Электри́чество — понятие, выражающее свойства и явления, обусловленные структурой физических тел и процессов, сущностью которой является движение и взаимодействие микроскопических заряженных частиц вещества (электронов, ионов, молекул, их комплексов и т. п.). Правда есть и другая версия происхождения электричества. Эта версия принадлежит Николе Тесле. В его теории электричества основополагающим было понятие эфира — некой невидимой субстанции, заполняющей весь мир и передающей колебания со скоростью, во много раз превосходящей скорость света. Каждый миллиметр пространства, полагал Тесла, насыщен безграничной, бесконечной энергией, которую нужно лишь суметь извлечь.

История

Впервые на электрический заряд обратил внимание Виктор Татару. Он обнаружил, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает свойства притягивать мелкие предметы. Позже это использовалось для чистки от пыли одежды, для которой было критично любое повреждение краски. Считалось, что таким свойством обладает только янтарь. Но только после становления физики как экспериментальной науки, заложенной Галилео Галилеем, это явление стало изучаться как средство для исследования и использования свойств физических тел.

Термин «электричество» (англ. electricity) введён английским естествоиспытателем, лейб-медиком королевы Елизаветы Тюдор Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества. Название «электричество» происходит от др.-греч. ἤλεκτρον — «янтарь».

В середине XVII века Отто фон Герике разработал электрофорную машину. Кроме того, им было обнаружено свойство электрического отталкивания однополярно заряженных предметов.

В начале XVIII века английский учёный Стивен Грей обнаружил, что существуют вещества (металлы), которые проводят электричество от одного тела к другому, а вскоре его коллега Роберт Симмер, наблюдая за электризацией своих шелковых чулок, пришёл к выводу, что электрические явления обусловлены тем, что электричество представлено двумя взаимодополняющими субстанциями, свойства которых стали обозначать понятием «заряд», различая положительный и отрицательный заряд тел. Данные субстанции разделяются при трении тел друг о друга, что и вызывает электризацию этих тел, то есть электризация — это накопление на теле заряда одного типа, причём заряды одного знака отталкиваются, а заряды разного знака притягиваются друг к другу и компенсируются при соединении, делая тело нейтральным (незаряженным). К тем же выводам пришёл в 1729 году Шарль Дюфе. Он установил, что существует два рода зарядов. Опыты, проведённые Дюфе, говорили, что один из зарядов образуется при трении стекла о шёлк, а другой — при трении смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным». Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл немецкий горбун Лихтенберг, Георг Кристоф , по учебникам США Бенджамин Франклин, который также обнаружил электрическую природу молний (атмосферное электричество) и изобрёл молниеотвод. В 1745 году быд создан первый электрический конденсатор — Лейденская банка. Гальвани открыл биологические эффекты электричества. Вольта изобрёл первый источник постоянного тока — гальванический элемент (1800).

Закон взаимодействия зарядов был экспериментально установлен в 1785 году Шарлем Кулоном с помощью разработанных им чувствительных крутильных весов — он нашёл, что сила взаимодействия между заряженными телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и это поставило науку об электричестве в ранг точных дисциплин, в которых можно применять математические методы.

В 1802 году Василий Петров обнаружил вольтову дугу. Эрстед и Ампер открыли связь между электричеством и магнетизмом в 1821 году. Работы Джоуля, Ленца, Ома по изучению электрического тока. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830). Фарадей открывает электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Максвелл формулирует свои уравнения (1873). Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888). Электротехническая революция — создание электрических батарей, электромагнитов, электрического освещения, телеграфа, телефона, прокладка трансантлантического кабеля, электродвигателей, электрогенераторов и электротранспорта (трамвай, троллейбус, метро).

Таким образом сложилась электрическая теория вещества, согласно которой физические тела представляют собой комплексы взаимодействующих частиц, имеющих электрические заряды, и многие свойства физических тел определяются и могут быть описаны с помощью законов, математическими соотношениями количественно выражающих их взаимодействие и движение. Это было экспериментально подтверждено многими опытами, в том числе открытием Джозефом Томсоном (получившим за это титул лорда Кельвина) в 1897 году носителя отрицательного заряда — частицы, получившей название «электрон», и исследованием структуры атома Эрнстом Резерфордом (получившим за это титул лорда Нельсона), Фредериком Содди и другими учёными.

В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики.

В настоящее время электрическая концепция вещества является главной парадигмой физики и позволяет предсказывать и формировать необходимые на практике свойства физических тел и процессов (например, передачи информации или уничтожения промышленных центров неприятеля). В быту электрические явления получили повсеместное распространение, главным образом как средство генерации, передачи и применения энергии (электрические двигатели, электрическое освещение и т.п.) или информации (телефон, радио, телевидение, электронное фото) — то есть, для изменения энтропии (разупорядоченности) среды обитания человека.

Основные понятия

    * Закон Кулона
    * Закон Ома
    * Уравнения Максвелла
    * Электростатика
    * Электродинамика
    * Электротехника
    * Электрогидродинамика
    * Электрический ток

Ра́дио (лат. radio — излучаю, испускаю лучи ← radius — луч) — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Принцип работы
Передача происходит следующим образом: на передающей стороне формируется радиоволна (сигнал) с требуемой частотой и мощностью. Далее передаваемый сигнал модулирует более высокочастотное колебание (несущую). Полученный модулированный сигнал излучается антенной в пространство. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, после чего он фильтруется и демодулируется. После демодуляции получается сигнал, с некоторыми (возможно допустимыми) различиями с сигналом, который мы передавали передатчиком.

Частотные диапазоны
    Основная статья: Диапазон частот

Частотная сетка, используемая в радиосвязи, условно разбита на диапазоны:

    * Длинные волны (ДВ) — f = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м)
    * Средние волны (СВ) — f = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м)
    * Короткие волны (КВ) — f = 3—30 МГц (λ = 100—10 м)
    * Ультракороткие волны (УКВ) — f = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м)

В зависимости от диапазона радиоволны имеют свои особенности и законы распространения:

    * ДВ сильно поглощаются ионосферой, основное значение имеют приземные волны, которые распространяются, огибая землю. Их интенсивность по мере удаления от передатчика уменьшается сравнительно быстро.
    * СВ сильно поглощаются ионосферой днём, и район действия определяется приземной волной, вечером хорошо отражаются от ионосферы и район действия определяется отражённой волной.
    * КВ распространяются исключительно посредством отражения ионосферой, поэтому вокруг передатчика существует т. н. зона радиомолчания. Днём лучше распространяются более короткие волны (30 МГц), ночью — более длинные (3 МГц). Короткие волны могут распространяться на больши́е расстояния при малой мощности передатчика.
    * УКВ распространяются по прямой как свет и, как правило, не отражаются ионосферой.

Распространение радиоволн
Радиоволны распространяются в пустоте и в атмосфере; земная твердь и вода для них непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в частности, находящимися на большом расстоянии).

Распространение радиоволн от источника к приёмнику может происходить несколькими путями одновременно. Такое распространение называется многолучёвостью. Вследствие многолучёвости и изменений параметров среды, возникают замирания (англ. fading) — изменение уровня принимаемого сигнала во времени. При многолучёвости изменение уровня сигнала происходит вследствие интерференции, то есть в точке приёма электромагнитное поле представляет собой сумму смещённых во времени радиоволн диапазона.

Особые эффекты
    * эффект антиподов — радиосигнал может хорошо приниматься в точке земной поверхности, приблизительно противоположной передатчику. Описанные примеры:
          o радиосвязь Э.Кренкеля (RAEM), находившегося на Земле Франца-Иосифа с Антарктикой (WFA).
          o радиосвязь плота Кон-Тики (приблизительно 6° ю.ш. 60° з.д.) с Осло, передатчик 6 Ватт.
    * эхо от волны, обошедшей Землю (фиксированная задержка)
    * редко наблюдаемый и малоизученный эффект LDE (Мировое эхо, эхо с большой задержкой).

История и изобретение радио

Создателем первой успешной системы обмена информацией с помощью радиоволн (радиотелеграфии) в некоторых странах считался итальянский инженер Гульельмо Маркони (1896)[1][2]. Однако у Маркони, как и у большинства авторов крупных изобретений, были предшественники. В России изобретателем радио считается А. С. Попов[2], создавший в 1895 г. практичный радиоприёмник. В США таковым считается Никола Тесла, запатентовавший в 1893 году радиопередатчик, а в 1895 г. приёмник; его приоритет перед Маркони был признан в судебном порядке в 1943 году[3]. Во Франции изобретателем беспроволочной телеграфии долгое время считался создатель когерера (трубки Бранли) (1890) Эдуард Бранли.[4][5]. В Англии, в 1894 году первым демонстрирует радиопередачу и радиоприём на расстояние 40 метров изобретатель когерера (трубка Бранли со встряхивателем) Оливер Джозеф Лодж. Первым же изобретателем способов передачи и приёма электромагнитных волн (которые длительное время назывались «Волнами Герца — Hertzian Waves»), является сам их первооткрыватель, немецкий учёный Генрих Герц (1888). Основные этапы истории изобретения радио выглядят следующим образом.

    * 1866 — Махлон Лумис (Mahlon Loomis), американский дантист, заявил о том, что открыл способ беспроволочной связи. Связь осуществлялась при помощи двух электрических проводов, поднятых двумя воздушными змеями, один из них с размыкателем был антенной радиопередатчика, второй — антенной радиоприёмника, при размыкании от земли цепи одного провода отклонялась стрелка гальванометра в цепи другого провода.
    * 1868 — Лумис заявил, что повторил свои эксперименты перед представителями Конгресса США, послав сигналы на расстояние 22,5 км.
    * 1872 — Лумис получил первый в мире патент на беспроводную связь. Хотя президент Грант подписал закон о финансировании опытов Лумиса, финансирование так и не было открыто[6] К сожалению, никаких достоверных данных о характере экспериментов Лумиса, равно как и чертежей его аппаратов не сохранилось. Американский патент также не содержит детального описания устройств, использованных Лумисом.
    * 1879 — Дэвид Хьюз при работе с индукционной катушкой обнаружил эффект электромагнитных волн; однако позднее коллеги убедили его, что речь идёт лишь об индукции.[7][8]
    * 1888 — немецкий физик Г. Герц доказал существование электромагнитных волн. Герц с помощью устройства, которое он назвал вибратором, осуществил успешные опыты по передаче и приёму электромагнитных сигналов на расстояние и без проводов.
    * 1890 — физиком и инженером Эдуардом Бранли во Франции изобретён прибор для регистрации электромагнитных волн, названный им радиокондуктор (позднее — когерер). В своих опытах Бранли использует антенны в виде отрезков проволоки. Результаты опытов Эдуарда Бранли были опубликованы в Бюллетене Международного общества электриков и отчётах Французской Академии Наук.
    * 1891 — Никола Тесла (Сент-Луис, штат Миссури, США) в ходе лекций публично описал принципы передачи радиосигнала на большие расстояния.
    * 1893 — Тесла патентует радиопередатчик и изобретает мачтовую антенну, с помощью которой в 1895 г. передаёт радиосигналы на расстояние 30 миль[9]
    * Между 1893 и 1894 — Роберто Ланделл де Мора, бразильский священник и учёный, провёл эксперименты по передаче радиосигнала. Их результаты он не оглашал до 1900 г., но впоследствии получил бразильский патент.
    * 1894 — Маркони, по своим воспоминаниям, под влиянием идей проф. Риги, высказанных в некрологе памяти Герца, начинает эксперименты по радиотелеграфии (первоначально — с помощью вибратора Герца и когерера Бранли)[10]. Однако никаких письменных свидетельств того времени, которые могли бы подтвердить опыты Маркони проводимые в 1894 году, не имеется.
    * 14 августа 1894 — первая публичная демонстрация опытов по беспроводной телеграфии Оливером Лоджем и Александром Мирхедом на лекции в театре Музея естественной истории Оксфордского университета. В ходе демонстрации радио сигнал был отправлен из лаборатории в соседнем Кларендоновском корпусе и принят аппаратом в театре (40 м.) Изобретённый Лоджем радиоприёмник («Прибор для регистрации приёма электромагнитных волн») содержал радиокондуктор — «трубку Бранли» со встряхивателем, которому Лодж дал название когерер, источник тока, реле и гальванометр; для встряхивания когерера с целью периодического восстановления его чувствительности к «волнам Герца» использовался или электрический звонок или заводной пружинный механизм с молоточком-зацепом.
    * 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества в Санкт-Петербурге Александр Степанович Попов читает лекцию «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям», на которой, воспроизводя опыты Лоджа c электромагнитными сигналами, продемонстрировал прибор, схожий в общих чертах с тем, который ранее использовался Лоджем. При этом Попов внёс в конструкцию усовершенствования. В радиоприёмнике Попова молоточек, встряхивавший когерер (трубку Бранли), работал не от часового механизма, а от радиоимпульса[11]. Современники Попова признавали, что его конструкция представляла собой прибор, который впоследствии был использован для беспроводной телеграфии. Сам Попов приспособил прибор для улавливания атмосферных электромагнитных волн, под названием «грозоотметчик».[12]
    * Лето 1895 г. — Маркони добивается передачи радиосигнала на 1,5 км. Однако никакими документами это не подтверждено.
    * Сентябрь 1895 — по некоторым утверждениям, Попов присоединил к приёмнику телеграфный аппарат и получил телеграфную запись принимаемых радиосигналов.[9]. Однако никаких документальных свидетельств об опытах Попова с радиотелеграфией до декабря 1897 г. (то есть до опубликования патента и сообщений об успешных опытах Маркони) не существует [11]. Версию о передаче Поповым радиограммы раньше Маркони измыслил В. С. Габель [13]
    * 2 июня 1896 г. — Маркони подаёт заявку на патент.
    * 2 сентября 1896 — Маркони демонстрирует своё изобретение на равнине Солсбери, передав радиограммы на расстоянии 3 км[10][14][15].
    * 1897 — Оливер Лодж изобрёл принцип настройки на резонансную частоту[16]
    * 1897 — Французский предприниматель Эжен Дюкрете строит экспериментальный приёмник беспроволочной телеграфии по чертежам, предоставленным А. С. Поповым.
    * 2 июля 1897 — Маркони получает британский патент № 12039, «Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов в передающем аппарате». В общих чертах приёмник Маркони воспроизводил приёмник Попова, (с некоторыми усовершенствованиями)[11], а его передатчик — вибратор Герца с усовершенствованиями Риги. Принципиально новым было то, что приёмник был изначально подключен к телеграфному аппарату, а передатчик соединён с ключом Морзе, что и сделало возможным радиотелеграфическую связь. Маркони использовал антенны одной длины для приёмника и передатчика, что позволило резко повысить мощность передатчика; кроме того детектор Маркони был гораздо чувствительнее детектора Попова, что признавал и сам Попов.[17]
    * 6 июля 1897 — Маркони на итальянской военно-морской базе Специя передаёт фразу Viva l’Italia из-за линии горизонта — на расстояние 18 км.[18]
    * Ноябрь 1897 — строительство Маркони первой постоянной радиостанции на о. Уайт, соединённой с Бормотом (23 км.)[19]
    * 18/30 декабря 1897- Попов на заседании Русского физико-химического общества, используя вибратор Герца и приёмник собственной конструкции, передаёт на расстояние 250 м первую в России радиограмму: «Генрих Герц».
    * Январь 1898 — Первое практическое применение радио: Маркони передаёт (за обрывом телеграфных проводов из-за снежной бури) сообщения журналистов из Уэльса о неминуемой смерти Гладстона[10][20][21]
    * Май 1898 — Маркони впервые применяет систему настройки.
    * 1898 — Маркони открывает первый в Великобритании «завод беспроволочного телеграфа» в Челмсфорде, Англия, на котором работают 50 человек.
    * Конец 1898 — Эжен Дюкретэ (Париж) приступает к мелкосерийному выпуску приёмников системы Попова [12]. Согласно мемуарам Дюкретэ, чертежи устройств он получил от А. С. Попова благодаря интенсивной переписке.
    * 1898 — присуждение А. С. Попову премии Русского Технического Общества в 1898 г. «за изобретение приёмника электромагнитных колебаний и приборов для телеграфирования без проводов»[13]
    * 3 марта 1899 — Радиосвязь впервые в мире была успешно использована в морской спасательной операции: с помощью радиотелеграфа спасены команда и пассажиры потерпевшего кораблекрушение парохода «Масенс» (Mathens) [16][19].
    * Май 1899 — Помощники Попова П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий обнаружили детекторный эффект когерера. На основании этого эффекта, Попов модернизировал свой приёмник для приёма сигналов на головные телефоны оператора и запатентовал как «телефонный приёмник депеш».
    * 1899 — сэр Джагдиш Чандра Боз (Калькутта) изобрёл ртутный когерер.
    * 1900 — Радиосвязь вновь, впервые в России, была успешно использована в морской спасательной операции. По инструкциям Попова была построена радиостанция на острове Гогланд, возле которого находился севший на мель броненосец береговой обороны «Генерал-адмирал Апраксин». Радиотелеграфные сообщения на радиостанцию острова Гогланд приходили с находящейся в 25 милях передающей станции Российской Военно-Морской базы в Котке, которая телеграфной линией была связана с Адмиралтейством Санкт -Петербурга. Приборы, использовавшиеся в спасательной операции, были изготовлены в мастерских Эжена Дюкретэ. В результате обмена радиограммами ледоколом «Ермак» были также спасены финские рыбаки с оторванной льдины в Финском Заливе.[22][23]
    * 1900 — Маркони получает патент № 7777 на систему настройки радио («Oscillating Sintonic Circuit»).
    * 1900 — Работы Попова отмечены Большой золотой медалью и Дипломом на международной электротехнической выставке в Париже.[9]
    * 12 декабря 1901 Маркони провёл первый сеанс трансатлантической радиосвязи между Англией и Ньюфаундлендом на расстояние 3200 км (передал букву S Азбуки Морзе). До того это считалось принципиально невозможным
    * 1905 — Маркони берёт патент на направленную передачу сигналов.
    * 1906 — Реджинальд Фессенден и Ли де Форест совершают открытие амплитудной модуляции радиосигнала, что позволило передавать в эфире человеческую речь.
    * 1909 — Присуждение Маркони и Ф.Брауну Нобелевской премии по физике «в знак признания их заслуг в развитии беспроволочной телеграфии»[24]
    * 1935 — Эдвин Армстронг совершил открытие частотно-модулированного радиосигнала.
    * 1993 — Карл Маламуд создал первую «радиостанцию в интернете», названную им Internet Talk Radio. Маламуд использовал программные средства MBONE (сокращение от IP Multicast Backbone on the Internet.)

Оптоволокно — это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Оптоволокна используются в оптоволоконной связи, которая позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Простой принцип действия позволяет использовать различные методы, дающие возможность создавать самые разнообразные оптоволокна:

    * Одномодовые оптоволокна
    * Многомодовые оптоволокна
    * Оптоволокна с градиентным показателем преломления
    * Оптоволокна со ступенчатым профилем распределения показателей преломления.

Из-за физических свойств оптоволокна необходимы специальные методы для их соединения с оборудованием. Оптоволокна являются базой для различных типов кабелей, в зависимости от того, где они будут использоваться.

Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современных оптоволокон началось в 1950-х годах. Они стали использоваться в связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс значительно увеличил диапазон применения и скорость распространения оптоволокон, а также уменьшил стоимость систем оптоволоконной связи.

Оптоволокно может быть использовано как средство для дальней связи и построения компьютерной сети, вследствие своей гибкости, позволяющей даже завязывать кабель в узел. Несмотря на то, что волокна могут быть сделаны из прозрачного пластичного оптоволокна или кварцевого волокна, волокна, использующиеся для передачи информации на большие расстояния, всегда сделаны из кварцевого стекла, из-за низкого оптического ослабления электромагнитного излучения. В связи используются многомодовые и одномодовые оптоволокна; многомодовое оптоволокно обычно используется на небольших расстояниях (до 500 м), а одномодовое оптоволокно — на длинных дистанциях. Из-за строгого допуска между одномодовым оптоволокном, передатчиком, приемником, усилителем и другими одномодовыми компонентами, их использование обычно дороже, чем применение мультимодовых компонентов.

Оптоволоконный датчик
Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях.

Оптоволокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном[1].

Оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (Оптоволоконное измерение температуры).

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Другое применение оптоволокна — в качестве датчика в лазерном гироскопе, который используется в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна полученные при вращении заготовки с сильным встроеным двойным лучепреломлением.

Оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах (например, ядерное оружие)[источник не указан 24 дня]. Когда злоумышленик пытается переместить боеголовку, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Другие применения оптоволокна

Оптоволокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные ёлки.

Оптоволокно также используется для формирования изображения. Когерентный пучок, передаваемый оптоволокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.