La palabra "electricidad" proviene del griego ámbar en Occidente y del fenómeno de los truenos y relámpagos en China.
Desde mediados del siglo XVIII, la investigación sobre la electricidad ha ido floreciendo paulatinamente.
Cada uno de sus principales descubrimientos ha desencadenado una extensa investigación práctica, promoviendo así el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología.
Hoy en día, ya sea la vida humana, las actividades científicas y tecnológicas o las actividades de producción material, son inseparables de la electricidad.
Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, algunos contenidos de investigación con conocimientos especializados se han ido independizando y formando disciplinas especializadas, como la electrónica, la ingeniería eléctrica, etc.
La electricidad, también conocida como electromagnetismo, es una materia básica importante en física.
Una breve historia del desarrollo de la electricidad
Los registros de la electricidad se remontan al siglo VI a.C.
Ya en el año 585 a.C., el filósofo griego Tales registró que la fricción entre el ámbar y la madera puede atraer objetos ligeros y pequeños como la hierba. Posteriormente, se descubrió que el jade de carbón frotado también puede atraer objetos ligeros y pequeños. Capacidades del objeto.
Durante los siguientes 2000 años, estos fenómenos se consideraron pertenecientes a la naturaleza de la materia, como un imán que atrae el hierro, y no se hicieron otros descubrimientos importantes.
En China, hay registros de "caparazones de tortuga (es decir, objetos pequeños)" a finales de la dinastía Han Occidental; en la dinastía Jin, hubo más registros del fenómeno de descarga causado por la electrificación por fricción. "Cuando la gente se peinaba y se quitaba la ropa, algunos usaban peines para desatar los nudos y otros emitían un silbido."
En 1600, el físico británico Gilbert descubrió que no sólo el ámbar y el jade de carbón puede atraer la luz y los objetos pequeños tienen la propiedad de atraer la luz y los objetos pequeños después de ser frotados por una cantidad considerable de materia. Se dio cuenta de que estas sustancias no tenían la propiedad de que los imanes apuntaran al norte y al sur después de la fricción.
Para expresar la diferencia con el magnetismo, llamó a esta propiedad "electricidad" usando la pronunciación fonética griega de ámbar.
En sus experimentos, Gilbert construyó el primer electroscopio, una delgada varilla de metal fijada en el centro que podía girar cuando estaba cerca de ámbar frotado.
Hacia 1660, Gehrig de Madreburg inventó el primer motor de fricción.
Hizo una esfera giratoria de azufre con forma de globo, que podía generar electricidad frotando con las palmas secas.
Después de una mejora continua, el arrancador de fricción de Gelik jugó un papel importante en la investigación experimental electrostática y no fue reemplazado hasta la invención del arrancador de inducción por Holtz y Tippler en el siglo XIX.
La investigación sobre la electricidad se desarrolló rápidamente en el siglo XVIII.
En 1729, mientras estudiaba si el efecto eléctrico del ámbar podía transmitirse a otros objetos, Gray descubrió la diferencia entre conductores y aislantes: los metales pueden conducir la electricidad, pero los cables no. Cargó el cuerpo humano por primera vez. .
El experimento de Gray atrajo la atención del francés Dufay.
En 1733, Dufee descubrió que los metales aislantes también podían cargarse mediante fricción, por lo que concluyó que todos los objetos podían cargarse mediante fricción.
Llamó a la electricidad generada en el vidrio "similar al vidrio". La electricidad generada en el ámbar era la misma que la electricidad generada en la resina, por lo que se la llamó "similar a la resina".
Obtuvo: Los objetos con la misma carga eléctrica se repelen; los objetos con diferentes cargas eléctricas se atraen.
En 1745, Muschenbroek en Leiden, Países Bajos, inventó la jarra de Leyden que podía ahorrar electricidad.
La invención de la jarra de Leyden proporcionó las condiciones para futuras investigaciones en electricidad y jugó un papel importante en la difusión del conocimiento eléctrico.
Casi en el mismo período, Franklin en los Estados Unidos hizo un trabajo significativo y enriqueció la comprensión de la gente sobre la electricidad.
En 1747, propuso basándose en experimentos que la electricidad es un elemento que normalmente existe en una determinada cantidad en todas las sustancias; la electricidad, al igual que los fluidos, puede transferirse de un objeto a otro mediante la fricción, pero no es así. creado; la carga total de cualquier objeto aislado es constante, lo que comúnmente se conoce como ley de conservación de la carga.
A la parte sobrante de la electricidad obtenida al frotar un objeto la llamó electricidad positiva, y a la parte insuficiente de la pérdida de electricidad del objeto la llamó electricidad negativa.
Estrictamente hablando, esta teoría de la electricidad de fluidos unidimensionales no es correcta hoy en día, pero los términos que usó para la electricidad positiva y negativa todavía se usan hoy. También observó que las puntas de los conductores se descargan más fácilmente.
Ya en 1749, observó muchas similitudes entre los rayos y las descargas eléctricas. En 1752, puso una cometa en las nubes durante una tormenta para realizar un experimento sobre el impacto de un rayo, demostrando que el rayo es un fenómeno de descarga.
Lo más afortunado de este experimento es que Franklin no murió electrocutado, porque era un experimento peligroso, y alguien murió electrocutado más tarde cuando repitió el experimento.
Franklin también recomendó el uso de pararrayos para proteger los edificios de la caída de rayos. 1745 fue realizado por primera vez por Dewey, lo que probablemente fue la primera aplicación práctica de la electricidad.
La investigación cuantitativa sobre las interacciones de cargas comenzó a finales del siglo XVIII.
En 1776, Priestley descubrió que no había carga en la superficie interior de un recipiente metálico cargado, y especuló que existían leyes similares entre la electricidad y la gravedad.
En 1769, a través de experimentos sobre el equilibrio de la electricidad y la gravedad sobre una pequeña bola, Robinson determinó directamente por primera vez que la fuerza de interacción entre dos cargas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
En 1773, Cavendish calculó que la electricidad es inversamente proporcional a la forma cuadrática de la distancia. Su experimento fue el prototipo de la verificación moderna y precisa de las leyes de la electricidad.
En 1785, Coulomb diseñó un ingenioso experimento de equilibrio de torsión y determinó directamente que la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales estáticas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas y directamente proporcional a su producto eléctrico.
El experimento de Coulomb fue reconocido por el mundo y el estudio de la electricidad entró en las filas de la ciencia.
En 1811, Poisson aplicó a la electrostática la teoría del potencial desarrollada por Laplace basada en la ley de la gravitación universal en la mecánica temprana y desarrolló la teoría analítica de la electrostática.
Otro avance importante en la electricidad a finales del siglo XVIII fue la invención de la batería por parte del físico italiano Volta. Hasta entonces, los experimentos eléctricos sólo se podían llevar a cabo utilizando el vaso de Leyden de un motor triboeléctrico, que sólo podía proporcionar corriente a corto plazo.
En 1780, el anatomista italiano Galvani observó accidentalmente que las ancas de una rana se contraían cuando entraban en contacto con el metal.
Sus experimentos posteriores descubrieron que si se usaban dos metales para hacer contacto con los tendones y los músculos de las ancas de la rana respectivamente, las ancas de la rana se contraerían cuando los dos metales chocaran.
En 1792, Volta estudió esto cuidadosamente y concluyó que las contracciones de las ancas de la rana eran una respuesta sensible a la corriente eléctrica.
Una corriente eléctrica se produce cuando dos metales diferentes se insertan en una solución y forman un circuito, que proporcionan los músculos.
Basándose en esta idea, en 1799 fabricó la primera batería química que podía producir una corriente eléctrica continua. Su instalación consiste en una serie de columnas hechas de láminas de plata, zinc y cartón empapadas en agua salada, conocidas como pilas voltaicas.
Desde entonces, han florecido diversas fuentes de energía química.
En 1822, Zeebek descubrió además que conectando un alambre de cobre y un conductor de otro metal (bismuto) en un bucle, y manteniendo las dos uniones a diferentes temperaturas, se podía obtener una tensión de corriente débil y continua. , este es el efecto termoeléctrico.
Después de la invención de las fuentes de energía química, la gente descubrió rápidamente que se podían hacer muchas cosas inusuales con ellas.
En 1800, Carlyle y Nicholson utilizaron corriente de bajo voltaje para dividir el agua; en el mismo año, Ritter recogió con éxito dos gases del agua electrolizada y cobre metálico electrolizado de una solución de sulfato de cobre; en 1807, David utilizó una; enorme paquete de baterías para electrolizar sucesivamente potasio, sodio, calcio, magnesio y otros metales; en 1811, utilizó un paquete de baterías compuesto por 2.000 celdas para hacer un arco de electrodo de carbono desde 65438 hasta la década de 1950, se convirtió en faro, teatro, etc. La potente fuente de luz no fue sustituida gradualmente por la lámpara incandescente inventada por Edison hasta los años 1970.
Además, la batería voltaica también impulsó el desarrollo de la galvanoplastia, que fue inventada por Siemens y otros en 1839.
Aunque Franklin había observado ya en 1750 que la descarga de una jarra de Leyden podía magnetizar una aguja de acero, e incluso antes de 1640 había observado que los rayos hacían girar la aguja magnética de una brújula, a principios del siglo XIX Todavía era común en la comunidad científica considerar la electricidad y el magnetismo como dos funciones independientes.
Contrariamente a este concepto tradicional, el filósofo natural danés Oersted aceptó las ideas filosóficas de los filósofos alemanes Kant y Schelling sobre la unidad de las fuerzas naturales y creía firmemente que existe alguna conexión entre la electricidad y el magnetismo.
Después de años de investigación, finalmente descubrió el efecto magnético de la corriente eléctrica en 1820: cuando la corriente eléctrica pasa a través de un cable, desvía la aguja magnética cerca del cable.
El descubrimiento del efecto magnético de la corriente eléctrica abrió una nueva era en la investigación eléctrica.
El descubrimiento de Oersted atrajo por primera vez la atención de los físicos franceses, y ese mismo año se lograron algunos resultados importantes, como los experimentos de Ampere sobre la equivalencia de solenoides e imanes portadores de corriente; la teoría de Arago sobre el comportamiento del acero; en corriente eléctrica Magnetización en acción: los experimentos de Biot y Savart sobre la fuerza ejercida sobre los polos magnéticos por largos cables portadores de corriente continua. Además, Ampere también realizó una serie de ingeniosos experimentos sobre la interacción de las corrientes;
Las reglas de interacción entre elementos actuales obtenidas de estos experimentos son la base para comprender el campo magnético generado por la corriente y el efecto del campo magnético sobre la corriente.
El descubrimiento del efecto magnético de la corriente eléctrica abrió un nuevo campo de aplicaciones eléctricas.
Sturgeon inventó el electroimán en 1825, creando las condiciones para la aplicación generalizada de la electricidad.
En 1833, Gauss y Weber hicieron el primer telégrafo simple de un solo hilo; en 1837, Wheatstone y Morse inventaron de forma independiente el telégrafo, y Morse también inventó un conjunto de códigos telegráficos. Con su telégrafo, los mensajes podían transmitirse mediante puntos y rayas sobre papel en movimiento.
En 1855, Thomas Kelvin resolvió el problema de la lenta velocidad de transmisión de señales en los cables submarinos. En 1866, se tendió con éxito el cable atlántico diseñado por Thomas.
En 1854, el operador de telégrafos francés Boers propuso la idea de transmitir sonido a través de la electricidad, pero no se realizó. Posteriormente, el experimento del arroz tuvo éxito en 1861, pero no llamó la atención.
En 1861, Bell inventó el teléfono, que todavía se utiliza como receptor en la actualidad. Su micrófono fue una mejora del micrófono de carbono de Edison y del micrófono de Hughes.
Poco después del descubrimiento del efecto magnético de la corriente, se diseñaron y produjeron varios tipos diferentes de galvanómetros, lo que proporcionó las condiciones para que Ohm descubriera la ley del circuito.
En 1826, inspirado por la teoría de Fourier sobre la conducción de calor en sólidos, Ohm creía que la conducción de electricidad y calor eran muy similares, y que la fuente de alimentación actuaba como la diferencia de temperatura en la conducción de calor.
Para determinar las reglas del circuito, comenzó a realizar experimentos utilizando un reactor voltaico como fuente de energía, sin embargo, debido al funcionamiento inestable del reactor voltaico en ese momento, el experimento no se llevó a cabo. exitoso. Más tarde, llevó a cabo un experimento de fuerza termoelectromotriz de alta estabilidad y temperatura constante en dos puntos de contacto, y concluyó que la intensidad de la corriente en el circuito es proporcional a lo que llamó la "potencia de prueba" de la fuente de alimentación, y el coeficiente proporcional es la resistencia del circuito.
Debido a que la ley de conservación de la energía aún no se había establecido en ese momento, el concepto de probar la electricidad era vago. No fue hasta que Kirchhoff la investigó desde la perspectiva de la energía en 1848 que se aclararon los conceptos de diferencia de potencial, fuerza electromotriz e intensidad de campo eléctrico, armonizando la teoría de Ohm con los conceptos de electrostática.
Sobre esta base, Kirchhoff resolvió el problema de las sucursales.
Faraday, destacado físico británico, se dedicó a la investigación experimental de los fenómenos electromagnéticos y realizó contribuciones muy importantes al desarrollo del electromagnetismo, la más importante de las cuales fue el descubrimiento de la inducción electromagnética en 1831.
Luego realizó numerosos experimentos para determinar las leyes de la inducción electromagnética. Descubrió que cuando cambia el flujo magnético en una bobina cerrada, se generará una fuerza electromotriz inducida en la bobina. La magnitud de la fuerza electromotriz inducida depende de la tasa de cambio del flujo magnético con el tiempo.
Más tarde, Leng Ci describió la dirección de la corriente inducida en 1834, y Neumann resumió sus resultados y dio una fórmula matemática para la fuerza electromotriz inducida.
Faraday construyó el primer generador basado en inducción electromagnética.
Además, llevó a cabo una extensa investigación sobre las conexiones entre los fenómenos eléctricos y otros.
En 1833 demostró con éxito que la triboelectricidad era idéntica a la producida por las pilas voltaicas. La ley de la electrólisis se descubrió en 1834 y el efecto magnetoóptico se descubrió en 1845, lo que explica el paramagnetismo y el diamagnetismo de la materia. También estudió en detalle los fenómenos de polarización y los fenómenos de inducción electrostática y demostró experimentalmente por primera vez la ley de conservación de la carga.
El descubrimiento de la inducción electromagnética ha abierto nuevas perspectivas para el desarrollo y la utilización generalizada de la energía.
En 1866, Siemens inventó un práctico motor autoexcitado; a finales de 1919, se logró la transmisión de energía eléctrica a larga distancia; los motores se utilizaron ampliamente en la producción y el transporte, cambiando así en gran medida la faz de la industria. producción industrial.
Una extensa investigación sobre los fenómenos electromagnéticos permitió a Faraday formar gradualmente su concepto único de "campo".
Él cree que las líneas de fuerza magnéticas son materia, que penetran todo el espacio y conectan diferentes cargas y diferentes placas magnéticas respectivamente; la electricidad y el magnetismo no se transmiten a través de la distancia en el vacío, sino a través de líneas eléctricas. y líneas magnéticas. Son una parte integral de la comprensión de los fenómenos electromagnéticos y su estudio es incluso más valioso que las "fuentes" que generan o "recolectan" líneas de campo magnético.
Los fructíferos resultados de la investigación experimental de Faraday y sus novedosos conceptos de campo prepararon las condiciones para una teoría unificada de los fenómenos electromagnéticos.
Físicos como Neumann y Weber han hecho muchas contribuciones importantes a la comprensión de los fenómenos electromagnéticos, pero han resumido todo el conocimiento eléctrico desde Coulomb desde la perspectiva de la acción a distancia y no han establecido con éxito una teoría unificada.
Este trabajo fue completado en los años 60 por el destacado físico británico Maxwell.
Maxwell creía que el campo magnético cambiante excitaba el campo eléctrico del vórtice en el espacio circundante; el campo eléctrico cambiante causaba cambios en el desplazamiento eléctrico del medio, y los cambios en el desplazamiento eléctrico estimulaban el campo magnético del remolino en el espacio circundante como la corriente.
Maxwell las expresó claramente con fórmulas matemáticas, obteniendo así las ecuaciones universales del campo electromagnético: las ecuaciones de Maxwell.
En él quedan plenamente reflejadas la idea de Faraday de líneas de fuerza y la idea de transmisión de acción electromagnética.
Maxwell concluyó basándose en sus ecuaciones que la acción electromagnética se propaga en forma de ondas. La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es igual a la relación entre la unidad electromagnética de electricidad y la unidad electrostática, y la. La velocidad de propagación de la luz en el vacío es la misma, por lo que Maxwell predijo que la luz también es una onda electromagnética.
En 1888, Hertz diseñó y fabricó una fuente de ondas electromagnéticas y un detector de ondas electromagnéticas basados en las características de oscilación de la descarga de un condensador. Detectar ondas electromagnéticas de forma experimental y medir su velocidad de onda. Se ha observado que las ondas electromagnéticas tienen propiedades de polarización como las ondas de luz y pueden reflejarse, refractarse y enfocarse.
Desde entonces, la teoría de Maxwell ha sido aceptada gradualmente por la gente.
La teoría electromagnética de Maxwell fue probada por el experimento de ondas electromagnéticas de Hertz, abriendo un nuevo campo: la aplicación e investigación de las ondas electromagnéticas.
En 1895, el ruso Popov y el italiano Marconi realizaron respectivamente la transmisión de señales de radio.
Más tarde, Marconi mejoró el vibrador de Hertz hasta convertirlo en una antena vertical; la alemana Braun dividió aún más el transmisor en dos circuitos oscilantes, creando las condiciones para ampliar el rango de transmisión de la señal.
Marconi estableció la primera comunicación por radio transatlántica en 1901.
La invención del tubo de electrones y su aplicación en líneas de transmisión facilitó la transmisión y recepción de ondas electromagnéticas, impulsó el desarrollo de la tecnología de radio y cambió enormemente la vida humana.
La teoría del electrón propuesta por Lorenz en 1896 aplicaba las ecuaciones de Maxwell al campo microscópico y atribuía las propiedades electromagnéticas de la materia al papel de los electrones en los átomos.
Esto no sólo puede explicar los fenómenos de polarización, magnetización y conducción de la materia, sino también explicar la absorción, dispersión y dispersión de la luz por la materia. Además, se explicó con éxito el efecto Zeeman normal de la división espectral en campos magnéticos. Además, Lorenz también derivó la fórmula para la velocidad de la luz en medios en movimiento basándose en la teoría del electrón, llevando la teoría de Maxwell un paso más allá.
En los sistemas teóricos de Faraday, Maxwell y Lorentz se supone que existe un medio especial, el "éter", que es portador de ondas electromagnéticas.
Sólo en el sistema de referencia del éter, la velocidad de la luz en el vacío es estrictamente independiente de la dirección, y las ecuaciones de Maxwell y la fórmula de fuerza de Lorentz son estrictamente verdaderas sólo en el sistema de referencia del éter.
Esto significa que las leyes del electromagnetismo no cumplen con el principio de relatividad.
Más investigaciones sobre este tema llevaron a Einstein a establecer la teoría de la relatividad especial en 1905, cambiando su visión original y reconociendo la relatividad especial como un principio básico de la física. Niega la existencia del sistema de referencia del éter, modifica la relación de transformación espacio-temporal entre sistemas de referencia inerciales y posibilita que las ecuaciones de Maxwell y la fórmula de fuerza de Lorentz se establezcan en todos los sistemas de referencia inerciales.
El establecimiento de la teoría especial de la relatividad no sólo desarrolló la teoría electromagnética, sino que también tuvo un impacto significativo en el desarrollo futuro de la física teórica.