Az elektromosság és a mágnesség jelenségét már a régi görögök is ismerték és valószínűleg az antik világ többi népei is. E jelenségek rendszeres tanulmányozásához azonban csak a művészetek és tudományok reneszánszának kezdetén fogtak hozzá.

Angol természettudós, Sir William Gilbert (1544. máj. 24 – 1603. nov. 30), aki I. Erzsébet angol királynő udvari orvosa és Galileo Galilei (1564. feb. 15 – 1642. jan. 7) kortársa volt, gondos kísérleteket végzett a mágnesek kölcsönhatására vonatkozóan. Eredményeit De Magnete c. könyvében tette közzé. A könyv a mágnesek összes lényeges kvalitatív tulajdonságának leírását tartalmazza, ezért egyes körökben őt tekintik a elektromosság, mágnesség atyjának. Gilbert lelkes híve volt a kopernikuszi világrendszernek és azt remélte, hogy a bolygókat Nap körüli pályájukon tartó erőket a mágneses vonzással lehet megmagyarázni. E problémák közelebbi tanulmányozása céljából magnetitből (mágneses vasércből, Fe₃O₄) golyókat készített és az ezeket körülvevő mágneses teret a gömbök körül különböző helyeken és különböző távolságra elhelyezett parányi iránytűkkel tanulmányozta. Azt találta, hogy van a gömbnek egy olyan pontja, amely minden más pontnál erősebb vonzóerőt fejt ki az iránytű egyik végére. Az átellenes pont pedig maximális vonzóerőt gyakorol az iránytű másik végére. A gömb felszínének különböző pontjain a tű mindig meghatározott helyzetbe áll be, éspedig a maximális vonzások pontjait, azaz a gömb mágneses pólusait összekötő főkör irányába. Ez feltűnően hasonlít ahhoz, ahogyan az iránytűk a Föld felszínének különböző pontjain beállnak. Gilbert ebből arra következtetett, hogy a mi földgolyónkat óriás mágnesnek lehet tekinteni, amelynek mágneses pólusai a földrajzi északi és déli sarkok közelében vannak. Ez a felfogás évszázadokon át fennmaradt és miután a nagy német matematikus, Karl Friedrich Gauss,  számításaival is alátámasztotta, a földmágnesség elméletének egyik alapeszméje lett (mágneses pólusok vándorlása – videó, 44MB).
Ottó von Guerickét (1602. nov. 30 – 1686. maj. 21) leginkább a magdeburgi félgömbökkel (két félgömbbel, amelyekből összeillesztésük után a levegőt kiszivattyúzták, és akkor több ló se tudta széthúzni) folytatott kísérleteiről ismerik. Guericke akkor, amikor Newton már megalkotta, de még titokban tartotta elképzelését az általános gravitációról, a bolygók és a Nap közötti vonzást elektromos kölcsönhatással igyekezett megmagyarázni. Annak ellenére, hogy ez neki, ugyanúgy mint Gilbertnek nem sikerült, sok fontos felfedezést tett az elektromos töltés tulajdonságaira vonatkozóan. Azt találta, hogy a megdörzsölt borostyánkő könnyű tárgyakat, például papírdarabokat magához ragad, majd elejti őket. Két könnyű test viszont, amelyeket megdörzsölt borostyánkő érintett, mindig taszítja egymást. Azt találta továbbá, hogy az elektromos töltést át lehet vinni egyik testről a másikra, nemcsak közvetlen érintkezés útján, hanem őket összekötő fémdróttal vagy nedves kötéllel is. Az elektromos jelenségeket később a XVIII. század elején Charles François du Fay (1698. szept. 14 – 1739 jul. 16) tanulmányozta. Megállapította, hogy kétféle elektromosság van. Az egyik borostyánkő, pecsétviasz, keménygumi és más gyantaszerű anyagok dörzsölése útján keletkezik, a másik pedig üvegszerű anyagok, például üveg vagy csillám dörzsölése útján. E kétféle elektromos folyadékot, fluidumot „gyanta-elektromosságnak” és ,,üveg-elektromosságnak” nevezték. Megállapították az is, hogy az azonos elektromos töltések taszítják, a különbözők pedig vonzzák egymást. Az elektromosan semleges testekről feltételezték, hogy mindkét elektromos fluidumot egyenlő mennyiségben tartalmazzák, míg az elektromosan töltött testekben vagy a gyanta- vagy az üveg-elektromosság van túlsúlyban. Az Ottó von Guericke által megfigyelt jelenségeket kezdetben úgy fogták fel, hogy azok a kétfajta elektromos fluidum közötti kölcsönhatásnak tulajdoníthatók. Tegyük fel, hogy keménygumigömböt dörzsölünk, ami ennek következtében gyanta-elektromossággal töltődik fel. Ha egy kicsiny, töltés nélküli testet viszünk a közelébe, amelyben a kétféle elektromosság egyenlő mennyiségben van jelen, akkor a gyanta-elektromosság a test távoli végéhez taszítódik, az üveg-elektromosság pedig a közeli végébe kerül. Minthogy az elektromos kölcsönhatások a távolsággal csökkennek, ezért az üveg-elektromos töltésre ható vonzó erő nagyobb lesz, mint a gyanta-elektromos töltésre ható taszító erő. Ennek eredményeképpen a két test vonzani fogja egymást. Ha a keménygumigömb helyett üveggömböt veszünk, az eredmény ugyanaz, csak az üveg- és a gyanta-elektromosság felcserélődik, így tehát a semleges testeket a töltött testek mindig vonzzák. A jelenséget, vagyis az eredetileg nem-elektromos test töltései szétválasztásának a jelenségét, elektromos ,,polarizáció”-nak vagy „indukció”-nak nevezzük. Ha most két kis testet érintünk egy elektromosan töltött nagy testhez, akkor azonos elektromossággal töltődnek fel, így ha elvesszük őket a nagy töltött testtől, akkor taszítják egymást.

Az elektromos jelenségekkel folytatott első kísérletek idején két igen fontos elektromos műszert szerkesztettek, a lemezes elektroszkópot és a leydeni palackot. Az elektroszkópot, vagyis az elektromos töltés jelenlétét kimutató műszert 1705-ben szerkesztette Haukesbee. Ez két szalmaszálból áll, amelyek egy fémrúd alsó végén egymás mellett vannak felfüggesztve. Ha a rúdba akár gyanta-, akár üveg-elektromosságot vitt, a szalmaszálak azonos elektromossággal töltődtek fel és így egymástól elváltak. Ma is használjuk ezt a műszert, csak a szalmaszálak helyére sokkal könnyebb aranylemezkék kerültek. A leydeni palackot 1745-ben alkotta meg a leydeni (Hollandia) egyetemen néhány kutató abból a célból, hogy nagy mennyiségű elektromosságot gyűjtsenek egybe. Közönséges henger alakú üvegpalackból készült, amelynek külső és belső oldalát vékony ezüstfólia borította. Ha a külső fólia földelve van (vagyis össze van kötve a földdel), a belsőhöz pedig elektromosan töltött testet érintünk, vagy fordítva, akkor az elektromosság (akár gyanta-, akár üveg-elektromosság) igyekszik a földbe kerülni, de az üvegréteg megállítja az áramlást. Ily módon nagy mennyiségű elektromosság gyűlik össze a palackban, és “hatásos” szikrákat lehet létrehozni, ha a belső és külső fóliát dróttal kötjük össze. A régimódi leydeni palackból ma különféle kondenzátortípusok fejlődtek ki, amelyek sok vékony levegő-, üveg- vagy csillámréteggel elválasztott fémlapból állnak. Az ilyen kondenzátorokat, amelyek igen nagy mennyiségű elektromosságot képesek tárolni, a fizika és az elektrotechnika minden területén alkalmazzák.
Az első részecskegyorsítót, amelyet 1930-ban John Gockroft és E. T. S. Walton a cambridge-i egyetemen szerkesztett, 1 millió voltra feltöltött kondenzátorokkal működtették. Ha a kondenzátorok hidrogént tartalmazó üvegcsövön át kisültek, akkor nagy energiájú ,,atomlövedék”-et hoztak létre, amelyek a cső végére helyezett lítiumdarab atomjait eltalálva, szétrombolták azt.
Ugyancsak a XVIII. században folytatta kísérleteit Benjamin Franklin (1706. jan. 17. – 1790. ápr. 17), a nagy amerikai államférfi és író, aki meglett korában, 40 évesen kezdett érdeklődni a fizika iránt. Nem elégedett meg a parányi szikrákkal, amelyeket úgy kapott, hogy sárcipőt dörzsölt prémes kabátjához. Sokkal nagyobb szikrákkal akart játszani, olyanokkal, amilyeneket Zeusz szór le a felhőkből égi háború idején. Ezért sárkányokat küldött fel a viharfelhőkbe, hogy azokból nyerjen elektromosságot. A sárkányt tartó nedves kötél tökéletes elektromos vezető volt, ennek segítésével fel tudta tölteni leydeni palackját, amiből aztán szikrákat kapott. Tanulmányait könyvben gyűjtötte össze Kísérletek és megfigyelések az elektromosság köréből, amelyeket Philadelphiában, Amerikában végeztek (Experiments and Observations on Electricity Made at Philadelphia in America) címmel, 1753-ban. Ennek alapján a Londoni Royal Society és a párizsi Academie Royale de la Science tagjává választották. Kísérleteivel versenyre tudott kelni Zeusszal, de nem volt ilyen eredményes az elektromos jelenségek elméleti magyarázatában, amikor bevezette az elektromos egy-fluidum hipotézist. Feltételezte, hogy az ,,üveg-elektromosság” az egyetlen elektromos fluidum és az elektromos állapot két különböző fajtája e súlytalan fluidum fölös mennyiségének vagy hiányának tulajdonítható. A fölös mennyiségű üveg elektromosságot tartalmazó testet (például a megdörzsölt üvegbotot) pozitív töltésűnek nevezte el, amelyikből hiányzott (például a megdörzsölt gumirudat), azt negatív töltésűnek. Ha két olyan test kerül össze, melyek egyike fölös, másika pedig hiányos mennyiségű elektromos fluidumot (üveg-elektromosságot) tartalmaz, akkor az elektromos áram az első testből, ahol fölös mennyiségben van, átáramlik a másikba, ahol hiányzik. Benjamin Franklin eme elképzeléséből alakult ki a modern terminológia, amely szerint az elektromos áram a pozitív elektródtól (az anódtól) áramlik a negatívhoz (a katódhoz).  Manapság tudjuk, hogy Du Fay két elektromos fluidumot feltételező felfogása közelebb áll a valósághoz, mint Frankliné, bár a helyzet sokkal bonyolultabb mindkettőjük elképzelésénél. Vannak pozitív és negatív töltésű részecskék és minden normálisan pozitív vagy negatív töltésű részecskéhez tartozik egy „anti-részecske”, amely éppen ellenkező töltésű. A fémdrótokban folyó elektromos áram esetében Franklin elképzelése állt közelebb az igazsághoz. Itt az elektromosság áramlása kizárólag az elektronok mozgásának tulajdonítható. Az eltérés csak az, hogy az elektronok gyanta-, és nem üveg-elektromosságot tartalmaznak. Mostanában felmerült az a javaslat, hogy a pozitív és a negatív elektromosság elnevezését cseréljék fel, hogy az áram konvencionális iránya a plusz pólustól a mínusz felé egybeessék az elektronok mozgásának az irányával. Ebben az esetben azonban azoknál a részecskegyorsítóknál volna baj az elnevezésekkel, amelyek nagyenergiájú protonokat lövellnek atomi célpontok felé: az elektromos áram így nem a részecskegyorsítók torkolatából indulna ki, hanem a célpontból. Folyadékok esetében, ahol az elektromosságot pozitív és negatív töltésű ionok szállítják ellenkező irányban, a terminológiának a változtatása semmit sem jelentene.

A XVIII. század második felében sok országban foglalkoztak az elektromos és mágneses erők tanulmányozásával. Az egyik fontos felfedezés ezen a téren Charles Auguste de Coulomb (1736. jún. 14. – 1806. aug. 23.) francia fizikus nevéhez fűződik, aki megszerkesztette az úgynevezett „torziós mérleg”-et az igen csekély erők mérésére. Fő része hosszú vékony szálra függesztett rúd, melynek két végén két egyenlő nehéz gömb van. Ha nem hat erő a gömbökre, akkor a rúd beáll valamilyen egyensúlyi helyzetbe. Ha az egyik gömbön elektromos töltés van és közelébe egy másik töltött gömböt helyezünk, akkor az elmozgatható gömbre ható elektromos erő a rudat a felfüggesztési pont körül addig forgatja, amíg a szál forgatónyomatéka ki nem egyensúlyozza a hatóerőt. Mivel a szál nagyon vékony, a gömbre ható kis erő is jelentékenyen elfordítja a rudat eredeti helyzetéből, mégpedig úgy, hogy az elfordulási szög arányos az erővel. Coulomb a mozgó és mozdulatlan gömböket különböző elektromos mennyiséggel feltöltve és a köztük levő távolságot változtatva, felfedezte a róla elnevezett törvényt. Eszerint, az elektromos vonzó és taszító erő egyenesen arányos a két töltés szorzatával és fordítva arányos a köztük levő távolság négyzetével. E törvény alkalmazásával a töltés elektrosztatikus egységét, a franklint úgy definiálhatjuk, mint azt a töltést, amely 1 din erővel hat 1 cm-nyi távolságban levő ugyanolyan töltésre. A gyakorlatban a coulombot használjuk az elektromos töltés egységéül, amely a fentebb definiált elektrosztatikus egységnél, a franklinnél 3 milliárdszor nagyobb. Coulomb ugyanezt a torziós mérleget használta a mágnesek kölcsönhatásának vizsgálatára. Egy mágnest függesztett a szálra, a műszert körülvevő üvegedény tetején keresztül pedig egy másik mágnest dugott be függőlegesen. Kimutatta, hogy ugyanaz a törvény érvényes a mágneses kölcsönhatásra is. A mágneses póluserősség egysége ezért úgy definiálható, mint annak a mágneses pólusnak az ereje, amely 1 din erővel vonz vagy taszít egy 1 cm távolságra elhelyezett ugyanolyan erejű pólust.

A század közepén brit hajók több olyan különös trópusi édesvízi halat hoztak Londonba, melyek fájdalmasan megrázták azt, aki hozzájuk nyúlt. Tanulmányozás során a biológusok megállapították, hogy a hal csak akkor ráz, ha feje tetejét és testének alsó részét két kézzel érintették és a leydeni palack hatására emlékeztetett, amelyet akkoriban találtak fel. A halat ezért elektromos angolnának (Gymnotus electricus) nevezték el. Amikor bebizonyosodott, hogy a halat leydeni palack töltésére is lehet használni, nem volt többé kétséges, hogy villamos kisüléssel állnak szemben. A hal által létrehozott elektromosság felkeltette Luigi Galvani (1737. szept. 9. – 1798. dec. 4.) olasz fiziológus érdeklődését. Békacombok izomösszehúzódását Galvani bolognai étteremben kezdte tanulmányozni. Egyszer észrevette (így szól a történet), hogy az erkélye vasrácsán rézhorgon lógó levágott békaláb úgy rángatózott mint az élőé, amikor hozzáért a rács vasához. Hogy „kontrollált feltételek mellett” folytathassa megfigyelését, Galvani kísérletet végzett — laboratóriumi jegyzőkönyve tanúsága szerint 1786. szept. 20-án —, amelyben egy vasággal és egy rézággal bíró villával megérintette a békaláb idegét és izmát. A békaláb minden érintésnél azonnal összehúzódott. Galvani tévesen bizonyosra vette, hogy ez az elektromos angolna által okozott elektromos ütésekhez hasonló jelenség. Barátja, Alessandro Volta (1745. feb. 18. – 1827. már. 5) olasz fizikus hamarosan bebizonyította, hogy a békaláb összehúzódását okozó villamos áram tisztára szervetlen eredetű jelenség, amelyet mindig megfigyelhetünk, ha kétféle fémből összeforrasztott drót végét vizes sóoldatba mártjuk. Volta ezt a jelenséget fiziológus barátja tiszteletére galvanizmusnak nevezte el. Szerkesztett egy, ma ,,Volta-oszlop”-nak nevezett eszközt, amely nagyszámú, váltakozóan egymásra következő réz- és vas- vagy cinkkorongból áll, köztük sóoldatba mártott szövetrétegekkel. A Volta-oszlop az olyan modern villamos elemek prototípusa, amelyeket ma is használunk a zseblámpában és sok más készülékben. 1800 márciusában Volta beküldte a felfedezését leíró kéziratot közlésre a londoni Royal Society-nek, amely akkor a tudományos eszmecserék nemzetközi centruma volt. Ekkor igen szerencsétlen dolog történt. Carlisle és Nicholson, akik a Royal Society kiadványainak intézésével voltak megbízva, félretették a kéziratot, megismételték Volta kísérleteit és az eredményeket saját nevükkel közölték. Mesterkedésük azonban nem járt sikerrel. Volta vizsgálatait más forrásokból már ismerték, Carlisle-t és Nicholsont tudományos plagizálással vádolták és ők eltűntek a feledés homályában. Manapság a Volta-oszlop és a volt, az elektromos potenciál (feszültség) egysége örökíti meg a nagytehetségű olasz természettudós nevét.

Az elektromos potenciál a töltött testek elektromosságának a mértéke: tegyük fel, hogy van egy nagy gömb alakú vezetőnk, bizonyos elektromos töltéssel, amelyet növelni kívánunk. Ezt megtehetjük úgy, hogy szigetelt fogóval kis meghatározott töltésű fémgömböt a nagy gömbtől elég nagy távolságból (elméletben végtelen távolból) a nagy gömbhöz hozunk és hozzá érintjük. A két gömb között ható Coulomb-taszítás miatt bizonyos munkát kell végeznünk, hogy a két gömböt összehozzuk. Azt a munkát, amelyet így végezni kell ahhoz, hogy a nagy gömb töltését egységnyivel növeljük, a gömb elektromos potenciáljának nevezzük. Ha az elektromos töltést coulombban mérjük, a munkát pedig joule-ban, akkor az elektromos potenciált voltban kapjuk.

Nagyjából ugyanebben az időben élt Angliában egy igen különc és zárkózott jellemű férfi, Henry Cavendish (1731. okt. 10 – 1810. feb. 24), egy angol főnemes fia. Nem voltak barátai, félt a nőktől, Clapham Common-ban levő nagy háza cselédlányainak azt parancsolta, hogy ne mutatkozzanak előtte, az étkezésre vonatkozó utasításait naponta a hall asztalán hagyott cédulán találják meg. Nem érdekelte sem a zene, sem más művészet. Minden idejét a palotája magánlaboratóriumában végzett fizikai és kémiai kísérletekkel töltötte. Munkáját csak a hagyományos egészségügyi séták szakították félbe vagy pedig a Royal Society Club vacsorái, amelyeken hébe-hóba részt vett, hogy tájékozódjék afelől, min dolgozik a többi fizikus és kémikus. 79 éves korában halt meg s hosszú élete folyamán csak néhány aránylag jelentéktelen tanulmányt tett közzé. Publikált tanulmánya a fémek savakkal történő reakciója során felszabaduló „gyúlékony levegő” (hidrogén) és egyéb gázok tulajdonságaival foglalkoznak. Halála után azonban 1 millió fontot találtak a bankszámláján és 20 kötetnyi feljegyzést a laboratóriumában. A feljegyzések hosszú ideig rokonai kezében maradtak. Amikor, mintegy 100 évvel később, nyilvánosságra hozták őket, kitűnt, hogy Henry Cavendish egyike volt a legnagyobb kísérleti fizikusoknak és kémikusoknak, akik valaha éltek. Cavendish megalkotta az elektromos potenciál fogalmát, bevezette a kapacitás egységét, összefüggést adott meg a síkkondenzátor kapacitására. Megalkotta az anyagok dielektromos állandójának fogalmát. Megállapította az elektromos feszültség és az áramerősség közötti összefüggést (amely ma Ohm-törvényeként ismert). Felismerte a párhuzamosan kapcsolt áramköri ágakban folyó áramok erőssége közötti összefüggést (ezt ma Charles Wheatstone nevéhez kötjük). Coulomb-mal egy időben fedezte fel az elektromos és a mágneses kölcsönhatások törvényeit. Kémia terén végzett munkássága pedig egyenrangú Lavoisier teljesítményével. Torziós inga segítségével tanulmányozta a kis tárgyak közti rendkívül gyenge gravitációs erőt és kísérletei alapján meghatározta a Föld tömegének egzakt értékét (pontosabban sűrűségét). Fizikai egység ugyan nincs róla elnevezve, a cambridge-i Cavendish Laboratórium azonban egyike a világ legnagyobb hírű tudományos központjainak.

Follow