Електрика: виникнення струму, історія відкриття електричних винаходів, прізвища першовідкривачів

Відкриття електрики повністю змінило життя людини. Це фізичне явище постійно бере участь в повсякденному житті. Освітлення будинку і вулиці, робота всіляких приладів, наше швидке пересування – все це було б неможливо без електроенергії. Це стало доступно завдяки численним дослідженням і дослідам. Розглянемо головні етапи історії електричної енергії.

древнє час

Термін «електрику» походить від давньогрецького слова «електрон», що в перекладі означає «бурштин». Перша згадка про це явище пов’язане з античними часами. Давньогрецький математик і філософ Фалес в VII столітті до н. е. виявив, що якщо провести тертя бурштину про шерсть, то у каменю з’являється здатність притягувати дрібні предмети.

Фактично це був досвід вивчення можливості виробництва електроенергії. У сучасному світі такий метод відомий, як трибоелектричних ефект, який дає можливість отримувати іскри і притягувати предмети з легким вагою. Незважаючи на низьку ефективність такого методу, можна говорити про Фалесе, як про першовідкривача електрики.

У давні часи було зроблено ще кілька боязких кроків на шляху до відкриття електрики:

• давньогрецький філософ Аристотель в IV столітті до н. е. вивчав різновиди вугрів, здатних атакувати противника розрядом струму;
• давньоримський письменник Пліній в 70 році нашої ери досліджував електричні властивості смоли.

Всі ці експерименти навряд чи допоможуть нам розібратися в тому, хто відкрив електрику. Ці одиничні досліди не отримали розвитку. Наступні події в історії електрики відбулося багато століть тому.

Етапи створення теорії

XVII-XVIII століття ознаменувалися створенням основ світової науки. Починаючи з XVII століття відбувається ряд відкриттів, які в майбутньому дозволять людині повністю змінити своє життя.

поява терміна

Англійський фізик і придворний лікар Вільям Гільберт в 1600 році видав книгу «Про магніті і магнітних тілах», в якій він давав визначення «електричний». Воно пояснювало властивості багатьох твердих тіл після натирання притягати невеликі предмети. Розглядаючи цю подію треба розуміти, що мова йде не про винахід електрики, а лише про науковому визначенні.

Вільям Гільберт зміг винайти прилад, який назвав версор. Можна сказати, що він нагадував сучасний електроскоп, функцією якого є визначення наявності електричного заряду. За допомогою версора було встановлено, що, крім бурштину, здатність притягувати легкі предмети також мають:

• Скло;
• алмаз;
• сапфір;
• аметист;
• опал;
• сланці;
• карборунд.

Перша електростатична машина

У 1663 році німецький інженер, фізик і філософ Отто фон Геріке винайшов апарат, що був прообразом електростатичного генератора. Він представляв собою кулю з сірки, насаджений на металевий стрижень, який обертався і натирався вручну. За допомогою цього винаходу можна було побачити в дії властивість предметів не тільки притягатися, а й відштовхуватися.

У березні 1672 року відомий німецький учений Готфрід Вільгельм Лейбніц в листі до Геріке згадував, що при роботі з його машиною він зафіксував електричну іскру. Це стало першим свідченням загадкового на той момент явища. Геріке створив прилад, що послужив прототипом всіх майбутніх електричних відкриттів.

У 1729 році вчений з Великобританії Стівен Грей зробив досліди, які дозволили відкрити можливість передачі електричного заряду на невеликі (до 800 футів) відстані. А також він встановив, що електрика не передається по землі. Надалі це дало можливість класифікувати всі речовини на ізолятори і провідники.

Два види зарядів

Французький вчений і фізик Шарль Франсуа Дюфе в 1733 році відкрив два різнорідних електричних заряду:

• «Скляний», який тепер іменується позитивним;
• «Смоляний», який має назву негативним.

Потім він зробив дослідження електричних взаємодій, якими було доведено, що разноименно наелектризовані тіла будуть притягатися один до одного, а однойменно – відштовхуватися. У цих експериментах французький винахідник користувався електрометром, який дозволяв вимірювати величину заряду.

лейденська банку

У 1745 році фізик з Голландії Пітер ван Мушенбрук винайшов Лейденську банку, яка стала першим електричним конденсатором. Його творцем також є німецький юрист і фізик Евальд Юрген фон Клейст. Обидва вчених діяли паралельно і незалежно один від одного. Це відкриття дає вченим повне право увійти в список тих, хто створив електрику.

11 жовтня 1745 року Клейст зробив досвід з «медичної банкою» і виявив здатність зберігання великої кількості електричних зарядів. Потім він поінформував про відкриття німецьких учених, після чого в Лейденському університеті було проведено аналіз цього винаходу. Потім Пітер ван Мушенбрук опублікував свою працю, завдяки якому стала відома Лейденська банку.

Бенджамін Франклін

У 1747 році американський політичний діяч, винахідник і письменник Бенджамін Франклін опублікував свій твір «Проби і спостереження з електрикою». У ній він представив першу теорію електрики, в якій окреслив його як нематеріальну рідина або флюїд.

У сучасному світі прізвище Франклін часто асоціюється зі стодоларовою купюрою, але не слід забувати про те, що він був одним з найбільших винахідників свого часу. У списку його численних досягнень присутні:

1. Відоме сьогодні позначення електричних станів (-) і (+).
2. Франклін довів електричну природу блискавки.
3. Він зміг придумати і уявити в 1752 році проект громовідводу.
4. Йому належить ідея електричного двигуна. Втіленням цієї ідеї стала демонстрація колеса, що обертається під дією електростатичних сил.

Публікація своєї теорії і численні винаходи дають Франкліну повне право вважатися одним з тих, хто придумав електрику.

Від теорії до точної науки

Проведені дослідження і досліди дозволили вивчення електрики перейти в категорію точної науки. Першим в низці наукових досягнень стало відкриття закону Кулона.

Закон взаємодії зарядів

Французький інженер і фізик Шарль Огюстен де Кулон в 1785 році відкрив закон, який відображав силу взаємодії між статичними точковими зарядами. Кулон до цього винайшов крутильні ваги. Поява закону відбулося завдяки дослідам Кулона з цими вагами. З їх допомогою він вимірював силу взаємодії заряджених металевих кульок.

Закон Кулона був першим фундаментальним законом, пояснює електромагнітні явища, з яких почалася наука про електромагнетизм. На честь Кулона в 1881 році була названа одиниця електричного заряду.

винахід батареї

У 1791 році італійський лікар, фізіолог і фізик Луїджі Гальвані написав «Трактат про сили електрики при м’язовому русі». У ньому він фіксував наявність електричних імпульсів в м’язових тканинах тварин. А також він виявив різницю потенціалів при взаємодії двох видів металу і електроліту.

Відкриття Луїджі Гальвані отримало свій розвиток в роботі італійського хіміка, фізика і фізіолога Алессандро Вольти. У 1800 році він винаходить «Вольтів стовп» – джерело безперервного струму. Він представляв собою стопку срібних і цинкових пластин, які були розділені між собою змоченими в солоному розчині паперовими шматочками. «Вольтів стовп» став прототипом гальванічних елементів, в яких хімічна енергія перетворювалася в електричну.

У 1861 році в його честь було введено назву «вольт» – одиниця виміру напруги.

Гальвані і Вольта є одними з основоположників вчення про електричні явища. Винахід батареї спровокувало бурхливий розвиток і подальше зростання наукових відкриттів. Кінець XVIII століття і початок XIX століття можна характеризувати як час, коли винайшли електрику.

Поява поняття струму

У 1821 році французький математик, фізик і натураліст Андре-Марі Ампер в своєму трактаті встановив зв’язок магнітних і електричних явищ, яка відсутня в статичності електрики. Тим самим він вперше ввів поняття «електричний струм».

Ампер сконструював котушку з множинними витками з мідних проводів, яку можна класифікувати як підсилювач електромагнітного поля. Цей винахід послужило створення в 30-х роках 19 століття електромагнітного телеграфу.

Завдяки дослідженням Ампера стало можливим народження електротехніки. У 1881 в його честь одиниця сили струму була названа «Ампером», а прилади, що вимірюють силу – «амперметрами».

Закон електричного кола

Фізик з Німеччини Георг Симон Ом в 1826 році представив закон, який доводив зв’язок між опором, напругою і силою струму в ланцюзі. Завдяки Ому виникли нові терміни:

• падіння напруги в мережі;
• провідність;
• електрорушійна сила.

Його ім’ям в 1960 році названа одиниця електроопору, а Ом, безсумнівно, входить в список тих, хто винайшов електрику.

Електромагнітна індукція

Англійський хімік і фізик Майкл Фарадей зробив в 1831 році відкриття електромагнітної індукції, яка лежить в основі масового виробництва електроенергії. На основі цього явища він створює перший електродвигун. У 1834 році Фарадей відкриває закони електролізу, які привели його до висновку, що носієм електричних сил можна вважати атоми. Дослідження електролізу зіграли істотну роль у виникненні електронної теорії.

Фарадей є творцем вчення про електромагнітне поле. Він зумів передбачити наявність електромагнітних хвиль.

загальнодоступне застосування

Всі ці відкриття не стали б легендарними без практичного використання. Першим з можливих способів застосування з’явився електричне світло, який став доступний після винаходу в 70-х роках 19 століття лампи розжарювання. Її творцем став російський електротехнік Олександр Миколайович Лодигін.

Перша лампа була замкнутим скляним посудиною, в якому знаходився вугільний стрижень. У 1872 році була подана заявка на винахід, а в 1874 році Лодигіна видали патент на винахід лампи розжарювання. Якщо намагатися відповісти на питання, в якому році з’явилася електрика, то цей рік можна вважати одним з правильних відповідей, оскільки поява лампочки стало очевидною ознакою доступності.

Поява електроенергії в Росії

Буде цікаво з’ясувати, в якому році з’явилася електрика в Росії. Освітлення вперше з’явилося в 1879 році в Санкт-Петербурзі. Тоді ліхтарі встановили на Ливарному мосту. Потім в 1883 році почала роботу перша електростанція у Поліцейського (Народного) моста.

У Москві освітлення вперше з’явилося 1881 року. Перша міська електростанція запрацювала в Москві в 1888 році.

Днем заснування енергетичних систем Росії вважається 4 липня 1886 року, коли Олександр III підписав статут «Товариства електричного освітлення 1886 року». Воно було засноване Карлом Фрідріхом Сименсом, який був братом організатора всесвітньо відомого концерну Siemens.

Неможливо точно сказати, коли з’явилося електрику в світі. Занадто багато розкиданих у часі подій, які є однаково важливими. Тому варіантів відповіді може бути багато, і всі вони будуть правильними.

Історія електрики

Історія електрики починається з Вільяма Гілберта (1544–1603), лікаря та природознавця, який служив королеві Англії Єлизаветі Першій. До Гілберта все, що було відомо про електрику та магнетизм, полягало в тому, що магнітний магніт ( магнетит ) має магнітні властивості, і що тертя бурштину та струмінь притягує шматочки різних матеріалів, які починають прилипати.

У 1600 році Гілберт опублікував свій трактат «De magnete, Magneticisique Corporibus» (Про магніт). Книга, надрукована науковою латинською мовою, пояснювала багаторічні дослідження та експерименти Гілберта з електрики та магнетизму. Гілберт значно підвищив інтерес до нової науки. Саме Гілберт ввів у свою знамениту книгу вислів «електрика».

Ранні винахідники

Кілька європейських винахідників, у тому числі Отто фон Геріке (1602–1686) з Німеччини, Шарль Франсуа Дю Фе (1698–1739) з Франції та Стівен Грей (1666–1736) з Англії, натхненні та освічені Гілбертом, розширили знання.

Отто фон Геріке першим довів можливість існування вакууму. Створення вакууму мало важливе значення для всіх видів подальших досліджень електроніки. У 1660 році фон Геріке винайшов машину, яка виробляла статичну електрику; це був перший електричний генератор.

У 1729 році Стівен Грей відкрив принцип провідності електрики, а в 1733 році Шарль Франсуа дю Фе виявив, що електрика існує у двох формах, які він назвав смолистою (-) і склоподібною (+), які зараз називаються негативною та позитивною.

Лейденська банка

Лейденська банка була оригінальним конденсатором, пристроєм, який зберігає та вивільняє електричний заряд. (У той час електрику вважали таємничою рідиною або силою.) Лейденську банку винайшов у 1745 році майже одночасно в Голландії академік Пітер ван Мусшенбрук (1692–1761). У 1745 році та в Німеччині німецький священик і вчений Евальд Крістіан фон Клейст (1715–1759). Коли фон Клейст вперше торкнувся своєї лейденської банки, він отримав сильний удар, який повалив його на підлогу.

Лейденська банка була названа французьким вченим і священнослужителем Жан-Антуаном Нолле (1700–1770) на честь рідного міста Мушенбрука та університету Лейдена. Банку також називали Клейстіанською глекою на честь фон Клейста, але ця назва не прижилася.

Бен Франклін, Генрі Кавендіш і Луїджі Гальвані

Важливе відкриття батька-засновника США Бена Франкліна (1705–1790) полягало в тому, що електрика та блискавка — це одне й те саме. Громовідвід Франкліна був першим практичним застосуванням електрики. природний філософ Генрі Кавендіш з Англії, Кулон з Франції та Луїджі Гальвані з Італії зробили науковий внесок у пошук практичного застосування електрики.

У 1747 році британський філософ Генрі Кавендіш (1731–1810) почав вимірювати провідність (здатність переносити електричний струм) різних матеріалів і опублікував свої результати. Французький військовий інженер Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) відкрив у 1779 році те, що пізніше буде названо «законом Кулона», який описує електростатичну силу притягання та відштовхування. А в 1786 році італійський лікар Луїджі Гальвані (1737–1798) продемонстрував те, що ми зараз розуміємо як електричну основу нервових імпульсів. Відомо, що Гальвані змусив жаб’ячі м’язи смикатися, струснувши їх іскрою від електростатичної машини.

Слідом за роботами Кавендіша та Гальвані з’явилася група важливих учених і винахідників, у тому числі Алессандро Вольта (1745–1827) з Італії, датський фізик Ганс Крістіан Ерстед (1777–1851), французький фізик Андре-Марі Ампер (1775–1836), Георг Ом (1789–1854) з Німеччини, Майкл Фарадей (1791–1867) з Англії та Джозеф Генрі (1797–1878) з США

Робота з магнітами

Джозеф Генрі був дослідником у галузі електрики, чиї роботи надихнули багатьох винахідників. Першим відкриттям Генрі було те, що силу магніту можна значно посилити, обмотавши його ізольованим дротом. Він був першою людиною, яка створила магніт, який міг підняти 3500 фунтів ваги. Генрі показав різницю між «кількісними» магнітами, що складаються з коротких відрізків дроту, з’єднаних паралельно та збуджених кількома великими осередками, та магнітами «інтенсивності», намотаними одним довгим дротом і збудженими батареєю, що складається з послідовно розташованих осередків. Це було оригінальне відкриття, яке значно збільшило як негайну корисність магніту, так і його можливості для майбутніх експериментів.

Східний самозванець призупинено

Майкл Фарадей , Вільям Стерджен (1783–1850) та інші винахідники швидко визнали цінність відкриттів Генрі. Стерджен великодушно сказав: «Професор Джозеф Генрі спромігся створити магнетичну силу, яка повністю затьмарює будь-яку іншу в анналах магнетизму, і не можна знайти аналогів після чудесного підвішування знаменитого східного самозванця в його залізній труні».

Ця загальновживана фраза є посиланням на незрозумілу історію, яку жартують ці європейські вчені про Мухаммеда (571–632 н. е.), засновника ісламу . Насправді ця казка була зовсім не про Мухаммеда, а про казку, яку розповів Пліній Старший (23–70 рр. н. е.) про труну в Александрії, Єгипет. Згідно з Плінієм, храм Серапіса в Александрії був побудований з потужних електрокаменів, настільки потужних, що залізна труна молодшої сестри Клеопатри Арсіної IV (68–41 до н. е.) нібито висіла в повітрі.

Джозеф Генрі також відкрив явища самоіндукції та взаємоіндукції. У його експерименті струм, який проходить через дріт на другому поверсі будівлі, індукував струми через аналогічний дріт у підвалі двома поверхами нижче.

Телеграф

Телеграф був раннім винаходом, який передавав повідомлення на відстані по дроту за допомогою електрики, яка пізніше була замінена телефоном. Слово телеграфія походить від грецьких слів tele, що означає далеко, і grapho, що означає писати.

Перші спроби посилати сигнали за допомогою електрики (телеграф) робилися багато разів до того, як Генрі зацікавився цією проблемою. Винахід електромагніту Вільямом Стердженом спонукав дослідників в Англії експериментувати з електромагнітом. Експерименти виявилися невдалими і створили лише течію, яка ослабла через кілька сотень футів.

Основа електричного телеграфу

Однак Генрі натягнув милю тонкого дроту, помістив на один кінець акумулятор «інтенсивності» , а на іншому змусив арматуру бити в дзвін. У цьому експерименті Джозеф Генрі відкрив основну механіку електричного телеграфу .

Це відкриття було зроблено в 1831 році, за рік до того, як Семюель Морзе (1791–1872) винайшов телеграф. Немає суперечок щодо того, хто винайшов перший телеграфний апарат. Це було досягнення Морзе, але відкриття, яке спонукало і дозволило Морзе винайти телеграф, було досягненням Джозефа Генрі.

За словами самого Генрі: «Це було перше відкриття того факту, що гальванічний струм може передаватися на велику відстань з настільки невеликим зменшенням сили, щоб викликати механічні ефекти, і засобів, за допомогою яких можна було здійснити передачу. Я побачив, що електричний телеграф тепер можливий. Я не мав на увазі жодної конкретної форми телеграфу, а посилався лише на загальний факт, що тепер було продемонстровано, що гальванічний струм може передаватися на великі відстані з достатньою потужністю для створення механічних ефекти, адекватні бажаному об’єкту».

Магнітний двигун

Далі Генрі звернувся до розробки магнітного двигуна, і йому вдалося створити поршневий двигун, на якому він встановив перший автоматичний перемикач полюсів, або комутатор, який коли-небудь використовувався з електричною батареєю. Йому не вдалося створити прямий обертальний рух. Його смужка коливалася, як крокуючий промінь пароплава.

Електричні автомобілі

Томас Девенпорт (1802–1851), коваль із Брендона, штат Вермонт, побудував електричний автомобіль, який міг ходити в дорозі, у 1835 році. Дванадцять років потому американський інженер-електрик Мозес Фармер (1820–1893) виставив локомотив з електроприводом. У 1851 році винахідник з Массачусетсу Чарльз Графтон Пейдж (1712–1868) керував електричним автомобілем коліями залізниці Балтімора й Огайо від Вашингтона до Бладенсбурга зі швидкістю дев’ятнадцять миль на годину.

Однак на той час вартість акумуляторів була надто високою, а використання електродвигуна в транспорті ще непрактичним.

Електричні генератори

Принцип, що лежить в основі динамо-машини або електричного генератора, був відкритий Майклом Фарадеєм і Джозефом Генрі, але процес його розробки в практичний генератор електроенергії зайняв багато років. Без динамо-машини для виробництва енергії розвиток електродвигуна зупинився, і електрику не можна було широко використовувати для транспортування, виробництва чи освітлення, як це використовується сьогодні.

Вуличне освітлення

Дугову лампу як практичний освітлювальний прилад винайшов у 1878 році інженер із Огайо Чарльз Браш (1849–1929). Інші атакували проблему електричного освітлення, але брак відповідного вуглецю стояв на заваді їх успіху. Браш створив кілька ламп, що горять послідовно від одного динамо. Перші ліхтарі Brush використовувалися для вуличного освітлення в Клівленді, штат Огайо.

Інші винахідники вдосконалювали дуговий ліхтар, але були недоліки. Для зовнішнього освітлення та для великих залів дугові світильники працювали добре, але дугові світильники не можна було використовувати в маленьких приміщеннях. Крім того, вони йшли послідовно, тобто струм проходив через кожну лампу по черзі, і аварія однієї виводила з ладу всю серію. Всю проблему внутрішнього освітлення мав вирішити один із найвідоміших винахідників Америки: Томас Алва Едісон (1847–1931).

Біржовий тикер Томаса Едісона

Першим із численних винаходів Едісона з електрикою був автоматичний реєстратор голосів, на який він отримав патент у 1868 році, але не зміг викликати жодного інтересу до пристрою. Потім він винайшов біржовий тикер і запустив службу тикерів у Бостоні з 30 або 40 передплатниками та керував ними з кімнати на Золотій біржі. Цю машину Едісон намагався продати в Нью-Йорку, але повернувся до Бостона, не досягнувши успіху. Потім він винайшов дуплексний телеграф, за допомогою якого можна було надсилати два повідомлення одночасно, але під час випробування апарат вийшов з ладу через дурість помічника.

У 1869 році Едісон був на місці, коли телеграф вийшов з ладу в Gold Indicator Company, концерні, який повідомляв своїм абонентам ціни на золото на фондовій біржі. Це призвело до його призначення суперінтендантом, але коли зміна власника компанії викинула його з посади, він створив разом з Франкліном Л. Поупом партнерство Pope, Edison і Company, першу фірму інженерів-електриків у Сполучені Штати.

Покращено біржовий тикер, лампи та динамо

Незабаром після цього Томас Едісон випустив винахід, який почав його шлях до успіху. Це був покращений біржовий тикер, і Gold and Stock Telegraph Company заплатила йому за нього 40 000 доларів. Томас Едісон негайно відкрив магазин у Ньюарку. Він удосконалив систему автоматичного телеграфування, яка використовувалася на той час, і впровадив її в Англії. Він експериментував з підводними кабелями та розробив систему квадруплексної телеграфії, за якою один дріт змушував виконувати роботу чотирьох.

Ці два винаходи придбав Джей Гулд , власник Atlantic and Pacific Telegraph Company. Гулд заплатив 30 000 доларів за квадруплексну систему, але відмовився платити за автоматичний телеграф. Гулд купив Western Union, його єдину конкуренцію. «Коли Гулд отримав Вестерн Юніон, — сказав Едісон, — я знав, що подальший розвиток телеграфії неможливий, і я пішов у інші напрямки».

Менло Парк

Едісон відновив свою роботу в Western Union Telegraph Company, де він винайшов вуглецевий передавач і продав його Western Union за 100 000 доларів. На основі цього Едісон створив лабораторії та фабрики в Менло-Парку, штат Нью-Джерсі, у 1876 році, і саме там він винайшов фонограф , запатентований у 1878 році, і розпочав серію експериментів, які створили його лампу розжарювання.

Томас Едісон займався виробництвом електричної лампи для внутрішнього використання. Його перше дослідження стосувалося створення міцної нитки, яка б горіла у вакуумі. Серія дослідів з платиновим дротом і різними тугоплавкими металами дала незадовільні результати, як і багато інших речовин, включаючи людське волосся. Едісон дійшов висновку, що рішенням є якийсь вуглець, а не метал; англійський винахідник Джозеф Свон (1828–1914) дійшов такого ж висновку в 1850 році.

У жовтні 1879 року, після чотирнадцяти місяців наполегливої ​​роботи та витрат у 40 000 доларів, карбонізована бавовняна нитка, запечатана в одному з глобусів Едісона, була випробувана та витримала сорок годин. «Якщо він горітиме сорок годин, — сказав Едісон , — я знаю, що зможу змусити його горіти сто». Так він і зробив. Потрібна була краща нитка. Едісон знайшов його в обвуглених смужках бамбука.

Едісон Динамо

Едісон також розробив свій власний тип динамо , найбільший з коли-небудь створених на той час. Разом з лампами розжарювання Едісона це було одне з чудес Паризької електричної виставки 1881 року.

Невдовзі в Європі та Америці були встановлені електротехнічні установки. Першу велику центральну станцію Едісона, яка постачала електроенергією три тисячі ламп, було споруджено на Holborn Viaduct, Лондон, у 1882 році, а у вересні того ж року була введена в експлуатацію станція Pearl Street у Нью-Йорку, перша центральна станція в Америці. .

Джерела та додаткова література

• Бошан, Кеннет Г. «Історія телеграфії». Stevenage UK: Інститут інженерії та технології, 2001.
• Brittain, JE “Поворотні моменти в історії американської електротехніки”. Нью-Йорк: Інститут інженерів з електротехніки та електроніки Press, 1977.
• Кляйн, Морі. «Творці енергії: пара, електрика та люди, які винайшли сучасну Америку». Нью-Йорк: Bloomsbury Press, 2008.
• Шектман, Джонатан. «Новаторські наукові експерименти, винаходи та відкриття 18 століття». Greenwood Press, 2003.