Neumann en 1845 en el lenguaje del concepto de acción de largo alcance.
También introdujo conceptos importantes de los coeficientes de autoinducción y mutua inducción de corrientes. El significado de estos conceptos se reveló completamente más tarde, cuando W. Thomson (Lord Kelvin) desarrolló (1853) la teoría de las oscilaciones eléctricas en un circuito que consiste en un capacitor (capacitancia) y una bobina (inductancia).
De gran importancia para el desarrollo de la doctrina de la electricidad fue la creación de nuevos instrumentos y métodos. mediciones electricas, así como un sistema unificado de unidades de medida eléctricas y magnéticas, creado por Gauss y W. Weber.
En 1846, Weber señaló la conexión entre la intensidad de la corriente y la densidad de las cargas eléctricas en un conductor y la velocidad de su movimiento ordenado. También estableció la ley de interacción de las cargas puntuales en movimiento, que contenía una nueva constante electrodinámica universal, que es la relación entre las unidades de carga electrostática y electromagnética y tiene la dimensión de la velocidad.
En la determinación experimental (Weber y f. Kohlrausch, 1856) de esta constante se obtuvo un valor cercano a la velocidad de la luz; esta fue una indicación definitiva de la conexión entre los fenómenos electromagnéticos y los ópticos.
En 1861-73 se desarrolló y completó la doctrina de la electricidad en los trabajos de J. K. Maxwell. Basándose en las leyes empíricas de los fenómenos electromagnéticos e introduciendo la hipótesis de la generación de un campo magnético por un campo eléctrico alterno, Maxwell formuló las ecuaciones fundamentales de la electrodinámica clásica, que llevan su nombre. Al mismo tiempo, como Faraday, consideró los fenómenos electromagnéticos como una forma de procesos mecánicos en el éter.
La principal consecuencia nueva de estas ecuaciones es la existencia de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz. Las ecuaciones de Maxwell formaron la base de la teoría electromagnética de la luz. La confirmación decisiva de la teoría de Maxwell se encontró en 1886-1889, cuando G. Hertz estableció experimentalmente la existencia de ondas electromagnéticas. Tras su descubrimiento, se intentaron establecer comunicaciones mediante ondas electromagnéticas, culminando con la creación de la radio, y se inició una intensa investigación en el campo de la radioingeniería.
A finales del siglo XIX - principios del siglo XX. comenzaba una nueva etapa en el desarrollo de la teoría de la electricidad. La investigación sobre las descargas eléctricas culminó con el descubrimiento por parte de J. J. Thomson de la discreción de las cargas eléctricas. En 1897 midió la relación entre la carga del electrón y su masa y en 1898 determinó el valor absoluto de la carga del electrón. H. Lorentz, basándose en el descubrimiento de Thomson y las conclusiones de la teoría cinética molecular, sentó las bases de la teoría electrónica de la estructura de la materia. En la teoría electrónica clásica, la materia se considera como un conjunto de partículas cargadas eléctricamente cuyo movimiento está sujeto a las leyes de la mecánica clásica. Las ecuaciones de Maxwell se obtienen a partir de las ecuaciones de la teoría electrónica mediante un promedio estadístico.
Los intentos de aplicar las leyes de la electrodinámica clásica al estudio de los procesos electromagnéticos en medios en movimiento se encontraron con importantes dificultades. En un esfuerzo por resolverlos, A. Einstein llegó (1905) a la relatividad de la teoría. Esta teoría finalmente refutó la idea de la existencia de un éter dotado de propiedades mecánicas. Después de la creación de la teoría de la relatividad, se hizo evidente que las leyes de la electrodinámica no pueden reducirse a las leyes de la mecánica clásica.
En pequeños intervalos de espacio-tiempo, las propiedades cuánticas del campo electromagnético, que no son tenidas en cuenta por la teoría clásica de la electricidad, se vuelven significativas. La teoría cuántica de los procesos electromagnéticos, la electrodinámica cuántica, se creó en el segundo cuarto del siglo XX. La teoría cuántica de la materia y el campo ya va más allá de la doctrina de la electricidad, estudia problemas más fundamentales relacionados con las leyes del movimiento. partículas elementales y sus edificios.
Con el descubrimiento de nuevos hechos y la creación de nuevas teorías, la importancia de la doctrina clásica de la electricidad no disminuyó, solo se determinaron los límites de aplicabilidad de la electrodinámica clásica. Dentro de estos límites, las ecuaciones de Maxwell y la teoría electrónica clásica siguen siendo válidas, siendo el fundamento de la teoría moderna de la electricidad.
La electrodinámica clásica forma la base de la mayoría de las secciones de ingeniería eléctrica, ingeniería de radio, electrónica y óptica (con la excepción de la electrónica cuántica). Con la ayuda de sus ecuaciones, se resolvieron una gran cantidad de problemas de naturaleza teórica y aplicada. En particular, numerosos problemas de comportamiento del plasma en el laboratorio y en el espacio se resuelven utilizando las ecuaciones de Maxwell.
INTRODUCCIÓN
Comencemos nuestra historia con las palabras del propio Tesla, quien poco antes de su muerte escribió un maravilloso ensayo sobre la historia de la ingeniería eléctrica "The Tale of Electricity": "Quien realmente quiera recordar toda la grandeza de nuestro tiempo, debe familiarizarse con la historia de la ciencia de la electricidad".
Por primera vez, los fenómenos ahora llamados eléctricos se observaron en la antigua China, India y más tarde en antigua Grecia. Las leyendas sobrevivientes dicen que el antiguo filósofo griego Tales de Mileto (640-550 aC) ya conocía la propiedad del ámbar, frotado con piel o lana, para atraer trozos de papel, pelusas y otros cuerpos livianos. Del nombre griego para ámbar - "electrón" - este fenómeno recibió más tarde el nombre de electrificación.
Durante muchos siglos, los fenómenos eléctricos fueron considerados manifestaciones del poder divino, hasta el siglo XVII. los científicos no se acercaron al estudio de la electricidad. Pendant, Gilbert, Otto von Guericke, Mushenbreck, Franklin, Oersted, Arago, Lomonosov, Luigi Galvani, Alessandro Volta, eso está lejos de ser Lista llena científicos eléctricos. Se debe hacer una mención especial a las actividades del notable científico André Marie Ampère, quien sentó las bases para el estudio. acción dinámica corriente eléctrica y estableció una serie de leyes de la electrodinámica.
Los descubrimientos de Oersted, Arago, Ampère interesaron al brillante físico inglés Michael Faraday y lo impulsaron a estudiar toda la gama de cuestiones sobre la transformación de la energía eléctrica y magnética en energía mecánica. Otro físico inglés, James Clerk (Clark) Maxwell, publicó en 1873 un importante trabajo en dos volúmenes, "Tratado sobre electricidad y magnetismo", que combinaba los conceptos de electricidad, magnetismo y campo electromagnético. A partir de ese momento comenzó la era del uso activo energía eléctrica en La vida cotidiana.
1. ELECTRICIDAD
La electricidad es un concepto que expresa propiedades y fenómenos debidos a la estructura de los cuerpos y procesos físicos, cuya esencia es el movimiento y la interacción de partículas microscópicas de materia cargadas (electrones, iones, moléculas, sus complejos, etc.).
Gilbert descubrió por primera vez que las propiedades de electrificación son inherentes no solo al ámbar, sino también al diamante, el azufre y la resina. También notó que algunos cuerpos, como metales, piedras, huesos, no se electrifican, y dividió todos los cuerpos que se encuentran en la naturaleza, electrificados y no electrificados. Con especial atención a los primeros, realizó experimentos para estudiar sus propiedades.
En 1650, el famoso científico alemán, alcalde de la ciudad de Magdeburg, inventor de la bomba de aire, Otto von Guericke, construyó un especial " coche eléctrico", que representa una bola de azufre del tamaño de la cabeza de un niño, montada sobre un eje.
Figura 1 - Máquina eléctrica de Von Guericke, mejorada por Van de Graaf
Si, durante la rotación de la pelota, se frotaba con las palmas de las manos, pronto adquiría la propiedad de atraer y repeler los cuerpos ligeros. A lo largo de varios siglos, la máquina de Guericke fue mejorada significativamente por el inglés Hawksby, los científicos alemanes Bose, Winkler y otros. Los experimentos con estas máquinas condujeron a una serie de importantes descubrimientos:
· en 1707, el físico francés du Fey descubrió la diferencia entre la electricidad obtenida por la fricción de una bola de vidrio y la obtenida por la fricción de una torsión de resina de árbol;
· En 1729, los ingleses Gray y Wheeler descubrieron la capacidad de algunos cuerpos para conducir electricidad y por primera vez señalaron que todos los cuerpos se pueden dividir en conductores y no conductores de electricidad.
pero mucho más descubrimiento importante fue descrito en 1729 por Mushenbreck, profesor de matemáticas y filosofía en la ciudad de Leiden. Descubrió que un frasco de vidrio, pegado por ambos lados con papel de aluminio (láminas de acero), podía acumular electricidad. Cargado a un cierto potencial (cuyo concepto apareció mucho más tarde), este dispositivo podría descargarse con un efecto significativo: una gran chispa que producía un fuerte crujido, similar a un rayo, y tenía acciones fisiológicas cuando las manos tocan el revestimiento del frasco. Por el nombre de la ciudad donde se llevaron a cabo los experimentos, el dispositivo creado por Mushenbreck se denominó botella de Leyden.
Figura 2 - Jarra de Leiden. Coneccion paralela cuatro latas
Los estudios de sus propiedades se llevaron a cabo en varios países y provocaron el surgimiento de muchas teorías que intentaron explicar el fenómeno descubierto de la condensación de carga. Una de las teorías de este fenómeno fue dada por el destacado científico y figura pública estadounidense Benjamin Franklin, quien señaló la existencia de electricidad positiva y negativa. Desde el punto de vista de esta teoría, Franklin explicó el proceso de carga y descarga de una botella de Leyden y demostró que sus placas pueden ser electrificadas arbitrariamente por cargas eléctricas de distinto signo.
Franklin, al igual que los científicos rusos M. V. Lomonosov y G. Richman, prestó mucha atención al estudio de la electricidad atmosférica, la descarga de rayos (rayos). Como sabes, Richman murió haciendo un experimento sobre el estudio de los rayos. En 1752, Benjamin Franklin inventó el pararrayos. Pararrayos (el "pararrayos" más eufónico también se usa en la vida cotidiana): un dispositivo instalado en edificios y estructuras y que sirve para proteger contra la caída de rayos. Consta de tres partes interconectadas:
En 1785, S. Coulomb descubrió la ley básica de la electrostática. Basado en numerosos experimentos, Coulomb estableció la siguiente ley:
La fuerza de interacción de las cargas estacionarias en el vacío es directamente proporcional al producto de los módulos de carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos - , :
En 1799, se creó la primera fuente de corriente eléctrica: una celda galvánica y una batería de celdas. Celda galvánica (fuente de corriente química): un dispositivo que le permite convertir energía reacción química en trabajo eléctrico. Según el principio de funcionamiento, se distinguen primarias (una sola vez), secundarias (baterías) y pilas de combustible. La celda galvánica consta de un electrolito conductor de iones y dos electrodos diferentes (medias celdas), los procesos de oxidación y reducción en la celda galvánica están espacialmente separados. El polo positivo de una celda galvánica se llama cátodo, negativo - ánodo. Los electrones salen de la celda a través del ánodo y viajan en un circuito externo al cátodo.
Los trabajos de los académicos rusos Aepinus, Kraft y otros revelaron una serie de propiedades muy importantes de la carga eléctrica, pero todos estudiaron la electricidad en estado estacionario o su descarga instantánea, es decir, las propiedades de la electricidad estática. Su movimiento se manifestó solo en forma de descarga. Aún no se sabía nada sobre la corriente eléctrica, es decir, sobre el movimiento continuo de la electricidad.
Uno de los primeros en investigar profundamente las propiedades de la corriente eléctrica en 1801-1802 fue el académico de San Petersburgo VV Petrov. El trabajo de este destacado científico, quien construyó la batería más grande del mundo en esos años a partir de 4200 círculos de cobre y zinc, estableció la posibilidad del uso práctico de la corriente eléctrica para calentar conductores. Además, Petrov observó el fenómeno de una descarga eléctrica entre los extremos de carbones ligeramente diluidos tanto en aire como en otros gases y vacío, al que denominó arco eléctrico. V. V. Petrov no solo describió el fenómeno que descubrió, sino que también señaló la posibilidad de usarlo para encender o fundir metales, y así expresó por primera vez la idea de aplicación práctica corriente eléctrica. A partir de este momento debe comenzar la historia de la ingeniería eléctrica como rama independiente de la tecnología.
Los experimentos con corriente eléctrica atrajeron la atención de muchos científicos de diferentes países. En 1802, el científico italiano Romagnosi descubrió la desviación de una aguja magnética bajo la influencia de una corriente eléctrica que fluía a través de un conductor cercano. A fines de 1819, este fenómeno fue nuevamente observado por el físico danés Oersted, quien en marzo de 1820 publicó un folleto en latín titulado "Experimentos sobre la acción del conflicto eléctrico en una aguja magnética". En este trabajo, una corriente eléctrica se denominó "conflicto eléctrico".
Tan pronto como Arago demostró la experiencia de Oersted en una reunión de la Academia de Ciencias de París, Ampère, repitiéndola, el 18 de septiembre de 1820, exactamente una semana después, presentó un informe sobre su investigación a la academia. En la siguiente reunión, el 25 de septiembre, Ampère terminó de leer un informe en el que describía las leyes de la interacción de dos corrientes que circulan por conductores paralelos. A partir de ese momento, la academia escuchó semanalmente los nuevos informes de Ampère sobre sus experimentos, que completaron el descubrimiento y formulación de las leyes básicas de la electrodinámica.
Uno de los méritos más importantes de Ampère fue que fue el primero en combinar dos fenómenos previamente separados, la electricidad y el magnetismo, en una teoría del electromagnetismo y propuso considerarlos como el resultado de un solo proceso de la naturaleza. Esta teoría, que suscitó gran desconfianza entre los contemporáneos de Ampère, fue muy progresista y desempeñó un papel muy importante en la correcta comprensión de los fenómenos descubiertos posteriormente.
En 1827, el científico alemán Georg Ohm descubrió una de las leyes fundamentales de la electricidad, que establece las principales relaciones entre la intensidad de la corriente, el voltaje y la resistencia del circuito por donde circula la corriente eléctrica, , ,
En 1847, Kirchhoff formuló las leyes para el despliegue de corrientes en circuitos complejos , , , :
Primera ley de Kirchhoff
Se aplica a los nodos y se formula de la siguiente manera: la suma algebraica de las corrientes en el nodo es igual a cero. Los signos se determinan dependiendo de si la corriente se dirige hacia el nodo o se aleja de él (en cualquier caso, arbitrariamente).
Segunda ley de Kirchhoff
Se aplica a los circuitos: en cualquier circuito, la suma de los voltajes en todos los elementos y secciones del circuito incluidos en este circuito es igual a cero. La dirección de eludir cada contorno se puede elegir arbitrariamente. Los signos se determinan en función de la coincidencia de los voltajes con la dirección de derivación.
La segunda formulación: en cualquier circuito cerrado, la suma algebraica de voltajes en todas las secciones con resistencias incluidas en este circuito es igual a la suma algebraica de la FEM.
Generalización de las leyes de Kirchhoff
Sea Y el número de nodos de la cadena, B el número de ramas, K el número de circuitos.
Figura 3 - Circuito eléctrico ramificado lineal (U=3, V=5, K=6)
2. MAGNETISMO (IMANES)
Magnetismo- es una forma de interacción entre cargas eléctricas en movimiento llevada a cabo a distancia por medio de un campo magnético.
Un campo magnético es un tipo especial de materia, cuya característica específica es la acción sobre una carga eléctrica en movimiento, conductores que transportan corriente, cuerpos con un momento magnético, con una fuerza que depende del vector de velocidad de carga, la dirección de la corriente fuerza en el conductor y en la dirección momento magnético cuerpo .
Un imán permanente es un producto hecho de un material magnético duro, una fuente autónoma de un campo magnético constante.
imanes [gr. magnetis, de Magnetis Lithos, una piedra de Magnesia ( ciudad antigua en Asia Menor)] son naturales y artificiales. Un imán natural es una pieza de mineral de hierro, que tiene la capacidad de atraer pequeños objetos de hierro que se encuentran cerca.
Los imanes naturales gigantes son la Tierra y otros planetas (Magnitosfera) ya que tienen un campo magnético. Los imanes artificiales son objetos y productos que han recibido propiedades magnéticas como resultado del contacto con un imán natural o magnetizados en un campo magnético. Un imán permanente es un imán artificial.
En los casos más simples, un imán permanente es un cuerpo (en forma de herradura, tira, arandela, varilla, etc.) que ha sufrido un tratamiento térmico adecuado y está premagnetizado hasta la saturación.
Figura 4 - Tipos de imanes: a) herradura; b) tira; c) circulares
Un imán permanente generalmente se incluye como parte integral de un sistema magnético diseñado para formar un campo magnético. La fuerza del campo magnético generado por un imán permanente puede ser constante o ajustable.
Diferentes partes de un imán permanente atraen objetos de hierro de diferentes maneras. Los extremos del imán, donde la atracción es máxima, se denominan polos del imán, y la parte media, donde la atracción es prácticamente nula, se denomina zona neutra del imán. Los imanes artificiales en forma de tira o de herradura siempre tienen dos polos en los extremos de la tira y una zona neutra entre ellos. Es posible magnetizar una pieza de acero de tal manera que tenga 4, 6 o más polos separados por zonas neutras, siendo siempre parejo el número de polos. Es imposible conseguir un imán con un polo. La relación entre las dimensiones de las regiones polares y la zona neutra de un imán depende de su forma.
Un imán solitario en forma de varilla larga y delgada se llama aguja magnética. El extremo de una aguja magnética puntiaguda o suspendida - brújula sencilla, indica el norte geográfico de la Tierra, y se llama polo norte (N) del imán, el polo opuesto del imán, apunta hacia el sur, y se llama polo sur (S).
Las áreas de aplicación de los imanes permanentes son muy diversas. Se utilizan en motores eléctricos, en automatización, robótica, para acoplamientos magnéticos de cojinetes magnéticos, en la industria relojera, en electrodomésticos, como fuentes autónomas de un campo magnético constante en ingeniería eléctrica e ingeniería de radio.
Los circuitos magnéticos, incluidos los imanes permanentes, deben estar abiertos, es decir, deben tener un espacio de aire. Si se fabrica un imán permanente en forma de núcleo anular, prácticamente no emite energía al espacio exterior, ya que casi todos los magnéticos lineas de fuerza encerrado en su interior. En este caso, el campo magnético fuera del núcleo está prácticamente ausente. Para utilizar la energía magnética de los imanes permanentes, es necesario crear un espacio de aire de cierto tamaño en un circuito magnético cerrado.
Cuando se usa un imán permanente para crear un flujo magnético en un espacio de aire, como entre los polos de un imán de herradura, el espacio de aire reduce la inducción (y la magnetización) del imán permanente.
3. ELECTROMAGNETISMO
La interacción electromagnética es una de las cuatro interacciones fundamentales. La interacción electromagnética existe entre partículas que tienen carga eléctrica. Desde el punto de vista moderno, la interacción electromagnética entre partículas cargadas no se realiza directamente, sino únicamente a través del campo electromagnético.
Desde el punto de vista de la teoría cuántica de campos, la interacción electromagnética la realiza un bosón sin masa: un fotón (una partícula que puede representarse como una excitación cuántica de un campo electromagnético). El fotón en sí no tiene carga eléctrica, lo que significa que no puede interactuar directamente con otros fotones.
De las partículas fundamentales, las partículas con carga eléctrica también participan en la interacción electromagnética: quarks, un electrón, un muón y una partícula tau (de fermiones), así como bosones de norma cargados.
La interacción electromagnética se diferencia de las interacciones débil y fuerte por su naturaleza de largo alcance: la fuerza de interacción entre dos cargas cae solo como la segunda potencia de la distancia (ver: ley de Coulomb). Según la misma ley, la interacción gravitatoria disminuye con la distancia.
La interacción electromagnética de las partículas cargadas es mucho más fuerte que la gravitacional, y la única razón por la que la interacción electromagnética no se manifiesta con mucha fuerza a escala cósmica es la neutralidad eléctrica de la materia, es decir, la presencia en cada región del Universo con un alto grado de precisión de cantidades iguales de cargas positivas y negativas.
Campo electromagnetico- esta es una forma especial de materia, a través de la cual se lleva a cabo la interacción entre partículas cargadas. Representa variables interrelacionadas campo eléctrico y campo magnético. La conexión mutua de los campos eléctricos E y magnéticos H radica en el hecho de que cualquier cambio en uno de ellos conduce a la aparición del otro: un campo eléctrico alterno generado por cargas que se mueven rápidamente (fuente) excita un campo magnético alterno en regiones adyacentes del espacio, que, a su vez, excita un campo eléctrico alterno en las regiones adyacentes del espacio, etc. Así, el campo electromagnético se propaga de un punto a otro en el espacio en forma de ondas electromagnéticas que van desde la fuente. Debido a la finitud de la velocidad de propagación, el campo electromagnético puede existir de forma autónoma desde la fuente que lo generó y no desaparece con la eliminación de la fuente (por ejemplo, las ondas de radio no desaparecen con la terminación de la corriente en la antena que los emitió).
El campo electromagnético en el vacío se describe mediante la intensidad del campo eléctrico E y la inducción magnética B. El campo electromagnético en el medio se caracteriza además por dos magnitudes auxiliares: la intensidad del campo magnético H y la inducción eléctrica D. La conexión del campo electromagnético componentes con cargas y corrientes se describe mediante las ecuaciones de Maxwell.
Las ondas electromagnéticas son oscilaciones electromagnéticas propagándose en el espacio con una velocidad finita dependiendo de las propiedades del medio (Figura 5).
Figura 5 - Ondas electromagnéticas
La existencia de ondas electromagnéticas fue predicha por el físico inglés M. Faraday en 1832. Otro científico inglés, J. Maxwell, en 1865 demostró teóricamente que las oscilaciones electromagnéticas no permanecen localizadas en el espacio, sino que se propagan en todas las direcciones desde la fuente. La teoría de Maxwell permitió abordar la descripción de las ondas de radio, la radiación óptica, la radiación de rayos X y la radiación gamma de manera unificada. Resultó que todos estos tipos de radiación son ondas electromagnéticas con diferentes longitudes de onda λ, es decir, están relacionadas en la naturaleza. Cada uno de ellos tiene su lugar específico en una sola escala de ondas electromagnéticas (Figura 6).
Figura 6 - Escala de ondas electromagnéticas
Al propagarse en los medios, las ondas electromagnéticas, como cualquier otra onda, pueden experimentar refracción y reflexión en la interfaz entre los medios, la dispersión, la absorción, la interferencia; cuando se propaga en medios no homogéneos, se observan difracción de ondas, dispersión de ondas y otros fenómenos.
Las ondas electromagnéticas de diferentes rangos de longitud de onda se caracterizan por diferentes formas de excitación y registro, interactúan de manera diferente con la materia. Los procesos de emisión y absorción de ondas electromagnéticas, desde la más larga hasta la radiación IR, se describen con bastante detalle mediante las relaciones de la electrodinámica clásica.
En los rangos de longitudes de onda más cortas, especialmente en los rangos de rayos X y rayos γ, dominan los procesos de naturaleza cuántica y solo pueden describirse en el marco de la electrodinámica cuántica basada en el concepto de la discreción de estos procesos.
Las ondas electromagnéticas se utilizan ampliamente en radiocomunicaciones, radares, televisión, medicina, biología, física, astronomía y otros campos de la ciencia y la tecnología.
Los descubrimientos de Oersted, Arago, Ampère interesaron al brillante físico inglés Michael Faraday y lo impulsaron a estudiar toda la gama de cuestiones sobre la transformación de la energía eléctrica y magnética en energía mecánica. En 1821, encontró otra solución al problema de convertir la energía eléctrica y magnética en energía mecánica y demostró su dispositivo, en el que obtuvo el fenómeno de la rotación electromagnética continua. El mismo día, Faraday escribió en su diario de trabajo el problema inverso: "Convierte el magnetismo en electricidad". Fueron necesarios más de diez años para resolverlo y encontrar la forma de obtener energía eléctrica a partir de la magnética y la mecánica. Solo a fines de 1831, Faraday anunció su descubrimiento de un fenómeno, que más tarde se denominó inducción electromagnética y que constituye la base de toda la industria eléctrica moderna.
4. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
El estudio de Faraday y el trabajo del académico ruso E. X. Lenz, quien formuló la ley por la cual era posible determinar la dirección de la corriente eléctrica resultante de la inducción electromagnética, hizo posible la creación de los primeros generadores electromagnéticos y motores eléctricos.
Inicialmente, los generadores eléctricos y los motores eléctricos se desarrollaron de forma independiente, como dos máquinas completamente diferentes. El primer inventor de un generador eléctrico basado en el principio de inducción electromagnética desea permanecer en el anonimato. La cosa fue así. Poco después de la publicación del informe de Faraday en la Royal Society, en el que se esbozaba el descubrimiento de la inducción electromagnética, el científico encontró en su buzón una carta firmada con las iniciales R. M. que contenía una descripción del primer generador síncrono y dibujo adjunto. Faraday, habiendo examinado cuidadosamente este proyecto, envió una carta a R. M. y un dibujo a la misma revista en la que se publicó su informe en un momento, con la esperanza de que el inventor desconocido, siguiendo la revista, viera no solo publicado su proyecto, sino también la carta adjunta de Faraday, que aprecia mucho la invención de R. M-,,.
De hecho, después de casi seis meses, R. M. envió explicaciones adicionales y una descripción del diseño del generador eléctrico propuesto por él, pero esta vez también deseaba permanecer en el anonimato. El nombre del verdadero creador del primer generador electromagnético ha permanecido oculto bajo las siglas, y la humanidad aún, a pesar de la minuciosa búsqueda de los historiadores de la ingeniería eléctrica, permanece en la oscuridad a quien le debe uno de los inventos más importantes. La máquina R. M. no tenía un dispositivo para rectificar la corriente y fue el primer generador corriente alterna. Pero esta corriente, al parecer, no podía usarse para iluminación de arco, electrólisis, telegrafía, que ya estaban firmemente establecidos en la vida. Era necesario, según los diseñadores de la época, crear una máquina en la que fuera posible obtener una corriente constante en dirección y magnitud.
Casi simultáneamente con R. M., los hermanos Pixie y el profesor de física de la Universidad de Londres y miembro de la Royal Society V. Ricci se dedicaron al diseño de generadores. Las máquinas que crearon tenían un dispositivo especial para rectificar la corriente alterna en corriente continua, el llamado colector. Mayor desarrollo de diseños de generadores. corriente continua avanzó a un ritmo inusualmente rápido. En menos de cuarenta años, la dínamo ha tomado casi por completo la forma del generador de CC moderno. Es cierto que el devanado de estas dínamos se distribuyó de manera desigual alrededor de la circunferencia, lo que empeoró el funcionamiento de dichos generadores: el voltaje en ellos aumentó o disminuyó, lo que provocó descargas desagradables.
En 1870, Zenobaeus Gramm propuso un devanado anular especial de la armadura de la dínamo. La distribución uniforme del devanado del inducido permitió obtener un voltaje completamente uniforme en el generador y la misma rotación del motor, lo que mejoró significativamente las propiedades de las máquinas eléctricas. En esencia, este invento repetía lo que ya había sido creado y descrito en 1860 por el físico italiano Pachinnoti, pero pasó desapercibido y permaneció desconocido para 3. Gram. Las máquinas con armadura anular se generalizaron especialmente después de que se descubriera la reversibilidad de las máquinas eléctricas de Gramm en la Exposición Universal de Viena de 1873: la misma máquina, cuando la armadura giraba, daba corriente eléctrica, cuando la corriente fluía a través de la armadura, giraba y podía ser utilizado como motor eléctrico.
A partir de ese momento, comenzó un rápido crecimiento en el uso de motores eléctricos y un consumo de electricidad en constante expansión, que se vio facilitado en gran medida por la invención de P. N. Yablochkov, un método de iluminación que utiliza la llamada "vela de Yablochkov", un lámpara eléctrica de arco con una disposición paralela de carbones.
La simplicidad y la conveniencia de las "velas de Yablochkov", que reemplazaron las costosas, complejas y voluminosas lámparas de arco con reguladores para la convergencia continua de carbones ardientes, provocaron su amplia distribución, y pronto la "luz de Yablochkov", la luz "rusa" o "del norte", iluminó los bulevares de París, los terraplenes del Támesis, las avenidas de la capital de Rusia e incluso las antiguas ciudades de Camboya. Este fue un verdadero triunfo para el inventor ruso.
Pero para suministrar electricidad a estas velas, fue necesario crear generadores eléctricos especiales que no proporcionen corriente continua, sino alterna, es decir, corriente, aunque no con frecuencia, pero cambiando continuamente su magnitud y dirección. Esto fue necesario porque los carbones conectados a diferentes polos del generador de CC se quemaron de manera desigual: el ánodo conectado al positivo se quemó el doble de rápido que el cátodo. La corriente alterna alternativamente convertía el ánodo en un cátodo y así aseguraba una combustión uniforme de los carbones. Especialmente para alimentar las "velas de Yablochkov", el propio P. N. Yablochkov creó un generador de corriente alterna, y luego lo mejoraron los ingenieros franceses Lontin y Gram. Sin embargo, todavía no se ha pensado en un motor de CA.
Al mismo tiempo, para el suministro de energía separado de velas individuales de un generador de corriente alterna, el inventor creó un dispositivo especial: una bobina de inducción (transformador), que hizo posible cambiar el voltaje en cualquier rama del circuito de acuerdo con el número de velas conectadas. Pronto, la creciente demanda de electricidad y la posibilidad de obtenerla en grandes cantidades entraron en conflicto con las limitadas posibilidades de transmitirla a distancia. El bajo voltaje (100-120 voltios) de corriente continua que se usaba en ese momento y su transmisión a través de cables de sección transversal relativamente pequeña causaba enormes pérdidas en las líneas de transmisión. Desde finales de los años 70 del siglo pasado, el problema principal, de cuya solución exitosa dependía todo el futuro de la ingeniería eléctrica, era el problema de transmitir electricidad a largas distancias sin grandes pérdidas.
Primero antecedentes teóricos D. A. Lachinov, profesor de física en el Instituto Forestal de San Petersburgo, dio la posibilidad de transmitir cualquier cantidad de electricidad a cualquier distancia a través de cables de diámetro relativamente pequeño sin pérdidas significativas al aumentar el voltaje en julio de 1880. A continuación, el físico e ingeniero eléctrico francés Marcel Despres en 1882 en la Exposición Eléctrica de Munich llevó a cabo la transmisión de electricidad de varios caballos de fuerza en una distancia de 57 kilómetros con una eficiencia del 38 por ciento.
Más tarde, Despres realizó una serie de experimentos, llevando a cabo la transmisión de electricidad a una distancia de cien kilómetros y elevando la potencia de transmisión a varios cientos de kilovatios. Un aumento adicional en la distancia requería un aumento significativo en el voltaje. Deprez lo subió a 6 mil voltios y se aseguró de que el aislamiento de las placas en el colector de generadores y motores de corriente continua no permitiera alcanzar un voltaje mayor.
A pesar de todas estas dificultades, a principios de los años 80, el desarrollo de la industria y la concentración de la producción exigían cada vez con más urgencia la creación de una nueva máquina, más avanzada que la difundida máquina de vapor. Ya estaba claro que era rentable construir centrales eléctricas cerca de depósitos de carbón o en ríos con una gran caída de agua, mientras se construían fábricas más cerca de las fuentes de materias primas. Esto a menudo requería la transmisión de grandes cantidades de electricidad a los objetos de su consumo a través de largas distancias. Una transmisión de este tipo sólo sería conveniente cuando se aplicara una tensión de decenas de miles de voltios. Pero era imposible obtener tal voltaje en generadores de CC. La corriente alterna y un transformador acudieron al rescate: usándolos, comenzaron a producir corriente alterna de bajo voltaje, luego aumentarla a cualquier valor requerido, transmitirla a distancia Alto voltaje, y en el lugar de consumo, reducir nuevamente al nivel requerido y utilizar en pantógrafos.
Todavía no había motores de corriente alterna. Después de todo, ya a principios de los años 80, la electricidad se consumía principalmente para las necesidades de energía. Motores de corriente continua para conducir al máximo varias maquinas se usa cada vez con más frecuencia. Crear un motor eléctrico que pueda funcionar con corriente alterna se ha convertido en la tarea principal de la ingeniería eléctrica. En la búsqueda de nuevos caminos, siempre es necesario mirar hacia atrás. ¿Hubo algo en la historia de la ingeniería eléctrica que pudiera sugerir el camino hacia la creación de un motor de corriente alterna? Las búsquedas en el pasado han tenido éxito. Recordaron: allá por 1824, Arago demostró una experiencia que marcó el inicio de muchos estudios fructíferos. Se trata de demostración de "magnetismo de rotación". Un disco de cobre (no magnético) fue arrastrado por un imán giratorio.
Surgió la idea, ¿es posible, al reemplazar el disco con vueltas sinuosas y el imán giratorio con un campo magnético giratorio, crear un motor eléctrico de corriente alterna? Probablemente, es posible, pero ¿cómo obtener la rotación del campo magnético?
Durante estos años, muchos varias maneras Aplicaciones de CA. Un historiador concienzudo de la ingeniería eléctrica tendrá que nombrar a los diversos físicos e ingenieros que intentaron crear motores de CA a mediados de los 80. No olvidará recordar los experimentos de Bailey (1879), Marcel Despres (1883), Bradley (1887), las obras de Wenstrom, Haselwander y muchos otros. Las propuestas eran sin duda muy interesantes, pero ninguna de ellas podía satisfacer a la industria: sus motores eléctricos eran voluminosos y poco económicos, o complejos y poco fiables. Aún no se ha encontrado el principio mismo de construir motores de CA simples, económicos y confiables.
Fue durante este período que Nikola Tesla comenzó, como ya sabemos, la búsqueda de una solución a este problema. Siguió su propio camino, reflexionando sobre la esencia de la experiencia de Arago, y propuso una solución radical al problema que inmediatamente resultó aceptable a efectos prácticos. De vuelta en Budapest en la primavera de 1882, Tesla imaginó claramente que si los devanados de los polos magnéticos de un motor eléctrico estuvieran alimentados de alguna manera por dos corrientes alternas diferentes, que diferían entre sí solo en el cambio de fase, entonces la alternancia de estas corrientes causaría la formación alterna de los polos norte y sur o campo magnético de rotación. El campo magnético giratorio también debe arrastrar el devanado del rotor de la máquina.
Habiendo construido una fuente especial de corriente bifásica (generador bifásico) y el mismo motor eléctrico bifásico, Tesla se dio cuenta de su idea. Y aunque sus máquinas eran estructuralmente muy imperfectas, el principio de un campo magnético giratorio, aplicado en los primeros modelos de Tesla, resultó ser correcto.
Habiendo considerado todos los casos posibles de cambio de fase, Tesla se decidió por un cambio de 90 °, es decir, en una corriente de dos fases. Esto era bastante lógico: antes de crear motores eléctricos con una gran cantidad de fases, uno debería comenzar con una corriente de dos fases. Pero también podría aplicarse otro cambio de fase: en 120° ( corriente trifásica). Sin analizar teóricamente y comprender todos los casos posibles, sin siquiera compararlos entre sí (este es el gran error de Tesla), centró toda su atención en la corriente bifásica, creando generadores y motores eléctricos bifásicos, y solo mencionó brevemente las corrientes polifásicas. en sus solicitudes de patentes y la posibilidad de su aplicación.
Pero Tesla no fue el único científico que recordó la experiencia de Arago y encontró una solución a un problema importante. En los mismos años, el físico italiano Galileo Ferraris, representante de Italia en muchos congresos internacionales de electricistas (1881 y 1882 en París, 1883 en Viena y otros), llevó a cabo investigaciones en el campo de las corrientes alternas. Mientras preparaba conferencias sobre óptica, se le ocurrió la idea de la posibilidad de realizar un experimento que demostrara las propiedades de las ondas de luz. Para ello, Ferraris reforzó un cilindro de cobre sobre un fino hilo, sobre el que actuaban dos campos magnéticos desplazados en un ángulo de 90°. Cuando se enciende la corriente en las bobinas, que alternativamente crean campos magnéticos en uno u otro de ellos, el cilindro, bajo la influencia de estos campos, gira y retuerce el hilo, como resultado de lo cual se eleva en cierta cantidad. . Este dispositivo simuló a la perfección el fenómeno conocido como polarización de la luz.
Ferraris no tenía la intención de utilizar su modelo con fines eléctricos. Era sólo un instrumento de lectura, cuyo ingenio residía en la hábil aplicación del fenómeno electrodinámico para demostraciones en el campo de la óptica.
Ferraris no se limitó a este modelo. En el segundo modelo, más avanzado, logró lograr la rotación de cilindros a una velocidad de hasta 900 revoluciones por minuto. Pero más allá de ciertos límites, por mucho que aumentara la fuerza de la corriente que creaba los campos magnéticos en el circuito (es decir, por mucho que aumentara la potencia consumida), no era posible lograr un aumento en el número de revoluciones Los cálculos mostraron que la potencia del segundo modelo no superaba los 3 vatios.
Sin duda, Ferraris, siendo no solo un óptico, sino también un electricista, no podía dejar de comprender el significado de sus experimentos. Sin embargo, por su propia admisión, nunca se le ocurrió aplicar este principio a la creación de un motor eléctrico de corriente alterna. Lo más que imaginó fue usarlo para medir la fuerza de la corriente, e incluso comenzó a diseñar un dispositivo de este tipo.
18 de marzo 1888 en la Academia de Ciencias de Turín, Ferraris hizo un informe "Rotación electrodinámica producida por corrientes alternas". En él, habló sobre sus experimentos y trató de demostrar que era imposible obtener una eficiencia de más del 50 por ciento en un dispositivo de este tipo. Ferraris estaba sinceramente convencido de que al demostrar la inconveniencia de utilizar campos magnéticos alternos con fines prácticos, estaba prestando un gran servicio a la ciencia. El informe de Ferraris estaba por delante del informe de Nikola Tesla en el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos. Pero la solicitud de patente presentada en octubre de 1887 atestigua la indudable prioridad de Tesla sobre los Ferrari. En cuanto a la publicación, el artículo de Ferraris, disponible para la lectura de todos los electricistas del mundo, se publicó recién en junio de 1888, es decir, después del ampliamente conocido informe de Tesla.
A la afirmación de Ferraris de que había comenzado a trabajar en el estudio de un campo magnético giratorio en 1885, Tesla tenía todas las razones para objetar que había abordado este problema en Graz, encontró una solución en 1882 y en 1884 en Estrasburgo demostró un modelo de trabajo de su motor Pero, por supuesto, no es solo una cuestión de prioridad. Sin duda, ambos científicos hicieron el mismo descubrimiento independientemente el uno del otro: Ferraris no podía haber sabido de la solicitud de patente de Tesla, así como este último no podía saber del trabajo del físico italiano.
Es mucho más importante que G. Ferraris, habiendo descubierto el fenómeno de un campo magnético giratorio y habiendo construido su modelo con una potencia de 3 vatios, no pensó en su uso práctico. Además, si se hubiera aceptado la conclusión errónea de Ferraris sobre la inconveniencia del uso de corrientes alternas multifásicas, la humanidad habría sido encaminada por el camino equivocado durante varios años más y privada de la posibilidad de un uso generalizado de la electricidad en la mayoría de los casos. varias industrias producción y vida. El mérito de Nikola Tesla radica en que, a pesar de muchos obstáculos y una actitud escéptica hacia la corriente alterna, demostró prácticamente la viabilidad del uso de la corriente polifásica. Los primeros motores de corriente bifásica que creó, aunque tenían una serie de deficiencias, atrajeron la atención de ingenieros eléctricos de todo el mundo y despertaron el interés por sus propuestas.
Sin embargo, un artículo de Galileo Ferraris en la revista "Atti di Turino" jugó un papel muy importante en el desarrollo de la ingeniería eléctrica. Fue reimpreso por una importante revista inglesa, y el número de este artículo cayó en manos de otro científico, ahora merecidamente reconocido como el creador de la ingeniería eléctrica trifásica moderna.
5. Transformador Tesla
Los transformadores de Tesla son conocidos por sus diversos diseños, desde los más simples con un espacio de chispa hasta los circuitos modernos con osciladores maestros de alta frecuencia para su devanado primario, hecho tanto en semiconductores como en circuitos de lámparas.
Esquema del transformador Tesla más simple:
En su forma elemental, el transformador Tesla consta de dos bobinas, primaria y secundaria, y un arnés que consta de un espacio de chispa (disyuntor, a menudo se encuentra la versión en inglés de Spark Gap), un capacitor, un toroide (no siempre se usa) y un terminal (mostrado como una “salida” en el diagrama) .
Figura 7 - El circuito más simple transformador tesla
Figura 8 - Transformador Tesla en acción
La bobina primaria se construye a partir de 5-30 (para VTTC - bobina de Tesla en una lámpara - el número de vueltas puede ser de hasta 60) vueltas de alambre de gran diámetro o tubo de cobre, y el secundario de muchas vueltas de alambre de menor diámetro. La bobina primaria puede ser plana (horizontal), cónica o cilíndrica (vertical). A diferencia de muchos otros transformadores, aquí no hay núcleo ferromagnético. Por lo tanto, la inductancia mutua entre las dos bobinas es mucho menor que la de los transformadores convencionales con núcleo ferromagnético. Este transformador tampoco tiene prácticamente histéresis magnética, el fenómeno de retraso en el cambio de inducción magnética con respecto al cambio de corriente, y otras desventajas introducidas por la presencia de un ferromagneto en el campo del transformador.
La bobina primaria, junto con el condensador, forma un circuito oscilatorio, que incluye un elemento no lineal: un espacio de chispa (espacio de chispa). El pararrayos, en el caso más simple, es de gas corriente; generalmente hecho de electrodos masivos (a veces con radiadores), que está hecho para una mayor resistencia al desgaste cuando fluyen altas corrientes a través de un arco eléctrico entre ellos.
La bobina secundaria también forma un circuito oscilatorio, donde el acoplamiento capacitivo entre el toroide, el dispositivo terminal, las espiras de la propia bobina y otros elementos eléctricamente conductores del circuito con la Tierra desempeña el papel de un condensador. El dispositivo terminal (terminal) se puede hacer en forma de disco, pasador afilado o esfera. La terminal está diseñada para producir chispas largas y predecibles. La geometría y la posición relativa de las partes del transformador Tesla afectan en gran medida su rendimiento, que es similar al problema de diseñar cualquier dispositivo de alta tensión y alta frecuencia.
CONCLUSIÓN
Las cosas que usan electricidad que se han vuelto familiares en nuestra vida diaria son fruto del pensamiento científico y técnico de muchas generaciones de científicos. A menudo, la comprensión del valor práctico y la importancia de los fenómenos descubiertos llegó tarde o llegó con la siguiente generación de científicos.
Sin embargo, cabe señalar que fue el desarrollo de la ingeniería eléctrica lo que contribuyó a la aceleración del progreso tecnológico. La creación y desarrollo de máquinas eléctricas de corriente continua y alterna hizo posible diseñar sistemas de control flexibles, que no podían implementarse en motores que utilizan la energía de gas y líquido. El desarrollo de la tecnología de los microprocesadores ha hecho posible la creación de potentes ordenadores que participan en los experimentos de los físicos teóricos que descubren los secretos del universo (LHC en el CERN).
Es mi profunda convicción que todavía quedan bastantes misterios, misterios y grandes descubrimientos en el campo de la ingeniería eléctrica.
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Rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos: la interacción entre cuerpos cargados, los fenómenos de polarización y el paso de una corriente eléctrica.
La conexión entre los fenómenos eléctricos y magnéticos se estudia mediante el electromagnetismo. La electrodinámica, incluida la electricidad y el magnetismo, también estudia las ondas electromagnéticas.
Las ciencias aplicadas, como la ingeniería eléctrica, la electroquímica, etc., basan sus conocimientos en la electricidad. 
El antiguo filósofo griego Tales de Mileto fue uno de los primeros investigadores de la electricidad. Los fenómenos eléctricos eran conocidos en la antigüedad por los antiguos griegos, fenicios y los habitantes de Mesopotamia. El hecho de que, cuando se frota, el ámbar adquiere la capacidad de atraer objetos ligeros hacia sí mismo, fue descrito en el año 600 aC Tales de Mileto. Thales, sin embargo, no distinguió la electricidad del magnetismo, considerando que este es un fenómeno, solo el ámbar adquiere una propiedad tan extraña durante la fricción, y en la magnetita es constante.
En 1600, el médico inglés William Gilbert dio un nuevo paso en el estudio de los fenómenos eléctricos. Después de realizar investigaciones sobre fenómenos eléctricos y magnéticos, publicó un libro en el que concluyó que las propiedades de un imán permanente y la capacidad del ámbar frotado para atraer objetos son fenómenos definitivamente diferentes. Gilbert comenzó a usar la palabra latina electrico Burshtin-como, para describir tal propiedad. En su libro, Gilbert también llegó a la conclusión de que la Tierra es un imán, y por eso la aguja de la brújula apunta al polo.
Imán permanente el ejemplo mas simple dipolo magnético. A mediados del siglo XVII, Otto von Guericke inventó el generador electrostático.
Los experimentos de Stephen Gray demostraron que la electricidad podía transmitirse hasta 800 pies con conductores de filamento mojado, si se evitaba el contacto con el suelo y se usaba aislamiento. Así comenzó la investigación sobre las corrientes y sentó las bases para la separación de materiales en conductores y dieléctricos.
Charles du Fou abrió dos varios tipos electricidad, llamándolas "vítreas" y "resinosas" ahora se llaman cargas positivas y negativas, demostrando que las cargas iguales se repelen y las cargas diferentes se atraen. Du Fou también dividió las sustancias en conductoras y aislantes, llamándolas "eléctricas" y "no eléctricas".
Los experimentos de Benjamin Franklin, realizados en 1752, demostraron que los rayos son de naturaleza eléctrica.
Benjamin Franklin USA, político e inventor. Realizó investigaciones sobre la electricidad en el siglo XVIII. En 1791, Luigi Galvani publicó los descubrimientos de la bioelectricidad. En 1800, Alessandro Volta construyó la primera batería de pilares voltaicos. nuevo tipo La fuente de corriente era mucho más fiable que los generadores electrostáticos que se habían utilizado anteriormente. En 1820, André Marie Ampère descubrió la conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1821, Michael Faraday inventó el motor eléctrico y en 1827 Georg Ohm estableció una ley matemática que describe la corriente en circuito eléctrico.
Thomas Edison Es difícil enumerar todos los descubrimientos científicos en el campo de los fenómenos eléctricos en la primera mitad del siglo XIX. El descubrimiento de la inducción electromagnética por parte de Faraday en 1831 allanó el camino para la producción y el uso de energía eléctrica a gran escala, y el final del siglo XIX fue la era de numerosos inventos en el campo de la ingeniería eléctrica. A finales de siglo, gracias a los esfuerzos de científicos eminentes como Nikola Tesla, Thomas Alva Edison, Werner von Siemens, Lord Kelvin, Galileo Ferraris y muchos otros, la electricidad pasó de ser un interés científico a ser la fuerza principal de la segunda revolución industrial.
Un arco eléctrico proporciona una demostración visual de la corriente eléctrica Elementos básicos de un circuito eléctrico La física moderna considera que la interacción electromagnética es una de las interacciones fundamentales. La carga eléctrica es una propiedad de las partículas elementales, entre las cuales las más importantes, dada su estabilidad, son el electrón y el protón. Todas las sustancias están compuestas de átomos, en cuyo centro hay un núcleo cargado positivamente, y alrededor del núcleo hay electrones cargados negativamente. La mayoría de los átomos en el mundo que los rodea tienen un número neutro de electrones igual al número de protones, pero los electrones móviles pueden abandonar un átomo, formando iones positivos, o unirse a un átomo neutro, formando iones negativos. Si en cualquier cuerpo físico el número de electrones difiere del número de protones, entonces dicho cuerpo recibe una carga eléctrica macroscópica. Este proceso se llama electrificación.
Las cargas iguales se repelen y las cargas diferentes se atraen. Numéricamente, la interacción entre cargas está descrita por la ley de Coulomb.
Si las cargas se colocan en un medio continuo, la interacción entre ellas cambia debido a un fenómeno llamado polarización dieléctrica. La polarización dieléctrica ocurre debido al desplazamiento de electrones en relación con los núcleos de los átomos en el exterior. campo eléctrico o debido a la rotación de moléculas con su propio momento dipolar. Como resultado, la fuerza que actúa sobre una carga desde otras cargas está determinada no solo por la magnitud de estas cargas y su ubicación, sino también por los momentos dipolares reducidos de los átomos y moléculas del medio. en pequeño campos eléctricos En comparación con los campos intraatómicos, la capacidad de una sustancia para polarizarse se describe mediante permitividad.
Bajo la acción de la fuerza de Coulomb, las partículas cargadas se mueven formando una corriente eléctrica. Una corriente eléctrica crea un campo magnético por el cual se puede registrar. Otra consecuencia del paso de una corriente eléctrica a través de una sustancia es la liberación de calor.
Las dependencias de la capacidad de conducir una corriente eléctrica de una sustancia se pueden dividir en conductores y dieléctricos.
Desde finales del siglo XIX, los fenómenos eléctricos han jugado un papel cada vez más importante en la producción y la vida cotidiana. La electricidad está en el centro de nuestra cultura, desde la iluminación y los electrodomésticos hasta los potentes motores eléctricos utilizados en la fabricación.
Producción
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Principalmente destinada a su uso en la producción y la vida cotidiana, la electricidad es generada por centrales eléctricas, donde energía mecánica la rotación de las turbinas de vapor se convierte en electricidad mediante generadores eléctricos. El calor necesario para calentar el vapor que hace girar las turbinas proviene principalmente de combustibles fósiles. Además de las centrales térmicas, una parte importante de la electricidad es generada por centrales nucleares y centrales hidroeléctricas. En este último caso, se utilizan fuentes de energía renovables. Otras fuentes de energía renovable son la energía eólica, que es utilizada por parques eólicos cada vez más populares en la era moderna. El uso directo de la energía solar es posible gracias a las células solares.
La energía producida por las centrales eléctricas se distribuye a través de la red eléctrica en los hogares, fábricas y fábricas de las personas.
Además de la producción y distribución de energía eléctrica a través de la red, también se utilizan ampliamente fuentes de energía eléctrica tales como baterías y acumuladores electroquímicos, que permiten obtener corriente eléctrica. pequeño voltaje necesarios para el funcionamiento de dispositivos electrónicos portátiles.
Uso 
En la década de 1870 apareció la lámpara incandescente, que se convirtió en el primer electrodoméstico que requería red eléctrica en cada hogar humano e institución. Incluso antes de su aparición, el telégrafo y el teléfono utilizaban la electricidad como importantes dispositivos de comunicación. Los electrodomésticos importantes incluyen: radio, TV, tocadiscos, lavadora, refrigerador, aire acondicionado, calentador y muchos otros. Muchos de estos aparatos utilizan un motor eléctrico inventado por Michael Faraday. Con el desarrollo de la electrónica, las computadoras también aparecieron en los hogares humanos.
La fabricación también hace un uso extensivo de potentes motores eléctricos, pero los fenómenos eléctricos también se aplican al electroformado, la fundición de metales, la soldadura y muchas otras formas.
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¿Dónde empezó? Creo que casi nadie dará una respuesta exacta y exhaustiva a esta pregunta. Pero aún así, tratemos de resolverlo.
Los fenómenos relacionados con la electricidad se observaron en la antigua China, India y la antigua Grecia varios siglos antes del comienzo de nuestra era. Cerca 600 aC., como dicen las leyendas sobrevivientes, el antiguo filósofo griego Tales de Mileto conocía la propiedad del ámbar frotado sobre la lana para atraer objetos ligeros. Por cierto, la palabra "electrón" los antiguos griegos llamaron ámbar. La palabra "electricidad" también vino de él. Pero los griegos solo observaron los fenómenos de la electricidad, pero no pudieron explicarlo.
Solamente en 1600 el médico de la corte de la reina inglesa Elizabeth William Gilbert, utilizando su electroscopio, demostró que no solo el ámbar frotado, sino también otros minerales tienen la capacidad de atraer cuerpos de luz: diamante, zafiro, ópalo, amatista, etc. En el mismo año, él publica la obra “Sobre el imán y los cuerpos magnéticos”, donde esboza todo un cuerpo de conocimientos sobre el magnetismo y la electricidad.
en 1650 El científico alemán y burgomaestre a tiempo parcial de Magdeburg Otto von Guericke crea la primera “máquina eléctrica”. Era una bola fundida de azufre, durante la rotación y el frotamiento de los cuales, los cuerpos ligeros eran atraídos y repelidos. Posteriormente, su automóvil fue mejorado por científicos alemanes y franceses.
en 1729 El inglés Stephen Gray descubrió la capacidad de ciertas sustancias para conducir la electricidad. Él, de hecho, introdujo por primera vez el concepto de conductores y no conductores de electricidad.
en 1733 El físico francés Charles Francois Dufay descubrió dos tipos de electricidad: "alquitrán" y "vidrio". Se presenta en ámbar, seda, papel; el segundo - en vidrio, piedras preciosas, lana.
en 1745 El físico y matemático holandés de la Universidad de Leiden, Pieter van Muschenbroek, descubrió que un frasco de vidrio cubierto con papel de aluminio puede almacenar electricidad. Muschenbroek lo llamó la botella de Leyden. Fue esencialmente el primer condensador eléctrico.
en 1747 El físico Jean Antoine Nollet, miembro de la Academia de Ciencias de París, inventó el electroscopio, el primer instrumento para evaluar el potencial eléctrico. También formuló la teoría de la acción de la electricidad sobre los organismos vivos y reveló la propiedad de la electricidad de "drenarse" más rápido de los cuerpos más afilados.
En 1747-1753. científico estadounidense y estadista Benjamin Franklin hizo una serie de estudios y descubrimientos relacionados. Introdujo el concepto de dos estados cargados, que todavía se usa: «+» y «-» . Explicó la acción de la botella de Leyden, estableciendo el papel decisivo del dieléctrico entre las placas conductoras. Estableció la naturaleza eléctrica del rayo. Propuso la idea de un pararrayos, habiendo establecido que los puntos metálicos conectados a tierra eliminan las cargas eléctricas de los cuerpos cargados. Presentó la idea de un motor eléctrico. Fue el primero en utilizar una chispa eléctrica para encender la pólvora.
En 1785-1789. El físico francés Charles Augustin Coulomb publica una serie de artículos sobre la interacción de las cargas eléctricas y los polos magnéticos. Realiza la prueba de la ubicación de las cargas eléctricas en la superficie del conductor. Introduce los conceptos de momento magnético y polarización de cargas.
en 1791 El médico y anatomista italiano Luigi Galvani descubrió la aparición de electricidad cuando dos metales diferentes entran en contacto con un organismo vivo. El efecto que descubrió subyace a los electrocardiógrafos modernos.
en 1795 otro científico italiano, Alessandro Volta, investigando el efecto descubierto por su predecesor, demostró que se produce una corriente eléctrica entre un par de metales diferentes separados por un líquido conductor especial.
en 1801 El científico ruso Vasily Vladimirovich Petrov estableció la posibilidad del uso práctico de la corriente eléctrica para calentar conductores, observó el fenómeno de un arco eléctrico en el vacío y varios gases. Presentó la idea de usar la corriente para encender y fundir metales.
en 1820 El físico danés Hans Christian Oersted estableció la conexión entre la electricidad y el magnetismo, lo que sentó las bases para la formación de la ingeniería eléctrica moderna. En el mismo año, el físico francés André Marie Ampère formuló una regla para determinar la dirección de acción de una corriente eléctrica sobre un campo magnético. Fue el primero en combinar electricidad y magnetismo y formuló las leyes de interacción entre campos eléctricos y magnéticos.
en 1827 El científico alemán Georg Simon Ohm descubrió su ley (ley de Ohm), una de las leyes fundamentales de la electricidad, que establece la relación entre corriente y voltaje.
en 1831 El físico inglés Michael Faraday descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética, que conduce a la formación de una nueva industria: la ingeniería eléctrica.
en 1847 El físico alemán Gustav Robert Kirchhoff formuló las leyes de las corrientes y voltajes en los circuitos eléctricos.
El final del siglo XIX - principios del XX estuvo lleno de descubrimientos relacionados con la electricidad. Un descubrimiento generó toda una cadena de descubrimientos durante varias décadas. La electricidad de objeto de investigación pasó a convertirse en objeto de consumo. Comenzó a introducirse ampliamente en diversas áreas de producción. Se inventaron y crearon motores eléctricos, generadores, teléfono, telégrafo, radio. Comienza la introducción de la electricidad en la medicina.
en 1878 las calles de París estaban iluminadas por las lámparas de arco de Pavel Nikolaevich Yablochkov. Aparecen las primeras centrales eléctricas. No hace mucho tiempo, pareciendo algo increíble y fantástico, la electricidad se está convirtiendo en un asistente familiar e indispensable para la humanidad.
Sobre la historia de la electricidad, brevemente. La electricidad es una rama de la física que habla de las propiedades y fenómenos asociados con la interacción de partículas cargadas.
Los descubrimientos realizados en esta área de la ciencia de la física han influido radicalmente en nuestras vidas. Por lo tanto, uno nunca debe olvidar cómo comenzó esta ciencia. La historia de la electricidad se remonta a la antigüedad. Sobre la historia de la electricidad, brevemente.
La carga eléctrica fue descubierta por primera vez por Tales de Mileto ya en el año 600 a. mi. Se dio cuenta de que el ámbar, usado en un trozo de lana, adquiere propiedades sorprendentes para atraer objetos ligeros no electrificados (pelusas y trozos de papel). El término "electricidad" fue introducido por primera vez por el científico inglés Tudor Gilbert en su libro Sobre propiedades magnéticas, cuerpos magnéticos y el gran imán: la Tierra. En su libro demostró que no sólo el ámbar, sino también otras sustancias tienen la propiedad de electrificarse. Y a mediados del siglo XVII, el conocido científico Otto von Guericke creó una máquina electrostática en la que descubrió la propiedad de los objetos cargados de repelerse entre sí. Así empezaron a aparecer los conceptos básicos en el apartado de electricidad. Sobre la historia de la electricidad.
Ya en 1729, el físico francés Charles Dufay estableció la existencia de dos tipos de cargas. Llamó a tales cargas "vítreas" y "resinosas", pero pronto, el científico alemán Georg Lichtenberg introdujo el concepto de cargas cargadas positiva y negativamente. Y en 1745 la primera vez condensador electrico- el llamado banco de Leyden.
Pero la oportunidad de formular los conceptos y descubrimientos básicos en la ciencia de la electricidad solo fue posible cuando apareció la investigación cuantitativa. Entonces comenzó la época del descubrimiento de las leyes básicas de la electricidad. La ley de interacción de las cargas electrónicas fue descubierta en 1785 por el científico francés Charles Coulomb utilizando el sistema de balanzas de torsión que creó.
Casi al mismo tiempo, en 1800, el experimentador italiano Volt inventó la primera fuente de corriente continua en la vida humana: una celda galvánica elemental. Se dieron a conocer los grandes descubrimientos asociados con el trabajo de Joule, Ohm y Lenz, estudiando la manifestación de la corriente eléctrica en un circuito. Faraday en 1831 y 1834 descubre la inducción electromagnética y las famosas leyes de la electrólisis.
Así, ya en el siglo XVII, comenzó a tomar forma el concepto eléctrico de la materia, según el cual todos los cuerpos físicos sin excepción son complejos peculiares de partículas que interactúan. Por lo tanto, en el futuro, muchos propiedades físicas Los cuerpos están determinados por las leyes que fueron formuladas en la antigüedad. La ciencia de la electricidad no se detiene y cada año hay más y más nuevos descubrimientos en este campo de la ciencia. En nuestra web sobre electricidad, siempre estarás al día de todas las nuevas investigaciones sobre la historia de la electricidad.
