تاريخ نظرية كهرومغناطيسية

تاريخ نظرية الكهرومغناطيسية (بما في ذلك استخدامه)، يعود إلى أكثر من 2000 سنة، وانظر التسلسل الزمني لنظرية الكهرومغناطيسية ‏(en)‏. كان القدماء ملمين بتأثير كهرباء الغلاف الجوي، ولا سيما البرق التي هي بشكل عام كالعواصف الرعدية[1] في مناطق خطوط العرض الجنوبية، وكان لديهم أيضا إلمام بنار سانت إلمو ‏(en)‏. ومع ذلك فلديهم القليل المعلومات حول الكهرباء، ولم يتمكنوا من تفسير تلك الظواهر علميا[2].


مخطوطة آلة كهرومغناطيسيةمحتويات [أخف]
1 الكهرباء والمغناطيسية
2 التاريخ القديم
3 العصور الوسطى وعصر النهضة
4 القرن 18
4.1 تطوير الآلات الكهربائية
4.2 الكهرباء وغير الكهرباء
4.3 زجاجي وراتنجي
4.4 قارورة ليدن
4.5 أواخر القرن 18
5 المصادر


[عدل] الكهرباء والمغناطيسيةيتم التعامل مع الكهرباء بالتساوي مع المغناطيسية لأن كليهما يظهران معا؛ فأينما تتحرك الكهرباء فإن المغناطيسية تكون معه[3]. فظاهرة المغناطيسية قد تم التعرف عليها في زمن مبكر من تاريخ المغناطيسية ، ولكن يتم تفسيرها بالكامل حتى تطورت فكرة الحث الكهرومغناطيسي[4]. وكذلك فإن ظاهرة الكهرباء قد تم التعرف عليها في زمن مبكر من تاريخ الكهرباء، ولكن يتم تفسيرها بالكامل حتى تطورت فكرة الشحنة الكهربائية

[عدل] التاريخ القديميعود تاريخ المعرفة بالكهرباء الساكنة إلى أقدم الحضارات، فظلت لآلاف السنين مجرد ظاهرة مثيرة للاهتمام ومحيرة، وبدون أي نظرية لتفسير هذا السلوك، فكثيرا ما اختلط بالفهم مع المغناطيسية. وقد تعرف القدماء على خصائص أخرى غريبة يمتلكها معدنين وهما: الكهرمان والمغناطيس الخام. فالكهرمان عندما يفرك فإنه يجذب الأجسام اللطيفة؛ أما مغناطيس الحديد الخام فله القدرة على جذب الحديد[5].

اقترح العالم الفلكي الأمريكي جون كارلسون -استنادا على وجوده لقطعة أثرية من حجر الدم في أولمك أمريكا الوسطى- : بأن شعب الأولمك قد اكتشف واستخدم حجر المغنتيت كبوصلة مغناطيسية أرضية بزمن 1000 ق.م. فإن صدق فإنه قد سبق الاكتشاف الصيني لحجر المغنتيت كبوصلة مغناطيسية بألف سنة[6][7]. خمن كارلسون بأن الأولمك قد قطع أثرية مشابهة وذلك لاستخدامها كجهاز توجيه للأغراض الفلكية أو للاستخدام في ضرب الرمل ‏(en)‏ أو لتوجيه معابدهم أو مساكنهم أو حتى لدفن الموتى. في الأدب الصيني القديم فإن الإشارة إلى المغناطيسية بدأ في القرن الرابع ق.م خلال كتاب سمي بسيد وادي الشيطان (鬼谷子): "حجر المغناطيس يجعل الحديد يأتي إليه أو يجذبه"[8].

كان اكتشاف الكهرمان والمواد الأخرى الشبيهة له[9] في العصور القديمة أعطى فكرة أن إنسان ماقبل التاريخ ربما قد ادركها وفهمها[10][11]. وذلك بأن تفرك مصادفة مع الجلود التي كان يلبسها مما تنجذب إلى الراتنج وبالتالي يتكهرب من الفراء الخفيف بطريقة تجعله ينتبه إلى ذلك.[12] ما بين تلك الملاحظات المجردة للحقيقة، يبقى أن أي استنباط منها يكون قد مرت عليها فترات طويلة جدا، ولكن في الآخر أتى الوقت الذي بدا ينظر إلى الكهرمان على أنه مادة جماد غريبة له إمكانية التأثير أو حتى يعطي لنفسه أشياء أخرى؛ وهذا واضح على قدرته الذاتية وليس من خلال أي آلية مرتبطة به أو وسيلة اتصال ممتدة إليه؛ فقد كان من المسلم به وبشكل مختصر أن بإمكان الطبيعة أن تعطينا أشياء جامدة ولكن تظهر بها سمة الحياة.[12]

قبل ظهور علوم الكهرومغناطيسية بوقت طويل، كان الناس يعلمون وبشكل مبسط بالآثار الناتجة من الكهرباء، فالبرق والأشكال الأخرى من الكهرباء معروفة لدى فلاسفة العصور القديمة، ولكن الاعتقاد لديهم لم يكن أبعد من أن هذه المظاهر لها أصل مشترك[13]. فكان الناس في مصر القديمة لهم اطلاع بالصدمات عند التعامل مع الأسماك الكهربائية (مثل سمك السلور الكهربائي ‏(en)‏) أو غيرها من الحيوانات (مثل ثعابين كهربائية).[14]. كانت صدمات تلك الحيوانات واضحة للمراقبين منذ أقدم الأزمان ومن مجموعات مختلفة من الشعوب التي كانت على احتكاك مباشر بها. أشارت مخطوطات الفرعونية من القرن 28 ق.م إلى تلك الأسماك بأنها "مرعدة النيل" ونظروا إليها على أنها حامية الأسماك الأخرى[5]. ربما الأقدم وأقرب اسناد اكتشاف تطابق البرق مع الكهرباء من أي مصدر آخر كان إلى العرب ‏(en)‏ الذين استعملوا كلمة البرق للإشارة إلى سمك الشفنين ‏(en)‏[13].

حسب مادونه طاليس في القرن السادس قبل الميلاد، قائلا بأن الإغريق القدماء قد لاحظوا شكل من الكهرباء يجذب الأشياء البسيطة في حالة فرك الفرو بعدة مواد كالكهرمان[15]. وكتب أيضا بأن هذا التأثير عرف باسم الكهرباء الساكنة. ولاحظ الإغريق أيضا أنه بإمكان حبات الكهرمان جذب الأشياء الخفيفة مثل الشعر وإذا ماتم فرك الكهرمان لفترة طويلة فإنه قد ينتج منه خروج شرارة. كان الاعتقاد في ذلك الوقت في الخيمياء والفلسفة الطبيعية بوجود وسط من الأثير ‏(en)‏ وهي مادة تملأ فراغ الكون أو الوسط المحيط.

وتم ذكر تلك الظواهر الكهروستاتيكية مرة أخرى بعد ذلك بألف سنة، فذكرها العلماء الرومان والعلماء العرب وأطبائهم[16]. بعض الكتاب القدماء مثل بليني وسكريبونيوس لارجوس ‏(en)‏، يشهد على تأثير الذهول من الصدمات الكهربائية التي يلقيها سمك السلور الكهربائي والشفنين. كتب بليني في مؤلفاته مايلي: "إن التوسكانيين القدماء بما تعلموه بأن هناك تسعة آلهة ترسل البرق باستمرار وهؤلاء من 11 إله." عموما كانت تلك فكرة وثنية مبكرة عن البرق[13] وظل هؤلاء القدماء محافظين على نظرية أن الصدمة قد تمر خلال الأجسام المتصلة.[17]. وقد وجهت تلك الصدمات الكهربائية للمرضى الذين يعانون من الامراض المزمنة مثل النقرس أو الصداع على أمل أن صدمة قوية قد تعالجهم[18].


رسم تشبيهي لبطارية بغدادفي سنة 1938 اكتشفت بعض القطع في العراق التي تعود إلى القرون الميلادية الآولى (زمن البارثيون أو الساسانيون وتسمى أشورستان ‏(en)‏) وقد اطلق عليها اسم بطارية بغداد، وتمثل خلية جلفانية ويعتقد بأنها استخدمت في عملية الطلاء الكهربائي ‏(en)‏[19]. وقد كانت تلك الأقوال محل خلاف وجدل بسبب الأدلة المدعومة والنظريات عن استخدامات تلك القطع الأثرية[20][21]. وتلك الأدلة المادية على هذه القطع مواتية لأداء الوظائف الكهربائية[22]، وإذا كانت الكهرباء في الطبيعة. ونتيجة لطبيعة هذه القطع تقوم على التخمين ‏(en)‏ لذلك فوظيفة هذه القطع الأثرية لا تزال محل شك[23].

[عدل] العصور الوسطى وعصر النهضةأدت محاولة تفسير الجذب المغناطيسي إلى أول هجوم للعقل البشري على الخرافات وفلسفتها. فبعد مرور قرون من الزمان، بدأ ادراك جديد يظهر حول قطبية المغناطيس، أو حول ظهور الآثار المعاكسة على طرفيها؛ ثم أتى أول استخدام للمعارف المكتسبة كما في البوصلة البحرية التي قادت إلى الاكتشافات في العالم الجديد، مما رمى بشكل واسع جميع بوابات التجارة القديمة وحضارتها[12].

ففي القرن الحادي عشر ظهر العالم الصيني شن كو (1031-1095)، الذي كان أول شخص يكتب عن الإبرة المغناطيسية البوصلة وهذا ساعد على تطوير دقة الملاحة بواسطة ادخال المفاهيم الفلكية للشمال الحقيقي ‏(en)‏، ولم يمض القرن الثاني عشر إلا وكان الصينيون يعرفون كيف يستخدمون حجر المغناطيس كبوصلة للملاحة.

كانت المغناطيسية أحد العلوم القلائل التي تقدمت في قرون أوروبا الوسطى؛ ففي القرن الثالث عشر قدم أحد أهالي مقاطعة بيكاردي واسمه بيتر بريجرينوس اكتشافا ذو أهمية أساسية[24]. وقد أجرى هذا الباحث الفرنسي تجارب على المغناطيسية وكتب أول أطروحة موجودة إلى الآن تصف خصائص المغناطيس وتمحور إبرة البوصلة[5]. وفي حوالي سنة 1300 اخترع الإيطالي فلافيو جيوجا البوصلة الجافة[25].

وفي سنة 1550 كتب الفيزيائي الإيطالي جيرولامو كاردانو عن الكهرباء في مؤلفه المسمى De Subtilitate وميز فيه لأول مرة ما بين القوى المغناطيسية والكهربية. ووصولا إلى أواخر القرن السادس عشر، حيث أظهر فيزيائي العهد الفيكتوري الدكتور وليام جلبرت ‏(en)‏ كتابه دي ماجنتا (بالإنجليزية: De Magnete‏) والذي توسع في عمل كاردانو وأنشأ من اللاتينية كلمة إلكتريكوس (باللاتينية: electricus) المستمدة من الكلمة الإغريقية ἤλεκτρον (إلكترون) وتعني الكهرمان. وينسب أول استخدام لكلمة الكهرباء إلى السير توماس براون ‏(en)‏ في مؤلفه المسمى Pseudodoxia Epidemica لسنة 1646. قام جيلبرت بالعديد من التجارب الكهربائية الدقيقة، ففي سياقها اكتشف أن هناك العديد من المواد الأخرى غير الكهرمان لها القدرة على إظهار الخصائص الكهربائية مثل الكبريت والشمع والزجاج الخ[26]. واكتشف جلبرت أيضا أن الكهرباء تضيع عند تسخين الأجسام وكذلك الرطوبة التي تحول دون كهربة الأجسام كلها، ويرجع ذلك إلى الحقيقة المعروفة الآن بأن الرطوبة تضعف عزل تلك الأجسام. كما لاحظ بأن كهربة أجسام معينة قد تجذب أجسام أخرى بشكل عشوائي، في حين أن المغناطيس يجذب الحديد فقط. الاكتشافات العديدة لجلبرت حول الكهرومغناطيسية أعطته لقب مؤسس علم الكهرباء[13].

أحد الرواد في هذا المجال كان روبرت بويل الذي أعلن في 1675 أن عمليتي الجذب والتنافر الكهربائي يمكن أن يحدثا في الفراغ. وأحد اكتشافاته المهمة أن الأجسام المكهربة يمكنها جذب المواد الخفيفة في الفراغ، وهذا يدل على أن تأثير الكهرباء لا يعتمد على الهواء كوسط. وقد أضاف الراتنج إلى قائمة المواد المكهربة المعروفة آنذاك[13][27].

وكان ذلك أتى بعد جوريك أوتوفون الذي اخترع مولد كهروستاتيكا بدائي في 1660. وبحلول نهاية القرن 17 طور الباحثون وسائل عملية توليد الكهرباء بواسطة الاحتكاك في مولد كهروستاتيكي ‏(en)‏، لكن تطوير آلات الكهرباء لم تبدأ بشكل جدي حتى القرن 18 عندما أصبحت تلك الأدوات أساسية في الدراسة حول علم الكهرباء الجديد.

[عدل] القرن 18[عدل] تطوير الآلات الكهربائيةتطورت الآلة الكهربية بعد ذلك بفضل كلا من فرانسيس هاكسبي ‏(en)‏ وليتزندورف والبروفسور جورج ماتياس بوس، وكان ذلك حوالي 1750. فاستبدل ليتزندورف الكرة الزجاجية لكرة جوريك الكبريتية. وكان بوس أول من أدخل الموصل الرئيسي لتلك الآلات، والذي يتكون من قضيب حديد يمسكه شخص يكون معزولا بوقوفه على قطعة من الراتنج. واخترع يان إينخنهاوسز سنة 1746 آلة كهربائية مصنوعة من لوحة زجاجية[28]. وقد ساعد اكتشاف خواص الزجاج إلى حد كبير في تطوير التجارب على الآلات الكهربائية، فعندما تغطى كلا طرفيها بورق القصدير تتراكم شحنة الكهرباء عند اتصالها مع مصدر لقوة كهربائية دافعة. ثم جاء اندرو جوردون ‏(en)‏ الإسكتلندي وطور بشكل أفضل تلك المحركات الكهربائية واستبدل اسطوانة الزجاج بالكرة الزجاجية، ثم اضاف جيسنج لايبزغ مطاط يحتوي على وسادة من مادة الصوف. ثم جاء بنجامين ويلسون ‏(en)‏ سنة 1746 وأضاف إلى الجهاز المجمع الذي يحتوي على سلسلة من النقاط المعدنية، وفي سنة 1762 طور جون كانتون ‏(en)‏ من كفاءة الأجهزة الكهربائية وذلك برش مزيج من القصدير على سطح المطاط[13].

[عدل] الكهرباء وغير الكهرباءأجرى ستيفن غراي سلسلة من التجارب التي أثبتت بوجود فرق بين الموصلات وغير الموصلات (عوازل)، وتبين خلالها أن السلك المعدني أو الحزمة منها هي من الموصلات للكهرباء، ففي احدى تجاربه ارسل تيار كهرباء لمسافة 800 قدم خلال ربطة من حبل القنب (الخيش) ولكنها تتوقف عند حلقات خيوط الحرير، فعندما أعاد التجربة وغير من الحرير بأسلاك نحاسية، وجد أن التيار الكهربي لم يعد محمولا في أنحاء حبل القنب ولكنه تلاشي في أسلاك النحاس. فاستنتج من تلك التجربة أن المواد تصنف إلى صنفين: "كهربائية" مثل الزجاج والراتنج والحرير، و"غير كهربائية" مثل المعدن والماء. فالكهربائية هي التي توصل الشحنة بينما غير الكهربائية هي التي توقف الشحنة[13][29].

[عدل] زجاجي وراتنجيفي سنة 1732 بدأ شارل دو فاي المفتون بنتائج غراي بإجراء العديد من التجارب. فخلص في الآولى بأن جميع الأشياء هي مكهربة بالاحتكاك، عدا المعادن والحيوانات والسوائل فهي تتكهرب عن طريق الآلة الكهربائية، وبالتالي فقد فشل تصنيف غراي حول المواد الكهربائية وغير الكهربائية

اكتشف دو فاي وهاوكسبي كلا على حدة بما يعتقد بأن هناك نوعين من كهرباء الاحتكاك؛ الآولى ناتجة من فرك الزجاج، والأخرى من فرك الراتنج. ففي سنة 1700 الإنجليزي فرنسيس هوكسبي في توليد الضوء الكهربي لأول مرة حيث افرغ كرة زجاجية من الهواء وأدارها بسرعة كبيرة وهو يدلكها بيده فانبعث منها ضوء خافت. وعلى ضوء ذلك أخرج دو فاي نظريته القائلة بأن الكهرباء تتكون من سائلين كهربائيين: "زجاجي" و"راتنجي"، ينفصلان عند الاحتكاك، ويحيدان بعضهما البعض عند اجتماعهما[30]. وقد ساعدت نظرية السائلين تلك على ظهور مفهوم "الموجب" و"السالب" للشحنات الكهربية التي وضعها بنيامين فرانكلين لاحقا[13