Historia elektryczności

Elektrotechnika powstała w epoce elżbietańskiej

Paul Taylor/Getty Images

Historia elektryczności zaczyna się od Williama Gilberta (1544–1603), lekarza i przyrodnika, który służył królowej Elżbiecie I Anglii. Przed Gilbertem wszystko, co wiedziano o elektryczności i magnetyzmie, to to, że kamień lodowy ( magnetyt ) posiadał właściwości magnetyczne i że pocieranie bursztynu i gagatu przyciągało kawałki różnych materiałów, aby zaczęły się sklejać.

W 1600 roku Gilbert opublikował swój traktat „De magnete, Magneticisique Corporibus” (O magnesie). Wydana w naukowej łacinie książka wyjaśniała lata badań i eksperymentów Gilberta nad elektrycznością i magnetyzmem. Gilbert bardzo wzbudził zainteresowanie nową nauką. To Gilbert ukuł w swojej słynnej książce wyrażenie „electrica”.

Wcześni wynalazcy

Zainspirowani i wykształceni przez Gilberta, kilku europejskich wynalazców, w tym Otto von Guericke (1602-1686) z Niemiec, Charles Francois Du Fay (1698-1739) z Francji i Stephen Gray (1666-1736) poszerzyło wiedzę.

Otto von Guericke jako pierwszy udowodnił, że próżnia może istnieć. Stworzenie próżni było niezbędne dla wszelkiego rodzaju dalszych badań nad elektroniką. W 1660 von Guericke wynalazł maszynę wytwarzającą elektryczność statyczną; to był pierwszy generator elektryczny.

W 1729 r. Stephen Gray odkrył zasadę przewodzenia elektryczności, aw 1733 r. Charles Francois du Fay odkrył, że elektryczność występuje w dwóch formach, które nazwał żywiczną (-) i szklistą (+), obecnie nazywaną ujemną i dodatnią.

Jar lejdejski

Słoik Leyden był oryginalnym kondensatorem, urządzeniem, które przechowuje i uwalnia ładunek elektryczny. (W tym czasie elektryczność była uważana za tajemniczy płyn lub siłę.) Słój lejdejski został wynaleziony w 1745 r. niemal równocześnie w Holandii przez naukowca Pietera van Musschenbroek (1692–1761) W 1745 r. oraz w Niemczech przez niemieckiego duchownego i naukowca Ewalda Christiana Von Kleista (1715-1759). Kiedy Von Kleist po raz pierwszy dotknął swojego lejdejskiego słoika, doznał potężnego wstrząsu, który powalił go na podłogę.

Słój Leyden został nazwany na cześć rodzinnego miasta Musschenbroeka i uniwersytetu Leyden przez francuskiego naukowca i duchownego Jean-Antoine Nollet (1700-1770). Słój był również nazywany słojem kleistowskim po Von Kleist, ale ta nazwa się nie trzymała.

Ben Franklin, Henry Cavendish i Luigi Galvani

Ojciec założyciel USA Bena Franklina (1705-1790) ważnym odkryciem było to, że elektryczność i błyskawica to jedno i to samo. Piorunochron Franklina był pierwszym praktycznym zastosowaniem elektryczności. filozof przyrody Henry Cavendish z Anglii, Coulomb z Francji i Luigi Galvani Włoch wniósł wkład naukowy w poszukiwanie praktycznych zastosowań energii elektrycznej.

W 1747 roku brytyjski filozof Henry Cavendish (1731-1810) rozpoczął pomiary przewodnictwa (zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego) różnych materiałów i opublikował swoje wyniki. Francuski inżynier wojskowy Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) odkrył w 1779 r. to, co później nazwano „prawem Coulomba”, które opisywało elektrostatyczną siłę przyciągania i odpychania. A w 1786 roku włoski lekarz Luigi Galvani (1737-1798) zademonstrował to, co obecnie rozumiemy jako elektryczną podstawę impulsów nerwowych. Galvani słynnie powodował, że mięśnie żaby drgały, potrząsając nimi iskrą z maszyny elektrostatycznej.

Po pracach Cavendisha i Galvaniego pojawiła się grupa ważnych naukowców i wynalazców, w tym Alessandro Volta (1745-1827) z Włoch, duński fizyk Hans Christian Ørsted (1777-1851), francuski fizyk Andre-Marie Ampere (1775-1836), Georg Ohm (1789-1854) z Niemiec, Michael Faraday (1791-1867) z Anglii i Joseph Henry (1797-1878) z USA

Pracuj z magnesami

Joseph Henry był badaczem w dziedzinie elektryczności, którego praca zainspirowała wielu wynalazców. Pierwszym odkryciem Henry'ego było to, że moc magnesu można ogromnie wzmocnić, owijając go izolowanym drutem. Był pierwszą osobą, która stworzyła magnes, który mógł podnieść 3500 funtów wagi. Henry wykazał różnicę między magnesami „ilościowymi” złożonymi z krótkich odcinków drutu połączonych równolegle i wzbudzanych przez kilka dużych ogniw a magnesami „intensywnymi” nawiniętymi pojedynczym długim przewodem i wzbudzanymi przez baterię złożoną z ogniw połączonych szeregowo. Było to oryginalne odkrycie, znacznie zwiększające zarówno natychmiastową użyteczność magnesu, jak i jego możliwości dla przyszłych eksperymentów.

Zawieszony orientalny oszust

Michael Faraday , William Sturgeon (1783-1850) i inni wynalazcy szybko rozpoznali wartość odkryć Henry'ego. Jesiotr wspaniałomyślnie powiedział: „Profesor Joseph Henry był w stanie wytworzyć siłę magnetyczną, która całkowicie przyćmiewa się wzajemnie w całych annałach magnetyzmu i nie można znaleźć analogii od cudownego zawieszenia słynnego orientalnego oszusta w jego żelaznej trumnie”.

To powszechnie używane wyrażenie jest odniesieniem do niejasnej historii, którą ci europejscy naukowcy przekomarzali o Mahomecie (571–632 n.e.), założycielu islam . W rzeczywistości ta opowieść wcale nie była o Mahomecie, ale raczej opowieść opowiedziana przez… Pliniusz Starszy (23–70 n.e.) o trumnie w Aleksandrii w Egipcie. Według Pliniusza, Świątynię Serapisa w Aleksandrii zbudowano z potężnych kamieni lodowych, tak potężnych, że żelazna trumna młodszej siostry Kleopatry, Arsinoe IV (68–41 p.n.e.) miała wisieć w powietrzu.

Joseph Henry odkrył również zjawiska samoindukcji i wzajemnej indukcji. W swoim eksperymencie prąd przesyłany przez przewód na drugim piętrze budynku indukował prądy przez podobny przewód w piwnicy dwa piętra niżej.

Telegraf

Telegraf był wczesnym wynalazkiem, który przesyłał wiadomości na odległość za pomocą przewodu przy użyciu prądu, który później został zastąpiony przez telefon. Słowo telegrafia pochodzi od greckich słów tele, co oznacza daleko i grapho, co oznacza pisać.

Pierwsze próby przesłania sygnałów za pomocą prądu (telegrafu) podejmowano wiele razy, zanim problem zainteresował się Henrykiem. Williama Sturgeona Wynalezienie elektromagnesu zachęciło naukowców w Anglii do eksperymentowania z elektromagnesem. Eksperymenty nie powiodły się i wytworzyły jedynie prąd, który osłabł po kilkuset metrach.

Podstawa telegrafu elektrycznego

Jednak Henry naciągnął milę cienkiego drutu, umieścił „intensywność” bateria na jednym końcu i sprawił, że zbroja uderzyła w dzwonek na drugim. W tym eksperymencie Joseph Henry odkrył podstawową mechanikę stojącą za telegraf elektryczny .

Odkrycia tego dokonano w 1831 roku, rok przed wynalezieniem telegrafu przez Samuela Morse'a (1791-1872). Nie ma kontrowersji, kto wynalazł pierwszą maszynę telegraficzną. To było osiągnięcie Morse'a, ale odkrycie, które zmotywowało i pozwoliło Morse'owi na wynalezienie telegrafu, było osiągnięciem Josepha Henry'ego.

Własnymi słowami Henry'ego: „To było pierwsze odkrycie faktu, że prąd galwaniczny może być przesyłany na duże odległości przy tak małym zmniejszeniu siły, aby wywołać efekty mechaniczne, oraz środków, za pomocą których można to osiągnąć. Zobaczyłem, że telegraf elektryczny jest teraz wykonalny. Nie miałem na myśli żadnej szczególnej formy telegrafu, ale odniosłem się tylko do ogólnego faktu, że teraz wykazano, iż prąd galwaniczny może być przesyłany na duże odległości, z mocą wystarczającą do wywołania efektów mechanicznych adekwatnych do pożądanego obiektu.

Silnik magnetyczny

Następnie Henry zajął się projektowaniem silnika magnetycznego i udało mu się skonstruować silnik z prętami tłokowymi, na którym zainstalował pierwszy automatyczny zmieniacz biegunów lub komutator, kiedykolwiek używany z akumulatorem elektrycznym. Nie udało mu się wytworzyć bezpośredniego ruchu obrotowego. Jego bar oscylował jak chodzący promień parowca.

Samochody elektryczne

Thomas Davenport (1802–1851), kowal z Brandon w stanie Vermont, zbudował w 1835 r. samochód elektryczny, który nadawał się do drogi. Dwanaście lat później amerykański inżynier elektryk Moses Farmer (1820–1893) zaprezentował lokomotywę o napędzie elektrycznym. W 1851 r. wynalazca Charles Grafton Page (1712-1868) z Massachusetts jeździł samochodem elektrycznym po torach kolei Baltimore i Ohio, z Waszyngtonu do Bladensburga, z prędkością dziewiętnastu mil na godzinę.

Jednak koszt akumulatorów był wówczas zbyt wysoki, a wykorzystanie silnika elektrycznego w transporcie nie było jeszcze praktyczne.

Generatory elektryczne

Zasada działania dynama lub generatora elektrycznego została odkryta przez Michaela Faradaya i Josepha Henry'ego, ale proces jej rozwoju w praktyczny generator prądu pochłonął wiele lat. Bez dynama do wytwarzania energii rozwój silnika elektrycznego był w martwym punkcie, a energia elektryczna nie mogła być szeroko wykorzystywana do transportu, produkcji lub oświetlenia, tak jak jest używana dzisiaj.

Światła uliczne

Lampa łukowa jako praktyczne urządzenie oświetleniowe została wynaleziona w 1878 roku przez inżyniera Charlesa Brusha (1849-1929) z Ohio. Inni zaatakowali problem oświetlenia elektrycznego, ale brak odpowiednich karbonów stanął na drodze ich sukcesu. Pędzel wykonał szereg lampek z jednego dynama. Pierwsze światła Brush zostały użyte do oświetlenia ulicznego w Cleveland w stanie Ohio.

Inni wynalazcy ulepszyli światło łukowe, ale były też wady. W przypadku oświetlenia zewnętrznego i dużych hal dobrze sprawdzały się lampy łukowe, ale w małych pomieszczeniach nie można było używać lamp łukowych. Poza tym były w seriach, to znaczy prąd przechodził po kolei przez każdą lampę, a wypadek jednej z nich wyłączył całą serię. Cały problem oświetlenia wewnętrznego miał rozwiązać jeden z najsłynniejszych amerykańskich wynalazców: Thomas Alva Edison (1847-1931).

Thomas Edison Giełda

Pierwszy z Edisona niezliczone wynalazki z elektrycznością był automatycznym rejestratorem głosów, na który otrzymał patent w 1868 roku, ale nie był w stanie wzbudzić zainteresowania urządzeniem. Potem wynalazł notowania giełdowe , i uruchomił usługę tickerów w Bostonie z 30 lub 40 subskrybentami i działał z pokoju nad Gold Exchange. Tę maszynę Edison próbował sprzedać w Nowym Jorku, ale wrócił do Bostonu bez powodzenia. Następnie wynalazł dwukierunkowy telegraf, za pomocą którego można było wysyłać dwie wiadomości jednocześnie, ale podczas testu maszyna zawiodła z powodu głupoty asystenta.

W 1869 r. Edison był na miejscu, gdy zawiódł telegraf w Gold Indicator Company, koncernie dostarczającym swoim abonentom ceny złota na giełdzie. Doprowadziło to do powołania go na stanowisko nadinspektora, ale kiedy zmiana we własności firmy wyrzuciła go ze stanowiska, które utworzył, z Franklin L. Pope , spółka partnerska Pope, Edison and Company, pierwszej firmy inżynierów elektryków w Stanach Zjednoczonych.

Ulepszony wskaźnik giełdowy, lampy i dynama

Niedługo potem Tomasz Edison wypuścił wynalazek, który zapoczątkował jego drogę do sukcesu. Był to ulepszony symbol giełdowy, a Gold and Stock Telegraph Company zapłacił mu za niego 40 000 dolarów. Thomas Edison natychmiast założył sklep w Newark. Udoskonalił obowiązujący wówczas system telegrafii automatycznej i wprowadził go do Anglii. Eksperymentował z kablami podwodnymi i opracował system telegrafii kwadrupleksowej, za pomocą którego jeden drut wykonywał pracę czterech.

Te dwa wynalazki zostały kupione przezJay Gould, właściciel Atlantic and Pacific Telegraph Company. Gould zapłacił 30 000 dolarów za system quadruplex, ale odmówił zapłaty za automatyczny telegraf. Gould kupił Western Union, jego jedyną konkurencję. — Kiedy Gould dostał Western Union — powiedział Edison — wiedziałem, że dalszy postęp w telegrafii nie jest możliwy i przeszedłem na inne linie.

Menlo Park

Edison wznowił pracę dla Western Union Telegraph Company, gdzie wynalazł nadajnik węglowy i sprzedał go Western Union za 100 000 dolarów. Na tej podstawie Edison założył w 1876 roku laboratoria i fabryki w Menlo Park w stanie New Jersey i tam wynalazł fonograf , opatentowany w 1878 roku i rozpoczął serię eksperymentów, w wyniku których powstała jego żarówka.

Thomas Edison był oddany produkcji lampa elektryczna do użytku w pomieszczeniach. Jego pierwsze badania dotyczyły trwałego włókna, które pali się w próżni. Seria eksperymentów z drutem platynowym i różnymi metalami ogniotrwałymi przyniosła niezadowalające wyniki, podobnie jak wiele innych substancji, w tym ludzki włos. Edison doszedł do wniosku, że rozwiązaniem jest jakiś rodzaj węgla, a nie metal – angielski wynalazca Joseph Swan (1828–1914) doszedł do tego samego wniosku w 1850 roku.

W październiku 1879 roku, po czternastu miesiącach ciężkiej pracy i wydaniu 40 000 dolarów, nitka zwęglonej bawełny zapieczętowana w jednym z globusów Edisona została przetestowana i wytrzymała czterdzieści godzin. „Jeśli teraz spłonie czterdzieści godzin”, powiedział Edison ,,Wiem, że mogę sprawić, by spaliło się sto”. I tak zrobił. Potrzebny był lepszy filament. Edison znalazł go w zwęglonych paskach bambusa.

Edisona Dynamo

Edison opracował również swój własny typ dynamo , największy, jaki kiedykolwiek powstał. Wraz z żarówkami Edisona był to jeden z cudów Paryskiej Wystawy Elektrycznej z 1881 roku.

Wkrótce nastąpiła instalacja w Europie i Ameryce instalacji elektrycznych. Pierwsza wielka centralna stacja Edisona, dostarczająca energię dla trzech tysięcy lamp, została wzniesiona na Holborn Viaduct w Londynie w 1882 roku, a we wrześniu tego roku oddano do użytku stację Pearl Street w Nowym Jorku, pierwszą centralną stację w Ameryce .

Źródła i dalsza lektura

• Beauchamp, Kenneth G. „Historia telegrafii”. Stevenage Wielka Brytania: Instytut Inżynierii i Technologii, 2001.
• Brittain, JE „Punkty zwrotne w amerykańskiej historii elektrycznej”. Nowy Jork: Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników Press, 1977.
• Klein, Maury. „Twórcy mocy: para, elektryczność i ludzie, którzy wymyślili współczesną Amerykę”. Nowy Jork: Bloomsbury Press, 2008.
• Shectman, Jonathan. „Przełomowe eksperymenty naukowe, wynalazki i odkrycia XVIII wieku”. Greenwood Press, 2003.