Ηλεκτρομαγνητισμός: Η δεύτερη μεγάλη ενοποίηση στη Φυσική
Οι μεγάλες κατακτήσεις της Επιστήμης και της Τεχνολογίας δεν ήταν εύκολες, ούτε ήρθαν σε μια στιγμή. Πολλές φορές επηρεάζονται και από τις φιλοσοφικές απόψεις στις διάφορες εποχές. Η ιστορία των επιστημών δείχνει ότι είναι «οικοδομήματα» στα οποία πολλοί επιστήμονες βάζουν το λιθαράκι τους.
Ο Alessandro Volta, ένας Ιταλός καθηγητής στο πανεπιστήμιο της Παβίας, το 1800 ήταν αυτός που πέτυχε να κατασκευάσει την πρώτη ηλεκτρική στήλη, μια διάταξη δηλαδή, η οποία μπορούσε να διατηρεί αδιάκοπα μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους δυο πόλους της. Όπως έγραφε στην έκθεσή του: Τα δυο ελάσματα – πόλοι της ηλεκτρικής στήλης συμπεριφέρονται σαν φορτισμένοι αγωγοί και η διαφορά από τους οπλισμούς ενός φορτισμένου πυκνωτή είναι ότι παρά τη συνεχή «εκφόρτιση», εξαιτίας κάποιου μηχανισμού, ανανεώνεται το φορτίο τους και διατηρείται η μεταξύ τους διαφορά δυναμικού. Η ηλεκτρική στήλη ήταν σε θέση να προμηθεύσει πλέον με ρεύμα τους Ευρωπαίους ερευνητές, ανοίγοντάς τους ορίζοντες στις πειραματικές αναζητήσεις τους.
Μέχρι τον 19ο αιώνα οι επιστήμονες θεωρούσαν την ηλεκτρική και τη μαγνητική δύναμη ως δυο τελείως διαφορετικές δυνάμεις. Όμως ο Χανς Κρίστιαν Έρστεντ (Hans Christian Ørsted), Δανός φυσικός και χημικός, πραγματοποιούσε πειράματα αναζητώντας έναν σύνδεσμο ανάμεσα στον ηλεκτρισμό και στον μαγνητισμό, επηρεασμένος από τη φιλοσοφία ότι όλα τα φυσικά φαινόμενα αποτελούν μια ενότητα. Ο Oersted μετά από πολλές προσπάθειες και κατά τη διάρκεια μια διάλεξής του το 1820 στην Κοπεγχάγη, ανακάλυψε το φαινόμενο για το οποίο τόσο είχε πειραματιστεί. Συγκεκριμένα, τοποθέτησε παράλληλα σε έναν ευθύγραμμο αγωγό μια μαγνητική βελόνα, στο ίδιο με τον αγωγό κατακόρυφο επίπεδο. Όταν από τον αγωγό διαβίβασε ρεύμα, παρατήρησε ότι η βελόνα εκτράπηκε από την αρχική της θέση (όπου ήταν βέβαια προσανατολισμένη κατά το γήινο μαγνητικό πεδίο) και αφού εκτέλεσε ορισμένες στροφικές ταλαντώσεις ισορρόπησε σε μια νέα θέση. Όταν διέκοπτε το ρεύμα, η βελόνα γύριζε πάλι στην αρχική της θέση. Όταν διαβίβαζε ρεύμα αντίθετης φοράς η βελόνα εκτρεπόταν αντίθετα προς την αρχική εκτροπή. Το πείραμα αυτό έδειξε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα παράγει μαγνητικό πεδίο και θεωρείται ιστορικό, γιατί άνοιξε τον δρόμο για την ενοποίηση του ηλεκτρισμού με τον μαγνητισμό. Η ανακοίνωση του Oersted ανέβασε το ενδιαφέρον των Γάλλων φυσικών για τον ηλεκτρομαγνητισμό και οδήγησε σε πειραματικές έρευνες, στην αναζήτηση εφαρμογών και στη δημιουργία θεωρητικής βάσης για την επιστήμη του Ηλεκτρομαγνητισμού. Επικεφαλής ο Αντρέ-Μαρί Αμπέρ (André-Marie Ampère), του οποίου ο νόμος για το μαγνητικό αποτέλεσμα του ηλεκτρικού ρεύματος, συμπεριλήφθηκε αργότερα στους τέσσερις θεμελιώδεις νόμους ηλεκτρομαγνητισμού του Σκωτσέζου Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ (James Clerk Maxwell). Πάνω στο ίδιο αντικείμενο διατυπώθηκε ο θεωρητικός νόμος των Μπιό – Σαβάρ (Biot – Savart), στον οποίο στηρίχτηκε ο Πιερ Σιμόν Λαπλάς (Pierre-Simon Laplace), για να διατυπώσει τη θεωρία για την επίδραση του μαγνητικού πεδίου στο ηλεκτρικό ρεύμα. Το αποφασιστικό βήμα, όμως, για την ανάπτυξη της ηλεκτρικής βιομηχανίας ήταν στην ανακάλυψη του αντίστροφου φαινομένου από τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου από το ηλεκτρικό ρεύμα. Μπορούσε να πραγματοποιηθεί η δημιουργία ρεύματος από μαγνητικό πεδίο; Το φαινόμενο αυτό ανακαλύφθηκε από τον Άγγλο Μάικλ Φαραντέι (Michael Faraday) και από τον Αμερικάνο Τζόζεφ Χένρι (Joseph Henry), έντεκα χρόνια αργότερα από τα πειράματα του Oersted και ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική επαγωγή ή απλά επαγωγή.
Ο Φαραντέι θεωρείται ο μεγαλύτερος πειραματικός φυσικός όλων των εποχών. Το 1831 ύστερα από μια σειρά επιτυχών πειραμάτων, ανακάλυψε τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Τα πειράματα έδειξαν ότι ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο δεν δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα. Αντίθετα, ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια που ορίζει ένα κύκλωμα, έχει ως αποτέλεσμα να εμφανίζεται στο κύκλωμα ρεύμα, εφόσον βέβαια είναι κλειστό. Η τεχνολογική σημασία του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής επρόκειτο να αποδειχθεί τεράστια, γιατί αποτέλεσε τη βάση για την κατασκευή ηλεκτρικών γεννητριών. Με τη χρήση μιας ατμομηχανής για να κινεί τη γεννήτρια γινόταν δυνατή η παραγωγή ηλεκτρισμού. Ο Faraday δεν ενδιαφερόταν ιδιαίτερα για τις τεχνολογικές εφαρμογές των ερευνών, αν και είχε επίγνωση της πρακτικής σημασίας τους. Έτσι, η ηλεκτρική γεννήτρια εξελίχθηκε από άλλους. Χρειάστηκαν γύρω στα 50 χρόνια, για να σημειωθούν σημαντικές εξελίξεις στον τομέα αυτό. Οι άνθρωποι βρήκαν επιτέλους τον τρόπο να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα άφθονο, αλλά και να μεταφέρουν το αγαθό με καλώδια στους ανθρώπους από τον τόπο της παραγωγής στην περιοχή της κατανάλωσης.
Η ανάπτυξη της ηλεκτρικής βιομηχανίας
Έως τα μέσα του 19ου αι. η αλληλεπίδραση επιστήμης και τεχνολογίας είναι περιορισμένη. Μόνο στο δεύτερο μισό του 19ου αι. η σχέση επιστήμης και τεχνολογίας γίνεται πιο στενή. Η ανάπτυξη της ηλεκτρικής βιομηχανίας, της χημικής βιομηχανίας και της βιομηχανίας χάλυβα μετά το 1860 έχει χαρακτηριστεί ως μια «δεύτερη βιομηχανική επανάσταση». Η κύρια διαφορά της από την πρώτη ήταν ότι βασίστηκε σε μεγάλο βαθμό σε εφαρμογές της επιστήμης.
Πριν από το 1870 ο τηλέγραφος παρέμενε η κύρια εφαρμογή της έρευνας στα φαινόμενα του ηλεκτρισμού. Είχαν προηγηθεί οι εφευρέσεις του ηλεκτρικού κινητήρα και του δυναμό, αλλά δεν είχαν διαδοθεί ευρέως. Το 1831 ο Henry εφηύρε έναν ηλεκτρικό κινητήρα, του οποίου η λειτουργία είχε κάποιες ομοιότητες με τη λειτουργία της ατμομηχανής. Το 1838 η μηχανή του Henry βελτιώθηκε από τον Πέιτζ (Ch. Page), που κατασκεύασε μια παλινδρομική ηλεκτρική μηχανή, το ηλεκτρικό αντίστοιχο της ατμομηχανής. Το πλεονέκτημα της ηλεκτρικής μηχανής ήταν ότι μπορούσε να μετακινηθεί εύκολα – ήταν φορητή. Η ατμομηχανή, όμως, υπερτερούσε από πλευράς ισχύος και γι’ αυτόν τον λόγο καθυστέρησε η διάδοση της χρήσης ηλεκτρικών κινητήρων.
Την ίδια εποχή, προς τα τέλη της δεκαετίας του 1860, εφευρίσκεται μια νέα μορφή δυναμό (γεννήτριας ηλεκτρικού ρεύματος). Τα δυναμό που υπήρχαν έως τότε δεν ήταν ιδιαίτερα αποτελεσματικά και ήταν ακριβά, κυρίως επειδή η λειτουργία τους βασιζόταν στη χρήση μόνιμων μαγνητών. Στο νέο είδος δυναμό, αντί για μόνιμους μαγνήτες υπήρχαν πηνία. Η συσκευή αυτή εφευρέθηκε περίπου ταυτόχρονα από τους Βάρλεϊ (C.F. Varley), Γουίτστοουν (Ch. Wheatstone) και Ζίμενς (W. Siemens). Αυτή η νέα εφεύρεση με την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος με χαμηλό κόστος, έδωσε τη δυνατότητα της μαζικής χρήσης του ηλεκτρισμού στη βιομηχανία, στις μεταφορές και στα συστήματα φωτισμού.
Πρωτοπόρος στη διάδοση της ηλεκτρικής ενέργειας ήταν ο Αμερικανός εφευρέτης Τόμας Έντισον (Thomas Alva Edison). Το σύστημα του Edison είχε ως στόχο τον μετασχηματισμό του ηλεκτρικού συστήματος φωτισμού, με βάση τη λάμπα πυράκτωσης που είχε κατασκευαστεί με επιτυχία το 1879, έτσι ώστε να γίνει κατάλληλο και για ιδιωτική χρήση. Υπήρχε ένας κεντρικός σταθμός παραγωγής ενέργειας, που βρισκόταν σε μεγάλη απόσταση από τους καταναλωτές και ο ηλεκτρισμός μεταφερόταν στους καταναλωτές διαμέσου υπόγειων χάλκινων συρμάτων. Κάποια, οικεία σήμερα, χαρακτηριστικά του συστήματος ηλεκτρικού φωτισμού εισήχθησαν από τον Edison: η δυνατότητα να ανοιγοκλείνει κανείς τους διακόπτες ανεξάρτητα από τους άλλους καταναλωτές και η ύπαρξη μετρητών σε κάθε μονάδα κατανάλωσης ρεύματος. Η πρώτη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας λειτούργησε το 1881, ενώ το 1882 ο Edison εγκατέστησε τον πρώτο εμπορικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη Νέα Υόρκη. Γενικά η δεκαετία 1880 – 1890 υπήρξε μια δεκαετία ραγδαίας ανάπτυξης και εξέλιξης της νέας τεχνολογίας τόσο στην Αμερική, όσο και στην Ευρώπη.