Electricitetens historia

Nedan följer en kort sammanfattning av historiken bakom electriciteten och elektroniken. Nästan alla bilder kommer från väldigt gamla trycksaker och är därför public domain. Länkar refererar till relevanta avsnitt av wikipedia för de olika personerna. Ok, då kör vi!

Statisk elektricitet

Forna egypten (år -2750)

Första observerade funderingarna hittar man redan i texter från egypten 2750 år före vår tidräkning där de beskriver en elektrisk fisk, med egenskaper som "Thunderer of the Nile" eller "Nilens åska".

Gamla grekerna (år -600)

De gamla grekerna 600 år före vår tidräkning kände också till electricitet. Om bärnsten gneds mot vissa kläder kunde den attrahera (dra till sig) vissa tygbitar. Bärnsten heter på grekiska elektron. Den magiska kraften döptes till electricitet och vi kallar detta idag för statisk elektricitet.

William Gilbert 1544-1603

På 1500- talet visade William Gilbert att många material var elektriska. Han sorterade material i vad han upplevde var elektriska och icke elektriska.

Vi kan också snabbt konstatera - även om det är utanför denna text att grotta vidare i detta - att Gilbert var en anhängare av att jorden kretsade runt solen och att månen kretsade runt jorden. Detta var alltså en ny ide' på 1500-talet och inte riktigt rumsren att tro på. Alla visste att jorden stod i centrum. Martin Luther (reformationen) krigade mot den numera dekadenta kyrkan och samhället hade inte direkt tid med ytterligare "fiender" till vilka vetenskapen måste räknas.

Otto von Guericke 1602-1686

Otto von Guericke laborerade vidare och byggde en electricitetsmaskin, som senare kopierades och utvecklades vidare, t.ex. av Francis Hauksbee (se bild nedan).



Vi kallar detta idag för statisk elektrictet.

Stephen Gray 1666-1736

Under 1700-talet upptäckte engelsmannen Stephen Gray, som tröttnat på att färga kläder och istället intresserade sig allt mer för vetenskap, skillnaden mellan ledare och isolatorer (icke-ledare) och kom fram till att det snarast var på motsatt sätt mot vad man tidigare kommit fram till, nämligen att metaller (som tidigare var betraktades som icke-ledare) kunde leda elektricitet.

Charles François de Cisternay du Fay 1698-1739

Fransmannen och kemisten Dufay upptäckte att det fanns 2 typer av elektrisk laddning, positiv och negativ. Att lika laddningar stötte ifrån varandra och olika attraherade varande.

Luigi Aloisio Galvani 1737-1798

Galvani skickade in elektricitet i muskler på en död groda och fick den att hoppa. Väldigt intressant tyckte dåtidens rika, som börjat fundera över hur allting fungerar och därför gärna betalade en stor slant för att få fysikens nya landvinningar presenterade i föreläsningar.

Batteriet (Kondensatorn)

Alessandro Guiseppe Volta 1745-1827

Volta gjorde många försök med metaller och mellanlägg och lyckades i mitten av 1700 -talet få fram ett batteri med hjälp av koppar och zink samt papper däremellan som dränktes i en syralösning.

Stömmen som uppstod kallade Volta för galvanisk efter sin kollega. Härifrån kommer begreppet galvaniskt åtskilld.

Elektromagnetismen

Hans Cristian Örsted 1777-1851

1820 upptäckte danske professorn Örsted att strömmen från en Volta -stapel (se ovan) kunde påverka en magnetnåls utslag (det vi kallar "kompass" idag). Denna till synes lilla upptäckte var i själva verket enormt stor. Han påvisade här att det fanns ett samband mellan elektricitet och magnetism. Tidigare kände man enbart till att det fanns magnetiska metaller. Nu visade Örsted att man kunde skapa en magnet på elektrisk väg.



Han skickade ivrigt ut en rapport i forskarvärlden om sin upptäckt (det gjordes brevledes på denna tid) och plötsligt var professor Örsted världsberömd.

Michael Faraday 1791–1867

Bland de som tog del av Örsteds rapport och ivrigt började experimentera fanns Michael Faraday. Faraday jobbade vid denna tid som assistent åt Humphry Davy och hade på kvällar och lediga stunder tillgång till hans laboratorium. Faraday lyckades 1 år efter Örsteds upptäckt (år 1821) konstruera en elektrisk motor och efter detta skämtades det i vetenskapskretsar om att Humphry Davy's största vetenskapliga upptäckt var att han funnit Michael Faraday.


Ovan ser du Faradays motor. Det skulle nu inte dröja länge innan andra personer började experimentera med att tillverka elektricitet i stor skala, uppfinna elektriska lampor samt tillverka mer effektiva elektriska motorer.

En motor som liknar Faradays motor på youtube. Det kanske inte ser mycket ut för världen, med det var det.

Nedan, år 1831 hade Faraday förfinat sitt experiment med induktion. Genom att föra en elaktromagnet genom en spole kunde han visa med en galvanometer att en ström inducerades. Detta är sedan det konceptet bakom vilket alla motorer eller alternatorer byggdes 50 år senare.


Nedan en homopolär motor byggd av Faraday 1931.

William Sturgeon 1783-1850

1824 skapade William Sturgeon den första elektromagneten som är lite mer lik den som senare kom att användas.

Andre Marie Ampere 1775-1836

En annan som tog del av Örsted rapport var Ampere. Han utarbetade lagar runt förhållandet mellan strömmens styrka och och den magnetiska påverkan.

Georg Simon Ohm

6 år efter Örsteds upptäckt ställde den tyska forskaren Ohm upp sin lag om ström, spänning och resistans. Dessa samband använder vi ganska ofta när vi konstruerar elektronik idag.



Jag vill lära mig ohms lag!

Nicholas Callan 1799-1864

Nicholas Callan konstruerar den första induktionsspolen 1831. En induktionsspole producerar en högspännings-AC från ett lågspännings DC -batteri. En sådan här induktionsspole använde Hertz 56 år senare, år 1887, när han visade att de elektromagnetiska vågor fanns, som Maxwell förutsåg matematiskt skulle finnas.

Hittar ingen bild på Nicholas Callan's induktions -spole, men nedan är en principskiss på en liknande.



En induktionsspole fungerar ungefär som en gammal ringklocka. När spolen elektrifieras blir den magnetisk vilket drar i en switch som stänger av strömmen. När strömmen slås av, slår switchen igång spolen igen. På så vis får man högspännings-AC. En väldigt primitiv "svängningskrets".

James Clerk Maxwell 1831-1879

Faraday var fantastisk på att experimentera men hade ingen formell skolning. Hans upptäckter runt elektromagnetism fick därför ingen vetenskaplig matematisk beskrivning. Faraday visste vad han såg och drog sina egna slutsatser, som han försökte förmedla. Men han kom inte mycket längre än så. Flera vetenskapsmän ville inte riktigt ta honom på allvar eftersom Faraday inte kunde beskriva sina upptäckter matematiskt.

En person som bestämde sig för att analysera Faradays arbete och ge det en matematisk inramning var James Clerk Maxwell. Han var ensamt barn från en rik familj som gått i en fin skola - den absoluta motsatsen till Faraday. I sitt arbete Dynamical Theory of the Electromagnetic Field lyckades Maxwell beskriva matematisk vad Faraday upplevde i laboratoriet och detta ligger sedan till grund för hur vi förstår elektromagnetism på ett djupare sätt, något vi använt för att t.ex. bygga radiosändare och radiomottagare.

Vad vore vårt samhälle idag utan Faraday och Maxwell? Vi hade troligtvis fortfarande traskat runt i lera och mjölkat kossor.

Elkraftsproduktion

Motorn

Såhär dags, under 1800-talet alltså, började det stå klart bland fysiker hur man kunde bygga en elektrisk motor eller omvänt driva runt en alternator och producera electricitet. Hur fungerar en DC motor?

Thomas Edison 1847-1931

Edison var en uppfinnare med en lång lista av uppfinningar, bl.a. glödlampan (dec 1789) och fonografen med vars hjälp man kunde spela in ljud, men jag ska här prata om Edisons dynamo eftersom det här handlar om electricitet och elektronik snarare än mekanik.



Så, sambandet mellan electricitet och magnetism var nu någorlunda tydligt tack vare Faraday och hans efterföljare. Faraday hade visat att om man förde en magnet genom en spole så inducerades en elektrisk ström. Edison bestämde sig för att göra detta i stor skala och tjäna pengar på det.


Ovan en bild på en ångmaskinsdriven dynamo skapad av Edison. Den kan driva 1500 lampor och levererar 110 volt. Från wikipedia. Läs mer om bildrättigheter.

Edisons Pearl Street Station var den första kommersiella elektricitets -producenten i USA. I byggnaden fanns 6 stycken ångmaskinsdrivna dynamo på en yta av 15 x 30 meter. Vid starten 1882 tillhandahölls elektricitet till 400 lampor och 82 kunder. 2 år senare betjänades 508 kunder och 10164 lampor. Något ombyggda Porter-Allen -ångmaskiner drev Edisons dynamos.



Det är viktigt förstå att Edison byggt generatorer som levererade DC (likström). Detta skulle visa sig vara en återvändsgränd, när en konkurrent kom med i matchen - George Westinghouse - och en bitter fajt började utkämpas mellan DC och AC (växelström).

Edision förstod någon gång under resan att det fanns fördelar med växelström men hans patent grundade sig på likström och det var där han hade möjlighet att tjäna pengar.

Nikola Tesla 1856-1943

Nikola Tesla emigrerade till amerika. Väl där klev han med raska steg in hos Edison och sökte arbete, vilket var hans plan med att resa till amerika. Tesla fick jobbet och sattes i arbete med att förbättra Edisons DC -anläggningar. Tesla hade ideer på en AC -generator han ruvat på under några år som han ville sälja in hos Edision.


Induktionsmotor ("Tesla polyphase induction motor") från Nikola Tesla Museum, Belgrad, Serbien. Licens för bild: CC BY-SA 3.0

Edision ville inte lyssna på detta öra och det skar sig mellan Tesla och Edision. Tesla sade upp sig och startade eget. Det var lättare i teorin än i praktiken. Tesla var ett geni när det kom till uppfinningar men usel på affärer och var som egenföretagare också motarbetad av Edision, som nu såg honom som en rival. Under 2 år jobbade Tesla med att gräva diken för 2 dollar per dag. Ibland visste han inte riktigt vad dagens måltid skulle komma ifrån.

Han fick år 1887 flera patent på en växelströmsmotor och transformatorer för växelspänning. Då han var i behov av pengar sålde han uppfinningen till Westinghouse för 60.000 dollar och löfte om framtida royalties. Detta blev grunden för Westinghouse's AC som senare skulle vinna striden över Edision's DC. Från att först jobbat åt Edision och försökt få honom att gå över till AC, så jobbade Tesla istället några år senare åt Westinghouse med att utveckla AC -tekniken.

Tesla låg bakom en hel del andra uppfinningar och ideer och demonstrerade blanda annat hur trådlös kommunikation skulle kunna ske, dvs radio (1893). Han producerade också en del knasiga ideer vilket du kommer finna om du läser vidare om honom.

Youtube: Film som visar hur en induktionsmotor av den typ Tesla uppfann fungerar.

George Westinghouse 1846-1914

Samtidigt som Edison byggde och kommersialiserade sina likströmsgeneratorer i New York, så byggde George Westinghouse sina växelströmsgenerator som senare förbättrades med hjälp av Tesla - som Edision lättvindigt lämnat ifrån sig några år tidigare. I slutet av 1887 hade Westinghouse byggt 68 AC -kraftverk och Edison byggt 121 DC -kraftverk.



Så nu fanns alltså 2 stycken konkurrerande system; AC och DC. Det finns fördelar och nackdelar med båda dessa system. Fördelen med DC är att det är enkelt och harmlöst. Fördelarna med AC är dock fler. AC går enkelt att transformera upp och ner. Detta spelar stor roll om man vill transportera elektricitet en lång väg. Då vill man transformera upp till hög spänning för att på så vis minimera förlusterna. Detta är enkelt gjort med AC men ganska komplicerat att göra med DC. AC är dock farligare och i det krig som uppstod mellan AC och DC målades hemska bilder upp vad AC kunde användas till, för att skrämma människor välja Edison's DC före Westinghouse's AC.



Det var förstås helt riktigt. AC är väldigt farligt och många dödsolyckor hände med AC när man byggde ut dessa elektriska nät. Men fördelarna är helt enkelt alltför många med AC och nackdelarna med DC är för stora. Segraren i detta krig känner vi ju till. Vi har nämligen AC i våra vägguttag. Precis som nämndes i propagandan är AC farligt om det är högre än 50 volt AC.



Ovan en bild på arbetare 1891 som poserar tillsammans med en 100 hästkrafters synkron alternator vid Ames kraftverk nära Ophir Colorado. Vid tidpunkten den största generator Westinghouse hade byggt, som drevs av vattenkraft - ett stort skovelhjul vid floden San Miguel. Den producerade 3000 volt, 133 Hz.

Mänskligheten hade nu elektrictet

Ovan, alternatorer byggda i Budapest 1909, Ungern. Bild från vattenkraftverk i Iolotan (östra Turkmenistan) vid Murghab Floden.

Radioröret

John Ambrose Fleming 1849-1945

Engelsk elektroingenjör och fysiker som uppfann det första radioröret, närmare bestämt en diod. Fleming uppfann också den praktiska högerhandsreglen för att hålla redan på magnetsfälts riktning givet att du har en strömriktning och trådlindningsriktning.

Heinrich Hertz 1857-1894

Maxwell visade matematiskt att det teoretiskt borde existera elektromagnetiska vågor, men visade aldrig att det faktiskt var så. Hertz byggde en svängingskrets med en stor spole och ett gnistgap och lyckades år 1887 visa att denna konstruktion skapade elektromagnetiska vågor som kunde tas emot någon meter bort. Därmed hade han visat att elektromagnetiska vågor faktiskt existerade.

Guglielmo Marconi 1874-1937

Marconi vidareutvecklade Hertz gnistsändare och lyckades 1895 sända en signal några kilometer. 1901 lyckades han sända en signal över atlanten.



Marconis framsteg drog undan finansieringen (som kom från Morgan Stanley) för Tesla, att göra sin egen radio. Tesla ansåg att Marconi använde 17 av hans patent och efter Teslas död har också detta erkänts/påståtts/ att Tesla uppfann radion. Jag antar att det finns utrymme att fortfarande dividera om detta, då det är långt ifrån klart vem som faktiskt lånade ideer från vem. Tesla kände t.ex. till vad Hertz hade gjort. Nog om detta.

Det intressanta här, det var att navet runt vilken radion byggdes var konceptet med svängningskrets och den elektromagnetiska strålning detta skapade. Den matematiska och fysikaliska beskrivningen av detta går tillbaka till Maxwell, som i sin tur går tillbaka till Faraday. Så fungerar idag all radio, men tekniken för att åstadkomma detta har förfinats. Det första jätteklivet kom med radioröret.

Lee de Forest 1873-1961 & Robert von Lieben 1878-1913

Fleming hade tidigare konstruerat en radiorör som fungerande som en diod. Forest och Lieben skickade oberoende av varandra 1906 in patentansökningar på ett radiorör som adderade ett tredje galler i tuben. Därmed var det första förstärkarröret (trioden) uppfunnet.

Edwin Howard Armstrong 1890-1954

Med trioden på plats tog det ca 15 år innan radion började låta. Nedan förklarar Armstrong hur hans AM- radio fungerar.



Notera hur schemat för Hertz gnistsändare utvecklades vidare av Marconi och sedan av Armstrong.

Nedan Hertz gnistsändare 1887


Nedan Marconis sändare och mottagare 1901



Nedan en rörradio (mottagare) 1925



Armstrong arbetade vidare och 1933 fick han 5 patent beviljade för teknik bakom en FM -radio.



Nedan en ritning på en AM -mottagare med en triod.

Eniac 1945

Radiorörets klimax var antagligen den första rördatorn. En mer komplicerad maskin skapad med rör byggdes aldrig. Datorn användes bl.a. av amerikanska militären för komplicerade beräkningar. Problemet var bara att radiorören hade en begränsad funktionstid och med tiden kollapsade funktionen när rör ständigt måste ersättas med nya. Detta var radiorörets akilleshäl, vid sidan av att rören behövde värmas upp någon minut innan de fungerade, att dessa hade en begränsad funktionstid.

Transistorn

Julius Edgar Lilienfeld 1882-1963

Lilienfeld skickade in de första patenten på en transistor (FET) 1925 vars avsikt var ersätta radioröret. Men dels saknades vetenskapliga referenser och dels saknades exempel på hur denna transistor skulle användas. Dessutom låg billig tillverkning av sådana här transistorer fortfarande en bit in i framtiden, så ingenting hände med denna uppfining på 20 och 30-talet. 1934 patenterade en tysk, en liknande transistor -konstruktion som Lilienfeld. Men det blev ingen succe då heller.

William Shockley 1910-1989, Bell Labs

På 1950-talet ansökte William Shockley, som då jobbade på Bell Labs, patent på den första BJT -transistorn. Kemister på labbet hade framgånsrikt tillverkat en fungerande NPN -transistor.





Tack vare möjligheterna att tillverka transistorer billigt, så började det dyka upp transistorradio. Nedan en pocket-radio från 1958.

Integrerade kretsen

Jack St. Clair Kilby 1923-2005

Kilby tilldelades nobelpriset i fysik år 2000 för sin del i uppfinningen av den integrerade kretsen. Tittar man på hans patent ser man att han tidigt såg en modulär konstruktion framför sig där komponenter kunde bakas ihop i bekväma "pluginmoduler". Detta synsätt är navet runt vilken all elektronikutveckling idag snurrar vilket gör det möjligt att hävstånga oss fram. Vi plockar färdiga moduler som gör något avancerat och bygger ihop med en andra lämpliga moduler.



Nu var racet i full fart, med en kraftig ökning av antalet transistorer inbakade i en krets.
        

Årtal	IC		Antal transistorer
1971	Intel 4004		2.300 transistorer
1979	Intel 8088		29.000 transistorer
1985	Intel 80308		275.000 transistorer
1993	Pentium		3.100.000 transistorer
2006	Pentium D Presler		362.000.000 transistorer
2013	Apple A7		1.000.000.000 transistorer
2018	Apple A12X Bionic		10.000.000.000 transistorer

Tack vare IC för alla tänkbara specifika uppgifter, så blir det enklare och enklare att bygga avancerad elektronik.



Detta är den korta historien om electriciteten och elektroniken utveckling.

Avslutningsvis

Reflektioner

Man slås av tanken att det är rätt så många excentriska personligheter som lagt grunden för vårt moderna samhälle. Samtidigt har mer metodiskt arbetande fysiker fångat upp dessa upptäckter och givit dem en matematisk inramning, som t.ex. Maxwells arbete med att göra matematik av Faradays upptäckter. Men Maxwell kunde aldrig praktiskt visa det hans matematiska ekvationer visade, existensen av elektromagnetiska vågor. Det gjorde däremot senare Hertz vars gnistsändare sedan arbetades vidare på av Tesla och Marconi.

Inledningsvis drevs utvecklingen av rena upptäckter och idealism. Faraday eller dansken Örsted, som exempel, ville bara att så många som möjligt skulle ta del av deras upptäckter. Längre fram kom det allt oftare handla om patent och att tjäna pengar, vilket på sätt och vis var nödvändigt då utvecklingen med tiden kostade allt mer pengar. Det krävdes t.ex. en hel del arbete för att tillverka en större alternator som producerade el. För Edison och Westinghouse handlade det enbart om affärsverksamhet. De anställde personer som Tesla som gjorde uppfinningarna åt dem. Det var en del av deras affärsmodell.

I takt med att forskningen blev allt mer sofistikerad så är utvecklingen allt oftare ett teamwork på ett företag eller institution på en skola, så när Kilby fick nobelpriset för sitt bidrag till den integrerade kretsen så är det egentligen troligtvis betydligt fler som gjorde utvecklingen av den integrerade kretsen möjlig.

Jag hoppas denna historia sprider lite inspiration. Slit den med hälsan!

PS. Jag kommer troligtvis skriva på denna historia lite då och då. DS

Begrepp

Motor: Skickar in elektricitet vilket skapar en rörelse.
Alternator: Genom att rotera en axel induceras elektricitet. Dvs, en omvänd motor.
Induktion: Genom att låta en spole utsättas för ett magnetfält som rör sig så induceras en ström i spolen.