บทความเกี่ยวกับ |
แม่เหล็กไฟฟ้า |
---|
|
ประวัติศาสตร์ของทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าเริ่มต้นจากการวัดในสมัยโบราณเพื่อทำความเข้าใจ เกี่ยวกับ ไฟฟ้าในบรรยากาศโดยเฉพาะฟ้าผ่า[ 1]ในขณะนั้น ผู้คนมีความเข้าใจเกี่ยวกับไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย และไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ดัง กล่าวได้ [2]ความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์และการวิจัยเกี่ยวกับธรรมชาติของไฟฟ้าเติบโตขึ้นตลอดศตวรรษที่ 18 และ 19 ผ่านผลงานของนักวิจัย เช่นAndré-Marie Ampère , Charles-Augustin de Coulomb , Michael Faraday , Carl Friedrich GaussและJames Clerk Maxwell
ในศตวรรษที่ 19 เป็นที่ชัดเจนว่า ไฟฟ้าและแม่เหล็ก มีความเกี่ยวข้องกัน และทฤษฎีของทั้งสองก็รวมกันเป็นหนึ่ง กล่าวคือ ทุกที่ที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ กระแสไฟฟ้าก็จะไหลออกมา และแม่เหล็กก็เกิดจากกระแสไฟฟ้า[3]แหล่งที่มาของสนามไฟฟ้าคือประจุไฟฟ้าในขณะที่แหล่งที่มาของสนามแม่เหล็กคือกระแสไฟฟ้า (ประจุไฟฟ้าที่กำลังเคลื่อนที่)
ความรู้เรื่องไฟฟ้าสถิตย์มีมาตั้งแต่อารยธรรมยุคแรกๆ แต่เป็นเวลาหลายพันปีแล้วที่ไฟฟ้าสถิตย์ยังคงเป็นแค่ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจและน่าพิศวงโดยไม่มีทฤษฎีมาอธิบายพฤติกรรมของมัน และมักถูกสับสนกับแม่เหล็ก คนโบราณคุ้นเคยกับคุณสมบัติแปลกๆ ของแร่ธาตุสองชนิด ได้แก่อำพัน (กรีก: ἤλεκτρον ēlektron )และแร่เหล็กแม่เหล็ก ( μαγνῆτις λίθος magnētis lithos [ 4] "หินแมกนีเซียม[5] หินแม่เหล็ก ") เมื่อถูอำพันจะดึงดูดวัตถุที่มีน้ำหนักเบา เช่น ขนนก แร่เหล็กแม่เหล็กมีพลังในการดึงดูดเหล็ก[6]
จากการค้นพบ วัตถุ โบราณเฮมาไทต์ ของ ชาวโอลเมก ในอเมริกากลางนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน จอห์น คาร์ลสัน ได้เสนอแนะว่า "ชาวโอลเมกอาจค้นพบและใช้เข็มทิศแม่เหล็กโลกก่อน 1,000 ปีก่อนคริสตกาล" หากเป็นความจริง นั่นก็ "เกิดขึ้นก่อนการค้นพบเข็มทิศแม่เหล็กโลกของจีนมากกว่าหนึ่งพันปี" [7] [8]คาร์ลสันคาดเดาว่าชาวโอลเมกอาจใช้วัตถุโบราณที่คล้ายคลึงกันเป็นเครื่องมือบอกทิศทางเพื่อจุดประสงค์ทางโหราศาสตร์หรือภูมิศาสตร์หรือเพื่อกำหนดทิศทางของวิหาร ที่อยู่อาศัยของคนเป็น หรือที่ฝังศพของคนตายวรรณกรรมจีน ที่เก่าแก่ที่สุด ที่อ้างถึงแม่เหล็กอยู่ในหนังสือที่ตีพิมพ์ในศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสตกาล ชื่อว่าBook of the Devil Valley Master (鬼谷子) ซึ่งระบุว่า "หินแม่เหล็กทำให้เหล็กมาหรือไม่ก็ดึงดูดเหล็ก" [9] [10]
นานก่อนที่จะมีความรู้เรื่องแม่เหล็กไฟฟ้ามนุษย์ก็รู้เกี่ยวกับผลกระทบของไฟฟ้าฟ้าผ่าและปรากฏการณ์ไฟฟ้าอื่นๆ เช่นไฟเซนต์เอลโมเป็นที่รู้จักในสมัยโบราณ แต่ยังไม่เข้าใจว่าปรากฏการณ์เหล่านี้มีต้นกำเนิดร่วมกัน[11] ชาวอียิปต์โบราณรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าช็อตเมื่อโต้ตอบกับปลาไฟฟ้า (เช่นปลาดุกไฟฟ้า ) หรือสัตว์อื่นๆ (เช่นปลาไหลไฟฟ้า ) [12]ผู้สังเกตการณ์สามารถรับรู้ถึงไฟฟ้าช็อตจากสัตว์ได้ตั้งแต่ยุคก่อนประวัติศาสตร์ โดยผู้คนจำนวนมากที่สัมผัสกับพวกมัน ข้อความจาก 2750 ปีก่อนคริสตกาลโดยชาวอียิปต์โบราณเรียกปลาเหล่านี้ว่า "เจ้าสายฟ้าแห่งแม่น้ำไนล์ " และมองว่าพวกมันเป็น "ผู้ปกป้อง" ปลาตัวอื่นๆ ทั้งหมด[6]อีกแนวทางที่เป็นไปได้ในการค้นพบเอกลักษณ์ของฟ้าแลบและไฟฟ้าจากแหล่งอื่นๆ คือการอ้างถึงชาวอาหรับ ซึ่งก่อนศตวรรษที่ 15 ใช้คำภาษาอาหรับเดียวกันสำหรับฟ้าแลบ ( barq ) และรังสีไฟฟ้า[11 ]
ทาลีสแห่งมิเลทัส เขียนไว้เมื่อประมาณ 600 ปีก่อนคริสตกาลว่า การถูขนสัตว์กับสารต่างๆ เช่น อำพัน จะทำให้ขนสัตว์ดึงดูดฝุ่นละอองและวัตถุเบาอื่นๆ ทาลีสเขียนถึงผลกระทบที่ปัจจุบันเรียกว่าไฟฟ้าสถิต ชาวกรีกสังเกตว่า หากถู อำพันนานพอ อาจทำให้เกิดประกายไฟฟ้า ได้ [13] [14]
ตำราแพทย์อินเดียโบราณเรื่องSushruta Samhitaบรรยายถึงการใช้คุณสมบัติทางแม่เหล็กของหินแม่เหล็กเพื่อขจัดลูกศรที่ฝังอยู่ในร่างกายของบุคคลนั้น[15]
ปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิตย์เหล่านี้ได้รับการรายงานอีกครั้งหลายพันปีต่อมาโดยนักธรรมชาติวิทยาและแพทย์ชาวโรมันและอาหรับ[16]นักเขียนโบราณหลายคน เช่นพลินีผู้เฒ่าและสคริโบเนียส ลาร์กัสรับรองถึงผลชาของไฟฟ้าช็อตที่ส่งโดยปลาดุกและปลากระเบนไฟฟ้า พลินีเขียนในหนังสือของเขาว่า: "ชาวทัสคานีโบราณเชื่อจากความรู้ของพวกเขาว่ามีเทพเจ้าเก้าองค์ที่ส่งสายฟ้าและเทพเจ้าอีกสิบเอ็ดองค์" โดยทั่วไปแล้วนี่คือแนวคิดนอกรีตยุคแรกเกี่ยวกับสายฟ้า[11]คนโบราณมีแนวคิดบางอย่างที่ว่าไฟฟ้าช็อตสามารถเดินทางตามวัตถุที่มีตัวนำได้[17]ผู้ป่วยที่เป็นโรคเช่นโรคเกาต์หรือปวดหัวได้รับคำสั่งให้สัมผัสปลาไฟฟ้าโดยหวังว่าแรงสะเทือนอันทรงพลังอาจรักษาพวกเขาได้[18]
กลุ่มวัตถุที่พบในอิรักในปี 1938 มีอายุย้อนไปถึงศตวรรษแรกๆ ของคริสตศักราช ( Sassanid Mesopotamia ) เรียกว่าแบตเตอรีแบกแดดมีลักษณะคล้ายเซลล์ไฟฟ้าและบางคนเชื่อว่าถูกใช้ในการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า [ 19]ข้อเรียกร้องดังกล่าวเป็นที่ถกเถียงกันเนื่องจากมีหลักฐานและทฤษฎีสนับสนุนการใช้งานของสิ่งประดิษฐ์[20] [21]หลักฐานทางกายภาพเกี่ยวกับวัตถุที่เอื้อต่อการใช้งานไฟฟ้า[22]และว่ามีลักษณะเป็นไฟฟ้าหรือไม่ ดังนั้น ลักษณะของวัตถุเหล่านี้จึงขึ้นอยู่กับการคาดเดาและหน้าที่ของสิ่งประดิษฐ์เหล่านี้ยังคงเป็นที่สงสัย[23]
แรงดึงดูดทางแม่เหล็กเคยถูกอธิบายโดยอริสโตเติลและทาลีสว่าเป็นการทำงานของจิตวิญญาณในหิน[24]
เข็มทิศแม่เหล็กได้รับการพัฒนาในศตวรรษที่ 11 และได้ปรับปรุงความแม่นยำของการนำทางโดยใช้ แนวคิด ทางดาราศาสตร์ของทิศเหนือจริง ( Dream Pool Essays , 1088) นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนShen Kuo (1031–1095) เป็นคนแรกที่รู้จักการเขียนเกี่ยวกับเข็มทิศแม่เหล็กและในศตวรรษที่ 12 ชาวจีนก็รู้จักใช้เข็มทิศหินแม่เหล็กในการนำทาง ในยุโรป คำอธิบายแรกเกี่ยวกับเข็มทิศและการใช้งานในการนำทางคือของAlexander Neckam (1187) แม้ว่าการใช้เข็มทิศจะเป็นเรื่องปกติอยู่แล้วก็ตาม การพัฒนาเข็มทิศในประวัติศาสตร์ยุโรปเกิดจากFlavio Giojaจากอามาลฟี [ 25]
ในศตวรรษที่ 13 ปีเตอร์ เปเรกรินัสชาวเมืองมารีกูร์ในปิการ์ดีได้ทำการทดลองเกี่ยวกับแม่เหล็กและเขียนบทความชิ้นแรกที่ยังหลงเหลืออยู่ซึ่งอธิบายคุณสมบัติของแม่เหล็กและเข็มทิศแบบหมุนได้[6]ในปี ค.ศ. 1282 คุณสมบัติของแม่เหล็กและเข็มทิศแบบแห้งได้รับการหารือโดยอัล-อัชราฟ อุมาร์ที่ 2นักวิชาการชาวเยเมน[26]เข็มทิศแบบแห้งได้รับการประดิษฐ์ขึ้นเมื่อประมาณปี ค.ศ. 1300 โดยฟลาวิโอ โจจา นักประดิษฐ์ชาวอิตาลี[27] [ ขัดแย้ง ]
อาร์ชบิชอปยูสตาธีอุสแห่งเทสซาโลนิกา นักวิชาการและนักเขียนชาวกรีกในศตวรรษที่ 12 บันทึกว่าโวลิเวอร์กษัตริย์แห่งชาวกอธสามารถดึงประกายไฟออกจากร่างกายของเขาได้ นักเขียนคนเดียวกันยังระบุด้วยว่านักปรัชญาคนหนึ่งสามารถดึงประกายไฟออกจากเสื้อผ้าของเขาขณะแต่งตัว ซึ่งผลลัพธ์ดูเหมือนจะคล้ายกับที่โรเบิร์ต ซิมเมอร์ ได้รับ จากการทดลองถุงน่องไหมของเขา ซึ่งสามารถพบรายละเอียดโดยละเอียดได้ในPhilosophical Transactions 1759 [11]
แพทย์ชาวอิตาลีGerolamo Cardanoเขียนเกี่ยวกับไฟฟ้าในหนังสือDe Subtilitate (1550) โดยเขาระบุว่าสามารถแยกความแตกต่างระหว่างแรงไฟฟ้าและแรงแม่เหล็กได้เป็นครั้งแรก
ในช่วงปลายศตวรรษที่ 16 แพทย์ในสมัยสมเด็จพระราชินีนาถเอลิซาเบธที่ 16 วิลเลียม กิลเบิร์ต ได้เขียน หนังสือDe Magneteซึ่งขยายความจากผลงานของคาร์ดาโนและคิดค้นคำว่าelectricaในภาษาละตินใหม่จากคำว่า ἤλεκτρον ( ēlektron ) ซึ่งเป็นคำภาษากรีกที่แปลว่า "อำพัน" [28]
กิลเบิร์ตได้ทำการทดลองทางไฟฟ้าอย่างรอบคอบหลายครั้ง ซึ่งในระหว่างนั้นเขาได้ค้นพบว่าสารหลายชนิดนอกจากอำพัน เช่น กำมะถัน ขี้ผึ้ง แก้ว เป็นต้น[29]สามารถแสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้ กิลเบิร์ตยังค้นพบว่าวัตถุที่ถูกความร้อนจะสูญเสียไฟฟ้า และความชื้นจะป้องกันไม่ให้ วัตถุทุกชนิด เกิดไฟฟ้าเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ทราบกันดีในปัจจุบันว่า ความชื้นทำให้ฉนวนของวัตถุดังกล่าวเสียหาย นอกจากนี้ เขายังสังเกตเห็นว่าสารที่เกิดไฟฟ้าจะดึงดูดสารอื่น ๆ ทั้งหมดอย่างไม่เลือกหน้า ในขณะที่แม่เหล็กดึงดูดเฉพาะเหล็กเท่านั้น การค้นพบมากมายในลักษณะนี้ทำให้กิลเบิร์ตได้รับตำแหน่งผู้ก่อตั้งวิทยาศาสตร์ไฟฟ้า [ 11]ด้วยการตรวจสอบแรงที่กระทำกับเข็มโลหะเบาที่ถ่วงไว้บนจุด เขาได้ขยายรายการวัตถุไฟฟ้า และพบด้วยว่าสารหลายชนิด รวมทั้งโลหะและแม่เหล็กธรรมชาติ ไม่มีแรงดึงดูดเมื่อถู เขาสังเกตเห็นว่าสภาพอากาศแห้งแล้งพร้อมลมจากทิศเหนือหรือทิศตะวันออกเป็นสภาพบรรยากาศที่เอื้ออำนวยที่สุดสำหรับการแสดงปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า ซึ่งเป็นการสังเกตที่อาจเกิดความเข้าใจผิดได้จนกว่าจะเข้าใจถึงความแตกต่างระหว่างตัวนำและฉนวน[30]
งานของ Gilbert ได้รับการติดตามโดยRobert Boyle (1627–1691) นักปรัชญาธรรมชาติที่มีชื่อเสียงซึ่งครั้งหนึ่งได้รับการกล่าวขานว่าเป็น "บิดาแห่งเคมีและลุงของเอิร์ลแห่งคอร์ก" Boyle เป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้ง Royal Society เมื่อมีการประชุมเป็นการส่วนตัวใน Oxford และกลายเป็นสมาชิกของสภาหลังจากที่ Society ได้รับการจัดตั้งขึ้นโดย Charles II ในปี 1663 เขาได้ทิ้งรายละเอียดการวิจัยของเขาไว้ภายใต้ชื่อExperiments on the Origin of Electricity [ 30]เขาค้นพบวัตถุที่มีไฟฟ้าดึงดูดสารเบาในสุญญากาศ ซึ่งบ่งชี้ว่าผลทางไฟฟ้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับอากาศในฐานะตัวกลาง เขายังเพิ่มเรซินและสารอื่นๆ ลงในรายชื่อไฟฟ้าที่ทราบในขณะนั้น[11] [31] [32] [33]
ในปี ค.ศ. 1663 อ็อตโต ฟอน เกริกเกได้ประดิษฐ์อุปกรณ์ที่ปัจจุบันได้รับการยอมรับว่าเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต ในยุคแรก (อาจเป็นเครื่องแรก) แต่เขาไม่ได้ยอมรับมันโดยเฉพาะในฐานะอุปกรณ์ไฟฟ้า หรือทำการทดลองทางไฟฟ้าด้วยมัน[34] ในช่วงปลายศตวรรษที่ 17 นักวิจัยได้พัฒนาวิธีปฏิบัติในการผลิตไฟฟ้าโดยใช้แรงเสียดทานกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตแต่การพัฒนาเครื่องจักรไฟฟ้าสถิตไม่ได้เริ่มอย่างจริงจังจนกระทั่งศตวรรษที่ 18 เมื่อเครื่องจักรเหล่านี้กลายมาเป็นเครื่องมือพื้นฐานในการศึกษาเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ใหม่เกี่ยวกับ ไฟฟ้า
การใช้คำว่าไฟฟ้า ครั้งแรก เกิดขึ้นกับเซอร์ โทมัส บราวน์ในผลงานของเขาเรื่องPseudodoxia Epidemica ในปี ค.ศ. 1646
คำว่าแม่เหล็กไฟฟ้าปรากฏ ครั้งแรก ในMagnes [35] โดย Athanasius Kircherผู้มีชื่อเสียงแห่งคณะเยซูอิตในปี ค.ศ. 1641 ซึ่งมีหัวข้อบทที่กระตุ้นให้คิดขึ้นว่า " Elektro-magnetismos ie On the Magnetism of amber, or electrical attraction and their causes" ( ἠλεκτρο-μαγνητισμός id est sive De Magnetismo electri, seu electricis attractionibus earumque causis )
เครื่องจักรไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงในเวลาต่อมาโดยFrancis Hauksbeeลูกศิษย์ของเขา Litzendorf และโดยศาสตราจารย์Georg Matthias Boseประมาณปี 1750 Litzendorf ทำการวิจัยให้กับChristian August Hausenโดยใช้ลูกแก้วแทนลูกกำมะถันของGuericke Bose เป็นคนแรกที่ใช้ "ตัวนำหลัก" ในเครื่องจักรดังกล่าว ซึ่งประกอบด้วยแท่งเหล็กที่ถืออยู่ในมือของบุคคลที่ร่างกายถูกหุ้มฉนวนโดยยืนอยู่บนบล็อกเรซินIngenhouszในปี 1746 ได้ประดิษฐ์เครื่องจักรไฟฟ้าที่ทำจากแผ่นกระจก[37]การทดลองกับเครื่องจักรไฟฟ้าส่วนใหญ่ได้รับความช่วยเหลือจากการค้นพบว่าแผ่นกระจกที่เคลือบทั้งสองด้านด้วยกระดาษฟอยล์จะสะสมประจุไฟฟ้าเมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งแรงเคลื่อนไฟฟ้าเครื่องจักรไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมในไม่ช้าโดยAndrew Gordonชาวสกอตแลนด์ ศาสตราจารย์ที่เมืองเออร์เฟิร์ต ซึ่งได้แทนที่ลูกกลมแก้วด้วยกระบอกแก้ว และโดย Giessing แห่งเมืองไลพ์ซิกซึ่งเพิ่ม "ยาง" ที่ประกอบด้วยเบาะรองที่ทำจากขนสัตว์ ตัวเก็บเสียงซึ่งประกอบด้วยชุดปลายโลหะถูกเพิ่มเข้าไปในเครื่องจักรโดยBenjamin Wilsonราวปี 1746 และในปี 1762 John Cantonแห่งอังกฤษ (ซึ่งเป็นผู้ประดิษฐ์อิเล็กโทรสโคปแบบลูกกลมลูกแรกในปี 1754 [38] ) ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องจักรไฟฟ้าโดยโรยดีบุกผสมกันบนพื้นผิวของยาง[11]
ในปี ค.ศ. 1729 สตีเฟน เกรย์ได้ทำการทดลองชุดหนึ่งซึ่งแสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างตัวนำและสิ่งที่ไม่เป็นตัวนำ (ฉนวน) โดยแสดงให้เห็นว่าลวดโลหะและแม้แต่เส้นด้ายแบบแพ็กเทรตสามารถนำไฟฟ้าได้ในขณะที่ไหมไม่สามารถทำได้ ในการทดลองครั้งหนึ่ง เขาส่งกระแสไฟฟ้าผ่านเส้นด้ายป่านยาว 800 ฟุต ซึ่งแขวนเป็นวงด้วยด้ายไหมเป็นระยะๆ เมื่อเขาพยายามทำการทดลองแบบเดียวกันโดยใช้ลวดทองเหลืองที่ปั่นละเอียดแทนไหม เขาพบว่ากระแสไฟฟ้าไม่ได้ถูกส่งผ่านเชือกป่านอีกต่อไป แต่ดูเหมือนจะหายไปในลวดทองเหลืองแทน จากการทดลองนี้ เขาแบ่งสารออกเป็นสองประเภท ได้แก่ "ไฟฟ้า" เช่น แก้ว เรซิน และไหม และ "สิ่งที่ไม่เป็นไฟฟ้า" เช่น โลหะและน้ำ "สิ่งที่ไม่เป็นไฟฟ้า" จะนำไฟฟ้าได้ในขณะที่ "ไฟฟ้า" ถือไฟฟ้าไว้[11] [39]
หลังจากได้ทราบผลการทดลองของเกรย์แล้วซีเอฟ ดู เฟย์ จึงเริ่มทำการทดลองหลายครั้งในปี ค.ศ. 1732 ในการทดลองครั้งแรก ดู เฟย์สรุปว่าวัตถุทั้งหมด ยกเว้นโลหะ สัตว์ และของเหลว สามารถทำให้เกิดไฟฟ้าได้โดยการถู และโลหะ สัตว์ และของเหลว สามารถทำให้เกิดไฟฟ้าได้โดยใช้เครื่องจักรไฟฟ้า ซึ่งทำให้การจำแนกประเภทสารของเกรย์ว่าเป็น "ไฟฟ้า" และ "ไม่ใช่ไฟฟ้า" เสื่อมความน่าเชื่อถือลง
ในปี ค.ศ. 1733 ดูเฟย์ได้ค้นพบสิ่งที่เขาเชื่อว่าเป็นไฟฟ้าจากแรงเสียดทานสองประเภท ประเภทหนึ่งเกิดจากการถูแก้ว อีกประเภทหนึ่งเกิดจากการถูเรซิน[40]จากสิ่งนี้ ดูเฟย์จึงได้ตั้งทฤษฎีว่าไฟฟ้าประกอบด้วยของไหลไฟฟ้าสองประเภท คือ "แก้ว" และ "เรซิน" ซึ่งแยกออกจากกันด้วยแรงเสียดทานและทำให้เป็นกลางเมื่อรวมกัน[41]ภาพของไฟฟ้านี้ได้รับการสนับสนุนโดยคริสเตียน กอตต์ลิบ คราตเซนสไตน์ในงานเชิงทฤษฎีและการทดลองของเขา ทฤษฎีของไหลสองประเภทต่อมาก่อให้เกิดแนวคิดเรื่องประจุไฟฟ้าบวกและลบ ที่คิดค้นโดยเบนจามิน แฟรงคลิน [11]
ขวดLeyden ซึ่งเป็น ตัวเก็บประจุชนิดหนึ่งสำหรับพลังงานไฟฟ้าในปริมาณมาก ได้รับการประดิษฐ์ขึ้นโดยอิสระโดยEwald Georg von Kleistเมื่อวันที่ 11 ตุลาคม 1744 และโดยPieter van Musschenbroekในปี 1745–1746 ที่มหาวิทยาลัย Leiden (สถานที่หลังเป็นที่มาของชื่ออุปกรณ์) [40] [42] William Watsonค้นพบในปี 1747 เมื่อทำการทดลองกับขวด Leyden ว่าการคายประจุไฟฟ้าสถิตย์มีค่าเท่ากับกระแสไฟฟ้าความจุถูกสังเกตครั้งแรกโดยVon Kleistแห่ง Leyden ในปี 1754 [43] Von Kleist ถือขวดเล็ก ๆ ไว้ใกล้กับเครื่องจักรไฟฟ้าของเขา ซึ่งมีตะปูเหล็กอยู่ที่คอขวด เขาถูกไฟช็อตอย่างรุนแรงเมื่อสัมผัสตะปูเหล็กโดยไม่ได้ตั้งใจด้วยมืออีกข้างหนึ่ง ในทำนองเดียวกัน Musschenbroeck ได้รับความช่วยเหลือจาก Cunaens และถูกไฟช็อตอย่างรุนแรงจากขวดแก้วที่คล้ายกัน เซอร์วิลเลียม วัตสันแห่งอังกฤษได้ปรับปรุงอุปกรณ์นี้ให้ดีขึ้นอย่างมาก โดยหุ้มขวดหรือโถทั้งภายนอกและภายในด้วยกระดาษฟอยล์ อุปกรณ์ไฟฟ้าชิ้นนี้จะจดจำได้ง่ายว่าเป็นโถไลเดนที่รู้จักกันดี ซึ่งเรียกโดยเจ้าอาวาสนอลเลต์แห่งปารีส ตามสถานที่ค้นพบ[11]
ในปี ค.ศ. 1741 จอห์น เอลลิคอตต์ "เสนอให้วัดความแรงของกระแสไฟฟ้าด้วยกำลังของมันเพื่อยกน้ำหนักบนตาชั่งข้างหนึ่งของตาชั่งในขณะที่ถืออีกข้างหนึ่งไว้เหนือวัตถุที่มีกระแสไฟฟ้าและดึงเข้าหาตัวด้วยแรงดึงดูด" ในช่วงต้นปี ค.ศ. 1746 ฌอง-อองตวน โนลเลต์ (ค.ศ. 1700–1770) ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับความเร็วการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้า โดยให้ภิกษุคาร์ทูเซียน 200 รูปต่อกันด้วยลวดเหล็ก[44]เพื่อสร้างวงกลมที่มีระยะทางประมาณ 1.6 กม. เขาสามารถพิสูจน์ได้ว่าความเร็วนี้จำกัด แม้ว่าจะสูงมากก็ตาม[45] [46]ในปี ค.ศ. 1749 เซอร์วิลเลียม วัตสันได้ทำการทดลองหลายครั้งเพื่อระบุความเร็วของกระแสไฟฟ้าในลวด การทดลองเหล่านี้แม้จะไม่ได้ตั้งใจให้เป็นเช่นนั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการส่งสัญญาณไปยังระยะไกลด้วยไฟฟ้าอีกด้วย ในการทดลองเหล่านี้ สัญญาณดูเหมือนจะเดินทางผ่านสายหุ้มฉนวนที่มีความยาว 12,276 ฟุตในทันที ก่อนหน้านี้ Le Monnierในฝรั่งเศสเคยทำการทดลองที่คล้ายคลึงกัน โดยส่งกระแสไฟฟ้าผ่านสายเหล็กที่มีความยาว 1,319 ฟุต[11]
ประมาณปี ค.ศ. 1750 ได้มีการทดลอง การรักษา ด้วยไฟฟ้า เป็นครั้งแรก นักทดลองหลายคนได้ทำการทดสอบเพื่อยืนยันผลทางสรีรวิทยาและการบำบัดของไฟฟ้า ตัวอย่างความพยายามดังกล่าว ได้แก่KratzensteinในHalleซึ่งได้เขียนบทความเกี่ยวกับเรื่องนี้ในปี ค.ศ. 1744 Demainbrayในเอดินบะระได้ตรวจสอบผลกระทบของไฟฟ้าต่อพืชและสรุปได้ว่าการเจริญเติบโตของต้นไมร์เทิลสองต้นนั้นเร็วขึ้นด้วยไฟฟ้า ต้นไมร์เทิลเหล่านี้ได้รับไฟฟ้า "ตลอดทั้งเดือนตุลาคม ค.ศ. 1746 และแตกกิ่งก้านและดอกเร็วกว่าไม้พุ่มชนิดเดียวกันอื่นๆ ที่ไม่ได้รับไฟฟ้า" [47] Abbé Ménon ในฝรั่งเศสได้ทดลองผลกระทบของการใช้ไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องต่อมนุษย์และนก และพบว่าผู้ทดลองมีน้ำหนักลดลง จึงเห็นได้ชัดว่าไฟฟ้าทำให้การขับถ่ายเร็วขึ้น[48] [49]ประสิทธิภาพของไฟฟ้าช็อตในกรณีอัมพาตได้รับการทดสอบในโรงพยาบาลประจำมณฑลที่เมืองชรูว์สเบอรี ประเทศอังกฤษซึ่งประสบความสำเร็จค่อนข้างน้อย[50]
เบนจามิน แฟรงคลินส่งเสริมการสืบสวนของเขาเกี่ยวกับไฟฟ้าและทฤษฎีต่างๆ ผ่านการทดลองที่มีชื่อเสียง แม้ว่าจะอันตรายอย่างยิ่งก็ตาม โดยให้ลูกชายของเขาเล่นว่าวบนท้องฟ้าที่พายุเข้า กุญแจที่ติดอยู่กับสายว่าวจะจุดประกายและชาร์จขวดไลเดน ทำให้เกิดความเชื่อมโยงระหว่างฟ้าแลบและไฟฟ้า[51]หลังจากการทดลองเหล่านี้ เขาได้ประดิษฐ์สายล่อฟ้าแฟรงคลิน (บ่อยครั้งกว่า) หรือเอเบเนเซอร์ คินเนอร์สลีย์แห่งฟิลาเดลเฟีย (บ่อยครั้งน้อยกว่า) ถือเป็นผู้กำหนดอนุสัญญาไฟฟ้าบวกและไฟฟ้าลบ
ทฤษฎีเกี่ยวกับธรรมชาติของไฟฟ้าในช่วงเวลานี้ค่อนข้างคลุมเครือ และทฤษฎีที่แพร่หลายก็ขัดแย้งกันในระดับหนึ่ง แฟรงคลินคิดว่าไฟฟ้าเป็นของเหลวที่วัดค่าไม่ได้ซึ่งแพร่กระจายไปทั่วทุกสิ่ง และในสภาพปกติ ไฟฟ้าจะ กระจาย อย่างสม่ำเสมอในสารทุกชนิด เขาสันนิษฐานว่าการแสดงออกทางไฟฟ้าที่ได้จากการถูแก้วนั้นเกิดจากการสร้างของเหลวไฟฟ้าส่วนเกินในสารนั้น และการแสดงออกที่เกิดจากขี้ผึ้งถูนั้นเกิดจากการขาดของเหลว คำอธิบายนี้ถูกคัดค้านโดยผู้สนับสนุนทฤษฎี"ของเหลวสองชนิด"เช่นโรเบิร์ต ซิมเมอร์ในปี ค.ศ. 1759 ในทฤษฎีนี้ ไฟฟ้าในแก้วและในเรซินถือเป็นของเหลวที่วัดค่าไม่ได้ โดยของเหลวแต่ละชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่ผลักกันในขณะที่อนุภาคของไฟฟ้าตรงข้ามกันจะดึงดูดกัน เมื่อของเหลวทั้งสองชนิดรวมกันเป็นผลจากการดึงดูดกัน ผลกระทบของของเหลวทั้งสองชนิดที่มีต่อวัตถุภายนอกก็จะถูกทำให้เป็นกลาง การถูตัวจะทำให้ของเหลวสลายตัว ซึ่งของเหลวส่วนเกินจะตกค้างอยู่ในร่างกายและแสดงออกมาในรูปของ ไฟฟ้า แก้วตาหรือเรซิน[11]
จนกระทั่งถึงช่วงเวลาของการทดลองว่าวประวัติศาสตร์ ของแฟรงคลิน [52]ตัวตนของไฟฟ้าที่เกิดจากการถูและโดยเครื่องจักรไฟฟ้าสถิต ( ไฟฟ้าแรงเสียดทาน ) กับฟ้าผ่ายังไม่ได้รับการพิสูจน์โดยทั่วไป ดร. วอลล์[53] อธิการโนลเล็ต ฮอว์คสบี [ 54] สตีเฟน เกรย์[55]และจอห์น เฮนรี วิงค์เลอร์[56]ได้แนะนำความคล้ายคลึงกันระหว่างปรากฏการณ์ของ "ไฟฟ้า" และ "ฟ้าผ่า" โดยเกรย์บอกเป็นนัยว่าทั้งสองมีความแตกต่างกันในระดับเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ไม่ต้องสงสัยเลยว่าแฟรงคลินเป็นคนแรกที่เสนอการทดสอบเพื่อพิจารณาความเหมือนกันของปรากฏการณ์ ในจดหมายถึงปีเตอร์ คอมลินสันแห่งลอนดอน เมื่อวันที่ 19 ตุลาคม ค.ศ. 1752 แฟรงคลินเขียนโดยอ้างถึงการทดลองว่าวของเขาว่า
“ที่กุญแจนี้ ขวดโหล (Leyden jar) สามารถชาร์จได้ และจากไฟไฟฟ้าที่ได้นี้ วิญญาณก็อาจถูกจุดขึ้นได้ และทำการทดลองเกี่ยวกับไฟฟ้าอื่นๆ ทั้งหมดได้ ซึ่งโดยปกติแล้วจะทำโดยใช้โคมหรือหลอดแก้วขัดเงา และด้วยวิธีนี้ ก็สามารถพิสูจน์ความเหมือนกันของสสารไฟฟ้ากับสายฟ้าได้อย่างสมบูรณ์” [57]
เมื่อวันที่ 10 พฤษภาคม ค.ศ. 1742 โทมัส-ฟรองซัวส์ ดาลีบาร์ดได้ใช้แท่งเหล็กแนวตั้งยาว 40 ฟุตที่มาร์ลี (ใกล้กับปารีส) ได้ผลการทดลองที่สอดคล้องกับที่แฟรงคลินบันทึกไว้และก่อนหน้าวันที่แฟรงคลินทำการทดลองเล็กน้อย การสาธิตที่สำคัญของแฟรงคลินเกี่ยวกับความเหมือนกันของแรงเสียดทานและสายฟ้าทำให้บรรดาผู้ทดลองจำนวนมากในสาขานี้ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 18 มีความกระตือรือร้นที่จะผลักดัน ความก้าวหน้า ทางวิทยาศาสตร์[11]
การสังเกตของแฟรงคลินช่วยเหลือนักวิทยาศาสตร์รุ่นหลัง[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]เช่นไมเคิล ฟาราเดย์ , ลุยจิ กัลวานี , อเลสซานโดร โวลตา , อังเดร-มารี อองแปร์และจอร์จ ไซมอน โอห์มซึ่งผลงานร่วมกันของพวกเขาเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีไฟฟ้าสมัยใหม่ และหน่วยพื้นฐานของการวัดไฟฟ้าได้รับการตั้งชื่อตามพวกเขา บุคคลอื่นที่ก้าวหน้าในสาขาความรู้ ได้แก่วิลเลียม วัตสัน , จอร์จ แมทเธียส โบส , สมีตัน, หลุยส์-กีโยม เลอ มอนนิเยร์ , ฌัก เดอ โรมาส , ฌอง จัลลาแบร์ , จิโอวานนี บัต ติสตา เบคคาเรีย , ทิเบเรียส คาวัล โล , จอห์น แคนตัน, โรเบิร์ต ซิมเมอร์ , แอบบ็อต โนลเลต์ , จอห์น เฮนรี วิงเคลอร์ , เบน จามิน วิลสัน , เอเบเนเซอร์ คินเนอร์สลี ย์ , โจเซฟ พรีสต์ลีย์ , ฟรานซ์ เอปินัส, เอ็ดเวิร์ด ฮัสซีย์ เดลาไว, เฮนรี คาเวนดิชและชาร์ลส-ออกุสติน เดอ คูลอมบ์ คำอธิบายเกี่ยวกับการทดลองและการค้นพบมากมายของนักวิทยาศาสตร์ไฟฟ้ายุคแรกๆ เหล่านี้อาจพบได้ในสิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์ในยุคนั้น เช่นPhilosophical Transactions , Philosophical Magazine , Cambridge Mathematical Journal , Young's Natural Philosophy , Priestley's History of Electricity , Franklin's Experiments and Observations on Electricity , Cavalli's Treatise on Electricityและ De la Rive's Treatise on Electricity [ 11]
เฮนรี่ เอลล์สเป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่เสนอความเชื่อมโยงระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก ในปี ค.ศ. 1757 เขาอ้างว่าในปี ค.ศ. 1755 เขาได้เขียนจดหมายถึงราชสมาคมเกี่ยวกับความเชื่อมโยงระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก โดยยืนยันว่า "มีบางสิ่งบางอย่างในพลังของแม่เหล็กที่คล้ายกับพลังของไฟฟ้ามาก" แต่เขา "ไม่คิดเหมือนกันเลย" ในปี ค.ศ. 1760 เขาก็อ้างในทำนองเดียวกันว่าในปี ค.ศ. 1750 เขาเป็นคนแรกที่ "คิดว่าไฟฟ้าอาจเป็นสาเหตุของฟ้าร้องได้อย่างไร" [58]งานวิจัยและการทดลองด้านไฟฟ้าที่สำคัญในช่วงนี้ ได้แก่ งานวิจัยและการทดลองของฟรานซ์ เอปินัสนักวิชาการชาวเยอรมันที่มีชื่อเสียง (ค.ศ. 1724–1802) และเฮนรี่ คาเวนดิชแห่งลอนดอน ประเทศอังกฤษ[11]
ฟรานซ์ เอพินัสได้รับการยกย่องว่าเป็นคนแรกที่คิดแนวคิดเกี่ยวกับความสัมพันธ์แบบกลับกันระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก ในผลงานTentamen Theoria Electricitatis et Magnetism [ 59]ซึ่งตีพิมพ์ในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กในปี ค.ศ. 1759 เขาได้ขยายความทฤษฎีของแฟรงคลิน ซึ่งมีลักษณะบางประการที่วัดได้สอดคล้องกับมุมมองในปัจจุบันดังนี้ "อนุภาคของของเหลวไฟฟ้าผลักกัน ดึงดูดกัน และถูกดึงดูดโดยอนุภาคของวัตถุทั้งหมดด้วยแรงที่ลดลงตามสัดส่วนของระยะทางที่เพิ่มขึ้น ของเหลวไฟฟ้ามีอยู่ในรูพรุนของวัตถุ ของเหลวเคลื่อนที่ได้อย่างไม่ติดขัดผ่านวัตถุที่ไม่ใช่ไฟฟ้า (ตัวนำ) แต่เคลื่อนที่ได้ยากในฉนวน การแสดงออกของไฟฟ้าเกิดจากการกระจายตัวของของเหลวที่ไม่เท่ากันในวัตถุ หรือจากการเข้าใกล้ของวัตถุที่มีประจุของเหลวไม่เท่ากัน" เอพินัสได้กำหนดทฤษฎีแม่เหล็กที่สอดคล้องกัน ยกเว้นว่าในกรณีของปรากฏการณ์แม่เหล็ก ของเหลวจะกระทำกับอนุภาคของเหล็กเท่านั้น นอกจากนี้ เขายังทำการทดลองทางไฟฟ้าหลายครั้ง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าทัวร์มาลีนต้องได้รับความร้อนระหว่าง 37.5 °C ถึง 100 °C จึงจะแสดงผลทางไฟฟ้าได้ ในความเป็นจริง ทัวร์มาลีนจะไม่เกิดไฟฟ้าเมื่ออุณหภูมิสม่ำเสมอ แต่จะแสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นหรือต่ำลง ผลึกที่แสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าในลักษณะนี้เรียกว่าไพโรอิเล็ก ทริก ร่วมกับทัวร์มาลีน ได้แก่ ซัลเฟตควินินและควอตซ์[11]
เฮนรี่ คาเวนดิชได้คิดค้นทฤษฎีไฟฟ้าที่คล้ายกับทฤษฎีของเอพินัสโดยอิสระ[60]ในปี 1784 เขาอาจเป็นคนแรกที่ใช้ประกายไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนในอัตราส่วนที่เหมาะสมเพื่อสร้างน้ำบริสุทธิ์ นอกจากนี้ คาเวนดิชยังค้นพบความสามารถในการเหนี่ยวนำของฉนวนไฟฟ้าและในช่วงต้นปี 1778 เขาได้วัดความสามารถในการเหนี่ยวนำเฉพาะของขี้ผึ้งและสารอื่นๆ โดยเปรียบเทียบกับเครื่องควบแน่นอากาศ
ประมาณปี ค.ศ. 1784 คูลอมบ์ได้คิดค้นสมดุลแรงบิดและค้นพบสิ่งที่ปัจจุบันเรียกว่ากฎของคูลอมบ์ซึ่งก็คือ แรงที่กระทำระหว่างวัตถุที่มีไฟฟ้าขนาดเล็กสองชิ้นจะแปรผกผันตามกำลังสองของระยะทาง ไม่ใช่ตามที่เอพินัสได้สันนิษฐานไว้ในทฤษฎีไฟฟ้าของเขา แต่แปรผกผันตามระยะทางเท่านั้น ตามทฤษฎีที่คาเวนดิชเสนอขึ้น "อนุภาคจะดึงดูดกันและถูกดึงดูดกันในทิศทางตรงกันข้ามตามกำลังที่น้อยกว่าระยะทางเท่ากับกำลังสาม" [11]ขอบเขตของไฟฟ้าส่วนใหญ่ถูกผนวกเข้าโดยการค้นพบกฎกำลังสองผกผันของคูลอมบ์
จากการทดลองของวิลเลียม วัตสันและคนอื่นๆ ที่พิสูจน์ว่าไฟฟ้าสามารถส่งไปได้ในระยะไกล ความคิดที่จะใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์นี้ในทางปฏิบัติจึงเริ่มขึ้นในราวปี ค.ศ. 1753 เพื่อดึงดูดความสนใจของผู้คนที่มีความอยากรู้อยากเห็น เพื่อจุดประสงค์นี้ จึงมีข้อเสนอแนะเกี่ยวกับการใช้ไฟฟ้าในการถ่ายทอดข้อมูล วิธีการแรกที่คิดค้นขึ้นเพื่อจุดประสงค์นี้น่าจะเป็นของจอร์จ เลอซาจในปี ค.ศ. 1774 [61] [62] [63]วิธีการนี้ประกอบด้วยสายไฟ 24 เส้นซึ่งแยกจากกันและแต่ละเส้นมีแกนกลางเชื่อมต่อกับปลายด้านไกล แต่ละเส้นแทนตัวอักษรในตัวอักษร ในการส่งข้อความ สายไฟที่ต้องการจะถูกชาร์จด้วยไฟฟ้าชั่วขณะจากเครื่องจักรไฟฟ้า จากนั้นแกนกลางที่เชื่อมต่อกับสายไฟนั้นจะกระเด็นออกมา นอกจากนี้ยังมีการทดลองวิธีการโทรเลขอื่นๆ ที่ใช้ไฟฟ้าแรงเสียดทาน ซึ่งบางส่วนได้อธิบายไว้ในประวัติของโทรเลข[11]
ยุคไฟฟ้ากัลวานิกหรือ ไฟฟ้าโวลตาอิก ถือเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญจากการมุ่งเน้นในอดีตเกี่ยวกับไฟฟ้าเสียดสีอเลสซานโดร โวลตาค้นพบว่าปฏิกิริยาเคมีสามารถนำมาใช้สร้างขั้วบวกและขั้วลบที่มีประจุบวกได้เมื่อตัวนำถูกเชื่อมต่อระหว่างขั้วเหล่านี้ความต่างศักย์ไฟฟ้า (เรียกอีกอย่างว่าแรงดันไฟฟ้า) จะขับเคลื่อนกระแสไฟฟ้าระหว่างทั้งสองผ่านตัวนำความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองจุดวัดเป็นหน่วยโวลต์เพื่อรับรู้ถึงงานของโวลตา[64] [11]
การกล่าวถึงไฟฟ้าโซลาร์เป็นครั้งแรกนั้นแม้จะไม่ได้รับการยอมรับในเวลานั้น แต่คาดว่าน่าจะเกิดขึ้นโดยโยฮันน์ จอร์จ ซุลเซอร์ในปี 1767 ซึ่งเมื่อวางสังกะสีแผ่นเล็ก ๆ ไว้ใต้ลิ้นและวางทองแดงแผ่นเล็ก ๆ ไว้ด้านบน เขาก็สังเกตเห็นรสชาติที่แปลกประหลาดเมื่อโลหะแต่ละชนิดสัมผัสกันที่ขอบ ซุลเซอร์สันนิษฐานว่าเมื่อโลหะมารวมกันก็เกิดการสั่นสะเทือน ส่งผลให้เส้นประสาทของลิ้นเกิดผลตามที่สังเกตเห็น ในปี 1790 ศาสตราจารย์ลุยจิ อาลิซิโอ กัลวานีแห่งโบโลญญา ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับ " ไฟฟ้าของสัตว์ " และสังเกตเห็นการกระตุกของขาของกบเมื่อมีเครื่องจักรไฟฟ้า เขาสังเกตเห็นว่ากล้ามเนื้อของกบซึ่งแขวนอยู่บนราวบันไดเหล็กโดยมีตะขอทองแดงสอดผ่านส่วนหลังของกบเกิดการกระตุกอย่างรุนแรงโดยไม่มีสาเหตุภายนอกใดๆ ในขณะนี้ไม่มีเครื่องจักรไฟฟ้าอยู่[11]
เพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ กัลวานีสันนิษฐานว่าไฟฟ้าชนิดตรงข้ามกันมีอยู่ในเส้นประสาทและกล้ามเนื้อของกบ ซึ่งกล้ามเนื้อและเส้นประสาทประกอบเป็นชั้นเคลือบประจุไฟฟ้าของโถไลเดน กัลวานีได้เผยแพร่ผลการค้นพบของเขาพร้อมกับสมมติฐานของเขา ซึ่งดึงดูดความสนใจของนักฟิสิกส์ในสมัยนั้น[64]ผู้ที่โดดเด่นที่สุดในกลุ่มนี้คือ โวลตา ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ที่ปาเวียซึ่งโต้แย้งว่าผลลัพธ์ที่กัลวานีสังเกตได้นั้นเป็นผลจากโลหะสองชนิด คือ ทองแดงและเหล็ก ซึ่งทำหน้าที่เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าและกล้ามเนื้อของกบทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้า ทำให้วงจรสมบูรณ์ สิ่งนี้กระตุ้นให้เกิดการอภิปรายกันอย่างยาวนานระหว่างผู้สนับสนุนมุมมองที่ขัดแย้งกัน กลุ่มหนึ่งเห็นด้วยกับโวลตาว่ากระแสไฟฟ้าเป็นผลจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่สัมผัสโลหะทั้งสอง ส่วนอีกกลุ่มหนึ่งปรับเปลี่ยนมุมมองของกัลวานีและยืนยันว่ากระแสไฟฟ้าเป็นผลจากความสัมพันธ์ทางเคมีระหว่างโลหะและกรดในกองโลหะ ไมเคิล ฟาราเดย์ เขียนไว้ในคำนำของExperimental Researches ของเขา เกี่ยวกับคำถามว่าการสัมผัสของโลหะมีผลต่อการผลิตกระแสไฟฟ้าส่วนหนึ่งของเสาไฟโวลตาอิกหรือไม่ว่า "ฉันยังไม่เห็นว่ามีเหตุผลใดที่จะเปลี่ยนความเห็นของฉัน ... แต่ประเด็นนี้เองมีความสำคัญมาก ฉันตั้งใจที่จะทบทวนการสอบสวนนี้อีกครั้งในโอกาสแรก และถ้าทำได้ ฉันก็จะทำให้การพิสูจน์ไม่ว่าจะฝ่ายใดฝ่ายหนึ่งเป็นสิ่งที่ทุกคนไม่อาจปฏิเสธได้" [11]
อย่างไรก็ตาม แม้แต่ฟาราเดย์เองก็ไม่สามารถยุติข้อโต้แย้งนี้ได้ และในขณะที่มุมมองของผู้สนับสนุนทั้งสองฝ่ายในประเด็นดังกล่าวได้รับการปรับเปลี่ยนตามการสืบสวนและการค้นพบในเวลาต่อมา ความหลากหลายของความคิดเห็นในประเด็นเหล่านี้ยังคงปรากฏให้เห็นจนถึงปี 1918 โวลตาได้ทำการทดลองหลายครั้งเพื่อสนับสนุนทฤษฎีของเขา และในที่สุดก็ได้พัฒนาเสาเข็มหรือแบตเตอรี่[65]ซึ่งเป็นต้นแบบของแบตเตอรี่เคมีทั้งหมดที่ตามมา และมีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะตัวคือเป็นวิธีการแรกที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องเป็นเวลานานได้ โวลตาได้แจ้งคำอธิบายเกี่ยวกับเสาเข็มของเขาให้ราชสมาคมแห่งลอนดอน ทราบ และไม่นานหลังจากนั้น นิโคลสันและคาเวนดิช (1780) ได้ผลิตการสลายตัวของน้ำโดยใช้กระแสไฟฟ้า โดยใช้เสาเข็มของโวลตาเป็นแหล่งของแรงเคลื่อนไฟฟ้า[11]
ในปี ค.ศ. 1800 อเลสซานโดร โวลตาได้ประดิษฐ์อุปกรณ์ชิ้นแรกที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้สูง ซึ่งต่อมาเรียกว่าแบตเตอรี่ไฟฟ้านโปเลียนได้รับแจ้งเกี่ยวกับผลงานของเขา จึงเรียกเขามาในปี ค.ศ. 1801 เพื่อร่วมทำการทดลองของเขา เขาได้รับเหรียญและเครื่องประดับมากมาย รวมถึงเหรียญเกียรติยศเลฌียงดอเนอร์
ในปี 1806 เดวีใช้เซลล์หรือคู่เซลล์ประมาณ 250 ตัวในกองไฟโวลตาอิกเพื่อย่อยสลายโพแทชและโซดา แสดงให้เห็นว่าสารเหล่านี้เป็นออกไซด์ของโพแทสเซียมและโซเดียมตามลำดับ ซึ่งเป็นโลหะที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน การทดลองเหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นของเคมีไฟฟ้าซึ่งฟาราเดย์ได้ศึกษาเรื่องนี้ และในปี 1833 เขาได้ประกาศกฎสำคัญเกี่ยวกับค่าเทียบเท่าทางเคมีไฟฟ้า ซึ่งก็คือ " ปริมาณไฟฟ้าเท่ากัน นั่นคือ กระแสไฟฟ้าเท่ากัน จะย่อยสลายปริมาณที่เทียบเท่าทางเคมีของวัตถุทั้งหมดที่มันเคลื่อนที่ผ่าน ดังนั้น น้ำหนักของธาตุที่แยกจากกันในอิเล็กโทรไลต์เหล่านี้จึงเป็นค่าเทียบเท่าทางเคมีซึ่งกันและกัน " ฮัมฟรี เดวีใช้แบตเตอรี่ 2,000 ธาตุในกองไฟโวลตาอิกในปี 1809 เพื่อสาธิตแสงอาร์ก ไฟฟ้าต่อสาธารณชนเป็นครั้งแรก โดยใช้ถ่านไม้ที่ปิดอยู่ในสุญญากาศ[11]
สิ่งสำคัญที่ควรทราบก็คือ หลายปีหลังจากการค้นพบกองไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ เราจึงสามารถระบุและสาธิตให้เห็นถึงความเหมือนกันของไฟฟ้าจากสัตว์และไฟฟ้าจากแรงเสียดทานกับไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ได้อย่างชัดเจน ดังนั้น เมื่อถึงเดือนมกราคม พ.ศ. 2376 เราพบว่าฟาราเดย์เขียน[66]ในเอกสารเกี่ยวกับไฟฟ้าของรังสีไฟฟ้า “ หลังจากการตรวจสอบการทดลองของวอลช์[67] [68] อินเกนฮูสเฮนรี่ คาเวนดิชเซอร์ เอช. เดวีและดร. เดวี ไม่ต้องสงสัยเลยว่าไฟฟ้าของตอร์ปิโดเป็นไฟฟ้าธรรมดา (แรงเสียดทาน) และไฟฟ้าโวลตา และฉันคิดว่าคนอื่นๆ คงคิดไม่ตกถึงขนาดที่จะไม่ลงรายละเอียดในเรื่องการพิสูจน์ทางปรัชญาของไฟฟ้าดังกล่าว ข้อสงสัยที่เซอร์ฮัมฟรี เดวี ตั้งขึ้นนั้น ได้รับการคลี่คลายโดยดร. เดวี พี่ชายของเขา ผลที่เกิดขึ้นกลับกันกับผลที่เกิดขึ้นกับคนแรก ... ข้อสรุปทั่วไปที่ฉันคิดว่าต้องดึงมาจากชุดข้อเท็จจริงนี้ (ตารางที่แสดงความคล้ายคลึงกันของคุณสมบัติของไฟฟ้าที่มีชื่อเรียกต่างกัน) ก็คือ ไฟฟ้าไม่ว่าจะมีแหล่งกำเนิดมาจากแหล่งใดก็ตาม มีลักษณะเหมือนกันทุกประการ ” [11]
อย่างไรก็ตาม เป็นการเหมาะสมที่จะระบุว่า ก่อนสมัยของฟาราเดย์ ความคล้ายคลึงกันของไฟฟ้าที่มาจากแหล่งต่าง ๆ นั้นน่าสงสัยมากกว่า ดังนั้นวิลเลียม ไฮด์ วอลลาสตัน [ 69]เขียนไว้ในปี 1801 ว่า[70] " ความคล้ายคลึงกันในวิธีการที่ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า (กระแสไฟฟ้าจากโวลตาอิก) ถูกกระตุ้น นอกเหนือจากความคล้ายคลึงกันที่ได้มีการตรวจสอบระหว่างผลของทั้งสอง แสดงให้เห็นว่าทั้งสองนั้นโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกัน และยืนยันความคิดเห็นที่คนอื่นเสนอไปแล้วว่า ความแตกต่างทั้งหมดที่ค้นพบในผลของทั้งสองอาจเกิดจากความเข้มข้นน้อยกว่า แต่เกิดขึ้นในปริมาณที่มากกว่ามาก " ในบทความเดียวกัน วอลลาสตันอธิบายการทดลองบางอย่างที่เขาใช้ลวดเส้นเล็กมากในสารละลายของทองแดงซัลเฟต ซึ่งกระแสไฟฟ้าจากเครื่องจักรไฟฟ้าจะผ่านเข้าไป สิ่งนี้มีความน่าสนใจเมื่อพิจารณาถึงการใช้ลวดเส้นเล็กที่จัดเรียงคล้ายกันในภายหลังในเครื่องรับไฟฟ้าแบบอิเล็กโทรไลต์ในระบบไร้สายหรือวิทยุโทรเลข[11]
ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 19 ความรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กของโลกได้รับการเพิ่มเติมอย่างสำคัญหลายประการ ตัวอย่างเช่น ในปี พ.ศ. 2363 ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตดแห่งโคเปนเฮเกนได้ค้นพบผลการเบี่ยงเบนของกระแสไฟฟ้าที่วิ่งผ่านลวดไปยังเข็มแม่เหล็กที่แขวนอยู่[11]
การค้นพบนี้ให้เบาะแสเกี่ยวกับความสัมพันธ์อันแนบแน่นระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กซึ่งได้รับการพิสูจน์ในเวลาต่อมา ซึ่งต่อมาไม่นานAmpère ก็ทำตามโดย ในเดือนกันยายนปี 1820 ซึ่งเขาได้นำเสนอองค์ประกอบแรกของทฤษฎีใหม่ของเขา ซึ่งเขาพัฒนาขึ้นในปีต่อๆ มา ซึ่งจุดสุดยอดคือการตีพิมพ์ในหนังสือ " Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l'experience " (บันทึกความทรงจำเกี่ยวกับทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของปรากฏการณ์ไฟฟ้าไดนามิก ซึ่งสรุปได้จากประสบการณ์จริง) ของเขาในปี 1827 โดยประกาศทฤษฎีไฟฟ้าไดนามิกอันโด่งดังของเขา ซึ่งเกี่ยวข้องกับแรงที่กระแสไฟฟ้าหนึ่งมีต่อกระแสไฟฟ้าอีกกระแสหนึ่ง โดยอาศัยผลทางแม่เหล็กไฟฟ้า นั่นก็คือ[11]
แอมแปร์ได้นำปรากฏการณ์ต่างๆ มากมายมาสู่ทฤษฎีโดยการสืบสวนแรงทางกลระหว่างตัวนำที่รองรับกระแสไฟฟ้าและแม่เหล็กเจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ได้เรียกแอมแปร์ว่า "นิวตันแห่งไฟฟ้า" ในหนังสือ " A Treatise on Electricity and Magnetism " ของเขา[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันSeebeckค้นพบในปี 1821 ว่าเมื่อให้ความร้อนกับรอยต่อของโลหะ 2 ชิ้นที่บัดกรีเข้าด้วยกัน จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น สิ่งนี้เรียกว่าเทอร์โมอิเล็กทริก อุปกรณ์ของ Seebeck ประกอบด้วยแถบทองแดงที่งอที่ปลายทั้งสองข้างแล้วบัดกรีเข้ากับแผ่นบิสมัท วางเข็มแม่เหล็กขนานกับแถบทองแดง เมื่อให้ความร้อนจากหลอดไฟกับรอยต่อของทองแดงและบิสมัท จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ซึ่งจะทำให้เข็มเบี่ยงเบน[11]
ในช่วงเวลานี้ซีเมยง เดอนี ปัวซองได้โจมตีปัญหาที่ยากของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก และแม้ว่าผลลัพธ์ของเขาจะแสดงออกมาแตกต่างกัน แต่ยังคงเป็นทฤษฎีในฐานะการประมาณค่าเบื้องต้นที่สำคัญที่สุด การนำคณิตศาสตร์มาประยุกต์ใช้กับฟิสิกส์นั้นเป็นสิ่งที่เขาทำประโยชน์ให้กับวิทยาศาสตร์ บางทีบันทึกความทรงจำของเขาเกี่ยวกับทฤษฎีไฟฟ้าและแม่เหล็กอาจเป็นผลงานที่แปลกใหม่ที่สุด และแน่นอนว่ามีอิทธิพลที่ยั่งยืนที่สุด ซึ่งได้สร้างสาขาใหม่ของฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ ขึ้นมา
จอร์จ กรีนเขียนบทความเรื่องการประยุกต์ใช้การวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์กับทฤษฎีไฟฟ้าและแม่เหล็กในปี 1828 บทความดังกล่าวแนะนำแนวคิดสำคัญหลายประการ เช่น ทฤษฎีบทที่คล้ายกับทฤษฎีบทของกรีนในปัจจุบัน แนวคิดเกี่ยวกับฟังก์ชันศักย์ที่ใช้ในฟิสิกส์ในปัจจุบัน และแนวคิดเกี่ยวกับสิ่งที่ปัจจุบันเรียกว่าฟังก์ชันของกรีนจอร์จ กรีนเป็นคนแรกที่สร้างทฤษฎีทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก และทฤษฎีของเขาได้วางรากฐานให้กับผลงานของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ เช่น เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ วิลเลียม ทอมสัน และคนอื่นๆ
ในปี 1834 Peltierได้ค้นพบผลที่ตรงข้ามกับเทอร์โมอิเล็กทริก กล่าวคือ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านโลหะต่างชนิดสองสามชนิด อุณหภูมิจะลดลงหรือเพิ่มขึ้นที่รอยต่อของโลหะ ขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสไฟฟ้า สิ่งนี้เรียกว่าผล Peltierการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิพบว่าเป็นสัดส่วนกับความแรงของกระแสไฟฟ้า ไม่ใช่กำลังสองของความแรงของกระแสไฟฟ้า เช่น ในกรณีของความร้อนอันเนื่องมาจากความต้านทานปกติของตัวนำ กฎข้อที่สองนี้คือ กฎI 2 Rซึ่งค้นพบโดยการทดลองในปี 1841 โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อJouleกล่าวอีกนัยหนึ่ง กฎที่สำคัญนี้คือ ความร้อนที่เกิดขึ้นในส่วนใดส่วนหนึ่งของวงจรไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความต้านทาน R ของส่วนนี้ของวงจรและกับกำลังสองของความแรงของกระแสไฟฟ้า I ที่ไหลในวงจร[11]
ในปี ค.ศ. 1822 โยฮันน์ ชไวเกอร์ ได้ประดิษฐ์กัล วาโนมิเตอร์เครื่องแรกต่อมาเครื่องมือนี้ได้รับการพัฒนาอย่างมากโดยวิลเฮล์ม เวเบอร์ (ค.ศ. 1833) ในปี ค.ศ. 1825 วิลเลียม สเตอร์เจียนแห่งวูลวิช ประเทศอังกฤษ ได้ประดิษฐ์แม่เหล็กไฟฟ้ารูปเกือกม้าและแท่งตรง และได้รับรางวัลเหรียญเงินจากสมาคมศิลปะจาก ผลงานดังกล่าว [71]ในปี ค.ศ. 1837 คาร์ล ฟรีดริช เกาส์และเวเบอร์ (ซึ่งเป็นคนงานที่มีชื่อเสียงในยุคนี้ทั้งคู่) ได้ร่วมกันประดิษฐ์กัลวาโนมิเตอร์แบบสะท้อนแสงเพื่อใช้ในโทรเลข ซึ่งเป็นต้นแบบของกัลวาโนมิเตอร์แบบสะท้อนแสงทอมสันและกัลวาโนมิเตอร์แบบอื่นๆ ที่มีความไวสูง ซึ่งครั้งหนึ่งเคยใช้ในการส่งสัญญาณใต้น้ำและยังคงใช้กัน อย่างแพร่หลายในการวัดทางไฟฟ้า ในปี ค.ศ. 1824 อาราโกได้ค้นพบสิ่งสำคัญว่า เมื่อจานทองแดงหมุนในระนาบของมันเอง และหากเข็มแม่เหล็กแขวนอยู่บนแกนหมุนเหนือจานอย่างอิสระ เข็มจะหมุนไปพร้อมกับจาน หากเข็มตรึงไว้ การเคลื่อนที่ของจานจะช้าลง เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าการหมุนของอาราโก [ 11 ] [72] [73]
ชาร์ลส์ แบ็บเบจปีเตอร์ บาร์โลว์ จอห์น เฮอร์เชล และคนอื่นๆ พยายามอธิบายปรากฏการณ์นี้อย่างไร้ผล คำอธิบายที่แท้จริงสงวนไว้สำหรับฟาราเดย์ นั่นคือ กระแสไฟฟ้าถูกเหนี่ยวนำในแผ่นทองแดงโดยการตัดเส้นแรงแม่เหล็กของเข็ม ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะตอบสนองกับเข็มGeorg Simon Ohmได้ทำงานเกี่ยวกับความต้านทานในปี 1825 และ 1826 และเผยแพร่ผลงานของเขาในปี 1827 ในชื่อหนังสือDie galvanische Kette, mathematisch bearbeitet [ 74] [75] เขาได้รับแรงบันดาลใจอย่างมากจากงานของฟูเรียร์ เกี่ยวกับการนำความร้อนในการอธิบายทางทฤษฎีของงานของเขา สำหรับการทดลอง ในตอนแรกเขาใช้ เสาเข็มโวลตาอิกแต่ต่อมาใช้เทอร์โมคัปเปิลเนื่องจากสิ่งนี้ให้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรกว่าในแง่ของความต้านทานภายในและความต่างศักย์คงที่ เขาใช้กัลวาโนมิเตอร์เพื่อวัดกระแสไฟฟ้า และรู้ว่าแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วเทอร์โมคัปเปิลเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ จากนั้นเขาจึงเพิ่มสายทดสอบที่มีความยาว เส้นผ่านศูนย์กลาง และวัสดุที่แตกต่างกันเพื่อสร้างวงจรให้สมบูรณ์ เขาพบว่าข้อมูลของเขาสามารถจำลองได้โดยใช้สมการง่ายๆ ที่มีตัวแปรประกอบด้วยค่าที่อ่านได้จากกัลวาโนมิเตอร์ ความยาวของตัวนำทดสอบ อุณหภูมิที่จุดต่อเทอร์โมคัปเปิล และค่าคงที่ของการตั้งค่าทั้งหมด จากนี้ โอห์มได้กำหนดกฎแห่งการแปรผันของเขาและเผยแพร่ผลลัพธ์ของเขา ในปี พ.ศ. 2370 เขาได้ประกาศกฎอันโด่งดังที่ใช้ชื่อของเขา ในปัจจุบัน นั่นก็คือ:
โอห์มได้นำข้อเท็จจริงที่น่าสงสัยมากมายมาเชื่อมโยงระหว่างแรงเคลื่อนไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในตัวนำ ซึ่งช่างไฟฟ้ารุ่นก่อนๆ ประสบความสำเร็จในการสรุปข้อเท็จจริงเหล่านี้โดยใช้คำชี้แจงที่คลุมเครือบางประการเท่านั้น โอห์มพบว่าผลลัพธ์สามารถสรุปได้ด้วยกฎง่ายๆ เช่นนี้ และด้วยการค้นพบของโอห์ม ขอบเขตของไฟฟ้าส่วนใหญ่จึงถูกผนวกเข้ากับทฤษฎี
การค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นเกือบจะพร้อมกัน แม้ว่าจะแยกกัน โดยไมเคิล ฟาราเดย์ซึ่งเป็นคนแรกที่ค้นพบในปี พ.ศ. 2374 และโจเซฟ เฮนรีในปี พ.ศ. 2375 [77] [78]การค้นพบการเหนี่ยวนำตนเองของเฮนรีและผลงานของเขาเกี่ยวกับตัวนำเกลียวโดยใช้ขดลวดทองแดงได้รับการเปิดเผยต่อสาธารณะในปี พ.ศ. 2378 ก่อนผลงานของฟาราเดย์เพียงเล็กน้อย[79] [80] [81]
ในปี 1831 ไมเคิล ฟาราเดย์ลูกศิษย์ผู้มีชื่อเสียงและเป็นผู้สืบทอดตำแหน่งต่อจากฮัมฟรี เดวีหัวหน้าสถาบันรอยัล ลอนดอน ได้เริ่มทำการวิจัยอันล้ำยุคเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำไฟฟ้าและแม่เหล็กไฟฟ้า การวิจัยอันน่าทึ่งของฟาราเดย์เจ้าชายแห่งนักทดลองเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตและไฟฟ้าพลศาสตร์ และการเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า การวิจัยเหล่านี้ใช้เวลานานพอสมควรในการเปลี่ยนจากสถานะการทดลองแบบหยาบๆ ไปสู่ระบบที่กะทัดรัดซึ่งแสดงถึงแก่นแท้ที่แท้จริง ฟาราเดย์ไม่ใช่นักคณิตศาสตร์ที่มีความสามารถ[82] [83] [84]แต่ถ้าเขาเป็นนักคณิตศาสตร์ เขาคงได้รับความช่วยเหลืออย่างมากในการวิจัยของเขา ช่วยตัวเองจากการคาดเดาที่ไร้ประโยชน์ได้มาก และคงคาดการณ์งานในภายหลังได้มาก ตัวอย่างเช่น เขาอาจทราบทฤษฎีของแอมแปร์จากผลงานของเขาเอง ซึ่งนำไปสู่ทฤษฎีของนอยมันน์ได้อย่างง่ายดาย และงานที่เกี่ยวข้องของเฮล์มโฮลทซ์และทอมสัน งานศึกษาวิจัยของฟาราเดย์ดำเนินไปตั้งแต่ปี 1831 ถึงปี 1855 และคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับการทดลอง การอนุมาน และการคาดเดาของเขาสามารถพบได้ในเอกสารที่รวบรวมไว้ซึ่งมีชื่อว่า Experimental Researches in Electricity ฟาราเดย์เป็นนักเคมีโดยอาชีพ เขาไม่ใช่นักคณิตศาสตร์ในความหมายทั่วไปเลยแม้แต่น้อย — อันที่จริงแล้ว เป็นคำถามที่ว่าในงานเขียนทั้งหมดของเขาจะมีสูตรคณิตศาสตร์เพียงสูตรเดียวหรือไม่[11]
การทดลองที่นำไปสู่การค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์นั้นทำขึ้นดังนี้ เขาสร้างสิ่งที่เรียกกันในปัจจุบันว่าขดลวดเหนี่ยวนำโดยสายปฐมภูมิและทุติยภูมิจะพันบนแกนไม้ เรียงกันเป็นคู่ และแยกออกจากกัน เขาใส่แบตเตอรี่ประมาณ 100 เซลล์ลงในวงจรของสายปฐมภูมิ และใส่เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าสลับเข้าไปในสายทุติยภูมิ เมื่อทำการทดสอบครั้งแรก เขาไม่พบผลลัพธ์ใดๆ เนื่องจากเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าสลับยังคงนิ่ง แต่เมื่อเพิ่มความยาวของสาย เขาสังเกตเห็นว่าเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าสลับในสายทุติยภูมิมีการเบี่ยงเบนเมื่อสร้างและตัดวงจรของสายปฐมภูมิ นี่เป็นกรณีแรกที่สังเกตเห็นการพัฒนาแรงเคลื่อนไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า[11]
นอกจากนี้ เขายังค้นพบว่ากระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในวงจรปิดที่สองเมื่อความแรงของกระแสไฟฟ้าในสายแรกเปลี่ยนแปลงไป และทิศทางของกระแสไฟฟ้าในวงจรรองจะตรงกันข้ามกับทิศทางในวงจรแรก นอกจากนี้ กระแสไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำในวงจรรองเมื่อวงจรอื่นที่มีกระแสไฟฟ้าเคลื่อนไปและมาจากวงจรแรก และการเข้าใกล้หรือการดึงแม่เหล็กเข้าหรือออกจากวงจรปิดจะเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าชั่วขณะในวงจรหลัง กล่าวโดยย่อ ภายในระยะเวลาไม่กี่เดือน ฟาราเดย์ได้ค้นพบกฎและข้อเท็จจริงเกือบทั้งหมดที่ทราบในปัจจุบันเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าโดยแม่เหล็ก การค้นพบเหล่านี้แทบไม่มีข้อยกเว้น การทำงานของโทรศัพท์ เครื่องกำเนิด ไฟฟ้าแบบไดนาโมและอุตสาหกรรมไฟฟ้ายักษ์ใหญ่เกือบทั้งหมดของโลก รวมถึงไฟฟ้าแสงสว่าง การลากจูงไฟฟ้า การทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อวัตถุประสงค์ด้านพลังงาน การชุบด้วยไฟฟ้า การพิมพ์ด้วยไฟฟ้า ฯลฯ ล้วนขึ้นอยู่กับการค้นพบเหล่านี้[ 11 ]
ในการสืบสวนของเขาเกี่ยวกับลักษณะเฉพาะที่เศษเหล็กเรียงตัวกันบนกระดาษแข็งหรือแก้วที่อยู่ใกล้กับขั้วของแม่เหล็ก ฟาราเดย์ได้คิดค้นแนวคิดของ" เส้นแรง " แม่เหล็กที่ทอดยาวจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งของแม่เหล็กและเศษเหล็กมักจะวางตัวตามแนวนั้น เมื่อค้นพบว่าผลกระทบทางแม่เหล็กมาพร้อมกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านในลวด ก็มีสมมติฐานว่าเส้นแรงแม่เหล็กที่คล้ายกันหมุนวนไปรอบๆ ลวด เพื่อความสะดวกและเพื่ออธิบายไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จึงสันนิษฐานว่าเมื่อเส้นแรงเหล่านี้ " ตัด " โดยลวดที่ผ่านลวด หรือเมื่อเส้นแรงที่ขึ้นและลงตัดลวด กระแสไฟฟ้าก็จะเกิดขึ้น หรือพูดให้ชัดเจนกว่านั้นคือ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดขึ้นในลวดที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรปิด ฟาราเดย์เสนอสิ่งที่เรียกว่าทฤษฎีโมเลกุลของไฟฟ้า[85]ซึ่งสันนิษฐานว่าไฟฟ้าเป็นการแสดงออกถึงสภาพเฉพาะของโมเลกุลของวัตถุที่ถูกถูหรืออีเธอร์ที่ล้อมรอบวัตถุ นอกจากนี้ฟาราเดย์ยังค้นพบ พาราแมกเนติกและไดอะแมกเนติกโดยการทดลองกล่าวคือ ของแข็งและของเหลวทั้งหมดจะถูกดึงดูดหรือผลักด้วยแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ แมงกานีส โครเมียม ฯลฯ เป็นพาราแมกเนติก (ดึงดูดโดยแม่เหล็ก) ในขณะที่สารอื่น ๆ เช่น บิสมัท ฟอสฟอรัส แอนติโมนี สังกะสี ฯลฯ ถูกผลักด้วยแม่เหล็กหรือไดอะแมกเนติก [ 11] [86]
บรูกันแห่งไลเดนในปี 1778 และเลอ เบลลิฟและเบกเกอเรลในปี 1827 [87]เคยค้นพบไดอะแมกเนติกในกรณีของบิสมัทและแอนติโมนีมาก่อน ฟาราเดย์ยังค้นพบความสามารถในการเหนี่ยวนำเฉพาะ อีกครั้ง ในปี 1837 ผลการทดลองของคาเวนดิชยังไม่ได้ตีพิมพ์ในเวลานั้น เขายังทำนาย[88]การหน่วงเวลาของสัญญาณบนสายเคเบิลใต้น้ำยาวเนื่องมาจากผลการเหนี่ยวนำของฉนวนของสายเคเบิล กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ ความสามารถในการสถิตของสายเคเบิล[11] ในปี 1816 ฟรานซิส โรนัลด์สผู้บุกเบิกด้านโทรเลขก็ได้สังเกตเห็นการหน่วงเวลาของสัญญาณบนสายโทรเลขที่ฝังไว้ของเขาเช่นกัน โดยให้เหตุผลว่าเกิดจากการเหนี่ยวนำ[89] [90]
25 ปีหลังจากที่ฟาราเดย์ค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมีผลดีในการเผยแพร่กฎและข้อเท็จจริงที่เกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและแม่เหล็ก ในปี 1834 ไฮน์ริช เลนซ์และมอริตซ์ ฟอน จาโคบีได้สาธิตข้อเท็จจริงที่คุ้นเคยกันดีในปัจจุบันว่ากระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดนั้นแปรผันตามจำนวนรอบของขดลวด เลนซ์ยังได้ประกาศกฎสำคัญของเขา ในสมัยนั้น ว่า ในกรณีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะมีทิศทางที่ปฏิกิริยาของกระแสไฟฟ้ามักจะหยุดการเคลื่อนที่ที่ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า กฎนี้อาจอนุมานได้จากคำอธิบายการหมุนของอาราโกของฟาราเดย์[11] [91]
ขดลวดเหนี่ยวนำได้รับการออกแบบเป็นครั้งแรกโดยNicholas Callanในปี พ.ศ. 2379 ในปี พ.ศ. 2388 Joseph Henryนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ได้ตีพิมพ์รายงานเกี่ยวกับการทดลองที่มีค่าและน่าสนใจของเขาเกี่ยวกับกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีลำดับสูง ซึ่งแสดงให้เห็นว่ากระแสไฟฟ้าสามารถเหนี่ยวนำได้จากขดลวดทุติยภูมิของขดลวดเหนี่ยวนำไปยังขดลวดปฐมภูมิของขดลวดที่สอง จากนั้นไปยังลวดทุติยภูมิ และต่อไปยังขดลวดปฐมภูมิของขดลวดที่สาม เป็นต้น[92] Heinrich Daniel Ruhmkorffพัฒนาขดลวดเหนี่ยวนำเพิ่มเติม โดยขดลวด Ruhmkorffได้รับการจดสิทธิบัตรในปี พ.ศ. 2394 [93]และเขาใช้ลวดทองแดงที่พันเป็นวงยาวเพื่อให้เกิดประกายไฟยาวประมาณ 2 นิ้ว (50 มม.) ในปี พ.ศ. 2400 หลังจากตรวจสอบเวอร์ชันที่ปรับปรุงดีขึ้นอย่างมากซึ่งทำโดยนักประดิษฐ์ชาวอเมริกันเอ็ดเวิร์ด ซามูเอล ริทชี่ [ 94] [95] [ จำเป็นต้องมีแหล่งข้อมูลที่ไม่ใช่หลัก ]รุห์มคอร์ฟฟ์ได้ปรับปรุงการออกแบบของเขา (เช่นเดียวกับวิศวกรคนอื่นๆ) โดยใช้ฉนวนกระจกและนวัตกรรมอื่นๆ เพื่อให้สามารถผลิตประกายไฟได้ยาวกว่า 300 มิลลิเมตร (12 นิ้ว) [96]
ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงเพิ่มขอบเขตอันใหญ่โตของความน่าสนใจและความสำคัญอันเหนือโลกให้กับทฤษฎีคลื่นไหว สะเทือนอันเก่า ทฤษฎีนี้ต้องการเราไม่เพียงแต่คำอธิบายของปรากฏการณ์ทั้งหมดของแสงและ ความร้อนที่แผ่ออก มา จาก การสั่นตามขวาง ของของแข็งยืดหยุ่นที่เรียกว่าอีเธอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการรวมกระแสไฟฟ้า แม่เหล็ก ถาวรของเหล็กและหินแม่เหล็กแรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้าสถิตในพลวัตเหนือธรรมชาติ ที่ครอบคลุมอีกด้วย "
— ลอร์ดเคลวิน[97]
จนถึงกลางศตวรรษที่ 19 หรืออาจกล่าวได้ว่าจนถึงราวปี ค.ศ. 1870 วิทยาศาสตร์ไฟฟ้าเป็นเพียงหนังสือที่ปิดสนิทสำหรับช่างไฟฟ้าส่วนใหญ่ ก่อนหน้านั้น มีหนังสือคู่มือเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กจำนวนหนึ่งที่ตีพิมพ์ออกมา โดยเฉพาะอย่างยิ่งTreatise on ElectricityของAuguste de La Rive [98]ในปี ค.ศ. 1851 (ภาษาฝรั่งเศส) และปี ค.ศ. 1853 (ภาษาอังกฤษ) Einleitung in die Elektrostatik, die Lehre vom Magnetismus und die ElektrodynamikของAugust Beer [ 99] GalvanismusของWiedemannและ Reibungsal-elektricitat ของ Reiss [ 100 ]แต่ผลงานเหล่านี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วยรายละเอียดของการทดลองกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก และมีเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับกฎและข้อเท็จจริงของปรากฏการณ์เหล่านั้น Henry d'Abria [101] [102]ได้เผยแพร่ผลการวิจัยบางส่วนเกี่ยวกับกฎของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ แต่เนื่องจากความซับซ้อนของการสืบสวนจึงไม่ได้ผลลัพธ์ที่สำคัญมากนัก[103]ราวๆ กลางศตวรรษที่ 19 ผลงานของFleeming Jenkin เกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก [104]และ ' Treatise on Electricity and Magnetism ' ของ Clerk Maxwell ได้รับการตีพิมพ์[11]
หนังสือเหล่านี้ถือเป็นการออกนอกกรอบจากแนวทางเดิมๆ เจนกินส์ได้กล่าวไว้ในคำนำของงานของเขาว่าวิทยาศาสตร์ของโรงเรียนนั้นแตกต่างไปจากวิทยาศาสตร์ของช่างไฟฟ้าภาคปฏิบัติอย่างมาก จนแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะให้หนังสือเรียนแก่นักเรียนได้เพียงพอหรืออาจเพียงพอด้วยซ้ำ เขากล่าวว่านักเรียนอาจเชี่ยวชาญบทความอันทรงคุณค่าของเดอ ลา รีฟได้ แต่ยังคงรู้สึกราวกับว่าอยู่ในประเทศที่ไม่รู้จักและกำลังฟังภาษาที่ไม่รู้จักร่วมกับคนภาคปฏิบัติ นักเขียนอีกคนหนึ่งได้กล่าวไว้ว่า เมื่อหนังสือของเจนกินส์และแมกซ์เวลล์ออกมา สิ่งกีดขวางทั้งหมดที่มีต่อนักเรียนไฟฟ้าก็ถูกขจัดออกไป " ความหมายทั้งหมดของกฎของโอห์มก็ชัดเจนขึ้น แรงเคลื่อนไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า ความต้านทาน กระแสไฟฟ้า ความจุ เส้นแรง การทำให้เป็นแม่เหล็ก และความสัมพันธ์ทางเคมีนั้นสามารถวัดได้ และสามารถหาเหตุผลได้ และสามารถคำนวณเกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้ได้อย่างแน่นอนพอๆ กับการคำนวณในพลศาสตร์ " [11] [105]
ประมาณปี ค.ศ. 1850 คิร์ชฮ อฟฟ์ ได้เผยแพร่กฎที่เกี่ยวข้องกับวงจรแยกสาขาหรือวงจรแยกสาขา เขายังแสดงให้เห็นทางคณิตศาสตร์ด้วยว่าตามทฤษฎีอิเล็กโทรไดนามิกที่แพร่หลายในขณะนั้น ไฟฟ้าจะแพร่กระจายไปตามสายตัวนำที่สมบูรณ์แบบด้วยความเร็วของแสงเฮล์มโฮลทซ์ได้ตรวจสอบผลกระทบของการเหนี่ยวนำต่อความแรงของกระแสไฟฟ้าโดยใช้คณิตศาสตร์ และได้อนุมานสมการจากสมการดังกล่าว ซึ่งการทดลองได้ยืนยัน โดยแสดงให้เห็นผลที่ชะลอของการเหนี่ยวนำตนเองภายใต้เงื่อนไขบางประการของวงจร รวมถึงประเด็นสำคัญอื่นๆ[11] [106]
ในปี ค.ศ. 1853 เซอร์วิลเลียม ทอมสัน (ต่อมาเป็นลอร์ดเคลวิน ) ทำนายลักษณะการสั่นของการปล่อยประจุไฟฟ้าในวงจรคอนเดนเซอร์จากการคำนวณทางคณิตศาสตร์ อย่างไรก็ตาม เฮนรี่สมควรได้รับความดีความชอบจากการแยกแยะลักษณะการสั่นของ การปล่อย ประจุในโถไลเดน จากผลการทดลองของเขาในปี ค.ศ. 1842 เขาเขียนว่า: [107] ปรากฏการณ์นี้ต้องการให้เรายอมรับการมีอยู่ของการปลดปล่อยประจุหลักในทิศทางเดียว จากนั้นจึงเกิดปฏิกิริยาสะท้อนกลับหลายครั้งไปข้างหน้าและข้างหลัง โดยแต่ละครั้งจะอ่อนกว่าปฏิกิริยาก่อนหน้า จนกว่าจะได้สมดุลการสั่นเหล่านี้ถูกสังเกตในภายหลังโดยBW Feddersen (1857) [108] [109]ซึ่งใช้กระจกเว้าหมุนฉายภาพของประกายไฟฟ้าบนแผ่นไวต่อแสง ทำให้ได้ภาพถ่ายของประกายไฟฟ้าซึ่งแสดงให้เห็นลักษณะการสลับของการปลดปล่อยประจุได้อย่างชัดเจน เซอร์วิลเลียม ทอมสันเป็นผู้ค้นพบการพาความร้อนด้วยไฟฟ้า ( ปรากฏการณ์ "ทอมสัน" ) อีกด้วย เขาออกแบบอิเล็กโตรมิเตอร์ควอแดรนต์และสัมบูรณ์เพื่อการวัดไฟฟ้าอย่างแม่นยำกัลวาโนมิเตอร์สะท้อนแสงและเครื่องบันทึกไซฟอนซึ่งนำไปใช้กับสัญญาณเคเบิลใต้น้ำ ก็เป็นผลงานของเขาเช่นกัน[11]
ประมาณปี พ.ศ. 2419 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเฮนรี่ ออกัสตัส โรว์แลนด์แห่งเมืองบัลติมอร์ ได้สาธิตให้เห็นข้อเท็จจริงที่สำคัญว่าประจุไฟฟ้าสถิตที่เคลื่อนที่ไปมาจะก่อให้เกิดผลทางแม่เหล็กเช่นเดียวกับกระแสไฟฟ้า[110] [111]ความสำคัญของการค้นพบนี้ก็คือ การค้นพบนี้อาจให้ทฤษฎีเกี่ยวกับแม่เหล็กที่น่าเชื่อถือได้ กล่าวคือ แม่เหล็กอาจเป็นผลจากการเคลื่อนที่แบบมีทิศทางของแถวโมเลกุลที่มีประจุไฟฟ้าสถิต[11]
หลังจากที่ฟาราเดย์ค้นพบว่ากระแสไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นในสายไฟได้โดยทำให้ตัดผ่านเส้นแรงของแม่เหล็ก จึงคาดหวังได้ว่าจะมีการพยายามสร้างเครื่องจักรเพื่อใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงนี้ในการพัฒนากระแสไฟฟ้าโวลตาอิก[112]เครื่องจักรประเภทนี้เครื่องแรกสร้างขึ้นโดยHippolyte Pixiiในปี ค.ศ. 1832 ประกอบด้วยลวดเหล็กสองแกน ซึ่งตรงข้ามกัน ขั้วของแม่เหล็กเกือกม้าจะหมุน เมื่อขดลวดของลวดสร้างกระแสสลับPixii จึง ได้จัดเตรียมอุปกรณ์สับเปลี่ยน (คอมมิวเตเตอร์) ที่แปลงกระแสสลับของขดลวดหรืออาร์เมเจอร์เป็นกระแสตรงในวงจรภายนอก เครื่องจักรนี้ตามมาด้วยเครื่องจักรแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบที่ปรับปรุงดีขึ้นเนื่องมาจากEdward Samuel Ritchie , Joseph Saxton , Edward M. Clarke ในปี ค.ศ. 1834, Emil Stohrer ในปี ค.ศ. 1843, Floris Nolletในปี ค.ศ. 1849, Shepperd [ ใคร? ] 1856 ฟาน มัลเดิร์น[ ใคร? ] , เวอร์เนอร์ ฟอน ซีเมนส์ , เฮนรี ไวลด์และคนอื่นๆ[11]
ความก้าวหน้าที่โดดเด่นในศิลปะ การสร้าง ไดนาโมเกิดขึ้นโดยSamuel Alfred Varleyในปี 1866 [113]และโดย Siemens และCharles Wheatstone [114]ซึ่งค้นพบโดยอิสระว่าเมื่อขดลวดหรืออาร์เมเจอร์ของเครื่องไดนาโมหมุนระหว่างขั้ว (หรือใน "สนาม") ของแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าอ่อนจะถูกตั้งขึ้นในขดลวดเนื่องจากแม่เหล็กตกค้างในเหล็กของแม่เหล็กไฟฟ้า และหากวงจรของอาร์เมเจอร์เชื่อมต่อกับวงจรของแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าอ่อนที่เกิดขึ้นในอาร์เมเจอร์จะเพิ่มแม่เหล็กในสนาม สิ่งนี้จะเพิ่มเส้นแรงแม่เหล็กที่อาร์เมเจอร์หมุนซึ่งเพิ่มกระแสในแม่เหล็กไฟฟ้าต่อไป ส่งผลให้แม่เหล็กสนามเพิ่มขึ้นตามไปด้วย และเป็นเช่นนี้ต่อไป จนกระทั่งถึงแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุดที่เครื่องจักรสามารถสร้างขึ้นได้ โดยใช้หลักการนี้ เครื่องไดนาโมจะพัฒนาสนามแม่เหล็ก ของตัวเอง ดังนั้นจึงเพิ่มประสิทธิภาพและการทำงานที่ประหยัดมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เครื่องจักรไฟฟ้าไดนาโมไม่ได้ถูกพัฒนาให้สมบูรณ์แบบในเวลาที่กล่าวถึงเลย[11]
ในปี 1860 ดร. Antonio Pacinotti แห่งเมืองปิซา ได้ทำการปรับปรุงที่สำคัญ โดยเขาได้คิดค้นเครื่องจักรไฟฟ้าเครื่องแรกที่มีอาร์เมเจอร์แบบวงแหวน เครื่องจักรนี้ถูกใช้ครั้งแรกเป็นมอเตอร์ไฟฟ้า แต่ภายหลังได้ถูกนำมาใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การค้นพบหลักการย้อนกลับของเครื่องจักรไฟฟ้าไดนาโม (ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นผลงานของWalenn ใน ปี 1860; Pacinottiในปี 1864; Fontaine , Gramme ในปี 1873; Deprezในปี 1881 และคนอื่นๆ) ซึ่งทำให้สามารถใช้เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ ถือเป็นการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ที่สุดครั้งหนึ่งในศตวรรษที่ 19 [11]
ในปี 1872 Hefner-Alteneckได้คิดค้นเครื่องกลองแบบอาร์เมเจอร์เครื่องนี้ซึ่งต่อมาได้รับการดัดแปลงให้เรียกว่าไดนาโมของ Siemens ปัจจุบันเครื่องเหล่านี้ได้รับการผลิตโดยSchuckert , Gulcher, [115] Fein, [ 116] [117] [118] Brush , Hochhausen, Edisonและเครื่องไดนาโมของนักประดิษฐ์อีกหลายคน[119]ในยุคแรกของการสร้างเครื่องไดนาโม เครื่องจักรส่วนใหญ่ถูกจัดเรียงเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง และการประยุกต์ใช้เครื่องจักรดังกล่าวที่สำคัญที่สุดในเวลานั้นอาจเป็นการชุบด้วยไฟฟ้า ซึ่งเครื่องจักรที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำและกระแสไฟฟ้าแรงสูงถูกนำมาใช้เพื่อจุดประสงค์นี้[11] [120]
ตั้งแต่ประมาณปี พ.ศ. 2430 เครื่องกำเนิด ไฟฟ้ากระแสสลับเริ่มมีการใช้งานอย่างแพร่หลาย และการพัฒนาเชิงพาณิชย์ของหม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งใช้แปลงกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำและกระแสสูงเป็นกระแสไฟฟ้าแรงดันสูงและกระแสต่ำ และในทางกลับกัน ส่งผลให้การส่งพลังงานไฟฟ้าไปยังระยะทางไกลปฏิวัติโลกในเวลาต่อมา ในทำนองเดียวกัน การนำตัวแปลงแบบหมุนมาใช้ (ร่วมกับหม้อแปลง "ลดแรงดันไฟฟ้า") ซึ่งแปลงกระแสไฟฟ้าสลับเป็นกระแสตรง (และในทางกลับกัน) ส่งผลให้การทำงานของระบบไฟฟ้าประหยัดลงอย่างมาก[11] [121]
ก่อนที่จะมีการนำเครื่องจักรไฟฟ้าแบบไดนาโม เช่น โวลตาอิก หรือแบบปฐมภูมิ มาใช้ แบตเตอรี่ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการชุบด้วยไฟฟ้าและในโทรเลข เซลล์โวลตาอิกมี 2 ประเภทที่แตกต่างกัน คือ ประเภท "เปิด" และประเภท "ปิด" หรือ "คงที่" โดยสรุปแล้ว ประเภทเปิดคือประเภทที่ทำงานบนวงจรปิด ซึ่งจะกลายเป็นโพลาไรซ์ในเวลาสั้นๆ กล่าวคือ ก๊าซจะถูกปลดปล่อยในเซลล์ซึ่งจะตกตะกอนบนแผ่นลบและสร้างความต้านทานที่ลดความแรงของกระแสไฟฟ้า หลังจากช่วงสั้นๆ ของวงจรเปิด ก๊าซเหล่านี้จะถูกกำจัดหรือดูดซับ และเซลล์ก็พร้อมทำงานอีกครั้ง เซลล์วงจรปิดคือเซลล์ที่ก๊าซในเซลล์จะถูกดูดซับอย่างรวดเร็วเท่ากับที่ถูกปลดปล่อย ดังนั้นเอาต์พุตของเซลล์จึงแทบจะสม่ำเสมอ เซลล์ LeclanchéและDaniellเป็นตัวอย่างที่คุ้นเคยของเซลล์โวลตาอิกประเภท "เปิด" และ "ปิด" ตามลำดับ แบตเตอรี่แบบ Daniell หรือแบบ "แรงโน้มถ่วง" ถูกนำมาใช้โดยทั่วไปในสหรัฐอเมริกาและแคนาดาในฐานะแหล่งพลังงานไฟฟ้าในโทรเลข ก่อนที่เครื่องไดนาโมจะพร้อมใช้งาน[11]
ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 คำว่าluminiferous aether ซึ่งหมายถึง aetherที่นำแสงมา เป็นสื่อกลางที่คาดเดากันว่าจะแพร่กระจายแสงได้[122] คำว่าaetherมาจากภาษาละตินจากคำภาษากรีก αιθήρ ซึ่งมาจากรากศัพท์ที่แปลว่า จุดไฟ เผา หรือส่องแสง ซึ่งหมายถึงสารที่เชื่อกันในสมัยโบราณว่าเติมเต็มบริเวณด้านบนของอวกาศเหนือเมฆ
ในปี 1864 เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์แห่งเอดินบะระได้ประกาศทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแสง ซึ่งอาจเป็นก้าวเดียวที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในความรู้ด้านไฟฟ้าของโลก[123] แมกซ์เวลล์ได้ศึกษาและแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับสาขาไฟฟ้าและแม่เหล็กตั้งแต่ช่วงปี 1855/6 เมื่อ หนังสือ On Faraday's lines of force [124]ถูกอ่านให้Cambridge Philosophical Societyฟัง บทความนี้เสนอแบบจำลองที่เรียบง่ายของงานของฟาราเดย์ และความสัมพันธ์ระหว่างปรากฏการณ์ทั้งสอง เขาลดความรู้ทั้งหมดในปัจจุบันให้เหลือเพียงสมการเชิงอนุพันธ์ ที่เชื่อมโยงกัน โดยมีสมการ 20 สมการใน 20 ตัวแปร งานนี้ได้รับการตีพิมพ์ในภายหลังในชื่อOn Physical Lines of Forceในเดือนมีนาคม 1861 [125]เพื่อกำหนดแรงที่กระทำต่อส่วนใดส่วนหนึ่งของเครื่องจักร เราต้องหาโมเมนตัมของเครื่องจักร จากนั้นจึงคำนวณอัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัม อัตราการเปลี่ยนแปลงนี้จะให้แรงแก่เรา วิธีการคำนวณที่จำเป็นต้องใช้นั้นได้ให้ไว้โดยLagrangeก่อน จากนั้นจึงพัฒนาโดยดัดแปลงบางส่วนด้วยสมการของแฮมิลตันโดยทั่วไปจะเรียกว่าหลักการของแฮมิลตันเมื่อใช้สมการในรูปแบบเดิมจะเรียกว่าสมการของ Lagrangeปัจจุบัน แมกซ์เวลล์ได้แสดงให้เห็นอย่างมีเหตุผลว่าวิธีการคำนวณเหล่านี้สามารถนำไปใช้กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างไร[126]พลังงานของระบบไดนามิกเป็นพลังงานจลน์ บางส่วนและ ศักย์บางส่วนแมกซ์เวลล์สันนิษฐานว่าพลังงานแม่เหล็กของสนามเป็นพลังงานจลน์ ศักย์พลังงานไฟฟ้า [127]
ราวปี พ.ศ. 2405 ขณะบรรยายที่คิงส์คอลเลจ แมกซ์เวลล์คำนวณว่าความเร็วการแพร่กระจายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะเท่ากับความเร็วแสง เขาถือว่าเรื่องนี้เป็นมากกว่าเรื่องบังเอิญ และกล่าวว่า " เราแทบจะหลีกเลี่ยงข้อสรุปที่ว่าแสงประกอบด้วยคลื่นตามขวางของตัวกลางเดียวกัน ซึ่งเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็กไม่ได้เลย " [128]
เมื่อทำงานเกี่ยวกับปัญหาต่อไป แมกซ์เวลล์แสดงให้เห็นว่าสมการทำนายการมีอยู่ของคลื่นของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แกว่งไปมาซึ่งเคลื่อนที่ผ่านอวกาศว่างเปล่าด้วยความเร็วที่สามารถทำนายได้จากการทดลองไฟฟ้าอย่างง่าย โดยใช้ข้อมูลที่มีอยู่ในขณะนั้น แมกซ์เวลล์ได้ความเร็ว 310,740,000 เมตรต่อวินาทีในเอกสารของเขาในปี 1864 เรื่องA Dynamical Theory of the Electromagnetic Fieldแมกซ์เวลล์เขียนว่าความสอดคล้องของผลลัพธ์ดูเหมือนจะแสดงให้เห็นว่าแสงและแม่เหล็กเป็นสารของสารชนิดเดียวกัน และแสงเป็นสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายผ่านสนามตามกฎแม่เหล็กไฟฟ้า [ 129]
ดังที่กล่าวไว้แล้วในที่นี้ ฟาราเดย์ และก่อนหน้าเขา แอมแปร์ และคนอื่นๆ มีลางสังหรณ์ว่าอีเธอร์เรืองแสงในอวกาศยังเป็นตัวกลางสำหรับการกระทำของไฟฟ้าด้วย จากการคำนวณและการทดลอง ทราบกันว่าความเร็วของไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณ 186,000 ไมล์ต่อวินาที นั่นคือ เท่ากับความเร็วของแสง ซึ่งในตัวมันเองชี้ให้เห็นถึงแนวคิดของความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและ "แสง" นักปรัชญาหรือนักคณิตศาสตร์หลายคนในช่วงศตวรรษที่ 19 ตามที่แมกซ์เวลล์เรียกพวกเขาว่า มีความคิดเห็นว่าปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าสามารถอธิบายได้ด้วยการกระทำในระยะไกล แมกซ์เวลล์ซึ่งทำตามฟาราเดย์ โต้แย้งว่ารากฐานของปรากฏการณ์อยู่ที่ตัวกลาง วิธีการที่นักคณิตศาสตร์ใช้ในการหาผลลัพธ์นั้นเป็นการสังเคราะห์ ในขณะที่วิธีการของฟาราเดย์นั้นเป็นการวิเคราะห์ ในจินตนาการของฟาราเดย์ เขาเห็นเส้นแรงที่เคลื่อนที่ไปทั่วอวกาศ ซึ่งนักคณิตศาสตร์เห็นว่าจุดศูนย์กลางของแรงดึงดูดกันในระยะไกล ฟาราเดย์พยายามค้นหาตำแหน่งของปรากฏการณ์ในการกระทำจริงที่เกิดขึ้นในตัวกลาง พวกเขาพอใจว่าพวกเขาพบมันในพลังของการกระทำที่ระยะไกลบนของไหลไฟฟ้า[130]
แมกซ์เวลล์ชี้ให้เห็นว่าวิธีการทั้งสองนี้ประสบความสำเร็จในการอธิบายการแพร่กระจายของแสงในฐานะปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า ขณะเดียวกัน แนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับปริมาณที่เกี่ยวข้องก็แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง นักคณิตศาสตร์สันนิษฐานว่าฉนวนเป็นอุปสรรคต่อกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในโถไลเดนหรือคอนเดนเซอร์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะสะสมอยู่ที่แผ่นหนึ่ง และจากการกระทำลึกลับที่ระยะไกล กระแสไฟฟ้าชนิดตรงข้ามจะดึงดูดไปที่แผ่นอีกแผ่นหนึ่ง
แมกซ์เวลล์มองไกลกว่าฟาราเดย์และสรุปว่าหากแสงเป็นปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าและสามารถส่งผ่านไดอิเล็กตริกได้ เช่น แก้ว ปรากฏการณ์ดังกล่าวจะต้องอยู่ในธรรมชาติของกระแสไฟฟ้าในไดอิเล็กตริก ดังนั้น เขาจึงโต้แย้งว่าในการชาร์จคอนเดนเซอร์ ตัวอย่างเช่น การกระทำไม่ได้หยุดที่ฉนวน แต่กระแสไฟฟ้า "แทนที่" บางส่วนถูกสร้างขึ้นในตัวกลางที่เป็นฉนวน ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะดำเนินต่อไปจนกว่าแรงต้านทานของตัวกลางจะมีค่าเท่ากับแรงชาร์จ ในวงจรตัวนำปิด กระแสไฟฟ้ายังเป็นการแทนที่ของไฟฟ้าด้วย
ตัวนำไฟฟ้ามีค่าความต้านทานต่อการเคลื่อนที่ของไฟฟ้าในระดับหนึ่ง ซึ่งคล้ายกับแรงเสียดทาน และความร้อนจะก่อตัวขึ้นในตัวนำไฟฟ้า โดยแปรผันตามกำลังสองของกระแสไฟฟ้า (ดังที่ได้กล่าวมาแล้วในที่นี้) ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะไหลไปตราบเท่าที่แรงผลักไฟฟ้ายังคงดำเนินต่อไป ความต้านทานนี้อาจเปรียบได้กับความต้านทานที่เรือได้รับเมื่อเคลื่อนที่ในน้ำในขณะที่เรือแล่นไป ความต้านทานของตัวนำไฟฟ้ามีลักษณะที่แตกต่างกัน และได้รับการเปรียบเทียบกับการบีบอัดสปริงจำนวนมาก ซึ่งภายใต้การบีบอัด แรงดันย้อนกลับจะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่แรงดันย้อนกลับทั้งหมดเท่ากับแรงดันเริ่มต้น เมื่อแรงดันเริ่มต้นถูกดึงออก พลังงานที่ใช้ในการบีบอัด "สปริง" จะถูกส่งกลับไปยังวงจรพร้อมๆ กับการที่สปริงกลับสู่สภาพเดิม ซึ่งจะก่อให้เกิดปฏิกิริยาในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนตัวของไฟฟ้าในตัวนำจึงอาจเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่กระแสไฟฟ้าที่เคลื่อนตัวในตัวนำไฟฟ้าจะเกิดขึ้นชั่วขณะ และในวงจรหรือตัวกลางที่มีค่าความต้านทานเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับความจุหรือปฏิกิริยาเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้าที่คายประจุจะมีลักษณะแกว่งหรือสลับกัน[131]
แมกซ์เวลล์ได้ขยายมุมมองนี้เกี่ยวกับกระแสการกระจัดในสารไดอิเล็กตริกไปยังอีเธอร์ของอวกาศอิสระ โดยถือว่าแสงเป็นการแสดงออกถึงการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าในอีเธอร์ และสั่นสะเทือนในอัตราเดียวกับการสั่นของแสง การสั่นเหล่านี้ทำให้เกิดการสั่นที่สอดคล้องกันในส่วนที่อยู่ติดกันของอีเธอร์โดยการเหนี่ยวนำ และด้วยวิธีนี้ คลื่นที่สอดคล้องกับคลื่นของแสงจึงแพร่กระจายเป็นผลแม่เหล็กไฟฟ้าในอีเธอร์ ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงของแมกซ์เวลล์เกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของคลื่นไฟฟ้าในอวกาศอิสระ และผู้ติดตามของเขาได้ตั้งเป้าหมายในการพิสูจน์ความจริงของทฤษฎีนี้ด้วยการทดลอง ในปี 1871 แมกซ์เวลล์สามารถไตร่ตรองเกี่ยวกับปรัชญาของวิทยาศาสตร์ได้แล้ว[132] [133] : 214
ในปี 1887 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ได้พิสูจน์การมีอยู่จริงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในชุดการทดลอง โดยแสดงให้เห็นว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศว่าง ตามขวางสามารถเดินทางได้ในระยะทางหนึ่งตามที่แมกซ์เวลล์และฟาราเดย์ทำนายไว้ เฮิร์ตซ์ได้ตีพิมพ์ผลงานของเขาในหนังสือชื่อ Electric waves: being researches on the propagation of electric action with finite velocity through space [ 134]การค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศนำไปสู่การพัฒนาวิทยุในช่วงปลายศตวรรษที่ 19
อิเล็กตรอนในฐานะหน่วยประจุไฟฟ้าเคมีถูกเสนอโดยG. Johnstone Stoneyในปี 1874 ซึ่งได้บัญญัติคำว่าอิเล็กตรอนในปี 1894 เช่นกัน [135] พลาสมาถูกระบุครั้งแรกในหลอดทดลอง Crookesและได้รับการอธิบายโดยSir William Crookesในปี 1879 (เขาเรียกมันว่า "สสารที่เปล่งแสง") [136]ตำแหน่งของไฟฟ้าที่นำไปสู่การค้นพบปรากฏการณ์ที่สวยงามเหล่านั้นของหลอดทดลอง Crookes (เนื่องมาจาก Sir William Crookes) ซึ่งได้แก่ รังสีแคโทด[137]และต่อมามีการค้นพบเรินต์เกนหรือรังสีเอกซ์ไม่ควรมองข้าม เนื่องจากหากไม่มีไฟฟ้าเป็นตัวกระตุ้นหลอดทดลอง การค้นพบรังสีอาจถูกเลื่อนออกไปอย่างไม่มีกำหนด มีการระบุไว้ในที่นี้ว่า Dr. William Gilbert ได้รับการยกย่องให้เป็นผู้ก่อตั้งวิทยาศาสตร์ไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ต้องถือเป็นคำกล่าวเปรียบเทียบ[11]
Oliver Heavisideเป็นนักวิชาการที่เรียนรู้ด้วยตนเองซึ่งได้จัดทำสมการสนามของแมกซ์เวลล์ใหม่ในแง่ของแรงไฟฟ้า แรงแม่เหล็ก และฟลักซ์พลังงาน และสร้างการ วิเคราะห์เวกเตอร์ ร่วมกันโดยอิสระ
ในช่วงปลายทศวรรษปี 1890 นักฟิสิกส์หลายคนเสนอว่าไฟฟ้า ซึ่งสังเกตได้จากการศึกษาการนำไฟฟ้าในตัวนำ อิเล็กโทรไลต์ และหลอดรังสีแคโทดประกอบด้วยหน่วยแยกจากกัน ซึ่งมีชื่อเรียกต่างๆ กัน แต่ความเป็นจริงของหน่วยเหล่านี้ยังไม่ได้รับการยืนยันอย่างแน่ชัด อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อบ่งชี้ว่ารังสีแคโทดมีคุณสมบัติคล้ายคลื่นด้วย[11]
ฟาราเดย์เวเบอร์ เฮล์มโฮลทซ์ คลิฟฟอร์ดและคนอื่นๆ ต่างก็มีมุมมองนี้ และผลงานการทดลองของซีมันโกลด์สไตน์ครุกส์เจเจ ทอมสันและคนอื่นๆ ได้เสริมความแข็งแกร่งให้กับมุมมองนี้เป็นอย่างมาก เวเบอร์ทำนายว่าปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าเกิดจากการมีอยู่ของอะตอมไฟฟ้า ซึ่งอิทธิพลของอะตอมไฟฟ้าที่มีต่อกันนั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่ง ความเร่งสัมพันธ์ และความเร็ว เฮล์มโฮลทซ์และคนอื่นๆ ยังโต้แย้งว่าการมีอยู่ของอะตอมไฟฟ้านั้นสืบเนื่องมาจากกฎอิเล็กโทรไลซิส ของฟาราเดย์ และจอห์นสโตน สโตนีย์ ผู้ได้รับฉายาว่า "อิเล็กตรอน" แสดงให้เห็นว่าไอออนเคมีของอิเล็กโทรไลต์ที่สลายตัวแต่ละไอออนจะมีปริมาณไฟฟ้าที่แน่นอนและคงที่ และเนื่องจากไอออนที่มีประจุเหล่านี้ถูกแยกออกจากกันบนอิเล็กโทรดเป็นสารที่เป็นกลาง จะต้องมีช่วงเวลาหนึ่ง แม้จะสั้นเพียงใดก็ตาม ที่ประจุจะต้องสามารถดำรงอยู่แยกกันเป็นอะตอมไฟฟ้าได้ ในขณะที่ในปี พ.ศ. 2430 คลิฟฟอร์ดเขียนว่า "มีเหตุผลมากมายที่จะเชื่อว่าอะตอมของสสารทุกอะตอมมีกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กอยู่ภายใน หากสสารไม่ได้ประกอบด้วยกระแสไฟฟ้าทั้งหมด" [11]
ในปี 1896 เจ เจ ทอมสันได้ทำการทดลองซึ่งบ่งชี้ว่ารังสีแคโทดเป็นอนุภาคจริงๆ และพบค่าอัตราส่วนประจุต่อมวล e/m ที่แม่นยำ และพบว่า e/m ไม่ขึ้นอยู่กับวัสดุแคโทด เขาประเมินค่าประจุ e และมวล m ได้ดี โดยพบว่าอนุภาคของรังสีแคโทดซึ่งเขาเรียกว่า "คอร์พัสเคิล" อาจมีมวลเพียงหนึ่งในพันของไอออนที่มีมวลน้อยที่สุดที่รู้จัก (ไฮโดรเจน) นอกจากนี้ เขายังแสดงให้เห็นอีกว่าอนุภาคที่มีประจุลบที่เกิดจากวัสดุที่มีกัมมันตภาพรังสี วัสดุที่ได้รับความร้อน และวัสดุที่ได้รับแสง มีอยู่ทั่วไปทอมสันได้ระบุ ลักษณะของ " รังสีแคโทด " ของหลอดครุคส์ในปี 1897 [138] [ จำเป็นต้องใช้แหล่งข้อมูลที่ไม่ใช่แหล่งข้อมูลหลัก ]
ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 การทดลอง Michelson–MorleyดำเนินการโดยAlbert A. MichelsonและEdward W. Morley ที่ มหาวิทยาลัย Case Western Reserveในปัจจุบันโดยทั่วไปแล้วการทดลองนี้ถือเป็นหลักฐานที่หักล้างทฤษฎีของอีเธอร์เรืองแสงการทดลองนี้ยังถูกเรียกว่า "จุดเริ่มต้นของทฤษฎีของการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ครั้งที่สอง" [139] Michelson ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1907 สำหรับงานนี้โดยเฉพาะ Dayton Millerยังคงทำการทดลองต่อไป โดยทำการวัดหลายพันครั้ง และในที่สุดก็พัฒนาอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่มีความแม่นยำที่สุดในโลกในเวลานั้น Miller และคนอื่นๆ เช่น Morley ยังคงสังเกตและทำการทดลองเกี่ยวกับแนวคิดดังกล่าวต่อไป[140] ทฤษฎีการลากอีเธอร์ที่เสนอขึ้นมากมายสามารถอธิบายผลลัพธ์ที่เป็นค่าว่างได้ แต่ทฤษฎีเหล่านี้มีความซับซ้อนมากกว่า และมักจะใช้ค่าสัมประสิทธิ์และสมมติฐานทางกายภาพที่ดูไม่แน่นอน[11]
ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 วิศวกรไฟฟ้าได้กลายเป็นอาชีพที่แยกจากนักฟิสิกส์และนักประดิษฐ์ พวกเขาก่อตั้งบริษัทที่ค้นคว้า พัฒนา และปรับปรุงเทคนิคการส่งไฟฟ้า และได้รับการสนับสนุนจากรัฐบาลทั่วโลกในการเริ่มเครือข่ายโทรคมนาคมไฟฟ้าทั่วโลกเครือข่ายแรก ซึ่งก็คือเครือข่ายโทรเลขผู้บุกเบิกในสาขานี้ ได้แก่แวร์เนอร์ ฟอน ซีเมนส์ผู้ก่อตั้งSiemens AG ในปี 1847 และจอห์น เพนเดอร์ผู้ก่อตั้งCable & Wireless
วิลเลียม สแตนลีย์ได้สาธิตหม้อแปลงไฟฟ้าที่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าสลับเชิงพาณิชย์ได้เป็นครั้งแรกต่อสาธารณะในปี 1886 [141]เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับสองเฟสขนาดใหญ่ถูกสร้างขึ้นโดยช่างไฟฟ้าชาวอังกฤษJEH Gordon [ 142] [ ไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายหลัก ]ในปี 1882 ลอร์ดเคลวินและเซบาสเตียน เฟอร์รานติยังได้พัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแรกๆ ที่ผลิตความถี่ระหว่าง 100 ถึง 300 เฮิรตซ์ หลังจากปี 1891 เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แบบหลายเฟสได้รับการนำมาใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าที่มีเฟสต่างกันหลายเฟส[143]เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบหลังได้รับการออกแบบให้เปลี่ยนความถี่กระแสไฟฟ้าสลับได้ระหว่าง 16 ถึงประมาณ 100 เฮิรตซ์ เพื่อใช้กับไฟอาร์ค ไฟหลอดไส้ และมอเตอร์ไฟฟ้า[144]
ความเป็นไปได้ในการรับกระแสไฟฟ้าในปริมาณมากและประหยัดโดยใช้เครื่องจักรไฟฟ้าไดนาโมเป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนาระบบไฟส่องสว่างแบบไส้หลอดและแบบอาร์ก ก่อนที่เครื่องจักรเหล่านี้จะบรรลุถึงพื้นฐานเชิงพาณิชย์ แบตเตอรี่แบบโวลตาเป็นแหล่งกระแสไฟฟ้าเพียงแหล่งเดียวที่มีอยู่สำหรับการให้แสงสว่างและพลังงานไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ต้นทุนของแบตเตอรี่เหล่านี้และความยากลำบากในการบำรุงรักษาให้ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือทำให้ไม่สามารถนำไปใช้เพื่อจุดประสงค์ในการให้แสงสว่างในทางปฏิบัติได้ วันที่ใช้หลอดอาร์กและหลอดไส้สามารถกำหนดได้ประมาณปี พ.ศ. 2420 [11]
อย่างไรก็ตาม แม้กระทั่งในปี พ.ศ. 2423 ความก้าวหน้าในการใช้งานไฟส่องสว่างดังกล่าวยังคงมีอยู่น้อยมาก การเติบโตอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมนี้ในเวลาต่อมาถือเป็นเรื่องที่ต้องรู้กันทั่วไป[145]การใช้แบตเตอรี่สำรองซึ่งเดิมเรียกว่าแบตเตอรี่สำรองหรือแบตเตอรี่สะสม เริ่มขึ้นในราวปี พ.ศ. 2422 ปัจจุบัน แบตเตอรี่ดังกล่าวถูกนำไปใช้งานในระดับใหญ่เป็นอุปกรณ์เสริมสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้าและสถานีย่อย ในรถยนต์ไฟฟ้า และในจำนวนมากในระบบจุดระเบิดและสตาร์ทรถยนต์ รวมถึงในโทรเลขแจ้งเตือนเหตุไฟไหม้และระบบสัญญาณอื่นๆ[11]
ในงานWorld's Columbian International Exposition ประจำปี 1893 ที่เมืองชิคาโกบริษัท General Electricเสนอให้ใช้พลังงานไฟฟ้ากระแสตรง สำหรับงานแสดงสินค้าทั้งหมด บริษัท Westinghouse ลดราคาเสนอซื้อของ GE เล็กน้อย และใช้งานแสดงสินค้าดังกล่าวในการเปิดตัวระบบที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ โดยแสดงให้เห็นว่าระบบของพวกเขาสามารถจ่ายไฟให้กับ มอเตอร์ หลายเฟสและอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับและไฟฟ้ากระแสตรงอื่นๆ ในงานได้ อย่างไร [146] [147] [148]
การปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 2 หรือที่เรียกอีกอย่างว่าการปฏิวัติเทคโนโลยี เป็นช่วงหนึ่งของการพัฒนาอุตสาหกรรม อย่างรวดเร็ว ในช่วงสามทศวรรษสุดท้ายของศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 ควบคู่ไปกับการขยายตัวของทางรถไฟ การผลิต เหล็กและเหล็กกล้าการใช้เครื่องจักร อย่างแพร่หลาย ในการผลิต การใช้พลังงานไอน้ำและปิโตรเลียม เพิ่มขึ้นอย่างมาก ช่วงเวลาดังกล่าวได้เห็นการขยายตัวของการใช้พลังงานไฟฟ้าและการนำทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้ามาใช้ในการพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ
ใน ช่วงคริสต์ทศวรรษ 1880 ระบบไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ได้แพร่หลายขึ้น โดยในช่วงแรกใช้สำหรับให้แสงสว่าง และในท้ายที่สุดก็ใช้สำหรับพลังงานไฟฟ้าและความร้อน ระบบในช่วงแรกใช้ไฟฟ้ากระแสสลับและไฟฟ้ากระแสตรงการผลิตไฟฟ้าแบบรวมศูนย์ขนาดใหญ่เป็นไปได้เมื่อตระหนักว่าสายส่งไฟฟ้ากระแสสลับสามารถใช้หม้อแปลงไฟฟ้า เพื่อใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าแต่ละครั้งจะทำให้สายส่งไฟฟ้าขนาดเดียวกันสามารถส่งพลังงานได้ในปริมาณเท่ากันในระยะทางสี่เท่า หม้อแปลงไฟฟ้าถูกใช้เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่จุดผลิต (ตัวเลขตัวแทนคือแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในช่วงกิโลโวลต์ต่ำ) เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นมาก (ตั้งแต่หลายหมื่นถึงหลายแสนโวลต์) สำหรับการส่งไฟฟ้าหลัก ตามมาด้วยการแปลงแรงดันไฟฟ้าลงหลายครั้งสำหรับใช้ในเชิงพาณิชย์และที่อยู่อาศัย[11]ระหว่างปี 1885 ถึง 1890 กระแสไฟฟ้าหลายเฟสที่รวมกับ มอเตอร์ เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า และ มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้งานได้จริงได้รับการพัฒนา[149]
นิทรรศการไฟฟ้าเทคนิคนานาชาติประจำปี 1891ซึ่งจัดแสดงการส่งกระแสไฟฟ้ากำลังสูงแบบสามเฟสระยะไกล จัดขึ้นระหว่างวันที่ 16 พฤษภาคมถึง 19 ตุลาคม ณ สถานที่ร้างของ "Westbahnhöfe" (สถานีรถไฟตะวันตก) 3 แห่งเดิมในแฟรงก์เฟิร์ต อัม ไมน์ นิทรรศการดังกล่าวจัดแสดงการส่งกระแสไฟฟ้ากำลังสูงแบบสามเฟสระยะไกลครั้งแรก ซึ่งผลิตขึ้นที่เมืองลาฟเฟน อัม เนคคาร์ ห่างออกไป 175 กม. จากการทดลองภาคสนามที่ประสบความสำเร็จนี้ กระแสไฟฟ้าแบบสามเฟสจึงได้รับการนำไปใช้งานในเครือข่ายส่งไฟฟ้าทั่วโลก[11]
มีการดำเนินการมากมายในทิศทางของการปรับปรุงสิ่งอำนวยความสะดวกของสถานีรถไฟ และเป็นเรื่องยากที่จะหาวิศวกรรถไฟไอน้ำคนใดคนหนึ่งที่ปฏิเสธว่ารถไฟไอน้ำที่สำคัญทั้งหมดของประเทศนี้ไม่ควรทำงานด้วยไฟฟ้า ในด้านอื่น ความคืบหน้าของเหตุการณ์เกี่ยวกับการใช้พลังงานไฟฟ้าคาดว่าจะรวดเร็วพอๆ กัน ในทุกส่วนของโลก พลังงานจากน้ำตก เครื่องจักรที่เคลื่อนที่ตลอดเวลาของธรรมชาติ ซึ่งสูญเปล่าไปตั้งแต่โลกถือกำเนิดขึ้น กำลังถูกแปลงเป็นไฟฟ้าและส่งผ่านสายเป็นระยะทางหลายร้อยไมล์ไปยังจุดที่สามารถใช้งานได้อย่างมีประโยชน์และประหยัด[11] [150]
กังหันลมผลิตไฟฟ้าเครื่องแรกสร้างขึ้นในสกอตแลนด์ ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2430 โดย เจมส์ บลีธวิศวกรไฟฟ้าชาวสกอตแลนด์[151]ในอีกฟากหนึ่งของมหาสมุทรแอตแลนติก ในเมืองคลีฟแลนด์ รัฐโอไฮโอเครื่องจักรที่มีขนาดใหญ่กว่าและมีการออกแบบทางวิศวกรรมอย่างหนักได้รับการออกแบบและสร้างโดยCharles F. Brushใน ปี พ.ศ. 2430-2431 [152] [ ไม่ต้องการแหล่งข้อมูลหลัก ]เครื่องจักรนี้สร้างโดยบริษัทวิศวกรรมของเขาที่บ้านของเขาและใช้งานตั้งแต่ปี พ.ศ. 2429 ถึง พ.ศ. 2443 [153]กังหันลม Brush มีโรเตอร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 56 ฟุต (17 ม.) และติดตั้งบนหอคอยสูง 60 ฟุต (18 ม.) แม้ว่าจะมีขนาดใหญ่ตามมาตรฐานปัจจุบัน แต่เครื่องจักรนี้มีกำลังไฟฟ้าเพียง 12 กิโลวัตต์เท่านั้น หมุนค่อนข้างช้าเนื่องจากมีใบพัด 144 ใบ ไดนาโมที่เชื่อมต่ออยู่ถูกใช้เพื่อชาร์จแบตเตอรี่หรือใช้งานหลอดไฟไส้หลอดสูงสุด 100 หลอดหลอดไฟอาร์กสามหลอด และมอเตอร์ต่างๆ ในห้องปฏิบัติการของ Brush เครื่องจักรดังกล่าวไม่ได้ใช้งานอีกต่อไปหลังจากปี พ.ศ. 2443 เมื่อมีไฟฟ้าจากสถานีกลางคลีฟแลนด์ และถูกทิ้งร้างในปี พ.ศ. 2451 [154]
หน่วยไฟฟ้าและแม่เหล็กต่างๆ ถูกนำมาใช้และตั้งชื่อโดยตัวแทนของสถาบันวิศวกรรมไฟฟ้าทั่วโลก ซึ่งหน่วยและชื่อเหล่านี้ได้รับการยืนยันและรับรองโดยรัฐบาลของสหรัฐอเมริกาและประเทศอื่นๆ ดังนั้น โวลต์ ซึ่งมาจากคำว่า Volta ในภาษาอิตาลี จึงถูกนำมาใช้เป็นหน่วยปฏิบัติของแรงเคลื่อนไฟฟ้า โอห์ม ซึ่งมาจากคำที่เขียนไว้ในกฎของโอห์ม ถูกนำมาใช้เป็นหน่วยปฏิบัติของความต้านทาน แอมแปร์ ซึ่งมาจากชื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสที่มีชื่อเสียงในชื่อเดียวกัน ถูกนำมาใช้เป็นหน่วยปฏิบัติของความแรงของกระแสไฟฟ้า และเฮนรี ถูกนำมาใช้เป็นหน่วยปฏิบัติของความเหนี่ยวนำ ตามชื่อโจเซฟ เฮนรี และเพื่อเป็นการยอมรับผลงานทดลองในช่วงแรกและสำคัญของเขาเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำร่วมกัน[155]
Dewar และJohn Ambrose Flemingทำนายว่าที่ศูนย์สัมบูรณ์โลหะบริสุทธิ์จะกลายเป็นตัวนำแม่เหล็กไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบ (แม้ว่าในภายหลัง Dewar จะเปลี่ยนความคิดเห็นเกี่ยวกับการหายไปของความต้านทาน โดยเชื่อว่าจะมีความต้านทานอยู่เสมอ) Walther Hermann Nernstพัฒนากฎข้อที่สามของเทอร์โมไดนามิกส์และระบุว่าศูนย์สัมบูรณ์นั้นไม่สามารถบรรลุได้Carl von LindeและWilliam Hampson ซึ่งเป็นนักวิจัยเชิงพาณิชย์ทั้งคู่ ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรเกี่ยวกับ ปรากฏการณ์ Joule-Thomsonในเวลาเดียวกันสิทธิบัตรของ Linde ถือเป็นจุดสุดยอดของการสืบสวนข้อเท็จจริงที่ได้รับการยืนยันอย่างเป็นระบบเป็นเวลา 20 ปี โดยใช้แนวทางการไหลทวนกลับแบบฟื้นฟู การออกแบบของ Hampson ยังเป็นแนวทางการฟื้นฟูอีกด้วย กระบวนการผสมผสานนี้เป็นที่รู้จักในชื่อกระบวนการ ทำให้เป็นของเหลวของ Linde -Hampson Heike Kamerlingh Onnesซื้อเครื่องจักรของ Linde สำหรับการวิจัยของเขาZygmunt Florenty Wróblewskiได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำ แม้ว่าการวิจัยของเขาจะสิ้นสุดลงก่อนกำหนดเนื่องจากเขาเสียชีวิตโดยอุบัติเหตุ ประมาณปี ค.ศ. 1864 Karol Olszewskiและ Wroblewski ทำนายปรากฏการณ์ไฟฟ้าที่ระดับความต้านทานลดลงที่อุณหภูมิต่ำมาก Olszewski และ Wroblewski ได้บันทึกหลักฐานเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้ไว้ในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1880 จุดสำคัญเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 10 กรกฎาคม ค.ศ. 1908 เมื่อ Onnes แห่งมหาวิทยาลัย Leidenในเมือง Leiden ผลิต ฮีเลียมเหลวได้เป็นครั้งแรกและบรรลุ คุณสมบัติ การนำ ยิ่งยวด
ในปีพ.ศ. 2443 วิลเลียม ดูบัวส์ ดัดเดลล์ได้พัฒนาSinging Arcและสร้างเสียงเมโลดี้ตั้งแต่เสียงต่ำไปจนถึงเสียงสูงจากโคมไฟโค้งนี้
ระหว่างปี 1900 ถึง 1910 นักวิทยาศาสตร์หลายคน เช่นWilhelm Wien , Max Abraham , Hermann MinkowskiหรือGustav Mieเชื่อว่าแรงทั้งหมดในธรรมชาติมีต้นกำเนิดจากแม่เหล็กไฟฟ้า (ซึ่งเรียกว่า "มุมมองโลกแม่เหล็กไฟฟ้า") ซึ่งเกี่ยวข้องกับทฤษฎีอิเล็กตรอนที่พัฒนาขึ้นระหว่างปี 1892 ถึง 1904 โดยHendrik Lorentz Lorentz ได้แนะนำการแยกอย่างเคร่งครัดระหว่างสสาร (อิเล็กตรอน) และอีเธอร์ โดยในแบบจำลองของเขา อีเธอร์ไม่มีการเคลื่อนไหวเลย และจะไม่เคลื่อนที่ในบริเวณใกล้เคียงกับสสารที่วัดได้ ตรงกันข้ามกับแบบจำลองอิเล็กตรอนอื่นๆ ก่อนหน้านี้ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของอีเธอร์ปรากฏเป็นตัวกลางระหว่างอิเล็กตรอน และการเปลี่ยนแปลงในสนามนี้สามารถแพร่กระจายได้ไม่เร็วกว่าความเร็วแสง
ในปี 1896 สามปีหลังจากส่งวิทยานิพนธ์เกี่ยวกับปรากฏการณ์Kerr Pieter Zeemanไม่เชื่อฟังคำสั่งโดยตรงของหัวหน้างานและใช้เครื่องมือในห้องปฏิบัติการเพื่อวัดการแยกตัวของเส้นสเปกตรัมโดยสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มข้นสูง ลอเรนซ์อธิบายปรากฏการณ์Zeemanในเชิงทฤษฎีโดยอาศัยทฤษฎีของเขา ซึ่งทั้งคู่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1902 แนวคิดพื้นฐานของทฤษฎีของลอเรนซ์ในปี 1895 คือ "ทฤษฎีบทของสถานะที่สอดคล้องกัน" สำหรับเทอมของลำดับ v/c ทฤษฎีบทนี้ระบุว่าผู้สังเกตการณ์ที่เคลื่อนที่ (เทียบกับอีเธอร์) ทำการสังเกตการณ์แบบเดียวกันกับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่เฉยๆ ทฤษฎีบทนี้ได้รับการขยายสำหรับเงื่อนไขของคำสั่งทั้งหมดโดย Lorentz ในปี 1904 Lorentz สังเกตเห็นว่ามีความจำเป็นต้องเปลี่ยนตัวแปรเวลา-อวกาศเมื่อเปลี่ยนเฟรมและแนะนำแนวคิดเช่นการหดตัวของความยาว ทางกายภาพ (1892) เพื่ออธิบายการทดลองของ Michelson–Morley และแนวคิดทางคณิตศาสตร์ของเวลาท้องถิ่น (1895) เพื่ออธิบายความคลาดเคลื่อนของแสงและการทดลอง Fizeauซึ่งส่งผลให้เกิดการกำหนดสูตรการแปลง LorentzโดยJoseph Larmor (1897, 1900) และ Lorentz (1899, 1904) [156] [157] [158]ดังที่ Lorentz สังเกตในภายหลัง (1921, 1928) เขาถือว่าเวลาที่นาฬิกาที่แสดงในอีเธอร์เป็นเวลา "จริง" ในขณะที่เวลาท้องถิ่นถูกมองว่าเป็นสมมติฐานการทำงานตามหลักฮิวริสติกและสิ่งประดิษฐ์ทางคณิตศาสตร์[159] [160]ดังนั้น นักประวัติศาสตร์สมัยใหม่จึงมองว่าทฤษฎีบทของลอเรนทซ์เป็นการเปลี่ยนแปลงทางคณิตศาสตร์จากระบบ "จริง" ที่อยู่ในอีเธอร์ไปเป็นระบบ "สมมติ" ที่กำลังเคลื่อนที่[156] [157] [158]
อองรี ปวงกาเรสานต่อผลงานของลอเรนซ์ระหว่างปี ค.ศ. 1895 ถึง 1905 โดยได้กำหนดหลักการสัมพัทธภาพ ขึ้นหลายครั้ง และพยายามทำให้สอดคล้องกับอิเล็กโทรไดนามิกส์ เขากล่าวว่าความพร้อมกันเป็นเพียงข้อตกลงที่สะดวกซึ่งขึ้นอยู่กับความเร็วของแสง โดยที่ความคงที่ของความเร็วแสงจะเป็นหลักการ ที่มีประโยชน์ ในการทำให้กฎของธรรมชาติเรียบง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในปี ค.ศ. 1900 เขาตีความเวลาท้องถิ่นของลอเรนซ์ว่าเป็นผลลัพธ์ของการซิงโครไนซ์นาฬิกาด้วยสัญญาณแสง และแนะนำโมเมนตัมแม่เหล็กไฟฟ้าโดยเปรียบเทียบพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ากับสิ่งที่เขาเรียกว่า "ของไหลสมมติ" ของมวลและสุดท้ายในเดือนมิถุนายนและกรกฎาคม ค.ศ. 1905 เขาได้ประกาศหลักการสัมพัทธภาพเป็นกฎทั่วไปของธรรมชาติ รวมถึงแรงโน้มถ่วง เขาแก้ไขข้อผิดพลาดบางประการของลอเรนซ์และพิสูจน์ความแปรปรวนร่วมของลอเรนซ์ของสมการแม่เหล็กไฟฟ้า ปวงกาเรยังแนะนำว่ามีแรงที่ไม่ใช่ไฟฟ้าอยู่เพื่อทำให้โครงสร้างอิเล็กตรอนเสถียร และยืนยันว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ไม่ใช่ไฟฟ้าเช่นกัน ซึ่งขัดแย้งกับมุมมองโลกแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม นักประวัติศาสตร์ชี้ให้เห็นว่าเขายังคงใช้แนวคิดของอีเธอร์และแยกแยะระหว่างเวลา "ที่ปรากฎ" กับ "เวลาจริง" ดังนั้นเขาจึงไม่ได้ประดิษฐ์ทฤษฎีสัมพันธภาพพิเศษขึ้นในความเข้าใจสมัยใหม่[158] [161] [162] [163] [164] [165]
ในปี 1905 ขณะที่เขาทำงานในสำนักงานสิทธิบัตรอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์บทความ 4 บทความในAnnalen der Physikซึ่งเป็นวารสารฟิสิกส์ชั้นนำของเยอรมนี บทความเหล่านี้คือบทความที่ประวัติศาสตร์เรียกกันว่าAnnus Mirabilis papers :
ปัจจุบันเอกสารทั้งสี่ฉบับได้รับการยอมรับว่าเป็นผลงานที่ยิ่งใหญ่ และด้วยเหตุนี้ ปี 1905 จึงได้รับการขนานนามว่าเป็น " ปีมหัศจรรย์ " ของไอน์สไตน์ อย่างไรก็ตาม ในเวลานั้น นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ไม่ได้ให้ความสำคัญกับเอกสารเหล่านี้ และผู้ที่สังเกตเห็นเอกสารเหล่านี้หลายคนก็ปฏิเสธเอกสารเหล่านี้โดยสิ้นเชิง ผลงานบางส่วน เช่น ทฤษฎีควอนตัมแสง ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันมาหลายปี[166] [167]
การกำหนดสูตรครั้งแรกของทฤษฎีควอนตัมที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีและสสารนั้นเกิดจากพอล ดิแรก ซึ่งในช่วงปี 1920 เขาสามารถคำนวณค่าสัมประสิทธิ์ของการแผ่รังสีโดยธรรมชาติของอะตอม ได้ เป็น คนแรก [168] พอล ดิแรกได้อธิบายการควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าว่าเป็นชุดของออสซิลเลเตอร์ฮาร์มอนิกด้วยการแนะนำแนวคิดของตัวดำเนินการสร้างและทำลายล้างของอนุภาค ในปีต่อๆ มา ด้วยความช่วยเหลือจากวูล์ฟกัง เปาลียูจีน วิกเนอร์ ปาสกาลจอร์แดนแวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์กและการกำหนดสูตรอิเล็กโทรไดนามิกควอนตัมอันวิจิตรบรรจงที่เกิดจากเอนรีโก แฟร์มี [ 169]นักฟิสิกส์เชื่อว่าโดยหลักการแล้ว เป็นไปได้ที่จะทำการคำนวณใดๆ สำหรับกระบวนการทางกายภาพใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับโฟตอนและอนุภาคมีประจุ อย่างไรก็ตาม การศึกษาเพิ่มเติมโดยเฟลิกซ์ บลอคกับอาร์โนลด์ นอร์ดซีค [ 170]และวิกเตอร์ ไวส์คอปฟ์ [ 171] ในปี 1937 และ 1939 เผยให้เห็นว่าการคำนวณดังกล่าวมีความน่าเชื่อถือเฉพาะในทฤษฎีการรบกวน ลำดับที่หนึ่งเท่านั้น ซึ่งเป็นปัญหาที่โรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์ได้ ชี้ให้เห็นแล้ว [172]ในลำดับที่สูงกว่าในอนุกรมอนันต์เกิดขึ้น ทำให้การคำนวณดังกล่าวไม่มีความหมายและทำให้เกิดข้อสงสัยอย่างจริงจังเกี่ยวกับความสอดคล้องภายในของทฤษฎีนั้นเอง เนื่องจากไม่มีวิธีแก้ไขปัญหาสำหรับปัญหานี้ในขณะนั้น ดูเหมือนว่ามีความไม่เข้ากันพื้นฐานระหว่างทฤษฎีสัมพันธภาพพิเศษและกลศาสตร์ควอนตัม
ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2481 นักเคมีชาวเยอรมันอ็อตโต ฮาห์นและฟริตซ์ สตราสมัน น์ ส่งต้นฉบับไปยังNaturwissenschaftenโดยรายงานว่าพวกเขาตรวจพบธาตุแบเรียมหลังจากยิงนิวตรอนใส่ยูเรเนียม[173]พร้อมกันนั้น พวกเขาก็ได้แจ้งผลดังกล่าวให้ลิเซ่ ไมต์เนอร์ ทราบ ไมต์เนอร์และอ็อตโต โรเบิร์ต ฟริช หลานชายของเธอ ตีความผลดังกล่าวได้อย่างถูกต้องว่าเป็น ปฏิกิริยา นิวเคลียร์ ฟิ ช ชัน [174]ฟริชได้ยืนยันผลดังกล่าวด้วยการทดลองเมื่อวันที่ 13 มกราคม พ.ศ. 2482 [175]ในปี พ.ศ. 2487 ฮาห์นได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีจากการค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน นักประวัติศาสตร์บางคนที่บันทึกประวัติศาสตร์การค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันเชื่อว่าไมต์เนอร์ควรได้รับรางวัลโนเบลร่วมกับฮาห์น[176] [177] [178]
ความยากลำบากกับทฤษฎีควอนตัมเพิ่มมากขึ้นจนถึงสิ้นปี 1940 การพัฒนา เทคโนโลยี ไมโครเวฟทำให้สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงระดับของอะตอมไฮโดรเจน ได้แม่นยำยิ่งขึ้น [179]ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าการเลื่อนแลมบ์และโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน[180]การทดลองเหล่านี้เปิดเผยความแตกต่างอย่างชัดเจนซึ่งทฤษฎีไม่สามารถอธิบายได้ ด้วยการประดิษฐ์ห้องฟองและห้องประกายไฟในทศวรรษ 1950 ฟิสิกส์อนุภาค ทดลอง ค้นพบอนุภาคจำนวนมากและเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ที่เรียกว่าแฮดรอนดูเหมือนว่าอนุภาคจำนวนมากเช่นนี้จะไม่สามารถเป็นพื้นฐาน ได้ ทั้งหมด
ไม่นานหลังจากสงครามสิ้นสุดลงในปี 1945 ห้องปฏิบัติการเบลล์ได้จัดตั้งกลุ่มฟิสิกส์สถานะของแข็งขึ้น โดยมีวิลเลียม ช็อคลีย์และสแตนลีย์ มอร์แกน นักเคมีเป็นผู้นำ บุคลากรคนอื่นๆ ได้แก่จอห์น บาร์ดีนและวอลเตอร์ แบรตเทนนักฟิสิกส์ เจอรัลด์ เพียร์สัน นักเคมี โรเบิร์ต กิบนีย์ ผู้เชี่ยวชาญด้านอิเล็กทรอนิกส์ ฮิลเบิร์ต มัวร์ และช่างเทคนิคอีกหลายคน งานของพวกเขาคือค้นหาทางเลือกของสถานะของแข็งแทน เครื่องขยาย เสียงหลอดสุญญากาศ แก้วที่เปราะบาง ความพยายามครั้งแรกของพวกเขาขึ้นอยู่กับแนวคิดของช็อคลีย์เกี่ยวกับการใช้สนามไฟฟ้าภายนอกกับเซมิคอนดักเตอร์เพื่อส่งผลต่อสภาพการนำไฟฟ้า การทดลองเหล่านี้ล้มเหลวทุกครั้งในการกำหนดค่าและวัสดุทุกประเภท กลุ่มนี้หยุดชะงักจนกระทั่งบาร์ดีนเสนอทฤษฎีที่อ้างถึงสถานะพื้นผิวที่ป้องกันไม่ให้สนามไฟฟ้าทะลุผ่านเซมิคอนดักเตอร์ กลุ่มจึงเปลี่ยนจุดเน้นไปที่การศึกษาสถานะพื้นผิวเหล่านี้ และพวกเขาพบกันเกือบทุกวันเพื่อหารือเกี่ยวกับงานนี้ ความสัมพันธ์ของกลุ่มเป็นไปด้วยดี และมีการแลกเปลี่ยนความคิดเห็นกันอย่างเสรี[181]
ในส่วนของปัญหาในการทดลองอิเล็กตรอนฮันส์ เบเธ ได้เสนอแนวทางในการแก้ปัญหา ในปี 1947 ขณะที่เขากำลังเดินทางด้วยรถไฟเพื่อไปสเกเนกทาดีจากนิวยอร์ก[182]หลังจากบรรยายในการประชุมที่เชลเตอร์ไอแลนด์เกี่ยวกับเรื่องนี้ เบเธได้ทำการคำนวณแบบไม่สัมพันธ์กับทฤษฎีสัมพันธภาพครั้งแรกของการเลื่อนของเส้นอะตอมไฮโดรเจนตามที่วัดโดยแลมบ์และเรเธอร์ฟอร์ด[183] แม้จะมีข้อจำกัดในการคำนวณ แต่ก็มีความสอดคล้องกันเป็นอย่างดี แนวคิดก็คือการแนบอินฟินิตี้เข้ากับการแก้ไขที่มวลและประจุที่ถูกกำหนดให้เป็นค่าจำกัดโดยการทดลอง ด้วยวิธีนี้ อินฟินิตี้จะถูกดูดซับในค่าคงที่เหล่านั้นและให้ผลลัพธ์จำกัดที่สอดคล้องกับการทดลอง กระบวนการนี้เรียกว่า การปรับ มาตรฐาน ใหม่
อิงตามสัญชาตญาณของ Bethe และเอกสารพื้นฐานเกี่ยวกับหัวข้อนี้โดยShin'ichirō Tomonaga , [184] Julian Schwinger , [185] [186] Richard Feynman [187] [188] [189]และFreeman Dyson , [190] [191]ในที่สุดก็สามารถหา สูตร โคเวอร์เรียนต์ที่สมบูรณ์ซึ่งมีจำกัดในลำดับใดก็ได้ในซีรีส์การรบกวนของอิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัม Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger และ Richard Feynman ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ร่วมกัน ในปี 1965 สำหรับผลงานของพวกเขาในสาขานี้[192]ผลงานของพวกเขาและFreeman Dysonเกี่ยวกับ สูตร โคเวอร์เรียนต์และไม่แปรเปลี่ยนเกจของอิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัมที่ช่วยให้สามารถคำนวณค่าที่สังเกตได้ในทุกลำดับของทฤษฎีการรบกวน เทคนิคทางคณิตศาสตร์ของ Feynman ซึ่งใช้ไดอะแกรม ของเขาเป็น พื้นฐาน ดูเหมือนจะแตกต่างอย่างมากจากแนวทางเชิงทฤษฎีสนามและตัวดำเนินการของ Schwinger และ Tomonaga แต่ ในภายหลัง Freeman Dysonได้แสดงให้เห็นว่าทั้งสองแนวทางนั้นเทียบเท่ากัน[190] การปรับมาตรฐานใหม่ ซึ่งเป็นความจำเป็นในการให้ความหมายทางกายภาพที่ความแตกต่างบางอย่างที่ปรากฏในทฤษฎีผ่านอินทิกรัลได้กลายเป็นหนึ่งในแง่มุมพื้นฐานของทฤษฎีสนามควอนตัม ในเวลาต่อมา และได้รับการมองว่าเป็นเกณฑ์สำหรับการยอมรับโดยทั่วไปของทฤษฎี แม้ว่าการปรับมาตรฐานใหม่จะได้ผลดีมากในทางปฏิบัติ แต่ Feynman ก็ไม่เคยสบายใจนักกับความถูกต้องทางคณิตศาสตร์ของมัน แม้กระทั่งเรียกการปรับมาตรฐานใหม่ว่าเป็น "เกมเปลือกหอย" และ "กลอุบาย" [193] QED ทำหน้าที่เป็นแบบจำลองและเทมเพลตสำหรับทฤษฎีสนามควอนตัมที่ตามมาทั้งหมดPeter Higgs , Jeffrey Goldstoneและคนอื่นๆ รวมถึง Sheldon Glashow , Steven WeinbergและAbdus Salamแสดงให้เห็นอย่างเป็นอิสระว่าแรงนิวเคลียร์อ่อนและอิเล็กโทรไดนามิกส์ควอนตัมสามารถผสานเข้าเป็นแรงไฟฟ้าอ่อน เพียงหนึ่งเดียวได้ อย่างไร
Robert Noyceยกย่องKurt Lehovecสำหรับหลักการแยก p-n junctionที่เกิดจากการกระทำของ pn junction ที่มีอคติ (ไดโอด) เป็นแนวคิดสำคัญเบื้องหลังวงจรรวม [ 194] Jack Kilbyบันทึกแนวคิดเริ่มต้นของเขาเกี่ยวกับวงจรรวมในเดือนกรกฎาคม 1958 และประสบความสำเร็จในการสาธิตวงจรรวมที่ใช้งานได้ครั้งแรกในวันที่ 12 กันยายน 1958 [195]ในใบสมัครสิทธิบัตรของเขาเมื่อวันที่ 6 กุมภาพันธ์ 1959 Kilby อธิบายอุปกรณ์ใหม่ของเขาว่าเป็น "ตัวที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ... โดยที่ส่วนประกอบทั้งหมดของวงจรอิเล็กทรอนิกส์นั้นรวมเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์" [196] Kilby ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2000 สำหรับส่วนหนึ่งของการประดิษฐ์วงจรรวม[197] Robert Noyce ยังเสนอแนวคิดของเขาเองเกี่ยวกับวงจรรวมช้ากว่า Kilby ครึ่งปี ชิปของ Noyce ช่วยแก้ปัญหาในทางปฏิบัติหลายประการที่ Kilby แก้ไม่ได้ ชิปของ Noyce ซึ่งผลิตโดยFairchild Semiconductorทำจากซิลิกอน ในขณะที่ชิปของ Kilby ทำมาจากเจอร์เมเนียม
ฟิโล ฟาร์นส์เวิร์ธได้พัฒนา เครื่องฟิ วเซอร์ฟาร์นส์เวิร์ธ–ฮิร์ชหรือเรียกสั้นๆ ว่าฟิวเซอร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ฟาร์นส์เวิร์ธออกแบบขึ้นเพื่อสร้างฟิวชันนิวเคลียร์ ซึ่งแตกต่างจากระบบฟิวชันที่ควบคุมส่วนใหญ่ ซึ่งให้ความร้อน พลาสม่าที่ถูกจำกัดด้วยแม่เหล็ก อย่างช้าๆ ฟิวเซอร์จะฉีด ไอออนอุณหภูมิสูงเข้าไปในห้องปฏิกิริยาโดยตรง จึงหลีกเลี่ยงความซับซ้อนได้มาก เมื่อเครื่องฟิวเซอร์ฟาร์นส์เวิร์ธ–ฮิร์ชได้รับการแนะนำสู่โลกแห่งการวิจัยฟิวชันเป็นครั้งแรกในช่วงปลายทศวรรษปี 1960 ฟิวเซอร์เป็นอุปกรณ์เครื่องแรกที่สามารถแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าสามารถผลิตปฏิกิริยาฟิวชันได้ ในเวลานั้น ความหวังสูงว่าจะสามารถพัฒนาให้เป็นแหล่งพลังงานที่ใช้งานได้จริงได้อย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับการทดลองฟิวชันอื่นๆ การพัฒนาให้เป็นแหล่งพลังงานนั้นพิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องยาก อย่างไรก็ตาม ฟิวเซอร์ได้กลายเป็นแหล่งนิวตรอนที่ใช้งานได้จริงและมีการผลิตในเชิงพาณิชย์เพื่อทำหน้าที่นี้[198]
ภาพสะท้อนในกระจกของแม่เหล็กไฟฟ้าจะสร้างสนามที่มีขั้วตรงข้าม ดังนั้นขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กจึงมีความสมมาตรแบบเดียวกันกับขั้วซ้ายและขวา ก่อนปี 1956 เชื่อกันว่าความสมมาตรนี้สมบูรณ์แบบ และช่างเทคนิคจะไม่สามารถแยกแยะขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กได้ ยกเว้นจะอ้างอิงกับขั้วซ้ายและขวา ในปีนั้น TD Lee และ CN Yang ทำนายการไม่คงตัวของความสมดุลในปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ ซึ่งทำให้ฟิสิกส์หลายคนประหลาดใจ ในปี 1957 CS Wu และเพื่อนร่วมงานที่สำนักงานมาตรฐานแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาได้แสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสมสำหรับการเกิดโพลาไรเซชันของนิวเคลียสการสลายตัวของเบตาของโคบอลต์-60จะปลดปล่อยอิเล็กตรอนไปทางขั้วใต้ของสนามแม่เหล็กภายนอก และปล่อยรังสีแกมมาจำนวนมากกว่าเล็กน้อยไปทางขั้วเหนือ เป็นผลให้อุปกรณ์ทดลองไม่ทำงานได้เทียบเท่ากับภาพสะท้อนในกระจก[199] [200] [201]
ขั้นตอนแรกสู่แบบจำลองมาตรฐานคือ การค้นพบของ Sheldon Glashowในปี 1960 เกี่ยวกับวิธีการรวมปฏิสัมพันธ์แม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ [ 202 ] ในปี 1967 Steven Weinberg [203]และAbdus Salam [204]ได้รวมกลไกฮิกส์[205] [206] [207] เข้ากับ ทฤษฎีไฟฟ้าอ่อนของ Glashow ทำให้มีรูปแบบที่ทันสมัย เชื่อกันว่ากลไกฮิกส์ก่อให้เกิดมวลของอนุภาคพื้นฐานทั้งหมดในแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งรวมถึงมวลของบอซอน W และ Zและมวลของเฟอร์มิออน นั่น คือควาร์กและเลปตอนหลังจากกระแสไฟฟ้าอ่อนที่เป็นกลางที่เกิดจาก
ซี
การแลกเปลี่ยนโบซอนถูกค้นพบที่CERNในปี 1973 [208] [209] [210] [211]ทฤษฎีอิเล็กโทรวีคได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางและ Glashow, Salam และ Weinberg ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันใน ปี 1979 สำหรับการค้นพบนี้ โบซอน W และ Z ถูกค้นพบในเชิงทดลองในปี 1981 และพบว่ามวลของพวกมันเป็นไปตามที่แบบจำลองมาตรฐานทำนายไว้ ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งซึ่งหลายคนมีส่วนสนับสนุน ได้รับรูปแบบที่ทันสมัยในราวปี 1973–74 เมื่อการทดลองยืนยันว่าแฮดรอนประกอบด้วยควาร์กที่มีประจุเศษส่วน ด้วยการก่อตั้งโครโมไดนามิกส์ควอนตัมในปี 1970 ทำให้ชุดของอนุภาคพื้นฐานและการแลกเปลี่ยนเสร็จสมบูรณ์ ซึ่งทำให้สามารถสร้าง " แบบจำลองมาตรฐาน " ขึ้นตามคณิตศาสตร์ของความคงตัวของมาตรวัดได้สำเร็จ ซึ่งอธิบายแรงทั้งหมดได้สำเร็จ ยกเว้นแรงโน้มถ่วง และยังคงได้รับการยอมรับโดยทั่วไปภายในโดเมนที่ออกแบบมาเพื่อใช้
'แบบจำลองมาตรฐาน' จัดกลุ่ม ทฤษฎี ปฏิสัมพันธ์ไฟฟ้าอ่อนและโครโมไดนามิกควอนตัมเป็นโครงสร้างที่แสดงด้วยกลุ่มเกจSU(3)×SU(2)×U(1)การกำหนดสูตรการรวมกันของปฏิสัมพันธ์แม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิสัมพันธ์อ่อนในแบบจำลองมาตรฐานนั้นเกิดจากAbdus Salam , Steven Weinbergและต่อมาคือSheldon Glashowหลังจากการค้นพบที่CERNเกี่ยวกับการมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าอ่อนที่เป็นกลาง[212] [213] [ 214] [215]ที่ถูกควบคุมโดย
ซี
จากการคาดการณ์ โบซอนในแบบจำลองมาตรฐาน นักฟิสิกส์อย่างซาลาม กลาโชว์ และไวน์เบิร์กได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี พ.ศ. 2522 จากทฤษฎีอิเล็กโทรวีคของพวกเขา[216]ตั้งแต่นั้นมา การค้นพบควาร์กด้านล่าง (พ.ศ. 2520) ควาร์กด้านบน (พ.ศ. 2538) นิวตริโนเทา (พ.ศ. 2543) และโบซอนฮิกส์ (พ.ศ. 2555) ทำให้แบบจำลองมาตรฐานมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น
มี เทคโนโลยีพลังงานใหม่ๆมากมายในปี 2550 ตัวเก็บประจุไฟฟ้าแบบสองชั้นขนาดไมโครเมตรโซลิดสเตตที่ใช้ตัวนำซุปเปอร์อิออนขั้นสูงนั้นถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แรงดันต่ำ เช่น นาโนอิเล็กทรอนิกส์แรงดันต่ำระดับลึกและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง (โหนดเทคโนโลยี 22 นาโนเมตรของ CMOS และอื่นๆ) นอกจากนี้ ทีมงานที่นำโดยดร. ยี่ ชุย ยังคิดค้น แบตเตอรี่นาโนไวร์ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในปี 2550
พอล เลาเทอร์เบอร์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ที่เมืองเออร์แบนา-แชมเปญและเซอร์ ปีเตอร์ แมนส์ฟิลด์จากมหาวิทยาลัยนอตติงแฮมได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ประจำปี 2003 จาก "การค้นพบเกี่ยวกับการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า" ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความสำคัญพื้นฐานและความสามารถในการนำไปใช้ของการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า [217] ใน ทางการ แพทย์ รางวัลโนเบลนี้เป็นการยกย่องความเข้าใจอย่างลึกซึ้งของเลาเทอร์เบอร์ในการใช้การไล่ระดับสนามแม่เหล็กเพื่อกำหนดตำแหน่งเชิงพื้นที่ซึ่งเป็นการค้นพบที่ทำให้ได้ภาพ 2 มิติอย่างรวดเร็ว
ไฟฟ้าไร้สายเป็นรูปแบบหนึ่งของการถ่ายโอนพลังงานไร้สาย [ 218 ]ความสามารถในการให้พลังงานไฟฟ้าแก่วัตถุที่อยู่ห่างไกลโดยไม่ต้องใช้สาย คำว่าWiTricityถูกคิดขึ้นในปี 2005 โดย Dave Gerding และต่อมาใช้สำหรับโครงการที่นำโดยศาสตราจารย์Marin Soljačićในปี 2007 [219] [220]นักวิจัย MIT ได้สาธิตความสามารถในการจ่ายไฟให้หลอดไฟ 60 วัตต์แบบไร้สายได้สำเร็จ โดยใช้ขดลวดทองแดง 5 รอบ 2 เส้น ที่มี เส้นผ่านศูนย์กลาง 60 ซม. (24 นิ้ว) ห่างออกไป 2 ม. (7 ฟุต) โดยมีประสิทธิภาพประมาณ 45% [221] เทคโนโลยีนี้สามารถใช้ในงานต่างๆ ได้มากมาย รวมถึงสินค้าอุปโภคบริโภค อุตสาหกรรม การแพทย์ และการทหาร โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อลดการพึ่งพาแบตเตอรี่ การใช้งานเพิ่มเติมสำหรับเทคโนโลยีนี้รวมถึงการส่งข้อมูลซึ่งจะไม่รบกวนคลื่นวิทยุจึงสามารถใช้เป็นอุปกรณ์สื่อสารราคาถูกและมีประสิทธิภาพได้โดยไม่ต้องมีใบอนุญาตหรือใบอนุญาตจากรัฐบาล
ทฤษฎีรวมอันยิ่งใหญ่ (GUT) เป็นแบบจำลองในฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งเมื่อมีพลังงานสูง แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะรวมเข้ากับปฏิสัมพันธ์เกจ อีกสองแบบ ของแบบจำลองมาตรฐานซึ่งก็คือ แรงนิวเคลียร์ อ่อนและ แรงนิวเคลียร์ แรงมีผู้เสนอทฤษฎีนี้หลายราย แต่ไม่มีทฤษฎีใดได้รับการสนับสนุนโดยตรงจากหลักฐานการทดลอง ทฤษฎีรวมอันยิ่งใหญ่มักถูกมองว่าเป็นขั้นตอนกลางสู่ " ทฤษฎีของทุกสิ่ง " (TOE) ซึ่งเป็นทฤษฎีของฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่อธิบายและเชื่อมโยงปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่รู้จักทั้งหมดเข้าด้วยกันได้อย่างครบถ้วน และในอุดมคติ ทฤษฎีดังกล่าวมีพลังในการทำนายผลลัพธ์ของการทดลองใดๆ ที่สามารถดำเนินการได้ตามหลักการ ยังไม่มีทฤษฎีดังกล่าวที่ได้รับการยอมรับจากชุมชนฟิสิกส์
โมโนโพลแม่เหล็ก[222]ใน ทฤษฎี ควอนตัมของประจุแม่เหล็กเริ่มต้นด้วยบทความของนักฟิสิกส์ Paul AM Diracในปี 1931 [223]การตรวจจับโมโนโพลแม่เหล็กเป็นปัญหาที่ยังไม่มีคำตอบในฟิสิกส์เชิงทดลอง ในแบบจำลอง เชิงทฤษฎีบางแบบ โมโนโพลแม่เหล็กนั้นไม่น่าจะสังเกตได้ เนื่องจากมีมวลมากเกินกว่าที่จะสร้างได้ในเครื่องเร่งอนุภาคและยังหายากเกินไปในจักรวาลที่จะเข้าไปในเครื่องตรวจจับอนุภาคด้วยความน่าจะเป็นสูง
หลังจากการวิจัยอย่างเข้มข้นเป็นเวลานานกว่ายี่สิบปี ต้นกำเนิดของสภาพนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงยังคงไม่ชัดเจน แต่ดูเหมือนว่าแทนที่จะใช้กลไกการดึงดูดอิเล็กตรอน-โฟนอนเช่นเดียวกับในสภาพนำยิ่งยวดแบบธรรมดา เรากลับใช้กลไกอิเล็กทรอนิกส์ ที่แท้จริง (เช่น โดยความสัมพันธ์แบบแอนตี้เฟอร์โรแมกเนติก ) และแทนที่จะใช้การจับ คู่ คลื่น Sการจับคู่คลื่น Dก็มีความสำคัญ[224] [225]เป้าหมายประการหนึ่งของการวิจัยทั้งหมดนี้คือ สภาพนำยิ่งยวด ที่อุณหภูมิห้อง[226]