- ηλεκτρισμός
- Γενικός όρος που υποδηλώνει όλα εκείνα τα φυσικά φαινόμενα στα οποία παίρνουν μέρος ηλεκτρικά φορτία, είτε αυτά βρίσκονται σε ηρεμία είτε σε κίνηση.
Για τον σκοπό της διατύπωσης των νόμων που διέπουν τα φαινόμενα αυτά και για ευκολία μελέτης, συνηθίζεται να υποδιαιρείται η ηλεκτρολογία ή η επιστήμη που ασχολείται με τον η. σε διάφορους κλάδους, καθένας από τους οποίους περιλαμβάνει ένα σύνολο φαινομένων που έχουν κοινά μερικά ουσιώδη χαρακτηριστικά. Μιλάμε έτσι περί ηλεκτροστατικής, ηλεκτροδυναμικής και ηλεκτρομαγνητισμού.
Ιστορικά στοιχεία. Η γνώση μερικών ηλεκτρικών φαινομένων ανάγεται σε πολύ μακρινές εποχές. Εκτός από την παρατήρηση των φυσικών φαινομένων, όπως του κεραυνού –που ωστόσο τον θεωρούσαν σαν φλόγα– είναι ιστορικά βεβαιωμένο ότι ήδη οι αρχαίοι Έλληνες κατά τον 7ο αι. π.Χ. γνώριζαν την ιδιότητα που έχει το ήλεκτρο (κεχριμπάρι) να έλκει πολύ ελαφρά σώματα, όταν τριφτεί με ένα ύφασμα ή με δέρμα (o όρος η. προέρχεται ακριβώς από τη λέξη ήλεκτρο).
Για δύο περίπου χιλιετίες οι γνώσεις για τον η. παρέμειναν σχεδόν σε αυτό το στάδιο και μόνο με την έναρξη του 16ου αι. πραγματοποιήθηκαν οι πρώτες επιστημονικές παρατηρήσεις στο θέμα αυτό. Ο Γουίλιαμ Γκίλμπερτ πραγματοποίησε μία πρώτη προσεκτική μελέτη (De magnete, 1600) για τις δράσεις που ασκούνται από μερικά τριβόμενα σώματα, παρουσιάζοντας έτσι το σύνολο των γεγονότων που παρατήρησε ως ηλεκτρικά φαινόμενα.
Κατά τους 17o και 18o αι. η γενική άνθηση της επιστήμης συνέβαλε στην αναβίωση του ενδιαφέροντος και για τα ηλεκτρικά φαινόμενα, τα οποία έγιναν ένα ανάμεσα στα άλλα αντικείμενα περιέργειας στα σαλόνια της μόδας. Ο Ότο φον Γκέρικε κατασκεύασε το 1670 την πρώτη ηλεκτροστατική μηχανή την οποία αποτελούσε μία σφαίρα από θειάφι, η οποία τριβόταν με το χέρι καθώς περιστρεφόταν. Το 1729, με βάση την παρατήρηση ότι o η. διέτρεχε κατά μήκος ενός μεταλλικού σύρματος, ενώ διατηρείτο στα σώματα όπου παραγόταν ηλέκτριση λόγω της τριβής, o Στίβεν Γκρέι εισήγαγε τη θεμελιώδη διάκριση μεταξύ αγωγών και μη αγωγών ή μονωτών. Ο Γάλλος φυσικός Σαρλ Φρανσουά Ντι Φε διέκρινε πειραματικά (1734) δύο τύπους η.: ο ένας επιτυγχανόταν όταν τριβόταν γυαλί, χαλαζίας, πολύτιμοι λίθοι και άλλες ουσίες, και σε αυτόν έδωσε την ονομασία «η. εξ υάλου»· ο άλλος επιτυγχανόταν κυρίως με το ήλεκτρο, με γομαλάκα και άλλες ουσίες, και σε αυτόν έδωσε την ονομασία «η. εκ ρητίνης». Ο ίδιος ο Ντι Φε σημείωσε: «Χαρακτηριστικό αυτών των δύο η. είναι ότι καθένας απωθεί τον όμοιόν του και έλκει τον άλλον. Έτσι ένα σώμα φορτισμένο με η. εξ υάλου απωθεί όλα τα σώματα που φέρουν η. εξ υάλου και έλκει εκείνα που φέρουν η. εκ ρητίνης. Ομοίως, οι εκ ρητίνης απωθούν τα εκ ρητίνης και έλκουν τα εξ υάλου». Αργότερα o Βενιαμίν Φραγκλίνος οδηγήθηκε στην εισαγωγή της έννοιας του θετικού η. (που αντιστοιχεί στον εξ υάλου η.) και αρνητικού η. (που αντιστοιχεί στον εκ ρητίνης η.) ως εκδήλωση συμπύκνωσης ή αραίωσης ενός ενιαίου ηλεκτρικού ρευστού, του οποίου η συνολική ποσότητα διατηρείται σταθερή (αρχή της διατήρησης του η.). Κατά την πορεία των πειραμάτων του πάνω στον η. ο Φραγκλίνος κατόρθωσε να καθορίσει την ομοιότητα μεταξύ κεραυνούκαι ηλεκτρικών σπινθήρων. Αυτή η παρατήρηση του επέτρεψε να επινοήσει το αλεξικέραυνο. Το 1746 ο Ολλανδός φυσικός Βαν Μέσενμπρουκ, καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Λέιντεν, ανακοίνωσε ένα πείραμα που τον οδήγησε λίγα χρόνια αργότερα στην κατασκευή της λουγδουνικής λαγήνου, του πρώτου ηλεκτρικού πυκνωτή, που κατέστησε δημοφιλή τα πειράματα πάνω στον η.
Στο δεύτερο μισό του 18ου αι. ανάγονται ακόμα οι πρώτες ποσοτικές μετρήσεις πάνω στον η., που αποδίδονται στους Κάβεντις και Κουλόμπ. Με τον ορισμό και προπάντων με τη μέτρηση του ηλεκτρικού φορτίου ενός σώματος, άνοιξε ο δρόμος στον μαθηματικό λογισμό για τη μελέτη των ηλεκτρικών φαινομένων. Ένα άλλο σημαντικό και αποφασιστικό βήμα αποτέλεσε η επινόηση (1799) της ηλεκτρικής στήλης από τον Βόλτα, αποτέλεσμα μιας μακράς σειράς συλλογισμών και πειραμάτων που έκανε ο Ιταλός επιστήμονας με τον σκοπό να δώσει μια εξήγηση στα φαινόμενα που είχε παρατηρήσει ο Γκαλβάνι στους βατράχους, χωρίς να λάβει υπόψη την υπόθεση για την ύπαρξη ζωικού ηλεκτρισμού.
Η επινόηση της στήλης και αργότερα οι τελειοποιήσεις της άνοιξαν τον δρόμο για τις μελέτες στην κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων και στα φαινόμενά τους, φυσικής ή χημικής φύσης. Έτσι άρχισε να διαγράφεται ένας νέος κλάδος του η., η ηλεκτροδυναμική. Ήδη κατά τα πρώτα έτη του 19ου αι. προστέθηκε η ανακάλυψη της χημικής διάσπασης μερικών σύνθετων σωμάτων με το ηλεκτρικό ρεύμα (βλ. λ. ηλεκτρόλυση) και οι πρώτες τεχνικές εφαρμογές (ηλεκτρολυτικός καθαρισμός, επαργύρωση κλπ.). To 1821 o Ζέεμπεκ ανακάλυψε το φαινόμενο που συμβαίνει κατά την επαφή δύο διαφορετικών μετάλλων που διατηρούνται σε διαφορετική θερμοκρασία και πραγματοποίησε έτσι το πρώτο θερμοηλεκτρικό ζεύγος· το αντίστροφο φαινόμενο, το οποίο επισήμανε ο Πελτιέ, ανάγεται στο 1834. Επιπλέον, πριν από τα μέσα του ίδιου αιώνα, ο Ωμ και ο Κίρχοφ διατύπωσαν τους θεμελιώδεις νόμους του ηλεκτρικού ρεύματος και τους ποσοτικούς της ηλεκτρολυτικής διάσπασης. Εκτός από αυτά, έγιναν πασίγνωστα μερικά θεμελιώδη πειράματα –όπως εκείνα του Τζάουλ για τα θερμικά αποτελέσματα του ρεύματος– και οι ευφυείς διατάξεις, όπως η φημισμένη γέφυρα του Γουίτστον για τις μετρήσεις των αντιστάσεων.
Η επινόηση της ηλεκτρικής στήλης κατέστησε επίσης δυνατή τη μελέτη των μαγνητικών δράσεων που παράγονται από τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν αγωγό.
Η έναρξη αυτών των μελετών σχετίζεται με τις περίφημες παρατηρήσεις που έκανε κατά τη δεύτερη δεκαετία του 19ου αι. ο Έρστεντ. Αυτός σημείωσε ότι η βελόνα μιας πυξίδας απέκλινε κάθε φορά που ένας αγωγός, τοποθετημένος κοντά σε αυτή, διαρρεόταν από ρεύμα. Το πείραμα επανέλαβαν ο Αμπέρ και ο Αραγκό και χρησίμευσε ως αφετηρία στις έρευνες για τον ηλεκτρομαγνητισμό (κλάδος του η. που ασχολείται με τις ιδιότητες των φορτίων που βρίσκονται σε κίνηση). Κατά το 1820 ο Αμπέρ διατύπωσε, με τη συμβολή των Μπιό-Σαβάρ και Λαπλάς, τους θεμελιώδεις νόμους που διέπουν τη δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου ως αποτέλεσμα του ηλεκτρικού ρεύματος και αντίστροφα. Το 1834 έγινε η διατύπωση από τον Λεντς του νόμου που καθορίζει τη φορά των ρευμάτων εξ επαγωγής. Όλοι οι νόμοι του ηλεκτρομαγνητισμού έχουν ευφυώς διατυπωθεί μεταξύ 1860 και 1875 από τον Μάξγουελ, σε μια γενική και εκτεταμένη θεωρία για τη φύση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Οι τελευταίες δεκαετίες αφιερώθηκαν κατά ένα μέρος σε πειραματικές αποδείξεις όσων είχε προβλέψει η θεωρία του Μάξγουελ (ο Χερτς, π.χ., επαλήθευσε το 1886 ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαθέτουν ιδιότητες ανάλογες με εκείνες του φωτός) και κατά ένα μέρος στην έρευνα διαφόρων φαινομένων, τα οποία δεν εναρμονίζονταν με την κλασική θεωρία του Μάξγουελ, η οποία κατέληξε στη διατύπωση μιας σωματιδιακής θεωρίας του ηλεκτρισμού.
Με τον τρόπο αυτό άνοιξε με τον 20ό αι. ένας ευρύς και ανεξερεύνητος ορίζοντας για τον η., ο οποίος συνδέεται όχι πια με τα κλασικά υποδείγματα ως ανεξάρτητο κεφάλαιο της φυσικής, αλλά ως ένα θέμα στενότατα συνδεδεμένο με την εσωτερική δομή της ύλης.
Από τη μελέτη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των αερίων σε χαμηλή πίεση (σωλήνες Κρουξ κλπ.) και της αγωγιμότητας σε αερόκενους σωλήνες (δίοδος, τρίοδος) γεννήθηκε στις αρχές του περασμένου αιώνα η ηλεκτρονική.
ηλεκτροδυναμική. Η ηλεκτροδυναμική προέκυψε από τη μελέτη των δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ αγωγών που διαρρέονται από ρεύμα και επεκτάθηκε ήδη από τα τέλη του 19ου αι. στη μελέτη των δράσεων μεταξύ φορτίων που βρίσκονται σε κίνηση. Το πρώτο μέρος πλαισιώνεται με τους κλασικούς νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού και την κλασική μορφή της ηλεκτροδυναμικής. Το δεύτερο περιλαμβάνει φαινόμενα που δεν μπορούν να περιγραφούν με τους νόμους του κλασικού ηλεκτρομαγνητισμού (π.χ. η κίνηση των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα του ατόμου) και αποτελεί την κβαντική ηλεκτροδυναμική (βλ. λ. μηχανική· κβάντο).
Η δύναμη που ασκείται μεταξύ δύο κυκλωμάτων που διαρρέονται από ρεύμα υπολογίζεται με τύπους μάλλον πολύπλοκους. Η δύναμη θα είναι ελκτική ή απωστική, ανάλογα με το αν τα ρεύματα που κυκλοφορούν στους δύο αγωγούς είναι ομόρροπα ή αντίρροπα. Οι διατάξεις στις οποίες ο προσδιορισμός της έντασης ενός ρεύματος επιτυγχάνεται μετρώντας τις δράσεις που παράγονται από αυτό ονομάζονται ηλεκτροδυναμόμετρα.
Εκτός από τα προαναφερθέντα αποτελέσματα, το ηλεκτρικό ρεύμα παράγει θέρμανση των αγωγών στους οποίους κυκλοφορεί, καθώς η ενέργειά του μετατρέπεται σε θερμότητα. Το φαινόμενο αυτό, που παρατηρήθηκε από την εποχή που έγιναν οι πρώτες μελέτες στα ρεύματα που παράγονταν από τις ηλεκτρικές στήλες, μελέτησε συστηματικά ο Τζάουλ και πήρε την ονομασία φαινόμενο Τζάουλ.
Η ποσότητα θερμότητας που αναπτύσσεται σε έναν μεταλλικό αγωγό που διαρρέεται από ένα ρεύμα Ι σταθερής έντασης σε χρόνο t, δίνεται από τον τύπο: Q = KI²Rt
που αποτελεί τον νόμο του Τζάουλ, όπου Κ (= 0,24 Cal/Joule) το ηλεκτρικό ισοδύναμο της θερμότητας και R η αντίσταση του κυκλώματος που εξετάζεται και η οποία υπολογίζεται από τη σχέση μεταξύ διαφοράς δυναμικού V, στα άκρα αυτής της αντίστασης, και έντασης ρεύματος I. Αυτός o ορισμός της αντίστασης ισχύει για τους μεταλλικούς αγωγούς στους οποίους εφαρμόζεται o νόμος:

και στην περίπτωση αυτή γίνεται λόγος για ωμική αντίσταση που εκφράζεται με τον τύπο:
 όπου ρ η ειδική αντίσταση του υλικού του αγωγού, l το μήκος του αγωγού και s η διατομή του.
Υπάρχουν κυκλώματα που δεν ακολουθούν τον νόμο του Ωμ, εφόσον αυτά δεν παρουσιάζουν καθαρά ωμική αντίσταση στη διέλευση του ρεύματος. Aυτό σημαίνει ότι δεν υφίσταται συνεχώς σχέση αναλογίας μεταξύ της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και της πυκνότητας ρεύματος, όπως προβλέπεται από τον νόμο του Ωμ.
Από τον τύπο που δόθηκε για την αντίσταση προκύπτει σαφώς ότι στις ίδιες συνθήκες η αντίσταση ενός αγωγού εξαρτάται από τη διατομή του· ακριβέστερα, όσο πιο λεπτός είναι o αγωγός τόσο μεγαλύτερη θα είναι η αντίστασή του. Επειδή η ποσότητα θερμότητας που παράγεται εξαιτίας του φαινομένου Τζάουλ είναι ανάλογη προς την αντίσταση του αγωγού, από αυτό συνεπάγεται ότι όταν μας ενδιαφέρει να μειώσουμε τη θερμική απώλεια χρησιμοποιούμε αγωγούς μεγάλης διατομής, ενώ για να κάνουμε πιο σημαντική την ποσότητα θερμότητας που παράγεται, ως αποτέλεσμα του φαινομένου Τζάουλ, χρησιμοποιούμε αγωγούς υψηλής αντίστασης (ηλεκτρικές θερμάστρες, λαμπτήρες πυράκτωσης κλπ.).ηλεκτρομαγνητισμός.Θεμελιώδης ενοποιημένη θεωρία που προέκυψε από τη μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ η., μαγνητισμού και οπτικής, δηλαδή τον σχηματισμό ενός μαγνητικού πεδίου από ένα ηλεκτρικό φορτίο που βρίσκεται σε κίνηση, τις μηχανικές δυνάμεις που ένα μαγνητικό πεδίο ασκεί σε ένα ηλεκτρικό φορτίο που βρίσκεται σε κίνηση, τα φαινόμενα της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής κ.ά.
Η πρώτη πειραματική απόδειξη που συνετέλεσε ώστε να υπάρξει εμβάθυνση στις παρατηρήσεις και στις μελέτες σε αυτό τον τομέα υπήρξε το γεγονός ότι ένα κύκλωμα, το οποίο διαρρέεται από ρεύμα, παρουσίασε τα ίδια μαγνητικά αποτελέσματα με ένα μαγνητικό έλασμα.
Κάποια χρόνια αργότερα, το 1831, ο Φάραντεϊ διαπίστωσε ότι ένας κινούμενος μαγνήτης προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα. Στη συνέχεια, ο Μάξγουελ και ο Λόρεντζ ολοκλήρωσαν τη θεωρία, δείχνοντας ότι ο μαγνητισμός και ο η. δεν μπορούν σε καμία περίπτωση να θεωρούνται δύο ξεχωριστά αντικείμενα μελέτης. Είναι δύο όψεις της ίδιας αλληλεπίδρασης.
Περίπου 50 χρόνια αργότερα ο Χερτς ήρθε να επιβεβαιώσει πειραματικά τη θεωρία του Μάξγουελ. Ο τελευταίος είχε ήδη δεχτεί την ηλεκτρική φύση του φωτός και ο Χερτς, με βάση πειραματικά δεδομένα, την υποστήριξε αναφέροντας ότι πίσω από κάθε σώμα βρίσκεται μια ηλεκτρική διαδικασία. Σύντομα διαπιστώθηκε ότι το ορατό φως είναι μια πολύ μικρή περιοχή του τεράστιου ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, κάνοντας ξεκάθαρη τη σχέση της οπτικής με τη νέα αυτή θεωρία.
Ας περιγράψουμε τώρα ένα σημαντικό πειραματικό γεγονός για τη θεμελίωση της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας. Όταν ένας αγωγός, o οποίος διαρρέεται από ρεύμα, τοποθετηθεί μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, ασκείται σε αυτόν μια δύναμη Λαπλάς (ελκτική ή απωστική). Ένα τμήμα ενός ευθύγραμμου αγωγού μήκους l, που διαρρέεται από ρεύμα έντασης I και είναι τοποθετημένο μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο επαγωγής Β, που σχηματίζει γωνία φ με το άνυσμα του ρεύματος, θα δεχθεί μια δύναμη F ίση με:
F = IlBημφ
με διεύθυνση κάθετη προς τον αγωγό και προς το πεδίο. Απλούστερα η διεύθυνση της δύναμης προσδιορίζεται με τον κανόνα των τριών δαχτύλων του δεξιού χεριού. Σε ένα κλειστό κύκλωμα ασκείται μια δύναμη Λαπλάς ίση με εκείνη που θα ασκείτο σε ένα ισοδύναμο μαγνητικό έλασμα. Ακόμα, σε ένα ηλεκτρικό φορτίο που κινείται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο ασκείται μια δύναμη Λαπλάς.
Γενικά μπορούμε να πούμε ότι, ενώ μια κατανομή φορτίων χρονικά σταθερών δίνει αφορμή μόνο σε ηλεκτροστατικές δράσεις, η κίνηση των φορτίων παράγει μαγνητικές δράσεις. Ο Ρόουλαντ απέδειξε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ταυτιστεί με κίνηση φορτίων. Επίσης, θέτοντας σε περιστροφική κίνηση ένα ηλεκτρικό φορτίο, παρατήρησε ότι εκδηλώνονται τα ίδια αποτελέσματα με εκείνα που παράγονται από έναν κυκλικό αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα και ότι η ένταση των μαγνητικών αποτελεσμάτων μεγαλώνει με την αύξηση της ταχύτητας του φορτίου.
Στη σύγχρονη γλώσσα μπορούμε να περιγράψουμε αυτά τα φαινόμενα λέγοντας ότι όσο ένα ηλεκτρικό πεδίο παραμένει αμετάβλητο (ηλεκτροστατικό πεδίο) εκδηλώνονται μόνο ηλεκτροστατικές δράσεις (ελκτικές ή απωστικές), ενώ οι μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου (που προκαλούνται από κίνηση φορτίων) ακολουθούνται πάντα από ένα μαγνητικό πεδίο.
Μια τρίτη ομάδα φαινομένων χαρακτηρίζεται από τις μηχανικές δράσεις που εμφανίζονται μεταξύ αγωγών που διαρρέονται από ρεύμα. Τα φαινόμενα αυτά αποτελούν μέρος της ηλεκτροδυναμικής.
Με βάση αυτές τις θεμελιώδεις παρατηρήσεις κατασκευάζονται όλα τα όργανα μέτρησης της έντασης του ρεύματος, τα οποία εκμεταλλεύονται τις αποκλίσεις μιας μαγνητικής βελόνας υπό την επίδραση ενός ρεύματος που διαρρέει ένα κύκλωμα ή ενός κινητού πηνίου που διαρρέεται από το ρεύμα –την ένταση του οποίου θέλουμε να μετρήσουμε– και είναι τοποθετημένο μέσα σε ένα μόνιμο μαγνητικό πεδίο (βλ. λ. αμπερόμετρο· γαλβανόμετρο).
Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι στο εσωτερικό ενός σωληνοειδούς πηνίου, που διαρρέεται από ρεύμα, παράγεται μαγνητικό πεδίο με τις δυναμικές γραμμές παράλληλες προς τον άξονα του σωληνοειδούς. Αυτές αποκλίνουν μόνο στα άκρα του σωληνοειδούς, με συνέπεια να συμπεριφέρεται ως γραμμικός μαγνήτης. Για να γίνει πιο έντονο και επομένως χρησιμοποιήσιμο το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από τη διέλευση του συνεχούς ρεύματος σε ένα σωληνοειδές, εισάγεται μέσα στο ίδιο το σωληνοειδές ένας πυρήνας μαλακού σιδήρου. Με κλειστό κύκλωμα –ροή ρεύματος– ο πυρήνας μαγνητίζεται και παρουσιάζει συμπεριφορά όμοια με εκείνη ενός μαγνήτη και, το πιο σημαντικό, σχεδόν απομαγνητίζεται όταν ανοίγεται το κύκλωμα. Έχουμε έτσι έναν ηλεκτρομαγνήτη. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από τον ηλεκτρομαγνήτη, όπως στην περίπτωση του σωληνοειδούς, είναι ανάλογη με τον αριθμό των σπειρών ανά μονάδα μήκους του πηνίου και με την ένταση του ρεύματος που διέρχεται μέσα από τον αγωγό.
Οι ηλεκτρομαγνήτες έχουν σήμερα πολυάριθμες εφαρμογές. Με έναν ηλεκτρομαγνήτη μπορούμε να έλξουμε ή όχι ένα μικρό τεμάχιο μαλακού σιδήρου, ανάλογα με τη διέλευση ή όχι του ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό του πηνίου και αυτό εφαρμόστηκε καταρχάς στο ηλεκτρικό κουδούνι και στον τηλέγραφο του Μορς. Όλοι οι χειρισμοί από απόσταση, οι αυτόματοι διακόπτες ή οι ηλεκτρονόμοι βασίζονται στην ίδια αρχή. Στη βιομηχανία χρησιμοποιούνται οι ηλεκτρομαγνήτες στους γερανούς για την ανύψωση σιδερένιων υλικών, στα ηλεκτρομαγνητικά πλατό για τη στερέωση των τεμαχίων μερικών εργαλειομηχανών κλπ. Η μεταβολή του μαγνητικού πεδίου που προκαλείται σε έναν ηλεκτρομαγνήτη από τη μεταβολή της έντασης του ρεύματος που περνά μέσα από τον αγωγό εφαρμόζεται στο τηλέφωνο, στα μεγάφωνα, στους μαγνητικούς εγγραφείς κλπ.
Σήμερα ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες χρησιμοποιούνται στους επιταχυντές των ατομικών σωματιδίων (βλ. λ. κύκλοτρο· σύγχροτρο· βήτατρο). Αποφασιστικές για την ανάπτυξη του ηλεκτρομαγνητισμού υπήρξαν οι έρευνες που έκανε ο Φάραντεϊ και η ανακάλυψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Η κεφαλαιώδης παρατήρηση είναι η ακόλουθη: κινώντας έναν μαγνήτη κοντά σε έναν κλειστό αγωγό παρατηρείται σε αυτόν διέλευση ρεύματος· το ίδιο αποτέλεσμα επιτυγχάνουμε κινώντας ένα κύκλωμα κοντά σε έναν μαγνήτη. Στη σύγχρονη γλώσσα της φυσικής, οι διαπιστώσεις αυτές μπορούν να συνοψιστούν στην έκφραση ότι κάθε μεταβολή ενός μαγνητικού πεδίου συνοδεύεται από την εμφάνιση ενός ηλεκτρικού πεδίου.
O νόμος που προσδιορίζει τη φορά του επαγόμενου ρεύματος (νόμος του Λεντς) αναφέρει ότι η φορά είναι αντίθετη με την αιτία που παρήγαγε αυτό το ρεύμα. Αν το ρεύμα έχει παραχθεί από αύξηση της μαγνητικής ροής, αυτό θα έχει τέτοια φορά ώστε να προκαλέσει μείωση της μαγνητικής ροής, ενώ αντίστροφα θα προκαλέσει αύξησή της.
Στην ιστορία της επιστήμης, η ανακάλυψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είχε θεμελιώδη σημασία: σε αυτή βασίζονται οι σύγχρονες γεννήτριες ηλεκτρικού ρεύματος και οι ηλεκτρικοί κινητήρες. Στις πρώτες η μεταβολή του μαγνητικού πεδίου παράγει ρεύμα σε κατάλληλους αγωγούς· στους δεύτερους το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί τέτοιες μεταβολές στο μαγνητικό πεδίο ώστε αναγκάζει τους μαγνήτες να κινηθούν από αντίδραση προς αυτές τις μεταβολές (βλ. λ. ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία).
ηλεκτροστατική. Μέρος από τις μελέτες για τον η. που ασχολούνται με τα φαινόμενα εκείνα κατά τα οποία τα ηλεκτρικά φορτία παραμένουν σχετικά ακίνητα σε συνάρτηση με τον χρόνο. Αφετηρία αυτών των μελετών υπήρξε η πειραματική διαπίστωση ότι μερικά σώματα έλκονται ή απωθούνται ύστερα από τριβή, όπως για παράδειγμα το ήλεκτρο, το θειάφι, το γυαλί, το πλαστικό. Αυτά τα σώματα ηλεκτρίζονται με την τριβή· γίνονται δηλαδή φορείς ηλεκτρικών φορτίων και τα φορτία αυτά εντοπίζονται στα σημεία όπου ασκείται η δράση της τριβής.
Στην πραγματικότητα, τα μεταλλικά σώματα προσανατολίζουν ελάχιστα τα μόρια του μονωτή, με αποτέλεσμα να αναπτύσσεται ανάμεσά τους ηλεκτρική δύναμη. Τα μεταλλικά σώματα (σίδηρος, χαλκός κλπ.) παρουσιάζουν αυτό το φαινόμενο μόνο όταν τοποθετούνται πάνω σε ένα μονωτικό υποστήριγμα. Επιπλέον, τα φορτία στα σώματα αυτά δεν εντοπίζονται στα σημεία της τριβής, αλλά κατανέμονται σε όλη την επιφάνεια. Τα σώματα της πρώτης κατηγορίας είναι τα μονωτικά, τα άλλα οι αγωγοί.
Η ηλέκτριση γίνεται όχι μόνο με την τριβή αλλά επίσης με την επαφή ή με την επαγωγή, όπως θα δούμε παρακάτω.
Μια ορειχάλκινη σφαίρα, αναρτημένη από ένα μονωτικό νήμα και φορτισμένη δι’ επαφής με μια ράβδο από ρητίνη, που έχει προηγουμένως τριφτεί με δέρμα, απωθείται από την ίδια τη ράβδο· αντίστροφα, αυτή έλκεται από μια γυάλινη ράβδο που έχει τριφτεί με ύφασμα. Το πρώτο πείραμα δείχνει ότι δύο σώματα φορείς η. του ίδιου σημείου απωθούνται, ενώ δύο σώματα φορείς η. αντίθετου σημείου έλκονται. Στις μετρητές αυτές ποσότητες που χαρακτηρίζουν μία από τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις στη φύση (την ηλεκτρομαγνητική) δόθηκε η ονομασία ηλεκτρικά φορτία.
Για να ορίσουμε μία μονάδα φορτίου πρέπει να υπενθυμίσουμε την ατομική συγκρότηση της ύλης και ιδιαίτερα ότι σε κάθε άτομο της ύλης υπάρχει ένας πυρήνας φορτισμένος με θετικό η. και ένα σύστημα πλανητικών ηλεκτρονίων, καθένα από τα οποία αντιπροσωπεύει έναν στοιχειώδη κόκκο αρνητικού η. Έτσι, κάθε άτομο ύλης είναι σε κανονικές συνθήκες ηλεκτρικώςουδέτερο, εφόσον το ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα συμψηφίζεται επακριβώς από το άθροισμα των φορτίων των ηλεκτρονίων. Τα φαινόμενα ηλέκτρισης που αναφέρονται τροποποιούν με τρόπο περισσότερο ή λιγότερο πολύπλοκο την υφή των ατόμων ή το μοριακό οικοδόμημα που σχηματίζεται από αυτά, προσδιορίζοντας τον διαχωρισμό μερικών ηλεκτρικών φορτίων που θα εξουδετερώνονταν σε κανονική κατάσταση. Τα ηλεκτρικά φορτία που επενεργούν σε αυτά τα φαινόμενα είναι πολλαπλάσια από το φορτίο του στοιχειώδους κόκκου, του η. δηλαδή του ηλεκτρονίου. Μονάδα φορτίου ή ποσότητας του η. είναι το κουλόμπ· το φορτίο του ηλεκτρονίου ισούται προς -1,6·10-19 κουλόμπ (Cb). Ξεκινώντας από τις σκέψεις αυτές για το φορτίο ο Κουλόμπ απέδειξε, το 1780, ότι η ελκτική ή απωστική δύναμη που ασκείται μεταξύ δύο ηλεκτρικών φορτίων q και q’ είναι ανάλογη με την τιμή αυτών των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης των r:

όπου εο η διηλεκτρική σταθερά του κενού. Η θεωρητική μελέτη των ηλεκτροστατικών φαινομένων λαμβάνει υπόψη αυτή τη μηχανική δράση και την αρχή της διατήρησης του η., σύμφωνα με την οποία το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων ενός μονωμένου σώματος στον χώρο παραμένει σταθερό.
Αν ένα φορτίο είναι σε βαθμό να ασκήσει μια δύναμη πάνω σε ένα άλλο φορτίο, συνάγεται ότι στον χώρο μέσα στον οποίο είναι τοποθετημένο ένα από αυτά τα φορτία επικρατεί ένα πεδίο δυνάμεων, που ορίζεται ως ηλεκτροστατικό πεδίο. Αυτό, κατά τον ορισμό, χαρακτηρίζεται από τη δύναμη που θα ασκούσε ένα δεδομένο σύστημα φορτίων πάνω σε ένα μοναδιαίο θετικό φορτίο, τοποθετημένο σε ένα σημείο μέσα στην περιοχή του πεδίου. Συνεπώς, αν σε ένα φορτίο q ασκείται μία δύναμη κουλόμπ F, λέγεται ότι στο σημείο εκείνο –όπου αυτό το φορτίο βρίσκεται– η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου έχει αριθμητική τιμή
.
Οι ιδιότητες του ηλεκτρικού πεδίου επιτρέπουν να το παραστήσουμε με ένα άνυσμα. Έτσι, η ένταση του πεδίου παριστάνεται με ένα άνυσμα που έχει διεύθυνση τη διεύθυνση της δύναμης και φορά που εξαρτάται από το είδος του φορτίου. Η ανυσματική εξίσωση της έντασης του πεδίου γράφεται:

Ονομάζεται δυναμική γραμμή του πεδίου η νοητή καμπύλη (ή ευθεία) της οποίας η εφαπτομένη σε κάθε σημείο της συμπίπτει με τη διεύθυνση της έντασης του πεδίου. Δηλαδή, αν ένα φορτίο μετακινηθεί από την επίδραση των δυνάμεων του πεδίου, το φορτίο αυτό θα ακολουθήσει τροχιά συμπίπτουσα με δυναμική γραμμή. Οι δυναμικές γραμμές αρχίζουν κάθετα από την επιφάνεια των θετικών φορτίων και καταλήγουν επίσης κάθετα πάνω στην επιφάνεια των αρνητικών φορτίων.
Η μετακίνηση ενός ηλεκτρικού φορτίου μέσα σε ένα πεδίο, εξαιτίας της ύπαρξης δυνάμεων κουλόμπ, συνεπάγεται έργο. Αυτό εκφράζεται με W = q (VA – VB), όπου q είναι το φορτίο που μετακινήθηκε από το σημείο Α στο σημείο Β και VA, VB οι τιμές της συνάρτησης ηλεκτρικό δυναμικό στο Α και στο Β, οποιαδήποτε και αν είναι η πορεία του φορτίου από το Α στο Β. Δεχόμαστε συμβατικά ότι το δυναμικό είναι μηδενικό σε ένα σημείο που βρίσκεται σε άπειρη απόσταση από ένα φορτίο. Όλες οι επιφάνειες ή οι καμπύλες που έχουν το ίδιο δυναμικό ονομάζονται ισοδυναμικές και το άνυσμα της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου είναι κάθετο σε αυτές. Η μονάδα της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου είναι το 1 Newton/Coulomb. Η μονάδα δυναμικού είναι το βολτ (V).
Η ηλεκτροστατική μελετά επίσης τη διάταξη των ηλεκτρικών φορτίων σε ισορροπία πάνω σε ένα σώμα. Αυτό το πρόβλημα παρουσιάζει ενδιαφέρον μόνο για τα αγωγά σώματα. Εξαιτίας της ευκολίας μετατόπισης των ηλεκτρικών φορτίων στα αγωγά σώματα, η ισορροπία τους παρουσιάζει αρκετά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Έτσι, για παράδειγμα, όταν ένας αγωγός βρίσκεται σε ισορροπία, δηλαδή όταν δεν είναι ηλεκτρικά ουδέτερος, τα ηλεκτρικά φορτία που αυτός μπορεί να περιέχει βρίσκονται πάνω στην επιφάνεια αυτού του αγωγού. Όταν ένα αγώγιμο σώμα Α, αρχικά ουδέτερο και μονωμένο, τοποθετείται μπροστά σε ένα φορτισμένο σώμα Β, διαπιστώνεται ότι η επιφάνεια του σώματος Α γίνεται έδρα φορτίων. Τα γεωμετρικά πλησιέστερα μέρη προς το Β καλύπτονται με φορτία αντίθετου σημείου από εκείνατου Β, ενώ τα απομακρυσμένα μέρη γίνονται έδρα φορτίων του ίδιου σημείου. Αυτό το φαινόμενο της μετακίνησης των φορτίων στην επιφάνεια του σώματος Α, που αντιστοιχεί σε μια ανακατάταξη των φορτίων που περιέχονται στο Α (σύμφωνα με την αρχή της διατήρησης του ηλεκτρισμού), ονομάζεται φαινόμενο εμφάνισης φορτίων εξ επαγωγής. Έτσι, αποκλειστικά εξαιτίας της επαγωγής, ένα τμήμα του σώματος Α, αρχικά ουδέτερο, παρουσιάζεται τώρα φορτισμένο. Μια σημαντική εφαρμογή του φαινομένου της ηλεκτροστατικής επαγωγής είναι ο κλωβός του Φάραντεϊ, τυπική περίπτωση ηλεκτρικής θωράκισης.
H μελέτη της ισορροπίας των φορτίων πάνω στα αγώγιμα σώματα αποδεικνύει μια σχέση αναλογίας μεταξύ ηλεκτρικού φορτίου q φορτισμένου σώματος και του δυναμικού του, V. Πράγματι, αν το φορτίο q μεταβάλλεται στην τιμή nq (όπου η πραγματικός αριθμός), το δυναμικό του σώματος, όμοιο σε κάθε σημείο του, γίνεται nV. Εξ ορισμού η σχέση q/V = Cαντιπροσωπεύει τη χωρητικότητα του ίδιου σώματος. Έτσι, αν το σώμα είναι μονωμένο στον χώρο, η χωρητικότητά του εξαρτάται από το μέσο στο οποίο βρίσκεται και από το γεωμετρικό του σχήμα. Η μονάδα χωρητικότητας είναι το φαράντ (F, 1 Farad = 1 Coulomb2/joule). Όπως μεταξύ δύο συστημάτων φορτίων ασκούνται ηλεκτροστατικές δυνάμεις, έτσι και στους φορτισμένους αγωγούς, που βρίσκονται σε ισορροπία, ασκούνται δυνάμεις. Τώρα, σύμφωνα με τη θεμελιώδη αρχή του μετασχηματισμού της ενέργειας, η ύπαρξη αυτών των δυνάμεων εμφανίζει με τη σειρά της μια δυναμική ηλεκτροστατική ενέργεια. Αποδεικνύεται ότι αυτή η δυναμική ενέργεια, στην περίπτωση ενός πυκνωτή χωρητικότητας C, εφοδιασμένου με ένα φορτίο q πάνω στους οπλισμούς του, μεταξύ των οποίων επικρατεί μια διαφορά δυναμικού, εκφράζεται με τον τύπο:
 .
Αυτή η έννοια γενικεύεται στην περίπτωση περισσότερων φορτισμένων αγωγών, που δεν αποτελούν αναγκαστικά ένα σύστημα πυκνωτών.
όργανα μέτρησης.Τα ηλεκτροστατικά φαινόμενα, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, αποτελούν τη βάση της λειτουργίας πολυάριθμων οργάνων (ηλεκτροστατικών), που χρησιμοποιούνται για μετρήσεις φορτίων, δυναμικών ή συνδυασμού των δύο αυτών μεγεθών. Τα πιο γνωστά είναι τα ηλεκτροσκόπια και τα ηλεκτρόμετρα. Με τα πρώτα επιβεβαιώνεται η παρουσία ενός ηλεκτρικού φορτίου, μετράται η ένταση της ηλέκτρισης και διαπιστώνεται το είδος του φορτίου που έχει το σώμα που εξετάζεται. O πιο απλός τύπος ηλεκτροσκοπίου αποτελείται από ένα σφαιρίδιο μονωτικού υλικού (ψίχα κουφοξυλιάς) αναρτημένο σε ένα στήριγμα με ένα λεπτό νήμα. Πλησιάζοντας το σώμα που θα εξετάσουμε στο σφαιρίδιο, αυτό δεν θα αισθανθεί καμία επίδραση αν το σώμα είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και θα επηρεαστεί αν το σώμα είναι φορτισμένο. Αν μεταβιβαστεί ένα φορτίο γνωστού σημείου στο σφαιρίδιο, μπορεί να αναγνωριστεί το σημείο (το είδος) του φορτίου του σώματος που εξετάζουμε. Πράγματι, αν το σώμα που εξετάζουμε έχει φορτίο με σημείο όμοιο με εκείνο του σφαιριδίου, αυτό θα απωθηθεί, ενώ το σφαιρίδιο θα ελκυστεί αν έχει αντίθετο σημείο. Από το εύρος της μετατόπισης του σφαιριδίου μπορούμε να έχουμε μια ιδέα της ποσότητας του φορτίου του εξεταζόμενου σώματος. Ακριβέστερα αποτελέσματα επιτυγχάνονται με ένα ηλεκτροσκόπιο, που αποτελείται από μια αγώγιμη ράβδο επιμελώς μονωμένη, στο έναάκρο της οποίας αναρτώνται δύο ελαφρά μικρά μεταλλικά φύλλα (συνήθως από χρυσό). Όταν η ράβδος φορτιστεί, το φορτίο μεταβιβάζεται στα δύο μικρά φύλλα, που απωθούνται μεταξύ τους, επειδή αυτά έχουν φορτίο του ίδιου σημείου. Το εύρος της γωνίας που σχηματίζεται από τα φύλλα επιτρέπει να πάρουμε μια ιδέα για την ποσότητα του φορτίου που ελήφθη από το ηλεκτροσκόπιο στο σύνολό του. Επειδή η απόκλιση των φύλλων δεν είναι ανάλογη προς το φορτίο που ελήφθη, για μετρήσεις ακριβείας χρειάζεται να βαθμολογήσουμε το όργανο, χρησιμοποιώντας γνωστά φορτία. Η τελειοποίηση του παραπάνω οργάνου βοηθά στο να προστατευθεί το ηλεκτροσκόπιο, το οποίο τοποθετείται σε ένα γυάλινο περίβλημα, κλεισμένο με ένα μονωτικό πώμα, μέσα από το οποίο διέρχεται η ράβδος. Αν το γυάλινο περίβλημα αντικατασταθεί από ένα –γενικά προσγειωμένο– μεταλλικό, ράβδος και περίβλημα αποτελούν έναν πυκνωτή. Ένα ηλεκτροσκόπιο αυτού του τύπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση διαφορών δυναμικού, επειδή το φορτίο που λαμβάνει είναι ανάλογο προς τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των οπλισμών. Η χρήση του ηλεκτροσκοπίου, ακόμα και στην πιο απλή μορφή του, είχε θεμελιώδη σημασία στις μελέτες του η. και των επιπτώσεών του, κυρίως στη φυσική.
Από το ηλεκτροσκόπιο με φύλλα προέρχεται, με την προσθήκη μιας βαθμολογημένης κλίμακας, το ηλεκτρόμετρο χωρίς βοηθητικό πεδίο, που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση διαφορών δυναμικού. Αυτό το όργανο, στην πιο απλή κατασκευή του, αποτελείται από έναν κεντρικό αγωγό, όπου αναρτώνται δύο πανομοιότυπα μικρά μεταλλικά φύλλα. Τo σύνολο είναι επιμελώς μονωμένο, ηλεκτρικά θωρακισμένο και επιπλέον εφοδιασμένο με μία οπτική οργάνωση κατάλληλη για να μετρά τις αποκλίσεις των φύλλων. Για να πραγματοποιήσουμε τη μέτρηση, ο κεντρικός αγωγός του οργάνου έρχεται σε επαφή με το σώμα του οποίου το δυναμικό θέλουμε να γνωρίσουμε. Ο κεντρικός αγωγός και τα φύλλα φέρονται στο ίδιο δυναμικό με εκείνο του σώματος που θα εξετάσουμε και πάνω σε αυτά κατανέμεται ένα ορισμένο φορτίο. Μέρος αυτού του φορτίου θα υποδιαιρεθεί σε ίσα μέρη πάνω στα δύο φύλλα και συνεπώς αυτά θα αποκλίνουν σχηματίζοντας μια γωνία, που καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ της δύναμης της ηλεκτρικής άπωσης και της δύναμης βάρους.
Στην πράξη, εξαιτίας της δυσκολίας του προσδιορισμού της χωρητικότητας του ηλεκτρομέτρου στην κάθε μορφή του, προτιμάται η βαθμονόμηση του οργάνου με γνωστά δυναμικά. Με αυτή τη διάταξη είναι δυνατή η μέτρηση δυναμικών μερικών βολτ.
Τo ηλεκτρόμετρο με πυκνωτή είναι μια τελειοποίηση αυτού που περιγράψαμε. Έχει στο πάνω μέρος της μεταλλικής ράβδου έναν πυκνωτή που αποτελείται από δύο μεταλλικούς δίσκους, οι οποίοι χωρίζονται μεταξύ τους με ένα λεπτό μονωτικό στρώμα από βερνίκι (διηλεκτρικό). Κατά τη μέτρηση φέρνουμε σε επαφή το ηλεκτρισμένο σώμα με τον κατώτερο δίσκο –που συνδέεται με τη ράβδο– και τα φύλλα παρουσιάζουν κάποια απόκλιση. Αν τώρα αποσπάσουμε τον άνω δίσκο, που συνδέεται με έναν αγωγό με το μεταλλικό περίβλημα του ηλεκτρόμετρου και το σύνολο με τη γη, η απόκλιση των φύλλων γίνεται μεγαλύτερη. Με αυτό τον τρόπο πολλαπλασιάζεται η ένδειξη του οργάνου.
Μία ακόμα μεταγενέστερη τελειοποίηση είναι το ηλεκτρόμετρο με βοηθητικό πεδίο. Η μέτρηση σε αυτό πραγματοποιείται με την εισαγωγή ενός βοηθητικού πεδίου, που προορίζεται να αναδείξει την απόκλιση των φύλλων, μόλις αυτά απομακρυνθούν έστω και ελάχιστα. Το τελευταίο αυτό τέχνασμα, μαζί με το προηγούμενο, επιτρέπει μετρήσεις δυναμικού μερικών εκατομμυριοστών βολτ.
Υπάρχουν επιπλέον τα απόλυτα ηλεκτρόμετρα (όπως o ηλεκτροστατικός ζυγός του Τόμσον) που ισορροπούνται με γνωστά βάρη ή άλλες δυνάμεις που υπολογίζονται εύκολα. Οι δυνάμεις έλξης ή άπωσης που προκαλούνται μεταξύ των οπλισμών ενός πυκνωτή, στους οποίους εφαρμόζεται η άγνωστη διαφορά δυναμικού, παρέχουν τη μέτρηση. Αυτά τα όργανα ονομάζονται απόλυτα, επειδή επιτρέπουν τον υπολογισμό της διαφοράς δυναμικού από τη μέτρηση της ισορροπούσας δύναμης (το όργανο δηλαδή δεν απαιτεί βαθμονόμηση). Τo απόλυτο ηλεκτρόμετρο του Κέλβιν, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί ένα ελατήριο για να ισορροπήσει την ελκτική δύναμη των δύο κυκλικών ηλεκτροδίων (οπλισμών), πάνω στα οποία εφαρμόζεται η διαφορά δυναμικού. Οι αρχικοί τύποι ηλεκτροσκοπίων και ηλεκτρομέτρων σήμερα έχουν μόνο ιστορική και εποπτική αξία.
ηλεκτροστατικές μηχανές. Κοινό χαρακτηριστικό των ηλεκτροστατικών μηχανών είναι ότι παρέχουν ρεύμα σύντομης διάρκειας, ακόμα και όταν η τάση που επιτυγχάνεται με αυτές είναι της τάξης του εκατομμυρίου βολτ. Ο η. παράγεται με την τριβή ή με την επαγωγή.
Η πρώτη από τις μηχανές αυτές κατά χρονική σειρά είναι χωρίς αμφιβολία το απλό ηλεκτροφόρο του Βόλτα. Περισσότερο τελειοποιημένη είναι η μηχανή του Άγγλου Τζέιμς Γουίμσερστ που αποτελείται από δύο δίσκους γυάλινους ή από εβονίτη D1, D2, τοποθετημένους παράλληλα σε απόσταση λίγων χιλιοστών, οι οποίοι περιστρέφονται γύρω από άξονα με αντίθετη διεύθυνση. Στις εξωτερικές επιφάνειες και των δύο δίσκων διατάσσονται ακτινοειδώς γλωσσίδια από φύλλα κασσίτερου. Δύο μεταλλικές σταθερές κτένες Ρ και P’ με μορφή ακίδων, τοποθετημένες κατά την οριζόντια διάμετρο, επικοινωνούν με τους οπλισμούς των πυκνωτών C και C’ και στη συνέχεια με τους πόλους A και Α’ της ίδιας μηχανής. Όταν οι δίσκοι αρχίζουν να περιστρέφονται όπως δείχνουν τα βέλη, η επιφάνεια του D1 στην περιοχή Β’1 φορτίζεται θετικά και με έναν διαγώνιο αγωγό αναπτύσσονται αρνητικά φορτία στην περιοχή Β1. Με αυτό τον τρόπο, εξαιτίας της επαγωγής του D1 πάνω στο D2 εμφανίζονται αρνητικά φορτία στο Β’2 και θετικά στο Β2. Με την περιστροφή των δίσκων τα φορτία διατηρούν τις δεικνυόμενες θέσεις και συλλέγονται στο Ρ τα θετικά και στο P’ τα αρνητικά. Μεταξύ Α και Α’ επιτυγχάνονται τάσεις που φτάνουν μέχρι τα 100.000 βολτ.
Μία άλλη μηχανή ηλεκτροστατικού τύπου είναι η γεννήτρια του Βαν ντε Γκράαφ, που χρησιμοποιείται αρκετά στην πυρηνική φυσική για την αύξηση της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων επιταχύνοντάς τα με πολύ ισχυρά ηλεκτρικά πεδία. Το σχήμα 2 παριστάνει τη λειτουργία: η γεννήτρια G προμηθεύει στην κτένα Ρ μία συνεχή τάση μερικών χιλιάδων βολτ. Από αυτό προκύπτει ένας ισχυρός ιονισμός του γειτνιάζοντος αέρα με τις ακίδες της κτένας που είναι στραμμένες κατάλληλα προς την ατέρμοναμονωτική ταινία, η οποία κινείται συνεχώς από τον κινητήρα Μ. Τα φορτία που παίρνει αυτή η ταινία συλλέγονται από μία άλλη κτένα P’ και μεταφέρονται στην κοίλη μεταλλική σφαίρα S που στηρίζεται σε μια μονωτική κολόνα C. Σε μία άλλη μηχανή του ίδιου τύπου κοντά στην προηγούμενη, μπορούν να συσσωρευτούν αρνητικά φορτία και να παραχθούν επομένως διαφορές δυναμικού που μπορεί να υπερβούν τα 10 εκατομμύρια βολτ.
Μία πιο πρόσφατη μηχανή στον τομέα των ηλεκτροστατικών γεννητριών είναι του Φελίτσι, η οποία προσφέρει το πλεονέκτημα να παράγει ισχυρές τάσεις συγκριτικά προς τον καταλαμβανόμενο όγκο (220 KV ανά μερικές κυβικές παλάμες). Αποτελείται βασικά από έναν περιστρεφόμενο μονωτικό κύλινδρο Τ, που περιστρέφεται μέσα σε έναν άλλο σταθερό επίσης μονωτικό κύλινδρο S. Μια γεννήτρια G συνεχούς τάσης μερικών χιλιάδων βολτ τροφοδοτεί την κτένα Ρ, που βρίσκεται σε επαφή με τον περιστρεφόμενο κύλινδρο. Μία άλλη κτένα P’ συλλέγει τα φορτία σε μία από τις δύο σφαίρες Α, Α’, μεταξύ των οποίων θα αναπτυχθεί η επιθυμητή τάση. ατμοσφαιρικός η.Τo σύνολο όλων των ηλεκτρικών φαινομένων και διαδικασιών που γίνονται στην ατμόσφαιρα. Την ίδια ονομασία έχει και ο κλάδος της φυσικής της ατμόσφαιρας που μελετά τα ηλεκτρικά φαινόμενα και τις ηλεκτρικές ιδιότητες της ατμόσφαιρας. Στις έρευνες του ατμοσφαιρικού η. περιλαμβάνονται μελέτες σχετικά με το ηλεκτρικό πεδίο, τον ιονισμό, τα ηλεκτρικά ρεύματα, την αγωγιμότητα, το φορτίο χώρου, τα ηλεκτρικά φαινόμενα κατά τη διάρκεια των καταιγίδων, το ηλεκτρικό φορτίο των σύννεφων και τις διαδικασίες που συμβαίνουν στην τροπόσφαιρα και τη στρατόσφαιρα. Η μελέτη του ατμοσφαιρικού η. άρχισε τον 18o αι. από τον Αμερικανό επιστήμονα Β. Φραγκλίνο, που έδειξε την ηλεκτρική φύση της αστραπής. Σήμερα, για την εξήγηση των ηλεκτρικών φαινομένων της ατμόσφαιρας υπάρχουν δύο βασικές θεωρίες: α) του Άγγλου φυσικού Τ. Γουίλσον, σύμφωνα με την οποία το σύστημα Γης-ατμόσφαιρας αποτελεί έναν τεράστιο ηλεκτρικό πυκνωτή με οπλισμούς το έδαφος και την ιονόσφαιρα, που είναι πολύ καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί· οι δύο αυτές πλάκες του πυκνωτή φορτίζονται από τα σύννεφα και η διαφορά δυναμικού μεταξύ τους οδηγεί στη δημιουργία του ηλεκτρικού πεδίου της ατμόσφαιρας· β) του Ρώσου φυσικού Γ. Φρένκελ, σύμφωνα με την οποία η ιονόσφαιρα δεν παίζει σημαντικό ρόλο στις ηλεκτρικές διαδικασίες που γίνονται στην ατμόσφαιρα, της οποίας το ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να εξηγηθεί από τα ηλεκτρικά φαινόμενα που συμβαίνουν στην τροπόσφαιρα (π.χ. την πόλωση των σύννεφων και τις αλληλεπιδράσεις τους με τη Γη). Οι μελέτες έχουν δείξει ότι κοντά στην επιφάνεια της Γης υπάρχει ένα
μόνιμο ηλεκτρικό πεδίο στην ατμόσφαιρα με ένταση 130 V/m κατά μέσο όρο. Σήμερα επικρατέστερη θεωρείται η θεωρία του Φρένκελ.
Η διαφορά δυναμικού μεταξύ της Γης και της ιονόσφαιρας είναι γύρω στα 200 με 250 KV. Η ατμόσφαιρα ως σύνολο είναι θετικά ηλεκτρισμένη, ενώ η Γη έχει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο ίσο περίπου με 3.105 Cb. Πάνω από το στρώμα των ατμοσφαιρικών διαταράξεων, η Ε ελαττώνεται όσο αυξάνεται το ύψος σύμφωνα με τον εκθετικό νόμο και σε ύψος περίπου 10 χλμ. δεν είναι παρά μερικά V/m. Η ηλεκτρική κατάσταση της ατμόσφαιρας οφείλεται σε έναν μεγάλο βαθμό στην ηλεκτρική αγωγιμότητα των ιόντων της. Οι κυριότεροι παράγοντες ιονισμού της ατμόσφαιρας είναι η κοσμική ακτινοβολία, η υπεριώδης και σωματιδιακή ακτινοβολία του Ηλίου και η ακτινοβολία των ραδιενεργών υλικών που βρίσκονται στην επιφάνεια της Γης και στον ατμοσφαιρικό αέρα. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα της ατμόσφαιρας είναι πολύ μικρή (συγκρίσιμη με εκείνη των καλών μονωτικών), αυξάνεται σχεδόν εκθετικά με το ύψος και στην ιονόσφαιρα είναι 1012 φορές μεγαλύτερη από αυτήν κοντά στην επιφάνεια της Γης. Κυριότερες πηγές ατμοσφαιρικού η. μπορούν να θεωρηθούν διάφορα βίαια ατμοσφαιρικά φαινόμενα, όπως ηφαιστειακές εκρήξεις, αμμοθύελλες, χιονοθύελλες, θύελλες με σκόνη, τα σύννεφα (η ηλέκτριση της ατμόσφαιρας αυξάνεται όταν μεγαλώνει το πάχος και η συμπύκνωση των σωματιδίων), τα σταγονίδια από πίδακες και καταρράκτες, οι ατμοί και οι καπνοί από εργοστάσια.Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού(ΔΕΗ). Η ΔΕΗ είναι η μεγαλύτερη εταιρεία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα και η μοναδική εταιρεία που έχει στην ιδιοκτησία της το σύστημα μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. Η ΔΕΗ ιδρύθηκε το 1950 με σκοπό τη χάραξη και την εφαρμογή μιας εθνικής ενεργειακής πολιτικής, η οποία μέσα από την εντατική και προγραμματισμένη εκμετάλλευση των εγχώριων πόρων, θα έκανε το ηλεκτρικό ρεύμα κτήμα του κάθε Έλληνα πολίτη. Μέχρι το τέλος του 2000 ανήκε στο ελληνικό δημόσιο ως Νομικό Πρόσωπο Ιδιωτικού Δικαίου. Από την 1η Ιανουαρίου 2001 όμως λειτουργεί ως ανώνυμη εταιρία, ενώ από τις 12 Δεκεμβρίου 2001 έχει εισαχθεί στα Χρηματιστήρια Αξιών Αθηνών και Λονδίνου. Η ΔΕΗ κατέχει το 97% της εγκατεστημένης ηλεκτρικής ισχύος στην Ελλάδα, η οποία προέρχεται από λιγνιτικές, πετρελαϊκές και υδροηλεκτρικές μονάδες, μονάδες φυσικού αερίου καθώς και από αιολικά και ηλιακά πάρκα. Παράλληλα κατέχει τα δύο μεγάλα λιγνιτωρυχεία της χώρας στη λεκάνη Πτολεμαΐδας-Αμυνταίου και στη Μεγαλόπολη, απ’ όπου παράγεται περίπου το 67% της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας.
Σήμερα η ΔΕΗ έχει συνολικά εγκατεστημένη ισχύ 12.000 MW και παρέχει ηλεκτρική ενέργεια σε 6,7 εκατομμύρια πελάτες. Η συνολική ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από 97 ιδιόκτητους σταθμούς παραγωγής, μεταφέρεται μέσω 10.500 χλμ. γραμμών υψηλής τάσης και διανέμεται στους καταναλωτές μέσω δικτύου, μήκους περίπου 200.000 χλμ.
Οργανωτικά η ΔΕΗ διαιρείται σε τέσσερις βασικές επιχειρησιακές μονάδες (ορυχεία – παραγωγή – μεταφορά - διανομή) και σε δύο επιτελικές γενικές διευθύνσεις (οικονομικών υπηρεσιών – ανθρωπίνων πόρων και οργάνωσης).
Η βασική επιχειρησιακή μονάδα ορυχείων εκμεταλλεύεται τα λιγνιτωρυχεία της ΔΕΗ στην Πτολεμαΐδα και στη Μεγαλόπολη. Τα εν λόγω λιγνιτωρυχεία εξασφαλίζουν το σημαντικότερο για την ελληνική οικονομία ενεργειακό καύσιμο, τον λιγνίτη, στον οποίο βασίστηκε ο εξηλεκτρισμός της χώρας μας από την ίδρυση της επιχείρησης. Η Ελλάδα κατέχει τη δεύτερη θέση σε παραγωγή λιγνίτη στην Ευρωπαϊκή Ένωση και την έκτη θέση παγκοσμίως. Με βάση τα συνολικά αποθέματα και τον προγραμματιζόμενο ρυθμό κατανάλωσης, υπολογίζεται ότι στην Ελλάδα οι υπάρχουσες ποσότητες λιγνίτη επαρκούν για τα επόμενα 50 χρόνια (μέχρι το 2050). Μέχρι σήμερα έχουν εξορυχθεί συνολικά 1,2 δισ. τόνοι λιγνίτη, ενώ τα εκμεταλλεύσιμα αποθέματα ανέρχονται σε 3,5 δισ. τόνους. Οι 7 λιγνιτικοί σταθμοί της ΔΕΗ αποτελούν το 44% της εγκατεστημένης ισχύος και παράγουν περίπου το 67% της ηλεκτρικής παραγωγής της ΔΕΗ. Η χρήση του λιγνίτη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αποφέρει στην Ελλάδα τεράστια εξοικονόμηση συναλλάγματος (περίπου 1 δισ. δολ. ΗΠΑ ετησίως). Ο λιγνίτης είναι καύσιμο στρατηγικής σημασίας για τη ΔΕΗ, γιατί έχει χαμηλό κόστος εξόρυξης, σταθερή και άμεσα ελέγξιμη τιμή, ενώ παρέχει σταθερότητα και ασφάλεια στον ανεφοδιασμό καυσίμου. Ο λιγνίτης έχει συντελέσει τα μέγιστα στην αύξηση του εθνικού προϊόντος.
Η βασική επιχειρησιακή μονάδα παραγωγής έχει υλοποιήσει ένα τεράστιο κατασκευαστικό έργο με σκοπό την εξασφάλιση της επάρκειας της χώρας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ειδικότερα, έχουν κατασκευαστεί 33 μεγάλοι θερμικοί και υδροηλεκτρικοί σταθμοί, ένα αιολικό πάρκο στην Εύβοια καθώς και 63 αυτόνομοι σταθμοί στην Κρήτη, στη Ρόδο και στα υπόλοιπα νησιά μας (36 θερμικοί, 2 υδροηλεκτρικοί, 20 αιολικά πάρκα και 5 φωτοβολταϊκοί σταθμοί). Τα τελευταία χρόνια η ΔΕΗ, πέρα από τη δημιουργία νέων θερμικών (λιγνιτικών, πετρελαϊκών, φυσικού αερίου) και υδροηλεκτρικών σταθμών, στρέφεται και προς την αξιοποίηση των εναλλακτικών μορφών ενέργειας (άνεμος, ήλιος, γεωθερμία). Η συνολική εγκατεστημένη ισχύς των σταθμών της ΔΕΗ ανήλθε στις αρχές του 2003 στα 12.000 MW και η καθαρή παραγωγή στις 48.054 GWh.
Η βασική επιχειρησιακή μονάδα μεταφοράς υλοποιεί τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας από τους σταθμούς παραγωγής στο δίκτυο διανομής σε ολόκληρο το διασυνδεδεμένο σύστημα και στους πελάτες υψηλής τάσης με γραμμές υψηλής τάσης στα 400 kV, 150 kV και 66 kV. Έτσι αναπτύσσεται η σπονδυλική στήλη για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε ολόκληρη τη χώρα. Οι γραμμές του συστήματος μεταφοράς έχουν συνολικό μήκος γραμμών 10.500 χλμ. Η διαχείριση της ηλεκτρικής ενέργειας σε εθνικό επίπεδο γίνεται από το Εθνικό Κέντρο Ελέγχου Ενέργειας (ΕΚΕΕ), το οποίο εδρεύει στον Άγιο Στέφανο Αττικής και λειτουργεί από το 1997. Είναι συνδεδεμένο με τους σταθμούς παραγωγής και με τους υποσταθμούς μεταφοράς σε ολόκληρη τη χώρα, εξασφαλίζοντας έτσι συνεχή και σταθερή ροή της ηλεκτρικής ενέργειας.
Η βασική επιχειρησιακή μονάδα διανομής φροντίζει να φτάσει το ρεύμα στους 6,7 εκατ. πελάτες σε όλη την ελληνική επικράτεια, τόσο στην περιοχή του διασυνδεδεμένου συστήματος όσο και στα νησιά, με ένα δίκτυο διανομής συνολικού μήκους περίπου 200.000 χλμ., που περιλαμβάνει γραμμές μέσης και χαμηλής τάσης. Οι τεχνικές υπηρεσίες της διανομής στα 277 καταστήματά της είναι επιφορτισμένες με συνδέσεις, αποκαταστάσεις βλαβών, συντήρηση και εποπτεία του δικτύου, με στόχο την άρτια και ομαλή προσφορά του ηλεκτρικού ρεύματος προς όλους τους πελάτες της.
Εκτός από τις παραπάνω επιχειρησιακές μονάδες, η επιτελική γενική διεύθυνση οικονομικών λειτουργιών ασχολείται με τα οικονομικά της επιχείρησης, ενώ η επιτελική γενική διεύθυνση ανθρώπινων πόρων διαχειρίζεται το προσωπικό της επιχείρησης, που σε όλη την Ελλάδα φτάνει τους 30.000 εργαζομένους.
Για την εξασφάλιση της επάρκειας ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούν στη χώρα μας 33 θερμικοί και υδροηλεκτρικοί σταθμοί, ένα αιολικό πάρκο και 63 αυτόνομοι σταθμοί στα νησιά (φωτ. ΑΠΕ).
Αεροφωτογραφία του εργοστασίου της ΔΕΗ στο Κερατσίνι (φωτ. ΑΠΕ).
Άποψη του θερμοηλεκτρικού σταθμού της ΔΕΗ, στην Κομοτηνή (φωτ. ΑΠΕ).
Η διαχείριση της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται από το Εθνικό Κέντρο Ελέγχου Ενέργειας, που εδρεύει στον Άγιο Στέφανο (φωτ. ΑΠΕ).
Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγει η ΔΕΗ μεταφέρεται μέσω 10.500 χλμ. γραμμών υψηλής τάσης (φωτ. ΑΠΕ).
Η αρχική ηλεκτροστατική μηχανή του Γουίμσερστ.
ΚΥΡΙΕΣ ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ
Το ηλεκτροφόρο του Βόλτα είναι η απλούστερη μηχανή ηλεκτροστατικής επαγωγής. Σε ηλεκτρισμένο με τριβή (1) τεμάχιο ρητίνης, που αποκτά αρνητικό φορτίο, πλησιάζουμε έναν μεταλλικό δίσκο, τον οποίο κρατάμε από μία μονωτική λαβή. Στην επιφάνεια του δίσκου προς την πλευρά της ρητίνης διατάσσονται τα θετικά φορτία και στην αντίθετη τα αρνητικά (2). Αν αγγίξουμε την πάνω επιφάνεια του δίσκου (ή τη θέσουμε, διαμέσου ενός αγωγού, σε επαφή με τη γη) αποσπάται το αρνητικό φορτίο και ο δίσκος παραμένει φορτισμένος θετικά (3). Ο δίσκος μπορεί να απομακρυνθεί από τη ρητίνη και να παραχωρήσει το φορτίο του σε έναν άλλο αγωγό (4). Αν ξαναπλησιάσουμε τον δίσκο στη ρητίνη, το φαινόμενο επαναλαμβάνεται χωρίς να χρειάζεται να τρίψουμε πάλι τη ρητίνη.
Όταν φέρουμε μία γυάλινη ράβδο, που έχει προηγουμένως ηλεκτριστεί με τριβή, στο πάνω μέρος του εργαστηριακού ηλεκτροσκοπίου, παρατηρούμε ότι τα μεταλλικά φύλλα αποκλίνουν.
Όταν φέρουμε δύο γυάλινες ράβδους, που έχουν προηγουμένως ηλεκτριστεί με τριβή, στο πάνω μέρος του εργαστηριακού ηλεκτροσκοπίου, τα μεταλλικά φύλλα αποκλίνουν ακόμη περισσότερο.
Το τμήμα κλωβού του Φάραντεϊ αποτελεί σημαντική εφαρμογή του φαινομένου της ηλεκτροστατικής επαγωγής.
Σχηματική αναπαράσταση του θεμελιώδους νόμου της ηλεκτροστατικής, σύμφωνα με τον οποίο μεταξύ σωμάτων ηλεκτρικά ουδέτερων δεν ασκούνται ηλεκτροστατικές δράσεις· σώματα με φορτία αντίθετου σημείου έλκονται, ενώ σώματα με φορτία ίδιου σημείου απωθούνται.
Πάνω, η σχηματική αναπαράσταση του πρακτικού κανόνα «του εκπωματιστή»: οι δυναμικές γραμμές που παράγονται από τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν ευθύγραμμο αγωγό διατάσσονται σε επίπεδα κάθετα προς τον αγωγό και έχουν την ίδια φορά με τη φορά περιστροφής ενός εκπωματιστή, ο οποίος προχωρεί προς τη διεύθυνση του ρεύματος. Στη μέση, η αναπαράσταση του πειράματος του Έρστεντ: όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, δεν υπάρχει διέλευση και η μαγνητική βελόνη δεν υφίσταται αποκλίσεις. Όταν όμως το κύκλωμα είναι κλειστό, η διέλευση του ρεύματος παράγει ένα μαγνητικό πεδίο που επιδρά στη βελόνα και την αναγκάζει να περιστραφεί και να λάβει θέση κάθετη προς τον αγωγό.
H μεταβολή της μαγνητικής ροής που διέρχεται μέσω κυκλώματος προκαλεί σε αυτό ηλεκτρικό ρεύμα εξ επαγωγής. H ένταση του ρεύματος είναι τόσο μεγαλύτερη όσο ταχύτερη είναι η μεταβολή της μαγνητικής ροής.
Βήτατρο που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία για τον έλεγχο των υλικών (φωτ. Siemens).
Η αίθουσα με τους αργαλειούς σε ένα υφαντουργείο μετά την εισαγωγή του ηλεκτρισμού.
Οι πυλώνες υψηλής τάσης της ΔΕΗ (φωτ. ΑΠΕ).
Από τους πρώτους μελετητές που έκαναν συστηματικά πειράματα πάνω στον ηλεκτρισμό υπήρξε ο Γουίλιαμ Γκίλμπερτ (1544-1603), συγγραφέας του «De Magnete». Στον πίνακα του Άρθουρ Χαντ εικονίζεται να εκτελεί ένα πείραμα στατικού ηλεκτρισμού παρουσία της βασίλισσας Ελισάβετ.
Τον 17o και τον 18o αι. αναπτύχθηκε το ενδιαφέρον για την επιστημονική έρευνα και ειδικότερα για τον ηλεκτρισμό. Στη φωτογραφία, το πείραμα του Μάρλι (1752) για τον ατμοσφαιρικό ηλεκτρισμό, όπως εικονίζεται σε λιθογραφία της εποχής.
Μία σχηματική παράσταση του πειράματος του Ιταλού ερευνητή Λουίτζι Γκαλβάνι (1771) για τον «ζωικό ηλεκτρισμό».
* * *ο1. μορφή ενέργειας που αναπτύσσεται με την τριβή ορισμένων σωμάτων, όπως το ήλεκτρο, και προκαλεί φαινόμενα έλξεως άλλων σωμάτων, σπινθήρες, νευρικό κλονισμό σε ζώα κ.λπ.2. συνεκδ. κλάδος τής φυσικής που ασχολείται ειδικά με την περιγραφή και μελέτη των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων3. φρ. α) «στατικός ηλεκτρισμός» — ο ηλεκτρισμός που παράγεται με την τριβήθ) «δυναμικός ηλεκτρισμός» — ο ηλεκτρισμός που παράγεται με χημικά ή άλλα μέσαγ) «ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός» — το ηλεκτρικό φορτίο που ενυπάρχει στην ατμόσφαιρα.[ΕΤΥΜΟΛ. Αντιδάνεια λ., πρβλ. αγγλ. electricity, γαλλ. electricite, γερμ. Elektrizitat < ήλεκτρο. Η λ. μαρτυρείται από το 1811 στο περιοδικό Ερμής οΛόγιος].
Dictionary of Greek. 2013.
