پيدايش صنعت برق

اگر کسی بخواهد تاریخ علم الکتریسیته را به قرن ششم قبل از میلاد بکشاند، بر او خرده نمیتوان گرفت، زیرا در آن عصر، کهربا و مغناطیس و برخی از خاصیتهای این دو ماده شناخته شده واین سخن از طالس ملطی روایت شده است که "مغناطیس درخود روحی دارد که آهن را به جنبش در میاورد".
اما در واقع علم الکتریسیته ازتاریخ 1785 میلادی که کولن قانون الکتریسیته ساکن را یافت وشباهت بسیار نزدیک آن رابا قانون جاذبه عمومی نشان داد،آغاز می شود. 
 

زمان و مکان پیدایش الکتریسیته در منابع مختلف همگی تقریباً مشابه هم می باشند. در برخی از منابع این طور آمده که تاریخ الکتریسیته به ایران و بین النهرین باستان در دوره اشکانیان بر می گردد و اولین باتری اختراع شده را به اشکانیان نسبت می دهند که به خاطر محل یافتنش به باتری بغدادی شهرت یافته است.

در منابعی دیگر ذکر شده که تاریخ الکتریسته به 600 سال قبل از میلاد می رسد؛ چنانکه در داستان های میلتوس(miletus) آمده است که یک کهربا در اثر مالش کاه را جذب می کند.و همچنین در جایی دیگر چنان ذکر شده که داستان الکتریسیته 2500 سال پیش در نزدیکی ساحل غربی سرزمینی که ترکیه امروزی نامیده می شود آغاز شد. در آن سرزمین شهری به نام ماگنزیا که مردم آن به زبان یونانی صحبت می کردند وجود داشت. روزی چوبدستی پسرک چوپانی یه سنگی خورد و به آن چسبید.تالس اسم این سنگ را ماگنیک نامید.او به یک آزمایش پرداخت که در آن جسم شیشه مانندی به رنگ طلایی را آزمایش کرد که ما آن را کهربا می نامیم و در زبان یونانی الکترون نامیده می شود.کهربا آهن را نمی ربود، ولی وقتی با دست مالش دار می شد،چیزهای سبک مانند کرک، نخ، پر و تراشه های کوچک چوب را می ربود.

کهربا ویلیام گیلبرت - پزشک و فیزیکدان - که پژوهش هایی درباره مغناطیس کرده بود را به این فکر فرو برد که آیا سنگ های قیمتی هم وقتی مالش داده می شوند همان خاصیت را می یابند؟ او بعد از آزمایش با الماس، یاقوت کبود و ... همه چیزهایی را بعد از مالش خاصیت ربایش پیدا می کنند را الکتریک نامید.

اتوفون گریکه نیز مقداری گوگرد گداخته را درون شیشه ای قرار داد. بعد یک میله چوبی در داخل آن قرار داد و آنگاه گوی گوگردی را روی پایه چوبی که با یک دست می چرخانید و دست دیگرش را روی آن می گذاشت به حرکت درآورد تا به کمک مالش الکتریسیته در گوی پر شود.

در حدود سال 1650 میلادی پژوهشگری به نام والتر چارلتون این نیروی جاذبه را الکتریسیته نامید. گریکه کهربا را با تمام شدتی که می توانست با پارچه مالش داد، آنگاه وقتی به کهربا دست زد صدای شکسته شدن به گوش می رسید. بعد از او استون گری از خود شیشه گوگرد استفاده کرد و آن را به عنوان الکتریک به کار برد. در سال 1731 گری از چند تکه فلز و مقداری صمغ که مایع چسبناکی است و ماده ای شبیه کهربا و نارساناست استفاده کرد. فرانسوا دوفه در سال 1734 میلادی دو نوع الکتریسیته شیشه ای و رزین را مصرف نمود.تا سال 1750 میلادی ماشین های الکتریکی بسیار نیرومندتری وارد بازار کار شد.در سال 1746 میلادی پیترفان استاد فیزیک لیدن موضوعی را به طور تصادفی کشف کرد. او سعی کرد الکتریسیته را داخل یک بطری به دام اندازد. او یک سیم برنجی را که از یک لوله تفنگ باردار به داخل یک بطری پر از آب برده می شد آماده ساخت. هنگامی که شاگرد او سیمبرنجی را با دست خود لمس کرد، شوک بسیار شدیدی به او دست داد. پیترفان به طور تصادفی کشف کرد که بار را می توان در یک جسم جامد که به طور مناسبی ساخته شده است ذخیره کرد. امروزه اسباب هایی مانند بطری لیدن را که توانایی ذخیره کردن بار الکتریکی دارند را خازن می نامند.

بطری لیدن توجه بنجامین فرانکلین را به خود جذب کرد. آنگاه فکر فرانکلین با توجه به توجیه بارهای مثبت و منفی به یک اندیشه درست هدایت شد:

" بارهای الکتریکی نه خلق می شوند . نه از بین می روند"

اجسام بر اثر آرایش بارهای الکتریکی که قبلا در آنها موجود است، بار مثبت یا منفی پیدا می کنند. این اصل، اصل پایستگی بار نامیده می شود.

در واقع علم الکتریسیته ازتاریخ 1785 میلادی که کولن قانون الکتریسیته ساکن را یافت وشباهت بسیار نزدیک آن رابا قانون جاذبه عمومی نشان داد،آغاز میشود. درسال 1800 میلادی ولتا پیل الکتریکی را اختراع کردو بالاخره درسال 1871 میلادی با اختراع ماشین گرام راه تبدیل کلان انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس باز شد.

انرژی الکتریکی را باید ارزشمندترین و مرغوب ترین نوع انرژی دانست،زیرا:
اولا باسانی قابل انتقال ازجائی به جای دیگر است.
ثانیا قابل تبدیل به هرنوع انرژی دیگر است.
ثالثا" پاکیزه ترین نوع انرژی است وهیچ نوع آلودگی زیست محیطی ندارد.
هرچند با اختراع پیل درسال 1800 میلادی،استفاده های عملی از انرژی الکتریکی درمواردی مانند تلگراف وتلفن آغاز شد،اما شروع استفاده کلان ازاین انرژی به بعد از اختراع ماشین کرام درسال 1871 میلادی مربوط میشود که باید آن را نوع اولیه ژنراتورها وموتورهای برق امروزی دانست.نخستین مولد برق درحدود 12سال پس از اختراع ماشین گرام وارد ایران شده است.
از آنجا که صنعت برق از ابتدای پیدایش تاکنون همواره با موضوع روشنائی همراهی وملازمه داشته است،خالی از فایده نخواهد بود که نگرشی به سیرتکامل فن روشنائی و وقایع شاخص تاریخی دراین موضوع داشته باشیم:
   -ازاوایل قرن 19میلادی، استفاده از گاز شهری برای تهیه روشنائی وگرمادرکشورهای اروپایی متداول شد.
   -درسالهای دهه1870 میلادی نفت پالایش وبرای مصرف چراغهای نفتی به بازار عرضه شد. (شروع استفاده ازاین چراغها درایران،به سالهای پایانی سلطنت ناصرالدین شاه بازمیگردد.)
   -درسال 1878 میلادی، چراغ قوسی اختراع شدکه براساس تخلیه الکتریکی بین دو الکترود کار میکرد.
   -درسال 1879 میلادی، ادیسون لامپهای التهابی خلا را اختراع کرد.
   -درسال 1882 میلادی،ادیسون اولین ایستگاه مرکزی تجاری خودرابرای تامین روشنائی دریکی از خیابانهای نیویورک تاسیس کرد.
    - درسال1907 میلادی بااستفاده از رشته تنگستن، بازده نوری چراغهای التهابی به 8لومن برای هر وات رسید.
    - درسال1917 میلادی بازده چراغهای التهابی تا 10لومن برای هر وات افزایش یافت.
    - درسال1930 میلادی چراغهای فلورسنت با بازدهی 5 برابر چراغهای التهابی وارد بازار شد.
    - بالاخره درسالهای اخیر نوع تازه ای از چراغهای فلورسنت بااستفاده از مدار الکتریکی و با حجم کم،طیف نوری بهتر و عمر طولانی تر به نام چراغهای کم مصرف وارد بازار شده است.
میتوان چنین استنباط کرد که تا حدود سال 1306 هجری قمری (1286 هجری شمسی و1889 میلادی) شبکه های برق رسانی به مفهوم امروزی هنوز عمومیت نیافته بود و برق فقط دراماکن محدود و مخصوص مانند کاخها،تئاترها وکارخانه ها آن هم در مقیاس کوچک واساسا" به منظور تامین روشنائی مصرف میشده وتبدیل برق به انرژی مکانیکی برای گرداندن چرخهای کارخانه ها وموارد مشابه،مراحل ابتدایی خودرا طی میکرده است.
آن طور که از آثار مکتوب و سفرنامه های باقی مانده برمیاید،نخستین برخوردها وآشنائیهای قابل ذکر ایرانیان با آثار انقلاب صنعتی دراروپا به سالهای اولیه قرن19 میلادی باز میگردد.

تقسیمات الکتریسیته

الکتریسیته ساکن(الکتریسیته مالشی)

اگر یک میله شیشه ای را با پارچه پشمی مالش دهیم، هر دو جسم دارای بار می شوند. زیرا شیشه تعدادی الکترون از دست می دهد و پارچه به همان مقدار دارای بار منفی می گردد.بار ایجاد شده در شیشه و پارچه در محل تماس باقی می ماند.

الکتریسیته القایی

اگر میله با بار منفی را به دو کره فلزی بدون باری که با هم در تماس بوده و توسط پایه های عایقی از زمین جدا شده باشند نزدیک کنیم و قبل از دور کردن میله بدون دست زدن به پوسته کره ها آنها را از هم جدا کنیم، کره نزدیک به میله دارای بار مثبت و کره دور از آن دارای بار منفی خواهد بود که مقدار بار روی کره ها برابرند. این نوع باردار شدن را باردار شدن به وسیله القا یا مجاورت می گویند.

الکتریسیته جاری

عبور پیوسته یک الکترون از یک رسانا(هادی) را الکتریسیته جاری گویند. خلاف جهت حرکت الکترون را جهت قراردادی جریان الکتریکی انتخاب می کنند.عامل برقراری جریان ثابت، اختلاف پتانسیل ثابتی می باشد که در دو سر هادی برقرار است و وسایل تولید این اختلاف پتانسیل ثابت پیل های شیمیایی، ژنراتورها و دینام ها می باشند.

از نظر تایخی نماد جریان (I)، از کلمه آلمانی Intensit که به معنی شدت است گرفته شده است.

تولید الکتریسیته

در سال 1800 میلادی الساندرو ولتا آزمایشی را انجام داد که در آن الکتریسیته به عنوان نتیجه واکنش شیمیایی در یک پیل الکتریکی شناخته شد. اما تولید الکترسیته به این روش گران بوده و هست.مغناطیس از زمانی شناخته شد که مشاهده گردید بعضی از سنگ ها مثل مگنتیت آهن را می ربایند. الکتریسیته و مغناطیس در ابتدا جداگانه توسعه پیدا کردند تا این که در سال 1825 میلادی اورستد (Orested) رابطه ای بین آنها مشاهده کرد. بدین ترتیب اگر جریانی از یک سیم بگذرد، می تواند یک جسم مغناطیسی را تحت تاثیر قرار دهد. بعدها فارادی کشف کرد که الکتریسیته و مغناطیس جدا از هم نیستند و در مبحث الکترومغناطیس قرار می گیرند.

در سال 1831 میلادی مایکل فارادی ماشینی ابداع کرد که از حرکت چرخشی تولید الکتریسیته می کرد. حدود 50 سال طول کشید تا این فن آوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه شود. در سال 1878 میلادی توماس ادیسون جایگزین علمی تجاری ای را برای روشنایی های گازی و سیستم های حرارتی ایجاد کرد که از الکترسیسته جریان مستقیمی استفاده می کرد که به طور منطقه ای تولید و توزیع شده بود.

 نیکولا تسلا که مدت کوتاهی برای ادیسون کار می کرد، سیستم جایگزینی را ابداع کرد که از جریان متناوب استفاده می کرد. تسلا بیان کرد که دو برابر کردن ولتاژ، جریان را نصف می کند و منجر به کاهش تلفات به میزان 75 درصد می شود و تنها یک سیستم جریان متناوب اجازه انتقال بین سطوح ولتاژ را در قسمت های مختلف آن سیستم ممکن می سازد. او به توسعه و تکمیل تئوری کلی سیستم خود ادامه داد و ایده های بدیعش را در سال 1887 میلادی به ثبت رسانید. در سال 1888 میلادی کار تسلا مورد توجه جرج وستینگهاوس که حق انحصاری اختراع یک ترانسفورماتور را در اختیار داشت و یک کارخانه روشنایی را از سال 1886 میلادی در گریت بارینگتون ماساچوست راه اندازی کرده بود، قرا گرفت.

اگر چه سیستم وستینگهاوس می توانست از روشنایی های ادیسون استفاده کند و دارای گرم کننده نیز بود؛ اما این سیستم دارای موتور نبود. توسط تسلا و اختراع ثبت شده او، وستینگهاوس یک سیستم قدرت برای یک معدن طلا در تلورید کلورادو در سال 1895 میلادی ساخت که دارای یک ژنراتور آبی 100 اسب بخار(75 کیلو وات) بود که یک موتور 100 اسب بخار را در آن سوی خط انتقالی به فاصله 2.5 مایل(4 کیلومتر) تغذیه می کرد.سپس در یک قرارداد با جنرال الکتریک که ادیسون مجبور به فروش آن شده بود، شرکت وستینگهاوس اقدام به ساخت یک نیروگاه در نیاگارا فالس کرد که دارای سه ژنراتور تسلای 5000 اسب بخار بود که الکتریسیته را به یک کوره ذوب آلومینیوم در نیاگارا، نیویورک و شهر بوفالو انتقال می داد.نیروگاه نیاگارا در 20 آوریل 1895 میلادی شروع به کار کرد.

الکتریسیته امروزی توانایی های خودش را بیشتر مدیون زحمت های فیزیکدانانی همچون الساندر ولتا، آندره آمپر، نیکلا تسلا، جرج سیمون اهم، مایکل فارادی و توماس ادیسون است.

دنیای قبل از الکتریسیته

در حدود سال 1840 الکتریسیته شروع به تغییر شیوه زندگی مردم کرد.ابتدا ارسال پیام های تلگراف به صورت الکتریکی جایگزین نامه هایی شد که به وسیله اسب و کشتی حمل می شدند. به دنبال آن، بهره گیری از قدرت الکتریسیته گسترش پیدا کرد و ماشین هایی ساخته شد که در برقراری ارتباط، کنترل وسایل دیگر و انجام محاسبات به مردم کمک می کردند؛ اما این ماشین ها بسیار آهسته و کند بودند.البته در ساخت آنها از اصول اولیه ماشین های الکترونیکی نظیر منطق و حافظه استفاده شده بود و در به کار اندازی آنها هزینه زیادی صرف می شد. خیلی از آنها بعد از مدتی از کار می افتادند چرا که اهرم ها، طناب ها و چرخ های آن کهنه می شد و از بین می رفت. این وسایل اکثراً بسیار ابتدایی بودند. به عنوان مثال، شما در شب می توانستید با روشن و خاموش کردن آتش، آری یا خیر را به دوستانتان که در فاصله زیادی نسبت به شما قرار داشتند علامت دهید.

الکتریسیته و مغناطیس

الکتریسیته و مغناطیس ارتباط محکمی با هم دارند. دو کشف بزرگ در قرن نوزدهم رخ داد؛ اولین مورد: هر سیمی که جریان الکتریسیته از آن بگذرد مثل یک یک آهنربا عمل می کند و دومین کشف مهم نشان می داد که بر عکس مورد اول، با تغییر مقدار مغناطیس در یک سیم می توان جریان برق تولید کرد.

با دقت در این دو می توان به این نتیجه رسید که با ایجاد یک جریان تغییر یابنده در یک سیم می توان در یک سیم دیگر جریان الکتریسیته ایجاد کرد. این اکتشافات تاثیرات شگرفی بر زندگی روزمره داشتند. از جمله به ما امکان دادند از طریق ساخت ژنراتورهایی بتوانیم انرژی تولید شده از سوخت هایی مثل زغال یا نفت را به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم، این کار با استفاده از سیم پیچ هایی صورت می گیرد که با عبور جریاناتی از آنها ابتدا آهنربا ایجاد می‌شود و سپس با چرخاندن سیمپیچ دیگر در داخل سیم پیچ اولیه جریان های الکتریکی بزرگتری به وجود می آید.

مقدار کمی از این انرژی می تواند ابزارها و دستگاه های الکترونیکی را به کار بیندازد. این ابزارها، با استفاده از رابطه میان الکتریسیته و مغناطیس می توانند موسیقی، تصاویر و حتی امواج رادیویی را تولید کنند.

امواج الکترومغناطیسی

امواج اطراف ما را فرا گرفته اند، در آب منتشر می شوند، در طول مزرعه ذرت چرخ می خورند و یا می توانند حرکت سازمان یافته پاهای هزارپا را نشان دهندو همچنین برای ما، نور و صدا ایجاد می کنند. امواج اجازه می دهند که چیزی بتواند از مکانی به مکان دیگر انتقال یابد بدون اینکه حرکت زیادی داشته باشد و این ویژگی، امواج را دارای اهمیت حیاتی در امر ارتباطات می کند. امواج در محیط هایی تولید می شوند که بتوان انرژی را به صورت حرکت و فشار ذخیره کند. برای امواج الکترومغناطیس، محیط همان فضا است که می تواند انرژی را به صورت اشکال مغناطیسی و الکتریکی ذخیره کند. ریاضیدان اسکاتلندی جیمز کلرک ماکسول (1831 - 1879) کارهای انجام شده توسط مایکل فارادی را توسعه داد. وی متوجه شد که ارتباط تنگاتنگ بین الکتریسیته و مغناطیس موجب تولید امواج الکترومغناطیس می شود. محاسبات وی نشان داد که امواج الکترومغناطیسی می تواند با سرعت نور حرکت کند که همین مسئله شک وی را مبنی بر این که نور خود یک موج الکترومغناطیسی است برانگیخت. در سال 1888 هانریش هرتز به صورت الکتریکی امواج را تولید کرد و نشان داد.

منابع:

سایت علمی دانشجویان ایران

پایگاه اطلاع رسانی صبا