تحولات فناوری برق

برق از یک کنجکاوی علمی به یک ابزار کاربردی تبدیل شد که به طور فزاینده ای در زندگی مردم عادی وجود داشت، دو رشته توسعه وجود داشت: اول پیشرفت های علمی در تئوری و درک الکتریسیته، سپس پیشرفت های مرتبط در استفاده عملی از برق برای اهداف روزمره.

قرن نوزدهم یک دوره کلیدی در توسعه دانش علمی در مورد برق بود

پدیده‌های الکتریکی برای صدها سال مورد توجه دانشمندان بوده است، اگرچه صرفاً به عنوان یک موضوع کنجکاوی فکری تا بعد از سال 1600 حتی در سال 1800، ایده‌های پدیده‌های فیزیکی مرتبط با الکتریسیته نسبتاً اشتباه بود.

در قرن نوزدهم، زمانی که تحولات قابل توجهی در درک جنبه های مختلف الکتریسیته رخ داد، این امر تغییر کرد و اینها محدود به یک کشور یا گروهی از دانشمندان نبودند، بلکه بر آشنایان و پیوندهایی متکی بودند که از مرزهای محلی و ملی فراتر می رفتند.

پیشرفت های قرن نوزدهم با اختراع شمع ولتایی آغاز شد، که در سال 1800 تکمیل شد، اوج کار آلساندرو ولتا ایتالیایی، شمع ولتایی (که از یک سری سلول های الکتریکی تشکیل شده بود، بنابراین یک باتری را تشکیل می داد) فراهم کرد.

اولین وسیله برای تولید جریان الکتریکی پیوسته. این جریان الکتریسیته را از یک پدیده گذرا به پدیده ای تبدیل کرد که می توانست به درستی مطالعه شود. ثمرات این اختراع به سرعت ظاهر شد. در عرض یک سال، نیکلسون و کارلایل موفق به الکترولیز آب شدند.

هامفری دیوی از آن برای تجزیه مواد مختلف استفاده کرد که منجر به کشف پتاسیم و سدیم شد و باتری در قرن نوزدهم بیشتر توسعه یافت.

اولین باتری تولید انبوه توسط ویلیام کرویکشنک طراحی شد و تا زمان اختراع سلول غیرقطبی در سال 1836 به طور پیش فرض بود، علاوه بر باتری‌های اولیه، باتری‌های ثانویه نیز نقش مهمی در استفاده عملی از الکتریسیته ایفا کردند، زیرا اجازه می‌دادند الکتریسیته ذخیره شود و تا زمانی که نیاز باشد ذخیره شود.

این باتری ها بخشی جدایی ناپذیر از سیستم های جریان مستقیم مورد استفاده برای تولید برق خانگی بودند. بنابراین در قرن نوزدهم شاهد پیشرفت های چشمگیری در باتری به عنوان راهی برای تولید و ذخیره برق بود.

یکی دیگر از زمینه های کلیدی توسعه در زمینه الکترومغناطیس بود و در سال 1819، دانشمند دانمارکی هانس کریستین اورستد کشف کرد که یک سوزن قطب نما از یک سیم حاوی جریان الکتریکی منحرف شده است. (این امر تحقیقات بیشتری را در این زمینه برانگیخت)

آندره ماری آمپر، دانشمند فرانسوی، به سرعت به اکتشافات اورستد پی برد و یک نظریه ریاضی ایجاد کرد که پدیده های الکترومغناطیسی قبلاً مشاهده شده را توضیح می داد و بسیاری دیگر را پیش بینی می کرد.

مایکل فارادی، شیمیدان و فیزیکدان بریتانیایی، بر اساس این کار ساخته شد و اکتشافات بسیار مهمی در این زمینه انجام داد و در سال 1831، آزمایش‌های او باعث شد تا القای متقابل را کشف کند، شکلی از القای الکترومغناطیسی، که پایه‌های بسیاری از پیشرفت‌های بعدی را بنا نهاد.

در طول چند دهه بعد، دانشمندان و آزمایشگران مختلف تلاش کردند تا در مورد این مکانیسم ها بیشتر بیاموزند و آنها را بهبود بخشند، که این تلاش ها منجر به پیشرفت های تکه تکه و پیچیده شد.

با این حال، اصل سیم پیچ القایی در این دوره بهتر درک شد و پیشرفت کرد و بر پیشرفت های بعدی تأثیر گذاشت.

پیشرفت در الکترومغناطیس برای توسعه تولید مکانیکی الکتریسیته مهم بود، مطالعه ارتباط بین حرکت و الکتریسیته در دهه‌های 1820 و 1830 آغاز شد و اولین حق ثبت اختراع توسط توماس داونپورت در سال 1837 به دست آمد. چند دهه بعد شاهد تحولات بیشتر در اصل حرکت الکتریکی بودیم.

یک پیشرفت قابل توجه اختراع موتور القایی تسلا در سال 1883 بود، دستگاهی که قبلا غیرممکن تصور می شد. پیشرفت در درک الکترومغناطیسی نیز منجر به توسعه ژنراتور شد. یک گام بزرگ به سوی مولدهای مؤثر، معرفی «خود برانگیختگی» بود. این از جریان تولید شده توسط ژنراتور برای برق رسانی به سیم های خود استفاده می کند.

چندین نفر به طور مستقل در سال 1866 به این کشف دست یافتند و اواخر دهه 1860 شاهد پیشرفت های قابل توجهی در این نوع مدل بود و این پیشرفت در تولید الکتریسیته جریان را قابل اعتمادتر کرد و منجر به تجدید علاقه به روشنایی الکتریکی شد.

فن آوری تولید برق در بقیه قرن به پیشرفت ادامه داد و تا سال 1887 اولین نیروگاه فشار قوی در جهان در دپتفورد ساخته شد. این یک موفقیت تجاری نبود، اما قابلیت تولید و انتشار برق در مقیاس بزرگ را نشان داد.

توسعه سیم‌پیچ‌های القایی همچنین منجر به توسعه ترانسفورماتور شد که می‌توانست انرژی الکتریکی را از یک مدار به مدار دیگر توسط هادی‌های جفت القایی منتقل کند، استفاده از چنین وسایلی برای چندین دهه پیشنهاد شده بود، و یک سیستم عملی توسط Gaulard و Gibbs در سال 1883 ایجاد شد.

این اجازه می داد ولتاژها بین مدارها تغییر کند و چندین مشکل عملی مرتبط با انتقال برق در فواصل طولانی و اتصال تجهیزات را حل کند، ولتاژهای مختلف به منبع مشابه تا دهه 1880، تقریباً همه ترانسفورماتورها از نوع باز بودند و فاقد میله آهنی بودند که مدار را به هم وصل می کرد.

در مورد کارایی این مدل‌ها اختلاف نظر وجود داشت، اما موارد عملی نشان داد که ترانسفورماتورهای بسته کارآمدتر هستند و اینها در پایان قرن به یک هنجار تبدیل شدند. توسعه ترانسفورماتورها اهمیت دانش عملی و همچنین تئوری را در توسعه برق نشان داد.

یکی دیگر از جنبه های کلیدی توسعه فناوری الکتریکی جنگ جریان ها بود، تضاد مربوط به این بود که آیا منبع الکتریکی باید از طریق جریان مستقیم (DC) که معمولاً توسط باتری ها تولید می شود یا جریان متناوب (AC) تولید شده توسط ژنراتورها تامین شود.

در کنار تعدادی از مشکلات عملی با نوسانات تولید، ذخیره سازی و تقاضا، این بحث همچنین شامل بحث های بحث برانگیز در مورد ایمنی نسبی هر سیستم بود، با طرفداران اصلی این بحث که سیستم دیگر تهدیدی برای ایمنی کاربران و عمومی.

با این حال مشکلات عملی سیستم DC و مزایای سیستم AC برای انتقال در فواصل طولانی به این معنی بود که تا سال 1900 سیستم AC به عنوان مناسب ترین سیستم برای تامین عمومی پذیرفته شد، اگرچه مقدار زیادی برق خانگی همچنان بر روی DC تولید می شد.

در کنار پیشرفت‌ها در درک پدیده‌های الکتریکی، در اواخر قرن نوزدهم، پیشرفت‌های تکنولوژیکی به طور فزاینده‌ای برق را به ابزاری کاربردی تبدیل کردند، (اولین آن تلگراف بود) این ایده در قرن هجدهم مطرح شده بود، اما کشف نیروهای الکترومغناطیسی در قرن نوزدهم امکان توسعه بیشتر آن را فراهم کرد.

اولین تلگراف تجاری قابل دوام توسط کوک و وتستون در سال 1837 ساخته شد و سیستم ساموئل مورس در سال 1838 به دنبال آن قرار گرفت، اختراع مورس در ابتدا به عنوان یک کنجکاوی در نظر گرفته شد و تلگراف کوک و وتستون در ابتدا از نظر تجاری موفقیت آمیز نبود.

با این وجود، تلگراف به زودی گسترده تر شد و در 1870، 9.8 میلیون پیام در بریتانیا ارسال شد. (تأثیر بر ارتباطات درون و بین کشورها چشمگیر بود)

کابل‌های تلگراف زیردریایی بعدها، پس از کشف مواد پوششی مناسب برای سیم‌ها، توسعه یافتند و اولین کابل‌های متقاطع (البته کوتاه مدت) در سال 1850 و به دنبال آن در سال 1866 توسط کابل‌های طولانی‌تر در سراسر اقیانوس اطلس گذاشته شد. در پایان قرن، تلگراف به فناوری اصلی الکتریکی تبدیل شده بود که افراد عادی با آن آشنا بودند.

سایر فناوری های ارتباطی در قرن نوزدهم توسعه یافتند.

یک سیستم خام برای انتقال صدا توسط الکتریسیته در دهه 1860 اختراع شد، اما تا قبل از کار موازی بل و هاوس و گری تلفن اختراع نشد. بل اغلب به عنوان اختراع شناخته می شود، اما بسیاری از کارها در همان زمان توسط هاوس و گری انجام شد.

اگرچه در سال 1875 حق ثبت اختراع به بل اعطا شد، اما بسیار بحث برانگیز بود و منجر به بیش از 600 پرونده قضایی شد.

سپس تلفن به سرعت توسعه یافت. قرن نوزدهم نیز شاهد کشف و توسعه رادیو بود. در سال 1877، کارمند ماکسول معروف خود رساله الکتریسیته و مغناطیس را منتشر کرد، که در آن وجود بسیاری از خواص امواج را که بعدها به امواج رادیویی معروف شدند، اثبات کرد و پیش بینی کرد.

در سال 1886، هاینریش رودولف هرتز تولید و تشخیص این امواج را نشان داد و در سال 1896 گوگلیلمو مارکونی از آنها برای ارتباط رادیویی در طول چند مایل استفاده کرد و اولین شرکت رادیویی تجاری در سال 1897 تأسیس شد و اولین پیام تجاری در سال 1898 ارسال شد.

بنابراین در پایان قرن نوزدهم اولین تکان‌های فناوری ارتباطات الکتریکی در مورد تلفن و رادیو مشاهده شد.

یکی دیگر از کاربردهای برق روشنایی بود. اولین نوع توسعه یافته روشنایی قوس الکتریکی بود که متکی به جریانی بود که بین دو میله کربنی ایجاد می شد و باعث ایجاد یک سری جرقه و در نتیجه نور می شد، اصول الکتریکی پشت این اولین بار توسط دیوی در سال 1802 نشان داده شد، اما مشکلات عملی باعث شد که این فناوری چندین دهه طول بکشد تا بیشتر توسعه یابد.

توسعه قابل توجهی در سال 1876 با اختراع شمع Jablochkoff رخ داد، یک نسخه بهبود یافته از نور قوس که با سرعت کمتری می سوخت. لامپ های قوسی از سال 1878 به بعد در مکان های عمومی ظاهر شدند.

در دهه‌های 1880 و 1890 پتنت‌های بسیار بیشتری ثبت شد، اما دو پیشرفت مهم در چراغ‌های قوسی، محصور کردن نور در یک لوله شیشه‌ای و افزودن نمک‌های شعله‌زا به میله‌های کربنی بود.

تا سال 1890، حدود 1400 لامپ قوس الکتریکی در انگلستان مورد استفاده قرار گرفت که تا سال 1910 به حدود 21400 لامپ افزایش یافت.

در سال 1860، جان وانامیکر، دانشمند انگلیسی، چیزی را اختراع کرد که معمولاً به عنوان اولین لامپ رشته ای شناخته می شود. با این حال، مشکلات مرتبط با سوختن سریع رشته به این معنی بود که پیشرفت کمی در این فناوری در طول بیست سال آینده حاصل شد.

هیچ لامپ عملی نمی تواند ظاهر شود تا زمانی که خلاء مناسبی در داخل لامپ ایجاد شود و این امر با اختراع پمپ جیوه اسپرنگل در سال 1875 به دست آمد، فیلامان های بهبود یافته نیز ضروری بودند، با آزمایش های مختلفی که توسط چهره هایی از جمله سوان و ادیسون انجام شد.

این دو، در میان دیگران، در نهایت به رشته‌های بادوام رسیدند و از حدود سال 1880 به بعد شروع به تولید لامپ‌ها به صورت تجاری کردند.

اختلافات جدی بین ادیسون و سوان در مورد اینکه چه کسی این پیشرفت ها را ایجاد کرده بود وجود داشت، و اختلافاتی بر سر این واقعیت که ادیسون حق اختراع را به دست آورده بود، اما شرکت سوان در سال 1883 با شرکت ادیسون ادغام شد و به این ترتیب به مشکلات پایان داد.

در حالی که حق ثبت اختراع به طول انجامید، لامپ ها نسبتاً گران بودند، اما با افزایش تقاضا قیمت آنها کاهش یافت.

حق ثبت اختراع در سال 1893 منقضی شد و شرکت ادیسون با رقابت قابل توجهی از تولید کنندگان دیگر روبرو شد، دهه 1890 شاهد توسعه بیشتر در لامپ رشته ای بود که از فلزات مختلف به عنوان رشته استفاده می شد که در لامپ رشته تنگستن که برای اولین بار در سال 1909 معرفی شد به اوج خود رسید.

روشنایی الکتریکی نیز از دهه 1880 به بعد شروع به ورود به حوزه خانگی کرد، اگرچه در ابتدا فقط اشراف می توانستند فناوری نورپردازی گران قیمت و هنوز آزمایشی را بپردازند، برق داخل خانه از سوی برخی خطرناک تلقی می شد و مخالفان آن از جمله صنعت گاز آن را خطرناک می دانستند.

لامپ‌های اولیه نسبتاً سریع شکسته می‌شدند، نسبتاً گران بودند و به‌عنوان علت بالقوه آتش‌سوزی می‌ترسیدند، ژنراتورهای خانگی مانند برخی از برق اصلی می توانند غیرقابل اعتماد باشند و قانون روشنایی الکتریکی 1882 بار ایمنی را بر دوش تامین کنندگان برق اصلی قرار داد و موارد ایمنی مختلفی ایجاد شد.

با این حال، با وجود این مشکلات، تعداد خانه‌های دارای روشنایی خانگی در منطقه لندن از دوازده خانه در اواسط دهه 1880 به چند هزار خانه در پایان دهه افزایش یافت، این تعداد تا پایان قرن همچنان افزایش می‌یابد و نشان‌دهنده استقبال گسترده‌تر از روشنایی الکتریکی در خانه به عنوان جایگزینی برای روشنایی گازی است.

قرن نوزدهم شاهد پیشرفت‌های مهمی در درک علم برق بود، با کار بزرگان علمی مانند فارادی که پایه‌های توسعه فناوری عملی‌تر را ایجاد کرد که برق را از یک کنجکاوی علمی به یک ابزار عملی روزمره تبدیل کرد.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.