در این صفحه
الکتریسیته توسط یک نفر اختراع نشده است. این یک پدیده طبیعی است که انسانها بهتدریج آموختند آن را مشاهده، اندازهگیری، تولید، منتقل و کنترل کنند. سیستم الکتریکی مدرن از طریق زنجیرهای از مشارکتها پدید آمد؛ از مشاهدات اولیه بار ساکن تا باتری ولتا، القای الکترومغناطیسی فارادی، شبکههای قدرت کاربردی و الکترونیک نیمههادی.
گاهشمار زیر چهار ایده را که اغلب با هم ترکیب میشوند، تفکیک میکند:
- مشاهده: توجه به یک پدیده الکتریکی؛;
- کشف علمی: توضیح یا اندازهگیری نحوه رفتار آن؛;
- اختراع: ساخت دستگاهی که از این پدیده استفاده میکند؛ و
- تجاریسازی: ساخت یک سیستم کاربردی که میتواند به کاربران بسیاری خدمترسانی کند.
نگاهی گذرا به گاهشمار تاریخ الکتریسیته
| تاریخ | شخص یا تیم | نقطه عطف | چرا اهمیت داشت |
|---|---|---|---|
| حدود ۶۰۰ پیش از میلاد | طالس ملطی، که بهطور سنتی به او نسبت داده میشود | مشاهده شد که کهربای مالشدادهشده با مواد، اجسام سبک را جذب میکند | یک مشاهده ثبتشده اولیه مرتبط با بار الکتریکی ساکن |
| 1600 | ویلیام گیلبرت | منتشر شده کتاب در باب مغناطیس (De Magnete) و اثرات مغناطیسی را از اثر جذبی ناشی از مواد مالشدادهشده متمایز کرد | به پایهگذاری الکتریسیته و مغناطیس به عنوان موضوعاتی برای آزمایش نظاممند کمک کرد |
| دهه ۱۶۶۰ | اتو فون گریکه | ساخت یک ژنراتور الکترواستاتیک اصطکاکی اولیه | تسهیل انجام آزمایشهای تکرارپذیر الکتریسیته ساکن |
| 1729 | استیون گری | اثبات اینکه اثرات الکتریکی میتوانند از طریق برخی مواد منتقل شوند | کمک به ایجاد تمایز بین هادیها و عایقها |
| ۱۷۴۵–۱۷۴۶ | اووالد گئورگ فون کلایست و پیتر فان موسنبروک | بهطور مستقل بطری لیدن را اختراع کردند | روشی اولیه برای ذخیره بار الکتریکی ارائه داد |
| دهه ۱۷۵۰ | بنجامین فرانکلین و سایر آزمایشگران | ماهیت الکتریکی آذرخش را اثبات کرده و برقگیر را ابداع کردند | الکتریسیته آزمایشگاهی را با پدیدههای جوی مرتبط ساخته و یک ابزار حفاظتی کاربردی تولید کردند |
| 1785 | شارل-آگوستن دو کولن | نیروی بین بارهای الکتریکی را اندازهگیری کرد | بنیادی ریاضی برای الکترواستاتیک ایجاد کرد |
| 1800 | الساندرو ولتا | پیل ولتایی را معرفی کرد | بهجای تخلیههای الکترواستاتیک کوتاه، جریان پیوسته برای آزمایشها فراهم کرد |
| 1820 | هانس کریستین اورستد؛ آندره-ماری آمپر | رابطه بین جریان و مغناطیس را نشان داده و تحلیل کردند | راه را برای آهنرباهای الکتریکی، موتورها و نظریه الکترومغناطیس گشود |
| 1821 | مایکل فارادی | چرخش الکترومغناطیسی را به نمایش گذاشت | یک اصل اساسی پشت موتورهای الکتریکی را پایهگذاری کرد |
| 1827 | گئورگ زیمون اهم | رابطهای را منتشر کرد که اکنون به صورت V = IR بیان میشود | جریان، ولتاژ و مقاومت را برای استفاده کمی در تحلیل مدار کاربردی ساخت |
| 1831 | مایکل فارادی؛ جوزف هنری به طور مستقل | القا الکترومغناطیسی را اثبات کردند | اصل عملکرد ژنراتورها و ترانسفورماتورها را ارائه کردند |
| دهه ۱۸۶۰ | جیمز کلرک ماکسول | الکتریسیته، مغناطیس و نور را در نظریه میدان الکترومغناطیسی یکپارچه کرد | چارچوب نظری مهندسی برق و رادیو را فراهم کرد |
| دهههای ۱۸۷۰ تا ۱۸۸۰ | جوزف سوان، توماس ادیسون و تیمهای آنها | روشنایی رشتهای کاربردی و سیستمهای مورد نیاز برای راهاندازی آن را توسعه دادند | روشنایی الکتریکی را از یک نمایش آزمایشگاهی به یک سرویس قابل بهرهبرداری تبدیل کردند |
| 1882 | شرکتهای ادیسون | ایستگاه جریان مستقیم خیابان پرل را در نیویورک افتتاح کردند | یک سیستم قدرت مرکزی تجاری اولیه را به نمایش گذاشتند |
| دهههای ۱۸۸۰ تا ۱۸۹۰ میلادی | گالیلئو فراری، نیکولا تسلا، جورج وستینگهاوس، ویلیام استنلی و دیگران | موتورهای چندفاز، ترانسفورماتورها و سیستمهای جریان متناوب (AC) را توسعه داده و تجاریسازی کردند | امکان تبدیل عملی ولتاژ و توزیع انرژی در گستره وسیعتر را فراهم نمودند |
| ۱۸۹۵–۱۸۹۶ میلادی | وستینگهاوس و تیمهای پروژه آبشار نیاگارا | سیستم تولید و انتقال AC نیاگارا را راهاندازی کردند | تولید و انتقال انرژی در مقیاس بزرگ و در مسافتهای طولانی را به اثبات رساندند |
| 1897 | جی. جی. تامسون | الکترون را شناسایی کرد | مدل علمی بار و ماده را تغییر داد |
| 1947 | جان باردین، والتر براتین و ویلیام شاکلی در آزمایشگاههای بل | ترانزیستور را ابداع کردند | بسیاری از عملکردهای لامپ خلأ را با قطعات نیمههادی کوچکتر و کممصرفتر جایگزین کردند |
| 1954 | تیم آزمایشگاههای بل | یک سلول فتوولتائیک سیلیکونی کاربردی را به نمایش گذاشتند | ایجاد زیربنایی برای تولید الکتریسیته خورشیدی مدرن |
| ۱۹۵۸–۱۹۵۹ | جک کیلبی و رابرت نویس | توسعه رویکردهای مکمل برای مدار مجتمع | امکانپذیر ساختن قرارگیری چندین قطعه الکترونیکی و اتصالات در ساختارهای نیمههادی فشرده |
هیچ جدول زمانی کوتاهی نمیتواند شامل تمام مشارکتکنندگان باشد. این نقاط عطف به این دلیل انتخاب شدند که هر کدام قابلیت مهندسی جدیدی را گشودند: ذخیره بار، تولید جریان پیوسته، تبدیل الکتریسیته به حرکت و بالعکس، تحلیل مدارها، توزیع توان یا پردازش الکترونیکی سیگنالها.
الکتریسیته را چه کسی اختراع کرد؟
هیچکس الکتریسیته را اختراع نکرد. صاعقه، بار ساکن و اثرات بیوالکتریک مدتها پیش از آنکه انسانها به مطالعه آنها بپردازند، وجود داشتند. پرسش دقیقتر این است: چه کسانی به ما کمک کردند تا الکتریسیته را درک و از آن استفاده کنیم؟
افراد مختلف بخشهای متفاوتی از پاسخ را ارائه دادند:
- ویلیام گیلبرت به تبدیل مشاهدات پراکنده به تحقیقات نظاممند کمک کرد.
- بنجامین فرانکلین در درک بار الکتریکی مشارکت داشت و نشان داد که آذرخش ماهیتی الکتریکی دارد.
- الساندرو ولتا یک منبع اولیه کاربردی برای جریان پیوسته ایجاد کرد.
- اورستد، آمپر، فارادی و هنری رابطه بین الکتریسیته، مغناطیس، حرکت و القا را برقرار کردند.
- اهم و ماکسول رفتار الکتریکی را از نظر ریاضی قابل توصیف کردند.
- سوان، ادیسون، تسلا، وستینگهاوس، فراری، استنلی و بسیاری از تیمهای مهندسی به تبدیل علم آزمایشگاهی به روشنایی، موتورها، تولید و توزیع نیرو کمک کردند.
- پژوهشگران حوزه نیمههادی بعدها کنترل مدرن، ارتباطات، رایانش و الکترونیک قدرت را ممکن ساختند.
نسبت دادن الکتریسیته به یک مخترع واحد، تفاوت میان کشف یک پدیده طبیعی و طراحی یک سیستم الکتریکی کاربردی را از بین میبرد.
از بار ساکن تا جریان پیوسته
مشاهدات اولیه و ماشینهای الکترواستاتیک
داستان کهن کهربا اغلب به عنوان “کشف الکتریسیته” معرفی میشود، اما این موضوع بیشتر یک مشاهده بود تا یک توضیح علمی مدرن. تغییر تعیینکننده در طول انقلاب علمی رخ داد، زمانی که آزمایشگران شروع به ایجاد اثرات الکتریکی به طور مکرر و مقایسه مواد مختلف کردند.
کار گیلبرت در حدود سال ۱۶۰۰ به تمایز اثر جاذبه مواد مالشدادهشده از مغناطیس کمک کرد. بعداً ماشینهای الکترواستاتیک، بارهایی بزرگتر و قابلتکرارتر تولید کردند. آزمایشهای گری نشان داد که اثرات الکتریکی میتوانند از طریق برخی مواد هدایت شوند، در حالی که بطری لیدن، بار ذخیرهشده را برای آزمایشهای کنترلشده در دسترس قرار داد.
فرانکلین، صاعقه و بار الکتریکی
بنجامین فرانکلین الکتریسیته را کشف نکرد. پژوهشگران اروپایی و آمریکایی دههها بود که اثرات الکتریکی را مطالعه میکردند. کار او از آن جهت مهم بود که صاعقه را به تخلیه الکتریکی متصل کرد، قرارداد بار مثبت و منفی را پیش برد و منجر به اختراع برقگیر کاربردی شد.
داستان معروف بادبادک نیز باید با دقت بیان شود. فرانکلین این آزمایش را پیشنهاد کرد و گزارشهای معاصر، نمایشی موفقیتآمیز مرتبط با او را توصیف میکنند، اما بازگوییهای سادهسازیشده اغلب جزئیات دراماتیکی را به آن میافزایند که برای درک نتیجه علمی ضروری نیستند.
باتری ولتا آزمایش را تغییر داد
دستگاههای الکترواستاتیک ولتاژهای بالا اما تخلیههای کوتاهی تولید میکردند. پیل ولتا که در سال ۱۸۰۰ معرفی شد، جریان مداومتری را فراهم کرد. این امر ابزاری بنیادین و متفاوت به پژوهشگران داد: آنها توانستند اثرات شیمیایی، گرمایش، مغناطیس و جریان پایدار را مطالعه کنند.
به همین دلیل است که باتری یک نقطه عطف واقعی محسوب میشود. باتری “الکتریسیته را اختراع” نکرد؛ بلکه آزمایشهای الکتریکی کنترلشده را بسیار پربارتر کرد.
الکترومغناطیس، ساخت موتورها و ژنراتورها را ممکن ساخت
در سال ۱۸۲۰، اورستد مشاهده کرد که جریان در یک سیم، عقربه قطبنمای نزدیک خود را منحرف میکند. آمپر به توسعه مطالعه ریاضی و تجربی نیروهای بین جریانها پرداخت. کار آنها نشان داد که الکتریسیته و مغناطیس به هم مرتبط هستند.
سپس فارادی چرخش الکترومغناطیسی را در سال ۱۸۲۱ و القای الکترومغناطیسی را در سال ۱۸۳۱ اثبات کرد. در اصطلاحات مهندسی، این دو ایده در جهت مخالف یکدیگر کار میکنند:
| اصل | تبدیل انرژی | فناوری فعالشده |
|---|---|---|
| عملکرد موتور | انرژی الکتریکی → حرکت مکانیکی | موتورهای الکتریکی، عملگرها، کنتاکتور و مکانیزمهای رله |
| القای الکترومغناطیسی | حرکت مکانیکی یا تغییر شار مغناطیسی → خروجی الکتریکی | ژنراتورها، ترانسفورماتورها، تجهیزات القایی |
جوزف هنری القا را بهطور مستقل کشف کرد، اگرچه فارادی اولین کسی بود که آن را منتشر نمود. ماشینهای کاربردی نیازمند بهبودهای بسیار بعدی در مواد مغناطیسی، عایقبندی، کموتاسیون، طراحی سیمپیچی و ساخت بودند.
برای توضیحی مدرن درباره القا و تبدیل ولتاژ، ببینید نحوه کار ترانسفورماتور الکتریکی.
اندازهگیری و نظریه، آزمایشها را به مهندسی تبدیل کرد
فناوری الکتریکی نمیتوانست تنها از طریق نمایشها مقیاسپذیر شود. مهندسان به روابط پیشبینیپذیر و کمیتهای مشترک نیاز داشتند.
کار اهم، ولتاژ، جریان و مقاومت را به هم مرتبط کرد. کیرشهف بعداً قواعد مدار را برای جریانها در گرهها و ولتاژها در حلقهها فرمولبندی کرد. ماکسول یافتههای تجربی قبلی را در نظریه میدانهای الکترومغناطیسی متحد کرد و نشان داد که نور یک پدیده الکترومغناطیسی است.
این تحولات، کار الکتریکی را از ساختوساز آزمون و خطا به یک رشته مهندسی کمی تبدیل کرد. محاسبات مدار مدرن هنوز هم از این مبانی استفاده میکنند، حتی زمانی که دستگاههای تحت تحلیل، کنترلکنندههای دیجیتال، درایوهای فرکانس متغیر یا مبدلهای توان باشند. برای فرمولهای کاربردی، به راهنمای VIOX در مورد جریان، افت ولتاژ، جریان اتصال کوتاه و ضریب توان مراجعه کنید.
روشنایی الکتریکی به یک سیستم الکتریکی تبدیل شد
لامپ رشتهای کار یک مخترع واحد نبود. جوزف سوان، توماس ادیسون و دیگر محققان لامپهایی را با استفاده از رشتههای گرمشونده در حبابهای شیشهای تخلیه شده توسعه دادند. سهم عمده ادیسون صرفاً روشن کردن یک رشته نبود؛ تیم او به دنبال ساخت یک لامپ با مقاومت بالا و از نظر تجاری کاربردی، همراه با ژنراتورها، سیمکشی، سرپیچها، کلیدها، فیوزها، کنتورها و زیرساختهای توزیع بودند.
در سپتامبر ۱۸۸۲، ایستگاه خیابان پرل (Pearl Street) شروع به خدمترسانی به مشتریان در منهتن جنوبی با جریان مستقیم (DC) کرد. این امر نشان داد که الکتریسیته میتواند به صورت مرکزی تولید شده و به عنوان یک سرویس فروخته شود. با این حال، پوشش آن محدود بود، زیرا معماری توزیع DC موجود به سختی میتوانست به صورت اقتصادی در مسافتهای طولانی و با ولتاژهای مورد نیاز مشتری گسترش یابد.
AC، DC، تسلا، ادیسون و وستینگهاوس: واقعاً چه چیزی تغییر کرد؟
داستان محبوب “تسلا در برابر ادیسون”، یک انتقال بزرگ مهندسی و تجاری را در دو شخصیت خلاصه میکند. دیدگاه دقیقتر این است که چندین مخترع، مهندس، تولیدکننده و سرمایهگذار، معماریهای سیستمی رقیب را توسعه دادند.
ادیسون یک سیستم توزیع DC را ترویج کرد. وستینگهاوس تجهیزات جریان متناوب (AC) را تجاریسازی کرد و حق امتیاز پتنتهای مهم تسلا را دریافت نمود. کار تسلا بر روی موتور و سیستم چندفاز بسیار حائز اهمیت بود، در حالی که گالیلئو فراریس بهطور مستقل مفاهیم میدان مغناطیسی دوار را توسعه داد و ویلیام استنلی توزیع AC کاربردی مبتنی بر ترانسفورماتور را پیش برد.
AC ذاتاً کمتلفات نیست. برای یک هادی مشخص، تلفات در درجه اول به جریان عبوری از آن وابسته است که حاصل آن از رابطه I²R به دست میآید. مزیت تاریخی سیستم AC این بود که ترانسفورماتورها افزایش ولتاژ برای انتقال را عملی میکردند—که در نتیجه باعث کاهش جریان برای توان یکسان میشد—و دوباره آن را در نزدیکی مصرفکنندگان کاهش میدادند. سیستمهای مدرن انتقال جریان مستقیم فشار قوی (HVDC) ثابت میکنند که DC نیز در صورت استفاده از فناوری مبدل مناسب، میتواند برای انتقال از راه دور بسیار مؤثر باشد.
نمایشگاه جهانی شیکاگو در سال ۱۸۹۳ و پروژه آبشار نیاگارا در سالهای ۱۸۹۵ تا ۱۸۹۶، مقیاس تجاری تولید و توزیع AC را به اثبات رساندند. برای درک تفاوت بنیادین جریان، نگاه کنید به جریان AC در مقابل DC.
از شبکههای قدرت تا الکترونیک مدرن
تا اوایل قرن بیستم، ژنراتورها، ترانسفورماتورها، موتورها، تجهیزات حفاظتی و شبکههای بههمپیوسته، معماری پایه سیستمهای قدرت الکتریکی را بنا نهاده بودند. تحول بعدی از الکترونیک ناشی شد—یعنی کنترل سیگنالهای الکتریکی بهجای صرفاً انتقال توان عمده.
شناسایی الکترون در اواخر قرن نوزدهم به بازنگری در مدل فیزیکی الکتریسیته کمک کرد. لامپهای خلأ امکان تقویت و کلیدزنی را فراهم کردند، اما نسبتاً بزرگ بودند و مصرف توان بالایی داشتند. ترانزیستور که در سال ۱۹۴۷ در آزمایشگاههای بل توسعه یافت، امکان ساخت سیستمهای الکترونیکی کوچکتر و مطمئنتر را فراهم کرد.
در سال ۱۹۵۸، جک کیلبی مداری را به نمایش گذاشت که عناصر آن از مواد نیمههادی تشکیل شده بودند. رابرت نویس متعاقباً یک رویکرد یکپارچه عملی را با استفاده از فرآیند مسطح و اتصالات فلزی توسعه داد. این دو نفر به طور گسترده به عنوان مخترعان مشترک مدار مجتمع با مشارکتهای متمایز شناخته میشوند. مدارهای مجتمع منجر به ساخت سیستمهای کنترلی فشرده، محاسبات، حفاظت دیجیتال، ارتباطات و الکترونیک قدرت مورد استفاده در انرژیهای تجدیدپذیر و کاربردهای EV شدند.
افسانههای رایج درباره تاریخچه الکتریسیته
| ادعای رایج | توضیح دقیقتر |
|---|---|
| بنجامین فرانکلین الکتریسیته را کشف کرد | الکتریسیته پیش از فرانکلین نیز مورد مطالعه قرار گرفته بود. کار او رعد و برق را به پدیدههای الکتریکی مرتبط کرد و نظریه بار و حفاظت در برابر صاعقه را پیش برد. |
| ادیسون لامپ الکتریکی را اختراع کرد | مخترعان بسیاری لامپهای رشتهای را توسعه دادند. ادیسون و تیمش یک رویکرد عملی لامپ و سیستم را ارائه دادند و خدمات مرکزی برق را تجاریسازی کردند. |
| تسلا AC را اختراع کرد | جریان متناوب (AC) پیش از تسلا نیز شناختهشده بود. سیستم چندفاز و حق اختراعهای موتور او، کمکهای عمدهای به توان AC کاربردی بودند. |
| AC مسافت بیشتری را طی میکند، زیرا خود AC انرژی کمتری از دست میدهد | ولتاژ انتقال بالاتر، جریان و تلفات I²R را کاهش میدهد. مزیت تاریخی AC، تبدیل راحت ولتاژ بود. |
| الکتریسیته و الکترونیک یکسان هستند | مهندسی قدرت الکتریکی بهشدت بر تولید، انتقال، کلیدزنی و استفاده از انرژی تمرکز دارد؛ الکترونیک بهشدت بر کنترل سیگنالها و توان با دستگاههایی مانند لامپها، ترانزیستورها و مدارهای مجتمع تمرکز دارد. این حوزهها با یکدیگر همپوشانی دارند. |
سوالات متداول
الکتریسیته چه زمانی کشف شد؟
تاریخ کشف واحدی برای آن وجود ندارد. ناظران باستان اثرات مرتبط با بار ساکن را توصیف کردند، مطالعه سیستماتیک الکتریکی از قرن هفدهم شتاب گرفت و قرن نوزدهم پایههای مهندسی برق مدرن را بنا نهاد.
آیا بنجامین فرانکلین الکتریسیته را اختراع کرد؟
خیر. فرانکلین الکتریسیته را بررسی کرد، به نظریه بار الکتریکی کمک نمود، رعد و برق را با تخلیه الکتریکی مرتبط ساخت و برقگیر (صاعقهگیر) را توسعه داد. الکتریسیته یک پدیده طبیعی است، نه یک اختراع انسانی.
آیا توماس ادیسون یا نیکولا تسلا الکتریسیته را اختراع کردند؟
هیچکدام الکتریسیته را اختراع نکردند. ادیسون به توسعه و تجاریسازی روشنایی کاربردی و سیستمهای توزیع DC کمک کرد. تسلا مشارکتهای عمدهای در موتورهای چندفاز AC و فناوری سیستمهای قدرت داشت. هر دو در چارچوب یک تلاش مهندسی بینالمللی بسیار بزرگتر فعالیت میکردند.
مهمترین کشف در تاریخ برق چه بود؟
پاسخ واحد و جهانی برای این پرسش وجود ندارد. باتری ولتا آزمایشهای جریان پایدار را امکانپذیر ساخت؛ القای فارادی، ژنراتورها و ترانسفورماتورها را ممکن کرد؛ و قطعات نیمههادی، الکترونیک مدرن را محقق ساختند. هر کدام از اینها به کشفهای پیشین وابسته بودند و یک مشکل مهندسی متفاوت را حل کردند.
چرا القای الکترومغناطیسی تا این حد اهمیت داشت؟
القای الکترومغناطیسی تولید الکتریسیته از تغییر شار مغناطیسی و تبدیل ولتاژ AC را امکانپذیر ساخت. این پدیده همچنان در ژنراتورها، ترانسفورماتورها، موتورهای القایی و بسیاری از تجهیزات حسگر، بنیادی باقی مانده است.