Henri: zašto varniči na prekidaču

Istorija elektrotehnike

Deo 16 · Olbani, 1829–1832.

Nastavnik iz Olbanija

Džozef Henri (Joseph Henry, 1797–1878) rođen je u Olbaniju u državi Njujork, u siromašnoj porodici. Otac, nadničar sklon piću, umro mu je kad je Henriju bilo devet godina. Radio je kod prodavca sitnica, pa učio zanat kod časovničara, a jedno vreme je ozbiljno nameravao da bude glumac.

Zaokrenuo ga je jedan slučaj: pozajmio je knjigu o prirodnim naukama i pročitao je od korica do korica. Upisao se u Akademiju u Olbaniju, a 1826. postao tamošnji nastavnik matematike i prirodne filozofije.

Nastava mu je oduzimala sedam sati dnevno, ogledima je mogao da se posveti samo u pauzama i tokom kratkog letnjeg raspusta. To će mu doći glave.

Elektromagnet koji drži tonu

Henri je krenuo od Sterdžonovog elektromagneta, pomenutog u desetom delu serijala. Sterdžonova naprava je bila gvozdena potkovica sa nekoliko namotaja gole bakarne žice, izolovanih tako što je gvožđe prethodno prelakirano.

Henri je uveo jednostavno poboljšanje sa ogromnom posledicom: izolovao je žicu, a ne jezgro. Omotao ju je svilom — pocepao je, po jednoj priči, ženinu svilenu podsuknju — pa je mogao da namota mnogo slojeva jedan preko drugog, gusto, bez kratkih spojeva.

Rezultat: 1831. je napravio elektromagnet koji je držao oko tonu tereta, daleko jači od svega dotad viđenog.

Usput je otkrio i praktično pravilo koje sledi iz Omovog zakona, iako Henri za Oma tada nije znao. Ako je izvor slab a otpor kola velik, isplati se mnogo namotaja tanke žice. Ako je izvor jak, isplate se malo namotaja debele žice, u više paralelnih grupa. Prvi tip je nazvao „intenzitetnim", drugi „količinskim" magnetom — to su preteče onoga što danas zovemo prilagođenjem izvora i potrošača.

Otkriće koje je objavljeno prekasno

Radeći sa tim zavojnicama, Henri je 1830. zapazio indukciju — istu pojavu koju smo obradili u tekstu „Faradej I: magnet koji pravi struju". Uočio ju je najverovatnije godinu dana pre Faradeja.

Ali nije objavio. Čekao je letnji raspust da rad dovrši, a Faradej je u međuvremenu, u novembru 1831, objavio svoj. Henrijev rad je izašao 1832.

Prvenstvo za indukciju je time otišlo Faradeju, i to zasluženo — Faradej je pojavu ispitao daleko temeljnije. Henri je prema tome bio korektan i nikada nije osporavao. Ali je u istom radu iz 1832. opisao nešto što Faradej nije, i to je ostalo njegovo.

Varnica koja ne bi smela da postoji

Zapažanje je bilo ovakvo. Kad se kolo sa dugačkom zavojnicom prekine, na mestu prekida frcne varnica — mnogo jača nego kad u kolu nema zavojnice, i mnogo jača nego što bi napon baterije uopšte mogao da napravi.

Sa kratkom žicom umesto zavojnice — ništa. Sa gvozdenim jezgrom u zavojnici — još jače. Udarac koji se pri tome oseti u prstima bio je neuporedivo neprijatniji od dodira same baterije.

To je bilo zbunjujuće. Odakle napon veći od izvora, u kolu u kome drugog izvora nema?

Henri je shvatio odgovor: zavojnica indukuje struju sama u sebi. Njeno sopstveno magnetno polje, kad naglo nestane, prolazi kroz njene sopstvene namotaje i po Faradejevom zakonu stvara napon.

Pojava se zove samoindukcija.

Matematika: induktivnost

Veličina koja kazuje koliko je zavojnica sklona toj pojavi zove se induktivnost, i po Henriju je dobila jedinicu.

Izvedimo je iz onoga što već imamo. Po Amperu, magnetno polje zavojnice srazmerno je struji kroz nju. Po definiciji fluksa iz dvanaestog dela, fluks je srazmeran polju. Dakle ukupan fluks kroz svih N namotaja srazmeran je struji, a koeficijent te srazmere zovemo induktivnošću:

N Φ = L · I

• L — induktivnost [henri, H]
• N — broj namotaja
• Φ — fluks kroz jedan namotaj [veber, Wb]
• I — struja kroz zavojnicu [amper, A]

Uvrsti li se to u Faradejev zakon indukcije, dobija se izraz za napon samoindukcije:

1. e = −N · (ΔΦ/Δt)   — Faradejev zakon iz dvanaestog dela
2. N Φ = LI ⇒ NΔΦ = LΔI   — promena fluksa izražena preko promene struje
3. e = −L · (ΔI/Δt)   — rezultat

e = −L · (ΔI/Δt)

Jedan henri znači da promena struje od jednog ampera u sekundi izaziva napon od jednog volta.

Sad se varnica objašnjava sama. Pri prekidu kola struja pada sa svoje vrednosti na nulu za vrlo kratko vreme — Δt je sitno, pa je količnik ΔI/Δt ogroman. Napon može biti stotinama puta veći od napona baterije, dovoljan da probije vazduh na kontaktu.

Znak minus je isti onaj Lencov iz dvanaestog dela: napon samoindukcije se uvek suprotstavlja promeni. Pri uključivanju koči porast struje, pri isključivanju pokušava da je održi.

ZAPAMTI OVO

Zavojnica se opire promeni struje, kondenzator se opire promeni napona. To je najkraći način da se zapamti razlika između dva elementa.

Odatle i ponašanje u praksi: kroz zavojnicu struja ne može da skoči trenutno, a na kondenzatoru napon ne može da skoči trenutno.

Energija u polju

Ostaje pitanje odakle energija za tu varnicu. Baterija je isključena — a nešto ipak gori.

Odgovor je da je energija bila uskladištena u magnetnom polju zavojnice, i to sve vreme dok je struja tekla. Izražava se sa:

W = (1/2) · L I²

• W — energija magnetnog polja [džul, J]

Uporedi to sa energijom kondenzatora, koju smo pomenuli kod lajdenske boce: W = (1/2)CU². Ista struktura, samo je kod kondenzatora nosilac napon, a kod zavojnice struja.

Ova tvrdnja — da polje sadrži energiju — nije sitnica. Ako energija može da bude uskladištena u prostoru oko provodnika, onda polje nije računska pomoć nego nešto stvarno. To je potpora Faradejevoj ideji iz trinaestog dela, i biće ključna kod Maksvela.

Telegraf koji nije patentirao

Henri je 1831. u svojoj učionici razapeo oko dva kilometra žice, na jedan kraj priključio bateriju i prekidač, a na drugi elektromagnet koji je pri privlačenju udarao u zvonce.

To je bio elektromagnetni telegraf, sedam godina pre Morzeovog. Henri ga nije patentirao — smatrao je da naučna otkrića treba da budu opšte dobro.

Njegov doprinos je bio i suštinski: pokazao je da se preko dugačke linije, na kojoj je struja slaba, može upotrebiti mali elektromagnet koji zatvara drugo kolo sa jakom baterijom. To je relej, i bez njega telegraf na velikoj razdaljini ne bi radio. Morze je tu ideju iskoristio, uz Henrijevu pomoć i savete, a kasnije mu na sudu osporavao zasluge.

Henri je 1846. postao prvi sekretar novoosnovane Smitsonijan institucije i tu proveo ostatak života, gradeći američku nauku. Bio je i prvi predsednik Nacionalne akademije nauka.

Šta je ovo promenilo

Prvo: u elektrotehniku je ušao treći osnovni element. Do sada smo imali otpornik, koji energiju troši, i kondenzator, koji je čuva u električnom polju. Sada imamo i zavojnicu, koja je čuva u magnetnom. Svako kolo koje ćeš ikada analizirati sastavljeno je od te tri stvari.

Drugo: pojavilo se vreme. Sve do ovog teksta, kola su bila stanja — uključiš i imaš struju. Sa induktivnošću, struja ima prelazni režim: raste postepeno, opada postepeno, i ima svoju vremensku konstantu. To je početak analize prelaznih pojava.

Treće: varnica na kontaktu je postala inženjerski problem — i inženjersko sredstvo. Problem, jer nagriza kontakte prekidača i releja, pa se protiv nje ugrađuju posebni elementi. Sredstvo, jer je upravo ona osnova rada indukcionog kalema, a kasnije i svake svećice u motoru sa unutrašnjim sagorevanjem.

Ali najvažnije je ono što se tek nazire. Sada u kolu imamo dva elementa koji skladište energiju, i to u dva različita oblika. Kondenzator čuva energiju u električnom polju, zavojnica u magnetnom.

Šta se dešava ako ih spojimo? Kondenzator se prazni kroz zavojnicu, zavojnica se opire, pa nastavlja da tera struju i kad je kondenzator prazan — i puni ga na suprotan znak. Pa se sve vraća unazad.

Henri je 1842, posmatrajući kako pražnjenje lajdenske boce magnetiše igle, zaključio upravo to: pražnjenje nije jednosmerno nego oscilatorno — struja ide napred-nazad i postepeno se gasi.

Zapamti tu rečenicu. Energija koja pretiče iz električnog polja u magnetno i natrag, u pravilnom ritmu, biće upravo ono što Maksvel prepozna kad izvede talas.

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