تاريخ الكهرباء والمغناطيسية

يعد كل من الكهرباء والمغناطيسية من الموضوعات التي شكلت ديناميكيات الفيزياء الحديثة. وسوف نلقي نظرة على بعض المبادئ الكامنة وراء هذين الموضوعين وتاريخ تطورهما وعلاقة كل منهما بالآخر.

ما هي الكهرباء

في أبسط المصطلحات، يمكننا تعريف الكهرباء على أنها مجموعة من الجسيمات المشحونة والتي تتحرك باستمرار. لفهم ماهية الكهرباء يجب أن يكون لدينا فهم جيد لمبادئها التشغيلية الأساسية.

تتكون المادة في الأساس من جزيئات هي في الأساس العديد من الذرات. ومن المعروف أن كل ذرة تحتوي في بنيتها الأساسية على بروتونات (شحنات موجبة) وإلكترونات (شحنات سالبة) ونيوترونات (شحنات متعادلة).

وبناءً على هذا التعريف، يمكن أن تكون الكهرباء إما في صورة ساكنة أو ديناميكية. وكما يوحي الاسمان، فالصورة الساكنة تعني ببساطة أن الإلكترونات عند هذه النقطة غير متحركة.

وهذا يعني أن الشحنة الكهربية قد تراكمت في مكان محدد، مع عدم وجود تدفق للتيار.

ما هي المغناطيسية

المغناطيسية يمكن تعريفها بأنها القوة التي تجعل المواد المغناطيسية إما أن تتجاذب أو تتنافر. وتنتج هذه القوة عن حركة الشحنات داخل المغناطيس.

المقارنة بين الكهرباء والمغناطيسية

يمكن تصنيف الكهرباء والمغناطيسية على أنهما الوجهان الرئيسيان لـ الكهرومغناطيسية. يمكننا أن نحلل معنى الكهرومغناطيسية على أنها ببساطة القوة الكهرومغناطيسية الموجودة بين الجسيمات المشحونة كهربيًّا.

هذه القوة هي التي تربط الإلكترونات داخل الجزيء بنواته وبالتالي تعزز بنيته.

تاريخ الكهرباء والمغناطيسية

كان يُنظر إلى الكهرباء والمغناطيسية في البداية على أنهما سيناريوهان مختلفان تمامًا وفريدان. بعد عام 19^ذ القرن، اكتُشف أنهما مترابطان ويشكلان ما يسمى بالكهرومغناطيسية بشكل فريد.

يمكننا تتبُّع بداية الكهرباء والمغناطيسية إلى العصور القديمة اليونانية القديمة. كان هذا عندما كنت بحاجة إلى تطبيق المقاييس القديمة لفهم النظرية بشكل أفضل بالنسبة للاثنين.

وقد خرج العديد من الباحثين من 18^ذ القرن حتى عام 19^ذ القرن لتحديد وتشكيل فهمنا لها بشكل جيد. ومن بين هؤلاء الباحثين والعلماء أمثال مايكل فاراداي وأوغست كولوم وبنجامين فرانكلين.

استنادًا إلى هذا التاريخ القديم، لدينا رواد مبتدئون مثل ويليام جيلبرت (1540-1603) الذي بدأ مفهوم المغناطيسية. الذي اشتهر باسم "جاليليو المغناطيسية"، اكتشف ونشر في النهاية حقيقة أن المغناطيس يحتوي على قطبين.

كما توصل تشارلز فرانسوا دو فاي (1698-1739) إلى اكتشاف عظيم. فقد أدرك أن فرك أي جسمين معاً يؤدي إلى إنتاج شكل من أشكال الشحنة الكهربائية.

ثم هناك بنجامين فرانكلين (1706-1790) الذي توصل إلى مانع الصواعق بعد أن صدم نفسه عن طريق الخطأ. وقد استند في ذلك إلى نظريته حول إبرة حديدية حادة على كرة معدنية تميل إلى توصيل الكهرباء بعيدًا عن الكرة.

ولدينا أيضًا تشارلز أوغست كولوم (1763-1806) الذي توصل إلى نظرية توازن الالتواء. ومن هذا طوَّر قانون كولومبز التي تنص على أن أي قوة كهروستاتيكية بين جسمين مشحونين تتناسب طرديًّا مع الشحنة.

فيزيائي دنماركي يُدعى هانز كريستيان أورستد (1777-1851) مسؤول عن اكتشاف إمكانية توليد المجالات المغناطيسية من الكهرباء. وأثبتت نظريته أن التيار الكهربائي في سلك موصل قادر على انحراف إبرة ممغنطة.

عالم عظيم آخر في تاريخ الكهرباء والمغناطيسية هو مايكل فاراداي. فقد اكتشف الحث المغناطيسي في عام 1831، وهو في الأساس إنتاج موجات كهرومغناطيسية من التفاعل بين دائرة كهربائية ومجال مغناطيسي.

تاريخ الكهرومغناطيسية القديمة

يمكننا أن نعزو الاكتشاف الأول للمغناطيسية إلى الإغريق الذين كانت لديهم معرفة واضحة بقوى الجذب المغناطيسية والعنبر المطاطي والمغنطيسية. في وقت مبكر من عام 800 قبل الميلاد، كان الإغريق يستخرجون بالفعل المغنتيت في ثيساليا، في مقاطعة مغنيسيا.

كان اليوناني الذي يُنسب إليه أنه أول من بدأ دراسة القوى المغناطيسية يُدعى طاليس ميليتس. اكتشف أمرين في بحثه. الأول هو أن المغناطيس لديه القدرة على جذب الحديد.

ثانياً، قام بفرك راتنج شجرة أحفوري يسمى العنبر وكانت النتيجة أنه يجذب المواد ذات الوزن الخفيف. ومن المعروف على نطاق واسع أن كلمة مغناطيس جاءت من اسم مقاطعة ماغنيسيا في اليونان.

عندما يتعلق الأمر بالتطبيقات القديمة، فإن أول استخدام معروف كان في البوصلة المغناطيسية. يقال أنه كان في الصين في حوالي عام 26^ذ قرن قبل الميلاد، ولكن هذا مجرد رأي بعض المؤرخين.

يعتقد مؤرخون آخرون أن العرب أو الإيطاليين هم من اخترعها وشاركوا التكنولوجيا مع الصين حوالي عام 13^ذ القرن. بيتر بيريجرينوس من فرنسا هو الشخص الذي يرجع إليه الفضل في إجراء أول تجربة كهرومغناطيسية.

وقد أجرى تجارب باستخدام حجر اللودستون وتوصل إلى طرفي المغناطيس الشمالي والجنوبي، وأطلق عليهما اسم القطبين. واكتشف كذلك أن تقطيع أي مغناطيس إلى قطع سيظل يعطي كل قطعة منه قطبين.

اكتشاف الكهرومغناطيسية

بالنسبة لمفهوم سيحدث ثورة في العالم بأسره في نهاية المطاف، من الغريب جدًا أن الكهرومغناطيسية اكتشفت بالصدفة. كان هانز كريستيان أورستد عالمًا دنماركيًا يشرح لبعض الطلاب في المختبر.

كان يحاول إثبات عدم وجود علاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. تضمن العرض التوضيحي وضع سلك موصل بجانب بوصلة وتمرير بعض التيار خلالها.

تحتوي البوصلة على إبرة مغناطيسية وكان من المتوقع ألا تكون هناك حركة للإبرة. حافظت الإبرة عند تمرير التيار على السلك على الاتجاه نحو الشمال المغناطيسي للأرض.

وبمجرد أن انتهى من إثبات ذلك، أخذ أحد الطلاب السلك ووضعه في اتجاه مختلف بجانب البوصلة. وعلى عكس ما كان يعتقده أورستد، اتجهت إبرة البوصلة نحو السلك ولم تعد تتجه نحو شمال الأرض.

ولتأكيد هذه الملاحظة، أوقف التيار عن السلك ليرى التأثير، فأشارت الإبرة إلى شمال الأرض. كان اكتشاف أورستد هنا هو أنه يمكن توليد مجال مغناطيسي من تيار كهربائي.

كان لقوة هذا المجال المغناطيسي المتولد شدة كافية لجذب الإبرة المغناطيسية للبوصلة. هكذا اكتُشفت الكهرومغناطيسية وأثر تطورها بشكل كبير على الفيزياء والاختراعات الحديثة.

الجداول الزمنية للكهرباء والمغناطيسية من الفكرة إلى الوقت الحاضر

يمكننا تسليط الضوء على بعض التطورات الرئيسية للكهرباء والمغناطيسية عامًا بعد عام. وهذا يعني أنه علينا أن نبدأ من اكتشافهما إلى التكنولوجيا الحالية.

حوالي عام 600 قبل الميلاد، تم اكتشاف أحجار اللودستون وتحديد خصائصها المغناطيسية من قبل الفلاسفة اليونانيين. هذا في نفس الوقت تقريبًا الذي اكتشفوا فيه معدنًا يسمى العنبر له القدرة على جذب المواد الضوئية بمجرد فركها.

شهدت هذه الفترة نفسها اكتشاف ثلاث طرق لتوليد الكهرباء وهي الحث الكهرومغناطيسيالساكنة أو عن طريق الكهروكيميائية. كان هذا بعد أن أجرى الدكتور ويليام جيلبرت بحثًا عن تفاعلات المغناطيس والعنبر.

تم اختراع البوصلة فيما بعد بين 1100 قبل الميلاد و1200 قبل الميلاد. وفي نفس الفترة تقريباً تم اكتشاف بوصلة عائمة وأخرى ذات نقطة محورية.

تم العثور على المزيد من المواد الكهربائية بفضل اكتشاف ويليام جيلبرت (1544-1603) في حوالي عام 16^ذ القرن. حيث تم اكتشاف الكهرباء الزجاجية والراتنجية عندما تم فرك الكهرمان باستخدام مواد مختلفة.

توصل مخترع وعالم ألماني يُدعى أوتو فون جيريكه إلى اختراع مولد الكهرباء الساكنة، وهي الآلة التي تنتج الكهرباء الساكنة. كان هذا الوقت الفعلي حوالي عام 1660م.

بعد ذلك، توصل ستيفن جراي إلى نظرية الموصلات وغير الموصلات في عام 1729. واكتشف أن الجسم المشحون يمكن أن يمرر طاقة كهربائية إلى جسم آخر غير مشحون عند ملامسته له.

أدى ذلك إلى اكتشاف التجاذب والتنافر على الأجسام الكهربائية. وقد اكتشف غوين نايت هذين النوعين من الكهرباء في عام 1734.

بعد اكتشاف المغناطيس الطبيعي، بدأ غوين نايت إنتاج المغناطيس الاصطناعي في عام 1740. كان هذا النوع من المغناطيس للاستخدام التجاري مهمًا جدًا خاصة للملاحين البحريين والمستكشفين العلميين الطبيعيين.

ثم جاءت بعد ذلك المكثفات الكهربائية التي اخترعها بيتر فان موشنبروك مع إيوالد فون كلايست من هولندا وبوميرانيا على التوالي. كان ذلك في عام 1745 وكان المفهوم الكامن وراءه هو إمكانية تخزين الشحنة الكهربائية مؤقتًا.

ومن هذا الحفظ للشحنات، اكتشف أمريكي يدعى بنجامين فرانكلين في عام 1747 أن هناك نوعين من الشحنات المخزنة. وكانت القوى الكهربية موجودة إما كقوى تنافر أو قوى تجاذب يرمز لها إما بالإشارة الموجبة (+) أو السالبة (-).

اخترع أليساندرو فولتا أول بطارية كهربائية في وقت لاحق، حيث اكتشف أن الرطوبة بين لوحين كهربائيين يمكن أن تولد الكهرباء. وأكد أنه يمكنك نقل الكهرباء من نقطة إلى أخرى باستخدام سلك موصل.

جاء اكتشاف التيار حوالي عام 1820 وكان على يد أندريه ماري أمبير الذي توصل إلى القوانين التي تمس المجالات المغناطيسية وعلاقتها بالتيار. يقاس هذا التيار بالأمبير وهو ما يجمع بين المغناطيسية والكهرباء بشكل أساسي لأن المغناطيسية تأتي منه.

اكتشف مايكل فراداي (1791-1867) الحث الكهرومغناطيسي، وهو إنجاز كان من أفضل الاكتشافات في المجال الكهرومغناطيسي في عام 1855. وكان السبب وراء ذلك كله هو أن المغناطيسية يمكن أن تنتج الكهرباء بنفس الطريقة التي يمكن أن تنتج بها المغناطيسية الكهرباء.

اكتشف السير همفري ديفي مصابيح القوس الكهربائي في عام 1860 على الرغم من أنها كانت تتطلب تيارات كهربائية ثقيلة، على الرغم من استخدام بطاريات كبيرة. تم تشكيل توهج لامع بمجرد محاذاة قضيبين من الكربون معًا والحفاظ عليهما على هذا النحو باستخدام التيار.

وبقدر ما كانت محركات التيار المستمر الكهربائية لا تزال قيد التجارب، صنع باتشينوتي في عام 1860 محركًا باستخدام محرك ذي لف حلقي. وفي عام 1871، طور زينوبي ثيوفيل جرامي مفهوم باتشينوتي وصنع محركًا قابلًا للتطبيق تجاريًا.

وكبديل للأضواء القوسية المستخدمة في إضاءة الشوارع، تم اكتشاف الإضاءة ذات القدرة الثابتة في عام 1871، وكانت تحتاج إلى إمداد طاقة ثابتة. وهكذا تم اختراع مولد التيار المستمر مما أدى إلى ولادة صناعة الطاقة.

العبقري المسؤول عن اختراع نظام التيار المتردد هو صربي يدعى نيكولا تسلا في عام 1883. وبما أنه لم يكن من الممكن نقل تيارات التيار المستمر عبر مسافات طويلة، فقد قام تسلا بتجربة المجال المغناطيسي الدوار من مولدات الطاقة التي تعمل بالتيار المستمر.

استفاد جورج واشنطن من اختراع تسلا وبدأ في عام 1886 في توليد أول طاقة تيار متردد. واستُخدمت الطاقة للإضاءة فقط نظراً لعدم توفر محرك تيار متردد للاستخدامات الأخرى.

ومنذ ذلك الحين، حدثت تطورات سريعة مثل المفاعل النووي الانشطاري على يد أوتو هان في عام 1890 والمضخم الإلكتروني في عام 1906 على يد لي دي فورست. وتشمل الاكتشافات الأخرى في تلك الفترة مغناطيس الكوبالت الصلب في عام 1917 على يد هوندا وتاكاي ومغناطيس الصلب التجاري في عام 1919.

ثم ظهرت أجهزة الراديو التي تعمل على موجات FM على يد إدوين أرمسترونج في عام 1920، تلاها مغناطيسات تسمى ألنيكو تحتوي على الحديد والنيكل والألومنيوم اخترعها ميشيما في عام 1930. وأعقب ذلك على عجل اختراع الترانزستورات في عام 1950 على يد ويليام شوكلي ثم مغناطيسات السيراميك في عام 1952 على يد شركة فيليبس.

ومن الاختراعات العظيمة الأخرى للإلكترونيات الحديثة الدائرة المتكاملة التي اخترعها جاك كيلبي في عام 1953. اكتشف الدكتور كارل سترنات في عام 1966 مغناطيسات أرضية نادرة مثل مغناطيس الساماريوم-كوبلت الذي يحتوي على مستويات عالية جدًا من الطاقة.

وفي وقت لاحق، ظهرت إلى الوجود منتجات كهرومغناطيسية عالية الطاقة مثل النيوديميوم الحديد البورون. تم تطوير هذه المركبات عالية الطاقة من قبل شركة جنرال موتورز في عام 1983. ومنذ ذلك الحين، أُدخلت تطورات على هذه التقنيات الموجودة مع إجراء تعديلات إلى حد كبير.

تطبيقات الكهرومغناطيسية

من خلال الكهرومغناطيسية، تجد الكهرباء والمغناطيس طريقها في حياتنا اليومية. تطبيقاتها واسعة ومتنوعة في العديد من المجالات بما في ذلك:

• مولدات الطاقة والمحولات
• صناعة الرعاية الصحية في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي
• صمامات التحكم والمرحلات الصناعية والملفات اللولبية الكهروميكانيكية
• الأجراس الكهربائية والجرس الإلكتروني
• مطياف الكتلة المختبري
• أقفال مغناطيسية وفواصل مغناطيسية
• الأجهزة المنزلية مثل المراوح الكهربائية وأنظمة التبريد
• المستشعرات والمشغلات
• قطارات الرفع المغناطيسي

خاتمة

باختصار، قطعت فوائد الكهرباء والمغناطيسية التي نختبرها اليوم شوطاً طويلاً. فقد كانت هناك سلسلة من الابتكارات التي تهدف إلى الحصول على معدات أفضل أداءً مع تحسين الكفاءة.