電気とは何か、その歴史や種類について解説します。また、その特徴や伝承、事例とはどのようなものなのか。
電気とは何ですか?
電気は、電荷の存在と流れから生じる一連の物理現象です。
電気は物質の組成、より正確には電子の存在の結果です。電子とは、従来マイナス (-) と呼ばれる電荷を持った素粒子です。
私たちは一般的に電気エネルギーを電気と呼びますが、これらはまったく同じものではありません。
電気エネルギーは、導電性物質を通る電子の流れ (電流) の結果であり、現代の人間の生活の基礎となる、非常に汎用性の高いエネルギーの形態です。
電気は、電磁気学と呼ばれる物理学の領域内で起こる現象の 1 つです。電磁力は、自然界の 4 つの基本的な力 (重力、弱い核力および強い核力とともに) の 1 つです。
今日の電気は、生成、輸送、貯蔵、消費され、つまり、熱、運動、化学、光など、人間に役立つ他の種類のエネルギーに変換されます。
参照:電磁汚染
電気の起源
電気は、物質を構成する原子に関係する自然な相互作用です。
原子は本来、電気的に中性です。つまり、電荷を持っていません。原子が電子を失ったり得たりすると、電気状態が変化して電荷が得られます。電子を失った場合は正、電子を獲得した場合は負になります。
物質内でこの効果を引き起こし、電気的不均衡 (帯電) を引き起こし、電流を発生させるさまざまな現象が存在します。
たとえば、一部の布地 (ウールなど) をこすると、顕著な静電気が発生することがあります。
電気の歴史
人類は太古の昔から、自然界で電気の存在を観察してきました。
しかし、その正式な研究は 17 世紀から 18 世紀の科学革命とともに始まり、家庭用および産業用に応用できるようになったのは 19 世紀になってからです。
当時、英国の哲学者ウィリアム・ギルバートは、小さな物体を引き寄せる点では似ているにもかかわらず、琥珀を擦ることで得られる現象（静電気）と磁鉄鉱の現象（磁気）の研究と区別に専念しました。
これは電気と磁気の分野の発見の始まりであり、その関係はずっと後に理解されることになります。
電気の理解を担当した偉大な科学者は、主に 18 世紀の人物でした。キャベンディッシュ、デュ フェイ、ファン マッシェンブルック、ワトソン、さらにはガルバーニ、ヴォルタ、クーロン、フランクリンです。
すでに 19 世紀初頭には、アンペール、ファラデー、オームが参加し、電気と磁気の統一方程式を初めて定式化したジェームス クラーク マクスウェルも参加しました。
電気の種類
電気には 2 つの基本的な種類があります。
- 静電気。それは、静止または静止した状態で電荷の周りに生成されるものであり、つまり、動いたり流れたりすることはありません。たとえば、琥珀を羊毛や乾いた布でこすると、琥珀内に電子的な不均衡が生じ、琥珀に電荷が生じます。摩擦により電子が布地から琥珀に移動し、琥珀はマイナスに帯電し、布地はプラスに帯電します。この電荷は、何らかの方法で（たとえば、空気や私たちの体の原子と）平衡が保たれるまで、琥珀の中に存在します。
- ダイナミックな電気。動く電荷の周りに発生するもの、つまり電荷の流れ、つまり電流です。これには、導電性材料の本体に電子を流す恒久的な電源が必要ですが、これは非常に便利です。
電気は何のためにあるのでしょうか？
電気は非常に強力で非常に用途の広い現象であり、あらゆる種類のデバイスや化学反応に電力を供給するために使用され、他の形式の使用可能なエネルギーに変換できます。
たとえば、抵抗を介して熱を生成するために使用でき、部屋を暖めたり、食べ物を調理したりすることもできます。電球を使って光を生成したり、モーターを起動して動きを生み出すためにも使用されます。
電気は、ドアベルを鳴らすことから算術演算の実行まで、無限の目的が可能な電子デバイスに電力を供給します。
電気はどのように現れるのでしょうか？
電気は一連の物理現象と特性として現れます。
- 電荷。すべての原子は、陽子（電子と逆の電荷を持って原子核内に存在する素粒子）と同じ数の電子を持っているため、本来は中性です。特定の条件下では、一部の材料の原子は電子を失ったり、獲得したり、再配置したりすることがあり、その結果、他の材料と電磁的に相互作用することがあります。
- 電流。それは、導電性材料（導体）を通る電子の流れまたは動きです。
- 電場。静止している電荷は周囲に電場を生成し、周囲の他の電荷に影響を与えます。電荷が移動すると磁場も発生します。両方は関連しており、電磁場と呼ばれます。
- 電位。それは、電界が仕事をする能力です。
- 磁性。電気と磁気は密接な関係にあります。電流は磁場を生成し、時間とともに変化する磁場は電流を生成します。
電気はどのように生成されるのですか?
電気はさまざまなタイプの発電所で生成されますが、通常はタービンの動きによって 2 点間の電位差を維持する電磁発電機によって生成されます。
この動きは通常、上昇する水蒸気や、風やタービンに作用する落下水によって生成されるその他の力によって引き起こされます。したがって、発電機は、導電性材料上で磁場 (磁石や電磁石など) を移動させ、電場を生成します。
電気を生成するもう 1 つの方法は、太陽電池を使用することです。太陽電池は、太陽光から光子を吸収し、それに応じて電子の流れを生成するデバイスです。
電気はどのように伝わるのでしょうか？
電力管理におけるもう 1 つの重要な問題は、発電源から消費場所までの電力の送電です。このために、導電性材料からなる配線が利用可能である。
しかし、距離が長くなるほど、電荷の損失も大きくなるというジレンマがあります。導電性材料であってもある程度の耐性はあるからです。
この問題を解決するには、高電圧線、つまり非常に高い電圧差を持つケーブルを使用して、電流が加熱や電磁効果による損失を少なくしながらより長い距離をカバーできるようにします。
しかし、高電圧には 2 つの問題があります。1 つは、適度な電圧が必要なため国内では役に立たないということ、もう 1 つは危険であるということです。
これらの問題を解決するには、電圧値を変更して高電圧を輸送に使用し、低電圧を目的地での消費に使用できるようにする変圧器の発明が鍵となりました。
電気伝導率
電気伝導率は、電荷の通過を可能にする物質の能力です。それは抵抗率とは反対の大きさです。
性質に応じて、材料は次のとおりです。
- 導電性材料。電気にさらされると、電子がその表面を通過することができます。最もよく知られている導体は、金属と炭素の一部、およびほとんどの塩です。このプロセスでは、通常、電荷の一部が失われ、熱が発生します。
- 誘電体または絶縁体。電気を通さないため、ケーブルの保護材やカバーとして使用されます。例:ガラス、ベークライト、プラスチック。
- 半導体材料。特定の条件 (温度、圧力など) では電気を通過させますが、他の条件では絶縁体として機能します。例: シリコン、カドミウム、ゲルマニウム。
- 超電導材料。特定の温度条件下にある限り、磨耗や電荷の損失を引き起こすことなく電気を通過させることができます。これは、スズやアルミニウムが臨界温度以下に冷えたときに起こる現象です。
自然界の電気
自然界では、次のような場合に電気が観察されます。
- 稲妻。嵐中の雷は、雲や水滴と空気の摩擦によって大気と地面の間の電位の不均衡が原因で発生し、空気が電子で帯電して静電気が発生します。これは、雷の形での急速かつ激しい放電によって解決されます。
- 生体電気。電気光線や一部のウナギなど、一部の動物は防御として電場を生成することができます。しかし、生体内の電荷によって生成される磁場を感知して獲物を検出できる個体もいます。一方、神経インパルスは小さな放電であり、脳は電気に基づいて動作します。
- 地球の磁気圏。オーロラを見た人なら誰でも、地球の周りには磁場があり、それが太陽放射や宇宙線から地球を守っていることを知っています。この磁場はコンパスによって検出される磁場であり、その中心部が鉄（磁性金属として優れている）であるため、惑星の回転運動によって生成されます。
電気の例
電気の一般的な例は、私たちの周りにいくつかあります。
- デバイスを壁のコネクタに接続するときに使用するエネルギー。
- ウールのセーターを乾燥機から取り出して着るときに感じる衝撃。
- 懐中電灯の電球を点灯するためにバッテリーから得られるエネルギー。
参考文献
- の「電気」。
- 「電気って何？」で 。
- の「電気」。
- の「自然界の電気」。