Istoria electricității
Istoria electricității are ca obiect evoluția studiului și aplicațiilor în practică ale fenomenelor electrice.
Încă din antichitate a fost remarcat fenomenul de electrizare a corpurilor. Au trecut secole până la elaborarea unei teorii electromagnetice riguroase, prin contribuțiile unor mari fizicieni ca: Ampère, Faraday, Maxwell. Einstein realizează unificarea dintre teoriile mecanicii clasice și ale electromagnetismului.
Printre primele aplicații practice ale electricității putem menționa: iluminatul electric, acționarea prin electromotoare, cele legate de efectul termic (încălzire, sudare etc.) sau din domeniul electrochimiei (baterii și acumulatori, galvanizarea). În epoca contemporană, electronica a generat noi aplicații în domenii ca mass-media și tehnologia informației : radioul, televiziunea, telefonia, internetul.
Antichitate
modificarePrin anul 900 î.Hr., Magnus, un păstor grec, observă că încălțămintea sa, ce conținea cuie din fier, este atrasă de niște stânci. Acea regiune se va numi Magnesia, de unde va proveni cuvântul magnet.
Din scrierile lui Thales din Milet rezultă că europenii cunoșteau încă cu 600 de ani î.Hr. că prin frecare chihlimbarul (în greacă, elektron) se electrizează.
Evul Mediu
modificareÎn 1088, chinezul Shen Kuo descrie acul magnetic utilizat la busolă pentru orientare în cadrul navigației maritime.
Prin secolul al XIII-lea, Pierre de Maricourt (Petrus Peregrinus) efectuează experiențe cu magneți și descrie proprietățile acestora, realizând în premieră o hartă a liniilor câmpului magnetic.
Secolul al XVI-lea
modificareGirolamo Cardano, în lucrarea De subtilitate, apărută în 1550, face distincția dintre forțele magnetice și cele electrice.
În lucrarea De magnete, magneticisque corporibus, et de magno magnete tellure apărută în 1600, savantul englez William Gilbert descrie acest fenomen și altele similare și utilizează termenul electro de la cuvântul grecesc ce denumește acea piatră prețioasă. Așadar Gilbert poate fi considerat părintele conceptului actual care definește electricitatea. O altă descoperire a acestui savant este faptul că Pământul este un magnet uriaș și astfel explică funcționarea busolei.
Secolul al XVII-lea
modificareCercetările lui Gilbert au fost continuate de fizicianul german Otto von Guericke (1602 - 1686) care observă că între corpurile încărcate electrostatic pot apărea și forțe de respingere.
În 1660, acesta inventează o mașină ce se compunea dintr-o sferă de sulf ce se rotea și care prin frecare de un material textil producea electricitate statică.[1] Englezul Francis Hauksbee i-a adus unele îmbunătățiri transformând-o într-un adevărat generator electric.
În 1644, René Descartes (1596 - 1650) realizează un desen al liniilor de câmp din jurul unui magnet, susținând că magnetismul se datorează circulației unor particule între cei doi poli.
Cuvântul electricitate este utilizat pentru prima dată, în 1646, de autorul englez Thomas Browne într-una din lucrările sale.
Robert Boyle observă în 1675 că forțele de atracție sau respingere dintre sarcinile electrice se propagă și în vid.
Secolul al XVIII-lea
modificare
În 1729, Stephen Gray (1666 - 1736) observă că electricitatea poate fi transportată dintr-un loc într-altul prin fire metalice și astfel realizează distincția dintre conductori și izolatori. În plus, demonstrează că electricitatea acumulată în corpuri se distribuie pe suprafața acestora.
Fizicianul francez Du Fay (1698 - 1739) face diferența în electricitate pozitivă și negativă, pe care de fapt el o denumește electricitate sticloasă (obținută prin frecarea sticlei) și electricitate rășinoasă (în acest caz materialul fiind chihlimbarul sau cauciucul).[2]
În 1745, fizicianul olandez Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) efectuează niște experimente pentru a vedea dacă o sticlă umplută cu apă poate reține sarcina electrică.[3] Astfel realizează butelia de Leyda, primul condensator electric, care ulterior va sta la baza construcției condensatoarelor. Aceasta a fost inventată, în același an, dar în mod independent, și de Ewald Georg von Kleist.[4]
William Watson (1715 - 1787) a perfecționat butelia de Leyda utilizând pentru cele două armături foițe metalice subțiri, mărind astfel capacitatea acesteia de a acumula electricitate. A confirmat concepția lui Du Fay privind existența a două tipuri de sarcină electrică adăugând că cea pozitivă înseamnă de fapt un surplus de sarcină, iar cea negativă un deficit și că descărcarea nu este altceva decât un eter electric. Watson a fost primul care a studiat descărcarea curentului în gaze rarefiate.
În 1752, Benjamin Franklin (1706 - 1790) realizează celebrul său experiment (care a condus la inventarea paratrăsnetului) prin care a demonstrat că trăsnetul nu reprezintă altceva decât o descărcare electrică atmosferică.
Jesse Ramsden aduce o perfecționare mașinii electrostatice, care este acum prevăzută cu un disc de sticlă rotit prin intermediul unei manivele și care prin frecare de patru porțiuni de piele produce electrizarea unui tub metalic.[5]
Charles Coulomb (1736 - 1806) este cel care formulează legile cantitative ale electrostaticii. În 1785, stabilește expresia forței electrostatice dintre două corpuri încărcate, în funcție de mărimea sarcinilor electrice și de distanța dintre corpuri, denumită ulterior legea lui Coulomb.
Fizicianul italian Luigi Galvani (1737 - 1798) este primul care studiază efectul fiziologic al curentului electric. Compatriotul său Alessandro Volta (1745 - 1827) realizează prima pilă electrică.
În 1800, William Nicholson (1753 – 1815) și Anthony Carlisle (1768 - 1842) descoperă electroliza, descompunând apa în hidrogen și oxigen.[6]
Secolul al XIX-lea
modificareLegi și principii
modificareChimistul englez Sir Humphry Davy studiază efectele chimice ale curentului electric, fiind astfel fondatorul electrochimiei.[7] Prin procedee electrolitice, reușește să separe elemente ca: magneziu, bariu, stronțiu, calciu, sodiu, potasiu, bor.
În 1813, fizicianul și chimistul danez Hans Christian Ørsted (1777 - 1851) prezice existența fenomenelor electromagnetice descoperind relația dintre electricitate și magnetism. Acesta a observat că în jurul unui conductor parcurs de curent electric se creează un câmp magnetic.
Fizicianul estonian Thomas Johann Seebeck descoperă în 1821 efectul termoelectric, care va sta la baza construcției termocuplului de mai târziu.
Unul dintre principalii fondatori ai electromagnetismului a fost André-Marie Ampère (1775 - 1836). Acesta studiază interacțiunea reciprocă a curenților electrici și magneților, forța electrodinamică, iar în 1820 a stabilit formula acestei forțe. Relația dintre electricitate și magnetism este pusă în evidență, în aceeași perioadă, și de Ørsted și François Arago. Pentru experimentele efectuate, Ampère a realizat solenoidul, forma simplificată a bobinei de mai târziu. Unitatea de măsură pentru intensitatea curentului electric îi poartă numele.
Germanul Georg Simon Ohm (1789 - 1854) studiază pila electrică realizată de Volta și, în 1826, descoperă proporționalitatea dintre diferența de potențial, intensitatea curentului electric și rezistența electrică, denumită ulterior legea lui Ohm. În cinstea sa, unitatea de măsură a rezistenței îi poartă numele.
Americanul Joseph Henry (1797 - 1878) studiază fenomenele electromagnetice și de inducție, fiind descoperitorul fenomenului de autoinducție. Unitatea de măsură a inductanței îi poartă numele.
Michael Faraday (1791 - 1867) continuă cercetările lui Ampère referitoare la forțele electromagnetice și descoperă în 1831 fenomenul de inducție electromagnetică, enunțând Legea inducției electromagnetice, care pune bazele teoretice ale conversiei diferitelor forme de energie în energie electrică și demonstrând astfel că un câmp magnetic variabil poate genera un curent electric.[8] Faraday a mai studiat și electroliza și a formulat legile electrolizei care îi poartă numele, astfel fiind considerat unul din fondatorii electrochimiei. Faraday a evidențiat clar modurile în care poate fi obținută electricitatea: prin frecare, prin inducție, pe cale chimică sau termoelectrică. Cercetările lui Faraday au condus la o interpretare științifică riguroasă a fenomenelor electromagnetice, ale căror legi au fost enunțate ulterior de către Maxwell.
Matematicianul, astronomul și fizicianul german Carl Friedrich Gauss (1777 - 1855) se asociază în 1831 împreună cu Wilhelm Eduard Weber și efectuează cercetări asupra magnetismului și legilor lui Kirchhoff.[9]
Fizicianul estonian Heinrich Lenz (1804 - 1865) demonstrează opoziția dintre curentul indus și cel generator, numită ulterior regula lui Lenz.
Jean Peltier (1785 - 1845) descoperă în 1834 că, la trecerea curentului electric printr-o joncțiune formată din metale diferite sudate, are loc un efect caloric de trecere a căldurii de la un metal la altul, după o anumită lege, numit ulterior efectul Peltier.
În 1841, James Prescott Joule (1818 - 1889) formulează o lege de conservare a energiei, arătând că și în cazul circuitelor electrice, energia mecanică, termică și electrică, trec dintr-una în cealaltă, având suma constantă. În onoarea sa, unitatea de măsură a energiei îi poartă numele. Un an mai târziu, și Lenz descoperă această lege în mod independent, care va purta numele celor doi, legea Lenz-Joule.
În 1855, Léon Foucault (1819 - 1868) descoperă curenții turbionari (ce ulterior vor fi numiți și curenți Foucault) și care apar într-o masă de metal aflată într-un câmp magnetic variabil. Aceștia provoacă, conform regulii lui Lenz frânarea masei de metal aflată în mișcare sau, conform efectului Joule, încălzirea acesteia.
În 1873, Frederick Guthrie descoperă emisia termoelectronică,[10] fenomen redescoperit de Edison în 1880 și utilizat ulterior la construcția diodei. În 1874, inventatorul german Karl Ferdinand Braun (1850 - 1918) descoperă conducția unilaterală, fenomen ce va sta la baza realizării diodei semiconductoare de mai târziu.[11]
Fizicianul scoțian James Clerk Maxwell (1831 - 1879) elaborează, în 1861, setul de ecuații care descriu legile de bază ale electromagneticii, numite ulterior ecuațiile lui Maxwell și prin care a demonstrat propagarea în spațiu a câmpului electric și a câmpului magnetic sub formă de unde electromagnetice.[12] Aceasta va avea aplicații, în perioada ce va urma, în utilizarea undelor radio pentru transmiterea informației.
Surse de energie
modificare
Sir William Grove construiește, în 1839, prima pilă de combustie care genera curent electric prin combinarea hidrogenului cu oxigen.
James Wimshurst (1832 - 1903) perfecționează mașina electrostatică care devine capabilă să genereze tensiuni înalte, ce vor fi utilizate în noi domenii de studii și cercetare. Aceasta se compune acum din două discuri de sticlă ce se rotesc în plan vertical în sensuri opuse, iar sarcina electrică era colectată de două bare metalice.
Fizicianul italian Antonio Pacinotti (1841 – 1912) construiește în jurul anului 1860 un generator de curent continuu, pe care inginerul belgian Zénobe Gramme (1826 - 1901) îl perfecționează, astfel că în 1870, realizează primul generator electric pentru uz industrial, așa-numitul dinam a lui Gramme. Prin acesta, se transformă energia mecanică în energie electrică prin intermediul inducției electromagnetice.
Fizicianul englez John Hopkinson descoperă avantajele sistemului trifazat de producere și de transport al energiei electrice, inovație pe care o patentează în 1882.[13] Același lucru constituie subiectul uneia din invențiile lui Nikola Tesla (1856 - 1943) patentate în 1888 și puse în practică de industriașul nord-american George Westinghouse (1846-1914). Tot prin colaborarea celor doi, în 1895 este dată în funcțiune centrala electrică experimentală de pe Cascada Niagara.
Aplicații practice
modificareÎn 1808 Davy realizează un corp de iluminat care utilizează arcul electric generat între doi electrozi.[14]
În 1825, fizicianul englez William Sturgeon (1783 - 1850) construiește primul electromagnet. Acesta va sta la baza electromotorului, telegrafului și comutatorului electric de mai târziu și astfel începe epoca mecanizării și automatizării electrice.
Utilizând principiul lui Faraday, Hippolyte Pixii construiește un generator de curent alternativ.
Gauss și Kirchhoff reușesc să instaleze primele fire de telegraf, aparatul telegrafic fiind inventat de Samuel Morse în 1838 și brevetat doi ani mai târziu.
În 1834, americanul Thomas Davenport construiește un motor electric alimentat de baterii, care poate fi considerat unul din precursorii tramvaiului de mai târziu.[15]
În 1841, pe străzile din Paris este utilizat pentru prima dată iluminatul cu arc electric.
Inventatorul american Samuel Morse (1791 - 1872), preluând ideile lui Chappe (inventatorul telegrafului optic), Sömmering, Gauss, Weber, Ampère și Wheatstone, aduce perfecționări telegrafului și anume realizarea unui dispozitiv care permitea inscripționarea mesajului și realizarea unui nou limbaj de comunicare, care îi va purta numele, codul Morse. Astfel că în 1844, Morse transmite primul mesaj printr-o linie telegrafică experimentală în Washington și Baltimore.
Johann Wilhelm Hittorf (1824 - 1914) studiază descărcarea în vid și, în 1869, descoperă radiațiile catodice.[16] Aceasta va conduce la descoperirea razelor X, lucru realizat de Wilhelm Conrad Röntgen (1845 - 1923) în 1895. În plus, razele catodice vor sta la baza obținerii imaginii la televizoarele clasice.
În 1873 este demonstrată posibilitatea transmiterii energiei mecanice pe cale electrică: Sunt cuplate rotoarele a două dinamuri de tip Gramme. Când unul este antrenat de un motor cu abur, acesta devine generator electric și îl rotește și pe celălalt, devenit motor electric.[17]
În 1876, Alexander Graham Bell (1847 - 1922) patentează primul său telefon, deschizând o nouă eră în domeniul telecomunicațiilor.
În 1878, englezul Joseph Swan (1828 - 1914) inventează lampa electrică cu incandescență, folosind filament de carbon. Un an mai târziu, americanul Thomas Alva Edison (1847 - 1931) introduce principiul balonului vidat, obținând o invenție cu adevărat utilă.
Frații Pierre Curie și Jacques Curie descoperă, în 1880, efectul piezoelectric, care va juca un rol important în electronică, în controlul frecvenței oscilatorilor.
În 1883, John Hopkinson descoperă principiul motorului sincron.
Fizicianul german Heinrich Hertz (1857 - 1894) demonstrează existența undelor electromagnetice prevăzute de ecuațiile lui Maxwell și realizează, în 1886, primele dispozitive care emit astfel de unde, precum și de detecție a acestora.[18] Această descoperire stă la baza radioului și televiziunii, fiind urmate mai târziu de telefonia mobilă și internetul wireless. În memoria sa, unitatea de măsură a frecvenței îi poartă numele.
Nikola Tesla patentează în 1888 motorul asincron, aducând o simplificare în construcția electromotoarelor. În 1893, același mare inventator american de origine croată realizează primul emițător radio, devansându-l pe Guglielmo Marconi.
Secolul al XX-lea
modificare
În domeniul iluminatului electric, o inovație o aduce inginerul american Peter Cooper Hewitt (1861 - 1921) prin crearea, în perioada 1902 - 1907, a lămpii cu vapori de mercur.[19] La aceasta a contribuit și studiile asupra fluorescenței efectuate de inventatorii germani Julius Plücker (1801 - 1868) și Heinrich Geissler (1814 - 1879).
În 1929, Robert J. Van de Graaff realizează un generator capabil să obțină tensiuni de sute de mii de volți și scântei de câțiva centimetri și cu care se pot efectua experimente și demonstrații spectaculoase privind efectele curentului electric. Generatorul Van de Graaff este de asemenea util pentru alimentarea acceleratoarelor de particule.
Mari descoperiri teoretice
modificareÎn 1902, fizicianul olandez Hendrik Lorentz (1853 - 1928), împreună cu asistentul său, Pieter Zeeman (1865 - 1943) descoperă ceea ce ulterior va fi denumit efectul Zeeman și care va sta la baza tomografiei prin rezonanță magnetică nucleară.
Efectul fotoelectric, descris încă din 1887 de Hertz, primește o explicație teoretică riguroasă din partea lui Einstein în 1905, care la rândul său realizase o extensie a studiilor lui Planck privind teoria cuantelor.
În 1909, fizicianul american Robert Andrews Millikan (1868 - 1953), prin celebrul său experiment determină sarcina electronului.
În 1911, fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes (1853 - 1926) descoperă supraconductibilitatea. Astfel se pot crea câmpuri magnetice intense, utile la înzestrarea acceleratoarelor de particule, a tehnologiilor bazate pe rezonanță magnetică nucleară, în domeniul nanotehnologiei și la obținerea de materiale deosebite.
Electronica
modificareApariția diodei, inventată în 1904 de către fizicianul englez John Ambrose Fleming (1849 – 1945), poate fi considerată începutul electronicii. În 1906, americanul Greenleaf Whittier Pickard (1877 - 1956) realizează primul detector cu cristal de siliciu, precursor al diodei semiconductoare de mai târziu.[20]
Tranzistorii au fost concepuți, pe la jumătatea secolului XX, la Laboratoarele Bell Telephone Company, de fizicienii americani Walter Houser Brattain (1902 - 1987), John Bardeen (1908 - 1991) și William Bradford Shockley (1910 - 1989).[21]
Transportul feroviar electrificat
modificareUtilizarea electricității în transportul feroviar a condus la dispariția locomotivelor cu aburi, ineficace și mari consumatoare de resurse și a mers în două direcții:
- introducerea locomotivelor Diesel cu tracțiune electrică;
- introducerea locomotivelor electrice.
Printre cele mai moderne și mai rapide trenuri acționate electric se numără: trenul japonez Shinkansen, cel al rețelei feroviare franceze TGV, cel chinez Maglev, cel al rețelei anglo-franceze Eurostar și cel al rețelei vest-europene Intercity-Express.
Televiziunea
modificare
Pe baza experiențelor lui William Crookes (1832 - 1919) privind descărcarea electrică în gaze rarefiate, Karl Ferdinand Braun (1850 - 1918) inventează tubul catodic. Pentru utilizarea acestuia în scopuri practice era nevoie de un emițător eficient. Acesta a fost creat în 1923 de către inginerul rus Vladimir Zvorîkin (1888 - 1982). În 1931, Philo Farnsworth (1906 - 1971) inventează tubul analizor al camerei și astfel se ajunge la primul sistem de televiziune complet funcțional.
Telecomunicațiile și internetul
modificare
În perioada recentă, telecomunicațiile au cunoscut o evoluție continuă și semnificativă, de la telegrafie, telefonie și transmisie radio până la televiziune, telefonie mobilă și internet. Baza teoretică a transmiterii semnalului prin spațiu, fără fir, o constituie ecuațiile lui Maxwell.
În 1887, fizicianul german Heinrich Hertz (1857 - 1894) realizează primul dispozitiv capabil să detecteze undele UHF și VHF.
Utilizarea sateliților de telecomunicații a eliminat obstacolele existente în calea undelor electromagnetice și a condus la acoperirea pe scară globală a serviciilor de telecomunicații.
Vezi și
modificareNote
modificare- ^ Inventors.About.com[nefuncțională]
- ^ Two Kinds of Electrical Fluid: Vitreous and Resinous - 1733
- ^ FisicaNet.com.ar
- ^ „Tom's History of Western Technology”. Arhivat din original la . Accesat în .
- ^ De l'ambre à l'électricité
- ^ Enterprise and electrolysis..., Chemistry World, 2003, Royal Society of Chemistry
- ^ ChemicalHeritage.org[nefuncțională]
- ^ Principiul inducției electromagnetice a fost descoperit independent și de Joseph Henry dar acesta nu și-a publicat rezultatele.
- ^ „MacTutor Biographies”. Arhivat din original la . Accesat în .
- ^ 1928 Nobel Lecture: Owen W. Richardson, Thermionic phenomena and the laws which govern them.
- ^ „Historical lecture on Karl Braun”. Arhivat din original la . Accesat în .
- ^ Maxwell, James Clerk, "On the Theory of Molecular Vortices applied to Magnetic Phenomena"
- ^ „Hopkinson Biography”. Arhivat din original la . Accesat în .
- ^ TheHistoricalArchive.com, The History of Electricity – A Timeline
- ^ Google Books, Electrifying America by David E. Nye, p.86.
- ^ Razele catodice fuseseră remarcate de Faraday încă din 1838, însă incinta de descărcare electrică utilizată de acesta nu era suficient de rarefiată. Mai târziu, Heinrich Geissler (1814 - 1879 realizează un vid înaintat obținând așa-numitele tuburi Geissler, și obține rezultate mai concludente.
- ^ „The Era of Giants (1837 – 1879), Getting Electricity to Work for Man”. Arhivat din original la . Accesat în .
- ^ Entdecker der Wellen
- ^ RingWoodManor.com
- ^ U.S. Patent 836,531.
- ^ 101Science.com