مخترع برق

مخترع برق

مخترع برق واقعا کیست؟

بسیاری از افراد معتقدند که «بنجامین فرانکلین» (Benjamin Franklin) در سال ۱۷۵۲ با آزمایش‌های بادبادک‌پرانی معروف خود الکتریسیته (برق) را اختراع کرد. شهرت فرانکلین به‌خاطر بستن کلید به ریسمان بادبادک هنگام طوفان تندری است که در پی آن اثبات کرد الکتریسیته ساکن و صاعقه درحقیقت یک چیز هستند. بااین‌حال، این تمام داستان الکتریسیته نیست.

بنجامین فرانکلین

الکتریسیته اصلاً کشف نشد. الکتریسیته همواره بخشی از طبیعت بوده است؛ به شکل الکتریسیته ساکن، تخلیه به زمین، به‌صورت صاعقه یا هنگام مالش دو ماده باردار الکتریکی. درواقع، حقیقت این است که «الکتریسیته» به شکل توان الکتریکی زمانی اختراع شد که کشف شد الکتریسیته می‌تواند در یک مولد الکتریکی تولید و سپس به‌صورت جریان الکتریکی از طریق سیم‌ها منتقل شود. احتمالاً شنیده‌اید که احتیاج، مادر اختراع است، درمورد الکتریسیته نیز همین‌طور است. مردم راهی ارزان و ایمن برای روشن‌کردن خانه‌های خود می‌خواستند و دانشمندان تصور می‌کردند الکتریسیته ممکن است راهی برای برآوردن آن باشد، در این هنگام بحث «اختراع برق» به میان می‌آید.

برق را چه کسی اختراع کرد؟

مخترع برق چه کسی است؟ این، پرسشی است که همواره مطرح شده و در جست‌وجوی پاسخ آن بوده‌ایم. وقتی صحبت از اختراع برق یا کشف انرژی برق می‌شود، درحقیقت، با یک داستان طولانی در مدت‌زمانی طولانی روبه‌رو هستیم. برخلاف تصور، مخترع برق یک شخص خاص نیست، زیرا در روند اختراع برق افراد بسیاری تلاش کرده و در این امر سهیم هستند. درواقع، به‌واسطۀ بررسی‌های علمی، از طریق هر یک از آزمایش‌ها صورت‌گرفته، فناوری الکتریکی متولد شد. نور الکتریکی به شکل صاعقه در دنیای مدرن بسیار رایج است، اما این پرسش که چه کسی برق را اختراع کرد باید به‌صورت چه چیزی در کشف برق دخیل بوده، مطرح شود. الکتریسیته در دنیای طبیعی پدیده‌ای رایج بوده است، اما توان الکتریکی نتیجۀ آزمایش‌ها انجام‌شده بود.

برق چگونه اختراع شد؟

از نوشته‌های «تالس» (Thales) چنین برمی‌آید که غربی‌ها ۶۰۰ سال قبل از میلاد می‌دانستند که کهربا به‌واسطۀ مالش باردار می‌شود. پیشرفت واقعی اندکی وجود داشت تا اینکه دانشمند انگلیسی، «ویلیام گیلبرت» (William Gilbert) در سال ۱۶۰۰ باردار کردن بسیاری از مواد را توصیف کرد و اصطلاح الکتریسیته را از کلمۀ یونانی کهربا ابداع نمود. به همین دلیل، گیلبرت را پدر الکتریسیته مدرن می‌نامند. در سال ۱۶۶۰، «اتو فون گریکه» (Otto von Guericke) یک ماشین خام برای تولید الکتریسیته ساکن اختراع کرد.

این ماشین، کره‌ای از گوگرد بود که با یک‌دست توسط میل‌لنگی می‌چرخید و با دست دیگر مالش داده می‌شد. جانشینانی چون «فرانسیس هاوکسبی» (Francis Hauksbee)، اصلاحاتی انجام دادند که منبع آماده‌ای از الکتریسیته ساکن را در اختیار آزمایشگران قرار می‌داد. نسل بسیار توسعه‌یافتۀ امروزی این ماشین‌ها، مولد «واندوگراف» (Van de Graaf) است که گاهی اوقات به‌عنوان شتاب‌دهندۀ ذرات استفاده می‌شود. «رابرت بویل» (Robert Boyle) متوجه شد که جاذبه و دافعه متقابل هستند و نیروی الکتریکی از طریق خلأ منتقل می‌شود. «استفان گری» (Stephen Gray) نیز بین رساناها و نارساناها تمایز قائل شد. «دو فی» (C. F. Du Fay) دو نوع الکتریسیته را شناسایی کرد که بنجامین فرانکلین و «ابنزر کینرسلی» (Ebenezer Kinnersley) بعدها آن‌ها را مثبت و منفی نامیدند.

پس از اختراع بطریِ «لیدن» (Leyden) توسط «پیتر فن موسخنبروک» (Pieter van Musschenbroek) در سال ۱۷۴۵، روند پیشرفت تسریع گشت. بطری لیدن، الکتریسیته ساکن را که می‌توانست یک‌باره تخلیه شود، ذخیره می‌کرد. در سال ۱۷۴۷، «ویلیام واتسون» (William Watson) بطری لیدن را از طریق یک مدار تخلیه کرد. درک این جریان و مدار، آغازگر رشتۀ جدیدی از آزمایش‌ها شد. «هنری کاوندیش» (Henry Cavendish) با اندازه‌گیری رسانایی مواد (او شوک‌های هم‌زمانی که با تخلیۀ بطری‌های لیدن از طریق مواد موردنظر دریافت می‌کرد را مقایسه کرد) و «شارل کولن» (Charles Coulomb) با بیان جاذبۀ اجسام باردار به زبان ریاضی، مطالعۀ کمی الکتریسیته را آغاز کردند.

با اختراع باتری، علاقۀ جدیدی به جریان الکتریکی شکل گرفت. «لوئیجی گالوانی» (Luigi Galvani) در سال ۱۷۸۶ متوجه شده بود که تخلیۀ الکتریسیته ساکن باعث تکان‌خوردن پای قورباغه می‌شود. آزمایش حاصل، با استفاده از مایعات پا به‌عنوان الکترولیت و ماهیچه به‌عنوان مدار و نشانگر، سلول الکترونی ساده‌ای تولید کرد. گالوانی تصور می‌کرد که پا الکتریسیته تولید کرده است، اما «آلساندرو ولتا» (Alessandro Volta) طور دیگری فکر می‌کرد و برای اثبات، پیل ولتایی که نوع اولیه‌ای از باتری بود را ساخت. جریان پیوستۀ حاصل از باتری‌ها، راه را برای کشف قانون اهم (که جریان، ولتاژ (نیروی محرکه الکتریکی) و مقاومت را به هم مرتبط می‌کند) و قانون گرمایش الکتریکی ژول هموار کرد. قانون اهم و قوانینی که بعدها توسط «گوستاو کیرشهف» (Gustav Kirchhoff) درمورد مجموع جریان‌ها و مجموع ولتاژهای یک مدار کشف شد، ابزاری اساسی برای انجام محاسبات مدار هستند.

باتری، نوع متفاوتی از توان الکتریکی

یادگیری نحوۀ تولید و استفاده از الکتریسیته آسان نبود. مدت‌ها هیچ منبع الکتریسیته قابل‌اطمینانی برای آزمایش‌ها وجود نداشت. سرانجام، در سال ۱۸۰۰، دانشمند ایتالیایی، آلساندرو ولتا به کشف بزرگی دست‌یافت. او کاغذی را با آب‌نمک خیس کرد و بین دو فلز روی و مس قرارداد و مشاهده کرد این واکنش شیمیایی، جریان الکتریکی تولید می‌کند. ولتا نخستین سلول الکتریکی را ساخت.

ولتا توانست با اتصال بسیاری از این سلول‌ها به یکدیگر، «جریانی متوالی تولید کند» و باتری بسازد. ازاین‌رو، به‌افتخار او باتری‌ها را برحسب ولت ارزیابی می‌کنند. بالاخره، یک منبع الکتریسیته ایمن و مطمئن دردسترس قرار گرفت و مطالعۀ الکتریسیته را برای دانشمندان آسان کرد. امروزه اختلاف ولتاژ دو قسمت از مدار را با دستگاهی با نام ولت متر اندازه گیری می کنند.

آلساندرو ولتا

ظهور جریان الکتریکی

«مایکل فارادی» (Michael Faraday) نخستین کسی بود که متوجه شد با عبور آهنربا از یک حلقه سیم مسی می‌توان جریان الکتریکی تولید کرد. این یک کشف شگفت‌انگیز بود. تقریباً تمام برقی که امروزه استفاده می‌کنیم، با آهنرباها و سیم‌پیچ‌های مسی در نیروگاه‌های برق بسیار بزرگ به وجود می‌آید. هم مولد الکتریکی و هم موتور الکتریکی با این روش کار می‌کنند. مولد، انرژی حرکتی را به الکتریکی و موتور نیز انرژی الکتریکی را به انرژی حرکتی تبدیل می‌کند.

در سال ۱۸۱۹، «هانس کریستین اورستد» (Hans Christian Oersted) دریافت که یک میدان مغناطیسی، سیم حامل جریان را احاطه می‌کند. ظرف دو سال، «آندره ماری آمپر» (André Marie Ampére) چند قانون الکترومغناطیسی را به شکل ریاضی درآورد، «فرانسوا آراگو» (Francesc Arago) آهنربای الکتریکی را ابداع کرد و مایکل فارادی نیز یک‌شکل ابتدایی از موتور الکتریکی طراحی نمود. کاربرد عملی موتور به‌ناچار ده سال به تعویق افتاد، تا زمانی که فارادی (و قبل از آن، «جوزف هنری» (Joseph Henry) به طور مستقل) مولد الکتریکی را که به موتور نیرو می‌دهد، اختراع کرد. یک سال پس از تقریب آزمایشگاهی این مولد توسط فارادی، «هیپولیت پیکسی» (Hippolyte Pixii) مدل دستی آن را ساخت. از آن زمان به بعد، مهندسان زمام امور را از دانشمندان گرفتند و پیشرفتی تدریجی را دنبال کردند؛ نخستین نیروگاه‌ها ۵۰ سال بعد ساخته شدند.

مایکل فارادی

در سال ۱۸۷۳، «جیمز کلرک ماکسول» (James Clerk Maxwell) مسیر پیشرفت متفاوتی را با معادلاتی که میدان الکترومغناطیسی را توصیف می‌کرد آغاز نمود و وجود امواج الکترومغناطیسی که با سرعت نور در حرکت‌اند را پیش‌بینی کرد. «هاینریش هرتز» (Heinrich Hertz) این پیش‌بینی را به‌صورت تجربی تأیید کرد و «مارکونی» (Marconi) نخستین‌بار این امواج را در توسعۀ رادیو به کاربرد (۱۸۹۵). «جان آمبروز فلمینگ» (John Ambrose Fleming) در سال ۱۹۰۴ لامپ خلأ یکسوکننده دیود را به‌عنوان آشکارساز رادیوی مارکونی اختراع کرد. سه سال بعد، «لی دفارست» (Lee De Forest) با افزودن الکترود سوم، دیود را به تقویت‌کننده تبدیل کرد و این‌گونه بود که الکترونیک پدید آمد. در سال ۱۸۹۷، با کشف الکترون توسط تامسون، درک نظری کامل‌تر شد. در سال ۱۹۱۰-۱۱ نیز «ارنست رادرفورد» (Ernest Rutherford) و دستیارانش به توزیع بار درون اتم پی بردند. «رابرت میلیکان» (Robert Millikan) نیز تا قبل از ۱۹۱۳ بار یک الکترون را اندازه‌گیری کرد.

ادیسون و لامپ روشنایی

«توماس آلوا ادیسون» (Thomas Alva Edison) یکی از بزرگ‌ترین مخترعان است و معمولاً ابداع لامپ (همراه با نیکولا تسلا) را به او نسبت می‌دهند. وی در سال ۱۸۶۸ وارد بوستون شد. در بوستون افرادی را یافت که با جریان الکتریکی آشنا بودند. وقتی شب‌ها به کارکردن می‌پرداخت و ساعات خوابش را کوتاه می‌کرد، زمانی را به مطالعه اختصاص می‌داد. او آثار فارادی را خرید و مطالعه کرد. خیلی زود، نخستین اختراع از اختراعات متعددش که یک دستگاه ضبط رأی خودکار بود و برای آن در سال ۱۸۶۸ سند ثبت اختراع دریافت کرد، انجام شد. این امر مستلزم سفر به واشنگتن بود که با پول قرض گرفته صورت گرفت، اما او نتوانست کسی را به این دستگاه علاقه‌مند کند. او می‌گفت: «پس از دستگاه ضبط رأی، من تیکر سهام را اختراع و در بوستون یک سرویس تیکر راه‌اندازی کردم؛ سی یا چهل مشترک داشتم و در اتاقی روی بورس طلاکار می‌کردم.» ادیسون سعی کرد این ماشین را در نیویورک بفروشد، اما بدون اینکه موفق شود به بوستون بازگشت. پس از آن، او یک تلگراف دوسویه ابداع کرد که به‌وسیلۀ آن امکان ارسال دو پیام به طور هم‌زمان وجود داشت، اما در آزمایشی، این ماشین به دلیل حماقت دستیارش از کار افتاد.

توماس آلوا ادیسون

توماس ادیسون بی‌پول و بدهکار، در سال ۱۸۶۹ مجدد وارد نیویورک شد. اما این بار شانس به او روی آورد. «شرکت شاخص طلا» (Gold Indicator Company) دغدغه‌اش اعلام قیمت طلا در بورس اوراق بهادار به مشترکانش بود. ابزار این شرکت ازکارافتاده بود و برحسب اتفاق، ادیسون نیز آنجا بود تا آن را تعمیر کند. موفقیت او در انجام این کار، منجر به انتصاب وی به‌عنوان سرپرست با حقوق سیصد دلار در ماه شد. زمانی که به دلیل تغییر مالکیت شرکت، او را بیرون کردند، همراه با «فرانکلین پاپ» (Franklin Pope) نخستین شرکت مهندسین برق در ایالات متحده را تشکیل داد.

ادیسون بلافاصله در شهر نیوآرک مغازه‌ای راه‌اندازی کرد. او سیستم تلگرافی خودکار (ماشین تلگراف) را که در آن زمان مورداستفاده قرار می‌گرفت، بهبود بخشید و آن را وارد انگلیس کرد. ادیسون کابل‌های زیردریایی را امتحان کرد و یک سیستم تلگرافی چهارتایی که به‌واسطۀ آن یک سیم برای انجام کار چهار سیم در نظر گرفته شده بود بادقت طرح‌ریزی کرد. این دو اختراع توسط «جی گلد» (Jay Gould)، مالک شرکت تلگراف Atlantic and Pacific خریداری شد. گلد برای این سیستم چهارتایی ۳۰,۰۰۰ دلار پرداخت؛ اما از پرداخت هزینه برای تلگراف خودکار خودداری کرد. گلد، شرکت «وسترن یونیون» (Western)، تنها رقیبش را خریده بود. ادیسون می‌نویسد: «پس از آن، گلد قرارداد خود را با افراد تلگراف خودکار رد کرد و آن‌ها هرگز یک سنت هم برای سیم‌ها یا حق ثبت اختراعشان دریافت نکردند و من سه سال زحمت و کار را از دست دادم. اما هرگز نسبت به او کینه‌ای نداشتم؛ زیرا او در مسیرش بسیار توانا بود و تا زمانی که موفقیت نصیب من بود، این پول برایم در اولویت دوم قرار داشت. وقتی گلد، وسترن یونیون را به دست آورد، می‌دانستم دیگر هیچ پیشرفتی در تلگراف امکان‌پذیر نیست و مسیرهای دیگری را در پیش گرفتم.»

در سال ۱۸۷۹، ادیسون روی اختراع یک لامپ کاربردی متمرکز شد، لامپی که قبل از سوختن، مدتی طولانی دوام می‌آورد. مسئله، یافتن یک مادۀ قوی برای افروزه (سیم کوچک داخل لامپ که رسانای الکتریسیته است) بود. سرانجام، ادیسون از نخ پنبه‌ای معمولی که به کربن آغشته شده بود، استفاده کرد. این افروزه اصلاً نسوخت و می‌درخشید.

چالش بعدی، توسعۀ یک سیستم الکتریکی بود که بتواند برای راه‌اندازی این لامپ‌های جدید، یک منبع انرژی کاربردی در اختیار مردم قرار دهد. ادیسون دنبال راهی بود که برق را، هم کاربردی و هم ارزان کند. او نخستین نیروگاه برق را که قادر به تولید برق و انتقال آن به خانه‌های مردم بود، طراحی کرد و ساخت.

«نیروگاه برق خیابان پرل» (Pearl Street Power Station) ادیسون، در ۴ سپتامبر ۱۸۸۲ در شهر نیویورک مولدش راه‌اندازی شد. حدود ۸۵ مشتری در منهتن جنوبی، برق‌کافی برای روشن‌کردن ۵,۰۰۰ لامپ دریافت کردند. بااین‌حال، مشتریانش هزینۀ زیادی برای برقشان پرداخت کردند.

 نقش فارادی در اختراع برق

مایکل فارادی بر مبحث مغناطیس متمرکز شد و چندین اختراع مهم مثل القای الکترومغناطیسی را پایه و اساس ژنراتورها و موتورهای الکتریکی قرارداد. تولید برق با استفاده از آهن‌ربا و سیم‌پیچ نیز به فارادی نسبت داده می‌شود. همچنین، او الکترولیز را که سال‌ها قبل به‌وسیله ویلیام نیکلسون کشف شده بود، به‌صورت کامل بررسی کرد. بلافاصله بعدازاین، فارادی دو قانون کشف کرد که به نام قوانین الکترولیز فارادی شناخته می‌شوند. این کشف او را بنیان‌گذار الکترومغناطیس و الکتروشیمی کرد. در این راستا، فارادی ثابت کرد كه مغناطیس با حركت، برق ایجاد می‌کند.

همچنین، مایکل فارادی شیمی‌دان و فیزیک‌دان مشهور، مولد مغناطیسی الکتریسیته را کشف کرد. در سال 1880 اولین نیروگاه مولد برق به‌وسیله توماس ادیسون در شهر نیویورک کشف شد و او توانست قسمتی از شهر نیویورک را از طریق آن روشن کند. نیروگاه برق ادیسون جریان مستقیم ایجاد می‌کرد. در نتیجه، مشکل منتقل‌کردن جریان وجود داشت، تا آنکه در سال‌های بعد، نیکلا تسلا نیروگاه جریان متناوب را راه‌اندازی کرد و الکتریسیته نقش مهمی در علم و صنعت پیدا کرد.

جریان AC یا DC؟

نقطۀ عطف عصر برق، چند سال بعد با توسعۀ سیستم‌های قدرت AC (جریان متناوب) فرارسید. نیکولا تسلا برای همکاری با توماس ادیسون به ایالات متحده آمد. پس از یک مشاجره، تسلا میدان مغناطیسی گردان را کشف کرد و سیستم الکتریکی جریان متناوب را که امروزه بسیار مورداستفاده قرار می‌گیرد، ساخت. تسلا با مهندس و تاجری به نام «جرج وستینگهاوس» (George Westinghouse) همکاری کرد تا حق اختراع سیستم AC را به ثبت برساند و این برق را که می‌توانست مسافت‌های طولانی را طی کند، در اختیار ملت قرار دهد (رقابتی مستقیم با سیستم DC ادیسون). مدتی بعد، تسلا «شرکت تسلا الکتریک» را تشکیل داد، سیم‌پیچ تسلا را که امروزه همچنان در آزمایشگاه‌های علمی و فناوری رادیو استفاده می‌شود ابداع کرد و سیستم مورداستفاده برای تولید برق در آبشارهای نیاگارا را طراحی نمود.

نیکولا تسلا

اکنون، نیروگاه‌های برق با استفاده از AC، می‌توانستند برق را تا مسافتی بسیار دورتر از قبل انتقال دهند. درحالی‌که نیروگاه DC (جریان مستقیم) ادیسون فقط می‌توانست برق را تا یک مایل مربع از نیروگاه خیابان پرل انتقال دهد، نیروگاه آبشارهای نیاگارا قادر بود بیش از ۲۰۰ مایل، برق را انتقال دهد!

برق، شروع آسانی نداشت. درحالی‌که بسیاری از مردم از اختراعات جدید هیجان‌زده بودند، برخی نیز از برق می‌ترسیدند و نسبت به آوردن آن به خانه‌های خود محتاط بودند. آن‌ها از اینکه فرزندانشان به این منبع انرژی جدید و عجیب نزدیک شوند، ترس داشتند. بسیاری از منتقدان اجتماعی آن زمان، الکتریسیته را پایان سبک زندگی ساده‌تر و کم مشغله می‌دانستند. شاعران نیز اظهار داشتند که چراغ‌های برقی نسبت به چراغ‌های گازی کمتر رمانتیک هستند. شاید حق با آن‌ها بود، اما عصر جدید برق نمی‌توانست کم‌نور شود.

در سال ۱۹۲۰، حدود دو درصد از انرژی ایالات متحده برای تولید برق استفاده می‌شد. در سال ۲۰۱۷، با افزایش استفاده از فناوری‌هایی که با برق‌کار می‌کنند، این مقدار، تقریباً ۴۰ درصد بود.