مخترع برق كيست؟

(این پرسش اندکی مسامحه آمیز مطرح شده است ، زیرا برق در طبیعت وجود دارد و قابل «اختراع» نیست.)

طبق گواهی تاریخ ، اولین کسانی که وجود الکتریسیته را در اجسام درک کردند و از آن سخن گفتند دانشمندان یونان باستان بوده اند. اقلیدس متوجه شد که اگر کهربا را با پارچه مالش دهند می تواند چیزهای سبکی مانند کاه را به خود جذب کند .

تا قرن هیجدهم میلادی شناخت بشر از این نیروی طبیعی تقریبا" در همین حد بود . در اواخر این قرن ( در سال 1799 ) دانشمندی ایتالیایی به نام الکساندر ولتا پیل الکتریکی ( باطری ) را اختراع کرد و بدین ترتیب برای نخستین بار الکتریسیته جاری تولید گردید و عصر برق در جهان آغاز شد .

قبل از ولتا یک دانشمند ایتالیایی به نام لوییچی گالوانی مشاهداتی روی قورباغه مرده کرده بود.در هنگام صاعقه او یک قورباغه بی پوست را از نرده خانه اش به وسیله یک قلاب مسی آویزان کرد. مشاهده شد که بدن جانور با هر صاعقه می لرزد. حتی وقتی که هوا طوفانی نبود حرکاتی در بدن حیوان دیده می شد.گالوانی به این نتیجه رسید که الکتریسیته در بدن قورباغه تولید شده است.

ولتا از آزمایشهای روی قورباغه آگاه شد. ولی عقیده داشت که گالوانی در اینکه فکر می کند انقباضات قورباغه مربوط به خود قورباغه است در اشتباه است. او فکر کرد که انقباضات به علت تماس قلاب مسی با آهن نرده می باشد. او عقیده داشت که الکتریسیته در اثر تماس دو فلز تولید شده است.

ولتا برای اثبات نظر خود به آزمایش پرداخت. او روی میزی یک دیسک مسی و روی آن پارچه ای خیس خورده در آب و اسید سولفوریک و روی آن یک دیسک ساخته شده از روی و روی آنها مس  و روی مس پارچه قرار داد تا یک پیل ساخته شد. به دیسک مسی پائینی و به روی بالایی سیمی وصل نمود.او سر سیم ها را به هم وصل کرد وقتی به آرامی آنها را جدا می کرد جرقۀ الکتریکی زده می شد. تئوری او درست از کار درآمد.

اینگونه بود که باطری الکتریکی،پیل ولتا، باطری خشک به وجود آمد.ولتا دریافت که پارچه بزودی خشک می شود و جریان برق قطع می گردد.پس چند لیوان گرد هم گذاشت و در داخل هر یک آب و اسید ریخت و یک ورقه مس و یک ورقه روی، در آنها قرار داد.هر ورقۀ روی را به ورقۀ  لیوان بعد وصل نمود و ورقه مسی لیوان اول آزاد بود و قطب مثبت باطری را تشکیل می داد و ورقۀ روی لیوان آخر قطب منفی باطری بود.
ولتاچگونگی تولید جریان برق در داخل سیم را به مردم نشاند داد.آنها مشغول تکمیل باطری ولتا شدند و امروزه باطری لکلانشه،گرو،بونسن،دانیل و غیره در دسترس است.

از ابتدای قرن نوزدهم از باطری به میزان وسیعی در آزمایشگاه ها و انجمن های علمی و نیز برای بعضی مصارف ( مانند فانوس های دریایی ) استفاده می شد . دومین گام بلند علمی برای تسخیر انرژی برق در سال 1831 و توسط مایکل فارادی – دانشمند انگلیسی – برداشته شد . در این سال فارادی توانست با ساختن نخستین دینام ساده و آزمایشگاهی ، با استفاده از میدان مغناطیسی ، الکتریسیته تولید کند . این امر راه را برای ساختن ژنراتورهای بزرگ هموار کرد . تکامل مولد های برق سالها به طول انجامید و سرانجام در سال 1867 نخستین ژنراتور واقعی و کارآمد توسط زیمنس (دانشمند و صنعتگر آلمانی) ساخته و به بازار عرضه شد. ادیسون ( 1931-1848 ) مخترع آمریکایی ، زمانی متولد شد که حدود نیم قرن از اختراع «پیل الکتریکی» می گذشت و مهندسان کشورهای اروپایی در حال تکمیل ساختمان ژنراتورهای برق بودند. از آنجا که روشنایی همواره یکی از مهمترین خواسته ها و نیازهای بشر بوده است با اختراع باطری ، دانشمندان زیادی به فکر استفاده از برق برای ایجاد روشنایی افتادند . همفری دیوی- دانشمند انگلیسی – نخستین کسی بود که توانست در سال 1813 اولین چراغ برق را ، با استفاده از دو میله زغالی که بین آنها جریان برق می گذشت ، اختراع کند . سالها از این چراغ برای روشنایی خیابانها و میادین برخی کشورهای اروپایی و نیز برای فانوس های دریایی استفاده می شد . این نوع لامپ مصرف بالایی داشت و چندان مقرون به صرفه نبود . توماس ادیسون در 21 اکتبر 1879 موفق به اختراع لامپ خلاء رشته ای ( لامپ های معمولی ) گردید . این لامپ نسبتا" ارزان و با دوام بود و به سرعت در تمام آمریکا و اروپا و سپس دیگر مناطق جهان مورد استفاده قرار گرفت . ادیسون در طول عمر خود بیش از 1200 اختراع به ثبت رسانید که مهمترین و مشهورترین آنها اختراع « لامپ برق » می باشد .

تاریخچه اختراع لامپ

در جواب به این پرسش که «چه کسی لامپ رشته‌ای را اختراع کرد؟» رابرت فریدل و پاول اسرائیل به عنوان مورخ ۲۲ مخترع پیش از سوان و ادیسون را نام می‌برند. ایشان بیان کردند که اختراع ادیسون توانست به خاطر چند ویژگی از بقیه پیشی بگیرد: مواد بکار گرفته شده مناسب‌تر، ایجاد خلأیی مناسب‌تر نسبت به دیگران و تولید لامپی با مقاومت بیشتر که باعث می‌شد توزیع نیرو از منبع انرژی مرکزی مقرون به صرفه باشد. مورخ دیگری به نام توماس هوگس، موفقیت ادیسون را ناشی از تولید یک منبع نوری ابتدائی ولی جمع و جور می‌داند. «لامپ قطعه‌ای کوچک از سیستم نوردهی الکتریکی بود و حیاتی‌تر از ژنراتور غول‌آسای شاهکار ادیسون و خط تغذیه او و سامانه توزیع موازی او نبود. در حالی که بقیه مخترعان با لامپ‌ها و ژنراتورهایی که دارای نبوغ و شگرفی مشابه خیلی وقت پیش فراموش شدند چون سازندگان آنها را در یک سیستم جامع روشنایی ارائه نکرده بودند.»

تحقیقات نیمه‌تجاری ابتدائی‌تر: در ۱۸۰۲ هومفری دیوی پرقدرت‌ترین باتری دنیا را در موسسه سلطنتی انگلستان در اختیار داشت، در همان سال او توسط رشته‌ای از پلاتینیوم - که به دلیل دمای ذوب بسیار بالایش انتخاب شده بود - اولین لامپ رشته‌ای را اختراع کرد. آن لامپ به اندازه کافی روشن نبود و حتی آنقدر دوام نمی‌آورد که کاربردی داشته باشد اما سنت ۷۵ ساله‌ای بود که پیش زمینه موفقیت‌های محققان تا زمان تولید اولین لامپ کاربردی توسط توماس ادیسون در ۱۸۷۹ بود. در ۱۸۰۹ دیوی اولین لامپ قوس الکتریکی را ساخت که اتصال الکتریکی کوچک اما کور کننده‌ای بین دو زغال چوب بود که به یک باتری شامل ۲۰۰۰ پیل متصل شده بود. پس از نشان دادن این اختراع به موسسه سلطنتی انگلستان این لامپ به نام لامپ قوسی (Arc lamp) شناخته شد.

در ۱۸۳۵، جیمز لیندسی در دوندی اسکاتلند لامپ الکتریکی ثابتی را ارائه داد. او توضیح داد که او توانسته «کتابی را در فاصله ۱٫۵ پایی (حدوداً ۵۰ سانتی متر) بخواند». با این حال در زمانی که این وسیله را به خواست خود تکمیل می‌کرد رو به مسئله تلگراف بی‌سیم آورد و بیش از این به لامپ الکتریکی خود نپرداخت. ادعاهای او در این زمینه زیاد مستند نیستند. در ۱۸۴۰ دانشمندی بریتانیایی به نام وارن ده لا رو سیم پیچی از جنس پلاتینیوم را در محفظه خلأ قرار داد و جریانی الکتریکی را از آن عبور داد. طراحی آن بر این اساس استوار بود که نقطه ذوب بالای پلاتینیوم اجازه بالا رفتن دما تا دماهای بالاتر را می‌دهد و محفظه خالی شده از هوا که مولکول‌های گاز کمتری دارد واکنش کمتری با پلاتینیوم نشان خواهد داد و عمر لامپ را افزایش خواهد داد. هرچند طرح کارا بود اما قیمت بالای پلاتینیوم استفاده تجاری از آن را غیر ممکن ساخت. در ۱۸۴۱، فردریک ده مولینس از انگلستان اولین مقاله درباره طراحی لامپ رشته‌ای توسط خاکه ذغالی که بین دو سیم از جنس پلاتینیوم قرار داشت و در یک حباب تخلیه شده قرار داشت را ارائه کرد. در ۱۸۴۵جاون و. استارر آمریکایی مقاله‌ای در باره لامپ رشته‌ای اختراعی خود که شامل رشته‌ای کربنی بود ارائه داد. زمان زیادی از ارائه این مقاله نگذشته بود که او فوت شد. غیر از اطلاعات نوشته شده در مقاله او چیز زیادی درباره او در دسترس نیست. در ۱۸۵۱، ژن اگوئنه روبرت-هودین در شهر بلویس فرانسه حباب‌های لامپ رشته‌ای را در معرض دید عموم قرار داد. لامپ‌های ساخت او در موزه چاتئوی بلویس برای همیشه به نمایش گداشته می‌شود. در ۱۸۷۲ آ. ن. لودگین یک لامپ رشته‌ای را اختراع کرد. در ۱۸۴۷ او یک مقاله درباره اختراع خود نوشت. در میان رقبایی که نزدیک به توماس ادیسون شده بودند، دانشمندی آلمانی-آمریکایی به نام هینریش گوبل ادعا کرد که او اولین حباب لامپ را در ۱۸۵۴ درست کرده‌است: یک رشته ذغال بامبو در یک بطری تخلیه شده برای جلوگیری از اکسیده شدن، و او در این پنج سال به قول خیلی‌ها اولین حباب لامپ کاربردی را ساخته بود. لویس لاتیمر نشان داد حباب‌هایی که ظاهراً گوبل در دهه ۱۸۵۰ ساخته بود بسیار قبل‌تر ساخته شده بودند. و شیشه گری را پیدا کرد که کلاه‌برداری او را نشان می‌داد. در سال ۱۸۹۳ در دعوی مقالات متداخل، قاضی ادعای گوبل را کاملاً مردود اعلام کرد.


تجاری سازی

جوزف ویلسن سوان (۱۸۲۴-۱۹۱۴) فیزیکدان و شیمی‌دانی انگلیسی بود. در ۱۸۵۰ او کار خود را بر روی رشته ذغال کاغذ داخل یک حباب شیشه‌ای خالی شده از هوا را شروع کرد. در ۱۸۶۰ او می‌توانست وسیله‌ای کاربردی را به نمایش بگذارد اما کمبود یک خلأ مناسب و یک منبع الکتریکی مناسب باعث کم شدن طول عمر و بازده لامپ او شد. در اواسط دهه ۱۸۷۰ پمپ‌های بهتری اختراع شدند و سوان دوباره آزمایش خود را آغاز کرد. با کمک چارلز استیرن که در کار پمپ‌های خلأ بود، سوان روشی را ابداع کرد که باعث جلوگیری از سیاه شدن لامپ اولیه او شد که در ۱۸۸۰ شماره مقاله ۸ را از آن خود کرد. در ۱۸ام دسامبر ۱۸۷۸ لامپی که از یک میله باریک کربنی استفاده می‌کرد در جلسه‌ای در انجمن شیمی نیوکاسل به نمایش گذاشته شد و سوان شرح کار خود را در جلسه آنها در ۱۷ ژانویه ۱۸۷۹ به نمایش گذاشت. همچنین آن را به ۷۰۰ نفری که در سوم فوریه ۱۸۹۷ در نشست ادبی و فلسفی نیوکاسل شرکت کرده بودند نیز نشان داد. این لامپ‌ها از میله کربنی لامپ قوسی به جای رشته باریک کربنی استفاده می‌کردند. بنابراین آنها مقاومت کمتری داشتند و رساناهای بسیار بزرگی برای تامین جریان مورد نیاز لازم داشتند که از لحاظ اقتصادی به صرفه نبود. همچنین مشخصات یک لامپ رشته‌ای را با یک خلأ نسبتاً قوی، رسانای کربنی، و هادی‌های پلاتینیومی میسر می‌شاختند. وانگهی نیاز به جریان کاری بالا باعث می‌شد عمر بسیار کمی داشته باشند. سوان توجه خود را معطوف ساخت رشته‌های کربنی بهتر و وسایلی که دو سر آن را متصل می‌کند کرد. او روشی برای کار با پنبه برای ساخت نخ کاغذی اختراع کرد و مقاله ۴۹۳۳ را در سال ۱۸۸۰ در انگلستان ثبت کرد. از این سال او نصب حباب‌های روشنایی را در انگلستان در خانه‌ها و نقاط مهم شروع کرد و در اوایل دهه ۱۸۸۰ شرکت او شروع به کار کرد. در آمریکای شمالی نیز به موازات انگلستان پیشرفتهایی شکل گرفته بود. در ۲۴ ژوئیه ۱۸۴۷ مقاله‌ای توسط متخصص برق پزشکی، هنری وودوارد و همکارش متیو اوانس در تورنتو نوشته شد. ایشان لامپ خود را با اندازه و شکلی متفاوت از میله‌های کربنی در سیلندر شیشه‌ای که با نیتروژن پر شده بود تولید کردند. وودوارد و اوانس تلاش کردند تا لامپ‌های خود را تجاری کنند، اما ناموفق بودند. ایشان کار خود را با فروش مقاله خود در سال ۱۸۹۷ به توماس ادیسون به پایان رساندند (مقاله ۰، ۱۸۱، ۶۱۳ در آمریکا). توماس ادیسون تحقیقاتی جدی برای پیشبرد لامپ رشته‌ای کاربردی در ۱۸۷۸ شروع کرد. او اولین مقاله خود را به عنوان «بهبودی در لامپ الکتریکی» در ۱۴ اکتبر ۱۸۷۸ ثبت کرد (مقاله ۰، ۲۱۴، ۶۳۶ در آمریکا). پس از آزمایش‌های زیادی که با رشته پلاتینیوم و فلزات دیگر انجام داد دوباره به سمت رشته‌های کربن روی آورد. اولین آزمایش موفقیت آموز او در ۲۲ اکتبر ۱۸۷۹ بود که ۱۳٫۵ ساعت دوام آورد. ادیسون اصلاح طرح خود را ادامه داد و در ۴ نوامبر ۱۸۹۷ مقاله‌ای (مقاله ۰، ۲۲۳، ۸۹۸در آمریکا) به عنوان لامپی الکتریکی که از «رشته یا نواری کربنی که پیچیده شده و.... به سیم‌های اتصال پلاتینی متصل شده» استفاده می‌کند ثبت کرد. اگر چه او راه‌های بسیاری برای ساخت رشته کربنی شامل «نخ پنبه‌ای با کتانی، قطعات کربنی، کاغذی که با روش‌های مختلف پیچیده شده‌است» توضیح داده بود، چند ماه بیشتر از ارائه مقاله نگذشته بود که ادیسون و تیمش فهمیدند که رشته ذغال بامبو می‌تواند بیش از ۱۲۰۰ ساعت دوام بیاورد. شرکت لامپ حبابی هیرام اس. ماکزیم در ۱۸۷۸ شروع به کار کرد تا مقاله خود و مقالات ویلیام ساویر را عملی کند. شرکت او پس از شرکت ادیسون دومین شرکت فروش لامپ رشته‌ای کاربردی در آمریکا بود. شرکت نوردهی الکتریکی او در اواخر دهه ۱۸۸۰ برای اولین بار به صورت تجاری در شرکت تجارت مالی مطمئن مستقر کرد، حدوداً ۶ ماه بعد از استقرار لامپ رشته‌ای ادیسون در استیمر کلومبیا. ماکزیم در اکتبر ۱۸۸۰ روشی را ثبت کرد که در آن توسط هیدروکربنها رشته‌های کربنی را به منظور افزایش عمر آنها پوشش می‌داد. لویس لایمر که در آن زمان کارمند او بود روشی را ابداع کرد که توسط آن به رشته‌ها حرارتی اعمال می‌کرد که اجازه می‌داد آنها را به شکل‌های بدیعی مدل دهی کند، مانند شکل "M" در رشته‌های ساخت ماکزیم. در ۱۷ ژانویه ۱۸۸۲، لاتیمر مقاله‌ای در باره "فرایند ساخت کربن‌ها بدست آورد، روشی بهبود یافته برای تولید رشته‌های حباب لامپ که توسط شرکت نور الکتریکی ایالات متحده خریداری شده بود. لاتیمر بهسازی‌های دیگری مثل راه بهتری برای اتصال رشته‌ها به سیم‌های محافظ به ثبت رساند. در بریتانیا، شرکت‌های ادیسون و سوان به هم پیوستند تا شرکت برقی متحد سوان و ادیسون را تشکیل بدهند (بعدها این شرکت به نام ادیسوان شناخته می‌شد، که در نهایت به نام Thorn Lighting ltd ثبت شد). ادیسون در ابتدا مخالف این ادغام بود اما وقتی از راه قانونی توسط سوان تحت فشار قرار گرفت و سوان پیروز شد در نهایت مجبور به همیاری با سوان شد و اتحاد صورت گرفت. در نهایت ادیسون تمام سهم سوان در شرکت را بدست آورد. سوان مقاله خود را طبق قوانین ایالات متحده به شرکت برقی براش در جون ۱۸۸۲ فروخت. بعدها سوان نوشت که ادیسون ادعای بیشتری در مورد نور نسبت به او داشت تاادیسون امتیازاتش را از ادعا درباره آنها در ایالات متحده محافظت کند. در ۸ اکتبر ۱۸۸۳، اداره ثبت اختراعات ایالات متحده حکمی را داد که امتیازات ادیسون بر پایه فنون پیشین ویلیام ساویر بنا شده و آن‌ها را نادرست اعلام کرد. این ادعا سالها ادامه یافت. در نهایت در ۶ اکتبر ۱۸۸۹ یک قاضی حکم داد که ادعای بهبود سیستم نور دهی الکتریکی ادیسون برای "یک لامپ رشته‌ای از کربن با مقاومت بالا درست بوده‌است. در دهه ۱۸۹۰، یک مخترع اتریشی به نام کارل آئوور وون ولزباچ بر روی تور رشته اس فلزی کار کرد. ابتدا با سیم‌های پلاتینیومی و سپس اسمیومی و یک نمونه کاربردی در ۱۸۹۸ ساخت. در ۱۸۹۷، یک فیزیکدان و شیمیدان آلمانی به نام والتر نرنست لامپ نرست را که نوعی از لامپ رشته‌ایست و از حبابی سرامیکی استفاده می‌کرد که -نیازی به محیط خلأ یا گازی بی اثر نداشت- را تولید کرد. لامپ‌های نرست که دو برابر لامپ‌های رشته کربنی بازده داشت، به سرعت رایج شد تا زمانی که لامپ‌های رشته فلزی بر آن سبقت گرفت. در ۱۹۰۳، ویلیام ویتنیو رشته‌ای را ابداع کرد که درون حباب لامپ را تیره نمی‌کرد. (بعضی از آزمایش‌های ادیسون برای جلوگیری از تیره شدن حباب باعث اختراع لامپ الکتریکی تخلیه شده شد). این رشته رشته‌ای کربنی بود که با فلز پوشیده شده بود. در ۱۳ اکتبر ۱۹۰۴، ساندور جاست , فرنس هانامان امتیازنامه‌ای در مجارستان (شماره ۳۴۵۴۱) برای لامپ رشته تنگستن را بدست آوردند، که نسبت به لامپ رشته کربنی نور درخشان‌تری تولید می‌کرد و عمر بیشتری هم داشت. این لامپ‌ها ابتدا توسط شرکت مجاری تانگسرام در ۱۹۰۵ به بازار ارائه شد، به همین خاطر در بسیاری از کشورهای اروپایی این نوع لامپ تانگسرام خوانده می‌شود. در ۱۹۰۶ شرکت ژنرال الکتریک امتیاز روشی برای تولید رشته تنگستنی برای استفاده در لامپ رشته‌ای را بدست آورد. رشته‌های تنگستن رسوبی گران بودند اما در ۱۹۱۰ توسط ویلیام دیوید کولیدج (۱۸۷۳-۱۹۷۵) روش بهبود یافته‌ای برای ساخت رشته‌های تنگستن ابداع کرد. رشته تنگستن بیشتر از بقیه انواع رشته‌های دیگر باقی‌ماند و کولیدج قیمت را اقتصادی کرد. در ۱۹۱۳ ایروینگ لانگمویر فهمید که پر کردن لامپ با گازهای بی‌اثر به جای خلأ هم باعث بازده نوری و هم کاهش تیره شدن حباب می‌شود. ماروین پیپکین، شیمیدان آمریکایی، در ۱۹۲۴ امتیازی برای براق کردن داخل حباب، بدون سست کردن آن و در ۱۹۴۷ امتیازی برای پوشاندن داخل لامپ با سیلیکا به دست آورد. در ۱۹۳۶، رشته س فنری پیچیده شده معرفی شد که بازده لامپ‌ها را بیشتر می‌کرد. در ۱۹۶۴ بهبود بازده و تولید لامپ‌های رشته‌ای باعث کاهش هزینه تولید مقدار معینی نور به مقدار یک سیم نسبت به لامپ ابتدایی ادیسون شد.


لامپ رشته‌ای، لامپ حبابی یا لامپ التهابی، یک منبع نور مصنوعی است که نور سفید درخشانی از خود ساطع می‌کند. در این لامپ‌ها جریان الکتریکی از یک رشته نازک عبور می‌کند که تا حد نوردهی می‌شود. یک حباب شیشه‌ای بسته از رسیدن اکسیژن به رشته جلوگیری می‌کند که در غیر این صورت رشته سریعاً اکسیده و خراب خواهد شد.

لامپ‌های رشته‌ای در اندازه‌ها و ولتاژهای متنوعی ساخته می‌شوند، از ۱٫۵ ولت تا ۳۰۰ ولت. این نوع از لامپ نیازی به تجهیزاتی خارجی برای تنظیم ندارد و قیمت تولید بسیار پایینی دارد و با هر دو نوع جریان مستقیم و متناوب کار می‌کند. در نتیجه لامپ رشته‌ای به صورت وسیع در نوردهی خانگی و تجاری، نورهای غیر ثابت، چراغ‌های مطالعه، چراغ‌های اتومبیل‌ها، چراغ‌قوه‌ها، مصارف تبلیغاتی و دکوراسیون کاربرد دارد.

بعضی مصارف مانند دستگاه جوجه‌کشی (برای گرمایش تخم مرغ‌ها) از گرمای ناشی از لامپ‌های رشته‌ای استفاده می‌کنند. نور گرمایی (فروسرخ) برای تانک‌های خزنده، گرمایش از راه دور، گرمایش صنعتی و مصارف خشک کردن، و در فرهای پخت آسان کاربرد دارد. در هوای سرد، گرمای ناشی از لامپ‌های رشته‌ای می‌تواند در گرمایش خانه شرکت کند، اما در مناطق گرمسیری باعث اتلاف بیشتر انرژی توسط سیستم‌های تهویه مطبوع می‌شود.

لامپ‌های رشته‌ای بتدریج در بسیاری از کاربردها جای خود را به لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های فلورسنت فشرده، لامپ‌های تخلیه الکتریکی پرنور، ال‌ئی‌دی‌ها و وسایل دیگری می‌دهند که به ازای مقدار مشابهی از انرژی واردشده به لامپ مقدار بیشتری نور رویت‌پذیر از خود ساطع می‌کنند. در بعضی مناطق تلاش می‌شود به منظور بالا بردن بازده نوری و کاهش مصرف انرژی این لامپ‌ها را از رده خارج کنند