Grej i Hoksbi: elektricitet uči da putuje
Istorija elektrotehnike
Deo 4 · London, 1706–1729.
Svetlost u barometru
Krajem sedamnaestog veka francuski astronom Žan Pikar primetio je nešto čudno dok je noću nosio živin barometar: prazan prostor iznad žive slabo je svetleo dok se cev ljuljala. Pojava je dobila ime živin fosfor i pola veka je bila zagonetka bez objašnjenja. Niko nije video vezu sa ćilibarom i sumpornom kuglom.
Frensis Hoksbi (Francis Hauksbee, oko 1660–1713) bio je londonski izrađivač instrumenata, a od 1703. i plaćeni demonstrator ogleda u Kraljevskom društvu, u vreme kad je Njutn bio njegov predsednik. Posao mu je bio da na sednicama izvodi eksperimente pred publikom — što znači da je morao da pravi pojave koje se vide, i da ih pravi pouzdano, na zahtev.
Godine 1705. dokazao je da je Pikarova svetlost električna, a ne hemijska. Zatim je napravio ono što mu je donelo mesto u ovoj priči. Uzeo je Gerikeovu zamisao iz teksta „Sumporna kugla: mašina koja pravi elektricitet" i promenio joj tri stvari:
- Sumpor je zamenio staklom — kugla je izdržljivija, glatka i može biti šuplja.
- Dodao je veliki točak sa kaišem, tako da jedan okretaj ručice daje mnogo okretaja kugle. Brzine su išle i preko hiljadu obrtaja u minutu.
- U šuplju kuglu je stavio malo žive, pa ispumpao vazduh — koristeći pumpu istog tipa kakvu je Gerike izumeo.
Kad se takva kugla zavrti i protrlja dlanom, unutrašnjost se ispuni bledoljubičastom svetlošću. Hoksbi je zabeležio da je bila dovoljno jaka da se pri njoj razaznaju slova. To je 1706. godina.
Rezultate je sabrao u knjizi Physico-Mechanical Experiments on Various Subjects, objavljenoj 1709.
Konci koji pokazuju pravac
Jedan Hoksbijev ogled zaslužuje da se posebno izdvoji, jer je niko tada nije umeo da protumači, a mi ćemo mu se vraćati do kraja serijala.
U staklenu posudu je okačio snop lakih vunenih konaca i споља trljao staklo. Konci su se podigli i poređali radijalno — svaki upravno na staklo, usmeren ka mestu koje je trljao. Kad bi ruku pomerio, ceo snop bi se preusmerio za njom.
Hoksbi je to opisao kao dejstvo isparenja koje struji od stakla. Ono što je zapravo napravio je prva slika električnog polja — pojma koji u fiziku ulazi tek sa Faradejem, sto trideset godina kasnije. Konci su se poređali duž pravaca u kojima polje deluje. Vredi zapamtiti sliku: nevidljiva pojava se prvi put učinila vidljivom time što joj se dao lagan pokazivač u svakoj tački prostora.
Zapušač na kraju cevi
Stiven Grej (Stephen Gray, 1666–1736) nije bio ni profesor ni bogataš. Bio je farbar tkanine iz Kenterberija, sin zanatlije, samouk u astronomiji. Kraljevsko društvo ga je decenijama držalo po strani. Godine 1711, osiromašen, primljen je u Čarterhaus — londonsko sirotište za zaslužne starce — kao penzioner sa krovom nad glavom i skromnim izdržavanjem. Tu je, u šezdeset trećoj godini, izveo eksperiment koji je promenio elektrotehniku.
Aparatura je bila jadna: staklena cev dužina oko metar, kakvu je svako mogao da kupi, i zapušači od plute na krajevima — da unutra ne uđe prašina dok cev stoji.
Godine 1729. Grej je protrljao cev i, iz čiste radoznalosti, prineo perce zapušaču umesto staklu. Perce je bilo privučeno. To nije trebalo da se desi: pluta nije trljana, a Gilbert je plutu svrstao među materijale koji se ne elektrišu.
Grej je shvatio da je nešto prešlo sa stakla na plutu, i počeo da produžava. U zapušač je zabo štapić od slonovače — dejstvo se javilo na vrhu štapića. Dodao je duži štap. Pa žicu. Pa konopac. Svaki put je efekat stizao do drugog kraja.
Vrt u Oterdenu i jedna presudna greška
Da bi otišao dalje od dužine sobe, Greju je trebao prostor. Dobio ga je od Granvila Vilera (Granville Wheler), sveštenika i člana Kraljevskog društva, koji ga je pozvao u svoje imanje Oterden u Kentu.
Zamisao je bila da se konopac razapne kroz galeriju i vrt, pa da se meri dokle dejstvo dopire. Konopac su okačili o obične kanape privezane za grede.
Nije radilo. Na kraju konopca — ništa.
Ovde je trenutak koji volim u ovoj priči. Neuspeh je bio potpun i ponovljiv, i mogli su da zaključe da elektricitet prosto ima domet. Umesto toga, Viler je predložio da kanape kojima drže konopac zamene svilenim koncima — po njegovom obrazloženju, zato što su tanki, pa će manje odvoditi.
Radilo je. Dejstvo je stiglo do kraja.
Onda se svila pokidala pod težinom, pa su je zamenili tankom mesinganom žicom — istom debljinom, po istoj logici. I opet nije radilo. Tek tada im je sinulo: nije stvar u debljini nego u materijalu. Svila zaustavlja elektricitet, mesing ga propušta, ma koliko tanak bio.
Vilerova prvobitna pretpostavka bila je pogrešna — ali je upravo ta pogrešna pretpostavka, dosledno isprobana do kraja, dovela do tačnog zaključka.
Sa svilenim nosačima prenos je izveden na rastojanju od nekoliko stotina metara. Izvori navode različite brojke, najčešće oko 800 stopa, dakle preko 240 metara; tačan podatak zavisi od toga koji se od nekoliko ogleda računa, pa ga uzmi kao red veličine.
Dečak koji leti
Najpoznatiji Grejov ogled izveden je 1730. Uzeo je dečaka, položio ga vodoravno i okačio o plafon na svilenim uzicama, tako da nigde ne dodiruje pod. Onda mu je protrljanom cevi prišao stopalima.
Sa dečakovih ruku i lica počeli su da se dižu listići mesinga sa poda i da lete ka njemu. Kad bi mu neko prineo prst, preskočila bi varnica i dečak bi je osetio.
Poruka ogleda je dvostruka. Prvo: čovek je provodnik, isto kao mesing. Drugo, i važnije: svila koja ga drži je ono što čini razliku između naelektrisanog i nenaelektrisanog dečaka. Isti dečak koji stoji na podu ne može da se naelektriše, jer sve otiče u zemlju.
Prizor je bio senzacionalan i ogled se ubrzo izvodio po salonima cele Evrope, uz naplatu ulaznice. To nije bila samo zabava: elektricitet je postao društvena tema, a to je dovelo novac i pažnju koji su omogućili sledeću generaciju istraživanja.
Fizika: zašto mesing propušta, a svila ne
Grej je pojave razvrstao, ali nije imao objašnjenje. Nazive koje danas koristimo uveo je Žan Dezaguljije nekoliko godina kasnije: provodnici (conductors) i neprovodnici, to jest izolatori.
Savremeno objašnjenje se oslanja na ono što smo već rekli o građi atoma. U metalu su atomi poređani u pravilnu rešetku, a svaki atom otpušta jedan ili nekoliko svojih spoljašnjih elektrona koji više ne pripadaju nijednom pojedinačnom atomu. Oni se slobodno kreću kroz ceo komad metala. Kad se na jednom kraju pojavi višak naelektrisanja, ti pokretni elektroni se razmeste za delić sekunde duž celog provodnika.
U svili, staklu, ćilibaru i sumporu takvih slobodnih elektrona praktično nema — svi su vezani za svoje atome ili za hemijske veze. Naelektrisanje ostaje tamo gde je stvoreno i nema kuda.
Koliko je tih slobodnih elektrona u metalu? Izračunajmo za bakar, istim postupkom preko Avogadrovog broja kao u prethodnom tekstu, uz pretpostavku da svaki atom daje po jedan:
- nmol = 8 960 000 / 63,55 ≈ 141 000 mol — broj molova u jednom kubnom metru; gustina bakra je 8960 kg/m3, to jest 8 960 000 g, a molarna masa 63,55 g/mol
- n = 141 000 · 6,022 · 1023 — pomnožimo Avogadrovim brojem
- n ≈ 8,5 · 1028 m−3 — broj slobodnih elektrona po kubnom metru
- n — koncentracija slobodnih elektrona [1/m3]
- Avogadrov broj — 6,022 · 1023, broj čestica u jednom molu
Osamdeset pet hiljada milijardi milijardi milijardi po kubnom metru — a u jednom kubnom milimetru bakra ih je i dalje oko 8,5 · 1019. Naspram toga, u staklu je broj slobodnih nosilaca toliko mali da se za praktične potrebe uzima kao nula.
ZAPAMTI OVO
Podela na provodnike i izolatore nije pitanje stepena — razlika je ogromna. Veličina koja to opisuje zove se specifična otpornost ρ, i njena jedinica će biti uvedena tek u tekstu o Omu. Za orijentaciju:
- bakar: ρ ≈ 1,7 · 10−8 Ω·m
- staklo: ρ ≈ 1012 do 1016 Ω·m
- odnos: oko 1020 — dvadeset redova veličine
Malo je gde u prirodi razlika između dve vrste materije tolika. Zato je Grejova podela izdržala tri veka.
Dodaj i praktičnu napomenu koja objašnjava zašto su raniji ogledi bili tako ćudljivi: vlažan vazduh ostavlja na svakoj površini tanak sloj vode sa rastvorenim solima, a to je provodnik. Zato ćilibar po kišnom danu „ne radi" — naelektrisanje otiče čim nastane. Gilbert je tu pojavu pripisao rasipanju efluvijuma. Objašnjenje je pogrešno, opažanje tačno.
Analogija sa vodom — i gde puca
Provodnik se rado poredi sa cevi kroz koju teče voda, a izolator sa zidom suda. Analogija je korisna i vratiće nam se kad budemo govorili o struji.
Gde prestaje da važi: voda u cevi zaista putuje od jednog kraja do drugog. Kod provodnika se elektroni jedva pomeraju — svaki gurne suseda, poremećaj proleti kroz žicu skoro brzinom svetlosti, a sami elektroni se pri tome kreću sporo. Osim toga, cev može biti prazna; provodnik nikada nije, on je već pun elektrona i pre nego što ga povežeš. Elektricitet se ne uliva u žicu, on se u njoj preraspoređuje.
Šta je ovo promenilo
Grejovo otkriće je najveći praktični pomak od Talesa naovamo, i to iz jednog razloga: elektricitet je prestao da bude vezan za mesto gde je nastao. Može se odvesti tamo gde treba.
U toj rečenici je cela buduća elektrotehnika. Svaka žica, svaki kabl, svaki dalekovod, svaka bakarna staza na štampanoj ploči — sve to je posledica onoga što su Grej i Viler shvatili u vrtu u Kentu. I svaka izolacija oko tih vodova potiče iz istog uvida, jer bez izolatora provodnik ne vredi ništa: dečak mora da visi o svili da bi mogao da nosi naelektrisanje.
Grej je usput otkrio i nešto što neće biti shvaćeno decenijama: da se telo može naelektrisati i bez dodira, samim prinošenjem naelektrisanog predmeta u blizinu. To je elektrostatička indukcija, i biće ključ za razumevanje svega što sledi.
Ali sad se otvorio problem koji se više nije mogao zaobići. Ako elektricitet putuje, onda je razumno pitati šta putuje. I još gore — u kom smeru? Jer sad se zna da postoji i privlačenje i odbijanje, i da su neki materijali „naelektrisani na jedan način", a drugi izgleda na neki drugi.
Odgovor je došao iz Pariza, i to slučajno, iz ogleda koji je krenuo naopako. Šarl Diufe je 1733. protrljao dva komada stakla i primetio da odbijaju jedan drugog. Zatim je protrljao dva komada smole — i oni su odbijali jedan drugog. A onda je približio staklo smoli.
Primjedbe
Objavi komentar