Frenklin: plus, minus i munja

Istorija elektrotehnike

Deo 7 · Filadelfija, 1747–1752.

Štampar kome je stigao paket iz Londona

Bendžamin Frenklin (Benjamin Franklin, 1706–1790) nije bio naučnik po zanimanju. Bio je štampar, izdavač novina i almanaha, čovek koji se u Filadelfiji obogatio i u četrdeset drugoj godini povukao iz posla da bi imao vremena za ono što ga zanima. Nije imao ni univerzitetsko obrazovanje ni laboratoriju.

Oko 1747. londonski trgovac i botaničar Piter Kolinson poslao je biblioteci u Filadelfiji staklenu cev za elektrostatičke oglede, uz opis kako se koristi. Frenklin se time zaigrao i naredne četiri godine radio je gotovo isključivo na elektricitetu, izveštavajući Kolinsona pismima. Ta pisma su 1751. u Londonu objavljena kao knjiga Experiments and Observations on Electricity i ubrzo prevedena na francuski, nemački i italijanski.

Prednost mu je bila baš to što nije bio deo evropskih škola. Nije nasledio spor između Nolea i njegovih protivnika, nije morao da brani ničiju teoriju. Gledao je ogled i pitao se šta je najprostije objašnjenje.

Jedan fluid umesto dva

Diufeova teorija, koju smo opisali u tekstu „Diufe i dva elektriciteta", tražila je dve nevidljive tečnosti. Frenklin je primetio da je za sve što se vidi dovoljna jedna.

Njegova zamisao: postoji jedna „električna materija" koju svako telo sadrži u nekoj prirodnoj količini. Kad je ima taman koliko treba, telo se ne ispoljava. Trljanje je ne stvara — ona samo pređe sa jednog tela na drugo. Telo koje je dobilo višak Frenklin je nazvao pozitivno naelektrisanim, a telo kome nedostaje negativno naelektrisanim.

Odatle znaci plus i minus, koje koristimo i danas. Diufeovi nazivi staklasti i smolasti nestali su za jednu generaciju.

Ključni ogled koji je to potvrdio izveden je u društvu: jedan čovek stoji na izolovanoj podlozi i trlja staklenu cev, drugi, takođe izolovan, prima naelektrisanje sa cevi. Obojica su naelektrisani, i to suprotno — jedan privlači, drugi odbija ista tela. Ali ako se njih dvojica dodirnu, sve nestane, i obojica su ponovo obična. Ništa se nije potrošilo; samo se vratilo tamo odakle je otišlo.

Prvi zakon održanja u elektrotehnici

Iz te slike sledi tvrdnja koja je Frenklinov najtrajniji doprinos, važnija i od gromobrana:

ZAPAMTI OVO

Zakon održanja naelektrisanja. Naelektrisanje se ne stvara i ne uništava. Ono se samo premešta. U svakom zatvorenom sistemu zbir svih naelektrisanja ostaje isti.

Za dva tela koja se trljaju jedno o drugo, oba na početku neutralna, to znači:

Q₁ + Q₂ = 0

• Q₁ — naelektrisanje prvog tela posle trljanja
• Q₂ — naelektrisanje drugog tela posle trljanja

Jedinicu za Q namerno još ne navodim — nje u ovom trenutku priče nema, i uvešćemo je kod Kulona. Ali sam odnos je jasan i bez jedinice: koliko jedno telo dobije, toliko drugo izgubi. Ako je Q₁ pozitivno, Q₂ je jednako po veličini a suprotno po znaku.

Vredi shvatiti koliko je ovo dubok iskaz. To nije opis ogleda, nego zabrana: priroda ne sme da napravi naelektrisanje ni iz čega. Danas znamo da taj zakon važi bez ijednog poznatog izuzetka, na svim skalama — u atomu, u munji, u sudarima čestica u akceleratoru. Frenklin ga je izveo iz staklene cevi i nekoliko plutenih kuglica.

Greška koja nas prati do danas

Frenklin je morao da odluči koje telo ima višak, a koje manjak. Nije imao nikakav način da to proveri — birao je. Odlučio je da protrljano staklo ima višak, i nazvao ga pozitivnim.

Pogrešio je. Danas znamo da se pri trljanju kreću elektroni i da staklo pri trljanju svilom elektrone gubi. Ono što je Frenklin nazvao viškom zapravo je manjak.

Posledica je da nosilac naelektrisanja u metalu — elektron — po dogovoru nosi negativan znak, i da se u svakom provodniku elektroni kreću suprotno od smera koji nazivamo smerom struje. Svaki učenik elektrotehnike se s tim jednom sretne i zbuni.

Ali sama greška nema fizičkih posledica. Frenklin nije mogao da zna da postoje elektroni; oni će biti otkriveni tek 1897. Da je pogodio, ništa se u računu ne bi promenilo — konvencija je izbor, a ne tvrdnja o prirodi. Zadržali smo je jer je promena bila skuplja od navikavanja.

Moć vrhova

Radeći sa svojim prijateljem Tomasom Hopkinsonom, Frenklin je zapazio nešto praktično: naelektrisano telo se mnogo brže isprazni ako mu se prinese šiljak nego ako mu se prinese kuglica. Šiljak izvlači naelektrisanje tiho i na većem rastojanju, bez varnice.

Objašnjenje koje danas dajemo: naelektrisanje se na provodniku ne raspoređuje ravnomerno, nego se gomila tamo gde je površina najzakrivljenija. Na vrhu šiljka nagomilavanje je toliko da vazduh oko njega ne izdrži i počne da se jonizuje. Nastaje tanak provodni sloj kroz koji naelektrisanje polako otiče — pojava koja se zove koronsko pražnjenje. U mraku se vidi kao slabo plavičasto svetlucanje na vrhu.

Frenklin nije umeo to da izvede, ali je izvukao tačan praktičan zaključak: ako šiljak može tiho da isprazni naelektrisanu kuglu, možda može i oblak.

Munja

Sličnost pražnjenja lajdenske boce i munje primetili su i drugi. Frenklin je bio prvi koji je predložio kako da se to proveri.

U pismu iz 1750. opisao je ogled sa stražarskom kućicom: na visokom mestu postaviti izolovanu kućicu, iz nje pustiti gvozdenu šipku dvadesetak stopa u vis, a čovek unutra, stojeći na izolatoru, neka prinese uzemljenu žicu šipki kad naiđe olujni oblak. Ako preskoči varnica, munja i elektricitet su ista stvar.

Ogled je prvi izveo Francuz Toma-Fransoa Dalibar 10. maja 1752. u mestu Marli-la-Vil kod Pariza. Varnica je preskočila. Vest je za nedelju dana obišla Evropu.

Poznatiji ogled sa zmajem — svilenim zmajem, metalnim vrhom, konopcem koji provodi kad pokisne, ključem privezanim na kraju i svilenom vrpcom kojom Frenklin drži konopac da ostane izolovan — pripisuje se junu 1752. Ovde moram da budem oprezan: Frenklin ga je opisao tek kratko, a detaljan opis potiče od Džozefa Pristlija iz 1767, petnaest godina kasnije. Da li je i kako izveden, istoričari i danas spore. Ono što nije sporno je da je Dalibarov ogled bio prvi i da je bio uspešan.

Da opasnost nije bila izmišljena, pokazalo se sledeće godine. U Petrogradu je Georg Vilhelm Rihman, koji je ponavljao istu vrstu ogleda, u avgustu 1753. poginuo od udara pri prinošenju glave šipki. To je prva zabeležena smrt čoveka u eksperimentu sa elektricitetom.

Gromobran

Iz spoja dva otkrića — da je munja električno pražnjenje i da šiljak izvlači naelektrisanje — nastala je prva praktična naprava u istoriji elektrotehnike. Frenklin ju je opisao u svom almanahu 1753: šiljasta gvozdena šipka na najvišoj tački zgrade, povezana debelom žicom sve do vlažne zemlje.

Frenklin je isprva mislio da šipka oblak tiho isprazni pre nego što do udara dođe. To se pokazalo netačno — oblak je prevelik. Ono što gromobran zaista radi je da ponudi put: ako munja ipak udari, udariće u šipku, a ne u krov, i proći kroz bakar umesto kroz zid.

Pogrešna teorija, ispravna naprava. Gromobran je do danas ostao praktično nepromenjen i verovatno je spasao više života nego bilo koji drugi izum iz osamnaestog veka.

Da apsurd bude potpun, u Engleskoj se povela rasprava da li vrh gromobrana treba da bude šiljast, kako je tvrdio Frenklin, ili kuglast. Pošto je Frenklin u međuvremenu postao jedan od vođa američke revolucije, kralj Džordž III je naredio da se na kraljevskim zgradama postave kuglasti gromobrani. Fizika je bila na Frenklinovoj strani.

Šta je ovo promenilo

Prvo: elektricitet je dobio predznak i zakon održanja. Time je prestao da bude osobina tela i postao veličina — nešto što se sabira, oduzima i mora da se slaže na kraju računa. Bez toga nema ničega što u elektrotehnici zovemo proračunom.

Drugo: elektricitet je izašao iz kabineta u prirodu. Munja nije bila salonski ogled nego pojava koja pali gradove; kad se pokazalo da je to isto ono što pucne iz lajdenske boce, cela oblast je dobila težinu koju do tada nije imala.

Treće: nastala je prva korisna naprava. Do gromobrana je elektricitet bio zanimljiv; posle njega je bio i koristan.

Ostalo je, međutim, ono glavno. I dalje se ne zna koliko elektriciteta ima negde — nema jedinice, nema instrumenta koji meri količinu. I, još važnije, ne zna se kako sila zavisi od rastojanja. Bez toga se ne može izračunati baš ništa.

A odgovor je već ležao u jednom Frenklinovom zapažanju koje je i njemu samom izgledalo kao usputna neobičnost. Naelektrisao je metalnu posudu i u nju, na svilenom koncu, spustio malu plutenu kuglicu. Očekivao je da će je zidovi posude privući. Nije se desilo ništa — kuglica je unutar posude visila kao da nikakvog naelektrisanja nema.

To je javio prijatelju u Engleskoj, hemičaru i svešteniku Džozefu Pristliju. Pristli je znao da je Njutn dokazao isto za gravitaciju: unutar šuplje lopte nema sile, i to važi tačno onda kada sila opada sa kvadratom rastojanja. Godine 1767. napisao je da bi isto moralo važiti i za elektricitet.

Bio je u pravu. Ali je za dokaz trebalo izmeriti silu tako sitnu da je nijedna vaga tog doba nije mogla osetiti — i to je uradio jedan francuski vojni inženjer.

Tekst je nastao u saradnji sa modelom Claude Opus 5 (Anthropic), po autorskom konceptu i uz uređivanje autora bloga.