Jak powstała elektryczność?

Energia elektryczna jest obecnie tak integralną częścią naszego codziennego życia, że uważamy ją za podstawową konieczność, na równi z bieżącą wodą. Jednak nie tak dawno temu człowiek zaczął w pełni wykorzystywać jej potencjał. Elektryczność, którą badano od końca XVI wieku, długo była przedmiotem ciekawości i rozrywki, zanim stała się częścią codziennego życia. Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak doszło do tych ważnych zmian, oto krótka historia elektryczności.

Skąd się wzięła elektryczność?

Prąd elektryczny jest odkryciem przypisywanym greckiemu filozofowi Thalesowi z Miletu (VI w. p.n.e.), który zauważył, że gdy energicznie pociera się mały kawałek bursztynu, zyskuje on zdolność przyciągania małych cząsteczek. Tak jest, słowo elektryczność pochodzi od greckiego "electron", co oznacza "bursztyn".

Odkrycie elektryczności: pionierzy

Do XVIII wieku terminem elektryczność określano ciała, które się przyciągają lub odpychają podczas pocierania o siebie, co obecnie nazywamy elektrostatyką. Tak czy inaczej, przyciąganie ciał świetlistych do naelektryzowanych obiektów było znane już w starożytności. Prąd elektryczny jest odkryciem przypisywanym greckiemu filozofowi Thalesowi z Miletu (VI w. p.n.e.), który zauważył, że gdy energicznie pociera się mały kawałek bursztynu, zyskuje on zdolność przyciągania małych cząsteczek. Tak jest, słowo elektryczność pochodzi od greckiego "electron", co oznacza "bursztyn". Szczegółowe badania nad elektrycznością rozpoczęły się jednak dopiero pod koniec XVI wieku za sprawą angielskiego naukowca Williama Gilberta (1544-1603), autora pierwszego znaczącego traktatu na ten temat.

Badania Gilberta zostały później wykorzystane przez niemieckiego naukowca Otto von Guericke (1602-1686), który wynalazł pierwszą pompę powietrzną do wytwarzania próżni. Ułatwiało to przyciąganie między naelektryzowanymi ciałami, ponieważ powietrze nie stanowiło już przeszkody. Von Guericke wynalazł też pierwszą maszynę elektrostatyczną: składała się ona z dużego balonu z siarką, który uczony naelektryzował, pocierając o niego dłońmi. Te podstawowe urządzenia pozwoliły mu odkryć zjawisko przewodnictwa elektrycznego, czyli zdolność tej tajemniczej energii do przenoszenia się przez pewne ciała, a także właściwości elektryczne, jakie mogą mieć ostre przedmioty.

Odkrycie to wykorzystał szczególnie Amerykanin Benjamin Franklin (1706-1790), który w 1752 roku udowodnił, że błyskawica jest zjawiskiem elektrycznym, rodzajem gigantycznej iskry. Połączenie jego odkryć z odkryciami von Guericke'a dotyczącymi ostrych przedmiotów umożliwiło mu wynalezienie piorunochronu. Był to pręt zakończony spiczastym kształtem, który umieszczony na budynkach lub statkach mógł zapewnić ochronę przed zjawiskami elektrycznymi w chmurach.

W XVIII wieku coraz bardziej rozpowszechniały się badania eksperymentalne. Wkrótce pojawiły się inne zjawiska i nowa aparatura, ale przede wszystkim opracowano nowe podstawowe koncepcje, co jest procesem niezbędnym do dokładnego zrozumienia zjawisk elektrostatycznych. Anglik Stephen Gray (1666-1673) odkrył elektryzowanie przez oddziaływanie, które polegało na możliwości naelektryzowania ciała na odległość bez bezpośredniego kontaktu, oraz różnicę między ciałami przewodzącymi, które pozwalały na rozprzestrzenianie się elektryczności, a ciałami izolującymi, które uniemożliwiały jej przenoszenie.

Od biegunów dodatnich i ujemnych do napięcia

W 1733 r. francuski fizyk i chemik Charles du Fay (1698-1739) wniósł istotny wkład w historię elektryczności. Odkrył on, że istnieją dwa rodzaje elektryczności (to, co dziś nazywamy ładunkiem elektrycznym): pierwszy rodzaj, powstający w wyniku tarcia szkła, nazwał elektrycznością szklaną, a drugi, powstający w wyniku tarcia ciał żywicznych, nazwał elektrycznością żywiczną. Dwa ciała o tym samym ładunku elektrycznym odpychają się, a ciała o różnych ładunkach elektrycznych przyciągają się wzajemnie. Dzięki temu odkryciu kilka lat później Benjamin Franklin przyjął koncepcję elektryczności dodatniej i ujemnej.

Prawdziwy przełom przyniosła jednak praca włoskiego anatoma Luigiego Galvaniego (1737-1798), który analizował mięśnie żabich ud. W 1791 r. odkrył, że mięśnie te wykazują szczególne właściwości elektryczne, gdy stykają się z dwoma metalami o różnym charakterze.

Kilka lat później włoski fizyk Alessandro Volta (1745-1827) wykorzystał odkrycia swojego rodaka i wykazał, że żaba w rzeczywistości odgrywa jedynie drugorzędną rolę: zjawisko elektryczne jest wynikiem kontaktu dwóch metali o różnym charakterze za pośrednictwem wilgotnej substancji. Zainspirowany tym wnioskiem, w 1800 r. skonstruował pierwszą baterię elektryczną, która składała się z baterii (stąd nazwa) złożonej z miedzianych i cynkowych krążków, między którymi połączono substancje nasączone kwasem.

Wynalazek ten zrewolucjonizował pojęcie elektryczności: w przeciwieństwie do maszyn elektrostatycznych, które musiały być ładowane przez tarcie (i których żywotność była bardzo krótka), bateria Volty wytwarzała rodzaj ciągłego wyładowania elektrycznego, które francuski fizyk André-Marie Ampère (1775-1836) nazwał w 1820 r. prądem elektrycznym. Termin ten odnosi się do ruchu ładunków w przewodniku. Na cześć Ampère'a międzynarodowa jednostka natężenia prądu elektrycznego, czyli liczby ładunków elektrycznych przepływających przez przewodnik w jednostce czasu, nosi nazwę ampera. Na cześć wolta wprowadzono pojęcie napięcia, czyli zdolności akumulatora do wytwarzania prądu elektrycznego, a jego jednostką miary jest wolt.

Silniki i elektromagnetyzm

Kolejnym ważnym wydarzeniem w historii elektryczności było odkrycie zjawiska elektrolizy, polegającego na rozbiciu substancji na jony poszczególnych pierwiastków za pomocą prądu elektrycznego. Proces ten przeprowadzono przy użyciu dwóch masywnych prętów połączonych z biegunami baterii (dwie elektrody, jak kilka lat później nazwał je Michael Faraday). Elektroliza umożliwiła angielskiemu chemikowi Humphry'emu Davy'emu (1778-1829) odkrycie na początku XIX wieku szeregu nieznanych wcześniej pierwiastków: sodu, potasu, wapnia, magnezu, baru i strontu. Zastąpienie roztworu wodnego gazem zamkniętym w szklanym pojemniku spowodowało powstanie pierwszych trwałych wyładowań elektrycznych, które stały się podstawą pierwszych miejskich instalacji oświetleniowych w drugiej połowie XIX wieku. Anglik James Prescott Joule (1818-1899) odkrył w 1841 r., że ciepło jest wydzielane, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik metalowy. Był to efekt Joule'a, w którym część energii kinetycznej elektronów jest zamieniana na ciepło, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik.

Odkrycie to umożliwiło drugą rewolucję, która rozprzestrzeniła się zwłaszcza w północnej Europie. W 1820 r. Hans Christian Ørsted lub Oersted (1777-1851), profesor fizyki na Uniwersytecie w Kopenhadze, zaobserwował, że przewodnik, w którym płynie prąd, może odchylać umieszczoną w pobliżu igłę magnetyczną. Eksperyment ten, oprócz tego, że po raz pierwszy ujawnił istnienie magnetycznych efektów elektryczności, otworzył drogę do badania oddziaływań między polami magnetycznymi a przewodnikami, przez które przepływa prąd.

Badanie to miało znaczący wkład w rozwój teoretyczny. Wykazano na przykład, że magnes może poruszać przewodnik, przez który płynie prąd. Wykorzystując tę specjalną funkcję do obsługi obwodu elektrycznego, Michael Faraday stworzył w 1821 r. coś, co można uznać za pierwszy prekursor silnika elektrycznego.

Z drugiej strony, doświadczenia Ørsteda dowiodły, że istnieje związek między elektrycznością a magnetyzmem. Te dwie dyscypliny zostały połączone w 1864 r. przez Szkota Jamesa Clerka Maxwella (1831-1879), dając początek.