電気の発明に科学的、商業的に貢献した研究家たち

電気は私たちの身の回りにあり、照明や扇風機、パソコン、携帯電話など数え切れないほどの機器の電源となっています。人間の体の中のシナプスから雷まで、自然界のいたるところに電気は存在しており、電気のない場所は現代社会には存在しません。

 

では、電気を発見したのは誰でしょう？これは複雑な質問で、多くの人は、ベンジャミン・フランクリン一人だけを電気の発明した人として称賛していますが、これは少し不公平です。

 

他にも多くの科学者がフランクリンの実験を利用して電気の研究をしており、中には様々な形の電気を発明した科学者もいます。これらの科学者が誰で、どのような貢献をしたのか、深く掘り下げてみましょう。

 

 

2600年前の電気

 

 

紀元前約600年、ギリシャの数学者であるミレタスのタレスは、こはくの上で毛皮をこすると、その間に引力が引き起こされるということを発見しました。後の観察で、この引力が静電気と呼ばれる電荷の不均衡によるものであることが証明されました。

 

考古学者は、古代人が電気を使った実験をしていた可能性があるという証拠を発見しています。1936年、鉄棒、銅板、アスファルト合金を含む粘土の鉢を発見しており、これは電気化学（ガルバニック）セルに似ています。

 

この道具が何に使われていたのかは不明ですが、古代人は私たちが知るずっと前から初期の電池について学んでいた可能性があるという事実が解明されました。

 

 

トーマス・ブラウンは1646年に「電気」という言葉を使っていた

 

 

1600年、イギリスの物理学者ウィリアム・ギルバートは「De Magnete」という本を書き、琥珀をこすることで静電気が発生することを説明しました。しかし、彼は、電荷がすべての物質に普遍的であることに気づいていませんでした。

 

ギルバートは琥珀を使って静電気を研究し、琥珀はギリシャ語で「エレクトロン」と呼ばれていたので、その効果を電気力と名付けることにしました。彼はまた、身体に電荷があるかどうかを検出するための検電器（ヴェルソリウム）を発明しました。

 

ギルバートの研究により「電気」という英単語が生まれ、1946年にトーマス・ブラウン卿によって書かれた科学雑誌『Pseudodoxia Epidemica』の第2版で初めて登場しました。

 

 

チャールズ・フランソワ・フェイが電荷の種類を発見

多くの科学者によって、さらに研究が行われました。例えば、オットー・フォン・ゲーリケは1663年に摩擦電気機械の原型を発明、スティーヴン・グレイは1729年に静電誘導と呼ばれる現象を発見しました。

 

17世紀初頭の大きな貢献の一つは、フランスの化学者シャルル・フランソワ・デュ・フェによるものです。彼はガラス質と樹脂質の2種類の電気を発見しました（現在ではそれぞれ正電荷と負電荷と呼ばれています）。

 

彼はまた、同じ電荷を持つ物体は互いに引きつけ合い、反対の電荷を持つ物体は反発することを発見しました。また、物体の電気的性質は色によって決まるといった、当時の誤解も明らかにしました。

 

 

ベンジャミン・フランクリンは稲妻は自然界の電気であることを証明した

 

 

18世紀半ば、ベンジャミン・フランクリンは電気を理解するため、広範囲に研究し、数々の実験を行いました。1748年には、数枚のガラス板を鉛板で挟んで電気電池を作りました。また、電荷保存の原理も発見しました。

 

1752年6月、フランクリンは雷が電気であることを証明するために有名な実験を行いました。彼は感電しないように絶縁体の上に立ち、湿らせた凧の紐の底に金属製の鍵を取り付け、雷雨の中で凧を飛ばしました。

 

彼の予想通り、凧は嵐雲から電荷を集め、それが糸を流れて彼に衝撃を与えました。 この実験によって、雷は本当に電気的なものであることが証明されたのです。

 

 

1780年代に生体電磁気学を発見、ルイジ・ガルヴァーニ

イタリアの物理学者・生物学者であり、生体電磁気学の先駆者でもあるルイジ・ガルヴァーニは、1780年、カエルを使った実験を行い、電気が神経細胞が信号を筋肉に伝える媒体であることを発見しました。

 

 

アレッサンドロ・ボルタは1800年に初期の電気電池を発明した

 

 

アレッサンドロ・ボルタというイタリアの物理学者は、特定の化学反応が安定した電流を生成できることを発見しました。彼は、電荷の連続的な流れを作り出すために、初期の電気電池であるボルタパイルを作りました。このボルタスパイルは、銅と亜鉛の交互の層で形成されています。

 

ヴォルタはまた、電位（V）と電荷（Q）を区別し、それらが与えられた物体に対して比例することを記述しました。これはヴォルタの静電容量の法則と呼ばれています。電位のSI単位（ボルト）は彼に敬意を表して命名されました。

 

ヴォルタが行った研究は注目を集め、他の科学者も同様の研究を行うようになり、最終的には電気化学と呼ばれる物理化学の新分野の発展につながりました。

 

ドイツの物理学者ゲオルク・ジーモン・オームは、ボルタの電気化学セルをさらに研究し、電流は導体を挟んで印加される電圧（電位差）に正比例することを発見しました。この関係はオームの法則と呼ばれています。

 

 

ハンス・クリスティアン・エルステッドは電気が磁場を作ることを発見

 

 

19世紀初頭、デンマークの物理学者ハンス・クリスティアン・エルステッドは、電気と磁気の直接的な関係を発見しました。1820年、彼はコンパスの針が近くの電流によって偏向されることを説明し、その発見を発表しました。

 

エルステッドの研究は、フランスの物理学者アンドレ＝マリ・アンペールにインスピレーションを与え、電気と磁気の関係をよりよく説明するための物理的・数学的理論を展開しました。彼は、電流を流す物体間の磁力を表す数式を作成しました。電流のSI単位（アンペア）は彼にちなんで名付けられました。

 

アンペールは、1820年代にソレノイド（制御された磁場を発生させる電磁石）や電気電信（ポイント・ツー・ポイントのテキスト・メッセージング・システム）など、多くの機器を発明しました。

 

 

マイケル・ファラデーは、電気を技術的に実用化した

 

 

マイケル・ファラデーは、電磁場の概念の基礎を確立しました。彼は光線が磁気の影響を受けることを発見し、電動機技術の基礎となる電磁回転装置を発明しました。

 

1831年、ファラデーは電気発電機を開発しました。これは、機械の回転エネルギーを連続的に電気エネルギーに変換することができる機械で、これによって電気を生産することが可能になりました。

 

1832年、ファラデーは電気の挙動を調べるために一連の実験を行いました。彼は、電気の「種類」を分類するのは幻想であると結論づけ、電気の「種類」は1つしかなく、電流や電圧（量や強度）などのパラメータを変えることで、異なる現象のグループが生まれると提示したのです。

 

 

ジェームス・クラーク・マクスウェルが電磁放射の理論を定式化した

1873年、スコットランドの科学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、正確に電磁場を記述することができる方程式の発明を始めました。彼は、電場と磁場が光速の波として移動することを理論化しました。

 

ハインリッヒ・ルドルフ・ヘルツはこの理論を証明し、グリエルモ・マルコーニはこれらの波を利用してラジオを開発しました。

 

 

トーマス・エジソンは電気を商業化

 

 

1879年、トーマス・アルバ・エジソンは、燃え尽きる前に長持ちする実用的な電球を発明しました。彼の次の課題は、これらの電球に電力を供給するための実現可能なエネルギー源を人々に提供できる電気システムを開発することでした。

 

1882年、彼はロンドンに最初の発電所を建設し、電気を発電して人々の家に運ぶことにしました。数ヶ月後、彼はニューヨーク市にもう一つの発電所を設立し、マンハッタン島の下層地域に電灯を提供しました。約85人の顧客が5,000個の電球を照らすのに十分な電力を受け取った。

 

この工場では、直流（DC）発電機を回すために往復動蒸気機関を使用していました。しかし、直流配電であるため、フィーダーの電圧降下によりサービスエリアが制限されていました。

 

 

ニコラ・テスラが交流電流を発明

電気時代の転機は数年後、ニコラ・テスラがエジソン社に就職するためにニューヨークにやってきたときに訪れました。彼は、自分が稼いだと信じていたボーナスの未払いを理由に、半年後にエジソン機械製作所を退職しました。

 

会社を辞めて間もなく、テスラは新しいタイプの交流（AC）モーターと電気伝送技術を発見しました。彼はジョージ・ウェスティングハウスと協力して交流システムの特許を取得し、国民に優れた電気エネルギーを提供しました。

 

テスラが発明した電力システムは、長距離・高圧送電に優れていたため、欧米で急速に拡大しました。ナイアガラの滝にあるテスラの最初の水力発電所は、200平方マイル以上の電力を輸送することができました。対照的に、エジソンの直流発電所は1マイル以内の電力しか輸送できませんでした。

 

今日、交流電流はほとんどの発電所で発電され、ほぼすべての配電システムで使用されています。2019年の世界の電力総生産量は27,644TWhでした。

 

 

ハインリヒ・ヘルツ、1887年に光電効果を観測

 

 

テスラが交流電流の発明と分配に忙殺されている間、ハインリヒ・ヘルツは電磁波を理解するための一連の実験を行っていました。1887年には、光などの電磁波が物質に当たると電子が放出される現象「光電効果」を観測しました。

 

1905年、アルバート・アインシュタインは「光電効果の法則」を発表し、光エネルギーは離散的な量子化されたパケットで運ばれるという仮説を提唱しました。これは量子力学の発展に重要な一歩となりました。アインシュタインは1921年のノーベル物理学賞を受賞しました。

 

光電効果は、一般的にソーラーパネルに見られる光電池で使用されています。太陽光（または特定の波長の光）が当たると電圧が発生し、電流が流れます。

 

2019年末までに、世界中で合計629ギガワットの太陽光発電が設置されました。多くの国や地域では、発電による環境への影響を軽減するために再生可能な電源への移行が進んでいるため、この数は今後も増加すると考えられます。

 

以上から、電気を発明したのは一人の人間だけではありません。電気という概念は何千年も前から存在していましたが、科学的にも商業的にもそれを研究する際には、多くの偉大な頭脳がこの問題に取り組んでいました。