مولد كهرساكن

تُسمى المولدات الكهروستاتيكية الأولى بآلات الاحتكاك نظرًا للاحتكاك الذي يحدث أثناء عملية التوليد. وقد اخترع أوتو فون جيريكه شكلاً بدائيًا من آلة الاحتكاك حوالي عام 1663 ، باستخدام كرة كبريتية يمكن تدويرها وفركها باليد. ربما لم تكن تُدار فعليًا أثناء الاستخدام، ولم يكن الهدف منها إنتاج الكهرباء (بل "الفضائل الكونية")، ^{[ 1 ]} لكنها ألهمت العديد من الآلات اللاحقة التي استخدمت كرات دوارة. صنع إسحاق نيوتن مولده الكهروستاتيكي البدائي الخاص، وكان أول من استخدم كرة زجاجية بدلًا من كرة الكبريت. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} وفي حوالي عام 1706، حسّن فرانسيس هوكسبي التصميم الأساسي، ^{[ 5 ]} بآلته الكهربائية الاحتكاكية التي مكّنت من تدوير كرة زجاجية بسرعة على قطعة قماش صوفية. ^{[ 6 ]}

شهدت المولدات مزيدًا من التطور عندما أضاف البروفيسور جورج ماتياس بوس من فيتنبرغ، حوالي عام 1730، موصلًا جامعًا (أنبوبًا أو أسطوانة معزولة مدعومة بخيوط حريرية). وكان بوس أول من استخدم " الموصل الرئيسي " في هذه الآلات، والذي يتكون من قضيب حديدي يمسكه شخص في يده، بينما يكون جسمه معزولًا بالوقوف على كتلة من الراتنج.

في عام ١٧٤٦، ابتكر ويليام واتسون آلةً تتألف من عجلة كبيرة تُدير عدة كرات زجاجية، مع سيف وفوهة بندقية معلقين بخيوط حريرية كموصلات رئيسية. استبدل يوهان هاينريش فينكلر ، أستاذ الفيزياء في لايبزيغ ، اليد بوسادة جلدية. وفي العام نفسه، اخترع يان إنجنهاوس آلات كهربائية مصنوعة من الزجاج المسطح. ^{[ ٧ ]} وقد ساهم اختراع قارورة ليدن بشكل كبير في تسهيل التجارب على الآلة الكهربائية . هذا الشكل المبكر للمكثف ، ذو الطلاءات الموصلة على جانبي الزجاج، قادر على تخزين شحنة كهربائية عند توصيله بمصدر للقوة الدافعة الكهربائية.

سرعان ما طرأ تحسين إضافي على الآلة الكهربائية على يد أندرو (أندرياس) غوردون ، وهو اسكتلندي وأستاذ في إرفورت، الذي استبدل الكرة الزجاجية بأسطوانة زجاجية؛ وعلى يد جيسينغ من لايبزيغ الذي أضاف "مطاطة" تتكون من وسادة من الصوف. أُضيف المجمع، الذي يتكون من سلسلة من النقاط المعدنية، إلى الآلة على يد بنيامين ويلسون حوالي عام 1746، وفي عام 1762، حسّن جون كانتون من إنجلترا (وهو أيضًا مخترع أول مكشاف كهربائي كروي) كفاءة الآلات الكهربائية برشّ ملغم من القصدير على سطح المطاط. ^{[ 8 ]} وفي عام 1768، صنع جيسي رامسدن نسخة شائعة الاستخدام من مولد كهربائي لوحي.

في عام ١٧٨٣، صمّم العالم الهولندي مارتن فان ماروم من هارلم آلةً كهروستاتيكية كبيرة عالية الجودة مزودة بأقراص زجاجية قطرها ١.٦٥ متر لتجاربه. كانت هذه الآلة قادرة على توليد جهد كهربائي بأي قطبية، وقد بُنيت تحت إشرافه في العام التالي على يد جون كوثبرتسون من أمستردام. ويُعرض هذا المولد حاليًا في متحف تيلرز في هارلم.

في عام ١٧٨٥، صنع ن. رولاند آلةً مزودةً بحزام حريري، تعمل عن طريق احتكاك أنبوبين مؤرضين مغطيين بفراء الأرنب. وفي عام ١٧٨٧، طوّر إدوارد نيرن مولدًا كهربائيًا ساكنًا للأغراض الطبية، قادرًا على توليد تيار كهربائي موجب أو سالب، حيث يُجمع التيار الموجب من الموصل الرئيسي الذي يحمل نقاط التجميع، بينما يُجمع التيار السالب من موصل رئيسي آخر يحمل وسادة الاحتكاك. وقد تميزت آلة وينتر بكفاءة أعلى من آلات الاحتكاك السابقة.

في ثلاثينيات القرن التاسع عشر، امتلك جورج أوم آلة مشابهة لآلة فان ماروم لأبحاثه (وهي موجودة الآن في المتحف الألماني في ميونيخ، ألمانيا). وفي عام 1840، طُوّرت آلة وودوارد بتحسين آلة رامسدن التي تعود لعام 1768، وذلك بوضع الموصل الرئيسي فوق القرص (الأقراص). وفي العام نفسه، طُوّرت آلة أرمسترونغ الكهرومائية ، التي تستخدم البخار كناقل للشحنة.

يؤدي وجود اختلال في الشحنة السطحية إلى توليد قوى تجاذب أو تنافر بين الأجسام. وينتج هذا الاختلال، الذي يُسبب الكهرباء الساكنة، عن تلامس سطحين مختلفين ثم فصلهما، وذلك بفعل ظاهرة الاحتكاك الكهربائي . يُمكن توليد كمية كبيرة من الكهرباء الساكنة عن طريق فرك جسمين غير موصلين. ولا ينتج هذا عن الاحتكاك، إذ يُمكن شحن سطحين غير موصلين بمجرد وضع أحدهما فوق الآخر. ولأن معظم الأسطح خشنة الملمس، فإن الشحن عن طريق التلامس يستغرق وقتًا أطول من الشحن عن طريق الفرك. ويزيد فرك الأجسام من قوة التلامس بين السطحين. عادةً ما تكون المواد العازلة ، أي المواد التي لا تُوصل الكهرباء، فعّالة في توليد الشحنة السطحية والاحتفاظ بها. ومن أمثلة هذه المواد: المطاط ، والبلاستيك ، والزجاج ، ونخاع العظم . تُولّد الأجسام الموصلة عند تلامسها اختلالًا في الشحنة أيضًا، ولكنها تحتفظ بالشحنات فقط إذا كانت معزولة. وتُخزّن الشحنة المنتقلة أثناء التكهرب التلامسي على سطح كل جسم. تجدر الإشارة إلى أن وجود التيار الكهربائي لا يُضعف القوى الكهروستاتيكية ولا الشرارة أو التفريغ الإكليلي أو غيرها من الظواهر. إذ يمكن أن تتواجد كلتا الظاهرتين معًا في النظام نفسه.

مع مرور الوقت، حلت آلات التأثير محل آلات الاحتكاك تدريجيًا، وهي النوع الثاني من الأدوات المذكورة سابقًا . تعمل هذه الآلات عن طريق الحث الكهروستاتيكي ، وتحول الشغل الميكانيكي إلى طاقة كهروستاتيكية بمساعدة شحنة أولية صغيرة يتم تجديدها وتعزيزها باستمرار. ويبدو أن أول فكرة لآلة التأثير قد انبثقت من اختراع فولتا لجهاز الإلكتروفوروس . الإلكتروفوروس عبارة عن مكثف ذي لوح واحد يُستخدم لإحداث اختلالات في الشحنة الكهربائية عبر عملية الحث الكهروستاتيكي.

كانت الخطوة التالية عندما وصف أبراهام بينيت ، مخترع المنظار الكهربائي ذي الورقة الذهبية، " مضاعفًا للكهرباء " (Phil. Trans.، 1787)، كجهاز مشابه للمجهر الكهربائي، ولكنه قادر على تضخيم شحنة صغيرة عن طريق عمليات يدوية متكررة بثلاث صفائح معزولة، لجعلها قابلة للملاحظة في المنظار الكهربائي. في عام 1788، اقترح ويليام نيكلسون مضاعفه الدوار، والذي يمكن اعتباره أول آلة تأثير دوارة. وُصف جهازه بأنه "أداة تُنتج حالتي الكهرباء عن طريق تدوير رافعة دون احتكاك أو اتصال بالأرض" (Phil. Trans.، 1788، ص  403). وصف نيكلسون لاحقًا جهاز "المكثف الدوار"، كأداة أفضل للقياسات.

قام كل من إيراسموس داروين ، وويليام ويلسون، وجي سي بوننبرغر، و(لاحقًا، عام 1841) جي سي إي بيكلي بتطوير تعديلات مختلفة على جهاز بينيت الذي ابتكره عام 1787. وفي عام 1816، قام فرانسيس رونالدز بأتمتة عملية التوليد عن طريق تكييف ثقل البندول كأحد الألواح، وتشغيله بواسطة آلية الساعة أو محرك بخاري - وقد ابتكر الجهاز لتشغيل التلغراف الكهربائي الخاص به . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

قام آخرون، بمن فيهم تي. كافالو (الذي طور " مضاعف كافالو "، وهو مضاعف شحنة يعتمد على الجمع البسيط، عام 1795)، وجون ريد ، وتشارلز برنارد ديزورم ، وجان نيكولا بيير هاشيت ، بتطوير أشكال مختلفة من المضاعفات الدوارة. وفي عام 1798، وصف العالم والواعظ الألماني غوتليب كريستوف بوننبرغر آلة بوننبرغر ، إلى جانب العديد من المضاعفات الأخرى من نوعي بينيت ونيكلسون، في كتاب. وقد وُصفت أكثر هذه المضاعفات إثارة للاهتمام في "حوليات الفيزياء" (1801). وفي عام 1831، طور جوزيبي بيلي مضاعفًا متناظرًا بسيطًا يتكون من لوحين معدنيين منحنيين يدور بينهما زوج من الألواح المحمولة على ساق عازلة. وكانت هذه أول آلة تأثير متناظرة، ذات هياكل متطابقة لكلا الطرفين. أُعيد اختراع هذا الجهاز عدة مرات، على يد سي. إف. فارلي ، الذي حصل على براءة اختراع لنسخة عالية الطاقة عام 1860، وعلى يد اللورد كلفن (المعروف باسم "المُجدِّد") عام 1868، وعلى يد إيه  . دي. مور (المعروف باسم "الديرود") في الآونة الأخيرة. كما ابتكر اللورد كلفن آلة تأثير وآلة كهرومغناطيسية مُدمجة، تُعرف باسم " مطحنة الفأر "، لكهربة الحبر بالاقتران مع مُسجِّل السيفون الخاص به ، ومولدًا كهرساكنًا بقطرات الماء (1867)، والذي أطلق عليه اسم " مكثف قطرات الماء ".

آلة هولتز

بين عامي 1864 و1880، قام دبليو تي بي هولتز بتصميم ووصف عدد كبير من آلات التأثير التي اعتُبرت من أكثر التطورات تقدماً في ذلك الوقت. في أحد أشكالها، كانت آلة هولتز تتألف من قرص زجاجي مثبت على محور أفقي، ويمكن تدويره بسرعة كبيرة بواسطة ترس مضاعف، يتفاعل مع صفائح حث مثبتة على قرص ثابت قريب منه. في عام 1865، طوّر أوغست جيه آي توبلر آلة تأثير تتكون من قرصين مثبتين على نفس المحور ويدوران في نفس الاتجاه. في عام 1868، تميزت آلة شويدوف ببنية فريدة لزيادة تيار الخرج. وفي العام نفسه، طُوّرت عدة آلات تأثير احتكاكي مختلطة، من بينها آلة كوندت وآلة كاريه . في عام 1866، طُوّرت آلة بيش (أو آلة بيرتش ). في عام 1869، حصل إتش يوليوس سميث على براءة اختراع أمريكية لجهاز محمول ومحكم الإغلاق مصمم لإشعال البارود. وفي عام 1869 أيضًا، قام بوغندورف بالتحقيق في الآلات التي لا تحتوي على قطاعات في ألمانيا .

أجرى كلٌّ من ف. روسيتي ، وأ. ريغي ، وفريدريش كولراوش مزيدًا من البحث حول آلية عمل وكفاءة آلات التأثير . كما درس كلٌّ من إ. إ. ن. ماسكارت ، وأ. رويتي ، وإ. بوشوت كفاءة آلات التأثير وقدرتها على توليد التيار. وفي عام ١٨٧١، بحث موسايوس في الآلات غير القطاعية. وفي عام ١٨٧٢، طُوِّر مقياس ريغي الكهربائي ، الذي كان من أوائل النماذج الأولية لمولد فان دي غراف. وفي عام ١٨٧٣، طوّر ليزر آلة ليزر ، وهي نسخة معدلة من آلة هولتز. وفي عام ١٨٨٠، ابتكر روبرت فوس (صانع أدوات من برلين) شكلًا من أشكال الآلات زعم فيه أنه يجمع بين مبادئ توبلر وهولتز. وأصبح هذا التصميم يُعرف أيضًا باسم آلة توبلر-هولتز .

آلة ويمشورست

في عام 1878، بدأ المخترع البريطاني جيمس ويمشورست دراساته حول المولدات الكهروستاتيكية، مُحسِّنًا آلة هولتز، بإصدار قوي متعدد الأقراص. وبحلول عام 1883، تم تقديم آلة ويمشورست الكلاسيكية، التي أصبحت الشكل الأكثر شيوعًا لآلات التأثير، إلى المجتمع العلمي، على الرغم من أن هولتز وموسايوس قد وصفا سابقًا آلات ذات هياكل مشابهة جدًا. وفي عام 1885، تم بناء إحدى أكبر آلات ويمشورست على الإطلاق في إنجلترا (وهي موجودة الآن في متحف شيكاغو للعلوم والصناعة ). تُعد آلة ويمشورست آلة بسيطة نسبيًا؛ فهي تعمل، كجميع آلات التأثير، بالحث الكهروستاتيكي للشحنات، مما يعني أنها تستخدم حتى أدنى شحنة موجودة لإنشاء وتجميع المزيد من الشحنات، وتكرر هذه العملية طالما أن الآلة قيد التشغيل. تتكون آلات ويمشورست من: قرصين معزولين متصلين ببكرات تدور في اتجاهين متعاكسين، ويحتوي القرصان على صفائح موصلة صغيرة (عادةً ما تكون معدنية) على جوانبهما الخارجية؛ فرشاتان مزدوجتا الأطراف تعملان كمثبتات للشحنات، وهما أيضاً موضع حدوث الحث، مما يُنتج شحنات جديدة ليتم تجميعها؛ زوجان من الأمشاط المجمعة، وهي، كما يوحي اسمها، تجمع الشحنات الكهربائية التي ينتجها الجهاز؛ وعاءان من نوع ليدن، وهما مكثفا الجهاز؛ زوج من الأقطاب الكهربائية، لنقل الشحنات بعد تراكمها بشكل كافٍ. إن بساطة تركيب ومكونات جهاز ويمشورست تجعله خياراً شائعاً لإجراء تجارب أو عروض توضيحية منزلية في مجال الكهرباء الساكنة، وقد ساهمت هذه الخصائص في انتشاره، كما ذُكر سابقاً. ^{[ 11 ]}

في عام ١٨٨٧، عدّل واينهولد آلة ليزر بنظام من المحاثات المعدنية العمودية ذات الأسطوانات الخشبية القريبة من القرص لتجنب انعكاس القطبية. ووصف إم إل ليبيز آلة ليبيز ، التي كانت في الأساس نسخة مبسطة من آلة فوس ( مجلة الكهربائي ، أبريل ١٨٩٥، الصفحات  ٢٢٥-٢٢٧). وفي عام ١٨٩٣، حصل لويس بونيتي على براءة اختراع لآلة ذات بنية مشابهة لآلة ويمشورست، ولكن بدون قطاعات معدنية في الأقراص. ^{[ ١٢ ] [ ١٣ ]} هذه الآلة أقوى بكثير من النسخة ذات القطاعات، ولكن عادةً ما يتطلب تشغيلها شحنة خارجية.

اخترع الفيزيائي الأمريكي روبرت ج. فان دي غراف مولد فان دي غراف عام 1929 في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) كمسرع للجسيمات. ^{[ 14 ]} عُرض النموذج الأول في أكتوبر 1929. في جهاز فان دي غراف، ينقل حزام عازل الشحنة الكهربائية إلى داخل طرف معدني مجوف معزول عالي الجهد، حيث تُنقل الشحنة إلى الطرف بواسطة "مشط" من النقاط المعدنية. تكمن ميزة هذا التصميم في أنه نظرًا لعدم وجود مجال كهربائي داخل الطرف، يمكن للشحنة الموجودة على الحزام أن تستمر في التفريغ على الطرف بغض النظر عن ارتفاع الجهد عليه. وبالتالي، فإن الحد الوحيد للجهد على الجهاز هو تأين الهواء المجاور للطرف. يحدث هذا عندما يتجاوز المجال الكهربائي عند الطرف قوة العزل الكهربائي للهواء، والتي تبلغ حوالي 30  كيلو فولت لكل سنتيمتر. ولأن أعلى مجال كهربائي يتولد عند النقاط والحواف الحادة، يُصنع الطرف على شكل كرة مجوفة ملساء؛ وكلما زاد قطرها، زاد الجهد المُحقق. استخدمت الآلة الأولى شريطًا حريريًا تم شراؤه من متجر متعدد الأقسام كحزام لنقل الشحنة. وفي عام 1931، تم وصف نسخة قادرة على إنتاج مليون فولت في إفصاح عن براءة اختراع.

كان مولد فان دي غراف مسرعًا ناجحًا للجسيمات، حيث أنتج أعلى الطاقات حتى أواخر ثلاثينيات القرن العشرين عندما حلّ محله السيكلوترون  . يقتصر الجهد الكهربائي في أجهزة فان دي غراف المكشوفة على بضعة ملايين من الفولتات بسبب انهيار الهواء. وقد تم تحقيق جهود أعلى، تصل إلى حوالي 25 ميغا فولت، عن طريق وضع المولد داخل خزان من غاز عازل مضغوط. لا يزال هذا النوع من مسرعات فان دي غراف للجسيمات يُستخدم في الطب والبحوث. كما تم ابتكار أنواع أخرى لأبحاث الفيزياء، مثل بيليترون ، الذي يستخدم سلسلة ذات حلقات متناوبة من مواد عازلة وموصلة لنقل الشحنة.

تُستخدم مولدات فان دي غراف الصغيرة بشكل شائع في متاحف العلوم والتعليم العلمي لتوضيح مبادئ الكهرباء الساكنة. ومن العروض التوضيحية الشائعة أن يقوم شخص بلمس طرف الجهد العالي وهو واقف على دعامة معزولة؛ فيؤدي الجهد العالي إلى شحن شعر الشخص، مما يجعل الخصلات تبرز من الرأس.