تاریخچه الکترومغناطیس – بخش 1: کلیات

پیشگفتار:

پس از معرفی اولیه علم الکترومغناطیس در این نوشته، به نظر می‌رسید که باید نوشته بعدی را به بحث تاریخچه الکترومغناطیس (تا حد امکان) اختصاص دهم. مزیت آن این است که با مرور تاریخچه الکترومغناطیس (یا به عبارت بهتر مرور مهمترین وقایع رخ داده در تاریخ این حوزه از علم) می‌توان تصویری از روند شکل‌گیری این علم و مجموعه اتفاقات و افراد دخیل در آن کسب کرد که به نظر داشتن چنین تصویر کلی‌ای (نه‌ تنها در ارتباط با الکترومغناطیس، بلکه در هر حوزه دیگری) آگاهی مفیدی می‌باشد.

با این اوصاف به سراغ یافتن منابعی در این موضوع رفتم که چالش‌های خاص خود را داشت و فکر می‌کنم بیان برخی موارد در این ارتباط خالی از لطف نیست. در صورتی که به کتاب‌های درسی الکترومغناطیس (چه مربوط به دوره کارشناسی و چه ارشد) رجوع کنید، معمولا یا بخشی در ارتباط با تاریخچه الکترومغناطیس ندارند و یا خیلی گذرا به این موضوع پرداخته‌اند و این منطقی است، چون هدف از آن کتاب‌ها بیان این موارد نیست.

از طرف دیگر در صورت جستجو، کتاب‌‌هایی راه خواهید یافت که کل کتاب به موضوع تاریخچه الکترومغناطیس اختصاص دارد! این هم منطقی است چون تاریخچه‌ای به این وسعت طبیعتا می‌تواند کل یک کتاب را به خود اختصاص دهد ولی خب برای ما در این سایت قاعدتا کاربردی نمی‌باشد.

در جستجوی یافتن منبعی که از یک طرف موارد ضروری را به خوبی ذکر کرده باشد و از طرف دیگر بیش از حد طولانی نبوده تا بتوان در اینجا آن را بیان نمود، به کتابی که در ادامه معرفی شده رسیدم و بخش تاریخچه الکترومغناطیس آن را مناسب یافتم.

نکته‌ای که در این کتاب ذکر شده و حائز اهمیت است (و البته در ادامه در این نوشتار هم در این رابطه توضیح داده شده) این است که کتاب تاریخچه الکترومغناطیس را به 2 دوره: دوران کلاسیک و دوران مدرن تقسیم‌بندی نموده است. اتفاقات مهم دوران کلاسیک را مورد بررسی قرار داده اما به دلیلی دوران مدرن الکترومغناطیس را به این شکل مورد بررسی قرار می‌دهد که 2 تکنولوژی بسیار مهم این دوره یعنی مخابرات و کامپیوتر را انتخاب کرده و روند تاریخی هر کدام از آنها را مستقلا بررسی می‌کند.

با این اوصاف این بخش از کتاب را در قالب 4 نوشتار مستقل در این سایت خدمت شما ارائه خواهم نمود. در این نوشتار (بخش اول) کلیات هر 2 دوره بیان می‌شود. در بخش دوم: خط‌زمانی (timeline) وقایع مهم الکترومغناطیس در دوران کلاسیک ارائه خواهد شد. در بخش سوم: خط‌زمانی وقایع مهم رخ داده در تکنولوژی مخابرات (به عنوان یک تکنولوژی بسیار مهم مرتبط به الکترومغناطیس در دوران مدرن) بیان می‌گردد و در بخش چهارم نیز خط‌زمانی وقایع مهم رخ داده در تکنولوژی کامپیوتر (تکنولوژی بسیار مهم دیگر مرتبط به الکترومغناطیس در دوران مدرن) ارائه خواهد شد.

نکات پیش از مطالعه

تاریخچه الکترومغناطیس

تاریخچه الکترومغناطیس (Electromagnetics که به صورت مخفف به این شکل:  EM به کار می‌رود، توجه شود که s در انتهای کلمه نشان دهنده این است که کلمه به علم الکترومغناطیس اشاره دارد، در واقع دقیق‌تر این بود که گفته می‌شد: تاریخچه علم الکترومغناطیس. در این سایت تا زمانی که از متن بر ‌آید که کلمه الکترومغناطیس به علم الکترومغناطیس اشاره دارد دیگر از کلمه علم پیش از آن استفاده نکرده‌ام) را می‌توان به 2 دوره که با هم هم‌پوشانی دارند تقسیم نمود. اولی دوران کلاسیک است که در آن قوانین بنیادی الکتریسیته و مغناطیس کشف و فرموله شدند. بر پایه این فرمولاسیون، دوران مدرن (شامل 100 سال گذشته) با تولد حوزه الکترومغناطیس کاربردی (به شکلی که امروزه می‌شناسیم) آغاز شد.

الکترومغناطیس در دوران کلاسیک

نیروی جاذبه مگنتیت (Magnetite که تلفظ آن مگنتایت است اما عنوان صفحه ویکی‌پدیای فارسی آن مگنتیت می‌باشد. یک ماده معدنی و یکی از اصلی‌ترین سنگ‌های آهن است) در حدود 2800 سال پیش توسط یونانیان گزارش شد. اولین کسی که درباره آنچه ما امروزه الکتریسیته ساکن می‌نامیم نوشت نیز یک یونانی به نام تالِس (Thales of Miletus، که تلفظ آن به این شکل /θeɪliːz/ می‌باشد) بود: او توصیف کرد که چگونه مالش کهربا (amber) سبب می‌شود که کهربا نیرویی را ایجاد کند که می‌تواند اشیاء سبکی چون پر را بلند کند.

عبارت “electric” (الکتریکی) اولین بار حوالی سال 1600 به شکل نوشته شده در رساله‌ای درباره نیروی (الکتریکی) تولید شده بوسیله اصطحکاک دیده شد، نویسنده این رساله پزشک ملکه الیزابت اول، ویلیام گیلبرت (William Gilbert)، بود.

تقریبا یک قرن بعد، حوالی سال 1733، شارل فرانسوا دو فی (Charles François du Fay، توجه شود اسم فارسی برگرفته از صفحه ویکی‌پدیا فارسی است و به نظر تلفظ فرانسوی این اسم می‌باشد، در صورتی که به انگلیسی بخواهیم این اسم را تلفظ کنیم: چارلز فرانسوا دو فی است) این مفهوم را معرفی نمود که الکتریسیته شامل 2 نوع سیال (fluids) می‌باشد، یکی مثبت (positive) و دیگری منفی (negative)، و این که سیالات مشابه (like-fluids) یکدیگر را دفع و سیالات مخالف (opposite-fluids) یکدیگر را جذب می‌کنند. آنچه او با عنوان سیال معرفی نمود، چیزی است که ما امروزه بار الکتریکی می‌نامیم.

تاریخچه الکترومغناطیس | تاثیرگذاران: شارل فرانسوا دو فی (سمت راست) – تالِس (سمت چپ)

اختراع خازن در سال 1745، که در ابتدا نام آن بطری لِیدِن (Leyden jar) بود، این امکان را محقق نمود که مقدار چشمگیری از بار الکتریکی را بتوان در یک تک دستگاه ذخیره نمود. چند سال بعد، در سال 1752، بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin) نشان داد که صاعقه شکلی از الکتریسیته است. او با استفاده از یک کایت ابریشمیِ در حال پرواز در رعد و برق، بار الکتریکی را از یک ابر به یک بطری لِیدِن منتقل نمود.

تاریخچه الکترومغناطیس | تاثیرگذاران: بنجامین فرانکلین (سمت راست) – بطری لِیدِن (سمت چپ)

دانش جمعی قرن 18ام درباره الکتریسیته در سال 1785 در شکل یک فرمول ریاضی توسط شارل آگوستَن دو کولُن (Charles-Augustin de Coulomb) یکپارچه گردید، که این فرمول نیروی الکتریکی بین دو بار را براساس میزان بار، قطبیتشان (پُلاریته‌شان) و فاصله میان آن دو بار، توصیف می‌کرد. (توجه شود: اسم فارسی برگرفته از صفحه ویکی‌پدیای فارسی و گویا تلفظ فرانسوی اسم است. تلفظ آخرین کلمه در انگلیسی، اصلا به شکلی که در فارسی باب است نبوده و به یکی از حالت‌های /ˈkuːlɒm, -loʊm, kuːˈlɒm, -ˈloʊm/ تلفظ می‌شود که در همه حالت‌ها به “م” ختم می‌شود و نه “ن” به عنوان مثال: کولُم! حال بررسی اینکه آیا کولُن از تلفظ فرانسوی گرفته شده است یا نه بر عهده شما!).

سال 1800 قابل ذکر است از این باب که اولین باتری الکتریکی توسط آلساندرو ولتا (Alessandro Volta) در این سال توسعه یافت، و سال 1820 نیز به جهت کشفیاتی در این باره که چگونه جریان‌های الکتریکی خاصیت مغناطیسی ایجاد می‌کنند، مورد توجه است. این کشفیات به خوبی توسط جوزف هنری (Joseph Henry) مورد استفاده قرار گرفت، کسی که یکی از اولین آهنرباهای الکتریکی (electromagnets) و موتورهای الکتریکی dc (جریان مستقیم) را توسعه داد.

تاریخچه الکترومغناطیس | تاثیرگذاران: آلساندرو ولتا (سمت راست) – شارل آگوستَن دو کولُن (سمت چپ)

اندکی پس از آن، مایکل فارادی (Michael Faraday) اولین ژنراتور الکتریکی (که نحوه عمل آن برعکس موتور الکتریکی است) را ساخت. در اصل فارادی نشان داد که یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان، یک میدان الکتریکی (و در نتیجه یک ولتاژ) را ایجاد می‌کند.

رابطه برعکس، یعنی اینکه یک میدان الکتریکی متغیر با زمان، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، اولین بار توسط جیمز کلِرک ماکسول (James Clerk Maxwell) در سال 1864 پیشنهاد گردید و سپس در چهار معادله مشهورش در سال 1873 گنجانده شد (توجه شود که معادلات ماکسول در حال حاضر 4 معادله می‌باشند در حالیکه در زمان خودش تعداد معادلات بیشتر بوده و بعدها توسط سایرین در نهایت به 4 معادله تبدیل گردید).

تاریخچه الکترومغناطیس | تاثیرگذاران: جیمز کلِرک ماکسول (سمت راست) – مایکل فارادی (سمت چپ)

معادلات ماکسول اساس تئوری الکترومغناطیس کلاسیک را می‌نمایانند.

تئوری ماکسول، که حضور امواج الکترومغناطیسی را پیش‌بینی کرده بود، به طور کامل توسط جامعه علمی در آن زمان مورد پذیرش واقع نشد. این تئوری بعدها با آزمایش عملی بوسیله امواج الکترومغناطیسی توسط هاینریش هرتز (Heinrich Hertz) در دهه 1880 مورد تایید قرار گرفت.

اشعه اِکس (X-ray)، یکی دیگر از اعضای خانواده الکترومغناطیس، توسط ویلهلم رونتگِن (Wilhelm Röntgen) در سال 1895 کشف شد. در همان دهه، نیکولا تسلا (Nikola Tesla) اولین کسی بود که موتور ac را توسعه داد، که به عنوان پیشرفتی اساسی در قیاس با سِلف خود، یعنی موتور dc، شناخته می‌شد.

تاریخچه الکترومغناطیس | تاثیرگذاران: نیکولا تسلا (سمت راست) – هاینریش هرتز (سمت چپ)

با وجود پیشرفت‌هایی که در قرن 19ام در درک ما از الکتریسیته و مغناطیس و اینکه چگونه آنها را به شکل عملی مورد استفاده قرار دهیم صورت پذیرفت، اما در سال 1897 بود (و نه پیش از آن) که حامل بنیادی بار الکتریکی، یعنی الکترون، شناسایی شده و ویژگی‌های آن به شکل کَمی توسط جوزف تامسون (Joseph Thomson) بیان گردید. توانایی جدا نمودن (یا بیرون راندن، واژه اصلی در متن eject بود) الکترون‌ها از یک ماده بوسیله تاباندن انرژی الکترومغناطیسی، مانند نور، به آن ماده به عنوان اثر فوتوالکتریک (photoelectric effect) شناخته می‌شود.

برای توضیح اثر فوتوالکتریک، آلبرت اَینشتَین (Albert Einstein، که تلفظ انگلیسی اسم او به شکل /aɪnstaɪnˈ/ و آلمانی آن /ʔaɪnʃtaɪnˈ/ است) مفهوم کوانتوم انرژی را که توسط ماکس پلانک (Max Planck) چند سال قبل‌تر (1900) توسعه داده شده بود پذیرفت. به شکل نمادین، این قدم (پذیرفتن مفهوم کوانتوم انرژی) پل میان دوران کلاسیک و مدرنِ الکترومغناطیس را می‌نمایاند.

تاریخچه الکترومغناطیس | تاثیرگذاران: آلبرت اَینشتَین (سمت راست) – ماکس پلانک (سمت چپ)

الکترومغناطیس در دوران مدرن

الکترومغناطیس در طراحی و عملکرد هر وسیله الکترونیکی قابل تصور نقشی ایفا می‌کند، به عنوان چند نمونه می‌توان از: دیود، ترانزیستور، مدار مجتمع، لیزر، صفحه نمایش، بارکد خوان، تلفن همراه و فِر مایکروویو نام برد. با توجه به گستردگی و تنوع این کاربردها (برخی از کاربردها در تصاویر زیر ارائه شده‌اند)، بسیار دشوارتر است (نسبت به دوران کلاسیک) که یک خط‌زمانی معنادار برای دوران مدرن ساخته شود.

با این وجود (کاری که می‌توان انجام داد)، می‌توان خط‌های زمانی را برای تکنولوژی‌های مشخصی که نوآوری‌های برجسته آنها به الکترومغناطیس مرتبط می‌باشند ایجاد نمود. اینکار طی 2 نوشتار دیگر انجام خواهد پذیرفت، در یکی از آنها خط‌زمانی توسعه تکنولوژی مخابرات و در دیگری خط‌زمانی توسعه تکنولوژی کامپیوتر خدمت شما ارائه می‌گردد. انتخاب این 2 تکنولوژی از این جهت بوده است که آنها بَدَل به بخش‌هایی اساسی از زیرساخت‌های اجتماعی امروزه گشته‌اند.

جمع‌بندی

در این نوشته با موارد زیر روبرو شدیم:

پسگفتار

همانطور که در پیشگفتار بیان شد، در این نوشتار تاریخچه الکترومغناطیس به شکل کلی معرفی گردید. انشاءالله در نوشته بعدی با تمرکز روی دوران کلاسیک، به بررسی وقایع مهم آن خواهیم پرداخت.