Ιστορική Εξέλιξις του Ηλεκτρισμού
Η μελέτη του Ηλεκτρισμού άρχισε στην Αρχαιότητα και συνεχίζεται στην Σύγχρονη Εποχή.
Ιστορική Αναδρομή[]
Αρχαιότητα[]
ως "πατήρ του Ηλεκτρισμού"
σε γραμματόσημο της Μοζαμβίκης
Από την Αρχαιότητα ήταν γνωστή η ιδιότητα κάποιων σωμάτων, να έλκουν μικρά τμήματα χαρτιού ή μικρά άχυρα, όταν τρίβονται με ύφασμα. Ο Θαλής ο Μιλήσιος (635 - 543 π.Χ.) καταγράφει ότι το ήλεκτρο (το γνωστό "κεχριμπάρι", δηλαδή το απολιθωμένο ρετσίνι των πεύκων) έχει την ιδιότητα αυτή.
Ωστόσο, η πρώτη ιστορικά καταγεγραμμένη αναφορά σε σχέση με τα ηλεκτρικά φαινόμενα χρονολογείται στο 1170 π.Χ., όταν ο Αιγύπτιος φαραώ Ραμσής Γ' ο Νικητής διέταξε να τοποθετηθούν, γύρω από τους ναούς, ξύλινες ράβδοι με χρυσές αιχμές στην κορυφή τους, ώστε να αποτραπεί η οργή των Θεών που βομβάρδιζαν τους ναούς με κεραυνούς.
Τον 3ο αιώνα π.Χ. η τεχνική αυτή σημειώνει βελτίωση και οι χρυσές αιχμές τοποθετούνται στην κορυφή χάλκινων ράβδων.[1]
16ος Αιώνας μ.Χ.[]
Δυστυχώς, κανείς δεν ενδιαφέρθηκε για τα φαινόμενα που σχετίζονταν με τον ηλεκτρισμό στις δύο χιλιετίες που ακολούθησαν, ώστε, πέρα από κάποιες αποσπασματικές έρευνες, μικρή πρόοδος σημειώθηκε ως τα τέλη του 16ου αιώνα μ.Χ.. Τα Ηλεκτρικά και τα Μαγνητικά Φαινόμενα, ήταν πάντα καλυμμένα με το πέπλο της Δεισιδαιμονίας και της Θρησκείας. Την προσπάθεια ερμηνείας αυτών των φαινομένων κυριαρχούσαν φανταστικές δοξασίες που άγγιζαν τα όρια της Μαγείας.
Το νερό άρχισε να κυλάει στο αυλάκι, όταν ένας Άγγλος φυσικός, ο William Gilbert (1540 - 1603), γόνος ευκατάστατης οικογένειας με κλασσική παιδεία, αποφάσισε να στραφεί προς την μελέτη των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων. Ο Gilbert σπούδασε Ιατρική και Μαθηματικά στο Κέιμπριτζ και αφού άσκησε για κάποια έτη την Ιατρική, διορίστηκε εν τέλει φυσικός, στο Πανεπιστήμιο Queen Elizabeth I.
Η Πραγματεία De magnete του William Gilbert.
Με τις πειραματικές έρευνες του Gilbert, ουσιαστικά αρχίζει η σύγχρονη μελέτη του Ηλεκτρισμού και του Μαγνητισμού, η οποία κυλάει παράλληλα, καθώς τα φαινόμενα αυτά είναι ουσιαστικά αλληλένδετα. Το έργο του συνοψίζεται στην πραγματεία του De Magnete, την οποία δημοσίευσε το 1600[2][3]. Ο Gilbert απέδειξε ότι πολλά ήταν τα σώματα που μπορούσαν να ηλεκτριστούν με τριβή (π.χ. θείο, ύαλος, εβονίτης, ξύλο κ.λπ.), και ανακαλώντας την εμπειρία του Θαλή και την ελληνική λέξη «ήλεκτρον», εισήγαγε το επίθετο «ηλεκτρικά», για να περιγράψει τα φαινόμενα αυτά. Όσα υλικά δεν αποκτούσαν τέτοιες ιδιότητες, π.χ. τα μέταλλα, ονομάστηκαν αντιηλεκτρικά υλικά.
Σημαντική είναι η προσπάθεια του Gilbert να διακρίνει τα Ηλεκτρικά από τα Μαγνητικά Φαινόμενα, αποδεικνύοντας, για παράδειγμα, ότι ο μαγνητίτης δεν απαιτεί κάποια διαδικασία για να παρουσιάσει μαγνητικές ιδιότητες, ενώ η ύαλος και το ήλεκτρο χρειάζεται να τριβούν.
17ος Αιώνας μ.Χ.[]
Η απόπειρα του Gilbert να ερμηνεύσει τα Ηλεκτρικά Φαινόμενα δεν απέβη ιδιαίτερα καρποφόρα και περιορίστηκε στην εισαγωγή αναθυμιάσεων και εκπομπών από τα ηλεκτρισμένα σώματα.
Για περισσότερα από 200 έτη, οι ερευνητές που ασχολήθηκαν με τα Ηλεκτρικά Φαινόμενα, επινόησαν αναθυμιάσεις, εκροές, ρευστά, απέχοντας ωστόσο μακράν της ουσιαστικής κατανόησης της φύσης του Ηλεκτρισμού. Ο ίδιος ο Νεύτων, 50 έτη μετά τον θάνατο του Gilbert, παρ' όλο που γνώριζε την σημαντικότητα των Ηλεκτρικών αλλά και των Μαγνητικών Φαινομένων, ομολογεί την άγνοιά του για αυτά, τόσο στο μνημειώδες έργο του Principia Mathematica, όσο και στο βιβλίο του Opticks. Τον 17ο και 18ο αιώνα ο Ηλεκτρισμός και ο Μαγνητισμός εξελίχθηκαν με την συλλογική δουλειά πάρα πολλών εξεχόντων επιστημόνων. Στις αρχές του 17ου αιώνα, διαπιστώθηκε η έλξη ανάμεσα σε ύαλο και ήλεκτρο που έχουν προηγουμένως τριβεί. Μερικές δεκαετίες αργότερα, το έτος 1629, διαπιστώθηκε και η άπωση.
Ερευνητές που ασχολήθηκαν με τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα ήταν μοναχοί Ιησουίτες, μέλη της Accademia del Cimento, ο Rene Descartes (Καρτέσιος, 1596 - 1650), ο Robert Boyle (1627 - 1691) κ.ά. Ο Καρτέσιος είχε διατυπώσει μια γενικότερη θεωρία περί "Αιθερικών Στροβίλων", στους οποίους προσπάθησε να συμπεριλάβει και την ηλεκτροστατική έλξη. Ο Boyle ερεύνησε τα γνωστά στην εποχή του ηλεκτρικά φαινόμενα στο κενό, οδηγήθηκε όμως σε αντιφάσεις.
Το πρώτο μεγάλο βήμα προόδου έγινε από τον ίδιο άνθρωπο που εκστασίασε το κοινό του Μαγδεμβούργου, παρουσιάζοντας 16 ίππους που αδυνατούσαν να χωρίσουν δύο κενά ημισφαίρια, τον Otto von Guericke (1602-1686). Ο άνδρας αυτός, γόνος ονομαστής οικογενείας, διατέλεσε δήμαρχος του Μαγδεμβούργου και φαίνεται πως ήταν εξέχων διπλωμάτης.
Μετά το τέλος του Τριακονταετούς Πολέμου που υπήρξε ιδιαίτερα επιζήμιος για την πατρίδα του την Γερμανία, ο von Guericke αφοσιώθηκε στην μελέτη της φύσης του Κενού. Για τον σκοπό αυτό κατασκεύασε την πρώτη αντλία κενού και εκτέλεσε πολλά θεαματικά πειράματα, ένα εκ των οποίων και το παραπάνω αναφερόμενο, διάσημο πείραμα του Μαγδεμβούργου.
Ο στόχος του ήταν η μελέτη φαινομένων στο κενό, όπως αυτά εκδηλώνονται στο ενδοπλανητικό διάστημα. Υπέθεσε διάφορες «δράσεις» από απόσταση, όπως η Βαρύτητα και η «ωθητική δύναμη» (Αδράνεια) καθώς και δράσεις που προκαλούν φως, ήχο και θερμότητα. Για την επίδειξή τους, κατασκεύασε μια σφαίρα από θείο, αναμειγμένο με διάφορα ορυκτά, τα οποία ήταν δυνατόν να ηλεκτρισθούν με τριβή. Η μηχανή αυτή, ουσιαστικά αποτέλεσε την πρώτη Ηλεκτροστατική Μηχανή.
Ένα από τα σημαντικότερα Ηλεκτρικά Φαινόμενα τα οποία απασχόλησαν τους ερευνητές προς τα τέλη του 17ου αιώνα, ήταν η ασθενική λάμψη που παράγεται στον κενό χώρο ενός βαρομέτρου, γνωστή ως βαρομετρικό φως. Αυτή η λάμψη παρουσιάζεται στον σωλήνα του βαρομέτρου, πάνω από τον υδράργυρο, όταν το όργανο αναταράσσεται. Ο Francis Hauksbee (1666 - 1713), με προσεκτική μελέτη του φαινομένου, διαπίστωσε ότι η λάμψη σχετίζεται με την τριβή του υδραργύρου στην ύαλο. Τελικά, συμπέρανε ότι αρκεί να τρίψει κάποιος μια γυάλα με κενό, ώστε να παραχθούν αναλαμπές. Όμως, εξήγηση δεν δόθηκε την εποχή εκείνη καθώς η εισαγωγή από τον Hauksbee των «ηλεκτρικών αναθυμιάσεων» δεν ευδοκίμησε. Ο Hauksbee μολαταύτα, με την βοήθεια των διατάξεων που είχε επινοήσει, δημιούργησε μια Ηλεκτρική Γεννήτρια τριβής, η οποία παρείχε τάσεις, μικρής σχετικά ισχύος.
18ος Αιώνας μ.Χ.[]
Πείραμα του Stephen Gray με στόχο τη μελέτη της Ηλεκτρικής Αγωγιμότητας.
Το επόμενο αποφασιστικό βήμα στην μελέτη του Ηλεκτρισμού υπήρξε η ανακάλυψη των αγωγών και των μονωτών, από τον Άγγλο Stephen Gray (1646 - 1719), γεννημένο στο Καντέμπουρι και γιο βαφέα. Το 1711, έπειτα από μια επιτυχημένη ακαδημαϊκή καριέρα και συνταξιούχος πλέον στο Charterhouse (ίδρυμα στο Λονδίνο για την προστασία πτωχών ευγενών), αρχίζει την ενασχόλησή του με τον Ηλεκτρισμό. Πειραματιζόμενος με έναν μακρύ υάλινο σωλήνα που έφερε στα άκρα του πώματα από φελλό και ξύλο, παρατήρησε ότι η Ηλέκτριση μπορεί να διαδοθεί από την ύαλο, στο φελλό και στο ξύλο.
Αργότερα, προσπαθώντας να «μεταφέρει» Ηλεκτρισμό σε μεγαλύτερες αποστάσεις, παρατήρησε πως άλλοτε μπορούσε να διαδώσει τα Ηλεκτρικά Φαινόμενα ενώ άλλοτε όχι. Προσπαθώντας να ερμηνεύσει τις παρατηρήσεις του, διέκρινε τα υλικά σε μονωτές και αγωγούς.
Ο Charles François de Cisternay du Fay (1698-1739), Γάλλος από επιφανή οικογένεια, ήταν ο επόμενος που ασχολήθηκε ουσιαστικά με τον Ηλεκτρισμό. Το 1733 ξεκίνησε τις μελέτες του για τον Ηλεκτρισμό, σε συνεργασία με τον Jean Antoine Nollet (1700 - 1770), ανακαλύπτοντας, ότι υπάρχουν μόνο δύο είδη Ηλεκτρισμού:
- ο υαλώδης (vitreous) που εμφανίζεται με τριβή στην ύαλο και
- ο ρητινώδης (resinous) που εμφανίζεται με τριβή στο ήλεκτρο (απολιθωμένο ρετσίνι).
Πρόκειται για αυτά ακριβώς τα είδη του φορτίου που αργότερα ονομάστηκαν θετικό και αρνητικό. Ο du Fay διαπίστωσε επίσης ότι τα ομόσημα ηλεκτρικά φορτία απωθούνται ενώ τα ετερόσημα έλκονται. Εκατό και πλέον έτη χρειάστηκε να παρέλθουν από τις μελέτες του Gilbert για να θεμελιωθεί το απλό αυτό γεγονός.
Ο Nollet, στην εξάτομη πραγματεία του Léçons de physique expérimentale (Μαθήματα Πειραματικής Φυσικής) ανέπτυξε μία θεωρία Ηλεκτρισμού που κυριάρχησε για αρκετά μεγάλο διάστημα, αλλά δεν παρουσιάζει κανένα επιστημονικό ενδιαφέρον στην εποχή μας.
Το έτος 1745, ο Ewald Georg Kleist (1700-1748) παρατήρησε τυχαία ότι φορτίζοντας ένα υγρό που βρίσκεται σε φιάλη, μπορούσε να πετύχει ισχυρές εκκενώσεις, γεγονός που οδήγησε στην επινόηση του πυκνωτή και ακολούθως σε κορυφαία τεχνική πρόοδο.
Στα μέσα του 18ου αιώνα η χρήση του Ηλεκτρισμού αφορούσε αποκλειστικά στην ψυχαγωγία. Στις κοινωνικές συγκεντρώσεις στα κοσμικά σαλόνια, αλλά και σε ευρύτερο κοινό επί πληρωμή, λάμβαναν χώρα επιδείξεις Ηλεκτρικών Φαινομένων. Τα πειράματα ηλεκτρισμού γνώρισαν τέτοια διάδοση, ώστε ξεπερνώντας το εμπόδιο του Ατλαντικού Ωκεανού, έφτασαν ως την Αμερική, προσελκύοντας του ενδιαφέρον ενός σημαντικού άνδρα του Αμερικανικού έθνους, που ταυτόχρονα αποτελεί και τον πρώτο του επιστήμονα: του Βενιαμίν Φραγκλίνου (Benjamin Franklin) (1706 - 1790).
O Franklin, γεννημένος στη Βοστώνη, ήταν ένα από τα δεκαεπτά παιδιά ενός Άγγλου σαπωνοβιομήχανου. Επέτυχε, σε ηλικία 40 ετών, να εξασφαλίσει οικονομικά την επιβίωσή του, ώστε να μπορεί να αφιερωθεί σε ό,τι τον ευχαριστούσε.
Το 1746, το ίδιο έτος που ο Pieter van Musschenbroek (1692 –1761) μελετούσε τους ηλεκτρικούς σπινθήρες στην πόλη leyden της Ολλανδίας, επινοώντας την «λουγδουνική λάγηνο» ή «φιάλη του Leyden» (leyden jar), ένα είδος ηλεκτροστατικού πυκνωτή, ο Franklin γνώρισε στην Βοστόνη τον Dr. Spence, o οποίος τον μύησε στα μυστικά των πειραμάτων του Ηλεκτρισμού. Έκτοτε πραγματοποίησε αρκετά πειράματα σχετικά με τον Ηλεκτρισμό, αναπτύσσοντας τις δικές του ιδέες γύρω από το θέμα.
Το 1751, εξέδωσε το βιβλίο Options and conjectures concerning the properties and the effects of the electric material, στο οποίο συμπεριέλαβε τα αποτελέσματα των ερευνών του, και γνώρισε μεγάλη επιτυχία.
Τα πειράματα με τα οποία ο Franklin απέδειξε τις ιδέες του, διέφεραν κατά πολλούς τρόπους, αλλά όχι στη βασική ιδέα. Για παράδειγμα, δύο άνθρωποι που βρίσκονταν σε απομονωμένες από το Περιβάλλον βάσεις, ηλεκτρίζονταν από ένα υάλινο σωλήνα που τριβόταν με ύφασμα (ο ένας ηλεκτριζόταν από την ύαλο και ο άλλος από το ύφασμα). Όταν πλησίαζαν τα δάκτυλά τους, παραγόταν σπινθήρας και οι άνθρωποι εκφορτίζονταν.
Ο Franklin χρησιμοποίησε πρώτος τον όρο «Ηλεκτρικό Φορτίο», ορίζοντάς το ως ένα ιδιόρρυθμο είδος αόρατου, αβαρούς Ρευστού που διαχέεται στα υλικά αντικείμενα και μπορεί να μεταπηδήσει από ένα σώμα σε άλλο, προκαλώντας σπινθήρα. Συγκεκριμένα πρότεινε ότι, κατά την τριβή μιας υάλινης ράβδου με μεταξωτό ύφασμα, ορισμένη ποσότητα του "ηλεκτρικού ρευστού" μεταβιβάζεται από το γυαλί προς το μετάξι, με συνέπεια η υάλινη ράβδος να έχει «περίσσεια» ρευστού και το μεταξωτό ύφασμα «έλλειμμα». Η περίσσεια στη υάλινη ράβδο αποτελούσε το είδος του "ηλεκτρικού φορτίου" το οποίο αυθαίρετα ονόμασε «θετικό» (+), και το έλλειμμα στο μεταξωτό ύφασμα σήμαινε ένα άλλο είδος ηλεκτρικού φορτίου, το οποίο ονόμασε αντίστοιχα «αρνητικό» (-).
Το σημαντικότερο κατόρθωμά του, από θεωρητική άποψη, ήταν η καινοφανής χρήση συμπερασμάτων που προέκυπταν από την αρχή διατήρησης του φορτίου. Την αρχή αυτή είχαν συλλάβει ανεξάρτητα και άλλοι ερευνητές, όπως ο William Watson (1715-1787). Ο Franklin πίστευε ότι ένα σώμα περιέχει ίσα ποσά θετικού και αρνητικού Ηλεκτρισμού, τα οποία, υπό κανονικές συνθήκες, αλληλοεξουδετερώνονται.
Ηλέκτριση προκύπτει από τον διαχωρισμό των δύο ειδών Ηλεκτρισμού, υπό τον περιορισμό το Άθροισμά τους να παραμείνει σταθερό και ίσο με το μηδέν.
Ο Franklin υπήρξε ο πρώτος άνθρωπος που υποστήριξε ότι ο κεραυνός δεν ήταν η κατάρα των Θεών. Προσπάθησε να ερμηνεύσει το φυσικό φαινόμενο της αστραπής, υποθέτοντας ότι είναι ένας γιγάντιος ηλεκτρικός σπινθήρας. Για να επαληθεύσει αυτή του την ιδέα, πραγματοποίησε το διάσημο πείραμά του, δένοντας ένα μεταλλικό κλειδί στο μεταξωτό νήμα ενός χαρταετού, τον οποίο πέταξε στη διάρκεια μιας καταιγίδας. Πλησιάζοντας το χέρι του στο μεταλλικό κλειδί, δημιουργήθηκε ηλεκτρικός σπινθήρας, γεγονός που τον οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ο Ηλεκτρισμός μεταπήδησε από τα σύννεφα στο κλειδί, μέσω του νήματος, φορτίζοντάς το ηλεκτρικά.
Καθώς είχε ήδη αποδείξει ότι ένα σώμα με αιχμηρό άκρο χάνει εύκολα το ηλεκτρικό του φορτίο, κατάφερε, συνδυάζοντας αυτές του τις ιδέες, να εκφορτίσει βαθμιαία ένα κτήριο, τοποθετώντας στα υψηλότερα σημεία του κατακόρυφες ράβδους σιδήρου, με αιχμηρά άκρα, επιχρυσωμένες ώστε να μην διαβρώνονται και γειωμένες με σύρμα, επινοώντας έτσι το αλεξικέραυνο.
Το έτος 1767, ο Joseph Priestley (1733-1804), Άγγλος επιστήμονας που ανακάλυψε το Οξυγόνο και φίλος του Franklin, εξέδωσε το βιβλίο History and Present State of Electricity, with Original Experiments[4] στο οποίο γίνεται λόγος για την πειραματική απόδειξη του γεγονότος ότι σε ένα κλειστό μεταλλικό κουτί δεν υπάρχει ηλεκτρική δύναμη στο εσωτερικό του, ούτε φορτίο στην εσωτερική του επιφάνεια. Ο Priestley ορθά επεσήμανε την αναλογία των ηλεκτρικών με τις βαρυτικές δυνάμεις, συμπεραίνοντας την ηλεκτροστατική άπωση ομόσημων ηλεκτρικών φορτίων και μάλιστα με δύναμη ανάλογη του αντιστρόφου τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης.
Η πρώτη άμεση πειραματική απόδειξη του νόμου του αντιστρόφου τετραγώνου της απόστασης, αποδίδεται στον Σκώτο John Robison (1739 – 1805), ο οποίος όμως για αρκετά έτη δεν δημοσίευσε τα αποτελέσματα των ερευνών του.
Σημαντική, στην έρευνα των ηλεκτρικών φαινομένων, ήταν η συμβολή ενός ιδιόρρυθμου Άγγλου αριστοκράτη, εξαιρετικού ωστόσο ερευνητή, του Henry Cavendish (1731 –1810), η οποία έμεινε για αρκετά έτη αφανής, καθώς ο ίδιος δημοσίευσε ένα πολύ μικρό μέρος της εργασίας του περί τον Ηλεκτρισμό. Πολύ αργότερα, χάρη στις προσπάθειες του James Clerk Maxwell (1831 – 1879), ήρθαν στο φως οι ανακαλύψεις του, που αφορούν μεταξύ άλλων:
- στην εισαγωγή της έννοιας του ηλεκτροστατικού δυναμικού (που καλούσε «βαθμό ηλέκτρισης»),
- στον ορισμό της χωρητικότητας που προκύπτει από την αρχή του, ότι αγωγοί φορτισμένοι «στον ίδιο βαθμό» περιέχουν ποσό φορτίου ανάλογο με τη χωρητικότητά τους,
- σε ακριβείς μετρήσεις της χωρητικότητας πυκνωτή διαφόρων σχημάτων και στην μαθηματική διατύπωση της χωρητικότητας επίπεδου πυκνωτή,
- στην μερική απόδειξη του νόμου του αντιστρόφου τετραγώνου το έτος 1762,
- στην εισαγωγή της έννοιας της διηλεκτρικής σταθεράς ενός υλικού και στην διαπίστωση της εξάρτησης της χωρητικότητας ενός πυκνωτή από το διηλεκτρικό,
- σε μετρήσεις της ηλεκτρικής αντίστασης διαφόρων σωμάτων και στην σχέση του ηλεκτρικού δυναμικού με το Ηλεκτρικό Ρεύμα,
- σε νόμους για την κατανομή του Ρεύματος σε παράλληλα κυκλώματα.
Ο Ζυγός Στρέψης του Coulomb.
Παράλληλα, ο Γάλλος μηχανικός και αξιωματικός του Γαλλικού στρατού, Charles-Augustin de Coulomb , καθοδηγούμενος από το έργο και τα συμπεράσματα των προηγούμενων ερευνητών, πραγματοποίησε τις πρώτες ποσοτικές μελέτες των ηλεκτρικών φαινομένων και διατύπωσε τον νόμο της ηλεκτροστατικής δύναμης, που σήμερα καλείται νόμος του Coulomb, σύμφωνα με τον οποίο η δύναμη μεταξύ δύο σημειακών ηλεκτρικών φορτίων είναι ανάλογη του γινομένου των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης. Την απόδειξη του νόμου αυτού, που για πρώτη φορά διετύπωσε το 1788, πραγματοποίησε με την βοήθεια ζυγού στρέψης εξαιρετικής ευαισθησίας, που ο ίδιος επινόησε περί το 1784 και αποτελούσε εξέλιξη του ζυγού του Cavendish.
Τον ίδιο ζυγό ο Coulomb χρησιμοποίησε και για την απόδειξη του νόμου του αντιστρόφου τετραγώνου που διέπει το Μαγνητικό Πεδίο, που είχε διατυπωθεί το 1760 από τον Johann Tobias Mayer.
Διάφορες άλλες ανακαλύψεις ακολούθησαν, μεγαλύτερης ή μικρότερης σημασίας, εμπλουτίζοντας τις γνώσεις γύρω από τον Ηλεκτρισμό. Οι τελευταίες δεκαετίες του 18ου αιώνα, ήταν ιδιαίτερα σημαντικές. Με δεδομένη την φαινομενολογία της Ηλεκτροστατικής και τη γνώση του νόμου του Coulomb, διανοίχτηκε ο δρόμος για την μαθηματική περιγραφή των ηλεκτρικών φαινομένων, που αποδέχτηκε την ιδέα της Νευτώνειας δράσης από απόσταση. Ο Ηλεκτρισμός δεν αποτελούσε πλέον ένα περίεργο και μυστηριώδες φαινόμενο, για το οποίο πολύ λίγα ήταν γνωστά, αλλά είχε περάσει στην πρώτη σειρά του επιστημονικού ενδιαφέροντος. Όμως, παρά την τεράστια πρόοδο που είχε σημειωθεί στο πεδίο αυτό, δεν υπήρχαν ακόμη πρακτικές εφαρμογές του Ηλεκτρισμού.
Μέχρι εκείνη τη στιγμή, τα γνωστά ηλεκτρικά φαινόμενα προέρχονταν αποκλειστικά από ηλεκτρικά φορτία παραγόμενα με τριβή, θέρμανση ή επαγωγή και ηλεκτρικά ρεύματα δημιουργούμενα από την αποφόρτιση φορτισμένων σωμάτων. Η διατιθέμενη ποσότητα Ηλεκτρισμού, από τις ηλεκτρικές μηχανές που χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν, ήταν ιδιαίτερα βραχύβια με αποτέλεσμα τα θερμικά, χημικά και μαγνητικά φαινόμενα που συνδέονταν με τον Ηλεκτρισμό να είναι δύσκολα παρατηρήσιμα, αν και είχαν γίνει αντιληπτά. Σε αυτήν την περίοδο ήρθαν στο φως νέες επινοήσεις, ικανές να παράγουν, με χημικά μέσα, σταθερά ηλεκτρικά ρεύματα.
Νέα ώθηση στην έρευνα των ηλεκτρικών φαινομένων δόθηκε από το έργο του Luigi Aloysius Galvani (1737 – 1798), καθηγητή ανατομίας στο Πανεπιστήμιο της Bolonia. Το 1791, δημοσίευσε την εργασία του, στα Λατινικά, με τίτλο Σχόλια πάνω στις δυνάμεις του Ηλεκτρισμού στις κινήσεις των μυών. Στο έργο αυτό περιέγραφε τα αποτελέσματα μίας σειράς πειραμάτων σε βατράχους, που ξεκίνησε από την παρατήρηση ότι όταν άγγιζε με ηλεκτρισμένο νυστέρι τα μηριαία νεύρα ενός βατράχου, οι μύες του ζώου τινάζονταν έντονα. Ο Galvani πραγματοποίησε πειράματα σε διάφορες παραλλαγές, χρησιμοποιώντας διαφορετικά μέταλλα κάθε φορά, διαπιστώνοντας τις έντονες συσπάσεις των μυών όταν αγγίζονται τα νεύρα με ένα μεταλλικό τόξο, ιδιαιτέρως όταν αυτό αποτελείται από δύο διαφορετικά μέταλλα. Ο Galvani, προσπαθώντας να ερμηνεύσει τα παράξενα αυτά αποτελέσματα, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η πηγή του Ηλεκτρισμού ήταν οι μύες και τα νεύρα, κάνοντας λόγο για μια μορφή «ζωικού ηλεκτρισμού» που υπήρχε στο βάτραχο.
Την ιδέα αυτή καταπολέμησε ο περίφημος φυσικός Alessandro Volta (1745 –1827), ήδη επινοητής του ηλεκτροφόρου και του ηλεκτρομέτρου, υποστηρίζοντας ότι το φαινόμενο των μυϊκών συστολών οφειλόταν στη δημιουργία ηλεκτρισμού, από την επαφή δύο διαφορετικών μετάλλων. Συγκεκριμένα ο Volta επέτυχε, με ηλεκτροστατικές μετρήσεις ακριβείας, να υπολογίσει την Διαφορά Δυναμικού επαφής δύο διαφορετικών μετάλλων, όπως ο Χαλκός και ο Ψευδάργυρος. Οδηγήθηκε έτσι στην ανακάλυψη του νόμου της Ηλεκτρεγερτικής Δύναμης Γαλβανικού Στοιχείου, σύμφωνα με τον οποίο, η Ηλεκτρεγερτική Δύναμη ενός ζεύγους μεταλλικών ηλετροδίων διαχωρισμένων από έναν ηλεκτρολύτη, ισούται με την διαφορά δυναμικού των ηλεκτροδίων.
Η εργασία αυτή του Volta καθιέρωσε την έννοια της Ηλεκτρεργετικής δύναμης, αν και χρειάστηκε να παρέλθει περί το ένα τέταρτο του αιώνα ώσπου να διατυπωθεί ο Νόμος του Ohm.
Η επιστημονική διαμάχη των δύο αντρών υπήρξε σκληρή, αλλά ήταν οι ιδέες του Volta που οδήγησαν τελικά σε σημαντικά αποτελέσματα. Το σπουδαίο είναι ότι είχαν ήδη ανοίξει δύο σημαντικά κεφάλαια στην Ιστορία της Επιστήμης: η ανάπτυξη της Ηλεκτροχημείας και η διάνοιξη ενός νέου κλάδου στον μακρό δρόμο του Ηλεκτρισμού, εκείνον του Ηλεκτρικού Ρεύματος.
19ος Αιώνας μ.Χ.[]
κατασκευασμένη στην Ευρώπη
τον 19ο αιώνα.
Υλικά Κατασκευής:
32 δίσκοι Χαλκού, 32 δίσκοι Ψευδαργύρου,
Τσόχα, ξύλινη βάση,
ξύλινο σκέπασμα, υάλινες ράβδοι
. Διαστάσεις:
Ύψος 343 mm, Διάμετρος 102 mm.
Ο 19ος αιώνας ξεκίνησε με μια σπουδαία ανακάλυψη για την επιστήμη του Ηλεκτρισμού. Η ενασχόλησή του Volta με το θέμα του «ζωικού ηλεκτρισμού» και η περαιτέρω εμβάθυνση του προβλήματος, τον οδήγησαν, στην επινόηση της ηλεκτρικής στήλης, μιας συσκευής που απαρτιζόταν από μια επαναλαμβανόμενη διάταξη ενός δίσκου ψευδαργύρου, υφάσματος εμποτισμένου σε οξύ και ενός δίσκου χαλκού. Η στήλη έδινε συνεχές Ηλεκτρικό Ρεύμα μεγαλύτερης έντασης από αυτήν που παράγουν οι ηλεκτροστατικές μηχανές, γεγονός που αποδείχθηκε καταλυτικό για την εξέλιξη του Ηλεκτρισμού. Ο Volta θεώρησε την ανακάλυψή του αυτή ως την πειραματική απόδειξη του ισχυρισμού του ότι η πηγή του Ηλεκτρισμού στο πείραμα του Galvani ήταν η επαφή ανόμοιων μετάλλων.
Είναι πολύ πιθανόν ότι η επινόηση της Βολταϊκής στήλης έγινε γύρω στο 1792, όμως δεν δημοσιοποιήθηκε μέχρι τις 20 Μαρτίου του έτους 1800, οπότε ο Volta έγραψε για το θέμα σε επιστολή προς τον Joseph Banks (1743-1820), πρόεδρο της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου, με τίτλο On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds (Σχετικά με τον Ηλεκτρισμό που προκαλείται από την απλή επαφή αγώγιμων ουσιών διαφορετικού είδους)[5]. Στην επιστολή αυτή ο Volta παρομοίασε την συμπεριφορά της στήλης του με εκείνην μιας ασθενώς φορτισμένης φιάλης Leyden, με την διαφορά ότι τα φορτία που παρείχε ανανεώνονταν διαρκώς.
Το Νοέμβριο του 1801 μετέβη στο Παρίσι, όπου παρουσίασε τα πειράματά του στην Γαλλική Ακαδημία. Ο Ναπολέων, αναγνωρίζοντας την σπουδαιότητα της ανακάλυψής του, του απένειμε ειδικό χρυσό μετάλλιο, τον Σταυρό της Λεγεώνας της Τιμής και ένα ποσό 6.000 Γαλλικών φράγκων.
Νέες βελτιωμένες εκδοχές της πρώτης Βολταϊκής Στήλης έκαναν την εμφάνισή τους σχεδόν άμεσα. Οι κατασκευαστές τους χρησιμοποίησαν διάφορα μέταλλα ως ηλεκτρόδια και διαφορετικούς ηλεκτρολύτες ενώ παράλληλα προσπάθησαν να φτιάξουν όλο και μεγαλύτερες, άρα και ισχυρότερες, στήλες. Σημαντικές επιστημονικές εταιρείες, μεταξύ αυτών και η Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου, διέθεσαν σημαντικά χρηματικά ποσά για την κατασκευή τέτοιων συσσωρευτών, που σε ορισμένες περιπτώσεις ζύγιζαν αρκετούς τόνους και ήταν ικανές να δίνουν ισχύ της τάξης των 10 kilowatts, 10.000 φορές μεγαλύτερη από αυτήν μιας ηλεκτροστατικής μηχανής. Σύντομα όλα σχεδόν τα Ευρωπαϊκά Πανεπιστήμια εφοδιάστηκαν με στήλες διαφόρων μεγεθών.
Ο πρώτος καινός κλάδος της Επιστήμης, η Ηλεκτροχημεία, μονοπώλησε σχεδόν το ενδιαφέρον των επιστημόνων την πρώτη δεκαετία του 19ου αιώνα. Πολύ γρήγορα, φυσικοί και χημικοί άρχισαν να ερευνούν τις συνέπειες διέλευσης του Ηλεκτρικού Ρεύματος μέσα από διάφορα υλικά, με πρωτοπόρο της έρευνας τον Sir Humphry Davy (1788-1829).
Στις 2 Μαΐου 1800, οι Anthony Carlisle (1768-1840) και William Nicholson (1713-1815) ανέλυσαν το ύδωρ στα συστατικά του, με την διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτό (ηλεκτρόλυση), χρησιμοποιώντας μια Βολταϊκή Στήλη, πριν ακόμη δημοσιευτεί η ανακάλυψή της.
Τον Οκτώβριο του 1800, ο Davy απέδειξε ότι ο Ηλεκτρισμός που παρείχαν τα Γαλβανικά στοιχεία οφειλόταν σε χημική δράση και ότι ήταν αδύνατη η λειτουργία τους με καθαρό ύδωρ.
Το 1801 ο Johann Ritter συνέλαβε την ιδέα μιας σειράς μετάλλων από την οποία θα μπορούσε να υπολογιστεί η «σχετική ηλεκτρική πίεση» που θα παραγόταν από διάφορα ζεύγη ηλεκτροδίων, βυθισμένα σε διάλυμα άλατος ή οξέως (δηλαδή ουσιαστικά η διαφορά δυναμικού). Αργότερα, την ίδια ιδέα συνέλαβε και ο Volta και η σειρά έγινε γνωστή ως Ηλεκτροχημική Σειρά του Volta.
Μεταξύ των ετών 1802 και 1806, ο Σουηδός χημικός Jöns Jacob Berzelius (1779 - 1848) δημοσίευσε τις έρευνές του περί την Ηλεκτροχημεία, προλειαίνοντας το έδαφος για μια σειρά λαμπρών ανακαλύψεων.
Έτσι, στις 20 Νοεμβρίου 1806, ο Davy, πραγματοποίησε διάλεξη ενώπιον της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου, με θέμα On Some Chemical Agencies of Electricity. [6] Το έργο αυτό αποτέλεσε σημείο αναφοράς στην Χημεία, το πρώτο μισό του 19ου αιώνα, παρέχοντας μεταξύ άλλων, μια ισχυρή βάση για την ανάπτυξη της Ιοντικής θεωρίας.
Το 1807 έδειξε ότι η Σόδα και η Ποτάσα περιείχαν δύο νέα μέταλλα, το Νάτριο (Na) και το Κάλιο (K), ενώ το 1808 απομόνωσε τα στοιχεία Βάριο (Ba), Βόριο (B), Ασβέστιο (Ca) και Στρόντιο (Sr).
To 1809, με την βοήθεια μιας νέας ισχυρής μπαταρίας, διαχώρισε τα αλογόνα Ιώδιο (I), Χλώριο (Cl) και Φθόριο (F), στοιχεία που είχαν ήδη απομονωθεί και από άλλους ερευνητές.
Το 1810 ο Davy παρουσίασε για πρώτη φορά το Βολταϊκό Τόξο, δηλαδή την φωτεινή λάμψη που σχηματίζεται μεταξύ των άκρων δύο εγγύτατα ευρισκομένων ηλεκτροδίων γραφίτη, όταν αυτοί διαρρέονται από Ηλεκτρικό Ρεύμα.
Παράλληλα, και καθώς η Ευρώπη διένυε την πολυτάραχη Ναπολεόντεια εποχή ή και αργότερα, επιφανείς φυσικομαθηματικοί επιστήμονες ανέπτυξαν την θεωρία των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων, με τον τρόπο που και σήμερα γνωρίζουμε.
Ο Joseph-Louis Lagrange (1736 - 1813) ήδη από το 1772, είχε εισαγάγει στη βαρύτητα την θεμελιώδη ιδέα του δυναμικού ενώ ο Pierre-Simon Laplace (1749-1827) είχε βρει τη μαθηματική σχέση (Εξίσωση Laplace) για το δυναμικό στο Κενό (1782).
Ο πολυάσχολος Siméon Denis Poisson (1781 - 1840), εξέχων μαθηματικός, γεωμέτρης και φυσικός, υπέβαλε το πρώτο μέρος της έρευνάς του περί τον Ηλεκτρισμό στην Γαλλική Ακαδημία, στις 9 Μαρτίου 1812, με τον τίτλο Sur la distribution de l'électricité à la surface des corps conducteurs. Η σπουδή του αυτή απεδείχθη βαρύνουσας σημασίας για την εκλογή του στο τμήμα Φυσικής του Γαλλικού Πολυτεχνικού Ινστιτούτου Επιστημών, σηματοδοτώντας την στροφή του Ινστιτούτου από την πειραματική έρευνα προς την κατεύθυνση της θεωρητικής έρευνας της φυσικής, σε συμφωνία με την κατευθυντήρια γραμμή που είχε δώσει ο Laplace.
Το έτος 1813 ο Poisson, δημοσίευσε για πρώτη φορά στο Bulletin de la société philomatique το επόμενο σημαντικό του πόνημα, που αφορούσε στην επέκταση της σχέσης του Laplace (Εξίσωση Laplace) στην περίπτωση που υπάρχουν ηλεκτρικά φορτία,και στην διατύπωση της Εξίσωσης Poisson, που αποτελεί την θεμελιώδη μαθηματική εξίσωση του Ηλεκτροστατικού Πεδίου.
O δεύτερος καινός επιστημονικός κλάδος που γεννήθηκε εκείνη την σημαντική χρονική περίοδο, έμελλε να αλλάξει την ιστορία της Ανθρωπότητας, συνενώνοντας -όχι απροσδόκητα- δύο τομείς της επιστήμης, που διήγαν ως τότε βίους παράλληλους: Τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό.
Στις αρχές του 19ου αιώνα η Φυσική Φιλοσοφία, με βασικό εκπρόσωπο τον Frederic Wilhelm Schelling (1775 - 1854), επηρεασμένη από τον Γερμανικό Ρομαντισμό, συνηγορούσε υπέρ της ενότητας των δυνάμεων στην Φύση. Η πεποίθηση αυτή, αν και συγκεχυμένη, οδήγησε τη σκέψη ορισμένων φυσικών στην αποδοχή της ύπαρξης ενός κοινού τόπου, μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών δυνάμεων.
Υπήρχαν, ήδη, αρκετές ενδείξεις ότι πράγματι ίσχυε κάτι τέτοιο, όπως το γεγονός της μαγνήτισης ατσάλινων τεμαχίων ή βελονών από τις αστραπές ή την αποφόρτιση ηλεκτρικών μηχανών. Την σύνδεση των ηλεκτρικών με τα μαγνητικά φαινόμενα είχε υποψιαστεί και ο Benjamin Franklin, ο οποίος παρατήρησε ότι το ρεύμα του κεραυνού μάλλον προκαλεί Μαγνητισμό, άποψη που εν τέλει απέρριψε. Η βαρύνουσα γνώμη μιας αυθεντίας της Επιστήμης, όπως ήταν ο Franklin, σε συνδυασμό με την αδυναμία να πραγματοποιηθούν σοβαρές εργαστηριακές έρευνες, ήταν οι κύριοι λόγοι για τους οποίους ο θεωρητικός συσχετισμός των ηλεκτρικών με τα μαγνητικά φαινόμενα, άργησε να έλθει στην επιφάνεια.
Η επιτυχία αντιστροφής της πολικότητας μαγνήτη με ηλεκτρικά μέσα από τον Boze, η τόλμη του Cesare Beccaria συνδέσει το Γήινο Μαγνητικό Πεδίο με την κυκλοφορία κάποιου «ηλεκτρικού ρευστού» γύρω από τη Γη, καθώς και η καταγραφή, το έτος 1802, από τον Gian Domenico Romagnosi της απόκλισης μιας μαγνητικής βελόνας, παρουσία αγωγού διαρρεόμενου από ηλεκτρικό ρεύμα, απλά προστέθηκαν, ως αναξιοποίητα στοιχεία, στον κατάλογο των αποδείξεων που συνηγορούσαν υπέρ της ενοποίησης του ηλεκτρισμού με τον μαγνητισμό.
Στις 21 Ιουλίου 1820 και καθώς οι συνθήκες είχαν –καθώς φαίνεται– ωριμάσει, μια εντυπωσιακή επιστημονική ανακοίνωση ήρθε να ταράξει τα νερά: Το Ηλεκτρικό Ρεύμα εξέτρεπε μία μαγνητική βελόνη που αρχικά ήταν προσανατολισμένη παράλληλα προς αυτό. Η πατρότητα της ανακοίνωσης ανήκει στον Hans Christian Oersted (1777–1851), καθηγητή Φυσικής Φιλοσοφίας στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης και γραμματέα της Βασιλικής Εταιρείας της Κοπεγχάγης και δημοσιεύτηκε σε άρθρο με τίτλο Experiments on the Effect of a Current of Electricity on the Magnetic Needle (πειράματα σχετικά με την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος στη μαγνητική βελόνη)[7].
Την πεποίθησή του ότι το Μαγνητικό Πεδίο με κάποιον τρόπο συσχετίζεται με τον ηλεκτρισμό, είχε εκφράσει ο Oersted ήδη από το 1812. Την παρατήρηση του φαινομένου πραγματοποίησε το 1819, σε διάλεξη με θέμα την επίδραση χημικών φαινομένων στην μαγνητική κατάσταση του σιδήρου, κατά τη διάρκεια της οποίας πραγματοποίησε το ιστορικό του πείραμα, σημειώνοντας τις αποκλίσεις μιας μαγνητικής βελόνας τοποθετημένης πλησίον σύρματος από λευκόχρυσο, κάθε φορά που άνοιγε και έκλεινε το Ηλεκτρικό Κύκλωμα. Ο Oersted συνέχισε στα πειράματά του, διαπιστώνοντας επίσης την απόκλιση ενός σύρματος που διαρρέεται από ρεύμα, όταν είναι ελεύθερο να κινηθεί, από έναν μαγνήτη.
Εν τέλει και ακριβώς επειδή συνειδητοποίησε την σπουδαιότητα αυτού του φαινομένου, ήταν αυτός –και όχι ο προγενέστερός του Romagnosi- που πιστώθηκε την ιστορική ανακάλυψη που οδήγησε στην γένεση του Ηλεκτρομαγνητισμού.
Η σπουδαιότητα του άρθρου του Oersted, παρόλο που ήταν κυρίως ποιοτικό και δεν περιελάμβανε καμία μαθηματική αναπαράσταση του φαινομένου, αναγνωρίστηκε αμέσως, μεταφράστηκε σε πολλές γλώσσες και δημοσιεύτηκε σε έγκυρα επιστημονικά περιοδικά. Αρκετοί επιφανείς ερευνητές προχώρησαν άμεσα σε πειραματικές έρευνες των αλληλεπιδράσεων ηλεκτρικών ρευμάτων και μαγνητών, δημιουργώντας τον σκελετό, πάνω στον οποίο θα χτιζόταν το νέο ηλεκτρομαγνητικό οικοδόμημα της Φυσικής.
Σχεδόν δύο μήνες μετά την ανακάλυψη του Oersted, τoν Σεπτέμβριο του 1820, o Γερμανός Johann Salomo Christoph Schweigger (1779-1857) κατάφερε να βρει έναν τρόπο ενίσχυσης του παρατηρηθέντος φαινομένου. Για τον σκοπό αυτό κατασκεύασε έναν «πολλαπλασιαστή» περιτυλίγοντας πολλές σπείρες σύρματος γύρω από ένα παραλληλόγραμμο πλαίσιο, στο κέντρο του οποίου αιωρούταν μία μαγνητική βελόνη. Ευτυχής διαπίστωσε πως η περιέλιξη του σύρματος ενίσχυε το επαγώμενο από το ηλεκτρικό ρεύμα μαγνητικό πεδίο, με αποτέλεσμα την εντονότερη απόκλιση της μαγνητικής βελόνης. Η συσκευή του αυτή αποτέλεσε το πρώτο ευαίσθητο όργανο εντοπισμού και μέτρησης ηλεκτρικων ρευμάτων, που πήρε το όνομα γαλβανόμετρο», προς τιμήν του Luigi Galvani.
Στις 11 Σεπτεμβρίου 1820, τα αποτελέσματα του πειράματος του Oersted ανακοινώθηκαν στην Γαλλική Ακαδημία Επιστημών από τον François Jean Dominique Arago (1786–1853). Ανάμεσα στους παρισταμένους ήταν ο Andre Marie Ampère (1775-1836), εξέχων θεωρητικός επιστήμονας, με άριστη μαθηματική κατάρτιση και παράλληλα ικανός πειραματιστής, διδάσκων στην Ecole Polytechnique. Επρόκειτο για έναν χαρισματικό άνθρωπο, με τεράστιο εύρος ενδιαφερόντων, ο οποίος χαρακτηρίστηκε από τον μεγάλο Maxwell ως «Νεύτων του Ηλεκτρισμού».
Σε μία μόλις εβδομάδα, ο Ampère κατάφερε να εκφράσει ποσοτικά τις παρατηρήσεις του Oersted, θέτοντας τα πρώτα θεμέλια της μαθηματικής θεωρίας του Ηλεκτρομαγνητισμού. Η πρώτη λογική εικασία που τον απασχόλησε, ήταν ότι εφόσον οι ρευματοφόροι αγωγοί επιδρούν σε μαγνητικές βελόνες, θα πρέπει να αλληλεπιδρούν και μεταξύ τους. Την ιδέα αυτή, αν και για πολλούς ερευνητές ήταν αυτονόητη και δεν χρειαζόταν περαιτέρω έρευνα, θέλησε να επιβεβαιώσει πειραματικά. Την προσπάθειά του στήριξε ο σύγχρονος και φίλος του Arago και έτσι, σε λίγες μόνο ημέρες, πραγματοποίησε τέσσερα σημαντικά πειράματα με τα οποία απέδειξε την προαναφερθείσα αλληλεπίδραση και ταυτόχρονα κατάφερε να μετρήσει την αντίστοιχη δύναμη, συσχετίζοντάς την με τα ρεύματα, τα σχήματα και τις σχετικές θέσεις των δύο ρευματοφόρων αγωγών.
Mεταξύ της 18ης Σεπτεμβρίου και της 2ης Νοεμβρίου 1820, έδωσε μια σειρά διαλέξεων στην Γαλλική Ακαδημία, όπου παρουσίασε τις ανακαλύψεις του στον ηλεκτρομαγνητισμό.
Στους μήνες που ακολούθησαν ο Ampère εργάστηκε για την τελειοποίηση της θεωρίας του. Όρισε τη σχέση μεταξύ της διεύθυνσης του ηλεκτρικού ρεύματος και της απόκλισης της μαγνητικής βελόνης και έδειξε ότι δύο παράλληλα σύρματα που διαρρέονται από ρεύμα έλκουν ή απωθούν το ένα το άλλο, όταν τα ρεύματα ρέουν στην ίδια ή σε αντίθετη κατεύθυνση αντίστοιχα.
Το φθινόπωρο του 1820, η συνεργασία των Γάλλων Jean-Baptiste Biot (1774–1862) και Félix Savart (1791–1841) αποδίδει καρπούς και ανακοινώνεται ο νόμος που περιγράφει το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από ένα στοιχειώδες τμήμα ρευματοφόρου αγωγού (Νόμος Biot-Savart).
Το ίδιο έτος (1820), ο Arago ανακάλυψε ότι ένα σύρμα διαρρεόμενο από ηλεκτρικό ρεύμα έλκει ρινίσματα σιδήρου ενώ τόσο ο ίδιος όσο και ο Ampère διαπίστωσαν ότι ένα συρμάτινο ελικοειδές που διαρρέεται από ρεύμα, είναι ικανό να μαγνητίσει μία ράβδο μαλακού σιδήρου, αν τυλιχτεί γύρω από αυτήν. Έτσι, o Ampère κατάφερε να διακρίνει, αλλά και να επαληθεύσει πειραματικά, την ισοδυναμία της «μαγνητικής δράσης» ενός μόνιμου μαγνήτη ή μίας μαγνητικής βελόνης, με αυτήν ενός ρευματοφόρου κυλινδρικού σπειροειδούς (σωληνοειδούς).
Παρά τα επιτεύγματα αυτά των Ampère και Arago, η κατασκευή του πρώτου Ηλεκτρομαγνήτη, το 1821, πιστώνεται στον φυσικό και εφευρέτη William Sturgeon (1783-1850). Ο Sturgeon διαπίστωσε ότι η τοποθέτηση ενός πυρήνα μαλακού σιδήρου στο εσωτερικό σωληνοειδούς αυξάνει δραματικά την ένταση του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου και έδωσε στον ηλεκτρομαγνήτη του πεταλοειδές σχήμα.
Αργότερα, ο Ampère εξήγησε τον μαγνητισμό υλικών όπως ο σίδηρος, εισάγοντας την ιδέα ότι σε κάθε μόριο περιέχεται ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα, από το οποίο διέρχεται ρεύμα. Η μαγνήτιση μπορούσε να προκύψει με τον προσανατολισμό των μορίων του υλικού, υπό την επίδραση ενός εξωτερικού πεδίου. Αυτή του η ιδέα αποδείχθηκε προφητική και θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ο πρόδρομος της θεωρητικής σύλληψης του ηλεκτρονίου.
Αυτή, ακριβώς, η βαθιά κατανόηση του φυσικού τρόπου με τον οποίο συμβαίνουν τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, βοήθησε τον Ampere να αναπτύξει έναν τρόπο ποσοτικού υπολογισμού των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που ήταν ταυτόχρονα εμπειρικά επαληθεύσιμος και μαθηματικά προγνωστικός. Έτσι λοιπόν, με αυστηρούς μαθηματικούς υπολογισμούς, κατάφερε να αναπαραστήσει στην γλώσσα των μαθηματικών τα αποτελέσματα των πειραμάτων του και να καταλήξει σε μία εξίσωση για την ασκούμενη Ηλεκτρομαγνητική Δύναμη, μεταξύ δύο τμημάτων ρευματοφόρων αγωγών[8]. Η σχέση αυτή που ήταν αρκετά πολύπλοκη, παρέχοντας ωστόσο μία ικανοποιητική ερμηνεία των παρατηρήσεων, δημοσιεύτηκε το 1822.
Το αποκορύφωμα της σπουδαίας συνεισφοράς του Ampere στην κατανόηση και ανάπτυξη του ηλεκτρομαγνητισμού, ίσως αποτελεί η διατύπωση, το έτος 1826, του νόμου που φέρει το όνομά του, ∫Β.dℓ = μ0Ι, ο οποίος περιγράφει το μαγνητικό πεδίο ρευματοφόρου αγωγού. Μερικές δεκαετίες αργότερα, ο «Νόμος Ampère» επεκτάθηκε, από τον Maxwell, σε Νόμο Ampère-Maxwell» και συμπεριελήφθηκε στους τέσσερις θεμελιακούς νόμους του Ηλεκτρομαγνητισμού.
Το 1827, έπειτα από σχολαστική επεξεργασία, ο Ampere δημοσίευσε το σπουδαίο έργο του, Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l’experience (Πραγματεία στη Μαθηματική θεωρία Ηλεκτροδυναμικών Φαινομένων, που προκύπτει αποκλειστικά από το πείραμα), στο οποίο παρουσίασε τα πειράματά του.
Την ίδια περίπου περίοδο, ο Siméon Denis Poisson, ήρθε αντιμέτωπος με το δύσκολο πρόβλημα του Μαγνητισμού, καταφέρνοντας να αναπτύξει το πρώτο επιτυχημένο μοντέλο για το Μαγνητικό Πεδίο, το οποίο παρουσίασε το 1824, την Μαγνητοστατική. Σύμφωνα με αυτό, και σε πλήρη αναλογία με την Ηλεκτροστατική, το Μαγνητικό Πεδίο παράγεται από «μαγνητικά φορτία» (ή αλλιώς από «μαγνητικούς πόλους»). Ο Μαγνητισμός, επομένως, οφείλεται σε μικρά ζεύγη «βόρειων» και «νότιων» μαγνητικών πόλων.
Το 1827, ο Γερμανός Georg Simon Ohm (1787-1854), καθηγητής εκείνη την εποχή στο Γυμνάσιο Ιησουιτών της Κολωνίας, δημοσίευσε τα αποτελέσματα των ερευνών του, που είχε ξεκινήσει ήδη από το 1825, χρησιμοποιώντας εξοπλισμό δικής του επινόησης και αφορούσαν στην αγωγιμότητα των μετάλλων και την συμπεριφορά των ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Σε εκείνη την δημοσίευση με τίτλο Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (The Galvanic Circuit Investigated Mathematically), περιέχεται ο γνωστός νόμος που περιγράφει την σχέση αναλογίας μεταξύ της ηλεκτρεγερτικής δύναμης, δηλαδή της εφαρμοζόμενης διαφοράς δυναμικού στα άκρα αγωγού δεδομένης αντίστασης και της έντασης του ρεύματος που τον διαρρέει (Νόμος του Ohm).
Αντίθετα από τις προσδοκίες του ιδίου, η εργασία του αυτή έτυχε ψυχρής υποδοχής και έντονης κριτικής από τους συναδέλφους του, ιδιαίτερα από τον Georg Wilhelm Friedrich Hegel (1770-1831), ο οποίος αμφισβήτησε την αυθεντικότητα των πειραματικών πρακτικών του Ohm. Το γεγονός αυτό τον οδήγησε σε παραίτηση από την θέση του. H αναγνώριση της προσφοράς του Ohm, ήρθε το έτος 1841, με την βράβευσή του από την Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου.
Τον Οκτώβριο του 1827, ο διαπρεπής Αμερικανός ερευνητής Joseph Henry, δημοσίευσε άρθρο στο οποίο γνωστοποιούσε και περιέγραφε στους ομοεθνείς του επιστήμονες τον ηλεκτρομαγνήτη του William Sturgeon. Ακολούθως, συνδυάζοντας τις ιδέες που σχετίζονταν με τον ηλεκτρομαγνήτη αυτόν και τον «πολλαπλασιαστή» του Schweigger, o Henry βελτίωσε την κατασκευή του ηλεκτρομαγνήτη, χρησιμοποιώντας για πρώτη φορά επάλληλες σπείρες μονωμένου σύρματος, τυλιγμένου σε έναν πεταλοειδή σιδηροπυρήνα. Το 1829, επέδειξε για πρώτη φορά τον εξελιγμένο ηλεκτρομαγνήτη του, για την κατασκευή του οποίου χρησιμοποίησε 400 τόνους σύρματος. Περεταίρω λεπτομέρειες για αυτόν δεν είναι γνωστές. Αργότερα, το ίδιο έτος, ολοκλήρωσε την κατασκευή δεύτερου μαγνήτη, ο οποίος αποτελούταν από σιδηροπυρήνα μισής ίντσας, τυλιγμένον με αρκετές συρμάτινες σπείρες. Αυτός, τροφοδοτούμενος από μπαταρία μικρής ισχύος, ήταν ικανός να ανασηκώσει μάζα περίπου 18 kg. Ακολούθησε η κατασκευή ισχυρότερων ηλεκτρομαγνητών, όπως αυτός που παρουσίασε το 1831 στο Κολλέγιο του Yale, ικανός να σηκώσει 938,6 kg.
Το 1830 ο Henry κατάφερε να συνδέσει έναν ηλεκτρομαγνήτη στην μία άκρη αγώγιμης γραμμής 314 μέτρων και να τον χειριστεί επιτυχώς από την άλλη άκρη. Η επισήμανσή του ότι τοιουτοτρόπως ήταν δυνατή η εξ αποστάσεως επικοινωνία, έθεσε τα θεμέλια για την κατασκευή του πρώτου τηλέγραφου.
Τη σκυτάλη στη θεωρητική έρευνα του Ηλεκτρομαγνητισμού πήρε ένας ιδιοφυής, αυτοδίδακτος άνδρας, γιος αρτοποιού, με ελάχιστη κλασσική προπαιδεία, ο George Green (1793-1841), ο οποίος, επεκτείνοντας το έργο του Poisson, εισήγαγε την ιδέα των συναρτήσεων δυναμικού, όπως σήμερα χρησιμοποιούνται από την Μαθηματική Φυσική, καλούμενες συναρτήσεις Green. Η πραγματεία του, An Essay on the Application of Mathematical Analysis to the Theories of Electricity and Magnetism [9], δημοσιευμένη το 1828, εισήγαγε πολλές σημαντικές έννοιες και θεωρήματα και συνόψισε την πρώτη ολοκληρωμένη μαθηματική θεωρία του Ηλεκτρισμού και του Μαγνητισμού. Παρ' όλο που το σπουδαίο αυτό έργο του Green αγνοήθηκε από τους μαθηματικούς ως το 1846, αποτέλεσε μία από τις βασικές θεμέλιες λίθους του θεωρητικού οικοδομήματος του Ηλεκτρομαγνητισμού, που αναπτύχθηκε στη συνέχεια από σπουδαίους ερευνητές.
Η ραγδαία πρόοδος του Ηλεκτρομαγνητισμού που ακολούθησε, πιστώνεται κατά ένα σημαντικό μέρος, στον Άγγλο φυσικό Michael Faraday (1791-1867), έναν ευρυμαθή άνθρωπο, που ξεκίνησε την επαγγελματική του σταδιοδρομία ως βιβλιοδέτης. Ο Faraday αποτελεί μια ιδιαίτερη περίπτωση στην Ιστορία της Σύγχρονης Επιστήμης. Πρόκειται για έναν -κατά γενική ομολογία- σπουδαίο ερευνητή, που όμως αγνοούσε την μαθηματική γλώσσα της επιστήμης του. Το σοβαρό αυτό μειονέκτημα και η αδυναμία του να εκτελεί αφαιρετικές διαδικασίες, αντισταθμίζονταν από την πλούσια φαντασία του και μία εξαιρετική αντίληψη του χώρου. Εν τέλει, η αδυναμία του να περπατήσει στα δύσκολα μονοπάτια της Θεωρητικής Φυσικής, τον οδήγησε στον ευκολότερο, ασφαλέστερο και κυρίως περισσότερο συγκεκριμένο δρόμο της Πειραματικής Φυσικής. Ο Faraday υπήρξε δεινός πειραματιστής, έτσι ώστε σήμερα να θεωρείται ο μεγαλύτερος πειραματικός φυσικός όλων των εποχών.
Ανατρέχοντας κάποιος στο έργο του Faraday, δεν μπορεί να μην απορήσει για τα επιτεύγματα στα οποία τον οδήγησε ο ιδιαίτερος τρόπος που αντιλαμβανόταν τον χώρο και η μαθηματική λογική του, που δεν μπορούσε όμως να εκφραστεί με τα συνήθη μαθηματικά σύμβολα. Το έργο του Faraday, ακριβώς για τον λόγο αυτό, εξαίρει ο Maxwell, στον πρόλογο του διάσημου έργου του Πραγματεία στον Ηλεκτρισμό και τον Μαγνητισμό[10]. Σημειώνεται ότι εδώ, ο Maxwell αποδεικνύεται μάλλον γενναιόδωρος ως προς τον Faraday, καθώς η αλήθεια είναι ότι η παραγωγική μέθοδός του, δύσκολα μπορεί πλέον να αποδώσει καρπούς και επιπροσθέτως ο ίδιος ήταν ο τελευταίος των μεγάλων ερευνητών που κατάφερε να συνεισφέρει ένα σημαντικό έργο στην επιστήμη του, αγνοώντας τα Μαθηματικά.
Βοηθός του sir Humphry Davy, από το 1912, και μέλος της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου, είχε την δυνατότητα να μαθητεύσει κοντά σε επιφανείς επιστήμονες και να αναβαθμίσει τις ερευνητικές του ικανότητες. Ως το 1930, το πεδίο της ερευνάς του αφορούσε κυρίως στην Χημεία, με εξαίρεση μία σύντομη αλλά σημαντική περίοδο μετά την ανακάλυψη του Oersted.
Μία από τις σημαντικότερες συνεισφορές του στον Ηλεκτρομαγνητισμό ήταν η σύλληψη της ιδέας του Πεδίου, που γεννήθηκε με την προσεκτική παρατήρηση της διάταξης των ρινισμάτων σιδήρου, υπό την επίδραση Μαγνητικού Πεδίου. Οι απόψεις του για το θέμα, συχνά πλησιάζουν τις σύγχρονες αντιλήψεις για το Πεδίο.
Ήδη από το 1821, λοιπόν, κι έπειτα από μια σειρά πειραμάτων που επιβεβαίωναν την ανακάλυψη του Oersted, είχε διαπιστώσει ότι η μαγνητική δράση εκδηλώνεται δεξιόστροφα σε σχέση με την κατεύθυνση του ρεύματος που την παράγει. Στις 3 Σεπτεμβρίου κατάφερε να επιδείξει την περιστροφή ρευματοφόρου σύρματος σε σταθερό Μαγνητικό Πεδίο, όπως το γήινο. Αργότερα, το ίδιο έτος, έγινε προϊστάμενος του Βασιλικού Ιδρύματος.
Ο Faraday, όπως και άλλοι σύγχρονοί του, μεταξύ των οποίων ο Ampère και ο Arago, διαισθανόμενος την συμμετρία των Φυσικών Φαινομένων, διερεύνησε την δυνατότητα δημιουργίας Ηλεκτρικού Ρεύματος από το Μαγνητικό Πεδίο. Το καλοκαίρι του 1831, έπειτα από μια σειρά καλοσχεδιασμένων πειραμάτων, που ωστόσο αποτύγχαναν στο να επαληθεύσουν την θεωρητική του σύλληψη, προχώρησε στην κατασκευή ενός σιδηροδακτυλίου, στον οποίο τύλιξε δύο πηνία από χάλκινο σύρμα. Συνδέοντας το ένα από αυτά με ένα ευαίσθητο γαλβανόμετρο, παρατήρησε ότι έδινε ένδειξη ηλεκτρικού ρεύματος, κατά την έναρξη ή την διακοπή του ρεύματος στο έτερο πηνίο.
Την ανακάλυψη αυτή ακολούθησε μια σειρά πειραμάτων και σε λίγες μόνο εβδομάδες ο Faraday ολοκλήρωσε την ποιοτική περιγραφή μιας ολοκαίνουριας, σπουδαίας φυσικής έννοιας: της Ηλεκτρομαγνητικής Επαγωγής. Η πρώτη γραπτή αποτύπωση στο θέμα αυτό, παραδόθηκε στην Βασιλική Εταιρεία, στις 21 Νοεμβρίου 1831, με τίτλο Experimental Researches in Electricity.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί εδώ ότι σχεδόν ταυτόχρονα με τον Faraday, αλλά εντελώς ανεξάρτητα, ανακάλυψε την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή ο Joseph Henry, στην άλλη άκρη του Ατλαντικού Ωκεανού.
Τα νέα διαδόθηκαν γρήγορα, προκαλώντας μία τεράστια αντίδραση σε ολόκληρο τον επιστημονικό κόσμο. Ο δρόμος για την εφεύρεση της πρώτης ηλεκτρομαγνητικής γεννήτριας ρεύματος από τον Faraday, αποδείχθηκε πολύ σύντομος. Μέχρι το τέλος του 1831, έχοντας ανιχνεύσει τον τρόπο με τον οποίον μπορούσε να μετατρέψει Κινητική σε Ηλεκτρική Ενέργεια και κατασκευάζοντας κινητήρες, γεννήτριες και μετασχηματιστές, είχε καταφέρει να θέσει τα θεμέλια της μελλοντικής ηλεκτρικής Βιομηχανίας.
Το άμεσα επαγόμενο των ανακαλύψεων ερώτημα, απασχόλησε έντονα τους επιστήμονες της εποχής εκείνης: «Ποια είναι η σχέση ανάμεσα στο ρεύμα που παράγεται με τις ηλεκτροστατικές μηχανές, το βολταϊκό στοιχείο και την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή;» Οι γνώμες έτειναν να υποστηρίξουν το ταυτόσημο των τριών «ειδών» ρευμάτων, πράγμα το οποίο προσπάθησε πρακτικά να αποδείξει ο Faraday, επινοώντας μεθόδους για να μετρήσει αυτό που σήμερα αποκαλούμε «ποσότητα ηλεκτρισμού», μεταξύ των οποίων συμπεριλαμβάνεται το βαλλιστικό γαλβανόμεντρο και το βολτόμετρο. Η προς αυτήν την κατεύθυνση έρευνα επιβεβαίωσε την άποψη αυτή. Επιπλέον, η μελέτη της ηλεκτρόλυσης οδήγησε στους αποκαλούμενους Νόμους του Faraday. Η διαπιστωθείσα σύμπτωση των ηλεκτροχημικών ισοδυνάμων με τα συνήθη χημικά ισοδύναμα, ανάγκασε την επιστημονικη σκέψη να φτάσει στο συμπέρασμα ότι οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος φέρουν όλοι το ίδιο φορτίο και μάζες ανάλογες προς το πηλίκο του ατομικού βάρους προς το σθένος. Το επόμενο μεγάλο βήμα οδηγούσε προς την ατομική φύση του Ηλεκτρισμού και το ηλεκτρόνιο, αλλά στάθηκε αδύνατον για τον Faraday να το πραγματοποιήσει.
Η διερεύνηση από τον Faraday των ηλεκτροχημικών και ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων, απέδωσε και έναν άλλο σημαντικό καρπό. Στην συνεργασία του Faraday με τον φίλο του, υφηγητή στο Καίμπριτζ, αιδεσιμότατατο Reverend William Whewell (1794-1866), διευθυντή του Κολεγίου Τρίνιτυ, φιλόσοφο και μαθηματικό, οφείλεται το μεγαλύτερο μέρος της ορολογίας που αναπτύχθηκε και που αφορούσε στα φυσικά φαινόμενα που μελετούσε. Οι όροι που και σήμερα χρησιμοποιούνται και που αποτελούν προϊόν αυτής της εποικοδομητικής συνεργασίας είναι: άνοδος, κάθοδος, ηλεκτρόδιο, ηλεκτρολύτης, ηλεκτρόλυση, ιόν, ανιόν, κατιόν, δυναμικές γραμμές, παραμαγνητικό, διαμαγνητικό, διηλεκτρικό, ηλεκτροχημικό κ.λπ.
Υποσημειώσεις[]
- ↑ Φραγκόπουλος, Στυλιανός Γ. Ιστορία της Τεχνολογίας
- ↑ Gilberti, Guilielmi, De magnete, magneticisque corporibus, et de magno magnete tellure - physiologia noua, plurimis & argumentis, & experimentis demonstrata, Λονδίνο 1600
- ↑ Stern, David "On the Magnet" by William Gilbert of Colchester
- ↑ Priestley, Joseph History and Present State of Electricity, with Original Experiments Εκδ. J. Dodsley, Λονδίνο 1769
- ↑ Volta, Alessandro On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds
- ↑ Sir Davy, Humphry: Bakerian Lecture, On Some Chemical Agencies of Electricity (1806)
- ↑ Oersted, Christian Hans Experiments on the Effect of a Current of Electricity on the Magnetic Needle
- ↑ Ampère's Force Law A guide to the electromechanical force produced between two lengths of wire.
- ↑ Green, George An Essay on the Application of Mathematical Analysis to the Theories of Electricity and Magnetism
- ↑ O Maxwell για τον Faraday Απόσπασμα από τον πρόλογο του βιβλίου του James Maxwell A Treatise on Electricity and Magnetism (1873)
Εσωτερική Αρθρογραφία[]
Βιβλιογραφία[]
Ιστογραφία[]
- cqq-am.blogspot.gr
- Ομώνυμο άρθρο στην Βικιπαίδεια
- Ομώνυμο άρθρο στην Livepedia
- atlaswikigr.wetpaint.com
- www.infokids.gr
- physiclessons.blogspot.gr
- History of electromagnetic theory
 Κίνδυνοι Χρήσης
|
|---|
|
Αν και θα βρείτε εξακριβωμένες πληροφορίες "Οι πληροφορίες αυτές μπορεί πρόσφατα Πρέπει να λάβετε υπ' όψη ότι Επίσης, |
- Μην κάνετε χρήση του περιεχομένου της παρούσας εγκυκλοπαίδειας
αν διαφωνείτε με όσα αναγράφονται σε αυτήν
- Όχι, στις διαφημίσεις που περιέχουν απαράδεκτο περιεχόμενο (άσεμνες εικόνες, ροζ αγγελίες κλπ.)