Elektrostatyka – początki elektrycznego szaleństwa

0
15

Boską siłę wyładowania atmosferycznego obserwowano od zarania ludzkości. Starożytni przypisywali jej moc Zeusowi. Wizerunek gromowładnego władcy Olimpu dzierżącego piorun był stałym elementem kultury antyku.

Zeus-gromowładny

Wyładowania i inne zjawiska elektrostatyczne towarzyszyły więc człowiekowi od zawsze, a pierwsza próba opisu zachodzących wówczas procesów w kontekście innej niż boska perspektywy miała miejsce około 600 lat p.n.e. kiedy Tales z Miletu zaczął badać fenomen przyciągania przez potarty bursztyn różnych drobnych pyłków, kłaczków, płatków, nasion i innych tego typu drobiazgów. Obserwacje Talesa wynikały z ciekawości i były czysto opisowe, nie odnosząc się w żaden sposób do przyczyn zaobserwowanego zjawiska. Były jednak na tyle żywe w pamięci potomnych, iż cała dziedzina wiedzy, która rozwinęła się znacznie później zaczerpnęła swą nazwę od greckiego określenia bursztynu – elektron.

Rozwinięcie obserwacji Talesa

William Gilbert

W czasach nowożytnych obserwacje Talesa zostały potwierdzone i rozwinięte przez Williama Gilberta, który około 1600 roku opublikował wnioski swoich badań wykazując, iż oprócz bursztynu w ten sam sposób zachowuje się znacznie więcej materiałów. On także spopularyzował termin “elektryczność”. Od początku XVII wieku pocierane ciała stawały się więc naelektryzowane.

Ładunki du Fay’a i Franklina

Charles Francois de Cisternay Dufay (Du Fay)

Jednak pierwszym wiekiem elektryczności, który zasługuje na to miano można nazwać dopiero XVIII stulecie. Z jednej strony elektryczne pokazy stały się wówczas zabawą arystokracji, z drugiej rozwijała się szybko dziedzina wiedzy badająca elektrostatyczne zjawiska. W XVIII wieku wiedziano już, że jednoimienne ładunki odpychają się, a różnoimienne przyciągają. Charles du Fay, który jako pierwszy odkrył to zjawisko, ładunek powstały na pocieranym szkle nazwał “ładunkiem szklanym”, zaś ładunek wytworzony pocieraniem bursztynu – “żywicznym”. Na określenie tych ładunków Benjamin Franklin wymyślił nazwy “dodatni” (w nomenklaturze du Fay’a – szklany) i “ujemny” (żywiczny). W teorii Franklina materiały zawierały rodzaj “płynu elektrycznego”. Kiedy występował jego nadmiar wtedy pojawiał się ładunek dodatni, jeśli było go zbyt mało – ładunek był ujemny.

Latawiec Benjamina Franklina

 

Elektrostatyczne zabawy i pokazy

W wieku XVIII usilnie pracowano nad sposobami mechanicznego generowania dużych ilości elektrostatycznych ładunków, które wykorzystywane były do spektakularnych pokazów organizowanych ku uciesze widzów. Szybko obracane szklane kule elektryzowano za pomocą jedwabiu (kule miękiszowe “ładowano” pocieranymi dłońmi szklanymi pałeczkami), ładunek przenosił się na człowieka stojącego na izolowanym podłożu, którego dotyk “porażał piorunem” innych uczestników pokazu. W zestawie były stojące dęba włosy, trzaski i skaczące iskry.

Jean Antoine Nollet i pokaz z gwardzistami

Franklin za pomocą latawców uwiązanych mokrą linką odbierał ładunki z chmur burzowych – podobno piekł indyki traktując je potężnym gromem, choć bezpośrednim efektem jego działań był wynalazek piorunochronu (a nie piekarnik). Stephen Gray przesyłał elektryczność metalowym drutem na odległość ponad 200 metrów, wymyślając w ten sposób pierwowzór telegrafu. Znachorzy zarabiali na “leczniczych” właściwościach elektrycznych wstrząsów. Jean-Antoine Nollet w 1746 roku stworzył łańcuch 240 królewski gwardzistów których potraktował prądem ku uciesze Ludwika XV oraz jego świty. Podobny pokaz powtórzył z wykorzystaniem aż 700 mnichów, którzy połączeni byli metalowym drutem na odcinku aż trzech kilometrów. Tego typu pokazami dowodził, iż ładunek elektrostatyczny może być przesyłany na znaczne odległości z wykorzystaniem metalowych przewodników, tworząc w tym wypadku coś na kształt prototypu sieci przesyłowej energii elektrycznej. Chociaż Nollet bawił zgromadzonych widzów, wnioski wyciągał na poważnie, spisując je w Wykładach z fizyki doświadczalnej, dowodząc tym samym swego naukowego zacięcia i przyczyniając się do rozwoju elektrostatyki.

Butelka lejdejska

Pierwszy kondensator

Wytwarzanie ładunków elektrycznych to jedno, ale ich gromadzenie i przechowywanie to zupełnie coś innego. Metoda akumulowania ładunków opracowana została dopiero w połowie XVIII wieku. Oficjalnie za wynalazcę pierwszego kondensator uznano Pietera van Musschenbroeka, profesora Uniwersytetu w Lejdzie. Dzięki temu pierwszy w historii kondensator do dziś figuruje pod nazywany butelki lejdejskiej. Istnieją jednak dokumenty, które potwierdzają i przyznają autorstwo tego wynalazku skromnemu badaczowi-amatorowi z Kamienia Pomorskiego Ewaldowi Georgowi von Kleist. Rok wcześniej (1745) od wynalazku lejdejskiego miał on wytworzony dzięki generatorowi elektrostatycznemu ładunek umieścić w butelce z rtęcią (albo alkoholem).

Ewald Georg von-Kleist oraz maszyna elektrostatyczna i pierwszy kondensator

Jego kondensator posiadał klasyczne dwa elementy przewodzące – okładziny (ciecz z zanurzonym prętem oraz dłoń wynalazcy zastąpioną później metalową folią) rozdzielone izolatorem w postaci szkła butelki. Na obu materiałach koncentrowały się ładunki elektryczne, dodatnie i ujemne, które dzięki izolatorowi były rozdzielone i mogły być przechowywane.

Eksperyment z butelką lejdejską

Daniel Gralath, burmistrz Gdańska oraz także naukowiec-amator, wyjaśnił zasadę działania pierwszego kondensatora i opracował metodę łączenia wielu takich butelek w baterie (trzask wyładowania kojarzył się z armatnim strzałem – wiele armat tworzą zaś baterię) intensyfikujące ich działanie. Wnioski z różnych badań (w kontekście butelki i nie tylko) zawarł w swojej Historii Elektryczności, trzytomowej publikacji poświęconej elektrostatyce. 

To właśnie rozładowując taką butelkę (lejdejską albo kamieńskopomorską) Nollet rozbawił dwór Ludwika rażąc prądem jego dzielnych gwardzistów. Wykorzystując tego typu kondensator Benjamin Franklin potrafił zaś chwytać wyładowania atmosferyczne dowodząc, że pioruny w istocie związane są z elektrycznością.

Charles Coulomb

Prawo Coulomba

Ukoronowaniem prac wszystkich osiemnastowiecznych badaczy było dzieło Charles’a Coulomba – prawo pozwalające na wyznaczenie siły działającej pomiędzy dwoma ładunkami. Wykazując, iż siła ta jest wprost proporcjonalna do iloczynu wartości tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi, ustanowione zostało podstawowe prawo elektrostatyki. Swoje pomiary Coulomb przeprowadził z wykorzystaniem czegoś co dziś nazywamy wagą skręceń. Ustalił stosowne zależności jednak nie spekulował na temat przyczyn działających sił. Jego celem był precyzyjny matematyczny opis zachodzących zjawisk.

Otto von Guericke i maszyna elektrostatyczna

Ogniwo galwaniczne

Generator elektrostatyczny Otto von Guericke (1663), maszyna służąca wytwarzaniu i gromadzeniu ładunków dzięki szybkiemu obrotowi kuli (pierwotnie wykonanej z siarki) pocieranej ręką, oraz wszelkie jemu podobne i pochodne urządzenia, przestały być wystarczające. Pocieranie w celu wytworzenia ładunku zdawało egzamin w przypadku zabawy albo drobnych prac badawczych. Choć maszyny elektrostatyczne mogły wytwarzać duże napięcia, ówczesnym eksperymentatorom zamarzyło się ciągłe dostarczanie dużych prądów. Marzenie zaczęło materializować się nieco przypadkowo, dzięki pracom włoskiego anatoma Luigiego Galvani. To właśnie znane doświadczenie z poruszającą się nogą martwej żaby (1786) doprowadziło do powstania pierwszego ogniwa zwanego, od nazwiska badacza, galwanicznym. Metalowy haczyk lub pęseta oraz podłoże w formie siatki tworzyły tutaj dwa bieguny (anodę i katodę), elektrolit stanowił płyn śródtkankowy – podstawowe elementy baterii. W ten sposób wytworzone zostało napięcie i popłynął prąd.

Galvani i eksperymenty z elektrycznością

Galvani eksperymentował z biedną żabą podłączając ją pod maszynę elektrostatyczną oraz rażąc piorunami podczas burzy. Zdawał sobie sprawę, że za zjawisko odpowiadać muszą ładunki elektryczne. Obstawał jednak przy hipotezie odkrycia elektryczności zwierzęcej. I dopiero innemu badaczowi udało się stworzyć ogniwo bez udziału żaby.

Alessandro Volta

Intuicja Volty

Autorem pierwszego użytecznego źródła energii elektrycznej jest Alessandro Volta – to on pierwszy (1800) wykorzystał świadomie dwie elektrody oraz elektrolit nie będący płynem śródtkankowym. Wykazał on mianowicie, iż napięcie elektryczne powstaje pomiędzy miedzianą i cynkową płytką, które owinięte są szmatką nasączoną roztworem wodnym kwasu siarkowego, a źródłem różnicy potencjałów są reakcje chemiczne, zachodzące między elektrodami i elektrolitem, a nie, jak chciał Galvani, organizmy zwierząt. Ogniwa takie można było układać w tzw. stos elektryczny uzyskując wysokie napięcia i, co ważniejsze, dostarczać energię elektryczną w sposób ciągły, a to z kolei skutkowało pojawieniem się możliwości badania przepływu prądu elektrycznego, który wcześniej praktycznie był nieznany. Podczas swoich badań Volta używał klasycznej metody pomiarów znanej wszystkim którzy w dzieciństwie zabawiali się baterią – elektrod dotykał językiem.

Alessandro Volta prezentuje ogniwo Napoleonowi

Era nieruchomych ładunków elektrycznych – elektrostatyka – dobiegała końca. Alessandro Volta zapoczątkował okres nowych badań – ładunków elektrycznych w ruchu. Choć doktor Frankenstein tchnie iskrę życia w swoje monstrum dzięki wyładowaniom elektrostatycznym w trakcie burzy (1818), kapitan Nemo zasilać będzie już swojego Nautilusa bateriami sodowymi (1870). 

0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments