تاريخچه الكتريسيته

[Maxvell]

فصل سوم تاريخچه الكتريسيته





داستان الكتريسيته 2500 سال پيش در نزديكي ساحل غربي سرزميني كه تركيه امروزي ناميده مي‌شود آغاز شد در آن سرزمين شهري بنام ماگنزيا كه مردم آن به زبان يوناني حرف مي‌زدند وجود داشت. روزي چوبدستي پسرك چوپاني به سنگي خورد و به آن چسبيد.

پسرك از خود پرسيد: آيا روي سنگ چيز چسبناكي وجود دارد.

تالس اسم اين سنگ را ماگنيگ ناميد. تالس به آزمايش ديگري نيز پرداخت. او جسم شيشه مانندي به رنگ طلايي را نيز آزمايش كردكه ما آن‌ را كهربا مي‌ناميم و در زبان يوناني الكترون ناميده مي‌شود.

كهربا آهن را نمي‌ربود ولي وقتي با دست مالش‌دار مي‌شد چيزهاي سبك مانند تكه‌هاي كرك، نخ، پر و تراشه‌هاي كوچك چوب را مي‌ربود.

كهربا ويليام گيلبرت پزشك و فيزيكدان انگليسي كه پژوهشهايي درباره مغناطيس كرده بود را به اين فكر فرو برد كه آيا سنگهاي قيمتي هم وقتي مالش‌دار مي‌شوند همان خاصيت را مي‌بايند

او بعد از آزمايش با الماس، ياقوت كبود و000 همه خبرهايي را كه بعد از مالش خاصيت ربايش پيدا ميكنند را الكتريك ناميد

گريكه نيز مقداري گوگرد گداخته را درون شيشه‌اي قرار داد. بعد يك ميله چوبي در داخل آن قرار داد، آنگاه گوي گوگردي را روي پايه چوبي كه با يك دست ميچرخانيد و دست ديگرش را روي آن مي‌گذاشت بحركت در آورد تا به كمك مالش الكتريسيته در گوي پر شود.



در حدود سال 1650 ميلادي پژوهشگر انگليسي بنام والتر‌چارلتون اين نيروي جاذبه را الكتريسيته ناميد.

اتوفون گريكه كهربا را با تمام شدتي كه مي‌توانست با پارچه مالش داد، آنگاه وقتي به كهربا دست زد صداي شكسته شدن به گوش مي‌رسيد.




بعد از او استون گري از خود شيشه گوگرد استفاده كرد و آنرا به عنوان الكتريك استفاده كرد. در سال 1731 ميلادي گري با چند تكه فلز و چند تكه صمغ كه مايع چسبناكي است و ماده‌اي شبيه كهربا و نارساناست استفاده كرد.







فرانسوا دوفه در سال 1734 دو نوع الكتريسيته شيشه‌اي و رزين را مصرف نمود

تا سال 1750 ماشينهاي الكتريكي بسيار نيرومند‌تري وارد بازار كار شد

در سال 1746 ميلادي پيتر‌فان استاد فيزيك ليدن كشف تصادفي و تقريبي كشنده‌اي را در يك نام كه با اين جمله آغاز مي‌شد گزارش داد.





پيتر فان ظاهرا سعي كرد الكتريسيته را داخل يك بطري بدام اندازد او يك سيم برنجي را كه از يك لوله تفنگ باردار به داخل يك بطري پر از آب برده مي‌شد آماده ساخت در هنگامي كه شاگرد او سيم برنجي را با دست خود لمس مي‌كرد شوك بسيار شديدي به او دست مي‌داد.
پيتر فان نادانسته كشف كرد كه بار را مي‌توان در يك جسم جامد كه به طور مناسبي ساخته شده است ذخيره كرد امروز اسبابهاي مانند بطري ليدن را كه توانايي ذخيره كردن بار الكتريكي دارند خازن مي‌نامند.




بطري ليدن توجه فرانكلين را بخود معطوف نمود.آنگاه فكر فرانكلين با توجه به توجيه بارهاي مثبت و منفي به يك انديشه درست هدايت شد:

بارهاي الكتريكي نه خلق مي‌شوند و نه از بين مي‌روند.








اجسام بر اثر آرايش بارهاي الكتريكي كه قبلا در آنها موجود است بار مثبت يا منفي پيدا ميكنند. اين اصل، اصل پايستگي بار ناميده مي‌شود.

در سال 1800 ميلادي ولتا راه بهتري براي توليد جريانهاي الكتريكي پيدا كرد. او در انجمن سلطنتي انگلستان گزارش داد: آري، دستگاهي كه من از آن حرف مي‌زنم بي‌شك شما را متحير خواهد ساخت.

او صفحات نقره را با صفحات روي با يك ترتيب كه تعدادي رساناي خوب با جنسهاي متفاوت بودند و بين لايه‌هاي آن آب يا آب نمك قرار داشت بر روي هم چيد. ولت نشان داد كه يك سر اين مجموعه با پايانه بار مثبت و سر ديگر بار منفي است سپس سيمهاي مدار خود را به قرصهاي اول و آخر دستگاه خود كه آن را باطري مي‌ناميد متصل كرد از سيم‌ها الكتريسيته‌اي بدست مي‌آمد كه همان آثار الكتريسيته حاصل از مالش دادن كهربا يا تخليه بطري ليدن بود





اينك بعد از ده‌ها سال نه تنها باطريهاي شيميايي و حتي اتمي وارد بازار كارشده است بلكه الكتريسيته چاره ساز لحظه‌هاي زندگي انسان وصنعت امروزي است.





انديشدن و عمل كردن تا مرز بي نهايت‌ها



خلقت رايانه‌هاي غول پيكر تا ميكرواينچ و صنعت هواپيما‌سازي حمل و نقل و حركت ماهواره‌ها، شاتلها، ترنها و ميلونها دستگاهاي صوتي و تصويري، حتي صنعت نوين علوم پزشكي از دستگاههاي سي‌تي‌اسكن‌ ام آر آي ونيروگاهها و 000 فقط پنداريست كوچك از آنچه كه هست و بايد باشد و شايد خواهد بود.

[Maxvell]

فصل اول(الکتریسیته ساکن)



پيدايش الكتريسيته ساكن



نزديك به دو هزار و پانصد سال پيش تالس، دانشمند يوناني، به اين نكته پي برد كه اگر كهربا با پشم مالش داده شود ريزه‌هاي خاشاك را مي‌ربايد. اين نخستين گام در راه شناخت الكتريسيته بود.
كهربا و سنگ مغناطيس، دو ماده طبيعي هستند كه از زمانهاي قديم مورد توجه مردم بوده‌اند. كهربا شيره‌اي است كه مدتها پيش، از بعضي از درختان مانند كاج كه چوب نرم دارند، بيرون تراويده و در طي قرنها سخت شده و به صورت جامدي نيمه شفاف در آمده است؛ كهربا به رنگهاي زرد تا قهوه‌اي وجود دارد. كهرباي صقيل داده شده سنگ زينتي زيبايي است و گاهي شامل بقاياي حشره‌هايي است كه در زمانهاي گذشته در شيره چسبناك گرفتار شده‌اند.






یونانيان باستان خاصيت شگفت‌انگيز كهربا را تشخيص داده بودند. اگر كهربا را به شدت به پارچه‌اي مالش دهيم، اجسامي مانند تكه‌هاي كاه يا دانه‌هاي گياه را كه نزديك به آن باشد جذب مي‌كند.
سنگ مغناطيس ماده‌اي معدني است كه آن هم خواصي غير عادي دارد. آهن را جذب مي‌كند و اگر تكه‌اي از اين سنگ آويزان يا شناور باشد، آن قدر مي‌چرخد تا تقريباً در امتداد شمال – جنوب قرار گيرد. نخستين توصيف نوشته شده از كاربرد سنگ مغناطيس به عنوان يك قطبنما در دريانوردي در كشورهاي غربي، مربوط به اواخر قرن دوازدهم ميلادي است، ولي خواص اين سنگ خيلي پيش از آن در چين شناخته شده بود. امروزه، سنگ مغناطيس را ممكن است كانه آهن مغناطيده ناميد.



تاريخچه‌هاي سنگ مغناطيس و كهربا قديميترين تاريخچه‌هاي مربوط به مغناطيس و الكتريسيته‌اند. پيشرفتهاي معاصر در اين رشته‌ها از سال 1600، كه كتاب (درباره مغناطيس) نوشته ويليام گيلبرت در لندن منتشر شد، آغاز مي‌شود. گيلبرت (1603-1544ميلادي) پزشكي با نفوذ بود، كه به عنوان سر پزشك در دربار ملكه اليزابت خدمت مي‌كرد. او در 20 سال آخر زندگي، به مطالعه آنچه امروزه سنگ مغناطيس و كهربا ناميده مي‌شود پرداخت. گيلبرت، براي تحقيق گزارشهاي نويسندگان ديگر، خود دست به آزمايشهايي زد و نتيجه آنها را در كتاب درباره مغناطيس خلاصه كرد. اين كتاب در ادبيات علمي كتابي كلاسيك است، چرا كه كوششي بود دقيق و موفقيت آميز براي تحقيق انديشه‌هاي پيچيده از راه آزمايشهاي تفصيلي.



نخستين هدف گيلبرت در اين كتاب مرور و نقد و بررسي نوشته‌هاي پيشينيان درباره سنگ مغناطيس بود. او به بحث از تئوريهاي گوناگون درباره علت جاذبه مغناطيسي پرداخت. يكي از مشهورترين اين تئوريها به وسيله لوكرتيوس، نويسنده رومي، پيشنهاد شده بود:

لوكرتيوس… جاذبه مغناطيسي را ناشي از آن مي‌دانست كه چون در همه اشيا جرياني از ريزترين اجسام بيرون مي‌ريزد از آهن نيز چنين جرياني از اتمها به فضاي ميان آهن و سنگ مغناطيس – فضايي كه به وسيله اتمها {دانه‌ها}‌ي سنگ مغناطيس از هوا خالي شده است >– بيرون مي‌ريزد، و هنگامي كه اين جريانها مي‌خواهند به سنگ مغناطيس بازگردند، آهن، ذرات درهم گير افتاده را دنبال مي‌كند.



گيلبرت خود تئوري برون ريزي ذرات نامرئي (effluvium) را به عنوان توضيحي براي جاذبه مغناطيسي قبول نداشت، اما تصور مي‌كرد كه اين تئوري ممكن است درباره جاذبه الكتريكي كارامد باشد.



وقتي كشف شد كه سنگ مغناطيس و سوزنهاي مغناطيس شده يا ميله‌هاي آهني تمايل دارند كه در امتداد شمال- جنوب قرار گيرند، بسياري از نويسندگان توضيحاتي در اين باره دادند. اما، گيلبرت مي‌نويسد:



0 0 0 آنان روغن چراغ و كار را تلف كردند. در تحقيق اشياي طبيعت به مرحله عمل نزديك نشدند، تنها با كتابها آشنا بودند، با بعضي از سيستمهاي فيزيكي نادرست گمراه شدند، و بي‌آنكه هيچ آزمايش مغناطيسي انجام دهند، صرفاً بر اساس باورهاي خود توضيحاتي مي‌دادند و همچون پيرزنان روياهايي مي‌بافتند كه وجود خارجي نداشت.

مارسيليوس فيسينوس باورهاي پيشينيان را نشخوار مي‌كند و علت جهت مغناطيسي را در صورت فلكي خرس جستجو مي‌كند000 پاراسلسوس اعلام مي‌كند كه ستارگاني وجود دارند كه به آنها قدرت سنگ مغناطيس داده شده است، و آهن را به طرف خود جذب مي‌كنند







گيلبرت خودش علت واقعي جهت‌گيري عقربه مغناطيسي يا سنگ مغناطيس آويخته را چنين مطرح مي‌كند كه: زمين خود يك سنگ مغناطيس است. گيلبرت براي آنكه احتمال درستي فرضيه‌اش را نشان دهد، آزمايشي هوشمندانه طرح كرد. او با استفاده از يك تكه بزرگ سنگ مغناطيس طبيعي به شكل كره، نشان داد كه هر گاه يك عقربه مغناطيده كوچك بر سطح اين سنگ مغناطيس قرار گيرد، شبيه يك عقربه قطبنما عمل مي‌كند كه در نقاط گوناگون بر سطح زمين قرار مي‌گيرد. (در واقع گيلبرت سنگ مغناطيس خود را ترلا ناميد كه به معني «زمين كوچك» است.) اگر راستاهايي را كه عقربه در امتداد آنها قرار مي‌گيرد با گچ بر روي سنگ مغناطيس نشان كنيم، دايره‌هاي نصف‌النهار را تشكيل مي‌دهند. اين دايره‌ها مانند خطوطي كه بر روي كره زمين طول جغرافيايي يكسان دارند در دو نقطه مقابل هم كه مي‌توان آنها را «قطب» ناميده به يكديگر مي‌رسند. در قطبها، عقربه به طور عمود بر سطح سنگ مغناطيس قرار مي‌گيرد. در نيمه راه، يعني در امتداد «استوا»، عقربه در امتداد سطح سنگ مغناطيس قرار مي‌گيرد. اگر تكه‌هاي كوچكي از سيم آهني نيز بر روي اين سنگ مغناطيس كروي قرار گيرند در اين راستاها رديف مي‌شوند.










امروزه بحث درباره آثار آهنرباها معمولاً شامل اين انديشه است كه آهنرباها در اطراف خود «ميدانهايي» ايجاد مي‌كنند. اين ميدان مي‌تواند بر اجسام ديگر، خواه دور يا نزديك اثر كند. توصيف گيلبرت از نيرويي كه به وسيله سنگ مغناطيس بر عقربه وارد مي‌شود گامي بود به سوي مفهوم امروزي ميدان:



نيروي ترلا در همه جهتها گسترده است000 اما هر گاه آهن يا جسم مغناطيسي ديگر با اندازه مناسب در داخل كره اثر آن قرار گيرد جذب مي‌شود. با اين همه، هر چه آن جسم به سنگ مغناطيس نزديكتر باشد نيرويي كه برآن وارد مي‌شود بيشتر است.



گيلبرت در كتاب خود بحثي درباره الكتريسيته هم دارد. در آنجا كلمه الكتريكي را به عنوان اصطلاحي كلي براي «اجسامي كه به شيوه كهربا جذب مي‌كنند» به كار برد. گيلبرت ثابت كرد كه نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي با يكديگر متفاوتند. مثلاً، سنگ مغناطيس هميشه آهن يا اجسام مغناطيسي ديگر را جذب مي‌كند، ولي يك جسم الكتريكي جاذبه‌اش را تنها هنگامي اعمال مي‌كند كه به تازگي مالش داده شده باشد. از سوي ديگر، يك جسم الكتريكي مي‌تواند تكه‌هاي كوچك بسياري از مواد متفاوت را جذب كند. اما نيروهاي مغناطيسي تنها بر انواع كمي از مواد تأثير دارد. اجسام به يك جسم الكتريكي در راستاي خطوطي كه به يك منطقه مركزي مي‌رسند جذب مي‌شوند. اما در آهنرباها هميشه دو منطقه (قطب) وجود دارد كه آهنرباهاي ديگر به طرف آنها جذب مي‌شوند.



گيلبرت كاري فراتر از خلاصه كردن واقعيتهاي شناخته شده درباره الكتريسيته و مغناطيس كرد. او مسائل تحقيقي تازه‌اي را مطرح كرد كه سالها به وسيله ديگران دنبال شدند. مثلاً، نظر داد كه با آنكه قطبهاي دو سنگ مغناطيس ممكن است يكديگر را جذب يا دفع كنند، اجسام الكتريكي هرگز نمي‌توانند نيروهاي دافعه بر يكديگر وارد كنند. با اين همه، در سال 1646 ميلادي، سرتوماس براون نخستين گزارش مربوط به رانش الكتريكي را منتشر كرد.

[Maxvell]

فصل دوم( جریان الکتریکی)

كشف جريان الكتريسيته



در سال 1791 ميلادي شخصي ايتاليائي به نام لوئيجي گالواني كه در بولويناي ايتا‌ليا زندگي مي‌كرد، كشف شگفت‌انگيزي كرد. او فيزيولوژيست بود و زيست‌شناسي تدريس مي‌كرد و براي آزمايش از قورباغه استفاده مي‌نمود. وي متوجه شد كه هرگاه پاي يك قورباغه مرده با دو فلز غير هم جنس تماس پيدا كند، عضله آن منقبض مي‌شود. تابلوي كنده كاري شده در سال 1791، يكي از چند تابلويي است كه آزمايشهاي لوئيجي گالواني (1798-1737) در آن ثبت شده است. پس از كشف تصادفي. او وجود رابطه بين الكتريسيته و فعاليت عضلات را نشان داد.










الساندر ولتا دانشمند ديگر ايتاليايي كارهاي تحقيقاتي او را ادامه داد و فلزات مختلفي كه با آب نمك مرطوب كرده بود آزمايش كرد و سرانجام طرحي را تهيه كرد كه شامل صفحات روي و مس بود كه بين آنها نمد آغشته به آب نمك قرار داده بود. اين مجموعه پيل ولتا ناميده مي‌شد و مي‌توانست با اتصال اين صفحات به يكديگر جريان الكتريكي كوچكي توليد كند. به اين ترتيب بود كه ولتا باتري الكتريكي را اختراع كرد. ولتا با اختراع اين باتري شهرت فراوان يافت و در سال 1801 براي نشان دادن اختراع خود به ناپلئون، به پاريس دعوت شد. اين اختراع، قدم بسيار مهم و به موقعي در توليد جريان الكتريكي بود. اصطلاح الكتريكي ولت پس از موفقيتهاي وي رواج يافت. اختراع وي كمكي به ظهور عصر الكترونيك بود.



سرهامفري ديوي، دانشمند انگليسي با اختراع لامپ بي‌خطري كه كارگران در معادن زغال‌سنگ به كار مي‌بردند شهرت فراوان يافت. او تحقيقات فراواني در علم شيمي انجام داد و با تغييراتي كه در باتري ولتا انجام داد آن را تكميل نمود.



رشد صنعت برق به طور عمده نتيجه نياز فراوان عامه مردم به محصولات الكتريكي بود. يكي از نخستين محصولات الكتريكي كه در ايالات متحده از لحاظ تجاري موفقيت پيدا كرد لامپ الكتريكي بود. اين موفقيت، نمونه جالبي از ارتباط ميان فيزيك، صنعت و جامعه است. در آغاز قرن نوزدهم، بناها و خانه ها با شمع و چراغهاي روغني يا نفتي روشن مي‌شدند. در خيابانهاي شهرها به معدودي چراغ كه در شب،بيرون بعضي از خانه‌ها آويزان مي‌شد . وسيله روشنايي ديگري نبود. صنعت گاز طبيعي آغازگر تغيير چنين وضعي بود.







نخستين سيستم روشنايي خياباني وقتي به وجود آمد كه در سال 1813 تعدادي چراغ گازي بر روي پل وستمينستر در لندن نصب شد. اما آثار اجتماعي چراغ گازي در كارخانه‌ها موجب شد كه مدت كار طولاني وسخت كارگران. روزانه طولاني‌تر شود.



در سال 1801 ، شيميدان انگليسي، سرهنري ديوي متذكر شده بود كه هرگاه بين دو ميله زغالي متصل به دو سر يك باتري، تماس ايجاد شود جرقه يا قوسي روشن، پديد مي‌آيد . اين كشف منجر به پيدايش چراغ قوسي شد.







در سالهاي 1860 و 1870 چراغهاي قوسي كم‌كم براي روشنايي خيابان و خانه‌ها مورد استفاده قرار گرفت. اما آنها براي مصرف در خانه بسيار خيره كننده و بسيار گران بودند. همچنين ميله‌هاي كربوني آنها به علت دماي زيادي كه از قوس توليد مي‌شد، طي چند ساعت مي‌سوختند. لزوم سرويس و تعويض مكرر ميله‌ها در سيستم نيز ناراحت كننده بود.



هرمان اشپرنگل در آلمان يك پمپ خلأ كامل شده اختراع كرد. با اين پمپ ساختن لامپ چراغ الكتريكي به شكل امروزي آن، امكان‌پذير شد. پمپ اشپرنگل به كروكس و دانشمندان ديگر در انجام آزمايشهاي علمي كه منجر به اكتشافات مهم در فيزيك اتمي شد، ياري فراوان كرد.



توماس اديسون نخستين كسي نبود كه چراغ التهابي را اختراع كرد.>آنچه او انجام داد ايجاد لامپ چراغي بود كه عملاً براي استفاده در خانه‌ها به كار مي‌آمد. مهمتر آنكه راهي براي سيستم توزيع الكتريسيته پيدا كرد. اين سيستم توزيع نه تنها استفاده از لامپ چراغي را عملي كرد،‌بلكه راهي براي مصرف انبوه انرژي الكتريكي در ايالات متحده باز كرد.

اديسون ابتدا به اين مسئله مهم پرداخت كه مردم چگونه مي‌خواهند از لامپهاي خود استفاده كنند. بديهي است كه هر مصرف كننده‌اي بايد بتواند لامپي را كه مي‌خواهد، روشن و خاموش كند. بدون آنكه بر ديگر لامپهاي متصل به مدار اثري داشته باشد. اين بدان معني است كه لامپها بايد «به طور موازي» مانند پله‌هاي نردبان به هم متصل شده باشند، نه به «طور سري».







از اين رو اديسون براي رشته‌هاي لامپ خود در جستجوي ماده‌اي غيرفلزي با مقاومت بسيار بالا برآمد. براي ساختن چنين رشته‌اي لازم بود كه او نخست قطعه نازكي از يك ماده را كربن ‌زده كند و سپس آن را در يك حباب شيشه‌اي كه سيم‌هايي از آن خارج شده باشند، جاي دهد و بعد حباب را تخليه و مسدود نمايد. همكاران او بيشتر از 1600 نوع ماده را مورد امتحان قرار دادند، موادي مانند: كاغذ و پارچه، نخ، بند ماهيگري، فيبر، سلوئيد، چوب شمشاد، پوست نارگيل، چوب صنوبر و گردو، تراشه افرا، چوب بنفش، چوب پوسيده شده، چوب پنبه، كتان، خيزران و موي ريش قرمز اسكاتلندي. سرانجام اديسون در سال 1879 موفق شد نخستين لامپ خود را با نخ پنبه‌اي كربن‌زده در يك حباب كاملاً خلأ بسازد. شركت اديسون تنها پس از سه سال كار، 200000 لامپ فروخت. اين شركت در اين زمينه واقعاً انحصاري بود و سود سهام زيادي به سهام‌داران خود پرداخت.



استفاده گسترده از لامپهاي چراغ، درستي نظر اديسون را درباره اينكه مردم چه چيزهايي را خواهند خريد تأييد كرد. اين امر به توسعه سريع سيستم‌هاي توليد و توان و توزيع الكتريكي نيز انجاميد. نياز به توان بيشتر براي ايجاد روشنايي، انگيزه‌اي شد براي اختراع مولدهاي بهتر، مهار كردن توان آب، اختراع توربين بخاز و كاميابي در فراهم كردن انرژي ارزان به مقدار زياد، كاربردهاي ديگر الكتريسيته را عملي ساخت. وقتي خانه‌ها براي چراغهاي الكتريكي سيم‌كشي شدند، جريان الكتريكي براي به كار انداختن ماشينهاي خياطي، جاروبرقي، ماشينهاي لباسشويي، توستر. (به دنبال آن) يخچال، فريزر، راديو و تلويزيون مورد استفاده قرار گرفت آسانسورهاي الكتريكي ساختن بناهاي رفيع را عملي ساخت و قطارهاي برقي خياباني و زيرزميني اين امكان را به وجود آورد كه مردم به سرعت از خانه به محل كار و به بازار برسند. امروزه ما با كاربردهاي پيچيده الكتريسيته چنان مأنوس شده‌ايم كه به سهولت، نمي‌توانيم اهميت چيز ساده‌اي مانند لامپ چراغ را دريابيم. اما بيشتر مردمي كه (در دوران الكتريكي شدن وسايل يعني سالهاي دهه 1930 و 1940 مي‌زيسته‌اند) توافق دارند كه آن وسيله الكتريكي كه بزرگترين تغيير را در زندگي روزمره آنان ايجاد كرده لامپ چراغ الكتريكي بوده است.







اينك الكتريسيته زندگي مردم را با مولد پيل تجربه به مدارهاي آينده به طور سري متصل و همزمان چراغ تعقل را به طور موازي روشن مي‌سازد.