تاريخ نظرية الكهرومغناطيسية

تاريخ نظرية الكهرومغناطيسية (بما في ذلك استخدامه)، يعود إلى أكثر من 2000 سنة، وانظر التسلسل الزمني لنظرية الكهرومغناطيسية . كان القدماء ملمين بتأثير كهرباء الغلاف الجوي، ولا سيما البرق التي هي بشكل عام كالعواصف الرعدية في مناطق خطوط العرض الجنوبية، وكان لديهم أيضا إلمام بنار سانت إلمو. ومع ذلك فلديهم القليل المعلومات حول الكهرباء، ولم يتمكنوا من تفسير تلك الظواهر علميا. لا يمكن التعامل مع الكهربائية إلا سويا مع المغناطيسية لأن كليهما يظهران معا. أينما توجد الكهرباء فإن المغناطيسية تكون معها. فقد لوحظت كلا من ظاهرتي المغناطيسية والكهرباء في زمن مبكر من "تاريخ وجودهما"، ولكن لم يفسرا حسب الفهم المعاصر إلى أن طورت فكرة الحث المغناطيسي والشحنة الكهربائية.

التاريخ القديم

يعود تاريخ المعرفة بالكهرباء الساكنة إلى أقدم الحضارات، فظلت لآلاف السنين مجرد ظاهرة مثيرة للاهتمام ومحيرة، وبدون أي نظرية لتفسير هذا السلوك، فكثيرا ما اختلط بالفهم مع المغناطيسية. وقد تعرف القدماء على خصائص أخرى غريبة يمتلكها معدنين وهما: الكهرمان والمغناطيس الخام. فالكهرمان عندما يفرك فإنه يجذب الأجسام اللطيفة؛ أما مغناطيس الحديد الخام فله القدرة على جذب الحديد.
اقترح العالم الفلكي الأمريكي جون كارلسون -استنادا على وجوده لقطعة أثرية من حجر الدم في أولمك أمريكا الوسطى- : بأن شعب الأولمك قد اكتشف واستخدم حجر المغنتيت كبوصلة مغناطيسية أرضية بزمن 1000 ق.م. فإن صدق فإنه قد سبق الاكتشاف الصيني لحجر المغنتيت كبوصلة مغناطيسية بألف سنة. خمن كارلسون بأن الأولمك قد قطع أثرية مشابهة وذلك لاستخدامها كجهاز توجيه للأغراض الفلكية أو للاستخدام في ضرب الرمل  أو لتوجيه معابدهم أو مساكنهم أو حتى لدفن الموتى. في الأدب الصيني القديم فإن الإشارة إلى المغناطيسية بدأ في القرن الرابع ق.م خلال كتاب سمي بسيد وادي الشيطان (鬼谷子): "حجر المغناطيس يجعل الحديد يأتي إليه أو يجذبه".
كان اكتشاف الكهرمان والمواد الأخرى الشبيهة له في العصور القديمة أعطى فكرة أن إنسان ماقبل التاريخ ربما قد ادركها وفهمها. وذلك بأن تفرك مصادفة مع الجلود التي كان يلبسها مما تنجذب إلى الراتنج وبالتالي يتكهرب من الفراء الخفيف بطريقة تجعله ينتبه إلى ذلك. ما بين تلك الملاحظات المجردة للحقيقة، يبقى أن أي استنباط منها يكون قد مرت عليها فترات طويلة جدا، ولكن في الآخر أتى الوقت الذي بدا ينظر إلى الكهرمان على أنه مادة جماد غريبة له إمكانية التأثير أو حتى يعطي لنفسه أشياء أخرى؛ وهذا واضح على قدرته الذاتية وليس من خلال أي آلية مرتبطة به أو وسيلة اتصال ممتدة إليه؛ فقد كان من المسلم به وبشكل مختصر أن بإمكان الطبيعة أن تعطينا أشياء جامدة ولكن تظهر بها سمة الحياة.
قبل ظهور علوم الكهرومغناطيسية بوقت طويل، كان الناس يعلمون وبشكل مبسط بالآثار الناتجة من الكهرباء، فالبرق والأشكال الأخرى من الكهرباء معروفة لدى فلاسفة العصور القديمة، ولكن الاعتقاد لديهم لم يكن أبعد من أن هذه المظاهر لها أصل مشترك. فكان الناس في مصر القديمة لهم اطلاع بالصدمات عند التعامل مع الأسماك الكهربائية (مثل سمك السلور الكهربائي ) أو غيرها من الحيوانات (مثل ثعابين كهربائية). كانت صدمات تلك الحيوانات واضحة للمراقبين منذ أقدم الأزمان ومن مجموعات مختلفة من الشعوب التي كانت على احتكاك مباشر بها. أشارت مخطوطات الفرعونية من القرن 28 ق.م إلى تلك الأسماك بأنها "مرعدة النيل" ونظروا إليها على أنها حامية الأسماك الأخرى. ربما الأقدم وأقرب اسناد اكتشاف تطابق البرق مع الكهرباء من أي مصدر آخر كان إلى العرب الذين استعملوا كلمة البرق للإشارة إلى سمك الشفنين.
حسب مادونه طاليس في القرن السادس قبل الميلاد، قائلا بأن الإغريق القدماء قد لاحظوا شكل من الكهرباء يجذب الأشياء البسيطة في حالة فرك الفرو بعدة مواد كالكهرمان. وكتب أيضا بأن هذا التأثير عرف باسم الكهرباء الساكنة. ولاحظ الإغريق أيضا أنه بإمكان حبات الكهرمان جذب الأشياء الخفيفة مثل الشعر وإذا ماتم فرك الكهرمان لفترة طويلة فإنه قد ينتج منه خروج شرارة. كان الاعتقاد في ذلك الوقت في الخيمياء والفلسفة الطبيعية بوجود وسط من الأثير وهي مادة تملأ فراغ الكون أو الوسط المحيط.
وتم ذكر تلك الظواهر الكهروستاتيكية مرة أخرى بعد ذلك بألف سنة، فذكرها العلماء الرومان والعلماء العرب وأطبائهم. بعض الكتاب القدماء مثل بليني وسكريبونيوس لارجوس ، يشهد على تأثير الذهول من الصدمات الكهربائية التي يلقيها سمك السلور الكهربائي والشفنين. كتب بليني في مؤلفاته مايلي: "إن التوسكانيين القدماء بما تعلموه بأن هناك تسعة آلهة ترسل البرق باستمرار وهؤلاء من 11 إله." عموما كانت تلك فكرة وثنية مبكرة عن البرق وظل هؤلاء القدماء محافظين على نظرية أن الصدمة قد تمر خلال الأجسام المتصلة. وقد وجهت تلك الصدمات الكهربائية للمرضى الذين يعانون من الأمراض المزمنة مثل النقرس أو الصداع على أمل أن صدمة قوية قد تعالجهم.
في سنة 1938 اكتشفت بعض القطع في العراق التي تعود إلى القرون الميلادية الآولى (زمن البارثيون أو الساسانيون وتسمى أشورستان) وقد اطلق عليها اسم بطارية بغداد، وتمثل خلية جلفانية ويعتقد بأنها استخدمت في عملية الطلاء الكهربائي. وقد كانت تلك الأقوال محل خلاف وجدل بسبب الأدلة المدعومة والنظريات عن استخدامات تلك القطع الأثرية. وتلك الأدلة المادية على هذه القطع مواتية لأداء الوظائف الكهربائية، وإذا كانت الكهرباء في الطبيعة. ونتيجة لطبيعة هذه القطع تقوم على التخمين  لذلك فوظيفة هذه القطع الأثرية لا تزال محل شك.

العصور الوسطى وعصر النهضة

أدت محاولة تفسير الجذب المغناطيسي إلى أول هجوم للعقل البشري على الخرافات وفلسفتها. فبعد مرور قرون من الزمان، بدأ ادراك جديد يظهر حول قطبية المغناطيس، أو حول ظهور الآثار المعاكسة على طرفيها؛ ثم أتى أول استخدام للمعارف المكتسبة كما في البوصلة البحرية التي قادت إلى الاكتشافات في العالم الجديد، مما رمى بشكل واسع جميع بوابات التجارة القديمة وحضارتها.
ففي القرن الحادي عشر ظهر العالم الصيني شن كو (1031-1095)، الذي كان أول شخص يكتب عن الإبرة المغناطيسية البوصلة وهذا ساعد على تطوير دقة الملاحة بواسطة ادخال المفاهيم الفلكية للشمال الحقيقي ، ولم يمض القرن الثاني عشر إلا وكان الصينيون يعرفون كيف يستخدمون حجر المغناطيس كبوصلة للملاحة.
كانت المغناطيسية أحد العلوم القلائل التي تقدمت في قرون أوروبا الوسطى؛ ففي القرن الثالث عشر قدم أحد أهالي مقاطعة بيكاردي واسمه بيتر بريجرينوس اكتشافا ذو أهمية أساسية. وقد أجرى هذا الباحث الفرنسي تجارب على المغناطيسية وكتب أول أطروحة موجودة إلى الآن تصف خصائص المغناطيس وتمحور إبرة البوصلة. وفي حوالي سنة 1300 اخترع الإيطالي فلافيو جيوجا البوصلة الجافة.
وفي سنة 1550 كتب الفيزيائي الإيطالي جيرولامو كاردانو عن الكهرباء في مؤلفه المسمى De Subtilitate وميز فيه لأول مرة ما بين القوى المغناطيسية والكهربية. ووصولا إلى أواخر القرن السادس عشر، حيث أظهر طبيب البلاط الفيكتوري وليام جيلبرت كتابه دي ماجنت (بالإنجليزية: De Magnete) والذي توسع في عمل كاردانو وأنشأ من اللاتينية كلمة إلكتريكوس (باللاتينية: electricus) المستمدة من الإغريقية ἤλεκτρον (إلكترون) وتعني الكهرمان. قام جيلبرت بالعديد من التجارب الكهربائية الدقيقة، ففي سياقها اكتشف أن هناك العديد من المواد الأخرى غير الكهرمان لها القدرة على إظهار الخصائص الكهربائية مثل الكبريت والشمع والزجاج الخ. واكتشف جلبرت أيضا أن الكهرباء تضيع عند تسخين الأجسام وكذلك الرطوبة التي تحول دون كهربة الأجسام كلها، ويرجع ذلك إلى الحقيقة المعروفة الآن بأن الرطوبة تضعف عزل تلك الأجسام. كما لاحظ بأن كهربة أجسام معينة قد تجذب أجسام أخرى بشكل عشوائي، في حين أن المغناطيس يجذب الحديد فقط. الاكتشافات العديدة لجلبرت حول الكهرومغناطيسية أعطته لقب مؤسس علم الكهرباء. أما أول من استخدم كلمة كهرباء (بالإنجليزية: electricity) فهو السير توماس براون في مؤلفه المسمى Pseudodoxia Epidemica لسنة 1646.
أحد الرواد في هذا المجال كان فيلسوف الطبيعيات روبرت بويل الذي هو الأب الروحي للكيمياء، وأحد الذين أنشئوا الجمعية الملكية وكانت تعقد اجتماعاتها الخاصة في أوكسفورد، ثم أصبح عضوا بالمجلس بعد أن ادمجها الملك تشارلز الثاني. وقد عمل بشكل متقطع في العلم الجديد المسمى كهرباء وأضاف بعض الأجسام إلى قائمة جيلبرت. وقد ترك وصفا تفصيليا لأبحاثه في كتاب أسماه تجارب على أصل الكهرباء. وفي سنة 1675 أعلن أن عمليتي الجذب والتنافر الكهربائي يمكن أن يحدثا في الفراغ. وأحد اكتشافاته المهمة أن الأجسام المكهربة يمكنها جذب المواد الخفيفة في الفراغ، وهذا يدل على أن تأثير الكهرباء لا يعتمد على الهواء كوسط. وقد أضاف الراتنج إلى قائمة المواد المكهربة المعروفة آنذاك.
وكان ذلك أتى بعد جوريك أوتوفون الذي اخترع مولد كهروستاتيكا بدائي في 1660. وبحلول نهاية القرن 17 طور الباحثون وسائل عملية توليد الكهرباء بواسطة الاحتكاك في مولد كهروستاتيكي ، لكن تطوير آلات الكهرباء لم تبدأ بشكل جدي حتى القرن 18 عندما أصبحت تلك الأدوات أساسية في الدراسة حول علم الكهرباء الجديد.

تطوير الآلات الكهربائية

تطورت الآلة الكهربية بعد ذلك بفضل كلا من فرانسيس هاكسبي وليتزندورف والبروفسور جورج ماتياس بوس، وكان ذلك حوالي 1750. فاستبدل ليتزندورف الكرة الزجاجية لكرة جوريك الكبريتية. وكان بوس أول من أدخل الموصل الرئيسي لتلك الآلات، والذي يتكون من قضيب حديد يمسكه شخص يكون معزولا بوقوفه على قطعة من الراتنج. واخترع يان إينخنهاوسز سنة 1746 آلة كهربائية مصنوعة من لوحة زجاجية. وقد ساعد اكتشاف خواص الزجاج إلى حد كبير في تطوير التجارب على الآلات الكهربائية، فعندما تغطى كلا طرفيها بورق القصدير تتراكم شحنة الكهرباء عند اتصالها مع مصدر لقوة كهربائية دافعة. ثم جاء اندرو جوردون  الإسكتلندي وطور بشكل أفضل تلك المحركات الكهربائية واستبدل اسطوانة الزجاج بالكرة الزجاجية، ثم أضاف جيسنج لايبزغ مطاط يحتوي على وسادة من مادة الصوف. ثم جاء بنجامين ويلسون سنة 1746 وأضاف إلى الجهاز المجمع الذي يحتوي على سلسلة من النقاط المعدنية، وفي سنة 1762 طور جون كانتون من كفاءة الأجهزة الكهربائية وذلك برش مزيج من القصدير على سطح المطاط.

الكهرباء وغير الكهرباء

أجرى ستيفن غراي سلسلة من التجارب التي أثبتت بوجود فرق بين الموصلات وغير الموصلات (عوازل)، وتبين خلالها أن السلك المعدني أو الحزمة منها هي من الموصلات للكهرباء، ففي إحدى تجاربه ارسل تيار كهرباء لمسافة 800 قدم خلال ربطة من حبل القنب (الخيش) ولكنها تتوقف عند حلقات خيوط الحرير، فعندما أعاد التجربة وغير من الحرير بأسلاك نحاسية، وجد أن التيار الكهربي لم يعد محمولا في أنحاء حبل القنب ولكنه تلاشي في أسلاك النحاس. فاستنتج من تلك التجربة أن المواد تصنف إلى صنفين: "كهربائية" مثل الزجاج والراتنج والحرير، و"غير كهربائية" مثل المعدن والماء. فالكهربائية هي التي توصل الشحنة بينما غير الكهربائية هي التي توقف الشحنة.

زجاجي وراتنجي

في سنة 1732 بدأ شارل دو فاي المفتون بنتائج غراي بإجراء العديد من التجارب. فخلص في الآولى بأن جميع الأشياء هي مكهربة بالاحتكاك، عدا المعادن والحيوانات والسوائل فهي تتكهرب عن طريق الآلة الكهربائية، وبالتالي فقد فشل تصنيف غراي حول المواد الكهربائية وغير الكهربائية
اكتشف دو فاي وهاوكسبي كلا على حدة بما يعتقد بأن هناك نوعين من كهرباء الاحتكاك؛ الآولى ناتجة من فرك الزجاج، والأخرى من فرك الراتنج. ففي سنة 1700 الإنجليزي فرنسيس هوكسبي في توليد الضوء الكهربي لأول مرة حيث افرغ كرة زجاجية من الهواء وأدارها بسرعة كبيرة وهو يدلكها بيده فانبعث منها ضوء خافت. وعلى ضوء ذلك أخرج دو فاي نظريته القائلة بأن الكهرباء تتكون من سائلين كهربائيين: "زجاجي" و"راتنجي"، ينفصلان عند الاحتكاك، ويحيدان بعضهما البعض عند اجتماعهما. وقد ساعدت نظرية السائلين تلك على ظهور مفهوم "الموجب" و"السالب" للشحنات الكهربية التي وضعها بنيامين فرانكلين لاحقا.

قارورة ليدن

قارورة ليدن وهي نوع من المكثفات الكهربائية للطاقة وقد اخترعها منفردا كلا من القسيس الألماني إيفالد يورجن فون كلايست في 11 أكتوبر 1744 وبيتر فان موشنروك الذي تمكن لاحقا من تصميم الجهاز في 1745-46 في جامعة ليدن (وقد سمي الجهاز باسم مدينة ليدن مسقط رأس موشنروك). فعندما عمل وليام واتسون تجربته باستخدام تلك الجرة سنة 1747 اكتشف أن تفريغ الكهرباء الساكنة يعادل التيار الكهربائي. فقد توفرت الخاصية السعوية منذ تلك اللحظة ولسنوات عديدة في المكثفات الكهربائية، فقد كان فون كلايست أول من لاحظها بالصدفة سنة 1754. وذلك بأن وضع قارورة صغيرة مملوءة بالماء ومغطاة من الداخل والخارج برقائق القصدير. ويبرز من فوهة القارورة قضيب معدني ينتهي بمقبض، فإذا ما شحن هذا المكثف بالكهرباء التي تولدها الآلة الكهربية فإنه يظل محتفظاً بها، وقد لمس القضيب بطريق الصدفة فتلقى صدمة كهربائية عنيفة. وقد حصل نفس الشيء لبيتر فان موشنروك، حيث تلقى عدة صدمات كهربائية من عدة قوارير مشابهة. ثم طور ويليام واتسون هذا الجهاز بشكل كبير، وذلك بتغطية القارورة من الداخل والخارج بورق القصدير. وقد أسمى نوليت  تلك القطعة الكهربائية بقارورة ليدن نسبة إلى مكان اكتشافها.
في سنة 1741 اقترح جون اليكوت لقياس قوة الكهرباء "عن طريق القدرة لرفع وزن ما في طرف مسطرة ميزان ويحتفظ الطرف الآخر بجسم مكهرب ثم يُسحب إليها بقوتها الجاذبة". وقد سبق وأن أشار ويليام واتسون إليها خلال إجراءه العديد من التجارب حولها، ففي حوالى 1749 وفي تجارب للتأكد من سرعة الكهرباء داخل الأسلاك وهي تجارب لم يكن يقصدها لكنها أثبتت بإمكانية نقل الإشارات إلى أماكن أخرى عن طريق الكهرباء. واستخدم في تلك التجربة سلك معزول طوله 12,276 قدم، وكان يعمل على إرسال إشارة من طرف السلك بحيث تظهر في نفس الوقت للمراقبين في الطرف الآخر. وقد عمل لومونييه تجارب مشابهة نوعا ما لتلك في السابق بفرنسا وذلك بارسال صدمات كهربائية خلال أسلاك حديد طولها 1319 قدم.
كانت أول التجارب في العلاج الكهربائي قد تمت سنة 1750. وقد حاول المجربون عمل اختبارات عديدة للتأكد من التأثيرات الفسيولوجية والعلاجية للكهرباء. وقبلها في ادنبرة درس دمينبراي تأثير الكهرباء على النباتات سنة 1746 وخلص إلى أن تسارع نمو اثنين من أشجار الآس عند تعريضها للكهرباء، "وقد عرضها للكهرباء كامل شهر أكتوبر من نفس السنة، فظهرت عليها الفروع وازهار بفترة أسرع من الشجيرات الأخرى التي هي من نفس النوع ولم تتعرض للكهرباء". وحاول القس مينون من فرنسا الاستمرار في دراسة الآثار المترتبة حول تطبيق الكهرباء على الرجال والطيور، فوجد أن الذين خضعوا للكهرباء قد فقدوا أوزانهم، وبالتالي بدا ظاهرا أن الكهرباء سريعة التفريغ. أما نتائج اختبارات فعالية الصدمات الكهربائية على حالات الشلل في مستشفى بمقاطعة شروسبوري الإنجليزية لم تكن له سوى نجاحات هزيلة.

أواخر القرن 18

كثيرا ما يتم الخلط في بنيامين فرانكلين كشخصية لامعة في مجال الكهرباء. فقد نال كلا من وليام واتسون وبنيامين فرانكلين حصتهما في اكتشاف إمكانيات الكهرباء. فبنجامين فرانكلين عزز من استقصاءاته ونظرياته في الكهرباء من خلال تجربته الطيارة والمفتاح سنة 1752، فقد أطلق في الفضاء قبيل اقتراب العاصفة طائرة ورقية مصنوعة من الحرير لها طرف معدني، وبلل الخيط الممسك بها حتى يزيد من قدرته على توصيل الكهرباء. وبينما قبض على الخيط بإحدى يديه، أخذ يدلك الخيط بمفتاح حديدي أمسكه بيده الأخرى. وحدث ما توقعه: فقد تطاير الشرر بين الخيط المبلل بالماء والمفتاح الحديدي، وقد أثبت تلك التجربة أن هناك علاقة بين البرق والكهرباء. وقد الهمته تلك التجارب باختراع مانعة الصواعق. وإن كان لم يعرف بالتحديد من هو صاحب فكرة الكهرباء الإيجابية والسلبية، فهي ما بين فرانكلين (متواتر بشكل أكثر) أو ابنيزر كنرسلي من فيلادلفيا (الأقل تواترا).
كانت النظريات عن طبيعة الكهرباء في تلك الفترة غامضة جدا، وكذلك كانت النظريات السائدة متناقضة نوعا ما. وقد اعتقد فرانكلين أن الكهرباء هو سائل غير قابل للوزن أو القياس ويتخلل كل شيء، ويكون في الحالة الطبيعية متوزع بشكل موحد على جميع المواد. وقد افترض أن سبب المظاهر الكهربائية التي تحدث جراء فرك الزجاج هو إنتاج فائض من السوائل الكهربائية في تلك المادة، وكذلك المظاهر التي تنتج من فرك الشمع سببها نقص في نفس السائل. وقد اصطدمت تلك النظرية "بنظرية السائلين" لصاحبها روبرت سيمر سنة 1759. فنظرية سيمر ترى أن كهرباء الزجاجي والراتنجي هما سائلين غير قابلين للوزن أو القياس، ويتكون كل سائل كهربائي من جسيمات طاردة بالتبادل مع جسيمات القوس الكهربائي المعاكس الجاذبة. فعندما يتوحد كلا السائلين بسبب جاذبية بعضهما البعض فسينعدم تأثير ذلك على الأجسام الخارجية. ففرك جسم ما يسبب بتحلل أحد السائلين وسيكون فائضا على الجسم مما يظهر نفسه على أنه إما كهرباء زجاجي أو راتينجي.
في ذلك الوقت من تجربة فرانكلين التاريخية على طائرة ورقية، فإن معرفة الكهرباء قد تطورت بالفرك وبالآلات الكهربائية (كهرباء الاحتكاك )، لكن حالة البرق لم تبرهن بعد. وقد اقترح كلا من الدكتور وال وأبوت نوليت وهاوكسبي وجراي وونكلر بوجود تشابه فعلي بين ظاهرتي "الكهرباء" و"البرق "، فقد ألمح غراي بأنهما يختلفان فقط في المرتبة. ومما لا شك فيه أن فرانكلين هو أول من قرر عمل اختبارات لتحديد التشابه بين تلك الظاهرتين. فقد أشار فرانكلين إلى تجربة طائرته الورقية في رسالته إلى بيتر كوملسون في لندن يوم 19 أكتوبر 1752 قائلا :" في تلك النقطة قد تشحن قارورة ليدن؛ مما ينتج منها نار كهربائية وبالتالي فزيادة نشاطها قد يؤججها، وتتكون جميع التجارب الكهربائية الأخرى عن طريق فرك كرة زجاجية أو انبوب، وبتلك الطريقة يظهر جليا التشابه بين حالتي الكهرباء والبرق". فقد حصل داليبارد في مارلي بالقرب من باريس يوم 10 مايو 1742 على نتائج مماثلة لتلك التي سجلها فرانكلين، وذلك بتثبيت قضيب حديدي طوله 40 قدما بشكل عمودي. فإن كانت تجربته سابقة لزمن تجربة فرانكلين، لكن أهمية برهان فرانكلين في التشابه بين كهرباء الاحتكاك والبرق قد اعطت نكهة ودفعة قوية لجهود أصحاب التجارب في هذا المجال في فترة النصف الآخر من القرن الثامن عشر للمضي قدما في تطوير هذا المجال من العلوم.
ساعدت ملاحظات فرانكلين العلماء الذين أتوا لاحقا أمثال مايكل فاراداي ولويجي جالفاني وألساندرو فولتا وأندري ماري أمبير وجورج سيمون أوم والذين كانت أعمالهم هي الأساس لتقنية الكهرباء الحديثة. ولاقت أعمال كل من فاراداي وفولتا وأمبير وأوم التقدير والاحترام من المجتمع، وذلك بأن سميت بأسمائهم وحدات القياس الأساسية الكهربائية. بالإضافة إلى أن آخرون قد طوروا حقل المعرفة بمن فيهم واتسون وبوز وسميتون ولومونكر وديروماس وجالبرت وبكاريا وكافالو وجون كانتون وروبرت سيمر وغيرهم الكثير. وكان هنري إيليس من أوائل الذين اقترحوا بوجود ارتباط بين الكهرباء والمغناطيسية. فقد ادعى سنة 1757 أنه قد خاطب الجمعية الملكية في 1755 حول وجود صلة بين الكهرباء والمغناطيسية، مؤكدا ان "هناك أشياء في قوة مغناطيسية مشابهة جدا لتلك الموجودة في الكهرباء" لكنه "لا يعتقد بأي حال من الأحوال بأنهما نفس الشيء". ثم ادعى أيضا في 1760 بأنه في سنة 1750 كان أول "من فكر في كيفية ان تكون النار الكهربائية هي سبب ظهور الرعد". ومن بين أكثر التجارب والأبحاث الكهربائية أهمية في هذه الفترة كانت من فرانز أيبينوس الباحث الألماني الشهير (1724-1802) وهنري كافيندش من لندن، انكلترا.
نال أيبينوس الفخر في أنه أول من صور مشهد العلاقة المتبادلة بين الكهرباء والمغناطيسية. في كتابه "Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism" المطبوع في سان بطرسبورغ سنة 1759. بحيث اعطي شرح مسهب لنظرية فرانكلين، ومن ميزاته الشكل المحسوس حسب وجهات النظر الحديثة: "تطرد جزيئات السائل الكهربائي بعضها البعض، وتجذب وتجذبها جسيمات من جميع الأجسام بقوة تقل عند زيادة المسافة؛ فالسائل الكهربائي موجود في مسام الأجسام ويتحرك بسهولة خلال موصلات غير الكهربائية ولكن حركته صعبة في العوازل، ويحدث ظهور الكهرباء بسبب عدم المساواة في توزيع هذا السائل في الجسم أو مقاربة أجسام غير متكافئة الشحنة مع السائل". صاغ أيبينوس نظرية مشابهة للنظرية المغناطيسية باستثناء ما قال أن تلك السوائل تعمل في جزيئات الحديد فقط عند حدوث الظاهرة المغنطيسية. وقد قدم أيبينوس عددا من التجارب الكهربائية، ومن بينها تلك التجارب التي تظهر الآثار الكهربائية على التورمالين حيث يتطلب أن تسخن إلى درجة حرارة ما بين 37.5 C° و 100 C°. في الواقع فإن التورمالين هو غير كهربائي عند درجة الحرارة منتظمة، لكن الخصائص الكهربائية تظهر عند ارتفاع أو هبوط في درجة الحرارة. وتسمى الخصائص الكهربائية التي تظهرها البلورات بهذه الطريقة بكهربية حرارية، ومن ضمنها كبريتات الكينون والكوارتز إضافة إلى التورمالين.
لكافنديش تصور مستقل عن نظرية الكهرباء وقريبة الشبه لما عند أيبينوس. وربما كان في سنة 1784 أول من استفاد من شرارة كهربائية لإنتاج انفجار لهيدروجين واوكسجين في نسب المناسبة لإنتاج مياه نقية. وهو نفسه الذي اكتشف كفاءة الحث للعوازل الكهربائية، وفي أوائل 1778 حاول قياس كفاءة الحث المحددة لشمع العسل ومواد أخرى عند مقارنتها مع مكثف الهواء.
في سنة 1784 ابتكر كولوم -والذي سميت باسمه وحدة كمية الكهرباء- الميزان الملتوي التي من خلاله ظهر ما يعرف بقانون كولوم؛ حيث تتناسب القوة المبذولة بين جسمين كهربائيين صغيرين تناسبا عكسيا مع مربع المسافة، ليس عكسيا مع المسافة فقط كما افترض أيبينوس في نظريته عن الكهرباء، وتطابق تقريبا لنظرية كافنديش "الجسيمات تنجذب وتتنافر حسب القوة التي تكون أقل من مكعب المسافة".
مع ظهور الاكتشافات مثل تجارب واتسون وغيرها تبين أنه يمكن للكهرباء أن تنتقل إلى مسافات بعيدة، بدأت فكرة الاستخدام العملي لتلك الظاهرة حوالي سنة 1753، من هؤلاء الأشخاص الفضوليون والمفتونين بها، ولتحقيق غاية كانت تتطلع بتوظيف صناعة الكهرباء في نقل المعلومات الاستخبارية. وربما كانت أول طرق الاستنباط لهذا الغاية هي طريقة بيسيج سنة 1774. حيث تحتوي طريقة التشغيل تلك من 24 سلك معزولة عن بعضها البعض ووضع نهاية كل سلك داخل كرة، ويمثل كل سلك منها حرف أبجدي. ولإرسال الرسائل يشحن السلك المطلوب لحظيا بالكهرباء عن طريق جهاز كهربائي وعندها سينفجر باطن الكرة المتصل بالسلك، وبتلك الطريقة يكون قد تم إرسال الرسائل. وقد جربت وسائل أخرى للإبراق تعمل بكهرباء الاحتكاك.
الكهرباء الوحيدة المعروفة إلى الآن هي الناشئة من الاحتكاك أو الفرك وقد كانت تسمى بكهرباء الاحتكاك. وسنبدأ الآن بالولوج إلى عصر الكهرباء كلفاني أو فلطائي. فقد اكتشف فولتا أنه بالإمكان استخدام التفاعلات الكيميائية لإنشاء أنود موجب شحنة وكاثود سالب الشحنة. فعندما يوضع موصل بينهما فإن فرق الجهد الكهربائي (المعروف أيضا باسم الجهد الكهربائي) سيحرك تيارا بينهما، ويسمى قياس فرق الجهد بين نقطتين بوحدة فولت وذلك اعترافا بجهود فولتا.
وأول ذكر للكهرباء الفولطية وإن لم يعترف بها بعد في ذلك الوقت، كانت عن طريق سولزر  سنة 1767، وذلك بأن وضع قرص صغير من الزنك تحت لسانه وقرص آخر من النحاس فوقه، فأحس بطعم متميز عندما تلامست حافتا المعدنين. فافترض سولزر أنه عندما تكون المعادن معا فإنها تؤدي إلى نوع من الارتعاش، وتلك تؤثر على أعصاب اللسان مما ينتج هذا الانطباع. وفي سنة 1790 وعندما كان البروفيسور جالفاني البولوني يجري تجارب على "كهرباء الحيوانية" كما أسماها، تحول انتباهه إلى انكماش عضلة فخذ الضفدع عندما لامستها الكهرباء، فلاحظ أن هناك تشنجات حية وبدون أي سبب جوهري قد خضعت لها عضلات الضفدع المعلقة على حاجز الحديد بخطاف نحاس ومرورا بالعمود، ومع غياب أي آلة كهربائية.
لتفسير تلك الظاهرة افترض جالفاني أن هناك أنواع أخرى من الكهرباء موجودة في أعصاب وعضلات الضفادع؛ فالعضلات والأعصاب شكلت كطلاء مشحون لجرة ليدن. وقد نشر جالفاني نتائج اكتشافاته إضافة إلى فرضياته، والتي جذبت بسرعة اهتمام علماء الفيزياء في ذلك الوقت، وأبرزهم أستاذ الفيزياء في بافيا الكسندر فولتا الذي اعتبر أن النتائج التي لاحظها جالفاني كانت بسبب وجود معدني النحاس والحديد وعملا كمحرك كهربائي وأن عضلات الضفدع لعبت كجزء من الموصل لإستكمال تلك الدائرة. هذا ما أدى إلى جدال بين أتباع تلك الفكرتين المتناقضتين، إحدى المجموعتين اعتنقت فكرة فولتا القائلة أن التيار الكهربائي كان نتيجة لقوة محركة كهربائية لاتصال المعدنين. أما المجموعة الأخرى فقد اعتمدت تعديل فكرة جالفاني وتؤكد بأن التيار كان سببه تقارب أو تشابه كيميائي بين المعادن وأحماض النسيج. وقد كتب مايكل فاراداي في مقدمة أبحاثه التجريبية ردا لمسألة ما إذا كان الاتصال المعدني منتج أو غير منتج لجزء من طاقة الكهرباء للنسيج الفولطائي: لا أرى أي سبب حتى الآن لتغيير الرأي الذي ذكرته؛... لكن النقطة نفسها لها من الأهمية بمكان بحيث أعتزم في أول فرصة تجديد البحث وإذا كنت أستطيع تقديم البراهين إما على هذا الجانب أو الجانب الآخر بحيث لايمكن لأحد انكارها.
ومع ذلك فحتى فاراداي نفسه لم يتمكن من حل تلك الخلافات، ومع ما مر من تعديلات على آراء كلا الجانبين في هذه المسألة، إلا أنه لا تزال تبرز تحقيقات واكتشافات تطالب إلى يومنا هذا بالتنوع في الرأي حول هذه النقاط. فقد عمل فولتا عدة تجارب لدعم وتطوير نظريته والتي هي بالأساس تطوير التفاعل أو البطارية التي كان مقدمة لجميع البطاريات الكيميائية لاحقة، وامتلكت الجدارة المتميزة لكونها الوسيلة الأولى التي يتم من خلالها الحصول على الكهرباء ولفترات طويلة متواصلة. ونقل فولتا تصوره لشكل البطارية إلى الجمعية الملكية في لندن، وبعد ذلك بفترة قصيرة تمكن نيكلسون وكافنديش (1780) من إنتاج تحلل للماء بواسطة التيار الكهربائي وذلك باستخدام بطارية فولتا باعتبارها مصدرا للقوة المحركة الكهربائية.

فاراداي وهنري

كان اكتشاف التخليق الكهرومغناطيسي قد تم ما بين مايكل فاراداي وجوزيف هنري في وقت متقارب كل على حدة. في حين أن نتائج فاراداي قد سبقت نتائج هنري، ولكن هنري كان هو السباق في استخدامه مبدأ المحولات. وظهر اكتشاف هنري في الحث الذاتي وعمله في الموصلات اللولبية باستخدام وشائع النحاس سنة 1835، اي قبل اكتشاف فاراداي.
دشن فاراداي سنة 1831 عهدا جديدا للأبحاث بما يتعلق بالتأثير الكهربي والحث الكهرومغناطيسي عندما رأس المؤسسة الملكية في لندن خلفا للإستاذه همفري ديفي. فأبحاث أمير التجريبيين الرائعة حول الكهرباء الساكنة والكهرودينامكية وتأثير التيار قد استغرقت منه فترة طويلة للانتقال من حالة التجريبية الخام إلى النظام التعاقدي أو الجماعي، مبديا عن الروح الحقيقية. فلم يكن فاراداي مختصا بالرياضيات، ولكن لو كان كذلك لكان ساعده كثيرا في أبحاثه، ووفر على نفسه كثيرا من التكهنات غير المجدية وماتبعها من عمل. وسيكون مطلعا على نظرية أمبير كمثال على ذلك، إلا ان نتائجه قد قادت بسهولة إلى ظهور نظرية نيومان، والأعمال المرتبطة بهلمهولتز وطومسون.
توسعت دراسات وبحوث فاراداي خلال الفترة 1831 - 1855 وقد جمع تجاربه وتكهناته واستنتاجاته في وصف مفصل له بحيث يمكن العثور عليها اوراق جمعها وعنونها باسم "الأبحاث التجريبية في الكهرباء". وقد احترف فاراداي مهنة الكيمياء، ولم يكن ذا باع قوي في الرياضيات بالمعنى العادي—بل هو السؤال إن كان هناك أي صيغة رياضياتية في كتاباته.
التجربة التي قادت فاراداي إلى اكتشاف الحث الكهروستاتيكي كانت كالتالي: انشأ ماأطلق عليه لاحقا بملف الحث ، حيث كان السلكين الأولي والثانوي ملتفين ببعضهما البعض ومعزولين حول بكرة خشبية. ووضع في دائرة السلك الأولي بطارية بها 100 خلية، ووضع جلفانومتر في السلك الثانوي. فلم يلاحظ أي نتيجة في التجربة الأولى، حيث بقي الجلفانومتر ساكنا، ولكن عندما ازداد طول الأسلاك بدا الجلفانومتر بالإنحراف في السلك الثانوي عندما توصل دائرة السلك الأولي ثم تقطع. وكانت تلك هي الملاحظة الأولى لتطور قوة الدفع الكهربائي عن طريق الحث الكهرومغناطيسي.
وقد اكتشف أيضا أن هناك تيارات مستحثة تنشأ في الدائرة المغلقة الثانية عندما تتغير قوة التيار في السلك الأول، ويكون اتجاه التيار في الدائرة الثانوية معاكسا لما في الدائرة الأولى. إضافة إلى أن تيارا ينشا في الدائرة الثانوية عندما تحمل دائرة أخرى التيار من وإلى الدائرة الأولى، وعندما تقرب قطعة من المغناطيس أو تبعد من وإلى دائرة مغلقة سيحدث تيارات لحظية في الدائرة. ففي غضون بضعة أشهر التالية اكتشف فاراداي خلال التجارب تقريبا جميع القوانين والحقائق المعروفة عن الحث الكهرومغناطيسي والحث المتبادل. بناء على تلك الاكتشافات -مع استثناء نادر جدا- فقد اعتمد عليها تشغيل الهاتف والدينامو وبالصدفة آلات الدينامو الكهربائية وعمليا جميع الصناعات الكهربائية العملاقة في العالم، بما فيها الإضاءة الكهربائية وجر القاطرات بالكهرباء وتشغيل المحركات الكهربائية لأغراض الطاقة والطلاء بالكهرباء والطباعة الكهربائية وغيرها.
وفي بحثه عن التصرف الغريب لبرادة الحديد التي ترتب نفسها في الورق المقوى أو الزجاج عند تقريب أقطاب المغناطيس إليها، تصور فاراداي فكرة "خطوط القوة" المغناطيسية التي تمتد من قطب مغناطيسي إلى القطب الآخر وعلى الإمتداد الذي رسمته برادة الحديد. وعلى هذا الاكتشاف ظهر ان الآثر المغناطيسي يلازم طريق التيار الكهربائي في السلك، فافترض أن خطوط قوة مغناطيسية مماثلة تحوم حول السلك. فتسهيلا لعمله وليعلل تلك الكهرباء الناجمة افترض أن تلك خطوط القوة "تنقطع" عند تمرير أسلاك عليها أو أنها تقطع الأسلاك عند ارتفاعها أو انخفاضها فيتوسع التيار الكهربائي، ولنكون أكثر دقة فإن القوة الدافعة الكهربائية في الأسلاك تتوسع بحيث يتحدد التيار في دائرة مغلقة. ثم بعد ذلك طور فاراداي ما اصطلح على تسميته بنظرية الجزيئية الكهرباء. التي افترض فيها أن الكهرباء هي مظهر لحالة متميزة لجزيء جسم ما تعرض للفرك أو أنه الأثير المحيط بذات الجسم. كما أنه ومن خلال التجارب اكتشف المغناطيسية المسايرة والمغناطيسية المعاكسة، والتي تعني أن المغناطيس يجذب أو ينفر جميع المواد الصلبة والسائلة. على سبيل المثال: الحديد والنيكل والكوبالت والمنغنيز والكروم وغيرها هي مواد مغناطيسية مسايرة (تنجذب للمغناطيسية)، بينما هناك مواد أخرى مثل البزموت والفوسفور والزنك والأنتيمون وغيرها تنفر من المغناطيسية أو لانفاذية مغناطيسية.
وقد تم اكتشاف ضعف النفاذية المغناطيسية للبزموت والأنتيمون قبل فاراداي، حيث اكتشفه كلا من بروجان سنة 1778 وليبياليف وبيكوريل سنة 1827. وينسب إليه اكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي في سنة 1831 مع إنه لربما توقع الظاهرة فرانسيسكو زانتيديتشي في 1829. وتوقع أيضا تأخر إشارات الكابلات البحرية في المسافات الطويلة بسبب تأثير الحث لعزل الكابل، أو بعبارة أخرى السعة الثابتة للكابل.
أتت السنوات ال 25 التي تلت الاكتشافات فاراداي في الحث الكهربائي ثمارها في نشر القوانين والحقائق المرتبطة بالتيارات والمغناطيسية المستحثة. ففي سنة 1834 أظهر هنريش لنز وموريتز فون جاكوبي كلا على حدة حقيقة مألوفة حاليا وهي أن التيار المستحث في الملف يتناسب طرديا مع عدد اللفات. كما وضع لنز قانونه المهم الذي ينص على: «تغيير التدفق المغناطيسي داخل وشيعة من موصل كهربائي يؤدي إلى جهد محث كي يولد التيار من خلاله حقلا مغناطيسيا الذي يتوجه بعكس تغيير الدفق المغناطيسي المسبب له»، وربما هو القانون الذي استخلص من تفسير فارادي لدوران أراغو.
كان نيكولاس كالان هو أول من صمم ملف الحث في سنة 1836. وفي 1845 نشر الفيزيائي الأمريكي جوزيف هنري تقريرا مهما عن ابتكار مغنطیس كهربائي أكثر قوة بلف عدة طبقات من الأسلاك المعزولة حول قطعة من الحدید. ثم طور هاينريش رمكورف ملف الحث، فأعطي ملف رومكورف براءة اختراع سنة 1851، وقد استخدم ملفات طويلة من الأسلاك النحاسية ليحصل على شرارة طولها 2 انش (50 ملم). وفي 1857 وبعد فحص نسخة محسنة كثيرا قدمها المخترع صمويل ادوارد ريتشي حسن رومكروف تصميمه وذلك باستخدام الزجاج العازل وابتكارات أخرى للسماح لإنتاج شرارة تكون أطول من 300 مليمتر (12 بوصة).

ماكسويل

وفي سنة 1864 أعلن جيمس كلارك ماكسويل الآتي من ادنبره نظريته الكهرومغناطيسية عن الضوء والتي تعتبر أعظم خطوة معرفية في علوم الكهرباء. وقد درس ماكسويل المجال الكهربائي والمغناطيسي منذ سنة 1855/56 وعلق عليها في بحث عن طبيعة المجالات الكهرومغناطيسية في ورقة علمية من جزءين نشرها سنة 1861 بعنوان "عن خطوط فاراداي للقوى" (بالإنجليزية: On Faraday's lines of force) تليت في الجمعية الفلسفية بكامبردج، حيث عرضت الورقة نموذج مبسط لعمل فاراداي وكيف أن هناك علاقة بين الظاهرتين، وقد اختزل كل تلك العلوم إلى مجموعة مترابطة من معادلات التفاضل من 20 معادلة في 20 متغير. وقد نشر هذا العمل في مارس 1861 تحت اسم:"عن الخطوط الفيزيائية للقوى" (بالإنجليزية: On physical lines of force). ولكي  تحدد القوة الفعالة في أي جزء من الآلة يجب أن نحدد الزخم ومن ثم نحسب معدل تغييره. معدل التغير هذا يعطينا القوة. وكان لاغرانج أول من قدم تلك الطريقة الضرورية في الحساب، ثم طورتها معادلات هاملتون مع بعض التعديلات، وسميت بمبدأ هاملتون . وعندما تستخدم تلك المعادلات بصيغتها الأصلي فإنها تعرف بمعادلات لاغرانج. اما ماكسويل فقد بدأ منطقيا أن بإمكانه تطبيق تلك الأساليب الحسابية على المجال الكهرومغناطيسي. فطاقة النظام الحركي هي جزئيا حركية والآخر جهد كامن. فافترض ماكسويل أن الطاقة المغناطيسية للمجال هي طاقة حركية والطاقة الكهربائية هو الكمون.
وفي سنة 1862 تمكن ماكسويل من حساب سرعة انتشار المجال الكهرومغناطيسي خلال محاضرة في كلية الملك، فوجد أنه نفس سرعة الضوء، واعتبر ان ذلك مجرد صدفة وعلق على ذلك "بأنه من الممكن تجنب الإستنتاج أن الضوء يكمن فيه موجات عرضية من نفس الوسط الذي يسبب ظاهرتي الكهرباء والمغناطيس". وللعمل أكثر على حل تلك المشكلة، فقد أظهر ماكسويل أن المعادلات تتنبأ بوجود موجات من المجالات الكهربية والمغناطيسية المتأرجحة التي تنتقل بالفراغ بسرعة يمكن حسابها بتجارب كهربية بسيطة -حسب المعطيات في ذلك الوقت- فحصل ماكسويل على سرعة 310,740,000 م/ث. واستنتج من أن الضوء نفسه يتألف من موجات كهرومغناطيسية.
كتب ماكسويل في ورقته نظرية الديناميكية للحقل الكهرومغناطيسي سنة 1864: توافق النتائج يظهر أن الضوء والمغناطيسية مرتبطان بأساس واحد، وأن الضوء هو انتشار كهرومغناطيسي مضطرب عبر المجال حسب القوانين الكهرومغناطيسية. وكما هو ملاحظ مع فاراداي وقبله أمبير وغيرهما عن محدودية المعرفة أن أثير الفضاء المضيء كان وسيلة لعملية كهربائية. ومعروف أيضا بالحساب والتجربة أن سرعة الكهرباء هي 186,000 ميل\الثانية وهذا يعادل سرعة الضوء، وهو بحد ذاته يعطي فكرة وجود علاقة بين الكهرباء و"الضوء". وهناك عدد من الفلاسفة أو الرياضياتيين السابقين كما وصفهم ماكسويل في القرن 19 أخذوا بالرأي القائل أنه يمكن تفسير الظواهر الكهرومغناطيسية عن طريق التأثير عن بعد.