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Storia dell'elettricità

Elettricità, un insieme di fenomeni causati dall'esistenza, dal movimento e dall'interazione di corpi o particelle caricati elettricamente. L'interazione delle cariche elettriche viene effettuata con l'aiuto dell'elettro campo magnetico(nel caso di cariche elettriche immobili - un campo elettrostatico).

Le cariche in movimento (corrente elettrica), insieme a quella elettrica, eccitano anche un campo magnetico, ovvero generano un campo elettromagnetico attraverso il quale si realizza l'interazione elettromagnetica (la dottrina del magnetismo è parte integrante della dottrina generale dell'elettricità) . I fenomeni elettromagnetici sono descritti dall'elettrodinamica classica, che si basa sulle equazioni di Maxwell

Le leggi della teoria classica dell'elettricità coprono un vasto insieme di processi elettromagnetici. Tra i 4 tipi di interazione (elettromagnetica, gravitazionale, forte e debole) che esistono in natura, l'elettromagnetico occupa il primo posto in termini di ampiezza e varietà di manifestazioni. Ciò è dovuto al fatto che tutti i corpi sono costruiti da particelle caricate elettricamente di segno opposto, le interazioni tra le quali, da un lato, sono molti ordini di grandezza più intense di quelle gravitazionali e deboli, e dall'altro, sono a lungo raggio, a differenza delle interazioni forti. La struttura dei gusci atomici, l'adesione degli atomi alle molecole (forze chimiche) e la formazione di materia condensata sono determinate dall'interazione elettromagnetica.

I più semplici fenomeni elettrici e magnetici sono noti fin dall'antichità. Sono stati trovati minerali che attiravano pezzi di ferro, ed è stato anche scoperto che l'ambra (elettrone greco, elektron, da cui il termine elettricità), strofinata sulla lana, attira oggetti luminosi (elettrificazione per attrito). Tuttavia, fu solo nel 1600 che W. Gilbert stabilì per la prima volta la distinzione tra fenomeni elettrici e magnetici. Ha scoperto l'esistenza dei poli magnetici e la loro inseparabilità l'uno dall'altro e ha anche stabilito che il globo è un magnete gigante.

Nella XVII - prima metà del XVIII secolo. furono effettuati numerosi esperimenti con corpi elettrificati, furono costruite le prime macchine elettrostatiche basate sull'elettrificazione per attrito, fu accertata l'esistenza di cariche elettriche di due tipi (C. Dufay) e fu scoperta la conducibilità elettrica dei metalli (lo scienziato inglese S. . Grigio). Con l'invenzione del primo condensatore - Vaso di Leida(1745) - divenne possibile accumulare grosse cariche elettriche. Nel 1747-53 Franklin espose la prima teoria coerente dei fenomeni elettrici, infine stabilì la natura elettrica del fulmine e inventò il parafulmine.

Nella seconda metà del XVIII sec. iniziò lo studio quantitativo dei fenomeni elettrici e magnetici. Il primo strumenti di misura- elettroscopi di vario design, elettrometri. G. Cavendish (1773) e S. Coulomb (1785) stabilirono sperimentalmente la legge di interazione delle cariche elettriche puntiformi immobili (le opere di Cavendish furono pubblicate solo nel 1879).

Questa legge di base dell'elettrostatica (legge di Coulomb) per la prima volta ha permesso di creare un metodo per misurare le cariche elettriche in base alle forze di interazione tra di loro. Coulomb stabilì anche la legge dell'interazione tra i poli dei magneti lunghi e introdusse il concetto di cariche magnetiche concentrate alle estremità dei magneti.

La fase successiva nello sviluppo della scienza dell'elettricità è associata alla scoperta alla fine del XVIII secolo. L. Galvani "elettricità animale" e lavori A. Volta che ha inventato la prima fonte corrente elettrica- una cella galvanica (la cosiddetta colonna volt, 1800), che crea una corrente continua (costante) per lungo tempo. Nel 1802 V.V. Petrov, dopo aver costruito una cella galvanica di potenza molto maggiore, scoprì l'arco elettrico, ne studiò le proprietà e indicò la possibilità di utilizzarlo per l'illuminazione, nonché per fondere e saldare i metalli. G. Davy per elettrolisi soluzione acquosa alcali ha ricevuto (1807) metalli precedentemente sconosciuti - sodio e potassio. J, P. Joule stabilì (1841) che la quantità di calore rilasciata nel conduttore dalla corrente elettrica è proporzionale al quadrato dell'intensità della corrente; questa legge è stata confermata (1842) dagli esperimenti esatti di EH Lenz (la legge di Joule-Lenz).

G. Ohm stabilì (1826) la dipendenza quantitativa della corrente elettrica dalla tensione nel circuito. KF Gauss formulò (1830) il teorema fondamentale dell'elettrostatica.

La scoperta più fondamentale fu fatta da H. Oersted nel 1820; scoprì l'azione di una corrente elettrica su un ago magnetico, un fenomeno che testimoniava la connessione tra elettricità e magnetismo. In seguito, nello stesso anno, A.M. Ampere stabilì la legge di interazione delle correnti elettriche (legge di Ampere). Dimostrò inoltre che le proprietà dei magneti permanenti possono essere spiegate partendo dal presupposto che nelle molecole dei corpi magnetizzati circolino correnti elettriche costanti (correnti molecolari). Quindi, secondo Ampère, tutti i fenomeni magnetici si riducono a interazioni di correnti, mentre le cariche magnetiche non esistono. Dalle scoperte di Oersted e Ampère, la dottrina del magnetismo è diventata parte integrante della dottrina dell'elettricità.

Dal 2° quarto del 19° secolo. iniziò la rapida penetrazione dell'elettricità nella tecnologia. Negli anni '20. apparvero i primi elettromagneti. Uno dei primi utilizzi dell'elettricità fu l'apparato telegrafico, negli anni '30 e '40. furono costruiti motori elettrici e generatori di corrente;

Negli anni 30-40. 19esimo secolo M. Faraday, il creatore della dottrina generale dei fenomeni elettromagnetici, in cui tutti i fenomeni elettrici e magnetici sono considerati da un unico punto di vista, ha dato un grande contributo allo sviluppo della scienza dell'elettricità. Con l'aiuto di esperimenti, ha dimostrato che gli effetti delle cariche elettriche e delle correnti non dipendono dal metodo della loro produzione [prima di Faraday distinguevano tra "ordinario" (ottenuto per elettrificazione per attrito), atmosferico, "galvanico", magnetico , termoelettrica, "animale" e altri tipi di energia elettrica.].

Esperimento di Arago ("magnetismo di rotazione").

Nel 1831, Faraday scoprì l'induzione elettromagnetica, l'eccitazione di una corrente elettrica in un circuito situato in un campo magnetico alternato. Questo fenomeno (osservato nel 1832 anche da J. Henry) costituisce la base dell'ingegneria elettrica. Nel 1833-34 Faraday stabilì le leggi dell'elettrolisi; queste sue opere gettarono le basi per l'elettrochimica. Successivamente, cercando di trovare il rapporto tra i fenomeni elettrici e magnetici con quelli ottici, scoprì la polarizzazione dei dielettrici (1837), i fenomeni del paramagnetismo e del diamagnetismo (1845), la rotazione magnetica del piano di polarizzazione della luce (1845), eccetera.

Faraday ha introdotto per la prima volta il concetto di campi elettrici e magnetici. Negava il concetto di azione a lungo raggio, i cui sostenitori credevano che i corpi direttamente (attraverso il vuoto) a distanza agissero l'uno sull'altro.

Secondo le idee di Faraday, l'interazione tra cariche e correnti avviene attraverso agenti intermedi: cariche e correnti creano campi elettrici o (rispettivamente) magnetici nello spazio circostante, con l'aiuto dei quali l'interazione viene trasmessa da punto a punto (il concetto di azione a corto raggio). Le sue idee sui campi elettrici e magnetici si basavano sul concetto di linee di forza, che considerava come formazioni meccaniche in un mezzo ipotetico: l'etere, simile a fili o corde elastiche tese.

Le idee di Faraday sulla realtà del campo elettromagnetico non furono immediatamente riconosciute. La prima formulazione matematica delle leggi dell'induzione elettromagnetica fu data da F. Neumann nel 1845 nel linguaggio del concetto di azione a lungo raggio.

Ha inoltre introdotto importanti concetti sui coefficienti di auto- e mutua induzione delle correnti. Il significato di questi concetti fu pienamente rivelato in seguito, quando W. Thomson (Lord Kelvin) sviluppò (1853) la teoria delle oscillazioni elettriche in un circuito costituito da un condensatore (capacità) e da una bobina (induttanza).
Di grande importanza per lo sviluppo della dottrina dell'elettricità è stata la creazione di nuovi strumenti e metodi. misure elettriche, nonché un sistema unificato di unità di misura elettriche e magnetiche, creato da Gauss e W. Weber.

Nel 1846 Weber indicò la connessione tra la forza della corrente e la densità delle cariche elettriche in un conduttore e la velocità del loro movimento ordinato. Ha anche stabilito la legge di interazione delle cariche puntiformi in movimento, che conteneva una nuova costante elettrodinamica universale, che è il rapporto tra le unità di carica elettrostatiche ed elettromagnetiche e ha la dimensione della velocità.

Nella determinazione sperimentale (Weber e f. Kohlrausch, 1856) di questa costante si ottenne un valore prossimo alla velocità della luce; questa era una chiara indicazione della connessione tra i fenomeni elettromagnetici e quelli ottici.

Nel 1861-73 la dottrina dell'elettricità fu sviluppata e completata nelle opere di J. K. Maxwell. Basandosi sulle leggi empiriche dei fenomeni elettromagnetici e introducendo l'ipotesi della generazione di un campo magnetico da un campo elettrico alternato, Maxwell formulò le equazioni fondamentali dell'elettrodinamica classica, a lui intitolate. Allo stesso tempo, come Faraday, considerava i fenomeni elettromagnetici come una forma di processi meccanici nell'etere.

La principale nuova conseguenza di queste equazioni è l'esistenza di onde elettromagnetiche che si propagano alla velocità della luce. Le equazioni di Maxwell hanno costituito la base della teoria elettromagnetica della luce. Una conferma decisiva della teoria di Maxwell fu trovata nel 1886-89, quando G. Hertz stabilì sperimentalmente l'esistenza delle onde elettromagnetiche. Dopo la sua scoperta, sono stati fatti tentativi per stabilire la comunicazione utilizzando le onde elettromagnetiche, culminati nella creazione della radio, e sono iniziate un'intensa ricerca nel campo dell'ingegneria radio.

Alla fine del XIX - inizio XX secolo. iniziò una nuova fase nello sviluppo della teoria dell'elettricità. La ricerca sulle scariche elettriche è culminata nella scoperta da parte di JJ Thomson della discrezione delle cariche elettriche. Nel 1897 misurò il rapporto tra la carica dell'elettrone e la sua massa e nel 1898 determinò il valore assoluto della carica dell'elettrone. H. Lorentz, basandosi sulla scoperta di Thomson e sulle conclusioni della teoria cinetica molecolare, pose le basi della teoria elettronica della struttura della materia. Nella teoria elettronica classica, la materia è considerata come un insieme di particelle caricate elettricamente il cui moto è soggetto alle leggi della meccanica classica. Le equazioni di Maxwell sono ottenute dalle equazioni della teoria elettronica mediante media statistica.

I tentativi di applicare le leggi dell'elettrodinamica classica allo studio dei processi elettromagnetici nei mezzi in movimento hanno incontrato notevoli difficoltà. Nel tentativo di risolverli, A. Einstein giunse (1905) alla relatività della teoria. Questa teoria ha finalmente confutato l'idea dell'esistenza di un etere dotato di proprietà meccaniche. Dopo la creazione della teoria della relatività, divenne ovvio che le leggi dell'elettrodinamica non possono essere ridotte alle leggi della meccanica classica.

A piccoli intervalli spazio-temporali, le proprietà quantistiche del campo elettromagnetico, che non sono prese in considerazione dalla teoria classica dell'elettricità, diventano significative. La teoria quantistica dei processi elettromagnetici - l'elettrodinamica quantistica - è stata creata nel 2° quarto del 20° secolo. La teoria quantistica della materia e del campo va già oltre la dottrina dell'elettricità, studia problemi più fondamentali riguardanti le leggi del moto particelle elementari e i loro edifici.

Con la scoperta di nuovi fatti e la creazione di nuove teorie, il significato della dottrina classica dell'elettricità non è diminuito, sono stati determinati solo i limiti di applicabilità dell'elettrodinamica classica. Entro questi limiti restano valide le equazioni di Maxwell e la teoria classica dell'elettrone, che costituiscono il fondamento della moderna teoria dell'elettricità.

L'elettrodinamica classica costituisce la base della maggior parte delle sezioni di ingegneria elettrica, ingegneria radio, elettronica e ottica (ad eccezione dell'elettronica quantistica). Con l'aiuto delle sue equazioni, è stato risolto un numero enorme di problemi di natura teorica e applicata. In particolare, numerosi problemi di comportamento del plasma in laboratorio e nello spazio vengono risolti utilizzando le equazioni di Maxwell.

INTRODUZIONE

Iniziamo la nostra storia con le parole dello stesso Tesla, che poco prima della sua morte scrisse un meraviglioso saggio di storia dell'ingegneria elettrica "The Tale of Electricity": "Chi vuole davvero ricordare tutta la grandezza del nostro tempo, deve conoscere con la storia della scienza dell'elettricità."

Per la prima volta, i fenomeni ora chiamati elettrici furono notati nell'antica Cina, in India e successivamente Grecia antica. Le leggende sopravvissute narrano che l'antico filosofo greco Talete di Mileto (640-550 aC) conoscesse già la proprietà dell'ambra, strofinata con pelliccia o lana, per attirare ritagli di carta, lanugine e altri corpi leggeri. Dal nome greco dell'ambra - "elettrone" - questo fenomeno ricevette in seguito il nome di elettrificazione.

Per molti secoli i fenomeni elettrici sono stati considerati manifestazioni del potere divino, fino al XVII secolo. gli scienziati non si sono avvicinati allo studio dell'elettricità. Ciondolo, Gilbert, Otto von Guericke, Mushenbreck, Franklin, Oersted, Arago, Lomonosov, Luigi Galvani, Alessandro Volta - questo è lontano da lista completa scienziati elettrici. Una menzione speciale va fatta alle attività del notevole scienziato André Marie Ampère, che ha gettato le basi per lo studio azione dinamica corrente elettrica e ha stabilito una serie di leggi dell'elettrodinamica.

Le scoperte di Oersted, Arago, Ampère interessarono il brillante fisico inglese Michael Faraday e lo spinsero a studiare l'intera gamma di domande sulla trasformazione dell'energia elettrica e magnetica in energia meccanica. Un altro fisico inglese James Clerk (Clark) Maxwell nel 1873 pubblicò un'importante opera in due volumi "Trattato sull'elettricità e il magnetismo", che combinava i concetti di elettricità, magnetismo e campo elettromagnetico. Da quel momento iniziò l'era dell'uso attivo energia elettrica in Vita di ogni giorno.

1. ELETTRICITÀ

L'elettricità è un concetto che esprime proprietà e fenomeni dovuti alla struttura dei corpi e dei processi fisici, la cui essenza è il movimento e l'interazione di particelle microscopiche cariche di materia (elettroni, ioni, molecole, i loro complessi, ecc.).

Gilbert scoprì per la prima volta che le proprietà dell'elettrificazione sono inerenti non solo all'ambra, ma anche al diamante, allo zolfo e alla resina. Ha anche notato che alcuni corpi, come metalli, pietre, ossa, non si elettrificano e ha diviso tutti i corpi che si trovano in natura, elettrificati e non. Prestando particolare attenzione al primo, fece esperimenti per studiarne le proprietà.

Nel 1650, il famoso scienziato tedesco, sindaco della città di Magdeburgo, inventore della pompa ad aria, Otto von Guericke, costruì uno speciale " macchina elettrica", che rappresenta una palla di zolfo delle dimensioni della testa di un bambino, montata su un asse.

Figura 1 - La macchina elettrica di Von Guericke, migliorata da Van de Graaf

Se, durante la rotazione della palla, veniva strofinata con i palmi delle mani, acquisiva presto la proprietà di attrarre e respingere i corpi leggeri. Nel corso di diversi secoli, la macchina di Guericke fu notevolmente migliorata dall'inglese Hawksby, dagli scienziati tedeschi Bose, Winkler e altri. Gli esperimenti con queste macchine hanno portato a una serie di importanti scoperte:

· nel 1707 il fisico francese du Fey scoprì la differenza tra l'elettricità ottenuta dall'attrito di una sfera di vetro e quella ottenuta dall'attrito di una torsione di resina di un albero;

· Nel 1729, gli inglesi Gray e Wheeler scoprirono la capacità di alcuni corpi di condurre elettricità e per la prima volta sottolinearono che tutti i corpi possono essere divisi in conduttori e non conduttori di elettricità.

Ma molto di più importante scoperta fu descritto nel 1729 da Mushenbreck, professore di matematica e filosofia nella città di Leida. Scoprì che un barattolo di vetro, incollato su entrambi i lati con carta stagnola (lamiere di acciaio), era in grado di accumulare elettricità. Caricato a un certo potenziale (il cui concetto è apparso molto più tardi), questo dispositivo poteva essere scaricato con un effetto significativo: una grande scintilla che produceva un forte crepitio, simile a un fulmine, e aveva azioni fisiologiche quando le mani toccano il rivestimento del barattolo. Dal nome della città in cui furono effettuati gli esperimenti, il dispositivo creato da Mushenbreck fu chiamato vaso di Leida.

Figura 2 - Vaso di Leida. Collegamento in parallelo quattro lattine

Gli studi sulle sue proprietà sono stati condotti in vari paesi e hanno causato l'emergere di molte teorie che hanno cercato di spiegare il fenomeno scoperto della condensazione di carica. Una delle teorie su questo fenomeno è stata data dall'eccezionale scienziato e personaggio pubblico americano Benjamin Franklin, che ha sottolineato l'esistenza di elettricità positiva e negativa. Dal punto di vista di questa teoria, Franklin ha spiegato il processo di carica e scarica di un barattolo di Leida e ha dimostrato che le sue piastre possono essere elettrificate arbitrariamente da cariche elettriche di segni diversi.

Franklin, come gli scienziati russi M. V. Lomonosov e G. Richman, ha prestato molta attenzione allo studio dell'elettricità atmosferica, della scarica di fulmini (fulmini). Come sapete, Richman è morto facendo un esperimento sullo studio dei fulmini. Nel 1752 Benjamin Franklin inventò il parafulmine. Parafulmine (il "parafulmine" più euforico viene utilizzato anche nella vita di tutti i giorni) - un dispositivo installato su edifici e strutture e che serve a proteggere dai fulmini. Si compone di tre parti interconnesse:

Nel 1785 S. Coulomb scoprì la legge fondamentale dell'elettrostatica. Sulla base di numerosi esperimenti, Coulomb ha stabilito la seguente legge:

La forza di interazione delle cariche stazionarie nel vuoto è direttamente proporzionale al prodotto dei moduli di carica e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza - , :

Nel 1799 fu creata la prima fonte di corrente elettrica: una cella galvanica e una batteria di celle. Cella galvanica (fonte di corrente chimica) - un dispositivo che consente di convertire l'energia reazione chimica in lavoro elettrico. Secondo il principio di funzionamento, si distinguono primarie (una tantum), secondarie (batterie) e celle a combustibile. La cella galvanica è costituita da un elettrolita conduttore di ioni e due elettrodi dissimili (mezze celle), i processi di ossidazione e riduzione nella cella galvanica sono spazialmente separati. Viene chiamato il polo positivo di una cella galvanica catodo, negativo - anodo. Gli elettroni escono dalla cella attraverso l'anodo e viaggiano in un circuito esterno fino al catodo.

I lavori degli accademici russi Aepinus, Kraft e altri hanno rivelato una serie di proprietà molto importanti della carica elettrica, ma hanno tutti studiato l'elettricità in uno stato stazionario o la sua scarica istantanea, cioè le proprietà dell'elettricità statica. Il suo movimento si manifestava solo sotto forma di scarica. Non si sapeva ancora nulla della corrente elettrica, cioè del movimento continuo dell'elettricità.

Uno dei primi a studiare a fondo le proprietà della corrente elettrica nel 1801-1802 fu l'accademico di San Pietroburgo V.V. Petrov. Il lavoro di questo eccezionale scienziato, che in quegli anni costruì la più grande batteria del mondo da 4200 cerchi di rame e zinco, stabilì la possibilità dell'uso pratico della corrente elettrica per riscaldare i conduttori. Inoltre, Petrov osservò il fenomeno di una scarica elettrica tra le estremità dei carboni leggermente diluiti sia nell'aria che in altri gas e nel vuoto, che fu chiamato arco elettrico. V. V. Petrov non solo descrisse il fenomeno da lui scoperto, ma indicò anche la possibilità di usarlo per illuminare o fondere metalli, esprimendo così per la prima volta l'idea di applicazione pratica corrente elettrica. Da questo momento dovrebbe iniziare la storia dell'ingegneria elettrica come branca indipendente della tecnologia.

Gli esperimenti con la corrente elettrica hanno attirato l'attenzione di molti scienziati di diversi paesi. Nel 1802, lo scienziato italiano Romagnosi scoprì la deviazione di un ago magnetico sotto l'influenza di una corrente elettrica che scorreva attraverso un conduttore vicino. Alla fine del 1819, questo fenomeno fu nuovamente osservato dal fisico danese Oersted, che nel marzo 1820 pubblicò un opuscolo in latino intitolato "Esperimenti sull'azione del conflitto elettrico su un ago magnetico". In questo lavoro, una corrente elettrica è stata chiamata "conflitto elettrico".

Non appena Arago dimostrò l'esperienza di Oersted in una riunione dell'Accademia delle scienze di Parigi, Ampère, ripetendola, il 18 settembre 1820, esattamente una settimana dopo, presentò all'Accademia un rapporto sulle sue ricerche. Nella riunione successiva, il 25 settembre, Ampère terminò di leggere una relazione in cui delineava le leggi dell'interazione di due correnti che scorrono attraverso conduttori paralleli. Da quel momento l'accademia ascoltò settimanalmente i nuovi resoconti di Ampère sui suoi esperimenti, che completarono la scoperta e la formulazione delle leggi fondamentali dell'elettrodinamica.

Uno dei meriti più importanti di Ampère è stato quello di essere stato il primo a combinare due fenomeni precedentemente separati - elettricità e magnetismo - in un'unica teoria dell'elettromagnetismo e ha proposto di considerarli come il risultato di un unico processo della natura. Questa teoria, incontrata con grande sfiducia dai contemporanei di Ampère, era molto progressista e ha svolto un ruolo enorme nella corretta comprensione dei fenomeni scoperti successivamente.

Nel 1827, lo scienziato tedesco Georg Ohm scoprì una delle leggi fondamentali dell'elettricità, che stabilisce le principali relazioni tra l'intensità della corrente, la tensione e la resistenza del circuito attraverso il quale scorre la corrente elettrica, , ,

Nel 1847 Kirchhoff formulò le leggi per lo spiegamento delle correnti nei circuiti complessi , , , :

La prima legge di Kirchhoff

Si applica ai nodi ed è formulata come segue: la somma algebrica delle correnti nel nodo è uguale a zero. I segni sono determinati a seconda che la corrente sia diretta al nodo o lontana da esso (in ogni caso, arbitrariamente).

La seconda legge di Kirchhoff

Vale per i circuiti: in qualsiasi circuito, la somma delle tensioni su tutti gli elementi e le sezioni del circuito inclusi in questo circuito è uguale a zero. La direzione per aggirare ogni contorno può essere scelta arbitrariamente. I segni sono determinati in base alla coincidenza delle tensioni con la direzione del bypass.

La seconda formulazione: in qualsiasi circuito chiuso, la somma algebrica delle tensioni in tutte le sezioni con resistenze incluse in questo circuito è uguale alla somma algebrica dell'EMF.

Generalizzazione delle leggi di Kirchhoff

Sia Y il numero di nodi della catena, B il numero di rami, K il numero di circuiti.

Figura 3 - Circuito elettrico ramificato lineare (U=3, V=5, K=6)

2. MAGNETISMO (MAGNETI)

Magnetismo- è una forma di interazione tra cariche elettriche in movimento effettuata a distanza per mezzo di un campo magnetico.

Un campo magnetico è un tipo speciale di materia, una caratteristica della quale è l'azione su una carica elettrica in movimento, conduttori che trasportano corrente, corpi con un momento magnetico, con una forza che dipende dal vettore della velocità di carica, dalla direzione della corrente forza nel conduttore e nella direzione momento magnetico corpo .

Un magnete permanente è un prodotto costituito da un materiale magnetico duro, fonte autonoma di un campo magnetico costante.
magneti [gr. magnetis, da Magnetis Lithos, una pietra di Magnesia ( città antica in Asia Minore)] sono naturali e artificiali. Un magnete naturale è un pezzo di minerale di ferro, che ha la capacità di attrarre piccoli oggetti di ferro che si trovano nelle vicinanze.

I magneti naturali giganti sono la Terra e altri pianeti (Magnitosfera) poiché hanno un campo magnetico. I magneti artificiali sono oggetti e prodotti che hanno ricevuto proprietà magnetiche a seguito del contatto con un magnete naturale o magnetizzati in un campo magnetico. Un magnete permanente è un magnete artificiale.

Nei casi più semplici, un magnete permanente è un corpo (a forma di ferro di cavallo, striscia, rondella, bacchetta, ecc.) che ha subito un opportuno trattamento termico e viene premagnetizzato a saturazione.

Figura 4 - Tipi di magneti: a) ferro di cavallo; b) striscia; c) circolare

Un magnete permanente è solitamente incluso come parte integrante di un sistema magnetico progettato per formare un campo magnetico. L'intensità del campo magnetico generato da un magnete permanente può essere costante o regolabile.
Diverse parti di un magnete permanente attraggono oggetti di ferro in modi diversi. Le estremità del magnete, dove l'attrazione è massima, sono chiamate poli del magnete e la parte centrale, dove l'attrazione è praticamente assente, è chiamata zona neutra del magnete. I magneti artificiali a forma di striscia o ferro di cavallo hanno sempre due poli alle estremità della striscia e una zona neutra tra di loro. È possibile magnetizzare un pezzo di acciaio in modo tale che abbia 4, 6 o più poli separati da zone neutre, mentre il numero di poli rimane sempre pari. È impossibile ottenere un magnete con un polo. Il rapporto tra le dimensioni delle regioni polari e la zona neutra di un magnete dipende dalla sua forma.

Un magnete solitario a forma di un'asta lunga e sottile è chiamato ago magnetico. L'estremità di un ago magnetico appuntito o sospeso - bussola semplice, indica il nord geografico della Terra, ed è chiamato polo nord (N) del magnete, il polo opposto del magnete, punta a sud, ed è chiamato polo sud (S).
I campi di applicazione dei magneti permanenti sono molto diversi. Trovano impiego nei motori elettrici, nell'automazione, nella robotica, per accoppiamenti magnetici di cuscinetti magnetici, nell'industria orologiera, in elettrodomestici, come sorgenti autonome di un campo magnetico costante nell'ingegneria elettrica e nella radioingegneria.

I circuiti magnetici, compresi i magneti permanenti, devono essere aperti, cioè avere un traferro. Se un magnete permanente è realizzato sotto forma di un nucleo anulare, praticamente non emette energia nello spazio esterno, poiché quasi tutti i magneti linee di forza rinchiuso al suo interno. In questo caso il campo magnetico esterno al nucleo è praticamente assente. Per utilizzare l'energia magnetica dei magneti permanenti, è necessario creare un traferro di una certa dimensione in un circuito magnetico chiuso.

Quando un magnete permanente viene utilizzato per creare flusso magnetico in un traferro, ad esempio tra i poli di un magnete a ferro di cavallo, il traferro riduce l'induzione (e la magnetizzazione) del magnete permanente.

3. ELETTROMAGNETISMO

L'interazione elettromagnetica è una delle quattro interazioni fondamentali. Esiste un'interazione elettromagnetica tra particelle che hanno una carica elettrica. Dal punto di vista moderno, l'interazione elettromagnetica tra particelle cariche non avviene direttamente, ma solo attraverso il campo elettromagnetico.

Dal punto di vista della teoria quantistica dei campi, l'interazione elettromagnetica è trasportata da un bosone senza massa - un fotone (una particella che può essere rappresentata come un'eccitazione quantistica di un campo elettromagnetico). Il fotone stesso non ha una carica elettrica, il che significa che non può interagire direttamente con altri fotoni.

Delle particelle fondamentali, anche le particelle con carica elettrica partecipano all'interazione elettromagnetica: quark, un elettrone, un muone e una particella tau (dai fermioni), nonché bosoni di gauge carichi.

L'interazione elettromagnetica differisce dalle interazioni deboli e forti per la sua natura a lungo raggio: la forza di interazione tra due cariche cade solo come seconda potenza della distanza (vedi: legge di Coulomb). Secondo la stessa legge, l'interazione gravitazionale diminuisce con la distanza.

L'interazione elettromagnetica delle particelle cariche è molto più forte di quella gravitazionale, e l'unico motivo per cui l'interazione elettromagnetica non si manifesta con grande forza su scala cosmica è la neutralità elettrica della materia, cioè la presenza in ogni regione del Universo con un alto grado di precisione di uguali quantità di cariche positive e negative.

Campo elettromagnetico- questa è una forma speciale di materia, attraverso la quale viene effettuata l'interazione tra particelle cariche. Rappresenta variabili correlate campo elettrico e campo magnetico. La connessione reciproca dei campi elettrici E e magnetici H sta nel fatto che qualsiasi variazione in uno di essi porta alla comparsa dell'altro: un campo elettrico alternato generato da cariche in rapido movimento (sorgente) eccita un campo magnetico alternato in regioni adiacenti dello spazio, che, a sua volta, eccita un campo elettrico alternato nelle regioni adiacenti dello spazio, ecc. Pertanto, il campo elettromagnetico si propaga da un punto all'altro nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche che scorrono dalla sorgente. Per la finitezza della velocità di propagazione, il campo elettromagnetico può esistere autonomamente dalla sorgente che lo ha generato e non scompare con l'eliminazione della sorgente (ad esempio le onde radio non scompaiono con la cessazione della corrente nell'antenna che li ha emessi).

Il campo elettromagnetico nel vuoto è descritto dall'intensità del campo elettrico E e dall'induzione magnetica B. Il campo elettromagnetico nel mezzo è inoltre caratterizzato da due grandezze ausiliarie: l'intensità del campo magnetico H e l'induzione elettrica D. Il collegamento del campo elettromagnetico componenti con cariche e correnti è descritto dalle equazioni di Maxwell.

Le onde elettromagnetiche sono oscillazioni elettromagnetiche propagandosi nello spazio con una velocità finita a seconda delle proprietà del mezzo (Figura 5).

Figura 5 - Onde elettromagnetiche

L'esistenza delle onde elettromagnetiche fu predetta dal fisico inglese M. Faraday nel 1832. Un altro scienziato inglese, J. Maxwell, nel 1865 dimostrò teoricamente che le oscillazioni elettromagnetiche non rimangono localizzate nello spazio, ma si propagano in tutte le direzioni dalla sorgente. La teoria di Maxwell ha permesso di avvicinarsi alla descrizione di onde radio, radiazioni ottiche, radiazioni a raggi X e radiazioni gamma in modo unificato. Si è scoperto che tutti questi tipi di radiazioni sono onde elettromagnetiche con diverse lunghezze d'onda λ, cioè sono correlate in natura. Ciascuno di essi ha il suo posto specifico in un'unica scala di onde elettromagnetiche (Figura 6).

Figura 6 - Scala delle onde elettromagnetiche

Propagandosi nei mezzi, le onde elettromagnetiche, come qualsiasi altra onda, possono subire rifrazione e riflessione all'interfaccia tra mezzi, dispersione, assorbimento, interferenza; quando si propaga in mezzi disomogenei, si osservano diffrazione delle onde, dispersione delle onde e altri fenomeni.

Le onde elettromagnetiche di diverse gamme di lunghezze d'onda sono caratterizzate da diversi modi di eccitazione e registrazione, interagiscono in modo diverso con la materia. I processi di emissione e assorbimento delle onde elettromagnetiche dalla radiazione più lunga alla radiazione IR sono descritti in modo abbastanza completo dalle relazioni dell'elettrodinamica classica.

Nelle gamme delle lunghezze d'onda più corte, specialmente nelle gamme dei raggi X e dei raggi γ, predominano processi di natura quantistica e possono essere descritti solo nell'ambito dell'elettrodinamica quantistica basata sul concetto della discrezione di questi processi.

Le onde elettromagnetiche sono ampiamente utilizzate nelle comunicazioni radio, radar, televisione, medicina, biologia, fisica, astronomia e altri campi della scienza e della tecnologia.

Le scoperte di Oersted, Arago, Ampère interessarono il brillante fisico inglese Michael Faraday e lo spinsero a studiare l'intera gamma di domande sulla trasformazione dell'energia elettrica e magnetica in energia meccanica. Nel 1821 trovò un'altra soluzione al problema della conversione dell'energia elettrica e magnetica in energia meccanica e dimostrò il suo dispositivo, in cui ottenne il fenomeno della rotazione elettromagnetica continua. Lo stesso giorno, Faraday scrisse nel suo diario di lavoro il problema inverso: "Trasforma il magnetismo in elettricità". Ci sono voluti più di dieci anni per risolverlo e trovare un modo per ottenere energia elettrica da quella magnetica e meccanica. Solo alla fine del 1831 Faraday annunciò la scoperta di un fenomeno, che in seguito fu chiamato induzione elettromagnetica e che costituisce la base di tutta la moderna industria dell'energia elettrica.

4. MACCHINE ELETTRICHE

Lo studio di Faraday e il lavoro dell'accademico russo E. X. Lenz, che formulò la legge con cui era possibile determinare la direzione della corrente elettrica risultante dall'induzione elettromagnetica, permisero di creare i primi generatori elettromagnetici e motori elettrici.

Inizialmente, generatori elettrici e motori elettrici si svilupparono indipendentemente l'uno dall'altro, come due macchine completamente diverse. Il primo inventore di un generatore elettrico basato sul principio dell'induzione elettromagnetica ha voluto rimanere anonimo. È successo così. Poco dopo la pubblicazione del rapporto di Faraday sulla Royal Society, che delineava la scoperta dell'induzione elettromagnetica, lo scienziato trovò nella sua cassetta delle lettere una lettera firmata con le iniziali R.M. Essa conteneva una descrizione del primo generatore sincrono e disegno allegato. Faraday, dopo aver esaminato attentamente questo progetto, inviò una lettera a R. M. e un disegno allo stesso giornale in cui un tempo era stato pubblicato il suo rapporto, sperando che l'ignoto inventore, seguendo il giornale, vedesse pubblicato non solo il suo progetto, ma anche la lettera di accompagnamento di Faraday, che apprezza molto l'invenzione di R. M-,,.

Infatti, dopo quasi sei mesi, R. M. ha inviato ulteriori spiegazioni e una descrizione del progetto del generatore elettrico da lui proposto, ma questa volta ha voluto anche rimanere anonimo. Il nome del vero creatore del primo generatore elettromagnetico è rimasto nascosto sotto le iniziali, e l'umanità ancora, nonostante le ricerche approfondite degli storici dell'ingegneria elettrica, rimane nell'oscurità a cui deve una delle invenzioni più importanti. La macchina R.M. non disponeva di un dispositivo per la rettifica della corrente ed era il primo generatore corrente alternata. Ma questa corrente, a quanto pareva, non poteva essere utilizzata per l'illuminazione ad arco, l'elettrolisi, la telegrafia, che erano già saldamente stabilite nella vita. Era necessario, secondo i progettisti dell'epoca, creare una macchina in cui fosse possibile ottenere una corrente che fosse costante in direzione e intensità.

Quasi contemporaneamente a R. M., i fratelli Pixie e il professore di fisica all'Università di Londra e un membro della Royal Society V. Ricci erano impegnati nella progettazione di generatori. Le macchine che crearono avevano un dispositivo speciale per la rettifica della corrente alternata in corrente continua: il cosiddetto collettore. Ulteriore sviluppo di progetti di generatori corrente continua procedette a un ritmo insolitamente veloce. In meno di quarant'anni, la dinamo ha preso quasi completamente la forma del moderno generatore a corrente continua. È vero, l'avvolgimento di queste dinamo era distribuito in modo non uniforme attorno alla circonferenza, il che ha peggiorato il funzionamento di tali generatori: la tensione al loro interno aumentava o diminuiva, causando scosse spiacevoli.

Nel 1870, Zenobaeus Gramm propose uno speciale, cosiddetto avvolgimento ad anello dell'armatura della dinamo. La distribuzione uniforme dell'avvolgimento dell'indotto ha permesso di ottenere una tensione completamente uniforme nel generatore e la stessa rotazione del motore, migliorando notevolmente le proprietà delle macchine elettriche. In sostanza, questa invenzione ripeteva quanto già creato e descritto nel 1860 dal fisico italiano Pachinnoti, ma passò inosservata e rimase sconosciuta a 3. Gram. Le macchine con armatura ad anello divennero particolarmente diffuse dopo che la reversibilità delle macchine elettriche di Gramm fu scoperta all'Esposizione Universale di Vienna nel 1873: la stessa macchina, quando l'armatura ruotava, dava corrente elettrica, quando la corrente scorreva attraverso l'armatura, ruotava e poteva essere usato come motore elettrico.

Da quel momento in poi iniziò una rapida crescita nell'uso dei motori elettrici e un consumo di elettricità in continua espansione, che fu notevolmente facilitato dall'invenzione di P. N. Yablochkov, un metodo di illuminazione che utilizza la cosiddetta "candela Yablochkov" - un lampada elettrica ad arco con disposizione parallela dei carboni.

La semplicità e la comodità delle "candele di Yablochkov", che hanno sostituito le lampade ad arco costose, complesse e ingombranti con regolatori per la convergenza continua dei carboni ardenti, hanno causato la loro ampia distribuzione e presto la luce "di Yablochkov", "russa" o "settentrionale", illuminò i viali di Parigi, gli argini del Tamigi, i viali della capitale della Russia e persino le antiche città della Cambogia. Questo è stato un vero trionfo per l'inventore russo.

Ma per fornire elettricità a queste candele, è stato necessario creare speciali generatori elettrici che non forniscano corrente continua, ma alternata, cioè corrente, anche se non spesso, ma che cambia continuamente intensità e direzione. Ciò era necessario perché i carboni collegati a diversi poli del generatore CC bruciavano in modo non uniforme: l'anodo collegato al positivo si bruciava due volte più velocemente del catodo. La corrente alternata trasformava alternativamente l'anodo in un catodo assicurando così una combustione uniforme dei carboni. Soprattutto per alimentare le "candele di Yablochkov", un generatore di corrente alternata è stato creato dallo stesso P. N. Yablochkov e poi migliorato dagli ingegneri francesi Lontin e Gram. Tuttavia, un motore AC non è stato ancora pensato.

Allo stesso tempo, per l'alimentazione separata delle singole candele da un generatore di corrente alternata, l'inventore ha creato un dispositivo speciale: una bobina di induzione (trasformatore), che ha permesso di modificare la tensione in qualsiasi ramo del circuito secondo il numero di candele collegate. Ben presto, la crescente domanda di energia elettrica e la possibilità di ottenerla in grandi quantità entrarono in conflitto con le limitate possibilità di trasmetterla a distanza. La bassa tensione (100-120 volt) di corrente continua utilizzata in quel momento e la sua trasmissione attraverso fili di sezione relativamente piccola causavano enormi perdite nelle linee di trasmissione. Dalla fine degli anni '70 del secolo scorso, il problema principale, dalla cui soluzione di successo dipendeva l'intero futuro dell'ingegneria elettrica, era il problema della trasmissione di elettricità su lunghe distanze senza grandi perdite.

Primo background teorico la possibilità di trasmettere qualsiasi quantità di elettricità a qualsiasi distanza su fili di diametro relativamente piccolo senza perdite significative aumentando la tensione fu data da D. A. Lachinov, professore di fisica all'Istituto forestale di San Pietroburgo, nel luglio 1880. In seguito, il fisico ed ingegnere elettrico francese Marcel Despres nel 1882 all'Esposizione elettrica di Monaco eseguì la trasmissione di elettricità di diversi cavalli su una distanza di 57 chilometri con un'efficienza del 38 percento.

Successivamente, Despres fece una serie di esperimenti, effettuando la trasmissione di elettricità su una distanza di cento chilometri e portando la potenza di trasmissione a diverse centinaia di kilowatt. Un ulteriore aumento della distanza ha richiesto un aumento significativo della tensione. Deprez lo ha portato fino a 6mila volt e si è assicurato che l'isolamento delle piastre nel collettore di generatori e motori a corrente continua non consentisse di raggiungere una tensione più elevata.

Nonostante tutte queste difficoltà, all'inizio degli anni '80, lo sviluppo dell'industria e la concentrazione della produzione richiedevano sempre più urgentemente la realizzazione di una nuova macchina, più avanzata della diffusa macchina a vapore. Era già chiaro che era redditizio costruire centrali elettriche vicino a giacimenti di carbone o su fiumi con una forte caduta d'acqua, mentre si costruivano fabbriche più vicine alle fonti di materie prime. Ciò spesso richiedeva la trasmissione di enormi quantità di elettricità agli oggetti del suo consumo su lunghe distanze. Una tale trasmissione sarebbe utile solo quando si applica una tensione di decine di migliaia di volt. Ma era impossibile ottenere una tale tensione nei generatori CC. La corrente alternata e un trasformatore sono venuti in soccorso: utilizzandoli, hanno iniziato a produrre corrente alternata a bassa tensione, quindi aumentarla a qualsiasi valore richiesto, trasmetterla a distanza alta tensione, e nel luogo di consumo, ridurre nuovamente al livello richiesto e utilizzare nei pantografi.

Non c'erano ancora motori a corrente alternata. Del resto già nei primi anni '80 l'elettricità veniva consumata principalmente per il fabbisogno energetico. Motori DC per guidare al massimo macchine varie usato sempre più frequentemente. Creare un motore elettrico che potesse funzionare a corrente alternata è diventato il compito principale dell'ingegneria elettrica. Alla ricerca di nuove strade, è sempre necessario guardare indietro. C'è stato qualcosa nella storia dell'ingegneria elettrica che potrebbe suggerire la strada per la creazione di un motore in corrente alternata? Le ricerche in passato hanno avuto successo. Ricordavano: nel 1824 Arago dimostrò un'esperienza che segnò l'inizio di molti fruttuosi studi. Si tratta di dimostrazione di "magnetismo di rotazione". Un disco di rame (non magnetico) è stato trascinato da un magnete rotante.

L'idea è nata, è possibile, sostituendo il disco con spire e il magnete rotante con un campo magnetico rotante, creare un motore elettrico a corrente alternata? Probabilmente è possibile, ma come ottenere la rotazione del campo magnetico?

In questi anni, molti vari modi Applicazioni AC. Uno storico coscienzioso dell'ingegneria elettrica dovrà nominare i vari fisici e ingegneri che hanno provato a creare motori a corrente alternata a metà degli anni '80. Non dimenticherà di ricordare gli esperimenti di Bailey (1879), Marcel Despres (1883), Bradley (1887), le opere di Wenstrom, Haselwander e molti altri. Le proposte erano indubbiamente molto interessanti, ma nessuna di esse poteva soddisfare il settore: i loro motori elettrici erano o ingombranti e antieconomici, oppure complessi e poco affidabili. Il principio stesso della costruzione di motori AC semplici, economici e affidabili non è stato ancora trovato.

Fu durante questo periodo che Nikola Tesla iniziò, come già sappiamo, la ricerca di una soluzione a questo problema. Andò per la sua strada, riflettendo sull'essenza dell'esperienza di Arago, e propose una soluzione radicale al problema che si rivelò subito accettabile ai fini pratici. Tornato a Budapest nella primavera del 1882, Tesla immaginava chiaramente che se gli avvolgimenti dei poli magnetici di un motore elettrico fossero stati in qualche modo alimentati da due diverse correnti alternate, diverse tra loro solo per sfasamento, allora l'alternanza di queste correnti avrebbe causato la formazione alternata dei poli nord e sud o il campo magnetico di rotazione. Il campo magnetico rotante dovrebbe anche trascinare l'avvolgimento del rotore della macchina.

Avendo costruito una speciale fonte di corrente bifase (generatore bifase) e lo stesso motore elettrico bifase, Tesla realizzò la sua idea. E nonostante le sue macchine fossero strutturalmente molto imperfette, il principio del campo magnetico rotante, applicato nei primissimi modelli di Tesla, si rivelò corretto.

Dopo aver considerato tutti i possibili casi di sfasamento, Tesla ha optato per uno spostamento di 90°, cioè su una corrente bifase. Questo era abbastanza logico: prima di creare motori elettrici con un gran numero di fasi, si dovrebbe iniziare con una corrente bifase. Ma potrebbe essere applicato anche un altro sfasamento: di 120° ( corrente trifase). Senza analizzare teoricamente e comprendere tutti i casi possibili, senza nemmeno confrontarli tra loro (questo è il grosso errore di Tesla), concentrò tutta la sua attenzione sulla corrente bifase, realizzando generatori e motori elettrici bifase, e accennava solo brevemente alle correnti polifase nelle sue domande di brevetto e la possibilità della loro domanda.

Ma Tesla non è stato l'unico scienziato che ha ricordato l'esperienza di Arago e ha trovato una soluzione a un problema importante. Negli stessi anni, la ricerca nel campo delle correnti alternate fu condotta dal fisico italiano Galileo Ferraris, rappresentante dell'Italia a molti congressi internazionali di elettricisti (1881 e 1882 a Parigi, 1883 a Vienna e altri). Preparando lezioni sull'ottica, è venuto all'idea della possibilità di allestire un esperimento per dimostrare le proprietà delle onde luminose. Per fare questo, Ferraris ha rinforzato un cilindro di rame su un filo sottile, sul quale ha agito due campi magnetici spostati di un angolo di 90°. Quando la corrente viene attivata nelle bobine, che creano alternativamente campi magnetici nell'una o nell'altra di esse, il cilindro, sotto l'influenza di questi campi, gira e attorciglia il filo, a seguito del quale aumenta di una certa quantità . Questo dispositivo ha simulato perfettamente il fenomeno noto come la polarizzazione della luce.

Ferraris non intendeva utilizzare il suo modello per scopi elettrici. Era solo uno strumento di lezione, la cui ingegnosità risiedeva nell'abile applicazione del fenomeno elettrodinamico per dimostrazioni nel campo dell'ottica.

Ferraris non si limitava a questo modello. Nel secondo modello, più avanzato, è riuscito a ottenere la rotazione del cilindro a una velocità fino a 900 giri al minuto. Ma oltre certi limiti, per quanto aumentasse la forza della corrente che creava i campi magnetici nel circuito (in altre parole, per quanto aumentasse la potenza spesa), non era possibile ottenere un aumento del numero di rivoluzioni. I calcoli hanno mostrato che la potenza del secondo modello non superava i 3 watt.

Indubbiamente Ferraris, essendo non solo un ottico, ma anche un elettricista, non poteva non capire il significato dei suoi esperimenti. Tuttavia, per sua stessa ammissione, non gli è mai venuto in mente di applicare questo principio alla creazione di un motore elettrico a corrente alternata. Il massimo che immaginava era di usarlo per misurare la forza della corrente e iniziò persino a progettare un dispositivo del genere.

Il 18 marzo 1888 all'Accademia delle Scienze di Torino, Ferraris redasse una relazione "Rotazione elettrodinamica prodotta da correnti alternate". In esso, ha parlato dei suoi esperimenti e ha cercato di dimostrare che era impossibile ottenere un'efficienza superiore al 50 percento in un dispositivo del genere. Ferraris era sinceramente convinto che, dimostrando l'inopportunità di utilizzare campi magnetici alternati per scopi pratici, stesse rendendo un grande servizio alla scienza. Il rapporto di Ferraris era in anticipo rispetto al rapporto di Nikola Tesla all'American Institute of Electrical Engineers. Ma la domanda di brevetto depositata nell'ottobre 1887 testimonia l'indubbia priorità di Tesla sulle Ferrari. Quanto alla pubblicazione, l'articolo di Ferraris, disponibile per la lettura a tutti gli elettricisti del mondo, fu pubblicato solo nel giugno 1888, cioè dopo il noto rapporto di Tesla.

All'affermazione di Ferraris di aver iniziato a lavorare allo studio di un campo magnetico rotante nel 1885, Tesla aveva tutte le ragioni per obiettare che aveva affrontato questo problema a Graz, trovato una soluzione nel 1882 e nel 1884 a Strasburgo dimostrò un modello funzionante del suo motore, ma ovviamente non è solo una questione di priorità. Indubbiamente, entrambi gli scienziati hanno fatto la stessa scoperta indipendentemente l'uno dall'altro: Ferraris non poteva essere a conoscenza della domanda di brevetto di Tesla, così come quest'ultimo non poteva sapere del lavoro del fisico italiano.

È molto più importante che G. Ferraris, dopo aver scoperto il fenomeno di un campo magnetico rotante e aver costruito il suo modello con una potenza di 3 watt, non abbia pensato al loro impiego pratico. Inoltre, se fosse stata accolta l'errata conclusione di Ferraris sull'inopportunità di utilizzare correnti multifase alternate, l'umanità sarebbe stata indirizzata sulla strada sbagliata per molti anni ancora e privata della possibilità di un uso diffuso dell'elettricità nei più vari settori produzione e vita. Il merito di Nikola Tesla sta nel fatto che, nonostante molti ostacoli e un atteggiamento scettico nei confronti della corrente alternata, ha praticamente dimostrato la fattibilità dell'utilizzo della corrente polifase. I primi motori a corrente bifase da lui creati, sebbene presentassero una serie di carenze, hanno attirato l'attenzione degli ingegneri elettrici di tutto il mondo e hanno suscitato interesse per le sue proposte.

Tuttavia, un articolo di Galileo Ferraris sulla rivista "Atti di Torino" ha svolto un ruolo enorme nello sviluppo dell'ingegneria elettrica. Fu ristampato da una importante rivista inglese e il numero di questo articolo cadde nelle mani di un altro scienziato, ora meritatamente riconosciuto come il creatore della moderna ingegneria elettrica trifase.

5. Trasformatore di Tesla

I trasformatori di Tesla sono noti per i loro vari design, da quelli più semplici con uno spinterometro ai circuiti moderni con oscillatori master ad alta frequenza per la sua avvolgimento primario, realizzati sia su semiconduttore che su circuiti lampada.

Schema del più semplice trasformatore di Tesla:

Nella sua forma elementare, il trasformatore di Tesla è costituito da due bobine, primaria e secondaria, e da un cablaggio costituito da uno spinterometro (interruttore, si trova spesso la versione inglese di Spark Gap), un condensatore, un toroide (non sempre utilizzato) e un terminale (mostrato come “uscita” nel diagramma) .

Figura 7 - Il circuito più semplice Trasformatore di tesla

Figura 8 - Trasformatore di Tesla in azione

La bobina primaria è costruita da 5-30 (per VTTC - bobina di Tesla su una lampada - il numero di giri può arrivare fino a 60) giri di filo di grande diametro o tubo di rame, e il secondario di molte spire di filo di diametro minore. La bobina primaria può essere piana (orizzontale), conica o cilindrica (verticale). A differenza di molti altri trasformatori, qui non c'è un nucleo ferromagnetico. Pertanto, l'induttanza reciproca tra le due bobine è molto inferiore rispetto ai tradizionali trasformatori con nucleo ferromagnetico. Questo trasformatore inoltre non ha praticamente isteresi magnetica, il fenomeno del ritardo nella variazione dell'induzione magnetica rispetto alla variazione della corrente e altri svantaggi introdotti dalla presenza di un ferromagnete nel campo del trasformatore.

La bobina primaria, insieme al condensatore, forma un circuito oscillatorio, che include un elemento non lineare: uno spinterometro (spark gap). Lo scaricatore, nel caso più semplice, è un normale gas; solitamente costituito da elettrodi massicci (a volte con radiatori), che è realizzato per una maggiore resistenza all'usura quando correnti elevate fluiscono attraverso un arco elettrico tra di loro.

La bobina secondaria forma anche un circuito oscillatorio, dove l'accoppiamento capacitivo tra il toroide, il dispositivo terminale, le spire della bobina stessa e altri elementi elettricamente conduttivi del circuito con la Terra svolge il ruolo di un condensatore. Il dispositivo terminale (terminale) può essere realizzato sotto forma di un disco, un perno affilato o una sfera. Il terminale è progettato per produrre scintille lunghe e prevedibili. La geometria e la posizione relativa delle parti del trasformatore di Tesla influiscono notevolmente sulle sue prestazioni, che è simile al problema della progettazione di qualsiasi dispositivo ad alta tensione e ad alta frequenza.

CONCLUSIONE

Le cose che utilizzano l'elettricità che sono diventate familiari nella nostra vita quotidiana sono il frutto del pensiero scientifico e tecnico di molte generazioni di scienziati. Spesso la comprensione del valore pratico e del significato dei fenomeni scoperti è arrivata tardi o è arrivata con la generazione successiva di scienziati.

Tuttavia, va notato che è stato lo sviluppo dell'ingegneria elettrica a contribuire all'accelerazione del progresso tecnologico. La creazione e lo sviluppo di macchine elettriche in corrente continua e alternata ha permesso di progettare sistemi di controllo flessibili, non implementabili su motori che utilizzano l'energia di gas e liquido. Lo sviluppo della tecnologia dei microprocessori ha permesso di creare potenti computer che partecipano agli esperimenti di fisici teorici che scoprono i segreti dell'universo (LHC al CERN).

È mia profonda convinzione che ci siano ancora parecchi misteri, misteri e grandi scoperte nel campo dell'ingegneria elettrica.

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Una branca della fisica che studia i fenomeni elettrici: l'interazione tra corpi carichi, i fenomeni di polarizzazione e il passaggio di una corrente elettrica.
La connessione tra fenomeni elettrici e magnetici è studiata dall'elettromagnetismo. L'elettrodinamica, compresa l'elettricità e il magnetismo, studia anche le onde elettromagnetiche.
Le scienze applicate, come l'ingegneria elettrica, l'elettrochimica, ecc., basano le loro conoscenze sull'elettricità.
L'antico filosofo greco Talete di Mileto fu uno dei primi ricercatori dell'elettricità.I fenomeni elettrici erano noti nell'antichità agli antichi Greci, ai Fenici e agli abitanti della Mesopotamia. Il fatto che, se strofinata, l'ambra acquisisca la capacità di attirare su di sé oggetti leggeri, è stato descritto nel 600 aC Talete di Mileto. Talete, tuttavia, non distingueva l'elettricità dal magnetismo, considerando questo un fenomeno, solo l'ambra acquisisce una proprietà così strana durante l'attrito e nella magnetite è costante.
Un nuovo passo nello studio dei fenomeni elettrici fu compiuto nel 1600 dal medico inglese William Gilbert. Dopo aver condotto ricerche sui fenomeni elettrici e magnetici, ha pubblicato un libro in cui ha concluso che le proprietà di un magnete permanente e la capacità dell'ambra strofinata di attrarre oggetti sono fenomeni decisamente diversi. Gilbert iniziò a usare la parola latina elettrico Come Burshtin, per descrivere una tale proprietà. Nel suo libro, Gilbert è anche giunto alla conclusione che la Terra è una calamita, ed è per questo che l'ago della bussola punta al polo.
Magnete permanente l'esempio più semplice dipolo magnetico. A metà del 17° secolo, Otto von Guericke inventò il generatore elettrostatico.
Gli esperimenti di Stephen Gray hanno dimostrato che l'elettricità potrebbe essere trasmessa fino a 800 piedi con conduttori a filamento bagnato, se si evitasse il contatto con il suolo e si utilizzasse l'isolamento. Iniziano così le ricerche sulle correnti e vengono gettate le basi per la separazione dei materiali in conduttori e dielettrici.
Charles du Fou ne ha aperti due vari tipi elettricità, chiamandoli "vetrosi" e "resinosi" ora sono chiamati cariche positive e negative, dimostrando che cariche simili si respingono e cariche diverse si attraggono. Du Fou ha anche diviso le sostanze in conduttori e isolanti, chiamandoli "elettrici" e "non elettrici".
Gli esperimenti di Benjamin Franklin, effettuati nel 1752, hanno dimostrato che i fulmini sono di natura elettrica.
Benjamin Franklin USA, politico e inventore. Ha condotto ricerche sull'elettricità nel 18 ° secolo. Nel 1791 Luigi Galvani pubblicò le scoperte della bioelettrica. Nel 1800 Alessandro Volta costruì la prima batteria di pilastri voltaici. nuovo tipo La sorgente di corrente era molto più affidabile dei generatori elettrostatici che erano stati utilizzati in precedenza. Nel 1820 André Marie Ampère scoprì la connessione tra elettricità e magnetismo. Nel 1821 Michael Faraday inventò il motore elettrico e nel 1827 Georg Ohm stabilì una legge matematica che descrive la corrente in circuito elettrico.
Thomas Edison È difficile enumerare tutte le scoperte scientifiche nel campo dei fenomeni elettrici nella prima metà dell'Ottocento. La scoperta dell'induzione elettromagnetica da parte di Faraday nel 1831 aprì la strada alla produzione e all'utilizzo di energia elettrica su larga scala, e la fine del XIX secolo fu l'era delle numerose invenzioni nel campo dell'ingegneria elettrica. Entro la fine del secolo, grazie agli sforzi di eminenti scienziati come Nikola Tesla, Thomas Alva Edison, Werner von Siemens, Lord Kelvin, Galileo Ferraris e molti altri, l'elettricità si trasformò da interesse scientifico nella forza trainante della seconda rivoluzione industriale.
Un arco elettrico fornisce una dimostrazione visiva della corrente elettrica Elementi di base di un circuito elettrico La fisica moderna considera l'interazione elettromagnetica una delle interazioni fondamentali. La carica elettrica è una proprietà delle particelle elementari, tra le quali le più importanti, data la loro stabilità, sono l'elettrone e il protone. Tutte le sostanze sono composte da atomi, al centro dei quali c'è un nucleo caricato positivamente e attorno al nucleo ci sono elettroni carichi negativamente. La maggior parte degli atomi nel mondo che li circonda ha un numero neutro di elettroni uguale al numero di protoni, ma gli elettroni mobili possono lasciare un atomo, formando ioni positivi, o unirsi a un atomo neutro, formando ioni negativi. Se in qualsiasi corpo fisico il numero di elettroni differisce dal numero di protoni, allora tale corpo riceve una carica elettrica macroscopica. Questo processo è chiamato elettrificazione.
Le cariche simili si respingono e le cariche diverse si attraggono. Numericamente, l'interazione tra cariche è descritta dalla legge di Coulomb.
Se le cariche sono poste in un mezzo continuo, l'interazione tra loro cambia a causa di un fenomeno chiamato polarizzazione dielettrica. La polarizzazione dielettrica si verifica a causa dello spostamento degli elettroni rispetto ai nuclei degli atomi nell'esterno campo elettrico o per la rotazione di molecole con il proprio momento di dipolo. Di conseguenza, la forza che agisce su una carica proveniente da altre cariche è determinata non solo dall'entità di queste cariche e dalla loro posizione, ma anche dai momenti di dipolo ridotti degli atomi e delle molecole del mezzo. Al piccolo campi elettrici rispetto ai campi intraatomici, la capacità di una sostanza di polarizzare è descritta da permettività.
Sotto l'azione della forza di Coulomb, le particelle cariche si muovono, formando una corrente elettrica. Una corrente elettrica crea un campo magnetico attraverso il quale può essere registrata. Un'altra conseguenza del passaggio di una corrente elettrica attraverso una sostanza è il rilascio di calore.
Le dipendenze dalla capacità di condurre una corrente elettrica di una sostanza possono essere suddivise in conduttori e dielettrici.
Dalla fine del 19° secolo i fenomeni elettrici hanno giocato un ruolo sempre più importante nella produzione e nella vita di tutti i giorni. L'elettricità è al centro della nostra cultura, dall'illuminazione e dagli elettrodomestici ai potenti motori elettrici utilizzati nella produzione.
Produzione

Maggiori informazioni nell'articolo Energia

Destinata principalmente all'uso nella produzione e nella vita di tutti i giorni, l'elettricità è generata da centrali elettriche, dove energia meccanica la rotazione delle turbine a vapore viene convertita in energia elettrica da generatori elettrici. Il calore necessario per riscaldare il vapore che fa girare le turbine proviene principalmente da combustibili fossili. Oltre alle centrali termoelettriche, una parte significativa dell'energia elettrica è generata da centrali nucleari e idroelettriche. In quest'ultimo caso vengono utilizzate fonti di energia rinnovabile. Altre fonti di energia rinnovabile sono l'energia eolica, utilizzata dai parchi eolici sempre più popolari nell'era moderna. L'uso diretto dell'energia solare è possibile grazie alle celle solari.
L'energia prodotta dalle centrali elettriche viene distribuita attraverso la rete elettrica nelle case delle persone, nelle fabbriche e negli impianti.
Oltre alla produzione e distribuzione di energia elettrica sulla rete, sono ampiamente utilizzate anche fonti di energia elettrica come batterie e accumulatori elettrochimici, che consentono di ottenere corrente elettrica. piccola tensione necessari per il funzionamento di dispositivi elettronici portatili.
Utilizzo
Negli anni '70 dell'Ottocento apparve la lampada a incandescenza, che divenne il primo elettrodomestico richiesto rete elettrica in ogni casa e istituzione umana. Già prima della sua comparsa, l'elettricità era utilizzata dal telegrafo e dal telefono come importanti dispositivi di comunicazione. Importanti elettrodomestici sono: radio, TV, giradischi, lavatrice, frigorifero, condizionatore, riscaldamento e molti altri. Molti di questi apparecchi utilizzano un motore elettrico inventato da Michael Faraday. Con lo sviluppo dell'elettronica, i computer sono comparsi anche nelle case umane.
Anche la produzione fa ampio uso di potenti motori elettrici, ma i fenomeni elettrici vengono applicati anche all'elettroformatura, alla fusione dei metalli, alla saldatura e in molti altri modi.

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Da dove è iniziato? Penso che quasi nessuno darà una risposta esatta ed esauriente a questa domanda. Ma ancora, proviamo a capirlo.

Fenomeni legati all'elettricità sono stati osservati nell'antica Cina, in India e nell'antica Grecia diversi secoli prima dell'inizio della nostra era. Vicino 600 a.C., come dicono le leggende sopravvissute, l'antico filosofo greco Talete di Mileto conosceva la proprietà dell'ambra strofinata sulla lana per attirare oggetti leggeri. A proposito, la parola "elettrone" gli antichi greci chiamavano ambra. Da lui derivava anche la parola "elettricità". Ma i greci osservavano solo i fenomeni dell'elettricità, ma non potevano spiegarli.

Solo nel 1600 il medico di corte della regina Elisabetta inglese William Gilbert, usando il suo elettroscopio, dimostrò che non solo l'ambra strofinata, ma anche altri minerali hanno la capacità di attrarre corpi luminosi: diamante, zaffiro, opale, ametista, ecc. Nello stesso anno, ha pubblica l'opera "Sul magnete e i corpi magnetici", dove ha delineato un intero corpus di conoscenze sul magnetismo e sull'elettricità.

Nel 1650 Lo scienziato tedesco e borgomastro part-time di Magdeburgo Otto von Guericke crea la prima “macchina elettrica”. Era una palla lanciata dallo zolfo, durante la rotazione e lo sfregamento della quale i corpi leggeri venivano attratti e respinti. Successivamente, la sua auto è stata migliorata da scienziati tedeschi e francesi.

Nel 1729 L'inglese Stephen Gray ha scoperto la capacità di alcune sostanze di condurre l'elettricità. Egli, infatti, introdusse per primo il concetto di conduttori e non conduttori di elettricità.

Nel 1733 Il fisico francese Charles Francois Dufay ha scoperto due tipi di elettricità: "catrame" e "vetro". Uno appare in ambra, seta, carta; il secondo - in vetro, pietre preziose, lana.

Nel 1745 Il fisico e matematico olandese dell'Università di Leiden Pieter van Muschenbroek ha scoperto che un barattolo di vetro ricoperto di carta stagnola può immagazzinare elettricità. Muschenbroek lo chiamava il vaso di Leida. Era essenzialmente il primo condensatore elettrico.

Nel 1747 Il fisico Jean Antoine Nollet, membro dell'Accademia delle scienze di Parigi, ha inventato l'elettroscopio, il primo strumento per la valutazione del potenziale elettrico. Ha anche formulato la teoria dell'azione dell'elettricità sugli organismi viventi e ha rivelato la proprietà dell'elettricità di "drenare" più velocemente i corpi più affilati.

Nel 1747-1753. Scienziato americano e statista Benjamin Franklin ha fatto una serie di studi e scoperte correlate. Ha introdotto il concetto di due stati carichi, che è ancora utilizzato: «+» e «-» . Ha spiegato l'azione della giara di Leida, stabilendo il ruolo decisivo del dielettrico tra le piastre conduttive. Stabilito la natura elettrica dei fulmini. Ha proposto l'idea di un parafulmine, avendo stabilito che i punti metallici collegati al suolo rimuovono le cariche elettriche dai corpi carichi. Ha avanzato l'idea di un motore elettrico. Fu il primo a usare una scintilla elettrica per accendere la polvere da sparo.

Nel 1785-1789. Il fisico francese Charles Augustin Coulomb pubblica una serie di articoli sull'interazione tra cariche elettriche e poli magnetici. Effettua la prova della posizione delle cariche elettriche sulla superficie del conduttore. Introduce i concetti di momento magnetico e polarizzazione delle cariche.

Nel 1791 Il medico e anatomista italiano Luigi Galvani ha scoperto la presenza di elettricità quando due metalli dissimili entrano in contatto con un organismo vivente. L'effetto che ha scoperto è alla base dei moderni elettrocardiografi.

Nel 1795 un altro scienziato italiano Alessandro Volta, studiando l'effetto scoperto dal suo predecessore, ha dimostrato che una corrente elettrica si verifica tra una coppia di metalli dissimili separati da uno speciale liquido conduttivo.

Nel 1801 Lo scienziato russo Vasily Vladimirovich Petrov ha stabilito la possibilità di un uso pratico della corrente elettrica per i conduttori di riscaldamento, ha osservato il fenomeno di un arco elettrico nel vuoto e vari gas. Ha avanzato l'idea di utilizzare la corrente per l'illuminazione e la fusione dei metalli.

Nel 1820 Il fisico danese Hans Christian Oersted ha stabilito la connessione tra elettricità e magnetismo, che ha gettato le basi per la formazione della moderna ingegneria elettrica. Nello stesso anno, il fisico francese André Marie Ampère formulò una regola per determinare la direzione di azione di una corrente elettrica su un campo magnetico. Fu il primo a combinare elettricità e magnetismo e formulò le leggi dell'interazione tra i campi elettrici e magnetici.

Nel 1827 Lo scienziato tedesco Georg Simon Ohm ha scoperto la sua legge (legge di Ohm) - una delle leggi fondamentali dell'elettricità, che stabilisce la relazione tra corrente e tensione.

Nel 1831 Il fisico inglese Michael Faraday ha scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, che porta alla formazione di una nuova industria: l'ingegneria elettrica.

Nel 1847 Il fisico tedesco Gustav Robert Kirchhoff ha formulato le leggi per le correnti e le tensioni nei circuiti elettrici.

La fine del XIX - l'inizio del XX secolo è stata ricca di scoperte legate all'elettricità. Una scoperta ha generato un'intera catena di scoperte nel corso di diversi decenni. L'elettricità oggetto di ricerca iniziò a trasformarsi in un oggetto di consumo. Ha cominciato ad essere ampiamente introdotto in varie aree di produzione. Furono inventati e creati motori elettrici, generatori, telefono, telegrafo, radio. Inizia l'introduzione dell'elettricità nella medicina.

Nel 1878 le strade di Parigi erano illuminate dalle lampade ad arco di Pavel Nikolaevich Yablochkov. Appaiono le prime centrali elettriche. Non molto tempo fa, sembrando qualcosa di incredibile e fantastico, l'elettricità sta diventando un assistente familiare e indispensabile per l'umanità.

Sulla storia dell'elettricità, in breve. L'elettricità è una branca della fisica che parla delle proprietà e dei fenomeni associati all'interazione delle particelle cariche.

Le scoperte fatte in quest'area della scienza della fisica hanno influenzato radicalmente le nostre vite. Pertanto, non bisogna mai dimenticare come è iniziata questa scienza. La storia dell'elettricità risale a tempi antichissimi. Sulla storia dell'elettricità, in breve.

La carica elettrica fu scoperta per la prima volta da Talete di Mileto già nel 600 a.C. e. Ha notato che l'ambra, indossata su un pezzo di lana, acquisisce proprietà sorprendenti per attirare oggetti leggeri non elettrificati (lanugine e pezzi di carta). Il termine "elettricità" è stato introdotto per la prima volta dallo scienziato inglese Tudor Gilbert nel suo libro On Magnetic Properties, Magnetic Bodies, and the Great Magnet - the Earth. Nel suo libro ha dimostrato che non solo l'ambra, ma anche altre sostanze hanno la proprietà di essere elettrizzate. E a metà del 17° secolo, il famoso scienziato Otto von Guericke creò una macchina elettrostatica in cui scoprì la proprietà degli oggetti carichi di respingersi a vicenda. Così iniziarono ad apparire i concetti di base nella sezione dell'elettricità. Sulla storia dell'elettricità.

Già nel 1729 il fisico francese Charles Dufay stabilì l'esistenza di due tipi di cariche. Chiamò tali cariche "vetrose" e "resinose", ma presto lo scienziato tedesco Georg Lichtenberg introdusse il concetto di cariche negative e positive. E nel 1745 il primo in assoluto condensatore elettrico- la cosiddetta banca di Leida.

Ma l'opportunità di formulare i concetti e le scoperte di base nella scienza dell'elettricità è stata possibile solo quando è apparsa la ricerca quantitativa. Poi iniziò il tempo della scoperta delle leggi fondamentali dell'elettricità. La legge di interazione delle cariche elettroniche è stata scoperta nel 1785 dallo scienziato francese Charles Coulomb utilizzando il sistema di equilibri di torsione da lui creato.

Quasi contemporaneamente, nel 1800, lo sperimentatore italiano Volt inventò la prima fonte di corrente continua nella vita umana: una cellula galvanica elementare. Sono diventate note le grandi scoperte associate al lavoro di Joule, Ohm e Lenz, che studiano la manifestazione della corrente elettrica in un circuito. Faraday nel 1831 e nel 1834 scopre l'induzione elettromagnetica e le famose leggi dell'elettrolisi.

Così, già nel XVII secolo, iniziò a prendere forma il concetto elettrico di materia, secondo il quale tutti i corpi fisici senza eccezioni sono peculiari complessi di particelle interagenti. Pertanto, in futuro, molti Proprietà fisiche i corpi sono determinati dalle leggi che furono formulate nei tempi antichi. La scienza dell'elettricità non si ferma e ogni anno ci sono sempre più nuove scoperte in questo campo della scienza. Sul nostro sito web sull'energia elettrica sarai sempre aggiornato su tutte le nuove ricerche sulla storia dell'energia elettrica.