تاريخ الفيزياء الكهربائية والمغناطيسية

الفيزياء الكهربائية والمغناطيسية قبل الميلاد:

600 قبل الميلاد – الشحنة الكهربائية:

العنبر معدن أصفر وشفاف، في وقت مبكر من 600 قبل الميلاد كان الفيلسوف اليوناني”أريستوفانيس”على دراية بخصائصه المميزة. فعند فركه بقطعة من الفرو، يطوّر العنبر القدرة على جذب قطع صغيرة من المواد مثل الريش. لعدة قرون كان يُعتقد أنّ هذه الخاصية الغريبة التي لا يمكن تفسيرها ينفرد بها العنبر. ظل هذا التأثير الغريب لغزًا لأكثر من 2000 عام، حتى حوالي عام 1600 بعد الميلاد قام الدكتور “ويليام جيلبرت” بالتحقيق في تفاعلات العنبر والمغناطيس وسجل لأول مرة كلمة “كهربائي” في تقرير عن النَظرية المغناطيسية.

الفيزياء الكهربائية والمغناطيسية الحديثة:

1600 – الكهرباء الساكنة (De Magnete):

في القرن السادس عشر، أثبت “ويليام جيلبرت” أنّ العديد من المواد الأخرى كهربائية (من الكلمة اليونانية التي تعني العنبر elektron)، وأنّ لها تأثرين كهربائيين. عند فرك العنبر بالفراء يكتسب العنبر الكهرباء الراتنجية أو “الصمغية”، ومع ذلك عند فرك الزجاج بالحرير يكتسب كهرباء زجاجية. تتنافر الكهرباء من نفس النوع وتجذب النوع الآخر من الكهرباء. يعتقد العلماء أنّ الاحتكاك هو في الواقع خلق الكهرباء (الشحنة). لم يدركوا أنّ كمية متساوية من الكهرباء المعاكسة بقيت على الفراء أو الحرير.

أدرك الدكتور “ويليام جيلبرت” أنه تم تكوين قوة عندما تمَ فرك قطعة من العنبر (الراتنج) بالصوف وجذب الأشياء الخفيفة. في وصف هذه الخاصية اليوم نقول إنّ الكهرمان “مكهرب” أو يمتلك “شحنة كهربائية”. هذه المصطلحات مشتقة من الكلمة اليونانية “إلكترون” والتي تعني العنبر ومن هذا المصطلح تم تطوير مصطلح “الكهرباء”. لم يتم العثور على هذا “الشيء” حتى نهاية القرن التاسع عشر على أنه يتكون من كهرباء سالبة تُعرف اليوم بالإلكترونات.

درس “جيلبرت” أيضًا المغناطيسيَة وفي عام 1600 كتب “De magnete” الذي أعطى أول تفسير منطقي للقدرة الغامضة لإبرة البوصلة على الإشارة إلى الشمال والجنوب، لأنّ الأرض نفسها مغناطيسية. افتتح كتاب “De Magnete” عصر الفيزياء الحديثة وعلم الفلك. و في عام 1660 اخترع “أوتو فون جيريك” آلة بدائية لإنتاج الكهرباء الساكنة.

1729 – الموصلات وغير الموصلات:

وصف “ستيفن جراي” أنّ الطاقة التي يمتلكها جسم مكهرب يمكن أن تنتقل من مكان إلى آخرعن طريق توصيلها، وفي عام 1730 أنتج (Servigton Savery) أوّل مغناطيس مركب من خلال ربط عدد من المغناطيسات الاصطناعية بقطب مشترك في كل طرف.

1745 – القوة الكهربائية – المكثف:

جرّة (Leyden): هو أحد أقدم وأبسط أشكال المكثفات الكهربائية، كانت جرة (Leyden) الأصلية عبارة عن جرّة زجاجيّة مسدودة تحتوي على الماء مع سلك أو مسمار يمتد عبر السدادة إلى الماء. تمّ شحن الجرة عن طريق إمساكها بيد واحدة وجعل الطرف المكشوف من السلك ملامسًا لجهاز كهربائي، إذا انقطع الاتصال بين السلك ومصدر الكهرباء ولمس السلك باليد الأخرى، فقد حدث تفريغ، وقد كان بمثابة صدمة عنيفة.

1747 – الكهرباء الزجاجية – حفظ الشحنة:

بعد اكتشاف “جيلبرت” أنّ قوة الشحنة الكهربائية تنشأ عن احتكاك مواد مختلفة، قام “بنجامين فرانكلين” في عام 1747 بتحسين ذلك من خلال إعلان أنّ هذه الشحنة الكهربية تتكون من نوعين من القوى الكهربية، قوة جذب وقوة دافعة. (توصل ويليام واتسون (1715-1787) في إنجلترا بشكل مستقل إلى نفس النتيجة أيضاً.) لتحديد هاتين القوتين أعطى الأسماء للشحنات الموجبة والسالبة وللتعبير عنها استخدم “+” و”- ” إشارات + لكونها موجبة و – للسالبة.

أدرك “بنجامين فرانكلين” أنّ جميع المواد تمتلك نوعًا واحدًا من “السوائل” الكهربائية التي يمكنها اختراق المادة بحريّة ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. إنّ عمل الاحتكاك ينقل السائل فقط من جسم إلى آخر، ممّا يؤدي إلى كهربة كليهما. وأنشأ “فرانكلين” و”واتسون” مبدأ الحفاظ على الشحنة وهو أنّ الكمية الإجمالية للكهرباء في نظام معزول ثابتة. حدد فرانكلين السائل الذي يتوافق مع الكهرباء الزجاجية بأنه موجب ونقص السوائل بأنه سلبي. لذلك، وفقًا “لفرانكلين” كان اتجاه التدفق من الموجب إلى السالب وهو عكس ما يُعرف الآن بصحته.

1767 – القوة الكهربائية:

في عام 1767 استنتج “بريستلي” أنه عندما تزداد المسافة بين جسدين صغيرين مشحونين ببعض العوامل، فإنّ القوى بين الجسمين تنخفض بمقدار مربع العامل. على سبيل المثال، إذا تضاعفت المسافة بين الشحنات ثلاث مرات فإنّ القوة تنخفض إلى تُسع قيمتها السابقة. على الرغم من دليل “بريستلي” إلّا أنّه كان بسيطًا لدرجة أنّه لم يدافع عنه بقوة. لم يتم اعتبار المسألة محسومة إلّا بعد 18 عامًا عندما أجرى “جون روبنسون” قياسات أكثر مباشرة للقوة الكهربائية.

اكتشاف التيار الكهربائي:

1780 – التيار الكهربائي:

بدأ العالم الإيطالي” لويجي جالفاني ” بسبب سلسلة من الأحداث التي بلغت ذروتها في تطوير مفهوم الجهد واختراع البطارية. في عام 1780، لاحظ أحد مساعدي “جالفاني” أنّ ساق ضفدع مقطوعة ترتعش عندما لمس عصبها بمشرط. ظنّ مساعد آخر أنه رأى شرارة من مولّد كهربائي مشحون قريب في نفس الوقت، استنتج جالفاني أنّ الكهرباء كانت سبب تقلصات العضلات. اعتقد خطأً أنّ التأثير كان ناتجًا عن نقل سائل خاص أو “كهرباء حيوانية” وليس إلى الكهرباء التقليديّة.

في تجارب كهذه حيث يتم تحفيز أرجل ضفدع أو طائر بالتلامس مع أنواع مختلفة من المعادن، قادت “لويجي جالفاني” في عام 1791 إلى اقتراح نظريته بأنّ الأنسجة الحيوانيّة تولد الكهرباء. في تجربته مع ما أسماه كهرباء الغلاف الجوي، وجد جالفاني أنّ عضلة الضفدع سترتعش عند تعليقها بخطاف نحاسي على شبكة حديديّة.

1800 – الكيمياء الكهربائية أوالخلية الفولتية:

في عام 1800، أظهر”فولتا” أنّه عندما تأتي الرطوبة بين معدنين مختلفين تتولد الكهرباء. قاده ذلك إلى اختراع أول بطارية كهربائية التي صنعها من صفائح رقيقة من النحاس والزنك مفصولة بلوح رطب (لباد منقوع في محلول ملحي). وبهذه الطريقة تم اكتشاف نوع جديد من الكهرباء وهي الكهرباء التي تتدفق بشكل ثابت مثل تيّار الماء بدلاً من تفريغ نفسها في شرارة واحدة أو صدمة واحدة. أظهر “فولتا” أنّ الكهرباء يمكن أن تنتقل من مكان إلى آخر بالأسلاك، وبالتالي تقديم مساهمة مهمة في علم الكهرباء.

1820 – الكهرومغناطيسية – التيار:

كان ” أندريه ماري أمبير” عالم الرياضيات الذي كرّس نفسه لدراسة الكهرباء والمغناطيسية أوّل من شرح النّظرية الديناميكية الكهربائية. أظهر أنّ سلكين متوازيين يحملان تيارًا، يجذبان بعضهما البعض إذا كانت التيارات تتدفق في نفس الاتجاه وتتعارض مع بعضها البعض إذا كانت التيارات تتدفق في اتجاهين متعاكسين. لقد صاغ بعبارات رياضية القوانين التي تحكم تفاعل التيارات مع المجالات المغناطيسية في الدائرة، ونتيجة لذلك اشتُقت وحدة التيار الكهربائي الأمبير من اسمه.

تسمّى الشحنة الكهربائية المتحركة التيار الكهربائي. وقوة التيار هي مقدار الشّحنة التي تعبر نقطة معينة في الثانية، أو (I = Q / t)، حيث يمر Q كولوم من الشحنة خلال t ثانية. وحدة قياس التيار هي الأمبير، حيث 1 أمبير = 1 كولوم / ثانية. نظرًا لأنّه مصدر المغناطيسية أيضًا، فإنّ التيار هو الرابط بين الكهرباء والمغناطيسية.

1826 – المقاومة:

في عام 1826 ، قام الفيزيائي” جورج سيمون أوم” بفحص مبدأ “فولتا” للبطارية الكهربائية وعلاقة “أمبير” بالتيارات في الدائرة. وأشار إلى أنه عندما يكون هناك تيار في الدائرة، يكون هناك حرارة أيضاً، وكمية الحرارة مرتبطة بمعادن مختلفة. اكتشف أنّ هناك علاقة بين التيار والحرارة، وهناك بعض “المقاومة” لتدفق التيار في الدائرة. من خلال اكتشاف ذلك، اكتشف أنّه إذا ظلّ فرق الجهد (فولت) ثابتًا، فإنّ التيار يتناسب مع المقاومة.

سميت وحدة المقاومة الكهربائية هذه (الأوم) باسمه. كما صاغ قانونًا يوضح العلاقة بين الفولت والأمبير والمقاومة وسمّي هذا القانون باسم “قانون أوم” الذي سمّي أيضًا باسمه. هذا القانون كما نعرفه اليوم هو أساس الكهرباء.

1837 – التلغراف والمغناطيس الكهربائي:

بعد اكتشاف البطارية الكهربائية والمغناطيس الكهربائي، أدخل “صموئيل مورس” (1791 – 1872) التلغراف الكهربائي. تم إرسال الرسائل المشفرة عبر الأسلاك عن طريق النبضات الكهربائية المعروفة باسم شفرة مورس. كانت هذه بالفعل بداية الكهرباء المستخدمة تجاريًا. يُعرف التلغراف الكهربائي بأنّه أول استخدام عملي للكهرباء وأول نظام للاتصالات الكهربائية.

1855 – الحث الكهرومغناطيسي:

كان “فاراداي” مهتمًا جدًا باختراع المغناطيس الكهربائي، كان يفكر أنّه إذا كانت الكهرباء قادرة على إنتاج المغناطيسية، فلماذا لا تستطيع المغناطيسية إنتاج الكهرباء. في عام 1831 وجد “فاراداي” الحل. يمكن إنتاج الكهرباء من خلال المغناطيسية بالحركة، اكتشف أنّه عندما يتم تحريك مغناطيس داخل ملف من الأسلاك النحاسية يتدفق تيار كهربائي صغير عبر السلك.

1866 – خلية (LeClanche):

اخترع لوكلانشيه البطاريّة التي تحمل اسمه، حيث يتم إنتاج بطارية (Leclanché) التي تسمّى الآن البطارية الجافة بكميات كبيرة وتستخدم على نطاق واسع مثل المصابيح اليدوية وأجهزة الراديو المحمولة. تتكون هذه الخلية من علبة زنك مملوءة بعجينة رطبة تحتوي على كبريتات الأمونيوم. يوجد في وسط هذا المعجون المحلول بالكهرباء قضيب كربون مغطى بثاني أكسيد المنغنيز وهو عامل مؤكسد قوي.

1879 – مولد التيار المستمر(DC) والمصباح الكهربائي:

قام” توماس إديسون” ببناء أول مولّد عملي حقيقي للتيار المستمر (التيار المباشر). تضمنت اختراعات “إديسون “العديدة الفونوغراف والتلغراف. في عام 1878، اخترع العالم البريطاني “جوزيف سوان “المصباح الخيطي المتوهج وفي غضون اثني عشر شهرًا قام “إديسون” باكتشاف مماثل في أمريكا. أنشأ (Swan) و(Edison) لاحقًا شركة مشتركة لإنتاج أوّل مصباح خيط عملي. و من ثمّ بدأت الفيزياء الكهربائية بالتطور.