في هذه الصفحة
لم يتم اختراع الكهرباء من قبل شخص واحد. إنها ظاهرة طبيعية تعلم الناس تدريجياً كيفية رصدها وقياسها وتوليدها ونقلها والتحكم فيها. لقد ظهر النظام الكهربائي الحديث من خلال سلسلة من المساهمات - بدءاً من الملاحظات المبكرة للشحنات الساكنة وصولاً إلى بطارية فولتا، والحث الكهرومغناطيسي لفاراداي، وشبكات الطاقة العملية، وإلكترونيات أشباه الموصلات.
يفصل الجدول الزمني أدناه أربع أفكار غالباً ما يتم الخلط بينها:
- الملاحظة: رصد ظاهرة كهربائية؛;
- الاكتشاف العلمي: شرح أو قياس كيفية تصرفها؛;
- الاختراع: ابتكار جهاز يستخدم هذه الظاهرة؛ و
- التسويق التجاري: بناء نظام عملي يمكنه خدمة العديد من المستخدمين.
نظرة سريعة على الجدول الزمني لتاريخ الكهرباء
| التاريخ | الشخص أو الفريق | المعلم البارز | أهمية ذلك |
|---|---|---|---|
| حوالي عام 600 قبل الميلاد | طاليس الملطي، يُنسب إليه تقليدياً | لوحظ أن الكهرمان عند فركه بمادة ما يجذب الأجسام الخفيفة | أحد أوائل الملاحظات المسجلة المرتبطة بالشحنة الساكنة |
| 1600 | ويليام جيلبرت | تم النشر De Magnete وميز بين التأثيرات المغناطيسية وتأثير الجذب الناتج عن المواد المفروسة | ساعد في ترسيخ الكهرباء والمغناطيسية كموضوعات للتجريب المنهجي |
| الستينيات من القرن السابع عشر | أوتو فون غيريكه | قام ببناء مولد كهرباء ساكنة احتكاكي مبكر | جعل تجارب الكهرباء الساكنة القابلة للتكرار أسهل |
| 1729 | ستيفن غراي | أثبت أن التأثيرات الكهربائية يمكن أن تنتقل عبر بعض المواد | ساعد في ترسيخ التمييز بين الموصلات والعوازل |
| 1745–1746 | إيفالد جورج فون كلايست وبيتر فان موشنبروك | طورا بشكل مستقل قارورة لايدن | وفرت طريقة مبكرة لتخزين الشحنة الكهربائية |
| خمسينيات القرن الثامن عشر | بنجامين فرانكلين وغيره من الباحثين | أثبتوا الطبيعة الكهربائية للبرق وطوروا مانعة الصواعق | ربطوا بين الكهرباء المعملية وظاهرة جوية وأنتجوا جهاز حماية عملياً |
| 1785 | شارل أوغستان دي كولوم | حدد القوة بين الشحنات الكهربائية كمياً | وضع أساساً رياضياً للكهرباء الساكنة |
| 1800 | أليساندرو فولتا | قَدَّمَ الكومة الفولتية | وَفَّرَ تياراً مستمراً للتجارب بدلاً من التفريغات الكهروستاتيكية الوجيزة |
| 1820 | هانس كريستيان أورستد؛ أندريه ماري أمبير | أثبتا وحللا العلاقة بين التيار والمغناطيسية | مهدا الطريق للمغناطيسات الكهربائية، والمحركات، والنظرية الكهرومغناطيسية |
| 1821 | مايكل فاراداي | أثبت الدوران الكهرومغناطيسي | وضع مبدأً أساسياً للمحركات الكهربائية |
| 1827 | جورج سيمون أوم | نشر العلاقة التي تُعبر عنها الآن المعادلة V = IR | جعل التيار، والجهد، والمقاومة مفيدة كمياً في تحليل الدوائر |
| 1831 | مايكل فاراداي؛ جوزيف هنري بشكل مستقل | أثبتا الحث الكهرومغناطيسي | قدما مبدأ التشغيل الكامن وراء المولدات والمحولات |
| ستينيات القرن التاسع عشر | جيمس كليرك ماكسويل | وحد الكهرباء والمغناطيسية والضوء في نظرية المجال الكهرومغناطيسي | تم توفير الإطار النظري للهندسة الكهربائية واللاسلكي |
| سبعينيات وثمانينيات القرن التاسع عشر (1870s–1880s) | جوزيف سوان، وتوماس إديسون، وفرق عملهما | طوّروا الإضاءة المتوهجة العملية والأنظمة اللازمة لتشغيلها | حولوا الإضاءة الكهربائية إلى خدمة قابلة للنشر بدلاً من كونها مجرد عرض مختبري |
| 1882 | شركات إديسون | افتتحت محطة بيرل ستريت للتيار المستمر (DC) في نيويورك | قدمت عرضاً توضيحياً لنظام طاقة مركزي تجاري مبكر |
| ثمانينيات إلى تسعينيات القرن التاسع عشر | غاليليو فيراريس، ونيكولا تسلا، وجورج وستنجهاوس، وويليام ستانلي، وآخرون | قاموا بتطوير وتسويق المحركات متعددة الأطوار، والمحولات، وأنظمة التيار المتردد AC | أتاحوا إمكانية تحويل الجهد بشكل عملي وتوزيع الطاقة على نطاق أوسع |
| 1895–1896 | وستنجهاوس وفرق مشروع شلالات نياجرا | وضعوا نظام توليد ونقل التيار المتردد AC في شلالات نياجرا قيد الخدمة | أثبتوا إمكانية توليد ونقل الطاقة على نطاق واسع عبر مسافات طويلة |
| 1897 | جي. جي. تومسون | حدد الإلكترون | غيّر النموذج العلمي للشحنة والمادة |
| 1947 | جون باردين، ووالتر براتين، وويليام شوكلي في مختبرات بيل | طوروا الترانزستور | استبدل العديد من وظائف أنابيب التفريغ بأجهزة أشباه موصلات أصغر وأقل استهلاكاً للطاقة |
| 1954 | فريق مختبرات بيل | أثبتوا كفاءة خلية ضوئية جهدية عملية مصنوعة من السيليكون | وضع الأساس لتوليد الطاقة الشمسية الكهربائية الحديثة |
| 1958–1959 | جاك كيلبي وروبرت نويس | طورا نهجين متكاملين للدارات المتكاملة | جعلا من الممكن وضع مكونات إلكترونية متعددة وتوصيلات بينية على هياكل أشباه الموصلات المدمجة |
لا يمكن لأي جدول زمني قصير أن يشمل كل مساهم. تم اختيار هذه المحطات لأن كل واحدة منها فتحت آفاقاً هندسية جديدة: تخزين الشحنة، وإنتاج تيار مستمر، والتحويل بين الكهرباء والحركة، وتحليل الدوائر، وتوزيع الطاقة، أو معالجة الإشارات إلكترونياً.
من اخترع الكهرباء؟
لم يخترع أحد الكهرباء. فالبرق والشحنة الساكنة والتأثيرات الحيوية الكهربائية كانت موجودة قبل أن يدرسها البشر بوقت طويل. السؤال الأكثر دقة هو: من ساعدنا على فهم واستخدام الكهرباء؟
قدم أشخاص مختلفون أجزاءً مختلفة من الإجابة:
- ويليام جيلبرت ساهم في تحويل الملاحظات المتفرقة إلى تحقيق منهجي.
- بنجامين فرانكلين ساهم في فهم الشحنة وأظهر أن البرق ذو طبيعة كهربائية.
- أليساندرو فولتا ابتكر مصدراً مبكراً وعملياً للتيار المستمر.
- أورستد، وأمبير، وفاراداي، وهنري أسسوا العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية والحركة والحث.
- أوم وماكسويل جعلت السلوك الكهربائي قابلاً للوصف رياضياً.
- سوان، وإديسون، وتيسلا، وويستنغهاوس، وفيراريس، وستانلي، والعديد من الفرق الهندسية ساهموا في تحويل علوم المختبرات إلى إضاءة، ومحركات، وتوليد، وتوزيع للطاقة.
- باحثو أشباه الموصلات جعلوا لاحقاً التحكم الحديث، والاتصالات، والحوسبة، وإلكترونيات القوى أمراً ممكناً.
إن نسبة الكهرباء إلى مخترع واحد تمحو الفرق بين اكتشاف ظاهرة طبيعية وتصميم نظام كهربائي مفيد.
من الشحنة الساكنة إلى التيار المستمر
الملاحظات المبكرة وآلات الكهرباء الساكنة
غالباً ما يتم تقديم قصة الكهرمان القديمة على أنها “اكتشاف الكهرباء”، ولكنها كانت ملاحظة أكثر من كونها تفسيراً علمياً حديثاً. جاء التغيير الحاسم خلال الثورة العلمية، عندما بدأ المجربون في إحداث تأثيرات كهربائية بشكل متكرر ومقارنة المواد المختلفة.
ساعد عمل جيلبرت حوالي عام 1600 في التمييز بين التأثير الجاذب للمواد المحكوكة والمغناطيسية. وفي وقت لاحق، أنتجت الآلات الكهروستاتيكية شحنات أكبر وأكثر قابلية للتكرار. أظهرت تجارب جراي أن التأثيرات الكهربائية يمكن توصيلها عبر بعض المواد، بينما جعلت قنينة لايدن الشحنة المخزنة متاحة لإجراء تجارب محكومة.
فرانكلين، والبرق، والشحنة
لم يكتشف بنجامين فرانكلين الكهرباء. فقد كان الباحثون الأوروبيون والأمريكيون يدرسون التأثيرات الكهربائية لعقود بالفعل. كان عمله مهماً لأنه ربط البرق بالتفريغ الكهربائي، وطور اصطلاح الشحنة الموجبة والسالبة، وأدى إلى ابتكار مانعة الصواعق العملية.
يجب أيضاً سرد قصة الطائرة الورقية المعروفة بحذر. فقد اقترح فرانكلين التجربة، وتصف التقارير المعاصرة عرضاً توضيحياً ناجحاً مرتبطاً به، لكن الروايات المبسطة غالباً ما تضيف تفاصيل درامية ليست ضرورية لفهم النتيجة العلمية.
بطارية فولتا غيرت مسار التجربة
أنتجت الأجهزة الكهروستاتيكية فولتية عالية ولكن تفريغات قصيرة فقط. زودت كومة فولتا، التي تم الإعلان عنها في عام 1800، تياراً أكثر استمرارية. وقد منح ذلك الباحثين أداة مختلفة جذرياً: حيث تمكنوا من دراسة التأثيرات الكيميائية، والتسخين، والمغناطيسية، وتدفق التيار المستمر.
هذا هو السبب في أن البطارية تمثل نقطة تحول حقيقية. فهي لم “تخترع الكهرباء”؛ بل جعلت التجريب الكهربائي المحكوم أكثر إنتاجية بكثير.
الكهرومغناطيسية جعلت المحركات والمولدات ممكنة
في عام 1820، لاحظ أورستد أن التيار في سلك يؤدي إلى انحراف إبرة بوصلة قريبة. طور أمبير الدراسة الرياضية والتجريبية للقوى بين التيارات. أظهر عملهما أن الكهرباء والمغناطيسية مترابطتان.
بعد ذلك، أثبت فاراداي الدوران الكهرومغناطيسي في عام 1821 والحث الكهرومغناطيسي في عام 1831. من الناحية الهندسية، تعمل هاتان الفكرتان في اتجاهين متعاكسين:
| المبدأ | تحويل الطاقة | التكنولوجيا الممكنة |
|---|---|---|
| عمل المحرك | طاقة كهربائية ← حركة ميكانيكية | المحركات الكهربائية، والمشغلات، والكونتاكتور، وآليات المرحل |
| الحث الكهرومغناطيسي | الحركة الميكانيكية أو تغير التدفق المغناطيسي ← مخرجات كهربائية | المولدات، والمحولات، ومعدات الحث |
اكتشف جوزيف هنري الحث بشكل مستقل، على الرغم من أن فاراداي كان أول من نشره. تطلبت الآلات العملية العديد من التحسينات اللاحقة في المواد المغناطيسية، والعزل، وعملية التبديل (التقويم)، وتصميم الملفات، والتصنيع.
للحصول على شرح حديث حول الحث وتحويل الجهد، انظر كيف يعمل المحول الكهربائي.
القياس والنظرية حوّلا التجارب إلى هندسة
لم يكن بإمكان التكنولوجيا الكهربائية أن تتوسع من خلال العروض التوضيحية وحدها. احتاج المهندسون إلى علاقات يمكن التنبؤ بها وكميات قياسية مشتركة.
ربطت أعمال أوم بين الجهد والتيار والمقاومة. صاغ كيرشوف لاحقاً قواعد الدوائر للتيارات عند نقاط التفرع والجهود حول الحلقات. وحد ماكسويل النتائج التجريبية السابقة في نظرية للمجالات الكهرومغناطيسية وأظهر أن الضوء ظاهرة كهرومغناطيسية.
لقد حولت هذه التطورات العمل الكهربائي من بناء يعتمد على التجربة والخطأ إلى تخصص هندسي كمي. ولا تزال حسابات الدوائر الحديثة تستخدم هذه الأسس، حتى عند تحليل أجهزة مثل وحدات التحكم الرقمية، أو محركات التردد المتغير، أو محولات الطاقة. للحصول على المعادلات العملية، راجع دليل VIOX لـ التيار، وهبوط الجهد، وتيار القصر الكهربائي، ومعامل القدرة.
أصبح الإضاءة الكهربائية نظام طاقة
لم يكن المصباح المتوهج من عمل مخترع واحد. فقد طور جوزيف سوان، وتوماس إديسون، وباحثون آخرون مصابيح تستخدم فتائل ساخنة داخل زجاجات مفرغة من الهواء. لم تكن مساهمة إديسون الرئيسية مجرد جعل الفتيلة تتوهج؛ بل سعى فريقه إلى تطوير مصباح عالي المقاومة قابل للتطبيق تجارياً جنباً إلى جنب مع المولدات، والأسلاك، والمقابس، والمفاتيح، والمصهرات (الفيوزات)، والعدادات، والبنية التحتية للتوزيع.
في سبتمبر 1882، بدأت محطة شارع بيرل في خدمة العملاء في مانهاتن السفلى باستخدام التيار المستمر (DC). وقد أثبت ذلك أن الكهرباء يمكن توليدها مركزياً وبيعها كخدمة. ومع ذلك، كانت تغطيتها محدودة لأن بنية توزيع التيار المستمر (DC) المتاحة كانت صعبة التوسيع اقتصادياً لمسافات طويلة عند جهود تشغيل مفيدة للعملاء.
AC، وDC، وتسلا، وإديسون، وويستنجهاوس: ما الذي تغير فعلياً؟
تختصر قصة “تسلا ضد إديسون” الشهيرة مرحلة انتقالية هندسية وتجارية كبيرة في شخصيتين فقط. والنظرة الأكثر دقة هي أن العديد من المخترعين والمهندسين والمصنعين والممولين طوروا معماريات أنظمة متنافسة.
روج إديسون لنظام توزيع التيار المستمر (DC). وقامت شركة ويستنجهاوس بتسويق معدات التيار المتردد (AC) وترخيص براءات اختراع مهمة لتسلا. كان عمل تسلا في المحركات متعددة الأطوار والأنظمة مهماً للغاية، بينما طور جاليليو فيراريس بشكل مستقل مفاهيم المجال المغناطيسي الدوار، وقام ويليام ستانلي بتطوير توزيع التيار المتردد (AC) العملي القائم على المحولات.
لا يعتبر التيار المتردد AC منخفض الفقد بطبيعته. بالنسبة لموصل معين، يرتبط الفقد في المقام الأول بالتيار المار عبر I²R التسخين. كانت الميزة التاريخية للنظام الكهربائي المعتمد على التيار المتردد AC هي أن المحولات جعلت من العملي رفع الجهد للنقل - مما يقلل التيار لنفس القدرة - وخفضه مرة أخرى بالقرب من المستخدمين. يثبت التيار المستمر عالي الجهد (HVDC) الحديث أن التيار المستمر DC يمكن أن يكون أيضًا فعالًا للغاية للنقل لمسافات طويلة عند استخدام تقنية التحويل المناسبة.
أثبت معرض شيكاغو العالمي في عام 1893 ومشروع شلالات نياجرا في عام 1895–1896 النطاق التجاري لتوليد وتوزيع التيار المتردد AC. للتعرف على التمييز الأساسي للتيار، انظر تيار AC مقابل تيار DC.
من شبكات الطاقة إلى الإلكترونيات الحديثة
بحلول أوائل القرن العشرين، أرست المولدات، والمحولات، والمحركات، ومعدات الحماية، والشبكات المترابطة البنية الأساسية للنظام الكهربائي لنقل الطاقة. جاء التحول التالي من الإلكترونيات - التحكم في الإشارات الكهربائية بدلاً من مجرد توصيل الطاقة الضخمة.
ساعد تحديد الإلكترون في أواخر القرن التاسع عشر في إعادة تشكيل النموذج الفيزيائي للكهرباء. مكنت أنابيب التفريغ من التضخيم والتبديل، لكنها كانت كبيرة الحجم نسبيًا وتستهلك الكثير من الطاقة. أما الترانزستور، الذي تم تطويره في مختبرات بيل في عام 1947، فقد مكن من إنشاء أنظمة إلكترونية أصغر وأكثر موثوقية.
في عام 1958، عرض جاك كيلبي دائرة كانت عناصرها مكونة من مادة أشباه الموصلات. وقام روبرت نويس لاحقاً بتطوير نهج متراص عملي باستخدام العملية المستوية والتوصيلات البينية المعدنية. ويُعرف كلاهما على نطاق واسع كمخترعين مشاركين للدائرة المتكاملة، مع وجود مساهمات مميزة لكل منهما. أدت الدوائر المتكاملة إلى أنظمة تحكم مدمجة، وحوسبة، وحماية رقمية، واتصالات، وإلكترونيات القوى المستخدمة في تطبيقات الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية EV.
خرافات شائعة حول تاريخ الكهرباء
| ادعاء شائع | تفسير أكثر دقة |
|---|---|
| بنيامين فرانكلين اكتشف الكهرباء | تمت دراسة الكهرباء قبل فرانكلين. ربط عمله البرق بالظواهر الكهربائية وطوّر نظرية الشحنة والحماية من الصواعق. |
| إديسون اخترع المصباح الكهربائي | قام العديد من المخترعين بتطوير المصابيح المتوهجة. أنتج إديسون وفريقه نهجاً عملياً للمصباح والنظام وقاموا بتسويق خدمة الكهرباء المركزية. |
| اخترع تسلا التيار المتردد AC | كان التيار المتردد AC معروفاً قبل تسلا. كانت براءات اختراع نظامه متعدد الأطوار والمحرك الخاص به مساهمات رئيسية في طاقة التيار المتردد العملية. |
| ينتقل التيار المتردد AC لمسافات أبعد لأن التيار المتردد AC نفسه يفقد طاقة أقل | يؤدي جهد النقل الأعلى إلى تقليل التيار وفواقد I²R. كانت الميزة التاريخية للتيار المتردد AC هي التحويل الملائم للجهد. |
| الكهرباء والإلكترونيات هما نفس الشيء | تركز هندسة الطاقة الكهربائية بشكل كبير على توليد ونقل وتبديل واستخدام الطاقة؛ بينما تركز الإلكترونيات بشكل كبير على التحكم في الإشارات والطاقة باستخدام أجهزة مثل الصمامات، والترانزستورات، والدوائر المتكاملة. ويتداخل المجالان. |
الأسئلة المتداولة
متى تم اكتشاف الكهرباء؟
لا يوجد تاريخ اكتشاف محدد. وصف المراقبون القدماء تأثيرات مرتبطة بالشحنة الساكنة، وتسارعت الدراسة الكهربائية المنهجية منذ القرن السابع عشر، وأنتج القرن التاسع عشر أسس الهندسة الكهربائية الحديثة.
هل اخترع بنجامين فرانكلين الكهرباء؟
لا. لقد بحث فرانكلين في الكهرباء، وساهم في نظرية الشحنة، وربط البرق بالتفريغ الكهربائي، وطور مانعة الصواعق. الكهرباء ظاهرة طبيعية وليست اختراعاً بشرياً.
هل اخترع توماس إديسون أو نيكولا تسلا الكهرباء؟
لم يخترع أي منهما الكهرباء. ساعد إديسون في تطوير وتسويق الإضاءة العملية وأنظمة توزيع DC. وقدم تسلا مساهمات كبيرة في محركات AC متعددة الأطوار وتقنية أنظمة الطاقة. عمل كلاهما ضمن جهد هندسي دولي أكبر بكثير.
ما هو أهم اكتشاف في تاريخ الكهرباء؟
لا توجد إجابة واحدة عالمية. مكنت بطارية فولتا من إجراء تجارب التيار المستمر؛ ومكن الحث المغناطيسي الخاص بـ فاراداي من صنع المولدات والمحولات؛ ومكنت أشباه الموصلات من تطوير الإلكترونيات الحديثة. اعتمد كل اكتشاف منها على اكتشافات سابقة وحل مشكلة هندسية مختلفة.
لماذا كان الحث الكهرومغناطيسي مهماً جداً؟
جعل الحث الكهرومغناطيسي من الممكن توليد الكهرباء من التدفق المغناطيسي المتغير وتحويل جهد AC. ولا يزال هذا المبدأ أساسياً للمولدات، والمحولات، ومحركات الحث، والعديد من أجهزة الاستشعار.