تاریخچه مغناطیس

در اوایل قرن هجدهم، گفته می‌شد که برق آسمان خاصیت مغناطیسی عقربه‌های قطب‌نما را تغییر می‌دهد و کاردکها و چنگالها را آهن‌ربا می‌کند. بعضی از پژوهشگران معتقد بودند که توانسته‌اند سوزنهای فولادی را، با تخلیه الکتریکی بطری لیدن در آنها، به حالت مغناطیسی در آورند. این گزارشها دلالت بر آن داشت که الکتریسیته و مغناطیس به طریقی رابطه‌ای نزدیک با هم دارند. اما این مشاهدات اتفاقی یا آزمایشهای عمدی و از پیش طراحی شده که ممکن بود منجر به مفاهیم و تئوریهای مفید شوند، دنبال نشد.
هیچ یک از این گزارشهای اولیه، فیلسوفان طبیعی اروپا در قرن نوزدهم را به تعجب وانداشت. آنان متقاعد شده بودند که همه پدیده‌هایی که در طبیعت مشاهده می‌شوند، تنها آثار متفاوت یک «نیروی» واحد هستند. اعتقاد آنها به وحدت نیروهای فیزیکی طبیعتاً آنها را به سوی این گمان کشانید که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی به طریقی به هم وابسته یا مربوطند. نخستین شاهد واقعی از ارتباط میان الکتریسیته در سال ۱۸۲۰ به دست آمد که اورستد به انجام یک رشته آزمایشهای بسیار مهم اشتغال داشت.
اورستد یک قطبنمای مغناطیسی را مستقیماً زیر یک سیم رسانای افقی دراز قرار دا د. سیم در راستای شمال جنوب مغناطیسی زمین قرار داشت، به طوری که سوزن مغناطیسی طبیعتاً موازی سیم بود. وقتی که اورستدسیم را به پایانه‌های یک باتری متصل کرد، عقربه قطب‌نما در راستای غربی شرقی، تقریباً عمود بر سیم، نوسان کرد!
نتیجه کار اورستد نخستین یافته‌ای بود که در آن نیرویی در امتداد خط واصل میان منابع نیرو اثر نمی‌کرد. (نیروهای میان سیاره‌ها، میان بارهای الکتریکی، یا میان قطبهای مغناطیسی همگی در امتداد چنین خطی اثر می‌کنند.) نیرویی که میان سیم حامل جریان و هر قطب مغناطیسی عقربه قطب‌نما اثر می‌کند در امتداد خطی نیست که از سیم به آن قطب وصل می‌شودستین اورستد (۱۸۵۱-۱۷۷۷)، فیزیکدان دانمارکی، نوشته‌های شلینگ را درباره فلسفه طبیعت مطالعه کرد و خود او درباره موضوعات فلسفی مطالب بسیاری نوشت.
اورستد در مقاله‌ای که به سال ۱۸۳۱ منتشر شد پیشگویی کرد که رابطه‌ای میان الکتریسیته و مغناطیس می‌توان یافت. او در سال ۱۸۲۰ قطب‌نمایی را زیر یک سیم حامل جریان گذاشت و کشف کرد که یک میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی را احاطه می‌کند. در سالهای بعد او نظر دانشمندان دیگر را مبنی براینکه کشف او درباره الکترو مغناطیس تصادفی بوده است، به شدت انکار کرد.»
این اثری کاملاً تازه بود و تعجبی ندارد که چرا این همه طول کشید تا کسی ارتباط میان الکتریسیته و مغناطیس را دریابد بررسیهای دقیقتر به طور واضحتری آشکار کرد که در این آزمایش چه روی می‌دهد. سیم راست و دراز حامل جریان، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. این میدان آهنربای کوچک را چنان می‌چرخاند که راستای شمال- جنوب آهنربا مماس بر دایره‌ای شود که مرکز آن در سیم و صفحه آن عمود بر سیم است. به این ترتیب، جریان یک میدان مغناطیسی دایره‌ای شکل تولید می‌کند،
آزمایش اورستد یکی از آن موارد کم نظیری بود که یک کشف ناگهانی، باب تحقیق در مورد یک موضوع جدید و هیجان انگیز را می‌گشود. در این مورد ، هیچ ابزار جدیدی لازم نبود. ناگهان، دهها دانشمند در سراسر اروپا و آمریکا به مطالعات دقیق درباره آثار مغناطیسی جریانهای الکتریکی پرداختند. کار آندره ماری آمپر (۱۸۳۶-۱۷۷۵) در میان کارهای دیگر، برجسته تر بود.
جیمز کلرک ماکسول، که دهها سال بعد، تئوری کاملی درباره الکتریسیته و مغناطیس به وجود آورد، آمپر را «نیوتن الکتریسیته» می‌نامید. کار آمپر سر شار از ریاضیات ضعیف است. آمپر، به محض آنکه خبر کارهای اورستد را شنید، اندیشه‌هایش اوج گرفت. یک رشته از اندیشه‌های او چیزی از این قبیل بود: آهنربا‌ها بر یکدیگر نیرو وارد می‌کنند.
بنابراین، آیا جریان نیز بر جریان نیرو وارد می‌کند؟ پاسخ نباید لزوماُ مثبت باشد. استدلال از راه تقارن کاری جذاب است و غالباً درست از آب در می‌آید. اما نتایجی که این استدلالها به آنها می‌انجامند به طور منطقی یا فیزیکی ضروری نیستند. آمپر تشخیص داد که آزمایش باید به این پرسش پاسخ دهد. او نوشت: وقتی آقای اورستد اثری را کشف کرد که یک جریان بر یک آهنربا اعمال می‌کند، مسلماً ممکن است کسی درباره وجود اثر متقابل میان دو مدار حامل جریان نیز حدسهایی زده باشد، اما این یک نتیجه الزامی نبوده است، چرا که یک میله آهن نرم نیز بر یک سوزن مغناطیده اثر می‌کند، هر چند اثر متقابلی میان دو میله آهن نرم وجود ندارد.
آمپر حدس خود را به مرحله آزمایش گذاشت. در ۳۰ سپتامبر ۱۸۲۰، ظرف یک هفته پس از رسیدن اخبار مربوط به کارهای اورستد در فرانسه، آمپر گزارشی به فرهنگستان علوم فرانسه فرستاد. او در واقع دریافته بود که دو سیم متوازی حامل جریان نیروهایی بر یکدیگر وارد می‌کنند. این دو سیم حتی در حالی نیرو بر یکدیگر وارد می‌کردند که نشانه‌ای از بار الکتریکی مؤثر در هیچ یک از آنها نبود.
آمپر مطالعات زیادی درباره نیروهای میان جریانها انجام داد. او تحقیق کرد که چگونه این نیرو‌ها به فاصله میان سیمها، مواضع نسبی سیمها، و مقدار جریان بستگی دارند. در واقع، نیروهای مغناطیسی میان جریانها کمیتی است که امروزه ترجیحاً از آن برای تعریف واحد جریان استفاده می‌شود. این واحد، آمپر نامیده می‌شود.

تاریخچه الکتریسیته
اگرچه که الکتریسته به عنوان نتیجه واکنش شیمیایی ای که در یک پیل الکترولیک از زمانی که الساندرو ولتا در سال۱۸۰۰م این آزمایش را انجام داد، شناخته می شده است، اما تولید آن به این روش گران بوده و هست. در سال ۱۸۳۱م، میشل فارادی ماشینی ابداع کرد که از حرکت چرخشی تولید الکتریسته می کرد، اما حدود پنجاه سال طول کشید تا این فن آوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه شود. در سال ۱۸۷۸م، توماسادیسون جایگزین عملی تجاری ای را برای روشنایی های گازی و سیستم های حرارتی ایجاد کرد و به فروش رساند که از الکتریسته جریان مستقیمی استفاده می کرد که بطور منطقه ای تولید و توزیع شده بود، استفاده می کرد. در سیستم جریان مستقیم ادیسون، ایستگاه های تولید توان اضافی می بایست نصب می شدند. بدلیل اینکه ادیسون قادر نبود سیستمی را تولید کند که به ژنراتورهای چندگانه اجازه بدهد که به یکدیگر متصل شوند، گسترش سیستم او نیاز داشت که تمامی ایستگاه های تولید جدید مورد نیاز ساخته شوند.
نیاز به نیروگاه های اضافی ابتدا توسط قانون اهم بیان شده است: بدلیل اینکه تلفات با مربع جریان یا بار و با خود مقاومت متناسب است، بکار بردن کابل های طولانی در سیستم ادیسون به مفهوم داشتن ولتاژهای خطرناک در برخی نقاط یا کابل های بزرگ و گران قیمت و یا هر دوی اینها بود.
نیکولا تسلا که مدت کوتاهی برای ادیسون کار می کرد و تئوری الکتریسته را بگونه ای درک کرده بود که ادیسون درک نکرده بود، سیستم جایگزینی را ابداع کرد که از جریان متناوب استفاده می کرد. تسلا بیان داشت که دو برابر کردن ولتاژ جریان را نصف می کند و منجر به کاهش تلفات به میزان ۴/۳ می شود و تنها یک سیستم جریان متناوب اجازه انتقال بین سطوح ولتاژ را در قسمت های مختلف آن سیستم ممکن می سازد. او به توسعه و تکمیل تئوری کلی سیستم اش ادامه داد و جایگزین تئوری و عملی ای را برای تمامی ابزارهای جریان مستقیم آن زمان ابداع کرد و ایده های بدیعش را در سال ۱۸۸۷م در ۳۰ حق انحصاری اختراع به ثبت رساند.
در سال ۱۸۸۸م کار تسلا مورد توجه جرج وستینگهاوس که حق انحصاری اختراع یک ترانسفورماتور را در اختیار داشت و یک کارخانه روشنایی را از سال ۱۸۸۶م در گریت بارینگتون، ماساچوست راه اندازی کرده بود، قرار گرفت. اگرچه که سیستم وستینگهاوس می توانست از روشنایی های ادیسون استفاده کند و دارای گرم کننده نیز بود، اما این سیستم دارای موتور نبود. توسط تسلا و اختراع ثبت شده اش، وستینگهاوس یک سیستم قدرت برای یک معدن طلا در تلورید، کلورادو در سال ۱۸۹۱ ساخت که دارای یک ژنراتور آبی ۱۰۰ اسب بخار(۷۵ کیلو وات) بود که یک موتور ۱۰۰ اسب بخار (۷۵ کیلو وات) را در آنسوی خط انتقالی به فاصله ۵/۲ مایل (۴ کیلومتر) تغذیه می کرد. سپس در یک قرارداد با جنرال الکتریک که ادیسون مجبور به فروش آن شده بود، شرکت وستینگهاوس اقدام به ساخت یک نیرگاه در نیاگارا فالس کرد که دارای سه ژنراتور تسلای ۵۰۰۰ اسب بخار بود که الکتریسته را به یک کوره ذوب آلومینیوم در نیاگارا ، نیویورک و به شهر بوفالو، نیویورک به فاصله ۲۲ مایل (۳۵ کیلومتر) انتقال می داد. نیروگاه نیاگارا در ۲۰ آوریل ۱۸۹۵م شروع به کار کرد.

ماهیت نیروی جاذبه چیست؟ عامل گسستگی خطوط میدان مغناطیسی چیست؟