電気は何ですか? サイエンスマジック入門

序文

電気はすばらしいことであり、私たちがそのような驚くべき方法でそれを指揮することができることはさらに驚くべきことです。我々はそれを指示し、それを大量に使用し、世界中の電力を駆動すると同時に、同じパワーを1インチのプロセッサー内の数百万個の小さなロジックゲートに利用することができます。電気は最も強力な機械の後ろにあり、現代の「思考」機械の後ろには、計算できるものがあります。私にとって面白いのは、副作用以外の電気を実際に体験することができないということです。私が意味することは、落雷を見ることができたり、肉体を通って電気の流れを感じることができます(私たちを殺してはいけないと思っています)が、実際に電気を保持したりタッチしたりすることはできません”オブジェクト。これは、部分的には電気が原子レベルで、原子と原子を構成するものの間にあり、部分的には電気がエネルギーの一種であることもあります。あなたがエネルギーを考えるとき、あなたは意識の振動エネルギーを考える傾向があるかもしれません、または演奏から良いエネルギーを感じるかもしれませんが、私がエネルギーで意味するのは、力で現れることができるものです。空中に浮遊する大きなアンビルには潜在的なエネルギーがたくさんありますが、そのエネルギーは再び見るか保持するか触れることではありません。車が3秒で0から60になると、巨大な金属体を動かすために多くのエネルギーを費やしています。車の動きを見ることはできますが、その上に作用するエネルギーを見る、保持する、触れることはできません。この意味では、エネルギー、そして電気の研究を構成する要素の多くは、コンクリートと抽象の両方である。ある意味では物理的な世界に存在するという意味では具体的ですが、見えないので、私たちの心の中でそれを理解しなければならないという意味で抽象的です。

私は個人的にはやや難しいです。私は、純粋に抽象的なものとして多くのことを扱うように調整して訓練しているからです。抽象概念間の関係が、物理空間におけるそれらの配置と機能、それらの性質によって緩和される何かを理解することは、私の脳が不快になるのはやや難しいことが分かっています。抽象化がどのように働いて互いにつながっているかという私の考え方は、私の人生でコンピュータプログラミングのシステムを学び理解するのに費やされたためです。コンピュータプログラミングでは、すべてが抽象であり、特定の抽象化は、プログラマが「物理的」と書いたコードの表現であること以外は、「実生活」の同等物を持たない。まったく抽象的なもの同士の関係を理解することは、純粋に抽象的な関係であり、私にとっては簡単です。関係が物理的な現実の中で決定される抽象概念間の関係を理解し​​、学ぶことは新しい経験である。

しかし、私は、ロボットのような自律的な存在であるだけでなく、人間の正常な機能を「向上させる」ために、電子デバイスを作りたいと考えています。ロボットを作りたいと思ったら、電気と回路がどのように働くか、特に集積回路などを学ばなければならないでしょう。私が独自のアイトラッキング拡張リアリティヘッドウェアを構築したい場合、回路やディスプレイのダイオードをどのようにマイクロコントローラに接続するかを知る必要があります。だから、私はここで、初めて電気を学ぶ人の視点から電気がどのように作用するのかを説明しようと努力しました。私はいくらか成功することができればいいと思う。

電気

古代の人々は、今日我々がそれを知っているように電力を認識していませんでした。 私たちが「電気」と呼ぶもののカテゴリーに属するものとして何かを体験したり特定したりするのに最も近いのは、雷と電気魚の衝撃でした。 雷とこれらのウナギとの関係は弱いですが、エジプト人はこれらの生き物を「ナイル川の雷」と言いました。 しかし、アラブ人は、15世紀以前には電光線に雷(عربي)という言葉が適用された前に、言語的により直接的な関係を結んでいた。 しかし、ほとんどの輸入品の中には、地中海のギリシア人や他の文化が、毛皮でこすられた琥珀色が奇妙な性質を持っていることが観察されました。 この奇妙な性質はもちろん静電気とその軽度の磁気効果であり、MiletusのThalesによって研究されました。 しかし、タレスはこの現象に存在する電気的背景を確かめることができなかった。

1600年代になると電気が特定された、あるいは言葉として造語されたものであった。というのも、その言葉はギリシャ語のルーツを持っているからだ。 英国のウィリアム・ギルバートも、タレスが研究したのと同じ現象を研究しましたが、2つの効果が存在することを確認することができました。すなわち、石灰岩の効果と今は静電気として知ることです。 ギルバートはエレクトラスという言葉を作り、ギリシア語の琥珀色のἤλεκτρονから派生したものです。 1646年、この言葉はトーマス・ブラウンの「Pseudodoxia Epidemica」の仕事で「正式に認定されました」と言われ、今では電気と電気という言葉があります。

最初のステップ:料金

電気を理解するための第一歩は、私が充電と呼ぶものを理解することです。 他の人はそれを請求すると言いますが、単語が別の文脈で使用されることもあります。 この文脈では、私は何かが持つことができる尺度を単に記述しています。 チャージは、正と負の2つの極の間の連続体上に存在する。 真ん中には料金はありません。

一般的に、これらの2つの料金は、お互いに特別な関係を成し遂げます。 ここでのアイデアは、反対の料金が引き付けられ、同じ料金が反発するということです。 これは電気、原子の構造、磁気にも当てはまりますが、これもすべて関連しています。 この関係は次の図で示すことができます。

本質的に、物、特に粒子は電荷を持っています。 その電荷は、無電荷、正電荷または負電荷のいずれかである。 連続体の反対側にある異なる電荷は互いに引き寄せられ、同様のまたは類似の電荷は互いに反発する。

歴史的に、これはCharles-Augustin de Coulombによって発見され、コード化されました。紐で吊り下げられた導電性ボールは、帯電したガラス棒で触れて帯電させることができます(布でそれをこすることによって達成されます)。同様のボールが同じロッドによって充電されている場合、両方のボールは同じ電荷を持ち、互いに接近したときには互いに反発する。しかしながら、ボールの1つがアンバーロッドと同様の仕方で装填されれば、両方のボールは互いに向かって移動する。本質的に、アンバーからの「反対の」充電はボールを引き付ける。これはチャールズを鼓舞しました。私たちが示してきたように、反対側の連続した連続体に電荷が入っていると宣言しました。そして、 “同じような物体がはね返り、反対側の物体は引き付けられる”という公理。実際には、Coloumbの法則として知られている数学的な構造があり、そのボールとの関係でこれらのボールに影響を与える力が記述されています。反発の誘引力は静電気力とも呼ばれます。私は別の記事でColoumbの法則と静電気をカバーしたいと思っています。

電荷を理解することは、電流、すなわち原子とその原子を構成する粒子の媒体を理解するのに役立ちます。

原子

私たちが知っているように、電気は原子の起源を持っています。 力がどのように流れて、どのような力を発揮するかを理解するためには、電気が作用する媒体または材料を理解する必要があります。 原子は、古代ギリシャ人とインディアンにまで長い歴史を持っています。 今日の頃、哲学者たちはまだ、私たちの宇宙の物理的なものが正確に何であったのか把握しようとしていましたか? 「物理学者」、または一般的に知られているように、前ソクラテス哲学者は、自然発生の神話的説明を拒否し、当時の神学者から壊れた。 彼らは合理性を通じた自然の現実に関する質問に答えることを望んでおり、「すべてはどこから来ていますか? と “どのようにすべてが構成されていますか?

ギリシャの哲学の父であるタレス(Thales)は水をすべてのものの作曲家と宣言しましたが、後にAnaximanderは暖かみや寒さなどの対立が現われない無限の無限の物質を仮定しました。 Anaximenesはすべてのものを構成し、肉体を形成するために空気を濃くし、細くすることを決めました。 Ephesian学校のヘラクレイトスは、既存のすべてのものがロゴとして知られているパターンで接続され、永遠のフラックスにあったことを決めました。彼には、このパターンの主要な要素が火災でした。そして、エンペドクレスは、空気、土、火、そして水で遊んで複数の要素があったことを主張し、来ました。 Anaxagorasは、これらのすべてが理性、または神の心のようなものによって命じられたと決めました。あなたは闘争が本当だったことが分かります。

最後にレウキッポスという男と彼の弟子デモクリトスは一緒に来て、物が原子で構成されたことを決めました。原子は不可分であることを意味するギリシャ語のἄτομονに由来します。これらの原子は、形や大きさの無限の多様性に表示されるように哲学的だったが、その明確な特徴は、彼らの不滅と不変でした。彼らは、虚無の空隙に囲まれていたが、この間隙に、彼らは他の原子と衝突またはクラスターを形成するために結合します。哲学的に華麗で、科学的には非常に近い、これは原子論の教義でした。デモクリトスはアトミック主義の唯一の人ではいけないことにも留意すべきであり、ジャイン、アジヴィカ、カルバカなどのような結論に到着した古代インドにも多くの学校があった。ニヤーヤ学派とヴァイシェーシカ学派の学校は、後に、より複雑なオブジェクトへの原子の組み合わせを含むように、これらの概念を開発しました。 Ashariteの神学の学校のようにイスラム教の歴史の中で同様に原子論の思考があった。 Atomismは必ずしもギリシャの哲学者の唯一のドメインではありませんが、Democritusはアイデアを全体として取り込む初期の歴史的な人物の1人でした。

暗黒時代は原子哲学を哲学的に否定していたが、残念なことに、その理論とその研究は、16世紀のアトミック主義の原因となった少数の男性のためではなかった。ルネ・デカルト、ピエール・ガッセンディ、ロバート・ボイルのような有名な科学者と哲学者は、原子論を提唱し、楽しんだ。それは本当に面白いです、古典的な形の原子を復活させたノーサンバーランドのサークルは、アヴァンギャルドの一部とみなされ、必ずしも完全に受け入れられるとは限りません。フランシス・ベーコンは1605年に原子党派になったが、後にその主張のいくつかを拒絶した。ガリレオは浮遊体に関する1612年の談話でアトミック主義を提唱し、後にThe Assayerの原子論に関する情報と詳細を提供し、そこでは彼は物質の微視的理論を提唱した。

1808年にJohn Daltonによって提案された証拠に基づく原子理論として現在知られている種のものまで、さらに哲学的研究が続けられました。物質組成に関する経験的証拠を得ようとしていましたが、蒸留水が酸素と酸素を同じ割合で含む。これは、ニュートンとライプニッツのアイデアを基にした、ロジャー・ボスコビッチによって提案された初期の数学的理論の経験的証拠であった。ダルトンの研究は、19世紀にかけて、原子物理学の誕生とともに20世紀まで議論されていました。

Joseph von Fraunhoferは、狭い周波数範囲の光の放出または吸収に起因する連続的な光スペクトルにおけるスペクトル線、省略または追加を研究しており、彼の研究は、Bohr原子モデルの開発および量子力学の誕生につながった。そこから、科学者たちは、今日持っているものを形成するために物質の原子と量子のモデルを改訂し、開発しました。人間が、哲学や精神の問題の枠組みを直観的に考案し「見る」ことができたかどうかを知ることは魅力的です。

原子を構成するものは何ですか?原子は、最も単純な意味では、電子、陽子、中性子からなる荷電粒子の集合である。粒子が正確にどのように構成されているのか、あるいはそれがどのように挙動するのかは、質量や波としては全く別の話題ですが、今のところ、私は原子を考えたときに想像することができます。 。電子は負に帯電した粒子であり、陽子は正に帯電した粒子である。中性子は、われわれが知る限り、無償です。

ここでのアイデアは、原子は陽子と中性子で構成された核を持ち、それらの周りに「周回軌道」があり(実際には8つの軌道を実際に作る)、小型の太陽系のような電子です。実際、電子は核の周りに複数の殻を形成します。つまり、1つの層(殻)に1つまたは2つの電子が軌道を描くことがあり、さらに外側の層(殻)においては6または8が同じことをしている可能性があります。原子がどれくらいの数の殻を持ち、どれくらいの数の電子を含んでいるかという非常に特殊な規則があり、興味深い記事として提供されています。

平衡状態にある通常の原子は、電子と等しい量の陽子を有する。これは、電子の電荷が陽子の電荷に等しいという点で原子が電気的に中性であることを意味する。 「放置された」原子の電子は基底状態にあると考えられ、「興奮」しておらず、必要最低限​​の電荷量しか持たない。電子が光、磁場、他の粒子との衝突から追加のエネルギーを獲得し、励起状態に入る可能性があります。特定の殻を占める電子も、基底状態とは異なる拘束状態にある。しかし、状態はそのように名づけられています。なぜなら、あなたは結合エネルギーの量を適用することによって実際に電子をそのシェルから出すことができるからです。それによって、原子をイオン化させる(原子全体を電子とプロトンの平衡が失われて正または負の電荷を帯びていると考えられています)。最も外側の殻の電子は核から最も離れた電子を価電子とみなし、最外殻の電子の数は時には原子の分散と呼ばれる。この特性および情報は化学において非常に有用であるが、我々がすぐに読むように、電流に対して大きな意味を有する。

以下の図のように、原子を構成する電子、陽子、中性子を想像することができます。

要素と分子

今日、現場には多くの材料と物質があります。問題は、これらの物質の最小の不可分の部分は何ですか?この質問に答えることで、その物質がどのようなもので構成されているかを正確に理解することができます。いくつかの物質は、いわば「純粋」であり、単一の原子から構成されています。原子はその物質としてまだ識別可能な最小の分割不可能な部分になります。例えば、水素は、1つのプロトンと1つの電子からなる1つの原子に還元可能である。酸素は、2つの陽子、2つの中性子、および2つの電子からなる1つの原子に還元可能な別の物質である。単一の原子に還元可能なものは、元素として知られています。 100以上の要素が特定されています。元素は多くの異なる特性に分類することができるが、最も一般的な分類は、増加する重量の表(陽子と中性子が原子をその重量のほとんどを与える)であり、同様の性質を有する家族に分類する。あなたは、この表を要素の周期表として聞いたことがあります。

いくつかの物質は、最小の形で、複数の原子または元素で構成されています。 最も簡単で使いやすい例は水です。 「水」元素も原子もなく、水は3つの原子、すなわち2つの水素原子と1つの酸素原子で構成されています。 原子は、私たちが水として知っているものを形成するような方法で結合されています。 この多原子組成は、その還元不可能な形態では、分子として知られている。 副題では、分子全体が結合されたり、別の分子から分離されたりすると、それは物理的変化と呼ばれる。 物質の分子が新しい分子を形成するように変化するとき、それは化学変化として知られている。 ここで興味深いのは、ほとんどの化学変化は陽イオンと陰イオンを含み、したがって電気的性質であるということです。 このようにして、すべての事柄が本質的に電気的であると言うことができます。 多くの点で、私たち自身は電気です。 それは考えだ。

電流

現代の生活の中で絶え間なく取り組んでいる電気の中心的なアイデアの1つは、電流のものです。人々が電気を考えるとき、これは一般に彼らが言及しているものです。雷、火花、電源ソケットにナイフを刺したときに体を撃つもの(そうしないでください!)、電球や小さな集積回路のような大規模な回路で起こるものはすべて電流です。

このパラダイムまたはビューの電気は、「電子を動かす力」と定義されるかもしれない。これは興味深い定義ですが、それは効果を記述するのには効果がありますが、実際にその力を記述することはできません。この最後の文を明確にするには、車のエンジンを「車を動かす力」と定義したとします。私たちはエンジンについては何も言わず、エンジンだけは何も言わず、同様に起源力については何も言わなかった。正確にはこの力が何であるかについては、特に量子レベルで多くの論文がありますが、この記事の範囲外です。

これは、この力がさまざまな条件のもとでどのように作用するかを決定し、観察することから人々の全幹部を止めることはありませんでした。自分がどのように動いているのか、それがどのような影響を持っているのかを理解することによって、力を必ずしも理解できないかもしれませんが、本当のアイデンティティを知らなくても、また、現時点では、この力が現れたり、どこから来るのか心配する必要はありません。今のところ、この力を生み出すブラックボックスとしてのバッテリーなどのソースを想像してください。

この力を特定の物質に適用すると、純粋な元素を言いましょう。外側の軌道の電子、または以前に価電子として同定されたものが、軌道から押し出され、 “方向”に沿って進みます現在。陽子は移動する可能性があるが、陽子は軽い電子と比較して非常に重いため、通常そうではない。例えば、水素中のプロトンは、対応する電子より1,850倍のヒーバーである。我々は、原子が電子を失うと、電子が失われて電子が失われ、それが正に荷電され、そうでなければ陽イオンとして知られることを知っている。我々は、この新たに結合していない電子を自由電子と呼んでいる。電流は自由電子が移動する方向を定める経路、通常は回路を有するが、いずれの場合も自由電子は1つの原子から別の原子に移動する。電子が1つの原子から別の原子に移動するにつれて、連続的にイオン化され、次いで脱イオン化されるこの一連の原子は、電流として知られている。この電流モデルは、電子流モデルとして知られている。このプロセスは次の図のように描写されます。

異なる物質は、異なる原子組成を有する。私は物質が元素であり、最小の成分は単一の原子であり、その場合、最大の分散は存在する価電子の数にある。分子に還元する物質はずっと複雑です。一般的な考え方は、価電子が多いほど、単一の電子をそのシェルから移動させて自由電子にすることが難しくなるということです。このようにして、物質は、電気に関して、導体および絶縁体(それ以外の不良導体または非導体としても知られている)として分類することができる。

導電体は、多数の電子を容易に流すことができる物質です。例えば、銅では、各電子は1つの原子から次の原子に移動して別の電子を軌道から追い出し、何度も繰り返す。所与の力の下の材料中の可動電子の数が多いほど、その材料の導電率は良好である。これを想像するもう1つの方法は、材料が電子の流れに対して低い対抗性を有することである。導電性のもう一つの要素は材料の寸法ですが、今のところそれについては心配しません。良い導体の例には、銀、銅、アルミニウムなどがあります。

一方、絶縁体は、電子流に対する高い反対を有する。原子レベルでは、原子価電子の数が増えたために、電子を自由に「ポップ」するのが難しくなる可能性があります。良好な絶縁体の例としては、ゴム、ガラス、木材、ベークライトなどが挙げられる。絶縁体として知られている物質に電子流が発生するためには、導体に比べてはるかに大きな電気力を消費しなければならない。

電子の流れはすべての事柄においてある程度まで存在することが知られているので、たとえ小さくても、導体と絶縁体との間の実際の分割線は存在しない。実際、それは単に導電率の尺度です。ほとんどの電気技師の考えは、回路内で電流を流すのに最良の導体を使用することであり、絶縁体はこれらの導体の周りで流れが迂回するのを防ぐためです。

それは電気になると、電子の流れは物語の終わりではありません。電流は熱の発生(1840年にジェームズ・ジュールが数学的に研究した)、1820年にハンス・クリスチャン・オースステッド(Hans Christian Ørsted)によって観測された磁場の「生成」などの他の現象に関連しています。一般的に磁気フィールドと磁気は非常に重要であり、別の記事の対象となります。それは非常に複雑で、拡大するためのスペースが必要です。

結論

これは、ほとんどの人々がそれを想起するように、電気の中心的な側面を紹介したものです。 電気は、電荷、電流、磁場、磁場、電位、化学、および電力を含む今後の記事で拡大したいと思う多くの側面があります。 電子流モデルは、電流のモデルを理解するのが最も簡単だと思いますが、それは単純なモデルです。 電気の本質とアイデンティティーを理解するための現在の努力は、研究者に、より多くの分野で電流を考えるようになったが、そこから始めることは電気への導入が複雑すぎることを証明するだろう。

この記事が役に立つと読んでいただきありがとうございました。

この記事は、「電気:科学マジック」と呼ばれる大きなリストの一部です。

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photo credit: M. Sanders Photography Lightning Over Melbourne via photopin (license)

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