Ηλεκτρικό φως

Η εφεύρεση της ηλεκτρικής μπαταρίας το έτος 1800 άνοιξε το δρόμο στους ερευνητές για εξήγηση διαφόρων ηλεκτρικών φαινομένων και αναζήτηση νέων εφαρμογών. Η πρώτη μεγάλη εφεύρεση μετά το αλεξικέραυνο αφορούσε τον ηλεκτρικό φωτισμό. Σύντομα διαπιστώθηκε ότι μεταλλικά σύρματα και κομμάτια άνθρακα θερμαίνονταν, όταν περνούσε από αυτά ρεύμα. Και σε περίπτωση υψηλών ρευμάτων, αυτοί οι αγωγοί πυρακτώνονταν και ακτινοβολούσαν. Η πρώτη σχετική αναφορά οφείλεται στον Humphrey Davy (Ντέιβυ, 1778-1829) και η πρώτη δημόσια επίδειξη με διέλευση ισχυρού ρεύματος από σύρμα λευκόχρυσου έγινε το 1802. Δυστυχώς, αυτό το θαύμα της τεχνικής διαρκούσε λίγο, γιατί το σύρμα «καιγόταν». Μέχρι το 1809 έκαναν ο Ντέιβυ και άλλοι ερευνητές πολλά πειράματα για να διατηρήσουν το φως για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά χωρίς επιτυχία. Τελικά παρουσίασε ο σκληροτράχηλος αυτός ερευνητής το 1813 την πρώτη λυχνία τόξου, η οποία φώτιζε για αρκετά λεπτά το χώρο επιδείξεως. Επρόκειτο για βολταϊκό τόξο που δημιουργείτο μεταξύ δύο τεμαχίων άνθρακα, των οποίων τα άκρα βρίσκονταν σε απόσταση περίπου 1 mm.  Βέβαια, αυτό που δεν έβλεπαν οι θεατές του πειράματος, γιατί ήταν κρυμμένο πίσω από ένα παραβάν, ήταν η τροφοδοσία αυτής της λάμπας που αποτελείτο από 2.000 βολταϊκά στοιχεία. Αν και η τεχνική διάταξη δεν ήταν ακόμα ώριμη για  αξιοποίηση, όπως συμβαίνει τις περισσότερες φορές με τις σημαντικές εφευρέσεις, είχε αποδειχθεί η δυνατότητα του ηλεκτροφωτισμού. Η αναζήτηση λύσης στο θέμα του ηλεκτροφωτισμού κράτησε αρκετές δεκαετίες. με κύριο στόχο τον εντοπισμό υλικών που δεν θα καίγονταν  στην ατμόσφαιρα, μετά από κάποιο χρόνο πυρακτώσεώς τους με τη διέλευση υψηλού ηλεκτρικού ρεύματος. Η αρχική λύση του Ντέιβυ βελτιώθηκε με άνθρακα καλύτερης ποιότητας και γεωμετρίας και με ένα μηχανισμό αυτόματου ελέγχου, ο οποίος διατηρούσε τους δύο ακροδέκτες σε σταθερή απόσταση, ώστε να μη σβήνει το τόξο.

Ηλεκτροφωτισμός της πλατείας Ομονοίας στο Παρίσι Έτσι, το 1844 ηλεκτροφωτίστηκε πανηγυρικά η Place de la Concorde στο Παρίσι και το νέο έκανε αμέσως το γύρο του κόσμου, ως τεχνολογική κατάκτηση. Για την κατασκευή αυτού του φωτισμού είχαν εργαστεί ο μηχανικός Louis-Joseph Deleuil (1795-1862) και ο Φυσικός Jean Bernard Leon Foucault (1819-1868). Το παράδειγμα το Παρισιού έσπευσαν να αντιγράψουν κι άλλες μεγάλες πόλεις της Ευρώπης, αν και η λύση του βολταϊκού τόξου δεν ήταν τεχνικά ολοκληρωμένη. Αφενός το πρόβλημα των ηλεκτροδίων απαιτούσε συχνή συντήρηση, αφετέρου η τροφοδοσία με ηλεκτρική ενέργεια στηριζόταν ακόμα σε ακριβές και ογκώδεις μπαταρίες. Η οριστική λύση του προβλήματος επήλθε με την κατασκευή λυχνιών κενού (Edison κ.ά.) και με την κατασκευή σταθμών ηλεκτρικής τροφοδοσίας. Για το σκοπό αυτό έπρεπε όμως να εφευρεθούν πρώτα οι ηλεκτρικές γεννήτριες με περιστρεφόμενο δρομέα.

Θερμοηλεκτρισμός

Το έτος 1822 ανακαλύφθηκε ένα φαινόμενο που αποτέλεσε αφορμή για τη δημιουργία του τομέα της θερμοηλεκτρικής τεχνολογίας. Ο Φυσικός Thomas Johann Seebeck (Ζήμπεκ, 1770-1831) που είχε επιδόσεις σε μελέτες της Οπτικής, πειραματιζόταν με κλειστούς συρμάτινους βρόχους, οι οποίοι ήταν κατά το ένα μισό από χαλκό και κατά το υπόλοιπο από σίδηρο. Οι βρόχοι αυτοί είχαν έτσι δύο σημεία συγκολήσεως χαλκού και σιδήρου. Ο Ζήμπεκ διαπίστωσε ότι, αν μεταξύ των δύο σημείων συγκολήσεως υπήρχε διαφορά θερμοκρασίας, ο βρόχος διαρρεόταν από ρεύμα, με ένταση ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασιών. Μερικά χρόνια αργότερα έγινε κατανοητό ότι μια τέτοια διάξη ήταν κατάλληλη για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Το ένα σημείο συγκολήσεως (θερμικό ζεύγος) τοποθετείτο στο σημείο που έπρεπε να μετρηθεί η θερμοκρασία και το άλλο έμενε ελεύθερο στη θερμοκρασία δωματίου.  Με την πάροδο των ετών ερευνήθηκαν διάφοροι συνδυασμοί μετάλλων για δημιουργία θερμικών ζευγών, με στόχο τη γραμμική ανταπόκριση του συστήματος, την αύξηση της ευαισθησίας και τη διεύρυνση της περιοχής μέτρησης. Με ίδιους στόχους δημιουργήθηκαν συστοιχίες θερμικών ζευγών, δηλαδή επάλληλες συνδέσεις με εναλλαγή των συγκολλημένων μετάλλων.  Ακριβώς το αντίστροφο φαινόμενο εντόπισε ο ερευνητής Jean Charles Athanase Peltier (Πελτιέ, 1785-1845) το έτος 1834, όταν διαπίστωσε ότι ένας βρόχος από δύο διαφορετικά μέταλλα που διαρρέεται από σταθερό ρεύμα, παρουσιάζει διαφορά θερμοκρασιών στα σημεία συγκολλήσεως. Ο Πελτιέ υπέθεσε ότι αυτό το φαινόμενο οφείλεται σε κάποιο σφάλμα του νόμου του Τζάουλ, μια και δεν υπήρχε συγκροτημένη ηλεκτρονική θεωρία για να ερμηνεύσει τα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα. Το έτος 1838 επιβεβαίωσαν οι Becquerel και Lenz το φαινόμενο Πελτιέ, αλλά η εξήγησή του δόθηκε περί το 1860 από τον Thomson. Λόγω της μικρής διαφοράς θεροκρασιών που προέκυπτε κατά τη διέλευση ρεύματος, δεν αξιοποιήθηκε τεχνικά αυτό το φαινόμενο. Μετά από περίπου 100 χρόνια όμως χρησιμοποιήθηκε το φαινόμενο Πελτιέ στην ψύξη ημιαγωγών.

Νόμοι των ηλεκτρικών κυκλωμάτων

Το έτος 1823 παρατήρησε ο Ντέιβυ ότι η αντίσταση των μετάλλων μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία. Την ίδια εποχή άρχισε ανάλογα πειράματα ο Georg Simon Ohm (1787-1854), ο οποίος τα συνέχισε για αρκετά χρόνια και το έτος 1825 δημοσίευσε μια εργασία με τίτλο «Προδημοσίευση του  νόμου, σύμφωνα με τον οποίο άγουν τα μέταλλα τον ηλεκτρισμό επαφής», η οποία αναφερόταν στην αναλογία τάσης και ρεύματος σε μια ηλεκτρική αντίσταση. Το 1826 δημοσιεύτηκε η τελική εργασία! Λόγω της τεχνικής σημασίας και της συχνής χρήσης αυτής της σχέσης, U=RI,  ο νόμος του Ωμ, όπως ονομάστηκε, έγινε πολύ δημοφιλής και διδασκόταν ήδη στα πρώτα μαθήματα Ηλεκτρισμού των σχολείων, πράγμα που συμβαίνει μέχρι σήμερα.  Το 1826, όταν ο Ωμ δημοσίευσε την εργασία του με τον ομώνυμο νόμο, ο Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) ήταν μόλις 2 ετών. Περίπου 20 χρόνια αργότερα, το 1847, μελέτησε ο νέος Φυσικός Κίρχοφ την κατανομή των ρευμάτων και των τάσεων σε κλειστά κυκλώματα, που περιλαμβάνουν μία ή περισσότερες πηγές τάσης. Το έτος 1847 δημοσίευσε τελικά μια επιστημονική ανακοίνωση που περιλαμβάνει τους δύο γνωστούς νόμους, οι οποίοι πήραν το όνομά του, το νόμο των κόμβων για τα ρεύματα και το νόμο των βρόχων για τις τάσεις. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι ο πρώτος εξ αυτών είναι συνέπεια της αρχής διατηρήσεως του φορτίου και ο δεύτερος της αρχής διατηρήσεως της ενέργειας. Ο Κίρχοφ ασχολήθηκε επίσης με θέματα θερμότητας και άφησε και σ' αυτό τον τομέα το στίγμα του. Μαγνητισμός από Ηλεκτρισμό, Ampere   Το έτος 1819 διαπίστωσε τυχαία ο καθηγητής του Πανεπιστημιού της Κοπεγχάγης, Hans Christian Oersted (Έρστεντ, 1777-1851) ότι η βελόνα μιας πυξίδας άλλαζε προσανατολισμό, όταν από αγωγό που βρισκόταν κοντά της πέρναγε ηλεκτρικό ρεύμα. Όσο εγγύτερα στον αγωγό βρισκόταν η πυξίδα, τόσο περισσότερο άλλαζε ο προσανατολισμός της. με διακοπή του ρεύματος επέστρεφε η βελόνα της πυξίδας στην αρχική θέση της. Ήδη από το έτος 1786 είχε ανακαλύψει ο Κουλόμπ ότι δύο μαγνήτες εξασκούσαν αμοιβαίως δυνάμεις και είχε μάλιστα καταγράψει σχέσεις υπολογισμού γι' αυτό το φαινόμενο. Με την ανακάλυψη του Oersted προέκυπτε όμως μια σχέση ηλεκτρισμού και μαγνητισμού, παρ' ότι ήδη από το 1600 ο Τζίλμπερτ είχε θεωρήσει ότι μαγνητισμός και ηλεκτρισμός είναι δύο ανεξάρτητς κατηγορίες φυσικών φαινομένων. Ο Έρστεντ δημοσίευσε τις παρατηρήσεις και τα συμπεράσματά του το 1820.    Μερικούς μήνες μετά, το ίδιο έτος, περιέγραψε ο Dominique Francois Arago (Αραγκό, 1786-1853) στη γαλλική Ακαδημία Επιστημών τα πειράματα του Έρστεντ, όπως τα παρουσίασε ο τελευταίος σε μια επίδειξη στη Γενεύη.  Από εκείνη τη στιγμή άρχισε να ενδιαφέρεται για το ζήτημα ένας από τους ακροατές του, ο καθηγητής στην πολυτεχνική σχολή του Παρισιού, Andre Marie Ampere (Αμπέρ, 1775-1836), γνωστός για την πολυμάθεια και την ενασχόλησή του με πολλούς τομείς της επιστήμης, όχι όμως πάντα με ευδιάκριτα και αξιόλογα αποτελέσματα, κυρίως λόγω του άστατου χαρακτήρα του.  Ο Αμπέρ είχε δείξει ήδη σε μικρή ηλικία εντυπωσιακή ευφυία. Λέγεται ότι έμαθε λατινικά, τα οποία αποτελούσαν την «επίσημη» γλώσσα της επιστήμης εκείνης της εποχής, μέσα σε δύο εβδομάδες. Είναι επίσης γνωστό ότι ήδη σε ηλικία 14 ετών διάβαζε τα περίπλοκα έργα των Bernoulli και του Euler. Το 1804 ο Αμπέρ έγινε, σε ηλικία 29 ετών, καθηγητής στην Πολυτεχνική Σχολή στο Παρίσι - περίπου πρωτοφανές φαινόμενο για την εποχή του - και ασχολήθηκε με προβλήματα της Χημείας, συναγωνιζόμενος τον Avogadro σε θέματα της ατομικής θεωρίας που ίσχυε εκείνη την εποχή. Στα επόμενα πέντε χρόνια ασχολείται ο Αμπέρ, αν και μέλος της Ακαδημίας Επιστημών με την ιδιότητα του μαθηματικού, με ζητήματα Ψυχολογίας και Μεταφυσικής.  Ήδη μετά από σύντομο χρονικό διάστημα ενασχόλησης με τον ηλεκτρομαγνητισμό, διαπιστώνει ο σπουδαίος αυτός ερευνητής ότι μία ράβδος μαλακού σιδήρου, γύρω στην οποία τυλίγεται ρευματοφόρος αγωγός (πηνίο), συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένας μόνιμος μαγνήτης. Όταν διακοπεί η ροή ρεύματος στο πηνίο, σταματάει και η μαγνητική δράση της ράβδου. Για να εξηγήσει ο Αμπέρ αυτό το φαινόμενο διατύπωσε μία θεωρία περί ασθενών κυκλικών ρευμάτων στο υλικό του ηλεκτρομαγνήτη, η οποία δεν ευσταθεί με τις σημερινές γνώσεις μας. Παράλληλα ανακάλυψε όμως (1822) ότι δύο γειτονικά σύρματα που διαρρέονται από ρεύμα έλκονται ή απωθούνται μεταξύ τους, ανάλογα με τη φορά των ρευμάτων. Ήταν πλέον σαφές ότι γύρω από τους ρευματοφόρους αγωγούς υπήρχε μαγνητική δράση και ότι ο μαγνητισμός προκαλείτο από τον ηλεκτρισμό. Μία εξήγηση για τη λειτουργία του μόνιμου μαγνήτη δεν ήταν όμως ακόμα δυνατή, επειδή δεν υπήρχε ακριβής γνώση για τη δομή της ύλης. Το 1825 κατασκεύασε ο Αμπέρ ένα όργανο, με το οποίο μπορούσε να μετρήσει μαγνητικά την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος.    Σύγχρονο όργανο κινητού πηνίου Ο Αμπερ θεωρείται η χρονικά πρώτη από τις τέσσερις κορυφαίες προσωπικότητες του ηλεκτρομαγνητισμού. Κι άλλοι ερευνητές ασχολήθηκαν όμως με τα πορίσματα από τα πειράματα του Oersted, ανάμεσά τους ο Karl Friedrich Gauss (Γκάους, 1777-1855), ο Wilhem Weber (Βέμπερ, 1804-1891) και ο Jean Baptiste Biot (Μπιό, 1774-1862), ο οποίος μαζί με το μαθητή του Felix Savart (Σαβάρ, 1791-1841) διατύπωσαν μία εξίσωση για υπολογισμό του μαγνητισμού που δημιουργείται από ένα σταθερό ρεύμα. Ανάλογους υπολογισμούς έκανε και ο Αμπερ (νόμος του διαρρεύματος), με φαινομενικά διαφορετικά αποτελέσματα όμως, πράγμα που οδήγησε σε δημόσιες αντεγκλήσεις ανάμεσα στους υποστηρικτές των Μπιό-Σαβάρ αφενός και του Αμπέρ αφετέρου. Αργότερα, όταν ξεκαθάρισαν οι έννοιες για τα φυσικά μεγέθη και οι σχέσεις γράφτηκαν με την απαραίτητη μαθηματική κωδικοποίηση, διαπιστώθηκε ότι οι δύο αυτοί υπολογισμοί οδηγούσαν στο ίδιο αποτέλεσμα.  Ένα όργανο που κατασκεύσασε ο Weston για τη μέτρηση του ρεύματος, αποδείχθηκε εύκολο στη χρήση και συντήρησή του και ονομάστηκε γαλβανόμετρο. Πρόκειται για το χρησιμοποιούμενο με βελτιώσεις και σήμερα όργανο με κινητό (περιστρεφόμενο) πηνίο σε μαγνητικό πεδίο που αποτέλεσε τότε τον προάγγελο του ηλεκτρικού κινητήρα.   Ηλεκτρισμός από Μαγνητισμό, Faraday   Το 1831 ανακάλυψε ο αυτοδίδακτος Φυσικός και Χημικός Michael Faraday (Φαρανταίυ, 1791-1867) ένα σημαντικό φαινόμενο που εντάσσεται στην αλυσίδα των σχέσεων ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Κατά την εκτέλεση πειραμάτων με δύο γειτονικά πηνία, στο ένα από τα οποία παρείχε ρεύμα με διακόπτη, παρατήρησε ότι κατά το άνοιγμα και το κλείσιμο του διακόπτη, το γαλβανόμετρο που είχε συνδεθεί σε σειρά με το άλλο πηνίο έδειχνε αποκλίσεις. Ο Φαρανταίυ είχε δημιουργήσει ουσιαστικά εκείνη την τεχνική διάταξη που ονομάστηκε αργότερα μετασχηματιστής,  αλλά κυρίως είχε καταγράψει το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, δηλαδή, πώς από τη μεταβολή του μαγνητισμού προκύπτει ηλεκτρισμός, το αντίστροφο από αυτό που περιέγραψαν οι Μπιό-Σαβάρ και ο Αμπέρ.    Ο Φαρανταίυ καταγόταν από μια φτωχή οικογένεια ενός πεταλωτή αλόγων. ο ίδιος είχε ως επαγγελματική του απασχόληση αρχικά την πώληση εφημερίδων, ενώ αργότερα εκπαιδεύτηκε στη βιβλιοδετική. Παρακολούθησε από προσωπικό ενδιαφέρον διαλέξεις του Χ. Ντέιβυ στο πανεπιστήμιο, χωρίς να σπουδάσει ποτέ και τις κατέγραψε με τέτοια πληρότητα και γνώση του αντικειμένου, ώστε προσελήφθη από τον καθηγητή σε θέση παρασκευαστή Χημείου. Σύντομα άρχισε προσωπικές έρευνες και οι πρώτες εργασίες του ήταν «Η περιστροφή του ρεύματος γύρω από ένα μαγνήτη και η περιστροφή ενός μαγνήτη γύρω από ένα ρεύμα», με την οποία προαναγγέλονται ουσιαστικά οι στροβιλισμοί στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, καθώς επίσης «Η υγροποίηση αέριου χλωρίου».  'Αλλες σημαντικές ανακαλύψεις του Φαρανταίυ, εκτός από την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή και την ηλεκτροδυναμική αρχή, ήταν η διηλεκτρική σταθερά (σήμερα: επιτρεπτότητα), η παρα- και δια-μαγνητική συμπεριφορά των υλικών, οι εικόνες των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδιακών γραμμών, η δημιουργία απομονωμένης περιοχής από ηλεκτρικές επιδράσεις με το σχηματισμό του λεγόμενου κλωβού Φαρανταίυ κ.ά. Ειδικότερα, η εισαγωγή των πεδιακών γραμμών ή των γραμμών μαγνητικής δυνάμεως, όπως ονομάζονταν τότε, οδήγησε τον Φαρανταίη στο συμπέρασμα, ότι πρέπει αυτές να διαχέονται σε όλο το χώρο με άπειρη ταχύτητα. Αυτό αποτελεί μία πρώτη, τελείως διαισθητική βέβαια, σύλληψη του Φαρανταίη για την ύπαρξη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Γεγονός είναι πάντως ότι, ακόμα και διάσημοι επιστήμονες της εποχής, αμφισβήτησαν την ιδέα, μέχρι που αυτή έγινε γενικά αποδεκτή από την ηλεκτρομαγνητική θεωρία που διατύπωσε ο Maxwell, εισάγοντας τον περιορισμό της ταχύτητας του φωτός. 'Αμεση συνέχεια της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής ήταν η ανακάλυψη του Φαρανταίυ ότι, όταν ένα πηνίο περιστρέφεται κοντά σ' ένα μόνιμο μαγνήτη, παράγει στους ακροδέκτες μία μεταβαλλόμενη τάση. Αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε dynamo principle, από την ελληνική λέξη δύναμη και αποτελεί τη βάση της γεννήτριας με περιστρεφόμενο δρομέα. Τέτοιες απλές γεννήτριες χρησιμοποιούνται και σήμερα με διάφορες βελτιώσεις π.χ. στα ποδήλατα, όπου η κίνηση του τροχού περιστρέφει το δρομέα (μόνιμος μαγνήτης) κι αυτός παράγει στο πηνίο ηλεκτρική τάση.  Ο τρόπος εργασίας του Φαρανταίη ήταν καθαρά διαισθητικός, αφού ο μεγάλος αυτός ερευνητής δεν διέθετε μαθηματική προπαίδεια για να διευκολυνθεί στις μελέτες του. Μετά το θάνατό του σε ηλικία 76 ετών, βρέθηκαν στα συρτάρια του κάπου 95 τιμητικά διπλώματα διαφόρων επιστημονικών και άλλων οργανώσεων, όλα ιδιόχειρα δεμένα με την ικανότητα του έμπειρου βιβλιοδέτη. Ο Φαρανταίη θεωρείται ο χρονικά δεύτερος κορυφαίος ερευνητής του ηλεκτρομαγνητισμού.   Ο Faraday σε κουβανικό γραμματόσημο Παράλληλα με τον ('Αγγλο) Φαρανταίυ αλλά ανεξάρτητα από αυτόν εργαζόταν ο (Αμερικάνος) Φυσικός Joseph Henry (Χένρυ, 1797-1878), ο οποίος γνώριζε το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, αλλά δεν είχε αντιληφθεί την τεράστια σημασία του. Ο Χένρυ διατύπωσε με μαθηματικές εξισώσεις τη σχέση μεταξύ της μεταβολής του μαγνητικού πεδίου και του ηλεκτρισμού και εισήγαγε την έννοια της αυτεπαγωγής. Το έτος 1834 διατύπωσε ο Φυσικός Heinrich F.E. Lenz (Λεντς, 1804-1865) τον κανόνα, στον οποίο δόθηκε από τους μεταγενέστερους το όνομά του: Το ρεύμα που επάγεται σε ένα πηνίο έχει πάντα τέτοια φορά, ώστε να αντιδρά στο αίτιο που το προκαλεί. Αργότερα, όταν αποκτήθηκε γενικότερη εποπτεία στους νόμους που διέπουν τα φυσικά φαινόμενα, ήταν εύκολο να διαπιστωθεί ότι ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής έπαιζε στον ηλεκτρομαγνητισμό τον ίδιο ρόλο που έπαιζε και η αδράνεια στην κίνηση. Η γενικότερη φυσική αρχή που εκφράζεται με τους δύο αυτούς, φαινομενικά άσχετους μεταξύ τους νόμους είναι ότι, η ενεργειακή κατάσταση ενός συστήματος δεν μεταβάλλεται ποτέ με ασυνέχειες, αλλά πάντα ομαλά (εκθετικά).