Ιστορική Εξέλιξη Ηλεκτρομαγνητισμού - Πρώτο μισό 18ου αιώνα: Από τα κοσμικά σαλόνια στον Βενιαμίν Φραγκλίνο

Πείραμα του Stephen Gray

Το επόμενο αποφασιστικό βήμα στην μελέτη του Ηλεκτρισμού υπήρξε η ανακάλυψη των αγωγών και των μονωτών, από τον Άγγλο Stephen Gray (1646 - 1719), γεννημένο στο Καντέμπουρι και γιο βαφέα. Το 1711, έπειτα από μια επιτυχημένη ακαδημαϊκή καριέρα και συνταξιούχος πλέον στο Charterhouse (ίδρυμα στο Λονδίνο για την προστασία φτωχών ευγενών), άρχισε την ενασχόλησή του με τον Ηλεκτρισμό. Πειραματιζόμενος με έναν μακρύ γυάλινο σωλήνα που έφερε στα άκρα του πώματα από φελλό και ξύλο, παρατήρησε ότι η Ηλέκτριση μπορεί να διαδοθεί από το γυαλί, στο φελλό και στο ξύλο.

Αργότερα, προσπαθώντας να «μεταφέρει» Ηλεκτρισμό σε μεγαλύτερες αποστάσεις, παρατήρησε πως άλλοτε μπορούσε να διαδώσει τα Ηλεκτρικά Φαινόμενα ενώ άλλοτε όχι. Προσπαθώντας να ερμηνεύσει τις παρατηρήσεις του, διέκρινε τα υλικά σε μονωτές και αγωγούς.

Charles François de Cisternay du Fay

     Ο Charles François de Cisternay du Fay (1698-1739), Γάλλος από επιφανή οικογένεια, ήταν ο επόμενος που ασχολήθηκε ουσιαστικά με τον Ηλεκτρισμό. Το 1733 ξεκίνησε τις μελέτες του για τον Ηλεκτρισμό, σε συνεργασία με τον Jean Antoine Nollet (1700 - 1770), ανακαλύπτοντας, ότι υπάρχουν μόνο δύο είδη Ηλεκτρισμού:

     ♦   ο υαλώδης (vitreous) που εμφανίζεται με τριβή στην ύαλο και
     ♦   ο ρητινώδης (resinous) που εμφανίζεται με τριβή στο ήλεκτρο (απολιθωμένο ρετσίνι).

     Πρόκειται για αυτά ακριβώς τα είδη του φορτίου που αργότερα ονομάστηκαν θετικό και αρνητικό. Ο du Fay διαπίστωσε επίσης ότι τα ομόσημα ηλεκτρικά φορτία απωθούνται ενώ τα ετερόσημα έλκονται. Εκατό και πλέον έτη χρειάστηκε να παρέλθουν από τις μελέτες του Gilbert για να θεμελιωθεί το απλό αυτό γεγονός.

     Ο Nollet, στην εξάτομη πραγματεία του Léçons de physique expérimentale (Μαθήματα Πειραματικής Φυσικής), ανέπτυξε μία θεωρία Ηλεκτρισμού που κυριάρχησε για αρκετά μεγάλο διάστημα, αλλά δεν παρουσιάζει κανένα επιστημονικό ενδιαφέρον στην εποχή μας.

     Το έτος 1745, ο Ewald Georg Kleist (1700-1748) παρατήρησε τυχαία ότι φορτίζοντας ένα υγρό που βρίσκεται σε φιάλη, μπορούσε να πετύχει ισχυρές εκκενώσεις, γεγονός που οδήγησε στην επινόηση του πυκνωτή και ακολούθως σε κορυφαία τεχνική πρόοδο.

Επίδειξη Ηλεκτρικών φαινομένων σε κοσμικό σαλόνι

Βενιαμίν Φραγκλίνος

Στα μέσα του 18ου αιώνα η χρήση του Ηλεκτρισμού αφορούσε αποκλειστικά στην ψυχαγωγία. Στις κοινωνικές συγκεντρώσεις στα κοσμικά σαλόνια, αλλά και σε ευρύτερο κοινό επί πληρωμή, λάμβαναν χώρα επιδείξεις Ηλεκτρικών Φαινομένων. Τα πειράματα ηλεκτρισμού γνώρισαν τέτοια διάδοση, ώστε ξεπερνώντας το εμπόδιο του Ατλαντικού Ωκεανού, έφτασαν ως την Αμερική, προσελκύοντας το ενδιαφέρον ενός σημαντικού άνδρα του Αμερικανικού έθνους, που ταυτόχρονα αποτελεί και τον πρώτο του επιστήμονα: του Βενιαμίν Φραγκλίνου (Benjamin Franklin) (1706 - 1790).

O Franklin, γεννημένος στη Βοστώνη, ήταν ένα από τα δεκαεπτά παιδιά ενός Άγγλου σαπωνοβιομήχανου. Πέτυχε, σε ηλικία 40 ετών, να εξασφαλίσει οικονομικά την επιβίωσή του, ώστε να μπορεί να αφιερωθεί σε ό,τι τον ευχαριστούσε.

Λουγδουνική Λάγηνος (Leyden Jar)

     Το 1746, το ίδιο έτος που ο Pieter van Musschenbroek (1692 –1761) μελετούσε τους ηλεκτρικούς σπινθήρες στην πόλη leyden της Ολλανδίας, επινοώντας την «λουγδουνική λάγηνο» ή «φιάλη του Leyden» (leyden jar), ένα είδος ηλεκτροστατικού πυκνωτή, ο Franklin γνώρισε στην Βοστόνη τον Dr. Spence, o οποίος τον μύησε στα μυστικά των πειραμάτων του Ηλεκτρισμού. Έκτοτε πραγματοποίησε αρκετά πειράματα σχετικά με τον Ηλεκτρισμό, αναπτύσσοντας τις δικές του ιδέες γύρω από το θέμα.

     Το 1751, εξέδωσε το βιβλίο Options and conjectures concerning the properties and the effects of the electric material, στο οποίο συμπεριέλαβε τα αποτελέσματα των ερευνών του, και γνώρισε μεγάλη επιτυχία.

     Τα πειράματα με τα οποία ο Franklin απέδειξε τις ιδέες του, διέφεραν κατά πολλούς τρόπους, αλλά όχι στη βασική ιδέα. Για παράδειγμα, δύο άνθρωποι που βρίσκονταν σε απομονωμένες από το περιβάλλον βάσεις, ηλεκτρίζονταν από ένα υάλινο σωλήνα που τριβόταν με ύφασμα (ο ένας ηλεκτριζόταν από την ύαλο και ο άλλος από το ύφασμα). Όταν πλησίαζαν τα δάκτυλά τους, παραγόταν σπινθήρας και οι άνθρωποι εκφορτίζονταν.

Ηλεκτρικά Φορτία

Λουγδουνική Λάγηνος (Leyden Jar) και μία
εφαρμογή της στην ηλεκτροστατική μηχανή.

     Ο Franklin χρησιμοποίησε πρώτος τον όρο «Ηλεκτρικό Φορτίο», ορίζοντάς το ως ένα ιδιόρρυθμο είδος αόρατου, αβαρούς ρευστού που διαχέεται στα υλικά αντικείμενα και μπορεί να μεταπηδήσει από ένα σώμα σε άλλο, προκαλώντας σπινθήρα. Συγκεκριμένα πρότεινε ότι, κατά την τριβή μιας υάλινης ράβδου με μεταξωτό ύφασμα, ορισμένη ποσότητα του "ηλεκτρικού ρευστού" μεταβιβάζεται από το γυαλί προς το μετάξι, με συνέπεια η υάλινη ράβδος να έχει «περίσσεια» ρευστού και το μεταξωτό ύφασμα «έλλειμμα». Η περίσσεια στη υάλινη ράβδο αποτελούσε το είδος του "ηλεκτρικού φορτίου" το οποίο αυθαίρετα ονόμασε «θετικό» (+), και το έλλειμμα στο μεταξωτό ύφασμα σήμαινε ένα άλλο είδος ηλεκτρικού φορτίου, το οποίο ονόμασε αντίστοιχα «αρνητικό» (-).

     Το σημαντικότερο κατόρθωμά του, από θεωρητική άποψη, ήταν η καινοφανής χρήση συμπερασμάτων που προέκυπταν από την Αρχή Διατήρησης του Φορτίου. Την αρχή αυτή είχαν συλλάβει ανεξάρτητα και άλλοι ερευνητές, όπως ο William Watson (1715-1787). Ο Franklin πίστευε ότι ένα σώμα περιέχει ίσα ποσά θετικού και αρνητικού Ηλεκτρισμού, τα οποία, υπό κανονικές συνθήκες, αλληλοεξουδετερώνονται.

     Ηλέκτριση προκύπτει από τον διαχωρισμό των δύο ειδών Ηλεκτρισμού, υπό τον περιορισμό το Άθροισμά τους να παραμείνει σταθερό και ίσο με το μηδέν.

Δημιουργία Κεραυνού

Ο Franklin υπήρξε ο πρώτος άνθρωπος που υποστήριξε ότι ο κεραυνός δεν ήταν η κατάρα των Θεών. Προσπάθησε να ερμηνεύσει το φυσικό φαινόμενο της αστραπής, υποθέτοντας ότι είναι ένας γιγάντιος ηλεκτρικός σπινθήρας. Για να επαληθεύσει αυτή του την ιδέα, πραγματοποίησε το διάσημο πείραμά του, δένοντας ένα μεταλλικό κλειδί στο μεταξωτό νήμα ενός χαρταετού, τον οποίο πέταξε στη διάρκεια μιας καταιγίδας. Πλησιάζοντας το χέρι του στο μεταλλικό κλειδί, δημιουργήθηκε ηλεκτρικός σπινθήρας, γεγονός που τον οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ο Ηλεκτρισμός μεταπήδησε από τα σύννεφα στο κλειδί, μέσω του νήματος, φορτίζοντάς το ηλεκτρικά.

Καθώς είχε ήδη αποδείξει ότι ένα σώμα με αιχμηρό άκρο χάνει εύκολα το ηλεκτρικό του φορτίο, κατάφερε, συνδυάζοντας αυτές του τις ιδέες, να εκφορτίσει βαθμιαία ένα κτήριο, τοποθετώντας στα υψηλότερα σημεία του κατακόρυφες ράβδους σιδήρου, με αιχμηρά άκρα, επιχρυσωμένες, ώστε να μην διαβρώνονται και γειωμένες με σύρμα, επινοώντας έτσι το αλεξικέραυνο.