تاريخ النظرية الكهرومغناطيسية

تم تطوير الآلة الكهربائية لاحقًا على يد فرانسيس هوكسبي ، وتلميذه ليتزندورف، والبروفيسور جورج ماتياس بوس ، حوالي عام 1750. استبدل ليتزندورف، الذي كان يجري أبحاثًا لصالح كريستيان أوغست هاوزن ، كرة زجاجية بكرة الكبريت التي استخدمها غيريك . وكان بوس أول من استخدم "الموصل الرئيسي" في مثل هذه الآلات، وهو عبارة عن قضيب حديدي يمسكه شخص معزول جسمه بالوقوف على كتلة من الراتنج. وفي عام 1746، اخترع إنجينهاوس آلات كهربائية مصنوعة من الزجاج المسطح. ^{[ 35 ]} وقد ساعدت التجارب على الآلة الكهربائية بشكل كبير اكتشاف أن لوحًا زجاجيًا، مطليًا من كلا الجانبين برقائق القصدير، يتراكم عليه شحنة كهربائية عند توصيله بمصدر للقوة الدافعة الكهربائية . وسرعان ما تم تطوير الآلة الكهربائية بشكل أكبر على يد أندرو جوردون ، وهو اسكتلندي وأستاذ في إرفورت، الذي استبدل الكرة الزجاجية بأسطوانة زجاجية. وأضاف جيسينغ من لايبزيغ "مطاطًا" يتكون من وسادة من الصوف. أُضيف المجمع، الذي يتكون من سلسلة من النقاط المعدنية، إلى الآلة بواسطة بنيامين ويلسون حوالي عام 1746، وفي عام 1762، حسّن جون كانتون من إنجلترا (وهو أيضًا مخترع أول مكشاف كهربائي كروي في عام 1754 ^{[ 36 ]} ) كفاءة الآلات الكهربائية برشّ ملغم من القصدير على سطح المطاط. ^{[ 11 ]}

في عام ١٧٢٩، أجرى ستيفن غراي سلسلة من التجارب التي أوضحت الفرق بين الموصلات والمواد غير الموصلة (العوازل)، مبيناً، من بين أمور أخرى، أن السلك المعدني وحتى خيوط التغليف موصلة للكهرباء، بينما الحرير غير موصل. في إحدى تجاربه، مرر تياراً كهربائياً عبر ٨٠٠ قدم من خيط القنب المعلق على فترات منتظمة بحلقات من خيط الحرير. عندما حاول إجراء التجربة نفسها باستبدال الحرير بسلك نحاسي دقيق الغزل، وجد أن التيار الكهربائي لم يعد ينتقل عبر خيط القنب، بل بدا وكأنه يتلاشى في السلك النحاسي. من هذه التجربة، صنف المواد إلى فئتين: "مواد موصلة" مثل الزجاج والراتنج والحرير (ما نسميه الآن عوازل) و"مواد غير موصلة" مثل المعدن والماء (ما نسميه الآن موصلات). المواد "غير الموصلة" موصلة للشحنات بينما المواد "الموصلة" تحتفظ بالشحنة. ^{[ ١١ ] [ ٣٧ ]}

انطلاقاً من إعجابه بنتائج غراي، بدأ سي إف دو فاي في عام 1732 بإجراء العديد من التجارب. في تجربته الأولى، استنتج دو فاي أن جميع الأجسام باستثناء المعادن والحيوانات والسوائل يمكن شحنها بالكهرباء عن طريق الاحتكاك، وأن المعادن والحيوانات والسوائل يمكن شحنها بالكهرباء بواسطة آلة كهربائية، مما يدحض تصنيف غراي للمواد إلى "كهربائية" و"غير كهربائية".

في عام ١٧٣٣، اكتشف دو فاي ما اعتقد أنه نوعان من الكهرباء الاحتكاكية؛ أحدهما ناتج عن احتكاك الزجاج، والآخر عن احتكاك الراتنج. ^{[ ٣٨ ]} انطلاقًا من هذا، افترض دو فاي أن الكهرباء تتكون من سائلين كهربائيين، "زجاجي" و"راتنجي"، يفصل بينهما الاحتكاك، ويتعادلان عند اتحادهما. ^{[ ٣٩ ]} وقد أيّد كريستيان غوتليب كراتزنستين هذا التصور للكهرباء في أعماله النظرية والتجريبية. لاحقًا ، ثبت خطأ نظرية السائلين، واستُبدلت بمفهوم الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة الذي وضعه بنجامين فرانكلين. ^{[ ١١ ]}

اخترع إيوالد جورج فون كلايست، بشكل مستقل، جرة ليدن ، وهي نوع من المكثفات لتخزين الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة، في 11 أكتوبر 1744، بينما اخترعها بيتر فان موشنبروك في الفترة 1745-1746 في جامعة ليدن (التي سُمّي الجهاز نسبةً إليها). ^{[ 38 ] [ 40 ]} اكتشف ويليام واتسون ، أثناء تجاربه على جرة ليدن، عام 1747 أن تفريغ الكهرباء الساكنة يُعادل تيارًا كهربائيًا . وقد لاحظ فون كلايست من ليدن السعة الكهربائية لأول مرة عام 1754. ^{[ 41 ]} كان فون كلايست يحمل، بالقرب من جهازه الكهربائي، زجاجة صغيرة بها مسمار حديدي في عنقها. وعندما لمس المسمار الحديدي بيده الأخرى عن طريق الخطأ، تلقى صدمة كهربائية شديدة. وبالمثل، تلقى موشنبروك، بمساعدة كونينز، صدمة أشد من زجاجة مشابهة إلى حد ما. قام السير ويليام واتسون الإنجليزي بتحسين هذا الجهاز بشكل كبير، وذلك بتغطية الزجاجة أو الجرة من الداخل والخارج بورق القصدير. ويمكن التعرف بسهولة على هذه القطعة من الأجهزة الكهربائية باعتبارها جرة ليدن الشهيرة، والتي أطلق عليها هذا الاسم رئيس دير نوليه في باريس، نسبةً إلى مكان اكتشافها. ^{[ 11 ]}

في عام ١٧٤١، اقترح جون إليكوت قياس قوة الكهرباء من خلال قدرتها على رفع ثقل في أحد كفتي ميزان بينما تُمسك الكفة الأخرى فوق الجسم المشحون وتُجذب إليه بقوة جاذبيتها. وفي وقت مبكر من عام ١٧٤٦، أجرى جان أنطوان نوليه (١٧٠٠-١٧٧٠) تجارب على سرعة انتشار الكهرباء. وباستخدام ٢٠٠ راهب كارثوسي موصولين بأيديهم بأسلاك حديدية ^{[ ٤٢ ]} لتشكيل دائرة قطرها حوالي ١.٦  كيلومتر، تمكن من إثبات أن هذه السرعة محدودة، وإن كانت عالية جدًا. ^{[ ٤٣ ] [ ٤٤ ]} وفي عام ١٧٤٩، أجرى السير ويليام واتسون العديد من التجارب لتحديد سرعة الكهرباء في سلك. وقد أظهرت هذه التجارب، وإن لم يكن هذا هو الهدف المقصود، إمكانية نقل الإشارات عن بُعد بواسطة الكهرباء. في هذه التجارب، بدا أن الإشارة تنتقل عبر طول السلك المعزول البالغ 12276 قدمًا في لحظة. وكان لو مونييه في فرنسا قد أجرى سابقًا تجارب مماثلة إلى حد ما، حيث أرسل صدمات كهربائية عبر سلك حديدي طوله 1319 قدمًا. ^{[ 11 ]}

في حوالي عام 1750، أُجريت أولى التجارب في العلاج الكهربائي . أجرى العديد من الباحثين اختبارات لتحديد التأثيرات الفيزيولوجية والعلاجية للكهرباء. ومن أبرز هؤلاء كراتزنستين في هاله ، الذي كتب في عام 1744 رسالةً في هذا الموضوع. درس ديمانبراي في إدنبرة تأثيرات الكهرباء على النباتات، وخلص إلى أن نمو شجرتي آس تسارع بفعل الكهرباء. تم تعريض هاتين الشجرتين للكهرباء "طوال شهر أكتوبر من عام 1746، فأخرجتا أغصانًا وأزهارًا أسرع من الشجيرات الأخرى من النوع نفسه التي لم تتعرض للكهرباء". ^{[ 45 ]} جرب الأب مينون في فرنسا تأثيرات تطبيق الكهرباء بشكل مستمر على البشر والطيور، ووجد أن الأشخاص الذين خضعوا للتجربة فقدوا وزنًا، مما يدل على ما يبدو على أن الكهرباء تُسرّع عملية الإخراج. ^{[ 46 ] [ 47 ]} تم اختبار فعالية الصدمات الكهربائية في حالات الشلل في مستشفى مقاطعة شروزبري، إنجلترا ، بنجاح ضعيف. ^{[ 48 ]}

روّج بنجامين فرانكلين لأبحاثه ونظرياته حول الكهرباء من خلال تجربة شهيرة، وإن كانت بالغة الخطورة، حيث جعل ابنه يُحلّق طائرة ورقية في سماء مُلبّدة بالغيوم. تسبب مفتاح مُعلّق بخيط الطائرة في شرارة كهربائية وشحن قارورة ليدن، مُثبتًا بذلك العلاقة بين البرق والكهرباء. ^{[ 49 ]} بعد هذه التجارب، اخترع مانعة الصواعق . ويُنسب إلى فرانكلين (في أغلب الأحيان) أو إلى إبينزر كينرسلي من فيلادلفيا (في حالات أقل) وضعُ مفهومي الكهرباء الموجبة والسالبة.

كانت النظريات المتعلقة بطبيعة الكهرباء غامضة إلى حد كبير في تلك الفترة، وكانت النظريات السائدة متضاربة إلى حد كبير. اعتبر فرانكلين أن الكهرباء سائل غير محسوس يملأ كل شيء، ويتوزع في حالته الطبيعية بالتساوي في جميع المواد. وافترض أن المظاهر الكهربائية الناتجة عن فرك الزجاج تعود إلى زيادة كمية السائل الكهربائي في تلك المادة، وأن المظاهر الناتجة عن فرك الشمع تعود إلى نقص هذا السائل. عارض هذا التفسير مؤيدو نظرية "السائلين"، مثل روبرت سيمر عام 1759. في هذه النظرية، اعتُبرت الكهرباء الزجاجية والراتنجية سوائل غير محسوسة، يتكون كل سائل من جزيئات متنافرة، بينما تتجاذب جزيئات الكهرباء المعاكسة. عندما يتحد السائلان نتيجة تجاذبهما، يتلاشى تأثيرهما على الأجسام الخارجية. يؤدي فرك الجسم إلى تفكك السوائل، ويبقى أحدها فائضًا على الجسم، فيظهر على شكل كهرباء زجاجية أو راتنجية. ^{[ 11 ]}

حتى وقت تجربة فرانكلين التاريخية بالطائرة الورقية ، ^{[ 50 ]} لم يكن من المعروف على نطاق واسع تطابق الكهرباء المتولدة عن طريق الاحتكاك والآلات الكهروستاتيكية ( الكهرباء الاحتكاكية ) مع البرق. وقد أشار كل من الدكتور وول، ^{[ 51 ]} وأبوت نوليت ، وهاوكسبي ، ^{[ 52 ]} وستيفن غراي ، ^{[ 53 ]} وجون هنري وينكلر، ^{[ 54 ]} إلى وجود تشابه بين ظاهرتي "الكهرباء" و"البرق"، حيث ألمح غراي إلى أنهما يختلفان فقط في الدرجة. ومع ذلك، لا شك أن فرانكلين هو أول من اقترح اختبارات لتحديد تطابق الظاهرتين. في رسالة إلى بيتر كوملينسون من لندن، بتاريخ 19 أكتوبر 1752، كتب فرانكلين، مشيرًا إلى تجربته بالطائرة الورقية:

"عند هذا المفتاح يمكن شحن القارورة (قارورة ليدن)؛ ومن النار الكهربائية التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة يمكن إشعال المشروبات الروحية، وإجراء جميع التجارب الكهربائية الأخرى التي عادة ما يتم إجراؤها بمساعدة كرة زجاجية محكوكة أو أنبوب، وبالتالي يتم إثبات تطابق المادة الكهربائية مع البرق بشكل كامل." ^{[ 55 ]}

في العاشر من مايو عام ١٧٤٢ ، في مارلي (بالقرب من باريس)، استخدم توماس فرانسوا داليبارد قضيبًا حديديًا رأسيًا طوله ٤٠ قدمًا، وحصل على نتائج مطابقة لتلك التي سجلها فرانكلين، وقبل تاريخ تجربة فرانكلين بقليل. وقد أضفى برهان فرانكلين المهم على تشابه الكهرباء الاحتكاكية والبرق زخمًا على جهود العديد من المجربين في هذا المجال خلال النصف الأخير من القرن الثامن عشر، للنهوض بعلم الكهرباء . ^{[ ١١ ]}

في عام ١٧٥١، برهن فرانكلين على مغنطة إبر الخياطة بتفريغ كهربائي من جرة ليدن. وقد استوحى هذه العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية من تقرير عن صاعقة ضربت يوركشاير، إنجلترا، عام ١٧٣١، وألحقت الضرر بصندوق سكاكين وشوك. ^{[ ٦ ] : ٨١} وعندما وُضعت السكاكين لاحقًا فوق مسامير، "التصقت السكاكين بالمسامير". ^{[ ٥٦ ]}

كان هنري إيلز من أوائل من أشاروا إلى وجود صلة بين الكهرباء والمغناطيسية. ففي عام 1757، ادعى أنه راسل الجمعية الملكية عام 1755 بشأن هذه الصلة، مؤكدًا أن "هناك بعض الخصائص في قوة المغناطيسية تشبه إلى حد كبير خصائص الكهرباء"، لكنه "لا يعتقد بأي حال من الأحوال أنها متطابقة". وفي عام 1760، ادعى بالمثل أنه كان أول من فكر عام 1750 في "كيف يمكن أن يكون الحريق الكهربائي سببًا للرعد". ^{[ 57 ]} ومن بين أهم الأبحاث والتجارب الكهربائية خلال هذه الفترة، تلك التي أجراها فرانز إيبينوس ، العالم الألماني الشهير (1724-1802)، وهنري كافنديش من لندن، إنجلترا. ^{[ 11 ]}

يُنسب إلى فرانز إيبينوس الفضل في كونه أول من وضع تصورًا للعلاقة التبادلية بين الكهرباء والمغناطيسية. في كتابه "Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism " ^{[ 58 ]} ، الذي نُشر في سانت بطرسبرغ عام 1759، قدم إيبينوس شرحًا مُفصلاً لنظرية فرانكلين، والتي تتوافق في بعض جوانبها إلى حد كبير مع الآراء المعاصرة: "تتنافر جزيئات السائل الكهربائي فيما بينها، وتتجاذب وتتجاذب مع جزيئات جميع الأجسام بقوة تتناقص طرديًا مع ازدياد المسافة؛ يوجد السائل الكهربائي في مسامات الأجسام؛ ويتحرك بحرية عبر المواد غير الكهربائية (الموصلات)، ولكنه يتحرك بصعوبة في العوازل؛ وتعود مظاهر الكهرباء إلى التوزيع غير المتساوي للسائل في الجسم، أو إلى اقتراب أجسام مشحونة بشكل غير متساوٍ بالسائل." وقد صاغ إيبينوس نظرية مماثلة للمغناطيسية، باستثناء أنه في حالة الظواهر المغناطيسية، لا تؤثر السوائل إلا على جزيئات الحديد. أجرى أيضًا العديد من التجارب الكهربائية التي أظهرت على ما يبدو أنه لكي تظهر التأثيرات الكهربائية، يجب تسخين التورمالين إلى درجة حرارة تتراوح بين 37.5  درجة مئوية و100  درجة مئوية. في الواقع، يبقى التورمالين غير موصل للكهرباء عندما تكون درجة حرارته ثابتة، ولكنه يُظهر خصائص كهربائية عند ارتفاع درجة حرارته أو انخفاضها. تُسمى البلورات التي تُظهر خصائص كهربائية بهذه الطريقة بالبلورات الكهروحرارية ؛ ومن بينها، إلى جانب التورمالين، كبريتات الكينين والكوارتز. ^{[ 11 ]}

ابتكر هنري كافنديش، بشكل مستقل، نظريةً للكهرباء تُقارب نظرية إيبينوس. ^{[ 59 ]} في عام 1784، ربما كان أول من استخدم شرارةً كهربائيةً لإحداث انفجارٍ من الهيدروجين والأكسجين بالنسب الصحيحة التي تُنتج الماء النقي. كما اكتشف كافنديش السعة الحثية للمواد العازلة ، وفي وقتٍ مبكرٍ من عام 1778، قاس السعة الحثية النوعية لشمع العسل ومواد أخرى بالمقارنة مع مكثف الهواء.

في حوالي عام 1784، ابتكر سي. أ. كولوم ميزان الالتواء ، مكتشفًا ما يُعرف الآن بقانون كولوم : تتناسب القوة المؤثرة بين جسمين صغيرين مشحونين كهربائيًا عكسيًا مع مربع المسافة، وليس كما افترض إيبينوس في نظريته عن الكهرباء، بل تتناسب عكسيًا مع المسافة فقط. ووفقًا للنظرية التي طرحها كافنديش، "تتجاذب الجسيمات وتنجذب عكسيًا بقوة أقل من مكعب المسافة". ^{[ 11 ]} وقد أصبح جزء كبير من مجال الكهرباء مُضمونًا فعليًا باكتشاف كولوم لقانون التربيع العكسي.

بفضل تجارب ويليام واتسون وآخرين التي أثبتت إمكانية نقل الكهرباء لمسافات طويلة، بدأت فكرة الاستخدام العملي لهذه الظاهرة، حوالي عام 1753، تستحوذ على اهتمام الباحثين. ولتحقيق هذه الغاية، طُرحت اقتراحات لاستخدام الكهرباء في نقل المعلومات. ولعل أولى الطرق التي وُضعت لهذا الغرض كانت طريقة جورج ليساج عام 1774. ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]} تتألف هذه الطريقة من 24 سلكًا معزولًا عن بعضها، موصولًا في نهايته البعيدة بكرة من لب الخشب. يُمثل كل سلك حرفًا من حروف الأبجدية. ولإرسال رسالة، يُشحن السلك المطلوب مؤقتًا بالكهرباء من آلة كهربائية، فتنطلق كرة لب الخشب الموصولة به. كما جُرّبت طرق أخرى للتلغراف تستخدم الكهرباء الاحتكاكية، وقد وُصفت بعضها في تاريخ التلغراف . ^{[ 11 ]}

مثّل عصر الكهرباء الجلفانية أو الفولتية قطيعة ثورية مع التركيز التاريخي على الكهرباء الاحتكاكية. اكتشف أليساندرو فولتا إمكانية استخدام التفاعلات الكيميائية لإنشاء مصاعد موجبة الشحنة ومهابط سالبة الشحنة . عند توصيل موصل بينهما، يُولّد فرق الجهد الكهربائي (المعروف أيضًا بالفولتية) تيارًا كهربائيًا بينهما عبر الموصل. يُقاس فرق الجهد بين نقطتين بوحدة الفولت تقديرًا لإسهامات فولتا. ^{[ 63 ] [ 11 ]}

أول من ذكر الكهرباء الفولتية، وإن لم تُعرف بهذا الاسم في ذلك الوقت، يُرجح أن يكون يوهان جورج سولزر قد ذكرها عام ١٧٦٧، عندما وضع قرصًا صغيرًا من الزنك تحت لسانه وقرصًا صغيرًا من النحاس فوقه، ولاحظ طعمًا غريبًا عند تلامس المعدنين عند حوافهما. افترض سولزر أن المعدنين يهتزان عند تلامسهما، مما يؤثر على أعصاب اللسان مُحدثًا التأثيرات الملحوظة. وفي عام ١٧٩٠، لاحظ البروفيسور لويجي أليسيو جالفاني من بولونيا، أثناء إجرائه تجارب على " الكهرباء الحيوانية "، ارتعاش أرجل ضفدع في وجود آلة كهربائية. ولاحظ أن عضلة ضفدع، مُعلقة على درابزين حديدي بواسطة خطاف نحاسي يمر عبر عمودها الظهري، تعرضت لتشنجات قوية دون أي سبب خارجي، إذ لم تكن الآلة الكهربائية موجودة في ذلك الوقت. ^{[ ١١ ]}

لتفسير هذه الظاهرة، افترض غالفاني وجود تيارات كهربائية متعاكسة في أعصاب وعضلات الضفدع، حيث تُشكل هذه العضلات والأعصاب الطبقات المشحونة لقارورة ليدن. نشر غالفاني نتائج اكتشافاته، إلى جانب فرضيته، التي استأثرت باهتمام علماء الفيزياء في ذلك الوقت. ^{[ 63 ]} وكان أبرزهم فولتا، أستاذ الفيزياء في بافيا ، الذي زعم أن النتائج التي لاحظها غالفاني كانت نتيجة عمل المعدنين، النحاس والحديد، كمحركات كهربائية ، وأن عضلات الضفدع لعبت دور الموصل، مُكملةً الدائرة الكهربائية. وقد أدى هذا إلى نقاش طويل بين مؤيدي الآراء المتضاربة. اتفق فريق مع فولتا على أن التيار الكهربائي ناتج عن قوة دافعة كهربائية ناتجة عن التلامس بين المعدنين؛ بينما تبنى الفريق الآخر تعديلًا على رأي غالفاني، مؤكدًا أن التيار ناتج عن تقارب كيميائي بين المعدنين والأحماض الموجودة في القارورة. كتب مايكل فاراداي في مقدمة كتابه " الأبحاث التجريبية "، فيما يتعلق بمسألة ما إذا كان التلامس المعدني ينتج جزءًا من كهرباء الخلية الفولتية: "لا أرى سببًا حتى الآن لتغيير الرأي الذي قدمته؛ ... لكن هذه النقطة بحد ذاتها ذات أهمية بالغة لدرجة أنني أنوي في أول فرصة سانحة تجديد البحث، وإذا استطعت، تقديم الأدلة سواء من هذا الجانب أو ذاك، بشكل لا يمكن إنكاره للجميع." ^{[ 11 ]}

مع ذلك، لم يحسم فاراداي نفسه الجدل، وبينما طرأت تعديلات على آراء المؤيدين والمعارضين، تبعًا لما اقتضته التحقيقات والاكتشافات اللاحقة، استمر تباين الآراء حول هذه النقاط حتى عام ١٩١٨. أجرى فولتا تجارب عديدة لدعم نظريته، وطوّر في نهاية المطاف ما يُعرف بالبطارية الكهربائية، ^{[ ٦٤ ]} التي كانت بمثابة النواة الأولى لجميع البطاريات الكيميائية اللاحقة، وتميزت بكونها أول وسيلة للحصول على تيار كهربائي مستمر لفترة طويلة. قدّم فولتا وصفًا لبطارية فولتا إلى الجمعية الملكية في لندن ، وبعد ذلك بوقت قصير، نجح نيكلسون وكافنديش (١٧٨٠) في تحليل الماء باستخدام التيار الكهربائي، مستخدمين بطارية فولتا كمصدر للقوة الدافعة الكهربائية. ^{[ ١١ ]}

في عام 1800، ابتكر أليساندرو فولتا أول جهاز لإنتاج تيار كهربائي كبير، عُرف لاحقًا باسم البطارية الكهربائية . وبعد أن أُبلغ نابليون بأعماله، استدعاه في عام 1801 لإجراء تجاربه أمامه. وحصل على العديد من الأوسمة والجوائز، بما في ذلك وسام جوقة الشرف .

في عام 1806، استخدم ديفي كومة فولطية مكونة من حوالي 250 خلية، أو زوجًا، لتحليل البوتاس والصودا، مُظهرًا أن هاتين المادتين هما على التوالي أكسيدا البوتاسيوم والصوديوم، وهما معدنان لم يكونا معروفين من قبل. كانت هذه التجارب بداية الكيمياء الكهربائية ، التي انخرط فاراداي في دراستها، وأعلن عنها في عام 1833 قانونه المهم للمكافئات الكهروكيميائية، وهو: " إن الكمية نفسها من الكهرباء - أي التيار الكهربائي نفسه - تُحلل كميات متكافئة كيميائيًا من جميع المواد التي تمر بها؛ وبالتالي فإن أوزان العناصر المفصولة في هذه الإلكتروليتات تُعتبر مكافئات كيميائية لبعضها البعض ". وفي عام 1809، استخدم همفري ديفي بطارية مكونة من 2000 عنصر من كومة فولطية، وقدم أول عرض علني لضوء القوس الكهربائي ، باستخدام الفحم المحصور في فراغ. ^{[ 11 ]}

من الجدير بالذكر أنه لم يتضح تشابه الكهرباء الحيوانية والاحتكاكية مع الكهرباء الفولتية إلا بعد سنوات عديدة من اكتشاف البطارية الفولتية، حيث تم إثبات ذلك بشكل قاطع. وهكذا، نجد فاراداي يكتب في يناير 1833 ^{[ 65 ]} بحثًا عن كهرباء الشعاع الكهربائي . بعد دراسة تجارب والش، ^{[ 66 ]} [ ^{67 ]} وإنجينهاوس ، وهنري كافنديش ، والسير هـ. ديفي ، والدكتور ديفي، ^لم يبقَ لديّ أي شكٍّ في هوية كهرباء الطوربيد مع الكهرباء العادية (الاحتكاكية) والكهرباء الفولتية؛ وأفترض أن ما سيبقى في أذهان الآخرين قليلٌ جدًا بحيث لا يُبرر امتناعي عن الخوض مطولًا في البرهان الفلسفي على هذه الهوية. لقد أزال الدكتور ديفي، شقيق السير همفري ديفي ، الشكوك التي أثارها؛ وكانت نتائج الأخير عكس نتائج الأول. ... الاستنتاج العام الذي يجب، في رأيي، استخلاصه من هذه المجموعة من الحقائق (جدول يُظهر تشابه خصائص أنواع الكهرباء المختلفة) هو أن الكهرباء، مهما كان مصدرها، متطابقة في طبيعتها . ^{[ 11 ]}

مع ذلك، يجدر التنويه إلى أنه قبل عصر فاراداي، كان التشابه بين الكهرباء المشتقة من مصادر مختلفة أكثر مما كان متوقعًا. ففي عام 1801، كتب ويليام هايد ولاستون [ ^{68 ] [ 69 ] :} " يُظهر هذا التشابه في الوسائل التي تُثار بها كل من الكهرباء والكهرباء الجلفانية (الكهرباء الفولتية)، بالإضافة إلى التشابه الملحوظ بين تأثيراتهما، أنهما متطابقان جوهريًا، ويؤكد رأيًا سبق أن طرحه آخرون، مفاده أن جميع الاختلافات الملحوظة في تأثيرات الكهرباء الجلفانية قد تعود إلى كونها أقل كثافة، ولكنها تُنتج بكمية أكبر بكثير ." وفي الورقة البحثية نفسها، يصف ولاستون تجارب معينة استخدم فيها سلكًا دقيقًا جدًا في محلول كبريتات النحاس، مرر من خلاله تيارات كهربائية من آلة كهربائية. وهذا مثير للاهتمام فيما يتعلق بالاستخدام اللاحق لأسلاك دقيقة مرتبة بشكل مشابه تقريبًا في أجهزة الاستقبال الإلكتروليتية في الاتصالات اللاسلكية، أو التلغراف الراديوي. ^{[ 11 ]}

شهد النصف الأول من القرن التاسع عشر العديد من الإضافات المهمة للغاية إلى معارف العالم المتعلقة بالكهرباء والمغناطيسية. فعلى سبيل المثال، اكتشف هانز كريستيان أورستد من كوبنهاغن في عام 1820 تأثير انحراف التيار الكهربائي المار عبر سلك على إبرة مغناطيسية معلقة. ^{[ 11 ]}

أعطى هذا الاكتشاف دليلاً على العلاقة الوثيقة التي ثبتت لاحقاً بين الكهرباء والمغناطيسية، والتي تابعها أمبير على الفور ، والذي قدم بعد بضعة أشهر، في سبتمبر 1820، العناصر الأولى لنظريته الجديدة، والتي طورها في السنوات اللاحقة وبلغت ذروتها بنشر كتابه عام 1827 بعنوان " مذكرة حول النظرية الرياضية للظواهر الكهروضوئية المستنتجة بشكل فريد من التجربة " (مذكرة حول النظرية الرياضية للظواهر الكهروضوئية، المستنتجة بشكل فريد من التجربة)، معلناً نظريته الشهيرة في الديناميكا الكهربائية، المتعلقة بالقوة التي يمارسها تيار واحد على آخر، من خلال تأثيراته الكهرومغناطيسية، أي ^{[ 11 ].}

1. يتجاذب جزآن متوازيان من دائرة كهربائية إذا كانت التيارات فيهما تتدفق في نفس الاتجاه، ويتنافران إذا كانت التيارات تتدفق في الاتجاه المعاكس.
2. يتجاذب جزآن من الدوائر الكهربائية المتقاطعة بشكل مائل إذا كان كلا التيارين يتدفقان إما باتجاه نقطة التقاطع أو منها، ويتنافران إذا كان أحدهما يتدفق إلى تلك النقطة والآخر منها.
3. عندما يؤثر عنصر من عناصر الدائرة بقوة على عنصر آخر من عناصر الدائرة، فإن تلك القوة تميل دائمًا إلى دفع العنصر الثاني في اتجاه عمودي على اتجاهه.

أدخل أمبير العديد من الظواهر إلى حيز النظرية من خلال دراساته للقوى الميكانيكية بين الموصلات التي تحمل التيارات والمغناطيسات. وقد وصفه جيمس كلارك ماكسويل ، في كتابه " رسالة في الكهرباء والمغناطيسية "، بأنه "نيوتن الكهرباء". ^{[ 70 ]}

اكتشف الفيزيائي الألماني سيبك عام 1821 أنه عند تسخين نقطة التقاء معدنين ملحومين معًا، يتولد تيار كهربائي. تُعرف هذه الظاهرة بالكهرباء الحرارية . يتكون جهاز سيبك من شريط نحاسي مثني من طرفيه وملحوم بلوحة من البزموت. توضع إبرة مغناطيسية موازية للشريط النحاسي. عند تسخين نقطة التقاء النحاس والبزموت بواسطة مصباح، يتولد تيار كهربائي يؤدي إلى انحراف الإبرة. ^{[ 11 ]}

في تلك الفترة تقريبًا، انكبّ سيميون دينيس بواسون على دراسة مشكلة التمغنط المستحث المعقدة، ولا تزال نتائجه، وإن اختلفت صياغتها، تُشكّل النظرية، باعتبارها التقريب الأول والأهم. وقد تجلّت إسهاماته في العلم من خلال تطبيق الرياضيات على الفيزياء. ولعلّ أبرز أعماله، وأكثرها تأثيرًا على الدوام، مذكراته حول نظرية الكهرباء والمغناطيسية، التي أسست فرعًا جديدًا من الفيزياء الرياضية .

كتب جورج غرين مقالًا بعنوان "مقال في تطبيق التحليل الرياضي على نظريات الكهرباء والمغناطيسية" عام ١٨٢٨. قدّم المقال العديد من المفاهيم المهمة، من بينها نظرية مشابهة لنظرية غرين الحديثة، وفكرة دوال الجهد كما تُستخدم حاليًا في الفيزياء، ومفهوم ما يُعرف الآن بدوال غرين . كان جورج غرين أول من وضع نظرية رياضية للكهرباء والمغناطيسية، وشكّلت نظريته الأساس لعمل علماء آخرين مثل جيمس كلارك ماكسويل، وويليام طومسون، وغيرهم.

في عام 1834، اكتشف بيلتييه تأثيرًا معاكسًا للتأثير الكهروحراري، وهو أنه عند مرور تيار كهربائي عبر معدنين مختلفين، تنخفض أو ترتفع درجة الحرارة عند نقطة اتصال المعدنين، تبعًا لاتجاه التيار. يُعرف هذا التأثير بتأثير بيلتييه . وقد وُجد أن تغيرات درجة الحرارة تتناسب طرديًا مع شدة التيار، وليس مع مربع شدة التيار كما هو الحال في الحرارة الناتجة عن المقاومة العادية للموصل. يُعرف هذا القانون الثاني بقانون I²R ، ^الذي اكتشفه الفيزيائي الإنجليزي جول تجريبيًا عام 1841. بعبارة أخرى، ينص هذا القانون المهم على أن الحرارة المتولدة في أي جزء من دائرة كهربائية تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب مقاومة هذا الجزء (R) في مربع شدة التيار (I) المار فيه. ^{[ 11 ]}

في عام 1822، ابتكر يوهان شفايغر أول جلفانومتر . وقد طُوّر هذا الجهاز لاحقًا بشكل كبير على يد فيلهلم ويبر (1833). وفي عام 1825، اخترع ويليام ستورجون من وولويتش، إنجلترا، المغناطيس الكهربائي ذو الشكل الحذوي والقضيب المستقيم، وحصل على الميدالية الفضية من جمعية الفنون تقديرًا لهذا الاختراع. ^{[ 71 ]} وفي عام 1837، اخترع كارل فريدريش غاوس وويبر (وكلاهما من أبرز علماء تلك الفترة) جلفانومترًا عاكسًا لأغراض التلغراف. وكان هذا الجهاز بمثابة النواة الأولى لجلفانومتر طومسون العاكس وغيره من الجلفانومترات فائقة الحساسية التي كانت تُستخدم في الإشارات البحرية، ولا تزال تُستخدم على نطاق واسع في القياسات الكهربائية. وفي عام 1824، توصل أراغو إلى اكتشاف هام مفاده أنه عند تدوير قرص نحاسي في مستواه، وإذا عُلّقت إبرة مغناطيسية بحرية على محور فوق القرص، فإن الإبرة ستدور مع القرص. أما إذا كانت الإبرة ثابتة، فإنها ستُبطئ حركة القرص. وقد أطلق على هذا التأثير اسم دورانات أراغو . ^{[ 11 ] [ 72 ] [ 73 ]}

بذل تشارلز باباج ، وبيتر بارلو ، وجون هيرشل، وغيرهم محاولاتٍ باءت بالفشل لتفسير هذه الظاهرة. وقد حُفظ التفسير الصحيح لفاراداي، وهو أن التيارات الكهربائية تتولد في القرص النحاسي نتيجة قطع خطوط المجال المغناطيسي للإبرة، والتي بدورها تؤثر على الإبرة. أجرى جورج سيمون أوم أبحاثه حول المقاومة في عامي 1825 و1826، ونشر نتائجه عام 1827 في كتابه " Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet" . ^{[ 74 ] [ 75 ]} وقد استلهم أوم الكثير من أعمال فورييه حول التوصيل الحراري في تفسيره النظري. في تجاربه، استخدم في البداية أعمدة فولتا ، ثم استخدم لاحقًا المزدوجة الحرارية لأنها وفرت مصدر جهد أكثر استقرارًا من حيث المقاومة الداخلية وفرق الجهد الثابت. استخدم أوم الجلفانومتر لقياس التيار، وكان يعلم أن الجهد بين طرفي المزدوجة الحرارية يتناسب طرديًا مع درجة حرارة الوصلة. ثم أضاف أسلاك اختبار بأطوال وأقطار ومواد مختلفة لإكمال الدائرة. ووجد أن بياناته يمكن نمذجتها من خلال معادلة بسيطة بمتغيرات تتكون من قراءة الجلفانومتر، وطول موصل الاختبار، ودرجة حرارة وصلة المزدوجة الحرارية، وثابت خاص بالجهاز بأكمله. ومن هذا، استنتج أوم قانون التناسب ونشر نتائجه. وفي عام 1827، أعلن القانون الشهير الذي يحمل اسمه ، وهو:

رتب أوم مجموعة من الحقائق المحيرة التي تربط القوة الدافعة الكهربائية والتيار الكهربائي في الموصلات، والتي لم ينجح جميع الكهربائيين السابقين إلا في ربطها بشكل فضفاض نوعيًا ضمن بعض العبارات المبهمة. وجد أوم أن النتائج يمكن تلخيصها في قانون بسيط، وبفضل اكتشافه، أصبح جزء كبير من مجال الكهرباء جزءًا من النظرية.

تم اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي بشكل متزامن تقريبًا، وإن كان بشكل مستقل، على يد مايكل فاراداي ، الذي كان أول من اكتشفه عام 1831، وجوزيف هنري عام 1832. ^{[ 77 ] [ 78 ]} أُعلن عن اكتشاف هنري للحث الذاتي وعمله على الموصلات الحلزونية باستخدام ملف نحاسي عام 1835، قبل اكتشاف فاراداي مباشرةً. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]}

في عام ١٨٣١، بدأت أبحاث مايكل فاراداي الرائدة ، التلميذ الشهير وخليفته همفري ديفي على رأس المؤسسة الملكية في لندن، والمتعلقة بالحث الكهرومغناطيسي والكهربائي. وقد تميزت أبحاث فاراداي، رائد التجارب ، في مجال الكهرباء الساكنة والكهرباء الديناميكية وحث التيارات الكهربائية. استغرقت هذه الأبحاث وقتًا طويلاً للانتقال من مرحلة التجارب الأولية إلى نظام متكامل يعكس جوهرها الحقيقي. لم يكن فاراداي رياضيًا بارعًا، ^{[ ٨٢ ] [ ٨٣ ] [ ٨٤ ]} ولكن لو كان كذلك، لكانت أبحاثه قد استفادت كثيرًا، ووفرت على نفسه الكثير من التكهنات غير المجدية، ولتوقعت العديد من الأعمال اللاحقة. فعلى سبيل المثال، لو كان على دراية بنظرية أمبير، لكانت نتائج أبحاثه قد قادته بسهولة إلى نظرية نيومان، والأعمال المرتبطة بها لهلمهولتز وتومسون. امتدت دراسات وأبحاث فاراداي من عام 1831 إلى عام 1855، ويمكن الاطلاع على وصف مفصل لتجاربه واستنتاجاته وتأملاته في أوراقه المجمعة بعنوان "أبحاث تجريبية في الكهرباء". كان فاراداي كيميائيًا، ولم يكن رياضيًا بالمعنى المتعارف عليه، بل إن وجود صيغة رياضية واحدة في جميع كتاباته أمر مشكوك فيه. ^{[ 11 ]}

أُجريت التجربة التي قادت فاراداي إلى اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي على النحو التالي: قام فاراداي بصنع ما يُعرف الآن، والذي كان يُطلق عليه آنذاك، اسم ملف الحث ، حيث لُفّ سلكاه الابتدائي والثانوي على بكرة خشبية جنبًا إلى جنب، معزولين عن بعضهما البعض. وضع في دائرة السلك الابتدائي بطارية مكونة من حوالي 100 خلية. وفي السلك الثانوي، أدخل جلفانومترًا. عند إجراء اختباره الأول، لم يلاحظ أي نتائج، إذ ظل الجلفانومتر ساكنًا، ولكن عند زيادة طول الأسلاك، لاحظ انحرافًا في الجلفانومتر في السلك الثانوي عند توصيل دائرة السلك الابتدائي وفصلها. كانت هذه أول حالة مُلاحظة لتوليد قوة دافعة كهربائية عن طريق الحث الكهرومغناطيسي. ^{[ 11 ]}

اكتشف فاراداي أيضًا أن التيارات المستحثة تتولد في دائرة مغلقة ثانية عند تغيير شدة التيار في السلك الأول، وأن اتجاه التيار في الدائرة الثانوية يكون معاكسًا لاتجاهه في الدائرة الأولى. كما اكتشف أن تيارًا يتولد في الدائرة الثانوية عند تحريك دائرة أخرى تحمل تيارًا من وإلى الدائرة الأولى، وأن اقتراب مغناطيس أو ابتعاده عن دائرة مغلقة يُحفز تيارات لحظية فيها. باختصار، في غضون بضعة أشهر، اكتشف فاراداي بالتجربة جميع القوانين والحقائق المعروفة حاليًا تقريبًا فيما يتعلق بالحث الكهرومغناطيسي والحث الكهرومغناطيسي. وعلى هذه الاكتشافات، باستثناءات نادرة، يعتمد تشغيل الهاتف، وآلة الدينامو ، وبالتبعية لآلة الدينامو الكهربائية، جميع الصناعات الكهربائية العملاقة في العالم تقريبًا، بما في ذلك الإضاءة الكهربائية ، والجر الكهربائي، وتشغيل المحركات الكهربائية لأغراض الطاقة، والطلاء الكهربائي ، والطباعة الكهربائية ، وما إلى ذلك. ^{[ 11 ]}

في دراساته للطريقة الفريدة التي تترتب بها برادة الحديد على قطعة من الورق المقوى أو الزجاج بالقرب من قطبي المغناطيس، ابتكر فاراداي فكرة " خطوط القوة " المغناطيسية الممتدة من قطب إلى آخر، والتي تميل برادة الحديد إلى التمركز على طولها. بعد اكتشاف أن التأثيرات المغناطيسية تصاحب مرور التيار الكهربائي في سلك، افترض أيضًا أن خطوط قوة مغناطيسية مماثلة تدور حول السلك. ولتبسيط الأمر وتفسير الكهرباء المستحثة، افترض أنه عندما " يقطع " السلك هذه الخطوط عند مروره فوقها، أو عندما تقطعها خطوط القوة عند صعودها وهبوطها، يتولد تيار كهربائي، أو بتعبير أدق، تتولد قوة دافعة كهربائية في السلك تُنشئ تيارًا في دائرة مغلقة. وقد طرح فاراداي ما يُعرف بنظرية الكهرباء الجزيئية ^{[ 85 ]} ، والتي تفترض أن الكهرباء هي مظهر من مظاهر حالة خاصة لجزيء الجسم المحكوك أو الأثير المحيط به. اكتشف فاراداي، من خلال التجربة، خاصيتيّ البارامغناطيسية والديامغناطيسية ، أي أن جميع المواد الصلبة والسائلة إما تنجذب إلى المغناطيس أو تتنافر معه. فعلى سبيل المثال، الحديد والنيكل والكوبالت والمنغنيز والكروم، وغيرها، مواد بارامغناطيسية (تنجذب إلى المغناطيس)، بينما مواد أخرى، مثل البزموت والفوسفور والأنتيمون والزنك، وغيرها، تتنافر مع المغناطيس أو تُعتبر مواد ديامغناطيسية . ^{[ 11 ] [ 86 ]}

كان بروجانز من ليدن عام 1778، ولي بايليف وبيكريل عام 1827 ^{[ 87 ]} قد اكتشفوا سابقًا خاصية التنافر المغناطيسي في حالة البزموت والأنتيمون. كما أعاد فاراداي اكتشاف السعة الحثية النوعية عام 1837، بعد أن لم تكن نتائج تجارب كافنديش قد نُشرت آنذاك. وتنبأ أيضًا ^{[ 88 ]} بتأخر الإشارات على الكابلات البحرية الطويلة نتيجة التأثير الحثي لعزل الكابل، أي السعة الساكنة للكابل. ^{[ 11 ]} وفي عام 1816 ، لاحظ رائد التلغراف فرانسيس رونالدز أيضًا تأخر الإشارات على خطوط التلغراف المدفونة، وعزا ذلك إلى الحث. ^{[ 89 ] [ 90 ]}

شهدت السنوات الخمس والعشرون التي أعقبت اكتشافات فاراداي للحث الكهرومغناطيسي تطورًا ملحوظًا في نشر القوانين والحقائق المتعلقة بالتيارات المستحثة والمغناطيسية. ففي عام 1834، أثبت كل من هاينريش لينز وموريتز فون جاكوبي، بشكل مستقل، الحقيقة المعروفة الآن، وهي أن التيارات المستحثة في ملف تتناسب طرديًا مع عدد لفاته. كما أعلن لينز في ذلك الوقت قانونه المهم الذي ينص على أن التيارات المستحثة، في جميع حالات الحث الكهرومغناطيسي، تتخذ اتجاهًا يجعل رد فعلها يميل إلى إيقاف الحركة التي تُنتجها، وهو قانون ربما استُنتج من تفسير فاراداي لدوران أراغو. ^{[ 11 ] [ 91 ]}

صُمم ملف الحث لأول مرة بواسطة نيكولاس كالان في عام 1836. وفي عام 1845 ، نشر الفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري وصفًا لتجاربه القيّمة والمثيرة للاهتمام مع التيارات المستحثة عالية الرتبة، موضحًا أنه يمكن حث التيارات من الملف الثانوي لملف الحث إلى الملف الابتدائي لملف ثانٍ، ومن ثم إلى سلكه الثانوي، وهكذا إلى الملف الابتدائي لملف ثالث، إلخ. ^{[ 92 ]} قام هاينريش دانيال رومكورف بتطوير ملف الحث بشكل أكبر، وحصل ملف رومكورف على براءة اختراع في عام 1851، ^{[ 93 ]} واستخدم لفائف طويلة من سلك النحاس لتحقيق شرارة يبلغ طولها حوالي  بوصتين (50 مم).  في عام 1857، وبعد فحص نسخة محسنة بشكل كبير صنعها المخترع الأمريكي إدوارد صموئيل ريتشي ، ^{[ 94 ] [ 95 ]} قام رومكورف بتحسين تصميمه (كما فعل مهندسون آخرون)، باستخدام عزل زجاجي وابتكارات أخرى للسماح بإنتاج شرارات يزيد طولها عن 300 مليمتر (12 بوصة) . ^{[ 96 ]} 

حتى منتصف القرن التاسع عشر، بل وحتى حوالي عام ١٨٧٠، كان علم الكهرباء، كما يمكن القول، كتابًا مغلقًا أمام غالبية العاملين في هذا المجال. قبل ذلك، نُشرت عدة كتيبات عن الكهرباء والمغناطيسية، أبرزها كتاب أوغست دي لا ريف الشامل " رسالة في الكهرباء " ^{[ ٩٨ ]} في عامي ١٨٥١ (بالفرنسية) و١٨٥٣ (بالإنجليزية)؛ وكتاب أوغست بير " مقدمة في علم الكهرباء الساكنة، ونظرية المغناطيسية والديناميكا الكهربائية " ^{[ ٩٩ ]} ؛ وكتاب فيدمان " الجلفانية "؛ وكتاب ريس ^{[ ١٠٠ ]} " الكهرباء الاحتكاكية ". إلا أن هذه الأعمال اقتصرت في معظمها على تفاصيل التجارب المتعلقة بالكهرباء والمغناطيسية، ولم تتناول إلا القليل من قوانين وحقائق هذه الظواهر. نشر هنري دابريا ^{[ 101 ] [ 102 ]} نتائج بعض الأبحاث حول قوانين التيارات المستحثة، ولكن نظرًا لتعقيد البحث، لم تُسفر هذه الأبحاث عن نتائج بارزة. ^{[ 103 ]} وفي منتصف القرن التاسع عشر تقريبًا، نُشرت أعمال فليمنج جينكينز حول الكهرباء والمغناطيسية ^{[ 104 ]} وكتاب كلارك ماكسويل " رسالة في الكهرباء والمغناطيسية ". ^{[ 11 ]}

كانت هذه الكتب بمثابة خروج عن المألوف. وكما ذكر جينكين في مقدمة كتابه، كان علم المدارس مختلفًا تمامًا عن علم الكهربائي العملي، لدرجة أنه كان من المستحيل تزويد الطلاب بكتب دراسية كافية، أو حتى شبه كافية. فقد قال إن الطالب قد يتقن أطروحة دي لا ريف الضخمة والقيمة، ومع ذلك يشعر وكأنه في بلد مجهول ويستمع إلى لغة غريبة بصحبة رجال عمليين. وكما قال كاتب آخر، مع ظهور كتب جينكين وماكسويل، أُزيلت جميع العقبات التي كانت تعترض طريق طلاب الكهرباء، " أصبح المعنى الكامل لقانون أوم واضحًا؛ فالقوة الدافعة الكهربائية، وفرق الجهد، والمقاومة، والتيار، والسعة، وخطوط القوة، والمغنطة، والتقارب الكيميائي، كلها قابلة للقياس، ويمكن التفكير فيها، ويمكن إجراء حسابات عليها بنفس دقة حسابات الديناميكا ". ^{[ 11 ] [ 105 ]}

في حوالي عام 1850، نشر كيرشوف قوانينه المتعلقة بالدوائر الكهربائية المتفرعة أو المقسمة. كما أثبت رياضيًا، وفقًا لنظرية الديناميكا الكهربائية السائدة آنذاك، أن الكهرباء تنتشر في سلك موصل مثالي بسرعة الضوء. درس هيلمهولتز رياضيًا تأثيرات الحث على شدة التيار، واستنتج منها معادلات أكدتها التجارب، موضحًا، من بين نقاط مهمة أخرى، تأثير التثبيط الناتج عن الحث الذاتي في ظل ظروف معينة للدائرة. ^{[ 11 ] [ 106 ]}

في عام 1853، تنبأ السير ويليام طومسون (الذي أصبح لاحقًا اللورد كلفن ) من خلال حسابات رياضية بالطبيعة التذبذبية للتفريغ الكهربائي في دائرة المكثف. ومع ذلك، يُنسب الفضل إلى هنري في إدراك الطبيعة التذبذبية لتفريغ جرة ليدن من خلال تجاربه في عام 1842. كتب هنري: ^{[ 107 ]} تتطلب هذه الظاهرة منا التسليم بوجود تفريغ رئيسي في اتجاه واحد، ثم عدة حركات انعكاسية للأمام والخلف، كل منها أضعف من سابقتها، حتى يتحقق التوازن . وقد لاحظ بي دبليو فيدرسن هذه التذبذبات لاحقًا (1857) ^{[ 108 ] [ 109 ]} ، حيث استخدم مرآة مقعرة دوارة لإسقاط صورة الشرارة الكهربائية على لوحة حساسة، وحصل بذلك على صورة فوتوغرافية للشرارة أوضحت بوضوح الطبيعة المتناوبة للتفريغ. كان السير ويليام طومسون أيضًا مكتشف الحمل الحراري الكهربائي ( تأثير طومسون ). وقد صمم مقياسه الكهربائي الربع دائري ومقياسه الكهربائي المطلق لقياسات كهربائية دقيقة. كما يُنسب إليه اختراع الجلفانومتر العاكس ومسجل السيفون ، كما هو مستخدم في إشارات الكابلات البحرية. ^{[ 11 ]}

في حوالي عام 1876، أثبت الفيزيائي الأمريكي هنري أوغسطس رولاند من بالتيمور حقيقةً مهمةً مفادها أن الشحنة الساكنة المحمولة تُنتج نفس التأثيرات المغناطيسية التي يُنتجها التيار الكهربائي. ^{[ 110 ] [ 111 ]} تكمن أهمية هذا الاكتشاف في أنه قد يُقدّم نظريةً معقولةً للمغناطيسية، وهي أن المغناطيسية قد تكون ناتجةً عن حركةٍ مُوجّهةٍ لصفوفٍ من الجزيئات التي تحمل شحناتٍ ساكنة. ^{[ 11 ]}

بعد اكتشاف فاراداي إمكانية توليد تيارات كهربائية في سلك عن طريق جعله يقطع خطوط قوة مغناطيس، كان من المتوقع أن تُبذل محاولات لبناء آلات تستفيد من هذه الحقيقة في توليد التيارات الفولتية. ^{[ 112 ]} كانت أول آلة من هذا النوع من صنع هيبوليت بيكسي عام 1832. تألفت من بكرتين من سلك حديدي، تدور حولهما أقطاب مغناطيس حدوة حصان. ولأن هذا الدوران أنتج تيارًا متناوبًا في ملفات السلك ، قام بيكسي بتصميم جهاز تبديل (مبدل) يحول التيار المتناوب في الملفات أو المحرك إلى تيار مستمر في الدائرة الخارجية. تبع هذه الآلة أشكال محسنة من الآلات الكهرومغناطيسية بفضل إدوارد صموئيل ريتشي ، وجوزيف ساكستون ، وإدوارد إم. كلارك عام 1834، وإميل ستورر عام 1843، وفلوريس نوليت عام 1849، وشيبارد عام 1856، وفان مالديرن ، وفيرنر فون سيمنز ، وهنري وايلد، وآخرين. ^{[ 11 ]}

حقق صموئيل ألفريد فارلي تقدماً ملحوظاً في فن صناعة الدينامو عام 1866 ^{[ 113 ]} ، وكذلك فعل سيمنز وتشارلز ويتستون ^{[ 114 ]} ، حيث اكتشفوا بشكل مستقل أنه عند تدوير ملف سلكي، أو ما يُعرف بالعضو الدوار، في آلة الدينامو بين قطبي (أو في "مجال") مغناطيس كهربائي، يتولد تيار ضعيف في الملف نتيجة للمغناطيسية المتبقية في حديد المغناطيس الكهربائي. وإذا تم توصيل دائرة العضو الدوار بدائرة المغناطيس الكهربائي، فإن التيار الضعيف المتولد في العضو الدوار يزيد من المغناطيسية في المجال. وهذا بدوره يزيد من خطوط القوة المغناطيسية التي يدور فيها العضو الدوار، مما يزيد بدوره من التيار في المغناطيس الكهربائي، وبالتالي ينتج عنه زيادة مقابلة في مغناطيسية المجال، وهكذا دواليك، حتى يتم الوصول إلى أقصى قوة دافعة كهربائية يمكن للآلة توليدها. وبفضل هذا المبدأ، تُولّد آلة الدينامو مجالها المغناطيسي الخاص ، مما يزيد بشكل كبير من كفاءتها واقتصادها في التشغيل. لكن بأي حال من الأحوال، لم تكن آلة الدينامو الكهربائية قد وصلت إلى الكمال في ذلك الوقت المذكور. ^{[ 11 ]}

في عام 1860، حقق الدكتور أنطونيو باتشينوتي من بيزا تحسينًا هامًا بابتكاره أول آلة كهربائية ذات عضو حلقي. استُخدمت هذه الآلة في البداية كمحرك كهربائي، ثم لاحقًا كمولد للكهرباء. ويُعتبر اكتشاف مبدأ عكسية عمل آلة الدينامو الكهربائية (الذي نُسب إلى كل من والين عام 1860، وباتشينوتي عام 1864، وفونتين ، وغرام عام 1873، وديبريز عام 1881، وغيرهم) والذي يسمح باستخدامها كمحرك كهربائي أو كمولد للكهرباء، أحد أعظم اكتشافات القرن التاسع عشر. ^{[ 11 ]}

في عام 1872، ابتكر هيفنر-ألتينك محرك الأسطوانة . عُرفت هذه الآلة، بعد تعديلها، باسم دينامو سيمنز. تبعتها آلات دينامو شوكيرت ، وغولشر ، ^{[ 115 ]} وفين، ^{[ 116 ] [ 117 ] [ 118 ]} وبروش ، وهوخهاوزن ، وإديسون، بالإضافة إلى آلات دينامو أخرى للعديد من المخترعين. ^{[ 119 ]} في بدايات صناعة الدينامو، كانت الآلات تُصمم أساسًا كمولدات تيار مستمر، ولعل أهم استخداماتها آنذاك كان في الطلاء الكهربائي، حيث استُخدمت لهذا الغرض آلات ذات جهد منخفض وتيار عالٍ. ^{[ 11 ] [ 120 ]}

ابتداءً من عام 1887 تقريبًا، دخلت مولدات التيار المتردد حيز التشغيل على نطاق واسع، وأحدث التطوير التجاري للمحول، الذي يحول التيارات ذات الجهد المنخفض والتيار العالي إلى تيارات ذات جهد عالٍ وتيار منخفض، والعكس، ثورةً في نقل الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة. وبالمثل، أدى إدخال المحول الدوار (بالتزامن مع محول خفض الجهد) الذي يحول التيارات المترددة إلى تيارات مستمرة (والعكس) إلى تحقيق وفورات كبيرة في تشغيل أنظمة الطاقة الكهربائية. ^{[ 11 ] [ 121 ]}

قبل ظهور المولدات الكهربائية، كانت البطاريات الفولتية، أو الأولية، تُستخدم على نطاق واسع في الطلاء الكهربائي والتلغراف. يوجد نوعان رئيسيان من الخلايا الفولتية، وهما: "المفتوحة" و"المغلقة" أو "الثابتة". باختصار، النوع المفتوح هو الذي يعمل بدائرة مغلقة، ثم يستقطب بعد فترة وجيزة؛ أي تنطلق غازات داخل الخلية تستقر على اللوح السالب، مما يُنشئ مقاومة تُقلل من شدة التيار. بعد فترة وجيزة من فتح الدائرة، تُزال هذه الغازات أو تُمتص، وتصبح الخلية جاهزة للعمل مرة أخرى. أما الخلايا ذات الدائرة المغلقة، فتُمتص فيها الغازات بنفس سرعة انطلاقها، وبالتالي يكون خرج الخلية منتظمًا عمليًا. تُعد خليتا ليكلانشيه ودانييل ، على التوالي، مثالين معروفين على النوعين "المفتوح" و"المغلق" من الخلايا الفولتية. كانت بطاريات دانييل أو "الجاذبية" تُستخدم بشكل عام في الولايات المتحدة وكندا كمصدر للقوة الدافعة الكهربائية في التلغراف قبل أن يصبح جهاز الدينامو متاحًا. ^{[ 11 ]}

في أواخر القرن التاسع عشر، كان مصطلح " الأثير المضيء" (luminiferous aether )، أي الأثير الحامل للضوء ، يُفترض أنه وسيط لانتشار الضوء. ^{[ 122 ]} كلمة "أثير" مشتقة من الكلمة اليونانية " αιθήρ" (αιθήρ) اللاتينية ، والتي تعني "إشعال" أو "حرق" أو "تألق". وتشير إلى المادة التي كان يُعتقد في العصور القديمة أنها تملأ الطبقات العليا من الفضاء، خلف السحب.

في عام 1864، أعلن جيمس كلارك ماكسويل من إدنبرة عن نظريته الكهرومغناطيسية للضوء، والتي تُعدّ ربما أهم خطوة منفردة في معرفة العالم بالكهرباء. ^{[ 123 ]} كان ماكسويل قد درس مجال الكهرباء والمغناطيسية وعلّق عليه في وقت مبكر من عامي 1855/1856 عندما قُرئت ورقته البحثية " حول خطوط قوة فاراداي" ^{[ 124 ]} أمام الجمعية الفلسفية في كامبريدج . قدّمت الورقة نموذجًا مبسطًا لعمل فاراداي، وكيفية ارتباط الظاهرتين. اختزل ماكسويل جميع المعارف السائدة آنذاك إلى مجموعة مترابطة من المعادلات التفاضلية ، تتألف من 20 معادلة في 20 متغيرًا. نُشر هذا العمل لاحقًا بعنوان " حول الخطوط الفيزيائية للقوة" في مارس 1861. ^{[ 125 ]} لتحديد القوة المؤثرة على أي جزء من الآلة، يجب علينا إيجاد زخمها، ثم حساب معدل تغير هذا الزخم. سيعطينا معدل التغير هذا القوة. طُرحت طريقة الحساب اللازمة لأول مرة من قِبل لاغرانج ، ثم طُوّرت لاحقًا، مع بعض التعديلات، بواسطة معادلات هاميلتون . ويُشار إليها عادةً باسم مبدأ هاميلتون ؛ وعند استخدام المعادلات بصيغتها الأصلية، تُعرف باسم معادلات لاغرانج . وقد بيّن ماكسويل منطقيًا كيفية تطبيق طرق الحساب هذه على المجال الكهرومغناطيسي. ^{[ 126 ]} طاقة النظام الديناميكي هي طاقة حركية جزئيًا ، وطاقة كامنة جزئيًا . ويفترض ماكسويل أن الطاقة المغناطيسية للمجال هي طاقة حركية ، والطاقة الكهربائية هي طاقة كامنة . ^{[ 127 ]}

في حوالي عام 1862، وأثناء إلقاء محاضرة في كلية كينغز، حسب ماكسويل أن سرعة انتشار المجال الكهرومغناطيسي تقارب سرعة الضوء. واعتبر هذا الأمر أكثر من مجرد مصادفة، وعلق قائلاً: " لا يسعنا إلا أن نستنتج أن الضوء يتكون من تموجات عرضية في نفس الوسط الذي يسبب الظواهر الكهربائية والمغناطيسية. " ^{[ 128 ]}

بمواصلة العمل على المسألة، بيّن ماكسويل أن المعادلات تتنبأ بوجود موجات من المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة التي تنتقل عبر الفضاء الفارغ بسرعة يمكن التنبؤ بها من خلال تجارب كهربائية بسيطة؛ وباستخدام البيانات المتاحة آنذاك، حصل ماكسويل على سرعة قدرها 310,740,000 متر/ثانية . وفي بحثه المنشور عام 1864 بعنوان "نظرية ديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي" ، كتب ماكسويل: " يبدو أن توافق النتائج يُظهر أن الضوء والمغناطيسية هما ظاهرتان لنفس المادة، وأن الضوء عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر عبر المجال وفقًا لقوانين الكهرومغناطيسية . ^{" [ 129 ]}

كما ذُكر سابقًا، كان لدى فاراداي، ومن قبله أمبير وآخرون، إدراكٌ بأن الأثير المضيء للفضاء هو أيضًا الوسط الذي تنتقل فيه الكهرباء. كان معروفًا بالحساب والتجربة أن سرعة الكهرباء تبلغ حوالي 186,000 ميل في الثانية؛ أي ما يعادل سرعة الضوء، مما يوحي بفكرة وجود علاقة بين الكهرباء والضوء. وقد رأى عدد من الفلاسفة أو الرياضيين الأوائل، كما يسميهم ماكسويل، في القرن التاسع عشر، أن الظواهر الكهرومغناطيسية قابلة للتفسير بالتأثير عن بُعد. وقد جادل ماكسويل، متأثرًا بفاراداي، بأن جوهر هذه الظواهر يكمن في الوسط. كانت مناهج الرياضيين في الوصول إلى نتائجهم تركيبية، بينما كانت مناهج فاراداي تحليلية. تخيّل فاراداي خطوط قوة تخترق الفضاء بأكمله، بينما رأى الرياضيون مراكز قوة تجذب عن بُعد. سعى فاراداي إلى تحديد مصدر الظواهر في الأفعال الحقيقية الجارية في الوسط؛ وقد اقتنعوا بأنهم وجدوه في قوة التأثير عن بعد على السوائل الكهربائية. ^{[ 130 ]}

كما يشير ماكسويل، نجحت كلتا الطريقتين في تفسير انتشار الضوء كظاهرة كهرومغناطيسية، مع اختلاف المفاهيم الأساسية للكميات المعنية اختلافًا جذريًا. فقد افترض علماء الرياضيات أن العوازل تشكل حواجز أمام التيارات الكهربائية؛ فعلى سبيل المثال، في وعاء ليدن أو المكثف الكهربائي، تتراكم الكهرباء عند إحدى الصفيحتين، وبفعل خفي ما، تنجذب كهرباء من نوع معاكس إلى الصفيحة الأخرى.

استنتج ماكسويل، متجاوزًا فاراداي، أنه إذا كان الضوء ظاهرة كهرومغناطيسية وقابلًا للنفاذ عبر مواد عازلة كالزجاج، فلا بد أن تكون هذه الظاهرة عبارة عن تيارات كهرومغناطيسية في هذه المواد. ولذلك، زعم أنه عند شحن مكثف، على سبيل المثال، لا يتوقف الأمر عند العازل، بل تتولد تيارات إزاحة في الوسط العازل، وتستمر هذه التيارات حتى تتساوى قوة مقاومة الوسط مع قوة الشحن. وفي دائرة موصلة مغلقة، يُعد التيار الكهربائي أيضًا إزاحة للكهرباء.

يُبدي الموصل مقاومةً معينة، تُشبه الاحتكاك، لمرور التيار الكهربائي، وتتولد حرارة فيه تتناسب طرديًا مع مربع شدة التيار (كما ذُكر سابقًا)، ويستمر هذا التيار طالما استمرت القوة الكهربائية الدافعة . يُمكن تشبيه هذه المقاومة بتلك التي تواجهها السفينة أثناء تحركها في الماء. أما مقاومة العازل الكهربائي فهي ذات طبيعة مختلفة، وقد شُبّهت بانضغاط عدد كبير من النوابض، التي تنثني تحت الضغط مع ازدياد الضغط الخلفي، حتى تصل إلى نقطة يُساوي فيها الضغط الخلفي الكلي الضغط الابتدائي. عند زوال الضغط الابتدائي، تعود الطاقة المُستهلكة في انضغاط "النوابض" إلى الدائرة، بالتزامن مع عودة النوابض إلى حالتها الأصلية، مما يُنتج رد فعل في الاتجاه المعاكس. وبالتالي، قد يكون التيار الناتج عن إزاحة الكهرباء في موصل مستمرًا، بينما تكون تيارات الإزاحة في مادة عازلة لحظية، وفي دائرة أو وسط يحتوي على مقاومة ضئيلة مقارنة بالسعة أو رد فعل الحث، تكون تيارات التفريغ ذات طبيعة تذبذبية أو متناوبة. ^{[ 131 ]}

وسّع ماكسويل هذا المفهوم لتيارات الإزاحة في المواد العازلة ليشمل أثير الفضاء الحر. وبافتراض أن الضوء هو مظهر من مظاهر تغيرات التيارات الكهربائية في الأثير، وأنه يهتز بمعدل اهتزازات الضوء، فإن هذه الاهتزازات، عن طريق الحث، تُحدث اهتزازات مماثلة في الأجزاء المجاورة من الأثير، وبهذه الطريقة تنتشر التموجات المقابلة لتموجات الضوء كتأثير كهرومغناطيسي في الأثير. من الواضح أن نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية للضوء تضمنت وجود موجات كهربائية في الفضاء الحر، وقد شرع أتباعه في مهمة إثبات صحة النظرية تجريبياً. وبحلول عام 1871، كان ماكسويل قد بدأ بالفعل في التفكير في فلسفة العلم. ^{[ 132 ] [ 133 ] : 214}

في عام 1887، أثبت الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز، من خلال سلسلة من التجارب، وجود الموجات الكهرومغناطيسية ، موضحًا أن الموجات الكهرومغناطيسية المستعرضة في الفضاء الحر يمكنها أن تنتقل لمسافة معينة كما تنبأ ماكسويل وفاراداي. نشر هيرتز عمله في كتاب بعنوان: " الموجات الكهربائية: أبحاث حول انتشار التيار الكهربائي بسرعة محدودة عبر الفضاء" . ^{[ 134 ]} أدى اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء إلى تطوير الراديو في أواخر القرن التاسع عشر.

افترض جي. جونستون ستوني في عام 1874 أن الإلكترون هو وحدة الشحنة في الكيمياء الكهربائية ، وهو من صاغ مصطلح "الإلكترون" نفسه في عام 1894. ^{[ 135 ]} تم التعرف على البلازما لأول مرة في أنبوب كروكس ، ووصفها السير ويليام كروكس في عام 1879 (وأطلق عليها اسم "المادة المشعة"). ^{[ 136 ]} لا يمكن إغفال دور الكهرباء في اكتشاف تلك الظواهر الرائعة لأنبوب كروكس (بفضل السير ويليام كروكس)، وهي أشعة الكاثود، ^{[ 137 ]} ولاحقًا في اكتشاف أشعة رونتجن أو الأشعة السينية ، إذ لولا الكهرباء كمصدر إثارة للأنبوب لكان اكتشاف هذه الأشعة قد تأجل إلى أجل غير مسمى. وقد لوحظ هنا أن الدكتور ويليام جيلبرت لُقب بمؤسس علم الكهرباء. مع ذلك، يجب اعتبار هذا وصفًا مقارنًا. ^{[ 11 ]}

كان أوليفر هيفسايد باحثًا عصاميًا أعاد صياغة معادلات ماكسويل للمجال من حيث القوى الكهربائية والمغناطيسية وتدفق الطاقة، وشارك بشكل مستقل في صياغة تحليل المتجهات .

خلال أواخر تسعينيات القرن التاسع عشر، اقترح عدد من الفيزيائيين أن الكهرباء، كما لوحظ في دراسات التوصيل الكهربائي في الموصلات والإلكتروليتات وأنابيب أشعة الكاثود ، تتكون من وحدات منفصلة، ​​أُطلق عليها أسماء مختلفة، لكن حقيقة هذه الوحدات لم تُؤكد بشكل قاطع. ومع ذلك، كانت هناك أيضًا مؤشرات على أن أشعة الكاثود لها خصائص موجية. ^{[ 11 ]}

كان لدى فاراداي، وويبر ، وهيلمهولتز ، وكليفورد ، وغيرهم لمحات من هذا الرأي؛ وقد عززت الأعمال التجريبية لزيمان ، وغولدشتاين ، وكروكس، وجيه جيه طومسون ، وغيرهم هذا الرأي بشكل كبير. تنبأ ويبر بأن الظواهر الكهربائية ناتجة عن وجود ذرات كهربائية، يعتمد تأثيرها على بعضها البعض على موقعها وتسارعاتها وسرعاتها النسبية. كما جادل هيلمهولتز وآخرون بأن وجود الذرات الكهربائية يتبع قوانين فاراداي للتحليل الكهربائي ، وأظهر جونستون ستوني، الذي يُنسب إليه مصطلح "الإلكترون"، أن كل أيون كيميائي في الإلكتروليت المتحلل يحمل كمية محددة وثابتة من الكهرباء، وبما أن هذه الأيونات المشحونة منفصلة على الأقطاب الكهربائية كمواد متعادلة، فلا بد من وجود لحظة، مهما كانت قصيرة، تكون فيها الشحنات قادرة على الوجود بشكل منفصل كذرات كهربائية. وفي عام 1887، كتب كليفورد : "هناك سبب وجيه للاعتقاد بأن كل ذرة مادية تحمل تيارًا كهربائيًا صغيرًا، إن لم تكن تتكون بالكامل من هذا التيار." ^{[ 11 ]}

في عام 1896، أجرى جيه جيه طومسون تجارب أشارت إلى أن أشعة الكاثود هي في الواقع جسيمات، ووجد قيمة دقيقة لنسبة الشحنة إلى الكتلة e/m، واكتشف أن هذه النسبة مستقلة عن مادة الكاثود. وقدّم تقديرات جيدة لكل من الشحنة e والكتلة m، ووجد أن جسيمات أشعة الكاثود، التي أطلق عليها اسم "الجسيمات"، ربما تكون كتلتها جزءًا من ألف من كتلة أقل أيون معروف كتلةً (الهيدروجين). كما بيّن أن الجسيمات سالبة الشحنة الناتجة عن المواد المشعة، والمواد المسخّنة، والمواد المضاءة، هي جسيمات عالمية. وقد حدّد طومسون طبيعة مادة " أشعة الكاثود " في أنبوب كروكس عام 1897. ^{[ 138 ]}

في أواخر القرن التاسع عشر، أجرى ألبرت أ. ميكلسون وإدوارد و. مورلي تجربة ميكلسون-مورلي في جامعة كيس ويسترن ريزيرف الحالية . وتُعتبر هذه التجربة عمومًا دليلًا ضد نظرية الأثير المضيء . كما يُشار إليها بأنها "نقطة انطلاق الجوانب النظرية للثورة العلمية الثانية". ^{[ 139 ]} وقد مُنح ميكلسون جائزة نوبل عام 1907 تقديرًا لهذا العمل. وواصل دايتون ميلر تجاربه، فأجرى آلاف القياسات، ونجح في تطوير أدق مقياس تداخل في العالم آنذاك. وواصل ميلر وآخرون، مثل مورلي، الملاحظات والتجارب المتعلقة بهذه المفاهيم. ^{[ 140 ]} وقد طُرحت مجموعة من النظريات المقترحة حول سحب الأثير لتفسير النتيجة السلبية، إلا أنها كانت أكثر تعقيدًا، وتميل إلى استخدام معاملات وافتراضات فيزيائية تبدو عشوائية. ^{[ 11 ]}

بحلول نهاية القرن التاسع عشر، أصبح مهندسو الكهرباء مهنة مستقلة، منفصلة عن الفيزيائيين والمخترعين. أنشأوا شركاتٍ بحثت وطورت وأتقنت تقنيات نقل الكهرباء، وحصلوا على دعم الحكومات في جميع أنحاء العالم لإطلاق أول شبكة اتصالات كهربائية عالمية، وهي شبكة التلغراف . ومن رواد هذا المجال فيرنر فون سيمنز ، مؤسس شركة سيمنز إيه جي عام 1847، وجون بيندر ، مؤسس شركة كيبل آند وايرلس .

أجرى ويليام ستانلي أول عرضٍ علني لمحول كهربائي مكّن من توصيل التيار المتردد تجاريًا في عام 1886. ^{[ 141 ]} بنى كهربائي بريطاني، هو جيه إي إتش جوردون ، مولدات تيار متردد ثنائية الطور كبيرة الحجم في عام 1882. ^{[ 142 ]} كما طوّر اللورد كلفن وسيباستيان فيرانتي مولدات تيار متردد مبكرة، تنتج ترددات تتراوح بين 100 و300 هرتز. بعد عام 1891، تم تقديم مولدات التيار المتردد متعددة الأطوار لتوفير تيارات ذات أطوار متعددة مختلفة. ^{[ 143 ]} صُممت مولدات التيار المتردد اللاحقة لترددات تيار متردد متغيرة تتراوح بين 16 و100 هرتز تقريبًا، لاستخدامها مع إضاءة القوس الكهربائي والإضاءة المتوهجة والمحركات الكهربائية. ^{[ 144 ]}

أتاحت إمكانية الحصول على التيار الكهربائي بكميات كبيرة وبتكلفة اقتصادية، باستخدام المولدات الكهربائية، دفعةً قويةً لتطوير الإضاءة المتوهجة والقوسية. وحتى رسخت هذه المولدات مكانتها التجارية، كانت البطاريات الفولتية المصدر الوحيد المتاح للتيار الكهربائي للإضاءة والطاقة. إلا أن تكلفة هذه البطاريات وصعوبة صيانتها بشكل موثوق حالت دون استخدامها لأغراض الإضاءة العملية. ويمكن تحديد تاريخ استخدام المصابيح القوسية والمتوهجة بحوالي عام 1877. ^{[ 11 ]}

حتى عام 1880، لم يُحرز تقدم يُذكر نحو الاستخدام العام لهذه المصابيح؛ أما النمو السريع اللاحق لهذه الصناعة فهو أمر معروف للجميع. ^{[ 145 ]} بدأ استخدام بطاريات التخزين ، التي كانت تُسمى في الأصل بالبطاريات الثانوية أو المُراكمات، حوالي عام 1879. تُستخدم هذه البطاريات الآن على نطاق واسع كمساعدات لآلة الدينامو في محطات توليد الطاقة الكهربائية والمحطات الفرعية، وفي السيارات الكهربائية، وبأعداد هائلة في أنظمة إشعال وتشغيل السيارات، وكذلك في أنظمة إنذار الحريق وغيرها من أنظمة الإشارة. ^{[ 11 ]}

في معرض كولومبوس الدولي العالمي عام 1893 في شيكاغو، اقترحت شركة جنرال إلكتريك تزويد المعرض بأكمله بالتيار المستمر . وقدّمت شركة وستنجهاوس عرضًا أقلّ بقليل من عرض جنرال إلكتريك، واستغلت المعرض لعرض نظامها القائم على التيار المتردد، موضحةً كيف يمكن لنظامها تشغيل المحركات متعددة الأطوار وجميع معروضات التيار المتردد والتيار المستمر الأخرى في المعرض. ^{[ 146 ] [ 147 ] [ 148 ]}

كانت الثورة الصناعية الثانية، والمعروفة أيضاً بالثورة التكنولوجية، مرحلة من التصنيع السريع في الثلث الأخير من القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين. وإلى جانب توسع خطوط السكك الحديدية ، وإنتاج الحديد والصلب ، والاستخدام الواسع النطاق للآلات في التصنيع، والزيادة الكبيرة في استخدام الطاقة البخارية والبترول ، شهدت هذه الفترة توسعاً في استخدام الكهرباء وتطبيق النظرية الكهرومغناطيسية في تطوير مختلف التقنيات.

شهدت ثمانينيات القرن التاسع عشر انتشار أنظمة الطاقة الكهربائية التجارية واسعة النطاق، والتي استُخدمت في البداية للإضاءة، ثم لاحقًا لتوليد الطاقة الكهربائية والتدفئة. استخدمت الأنظمة في بداياتها التيار المتردد والتيار المستمر . أصبح توليد الطاقة المركزي واسع النطاق ممكنًا عندما تبيّن أن خطوط نقل الطاقة الكهربائية بالتيار المتردد يمكن أن تستخدم المحولات للاستفادة من حقيقة أن كل مضاعفة للجهد تسمح لكابل بنفس الحجم بنقل نفس كمية الطاقة لمسافة أطول بأربع مرات. استُخدمت المحولات لرفع الجهد عند نقطة التوليد (على سبيل المثال، جهد المولد في نطاق الكيلوفولت المنخفض) إلى جهد أعلى بكثير (من عشرات الآلاف إلى عدة مئات الآلاف من الفولتات) للنقل الأولي، ثم خضعت لعدة تحويلات تنازلية للاستخدام التجاري والسكني. ^{[ 11 ]} بين عامي 1885 و1890 ، طُوّرت تيارات متعددة الأطوار مقترنة بالحث الكهرومغناطيسي ومحركات حثية عملية تعمل بالتيار المتردد . ^{[ 149 ]}

عُقد المعرض الدولي للهندسة الكهربائية عام 1891، والذي تميز بنقل التيار الكهربائي ثلاثي الأطوار عالي القدرة لمسافات طويلة. أُقيم المعرض في الفترة ما بين 16 مايو و19 أكتوبر في الموقع المهجور لمحطات السكك الحديدية الغربية الثلاث السابقة في فرانكفورت. وشهد المعرض أول عملية نقل للتيار الكهربائي ثلاثي الأطوار عالي القدرة لمسافات طويلة، حيث تم توليده على  بُعد 175 كيلومترًا في لاوفن آم نيكار. ونتيجةً لهذه التجربة الميدانية الناجحة، أصبح التيار ثلاثي الأطوار مُعتمدًا في شبكات نقل الطاقة الكهربائية في جميع أنحاء العالم. ^{[ 11 ]}

بُذلت جهودٌ كبيرة لتحسين مرافق محطات السكك الحديدية، ويكاد يكون من المستحيل إيجاد مهندس سكك حديدية بخارية واحد يُنكر أن جميع خطوط السكك الحديدية البخارية المهمة في هذا البلد لا ينبغي تشغيلها بالكهرباء. وفي مجالات أخرى، كان من المتوقع أن يكون التقدم في استخدام الطاقة الكهربائية سريعًا بنفس القدر. ففي كل أنحاء العالم، تُحوّل طاقة المياه المتدفقة، آلة الحركة الدائمة للطبيعة، التي ظلت تُهدر منذ بدء الخليقة، إلى كهرباء وتُنقل عبر الأسلاك لمئات الأميال إلى نقاط تُستخدم فيها بشكلٍ مفيد واقتصادي. ^{[ 11 ] [ 150 ]}

بُنيت أول طاحونة هوائية لتوليد الكهرباء في اسكتلندا في يوليو 1887 على يد المهندس الكهربائي الاسكتلندي جيمس بليث . ^{[ 151 ]} وعلى الجانب الآخر من المحيط الأطلسي، في كليفلاند بولاية أوهايو، صُممت وبُنيت آلة أكبر حجمًا وأكثر تطورًا هندسيًا في الفترة ما بين 1887 و1888 على يد تشارلز ف. براش . ^{[ 152 ]} وقد قامت شركته الهندسية ببناء هذه الآلة في منزله، وظلت تعمل من عام 1886 حتى عام 1900. ^{[ 153 ]} كان لتوربين براش الهوائي دوار بقطر 17 مترًا (56 قدمًا) ومثبت على برج بارتفاع 18 مترًا (60 قدمًا). وعلى الرغم من ضخامتها بمعايير اليوم، إلا أن قدرة الآلة لم تتجاوز 12 كيلوواط؛ وكانت تدور ببطء نسبيًا نظرًا لاحتوائها على 144 شفرة. وكان الدينامو المتصل بها يُستخدم إما لشحن مجموعة من البطاريات أو لتشغيل ما يصل إلى 100 مصباح متوهج ، وثلاثة مصابيح قوسية، ومحركات متنوعة في مختبر براش. تم إيقاف استخدام الآلة بعد عام 1900 عندما أصبحت الكهرباء متاحة من محطات كليفلاند المركزية، وتم التخلي عنها في عام 1908. ^{[ 154 ]}   

بين عامي 1900 و1910، اعتقد العديد من العلماء، مثل فيلهلم فين ، وماكس أبراهام ، وهيرمان مينكوفسكي ، وغوستاف مي، أن جميع قوى الطبيعة ذات أصل كهرومغناطيسي (ما يُعرف بـ"النظرة الكهرومغناطيسية للعالم"). وارتبط هذا الاعتقاد بنظرية الإلكترون التي طورها هندريك لورنتز بين عامي 1892 و1904 . وقد طرح لورنتز فصلاً دقيقاً بين المادة (الإلكترونات) والأثير، حيث يكون الأثير في نموذجه ساكناً تماماً، ولا يتحرك في محيط المادة. وعلى عكس نماذج الإلكترون السابقة، يظهر المجال الكهرومغناطيسي للأثير كوسيط بين الإلكترونات، ولا يمكن للتغيرات في هذا المجال أن تنتشر بسرعة تتجاوز سرعة الضوء.

في عام ١٨٩٦، وبعد ثلاث سنوات من تقديمه أطروحته حول تأثير كير ، خالف بيتر زيمان أوامر مشرفه المباشرة واستخدم معدات المختبر لقياس انقسام خطوط الطيف بفعل مجال مغناطيسي قوي. وقد شرح لورنتز تأثير زيمان نظريًا استنادًا إلى نظريته، والتي نال كلاهما بفضلها جائزة نوبل في الفيزياء عام ١٩٠٢. وكان من المفاهيم الأساسية في نظرية لورنتز عام ١٨٩٥ "نظرية الحالات المتناظرة" للمصطلحات من الرتبة v/c. وتنص هذه النظرية على أن المراقب المتحرك (بالنسبة للأثير) يُجري نفس الملاحظات التي يُجريها المراقب الساكن. قام لورنتز بتوسيع هذه النظرية لتشمل جميع الرتب في عام 1904. لاحظ لورنتز ضرورة تغيير متغيرات الزمكان عند تغيير الأطر المرجعية، وقدم مفاهيم مثل انكماش الطول الفيزيائي (1892) لتفسير تجربة ميكلسون-مورلي، والمفهوم الرياضي للزمن المحلي (1895) لتفسير انحراف الضوء وتجربة فيزو . نتج عن ذلك صياغة ما يُعرف بتحويل لورنتز على يد جوزيف لارمور (1897، 1900) ولورنتز (1899، 1904). ^{[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]} وكما أشار لورنتز لاحقًا (1921، 1928)، فقد اعتبر الوقت الذي تشير إليه الساعات الموجودة في الأثير هو الوقت "الحقيقي"، بينما اعتبر الزمن المحلي فرضية عمل استدلالية وحيلة رياضية. ^{[ 159 ] [ 160 ]} لذلك، ينظر المؤرخون المعاصرون إلى نظرية لورنتز على أنها تحويل رياضي من نظام "حقيقي" ثابت في الأثير إلى نظام "وهمي" متحرك. ^{[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]}

استكمالاً لأعمال لورنتز، صاغ هنري بوانكاريه، بين عامي 1895 و1905 ، مبدأ النسبية في مناسبات عديدة ، وحاول التوفيق بينه وبين الديناميكا الكهربائية. وأعلن أن التزامن ليس إلا اصطلاحاً ملائماً يعتمد على سرعة الضوء، وأن ثبات سرعة الضوء سيكون فرضية مفيدة لتبسيط قوانين الطبيعة قدر الإمكان. وفي عام 1900، فسّر بوانكاريه التوقيت المحلي للورنتز على أنه نتيجة لتزامن الساعات بواسطة إشارات ضوئية، وأدخل مفهوم الزخم الكهرومغناطيسي بمقارنة الطاقة الكهرومغناطيسية بما أسماه "سائلاً وهمياً" ذا كتلة.${\displaystyle m=E/c^{2}}$وأخيرًا، في يونيو ويوليو من عام 1905، أعلن بوانكاريه مبدأ النسبية قانونًا عامًا للطبيعة، يشمل الجاذبية. وقد صحّح بعض أخطاء لورنتز، وأثبت تباين لورنتز للمعادلات الكهرومغناطيسية. كما أشار بوانكاريه إلى وجود قوى غير كهربائية تُسهم في استقرار التوزيع الإلكتروني، وأكد أن الجاذبية قوة غير كهربائية أيضًا، خلافًا للنظرة الكهرومغناطيسية للعالم. مع ذلك، أشار المؤرخون إلى أنه ما زال يستخدم مفهوم الأثير، ويُميّز بين الزمن "الظاهري" والزمن "الحقيقي"، وبالتالي لم يخترع النسبية الخاصة بمفهومها الحديث. ^{[ 158 ] [ 161 ] [ 162 ] [ 163 ] [ 164 ] [ 165 ]}

في عام 1905، وأثناء عمله في مكتب براءات الاختراع، نشر ألبرت أينشتاين أربع أوراق بحثية في مجلة "حوليات الفيزياء" (Annalen der Physik) ، وهي المجلة الألمانية الرائدة في مجال الفيزياء. هذه هي الأوراق التي أطلق عليها التاريخ اسم " أوراق عام المعجزات" (Annus Mirabilis ).

• طرحت ورقته البحثية حول الطبيعة الجسيمية للضوء فكرة مفادها أن بعض النتائج التجريبية، ولا سيما التأثير الكهروضوئي ، يمكن فهمها ببساطة من خلال فرضية أن الضوء يتفاعل مع المادة على شكل "حزم" منفصلة ( كمات ) من الطاقة، وهي فكرة طرحها ماكس بلانك عام 1900 كمعالجة رياضية بحتة، والتي بدت متناقضة مع النظريات الموجية المعاصرة للضوء ( أينشتاين 1905أ ) . وكان هذا العمل الوحيد لأينشتاين الذي وصفه بنفسه بأنه "ثوري".
• شرحت ورقته البحثية حول الحركة البراونية الحركة العشوائية للأجسام الصغيرة جدًا كدليل مباشر على الفعل الجزيئي، مما يدعم النظرية الذرية . ( أينشتاين 1905ب )
• قدمت ورقته البحثية حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة النظرية النسبية الخاصة الجذرية ، والتي بينت أن استقلال سرعة الضوء الملحوظ عن حالة حركة الراصد يتطلب تغييرات جوهرية في مفهوم التزامن . ومن نتائج ذلك تباطؤ إطار الزمكان للجسم المتحرك وانكماشه (في اتجاه الحركة) بالنسبة لإطار الراصد. كما جادلت هذه الورقة بأن فكرة الأثير المضيء - أحد أهم الكيانات النظرية في الفيزياء آنذاك - كانت زائدة عن الحاجة. ( أينشتاين، ١٩٠٥ ج )
• في ورقته البحثية حول تكافؤ الكتلة والطاقة (والتي كانت تعتبر سابقاً مفاهيم متميزة)، استنتج أينشتاين من معادلاته في النسبية الخاصة ما أصبح فيما بعد التعبير المعروف:${\displaystyle E=mc^{2}}$مما يشير إلى إمكانية تحويل كميات ضئيلة من الكتلة إلى كميات هائلة من الطاقة. ( أينشتاين 1905د )

تُعتبر الأبحاث الأربعة اليوم إنجازات عظيمة، ولذا يُعرف عام 1905 بـ" عام آينشتاين الرائع ". مع ذلك، لم يلتفت إليها معظم الفيزيائيين آنذاك، بل إن الكثير ممن انتبهوا إليها رفضوها رفضًا قاطعًا. وظل بعض هذا العمل، كنظرية كمات الضوء، مثيرًا للجدل لسنوات. ^{[ 166 ] [ 167 ]}

يعود الفضل في أول صياغة لنظرية الكم التي تصف تفاعل الإشعاع والمادة إلى بول ديراك ، الذي تمكن في عام 1920 من حساب معامل الانبعاث التلقائي للذرة . [ ^{168 ] وصف} ديراك تكميم المجال الكهرومغناطيسي كمجموعة من المذبذبات التوافقية ، وذلك بإدخال مفهومي عاملي الإنشاء والإفناء للجسيمات. في السنوات اللاحقة، وبفضل إسهامات فولفغانغ باولي ، ويوجين فيغنر ، وباسكوال جوردان ، وفيرنر هايزنبرغ ، بالإضافة إلى صياغة أنيقة للديناميكا الكهربائية الكمية من قِبل إنريكو فيرمي ، ^{[ 169 ]} توصل الفيزيائيون إلى الاعتقاد بأنه من حيث المبدأ، يُمكن إجراء أي عملية حسابية لأي عملية فيزيائية تتضمن الفوتونات والجسيمات المشحونة. مع ذلك ^، كشفت دراسات لاحقة أجراها فيليكس بلوخ مع أرنولد نوردسيك [ ^{170 ] وفيكتور} فايسكوف [ 171 ^{] في} عامي 1937 و1939، أن هذه الحسابات موثوقة فقط عند الرتبة الأولى من نظرية الاضطراب ، وهي مشكلة أشار إليها روبرت أوبنهايمر سابقًا ^{[ 172 ]} . عند الرتب الأعلى في المتسلسلة، ظهرت اللانهاية، مما جعل هذه الحسابات عديمة الجدوى وأثار شكوكًا جدية حول الاتساق الداخلي للنظرية نفسها. في ظل عدم وجود حل معروف لهذه المشكلة آنذاك، بدا أن هناك تناقضًا جوهريًا بين النسبية الخاصة وميكانيكا الكم .

في ديسمبر 1938، أرسل الكيميائيان الألمانيان أوتو هان وفريتز ستراسمان مخطوطة إلى مجلة "ناتورفيسنشافتن" يُفيدان فيها باكتشافهما عنصر الباريوم بعد قذف اليورانيوم بالنيوترونات ؛ ^{[ 173 ]} وفي الوقت نفسه، أبلغا ليز مايتنر بهذه النتائج . فسّرت مايتنر، وابن أخيها أوتو روبرت فريش ، هذه النتائج بشكل صحيح على أنها انشطار نووي . ^{[ 174 ]} وأكد فريش ذلك تجريبيًا في 13 يناير 1939. ^{[ 175 ]} في عام 1944، حصل هان على جائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافه الانشطار النووي. ويعتقد بعض المؤرخين الذين وثّقوا تاريخ اكتشاف الانشطار النووي أن مايتنر كان ينبغي أن تُمنح جائزة نوبل مع هان. ^{[ 176 ] [ 177 ] [ 178 ]} 

ازدادت صعوبات نظرية الكم حتى نهاية عام ١٩٤٠. وقد أتاحت التحسينات في تكنولوجيا الموجات الدقيقة إمكانية إجراء قياسات أكثر دقة لانزياح مستويات ذرة الهيدروجين ، ^{[ ١٧٩ ]} والمعروف الآن بانزياح لامب، والعزم المغناطيسي للإلكترون. ^{[ ١٨٠ ]} كشفت هذه التجارب بشكل قاطع عن تناقضات عجزت النظرية عن تفسيرها. مع اختراع غرف الفقاعات وغرف الشرارة في خمسينيات القرن العشرين، اكتشف علم فيزياء الجسيمات التجريبي عددًا كبيرًا ومتزايدًا باستمرار من الجسيمات تُسمى الهادرونات . وبدا أن هذا العدد الكبير من الجسيمات لا يمكن أن يكون جميعها أساسيًا .

بعد انتهاء الحرب بفترة وجيزة عام ١٩٤٥، شكّلت مختبرات بيل فريقًا لفيزياء الحالة الصلبة، بقيادة ويليام شوكلي والكيميائي ستانلي مورغان؛ وضمّ الفريق أيضًا جون باردين ووالتر براتين ، والفيزيائي جيرالد بيرسون، والكيميائي روبرت جيبني، وخبير الإلكترونيات هيلبرت مور، وعددًا من الفنيين. كانت مهمتهم البحث عن بديل صلب لمضخمات الصمامات المفرغة الزجاجية الهشة . استندت محاولاتهم الأولى إلى أفكار شوكلي حول استخدام مجال كهربائي خارجي على أشباه الموصلات للتأثير على موصليتها. باءت هذه التجارب بالفشل في كل مرة، مهما اختلفت التكوينات والمواد. بقي الفريق في حالة جمود حتى اقترح باردين نظريةً تستند إلى حالات سطحية تمنع المجال من اختراق أشباه الموصلات. حوّل الفريق تركيزه لدراسة هذه الحالات السطحية، وكانوا يجتمعون بشكل شبه يومي لمناقشة العمل. كانت العلاقة بين أعضاء الفريق ممتازة، وتبادلوا الأفكار بحرية. ^{[ ١٨١ ]}

فيما يتعلق بمشاكل تجارب الإلكترون، قدّم هانز بيثه مسارًا للحل . ففي عام ١٩٤٧، أثناء سفره بالقطار من نيويورك إلى سكنيكتادي ، ^{[ ١٨٢ ]} وبعد إلقاء محاضرة في مؤتمر شيلتر آيلاند حول هذا الموضوع، أنجز بيثه أول حساب غير نسبي لانزياح خطوط ذرة الهيدروجين كما قاسها لامب وريثرفورد. ^{[ ١٨٣ ]} وعلى الرغم من محدودية الحساب، فقد كان التوافق ممتازًا. وتتلخص الفكرة ببساطة في إضافة قيم لانهائية إلى تصحيحات الكتلة والشحنة التي كانت محددة فعليًا بقيمة نهائية من خلال التجارب. وبهذه الطريقة، تُدمج القيم اللانهائية في تلك الثوابت ، مما ينتج عنه نتيجة نهائية تتوافق جيدًا مع التجارب. وقد سُميت هذه العملية بإعادة التطبيع .

استنادًا إلى حدس بيث والأبحاث الأساسية في هذا المجال لكل من شينيتشيرو توموناغا ^{[ 184 ]} ، وجوليان شوينغر [ ^{185 ] [ 186 ] ،} وريتشارد فاينمان ^{[ 187 ] [ 188 ] [ 189 ]} ، وفريمان دايسون ^{[ 190 ] [ 191 ]} ، أصبح من الممكن أخيرًا الحصول على صيغ متغيرة تمامًا ومحدودة عند أي رتبة في سلسلة اضطراب الديناميكا الكهربائية الكمومية. وقد مُنح شينيتشيرو توموناغا وجوليان شوينغر وريتشارد فاينمان جائزة نوبل في الفيزياء عام 1965 تقديرًا لإسهاماتهم في هذا المجال ^{[ 192 ]} . وتمحورت إسهاماتهم، إلى جانب إسهامات فريمان دايسون ، حول الصيغ المتغيرة وغير المتغيرة للمقياس في الديناميكا الكهربائية الكمومية، والتي تسمح بحساب الكميات القابلة للرصد عند أي رتبة من نظرية الاضطراب . بدت التقنية الرياضية التي ابتكرها فاينمان، والمبنية على مخططاته ، في البداية مختلفة تمامًا عن النهج القائم على نظرية الحقول والمؤثرات الذي اتبعه شوينجر وتوموناغا، لكن فريمان دايسون أثبت لاحقًا أن النهجين متكافئان. ^{[ 190 ]} وقد أصبح إعادة التطبيع ، أي ضرورة إضفاء معنى فيزيائي على بعض التباينات التي تظهر في النظرية من خلال التكاملات ، أحد الجوانب الأساسية لنظرية الحقل الكمومي، ويُنظر إليه كمعيار لقبول النظرية بشكل عام. ورغم أن إعادة التطبيع فعالة جدًا في التطبيق العملي، إلا أن فاينمان لم يكن مرتاحًا تمامًا لصحتها الرياضية، حتى أنه وصفها بأنها "لعبة خادعة" و"شعوذة". ^{[ 193 ]} وقد شكلت نظرية الكهروديناميكا الكمية نموذجًا وقاعدةً لجميع نظريات الحقل الكمومي اللاحقة. أظهر بيتر هيغز وجيفري غولدستون وآخرون، وشيلدون غلاشو وستيفن واينبرغ وعبد السلام بشكل مستقل كيف يمكن دمج القوة النووية الضعيفة والديناميكا الكهربائية الكمومية في قوة كهروضعيفة واحدة .

نسب روبرت نويس الفضل إلى كورت ليهوفيتش في مبدأ عزل وصلة p-n الناتج عن عمل وصلة p-n منحازة (الدايود)، باعتباره مفهومًا أساسيًا وراء الدائرة المتكاملة . ^{[ 194 ]} سجل جاك كيلبي أفكاره الأولية المتعلقة بالدائرة المتكاملة في يوليو 1958، ونجح في عرض أول دائرة متكاملة عاملة في 12 سبتمبر 1958. ^{[ 195 ]} في طلب براءة اختراعه بتاريخ 6 فبراير 1959، وصف كيلبي جهازه الجديد بأنه "جسم من مادة شبه موصلة... حيث تكون جميع مكونات الدائرة الإلكترونية متكاملة تمامًا". ^{[ 196 ]} فاز كيلبي بجائزة نوبل في الفيزياء عام 2000 لمساهمته في اختراع الدائرة المتكاملة. ^{[ 197 ]} توصل روبرت نويس أيضًا إلى فكرته الخاصة عن الدائرة المتكاملة بعد ستة أشهر من كيلبي. حلت شريحة نويس العديد من المشاكل العملية التي لم تحلها شريحة كيلبي. كانت رقاقة نويس، التي صنعت في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات ، مصنوعة من السيليكون ، بينما كانت رقاقة كيلبي مصنوعة من الجرمانيوم .

قام فيلو فارنسورث بتطوير جهاز فارنسورث-هيرش فيوزور ، أو ببساطة فيوزور، وهو جهاز صممه فارنسورث لإنتاج الاندماج النووي . على عكس معظم أنظمة الاندماج المُتحكم بها، التي تُسخّن البلازما المحصورة مغناطيسيًا ببطء ، يقوم الفيوزور بحقن أيونات عالية الحرارة مباشرةً في غرفة التفاعل، متجنبًا بذلك قدرًا كبيرًا من التعقيد. عندما طُرح جهاز فارنسورث-هيرش فيوزور لأول مرة في عالم أبحاث الاندماج في أواخر الستينيات، كان أول جهاز يُمكنه إثبات قدرته على إنتاج تفاعلات الاندماج بشكل واضح. كانت الآمال كبيرة آنذاك في إمكانية تطويره بسرعة ليصبح مصدرًا عمليًا للطاقة. مع ذلك، وكما هو الحال مع تجارب الاندماج الأخرى، أثبت تطويره ليصبح مصدرًا للطاقة صعوبته. ومع ذلك، أصبح الفيوزور منذ ذلك الحين مصدرًا عمليًا للنيوترونات ويُنتج تجاريًا لهذا الغرض. ^{[ 198 ]}

ينتج عن صورة معكوسة لمغناطيس كهربائي مجال ذو قطبية معاكسة. وبالتالي، فإن قطبي المغناطيس الشمالي والجنوبي لهما نفس التناظر كما هو الحال مع اليسار واليمين. قبل عام 1956، كان يُعتقد أن هذا التناظر تام، وأن الفني لن يتمكن من التمييز بين قطبي المغناطيس الشمالي والجنوبي إلا بالرجوع إلى اليسار واليمين. في ذلك العام، تنبأ كل من تي دي لي وسي إن يانغ بعدم حفظ التكافؤ في التفاعل الضعيف. ولدهشة العديد من الفيزيائيين، أثبت سي إس وو وزملاؤه في المكتب الوطني الأمريكي للمعايير عام 1957 أنه في ظل ظروف مناسبة لاستقطاب النوى، فإن تحلل بيتا للكوبالت -60 يُطلق بشكل تفضيلي إلكترونات باتجاه القطب الجنوبي للمجال المغناطيسي الخارجي، وعددًا أكبر قليلاً من أشعة غاما باتجاه القطب الشمالي. ونتيجة لذلك، لا يتصرف الجهاز التجريبي بشكل مماثل لصورته المعكوسة. ^{[ 199 ] [ 200 ] [ 201 ]}

كانت الخطوة الأولى نحو النموذج القياسي اكتشاف شيلدون غلاشو ، عام 1960، لطريقةٍ تجمع بين التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة . ^{[ 202 ]} وفي عام 1967، أدمج ستيفن واينبرغ ^{[ 203 ]} وعبد السلام ^{[ 204 ]} آلية هيغز ^{[ 205 ] [ 206 ] [ 207 ]} في نظرية غلاشو الكهروضعيفة ، مما أعطاها شكلها الحديث. يُعتقد أن آلية هيغز هي المسؤولة عن كتل جميع الجسيمات الأولية في النموذج القياسي. ويشمل ذلك كتل بوزونات W وZ ، وكتل الفرميونات - أي الكواركات واللبتونات . بعد اكتشاف التيارات الضعيفة المحايدة الناتجة عن تبادل بوزونات Z في مركز سيرن عام 1973، ^{[ 208 ] [ 209 ] [ 210 ] [ 211 ]} حظيت نظرية التفاعل الكهروضعيف بقبول واسع، وتقاسم غلاشو وسلام وواينبرغ جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979 لاكتشافها. تم اكتشاف بوزونات W وZ تجريبياً عام 1981، ووُجد أن كتلها تتوافق مع تنبؤات النموذج القياسي. أما نظرية التفاعل القوي ، التي ساهم فيها العديد من العلماء، فقد اتخذت شكلها الحديث في الفترة ما بين 1973 و1974، عندما أكدت التجارب أن الهادرونات تتكون من كواركات ذات شحنات جزئية. مع تأسيس الديناميكا اللونية الكمومية في السبعينيات، تم وضع مجموعة من الجسيمات الأساسية والتبادلية، مما سمح بإنشاء " نموذج قياسي " قائم على رياضيات ثبات القياس ، والذي وصف بنجاح جميع القوى باستثناء الجاذبية، والذي لا يزال مقبولاً بشكل عام ضمن المجال الذي صُمم لتطبيقه عليه.

يجمع "النموذج القياسي" نظرية التفاعل الكهروضعيف والديناميكا اللونية الكمومية في بنية يُرمز لها بمجموعة القياس SU(3)×SU(2)×U(1) . ويعود الفضل في صياغة توحيد التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة في النموذج القياسي إلى عبد السلام ، وستيفن واينبرغ ، ولاحقًا شيلدون غلاشو . بعد اكتشاف وجود تيارات ضعيفة متعادلة في مركز سيرن ، ^{[ 212 ] [ 213 ] [ 214 ] [ 215 ]} تتوسطها جسيمات Z المتوقعة في النموذج القياسي، حصل الفيزيائيون سلام وغلاشو وواينبرغ على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979 لنظريتهم الكهروضعيفة. ^{[ 216 ]} منذ ذلك الحين، أعطت اكتشافات الكوارك السفلي (1977)، والكوارك العلوي (1995)، ونيوترينو تاو (2000)، وبوزون هيغز (2012) مصداقية للنموذج القياسي.

توجد مجموعة من تقنيات الطاقة الناشئة . وبحلول عام 2007، كانت مكثفات الطبقة المزدوجة الكهربائية ذات الحالة الصلبة، والمصنوعة من موصلات أيونية فائقة متطورة، تُستخدم في الإلكترونيات منخفضة الجهد، مثل الإلكترونيات النانوية ذات الجهد المنخفض للغاية والتقنيات ذات الصلة (  العقدة التكنولوجية 22 نانومتر لتقنية CMOS وما بعدها). كما اخترع فريق بقيادة الدكتور يي كوي بطارية الأسلاك النانوية ، وهي بطارية أيونات الليثيوم، في عام 2007.

النظرية الموحدة الكبرى (GUT) هي نموذج في فيزياء الجسيمات، حيث تندمج القوة الكهرومغناطيسية، عند الطاقات العالية، مع تفاعلي القياس الآخرين في النموذج القياسي ، وهما القوة النووية الضعيفة والقوة النووية القوية . وقد طُرحت العديد من النظريات المرشحة، لكن لا يوجد أي منها مدعوم بشكل مباشر بأدلة تجريبية. غالبًا ما يُنظر إلى النظريات الموحدة الكبرى على أنها خطوات وسيطة نحو " نظرية كل شيء " (TOE)، وهي نظرية افتراضية في الفيزياء النظرية تُفسر بشكل كامل وتربط بين جميع الظواهر الفيزيائية المعروفة، ومن الناحية المثالية، تتمتع بقدرة تنبؤية على نتائج أي تجربة يُمكن إجراؤها من حيث المبدأ. لم يتم قبول أي نظرية من هذا القبيل حتى الآن من قِبل مجتمع الفيزياء.

بدأ مفهوم القطب المغناطيسي الأحادي ^{[ 222 ]} في النظرية الكمومية للشحنة المغناطيسية بورقة بحثية للفيزيائي بول ديراك عام 1931. ^{[ 223 ]} ولا يزال رصد الأقطاب المغناطيسية الأحادية يمثل معضلة مفتوحة في الفيزياء التجريبية. ففي بعض النماذج النظرية ، يُستبعد رصد الأقطاب المغناطيسية الأحادية، نظرًا لكتلتها الهائلة التي تحول دون إنتاجها في مسرعات الجسيمات ، وندرتها الشديدة في الكون التي تجعل دخولها إلى كاشف الجسيمات أمرًا غير مرجح.

بعد أكثر من عشرين عامًا من البحث المكثف، لا يزال أصل الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية غير واضح، ولكن يبدو أنه بدلًا من آليات تجاذب الإلكترون-الفونون ، كما هو الحال في الموصلية الفائقة التقليدية، فإننا نتعامل مع آليات إلكترونية حقيقية (مثل الارتباطات المضادة للمغناطيسية )، وبدلًا من اقتران الموجة s ، فإن اقترانات الموجة d ^{[ 224 ]} هي السائدة. ^{[ 225 ]} أحد أهداف هذا البحث هو تحقيق الموصلية الفائقة عند درجة حرارة الغرفة . ^{[ 226 ]}