Lajdenska boca: elektricitet konačno može da se sačuva
Istorija elektrotehnike
Deo 6 · Kamin i Lajden, 1745–1746.
Problem koji niko nije umeo da reši
Sredinom osamnaestog veka elektricitet je bio moda. Salonima Evrope kružile su staklene kugle sa točkovima, izvodio se Grejov ogled sa dečakom koji lebdi, varnice su palile alkohol u čaši. A ipak, cela ta oblast je stajala u mestu, i to zbog jedne prozaične prepreke.
Elektricitet se nije mogao sačuvati. Sve što bi mašina napravila, otišlo bi za koji minut. Nije postojao način da se naelektrisanje skupi i ostavi da čeka. Ako hoćeš jaču varnicu, moraš jače da vrtiš — a jače od nekog praga se nije moglo.
Vladalo je uverenje da je elektricitet vrsta fluida, kako smo videli u tekstu „Diufe i dva elektriciteta". A fluid je tečnost. Tečnost se čuva u boci. Zaključak je delovao neizbežno: treba naelektrisanje sliti u staklenu bocu i zapušiti je.
Ta zamisao je bila zasnovana na potpuno pogrešnoj teoriji. Uspela je savršeno — ali ne iz razloga zbog kojih je pokušana. To je jedno od najlepših mesta u istoriji nauke.
Dva otkrića, nezavisno
Evald Georg fon Klajst (Ewald Georg von Kleist, 1700–1748), nemački sveštenik i pravnik iz Kamina u Pomeraniji, pokušao je to u oktobru 1745. Uzeo je staklenu bočicu, u nju sipao malo alkohola, kroz zapušač provukao ekser i njegov kraj povezao sa elektrostatičkom mašinom. Bočicu je držao u ruci dok se punila.
Zatim je dotakao ekser. Udarac ga je oborio na noge.
Klajst je o tome pisao kolegama, ali njegov opis je bio nepotpun — izostavio je da bocu treba držati u ruci, pa u Berlinu i Lajpcigu niko nije uspeo da ogled ponovi.
Nezavisno, u januaru 1746, isto se desilo u Lajdenu. Piter van Muskenbruk (Pieter van Musschenbroek, 1692–1761), profesor na tamošnjem univerzitetu, i njegov saradnik Andreas Kuneus pokušavali su istu stvar sa staklenkom vode. Kuneus je bocu držao u ruci i drugom rukom dotakao žicu.
Iz prepiske, 1746.
Muskenbruk je imao ono što Klajst nije — univerzitetsku katedru i prepisku sa celom Evropom. Vest se raširila za nekoliko meseci, a naprava je po njegovom gradu dobila ime koje nosi i danas: lajdenska boca.
Kako izgleda i šta je u njoj bitno
Konačan oblik, do kog se došlo u naredne dve godine, izgleda ovako: staklena tegla obložena metalnom folijom spolja i iznutra, otprilike do dve trećine visine. Kroz drveni zapušač prolazi metalna šipka koja se unutra spaja sa unutrašnjom oblogom, a spolja se završava kuglicom.
Puni se tako što se kuglica spoji sa mašinom, a spoljašnja obloga uzemlji — u prvim ogledima prosto tako što je čovek drži u ruci.
Ključno otkriće, do kog se došlo tek postepeno: voda unutra nije bitna. Nju je zamenila metalna folija i sve je radilo isto ili bolje. Bitno je da postoje dve provodne obloge razdvojene staklom, i da je jedna od njih uzemljena. Ono što se dešava, dešava se na dodiru metala i stakla — ne unutar suda.
Da je stvar u staklu, a ne u tečnosti, presudno je pokazao Frenklin ogledom sa rastavljivom bocom: napunio ju je, pa rasklopio na tri dela — spoljni oklop, staklo i unutrašnju čašu. Metalni delovi su se pokazali gotovo prazni. Kad je bocu ponovo sklopio, pražnjenje je bilo skoro jednako jako kao pre rastavljanja. Naelektrisanje je, dakle, čekalo na staklu.
Dvesta monaha
Godine 1746. opat Žan-Antoan Nole (Jean-Antoine Nollet, 1700–1770), Diufeov učenik i najpoznatiji francuski demonstrator elektriciteta, izveo je u Parizu ogled koji je hteo da odgovori na jedno ozbiljno pitanje: koliko brzo elektricitet putuje?
Postavka: oko dvesta kartuzijanskih monaha poređano je u dugačak red, svaki par povezan gvozdenom žicom dužine oko jednog hvata, tako da je ceo lanac bio dug preko kilometra. Na jedan kraj je priključena napunjena lajdenska boca.
Svi monasi su poskočili u istom trenutku, koliko je oko moglo da razazna. Nole je sličan ogled izveo i sa gardistima pred kraljem Lujem XV.
Zaključak koji je izvukao bio je da je prenos trenutan. To nije tačno — ali je za merenje golim okom razumno. Poremećaj kroz metal putuje brzinom bliskom brzini svetlosti; kroz kilometar žice prođe za nekoliko milionitih delova sekunde. Čovek reaguje deset hiljada puta sporije od toga.
Ogled je bio surov i po današnjim merilima neprihvatljiv, ali je imao dve posledice. Prva: pokazao je da je brzina prostiranja ogromna — pitanje koje će Maksvel na kraju ovog serijala povezati sa brzinom svetlosti. Druga: elektricitet je iz kabineta izašao pred kralja, i time postao stvar od državnog interesa.
Fizika: šta se stvarno dešava u staklu
Kad se unutrašnja obloga napuni negativnim naelektrisanjem, ono ne može nikuda — staklo je izolator. Ali njegovo prisustvo deluje kroz staklo na spoljašnju oblogu: slobodni elektroni u spoljnoj foliji bivaju odbijeni i, pošto je ta folija uzemljena, oteknu u zemlju. Na spoljašnjoj oblozi ostaje jednak višak pozitivnog naelektrisanja.
Sad imamo dva sloja suprotnog naelektrisanja, razdvojena tankim staklom, koja se međusobno privlače. To privlačenje ih drži na mestu. Naelektrisanje na unutrašnjoj oblozi više nema razloga da beži, jer ga suprotno naelektrisanje sa druge strane stakla zadržava.
Otud sposobnost naprave da primi mnogo više naelektrisanja nego usamljeni metalni predmet iste veličine. Bez spoljne obloge, naelektrisanje na kugli se samo sebi opire i brzo pobegne u vazduh; sa njom, ono ima šta da ga drži.
Ima i drugi doprinos, u samom staklu. Molekuli stakla su vezani i ne mogu da putuju, ali mogu da se malo pomere i zaokrenu — pozitivni delovi ka negativnoj oblozi, negativni ka pozitivnoj. To je polarizacija dielektrika, ista pojava koju smo kod slamke opisali u prvom tekstu, samo unutar čvrstog tela. Ona delimično poništava odbojno dejstvo unutar svake obloge i time omogućava da se u istu napravu smesti još više naelektrisanja.
Šta određuje koliko boca primi
Ovde bih rado napisao formulu, ali je ne mogu napisati pošteno. Za nju su potrebne dve veličine — količina naelektrisanja i napon — a nijedna od njih u ovom trenutku priče još ne postoji ni kao pojam ni kao jedinica. Uvešćemo ih kad ih istorija bude zahtevala, kod Kulona i kod Volte, i tada ćemo se na lajdensku bocu vratiti i sve to izračunati.
Ono što se, međutim, moglo utvrditi i tada, čistim poređenjem boca različitih dimenzija, jesu tri pravila. Eksperimentatori osamnaestog veka su ih otkrili pipajući, tako što su pravili boce svih oblika i gledali koja daje jaču varnicu:
ZAPAMTI OVO
Lajdenska boca je prvi kondenzator — naprava koja čuva naelektrisanje razdvojeno izolatorom. Tri pravila koja važe za svaki kondenzator do danas:
- veća površina obloga → boca prima više
- tanje staklo → boca prima više
- bolji izolator između obloga → boca prima više
Obrati pažnju šta ne stoji na spisku: zapremina. Boca nije sud i ne prima „po litri". Bitne su površina i debljina, ne šupljina.
Naziv kondenzator uveo je Alesandro Volta 1782, po latinskom condensare — zgusnuti.
Postojala je i granica koju su brzo napipali: ako se boca puni predugo, staklo pukne i naelektrisanje probije kroz njega. Svaki izolator ima svoju granicu izdržljivosti, i taj podatak i danas stoji u katalogu svakog kondenzatora.
Gde analogija sa bocom prestaje
Ime naprave i cela njena zamisao počivaju na slici suda u koji se nešto sipa. Ta slika je korisna: veći sud prima više, pun sud „prska" kad se otvori.
Gde pada: u boci vode, voda je unutra. U lajdenskoj boci ništa nije unutra — dve obloge nose jednake i suprotne količine, pa je ukupno naelektrisanje cele naprave nula. Boca ništa ne sadrži; ona razdvaja. Dve boce iste zapremine, jedna sa debelim a druga sa tankim staklom, primiće bitno različitu količinu — što kod pravog suda nema smisla.
Zašto udarac obara čoveka
Vredi razumeti zašto je pražnjenje boce toliko jače od svega ranije viđenog, iako ukupna količina elektriciteta nije bila neuporedivo veća.
Kod Gerikeove kugle naelektrisanje odlazi postepeno, u vazduh, tokom minuta. Kod lajdenske boce sve što je nakupljeno prođe kroz telo za milionti deo sekunde. Ista količina, ali predata hiljadu puta brže, deluje hiljadu puta silovitije.
To razlikovanje — koliko ukupno naspram koliko brzo — vodi ka pojmu snage, koji ćemo uvesti kad za to dođe vreme. Zasad zapamti samo pravilo: nije važno samo koliko energije ima, nego i za koje vreme se preda.
Šta je ovo promenilo
Prvo i najkonkretnije: elektricitet je postao upotrebljiv. Može se napraviti danas, a upotrebiti kad zatreba. Može se spojiti više boca zajedno — takva grupa se zvala „elektrostatička baterija", i to je prvi put da se reč baterija koristi u elektrotehnici. Time se dobija pražnjenje koje topi tanke žice i ubija manje životinje.
Drugo: efekat je postao dovoljno jak da se oseti i da se ponavlja jednako. Udarac je bio isti za svakog ko ga primi. To je bilo blizu merenja — jače pražnjenje, jači udarac — i približilo je oblast kvantitativnoj nauci.
Treće, i najvažnije za priču koja sledi: pražnjenje lajdenske boce je varnica koja pucne, zasvetli i grmne. To više ne liči na privlačenje prašine — to liči na munju. Sličnost je bila toliko upadljiva da je pitanje postalo neizbežno.
Ostalo je nerešeno i dalje sve suštinsko. Šta se zapravo prenosi — jedan fluid ili dva? Kako sila zavisi od rastojanja? Zašto staklo, koje ništa ne propušta, ipak prenosi dejstvo sa jedne obloge na drugu?
A onda je jedan štampar iz Filadelfije, koji je lajdensku bocu dobio na poklon iz Londona, počeo da se njome igra. Rasklopio ju je, presložio, i zaključio da za sve što vidi nisu potrebna dva fluida nego jedan jedini — koji nekad ima viška, a nekad manjka. Uveo je znake plus i minus. Zatim je predložio ogled sa gvozdenom šipkom na tornju, da se proveri da li je munja ista stvar.
Zvao se Bendžamin Frenklin.
Comments
Post a Comment