istorija ideja i teorija o elektricitetu i magnetizmu od ... · što su to jasno utvr đeni...

ISTORIJA IDEJA I TEORIJA O

ELEKTRICITETU I MAGNETIZMU

OD GILBERTA DO FARADAY-A

Martin Ćalasan∗, Ilija Vujošević

∗∗

„Nothing is too wonderful to be true, if it be consistent with the laws of nature.”

„Ništa nije previše divno, da bi bilo istinito, ako je saglasno sa zakonima prirode.“

Michael Faraday

UVOD

Priroda je u svojoj beskonačnoj raznovrsnosti izraz jedinstvene materije u kretanju. Materija je nezamisliva bez kretanja, kao što nema ni kretanja bez materije. Sposobnost materije da se kreće i neprekidno mijenja oblike svoga kretanja okarakterisana je energijom koja prati svaki oblik materijalnog kretanja. Između raznovrsnih oblika kretanja materije za elektrotehniku je naročito interesantan elektromagnetni oblik kretanja materije i pojave koje taj proces prate.

Govoriti o električnoj struji, naponu, energiji, elektricitetu i dr. danas je veoma lako, zato što su to jasno utvrđeni pojmovi. Međutim, istorijski razvoj elektrotehnike bio je veoma komplikovan. Brojni naučnici su ostavili vječni pečat u traganju za shvatanjem i utvrđivanjem veze elektriciteta i magnetizma.

U ovom radu će biti prikazan razvoj nauke o elektricitetu, počev od prvih pisanih tragova o njemu, posebno od Gilberta, pa sve do Faraday-evog otkrića elektromagnetne indukcije. Faraday-evo otkriće elektromagnetne indukcije predstavlja veoma važan istorijski trenutak, jer taj trenutak predstavlja dokaz neraskidivog spoja elektriciteta i magnetizma. Isto tako, sa Faraday-evim otkrićem počinje razvoj generatora i motora koji su dali i glavni smisao elektrotehnici. Sve je ovo uticalo i na industrijski razvoj zemalja i na primjenu generatora i motora u svakodnevnoj upotrebi. Sam industrijski razvoj zemalja je doveo do novih naučnih otkrića, novih mogućnosti za istraživanje i do novih mogućnosti za dokazivanje raznih ideja.

∗ Mr Martin Ćalasan, Elektrotehnički fakultet Podgorica, Džordža Vašingtona b.b. 81000 Podgorica. ∗∗ Prof. dr Ilija Vujošević, Elektrotehnički fakultet Podgorica, Džordža Vašingtona b.b. 81000 Podgorica.

164 ETF Journal of Electrical Engineering, Vol. 19, No. 1, October 2011.

Ovaj rad se koncentriše na autore najznačajnijih otkrića iz oblasti elektrotehnike u periodu od Gilbert-ovih pa do Faraday-evih otkrića. U samom radu su navedena nesalaganja, razumijevanja i međusobne podrške koje su naučnici jedan drugom izražavali. Takođe, u ovom radu je naglašeno i to, kako su naučnici i u ta doba veoma veliki značaj pridavali eksperimentima.

Uglavnom, u ovom radu je sistematski prikazan razvoj ideja i teorija o elektricitetu i magnetizmu, opisan kroz rad, pronalaske i najznačajnije događaje sljedećih naučnika:

� William Gilbert (1544-1603) � Benjamin Franklin (1706-1790) � Alessandro Volta (1745-1827) � Charles Augustin Coulomb (1736-1806) � Luigi Galvani (1737-1798) � Hans Christian Oersted (1777-1851) � Andre Marie Ampere (1775-1836) � Michael Faraday (1791-1867)

Inače, starogrčki filozof Tales (oko 600. godine pne) prvi je zapisao da ćilibar (jantar) natrljan krznom privlači lake predmete kao što su kosa, vuna, drvena piljevina i slično. Ovaj eksperiment je, međutim, ostao nezapažen preko dvadeset stoljeća.

Sokrat (470 – 399. pne) je dao definiciju magneta, u kojoj se navodi da je to „kamen koji ne samo da privlači gvozdene prstenove, već i prenosi na njih neku snagu da privlače druge prstenove . . . “.

U istoriji se smatra da je Petar Peregrinus (oko 1269. god) prvi put pomenuo i uveo termin „magnetski polovi“. Inače, Peregrinus je bio prvi koji je opisao dizajn magnetnog kompasa i objasnio ponašanje istih i različitih polova magneta.

1. WILLIAM GILBERT (1544-1603)

William Gilbert (1544-1603) je bio istraživač koji se, nakon Talesa, prvi počeo zanimati za elektricitet i magnetizam. On je tvorac prvog instrumenta za mjerenje elektriciteta, zvanog „versorium“, [1], [2].

Gilbert je rođen u Kolčesteru, u Engleskoj. Daleke 1558. godine se upisao na John's College u Kembridžu, gdje je i doktorirao. Rešavanje praktičnih problema iz fizike je započeo 1573. godine u Londonu, na Royal College of Physicians. Umro je od kuge 1603. godine.

Gilbert je bio čovjek renesansnog duha; bio je veoma pažljiv i strpljiv eksperimentator i sve svoje naučne i eksperimentalne postupke je zapisivao. Isto tako, svaki eksperiment je više puta ponavljao. Sve te svoje eksperimente i praktično ispitivanje problema, Gilbert je vršio u doba kada se smatralo da su „eksperimenti

opasni po intelektualni i moralni život“. Međutim, Gilbert je razbio te tradicionalne načine razmišljanja i

Slika 1. Naslovna strana knjige “De magnete ...“

M. Ćalasan, I. Vujošević : Istorija ideja i teorija o elektricitetu i magnetizmu od ... 165

zagovarao je tezu da se nauka zasniva na onome što je racionalno, logično i moguće dokazati.

Najznačajnije Gilbertovo djelo je „De Magnete, Magneticisque Corporibus, et Magno

Magnete Tellure” (“O magnetima, magnetnim tijelima i o magnetnom polju Zemlje”), publikovano 1600. godine (slika 1.). Ovo djelo predstavlja prvi veliki rad na polju fizike odrađeno u Engleskoj. Inače, ovo djelo je napisano na latinskom jeziku. Samo djelo je

obuhvatalo eksperimente i teoriju o magnetizmu i elektricitetu. U ovom radu Gilbert opisuje eksperimente sa svojim

modelom zemlje koji je nazvao terrella (u prevodu - mala zemlja). Inače, sama terrella (slika 2.) je model male magnetne kugle, koja predstavlja zemlju [1].

Na osnovu svojih eksperimenata Gilbert je zaključio da je i sama zemlja magnet, što opravdava činjenicu da se kompas okreće ka sjeveru. Inače, do tada je smatrano da se na sjeveru Zemlje nalazi neko jako magnetno ostrvo, koje usmjerava pokazivanje kompasa u tom pravcu.

U „De Magnete“ Gilbert je diskutovao i o sili koja se javlja kada se ćilibar trlja vunenom tkaninom. On je zaključio da su ove sile manje, i značajno slabije, nego sile između magneta i gvožđa.

Gilbert je takođe otkrio i brojne druge supstance koje se mogu „napuniti trljanjem“, i nazvao ih je electrics. Materijale koji se ne pune trljanjem nazivao je nonelectrics.

Isto tako, Gilbert je otkrio versorium – uređaj za mjerenje naelektrisanja. Detaljno objašnjenje ovoga uređaja Gilbert nije napisao u svom radu. Kada se nonelectrics nađe u blizini versorium-a, ne izazva nikakvu reakciju, za razliku od electrics koji kada se približi versorium-u izaziva njegovo kretanje. Vrijednost „odgovora“ versorium-a zavisi od količine naelektrisanja electrics-a.

Nakon Gilberta Otto von Guericke (1602-1686) konstruisao je prvi elektrostatički generator i njegovom upotrebom je ispitivao privlačenje i odbijanje naelektrisanih tijela.

Istraživanje elektriciteta je nastavio Charles Francois de Cisternay du Fay (1698-1739). Du Fay je smatrao da postoje dvije vrste električnih fluida: „vitreous“ (staklo natrljano svilom) i „resinous“ (ćilibar natrljan vunom ili krznom).

Za istraživanje elektriciteta veoma je bitno bilo otkriće prvog kondenzatora (Leyden jar). Ovaj kondenzator otkrili su nezavisno jedan od drugog Njemci Ewald Georg von Kleist (1700-1748) i Georg Matthias Bose (1710-1761) i holandski naučnik Pieter van

Musschenbroek (1692-1761), 1745. godine.

2. BENJAMIN FRANKLIN (1706-1790)

Benjamin Franklin (1706-1790) je bio jedan od važnijih utemeljivača upotrebe eksperimenata u naučnim disciplinama. Njegovo najvažniji značaj je u tome što je dokazao da je munja električni fenomen, pa je i samim tim dokazao da elektricitet egzistira u prirodi. Poseban značaj Franklin-a je i u tome što je podržavao činjenicu da eksperimentalni rezultat, zajedno sa laboratorijskim modelom problema, može odslikati fizičku sliku problema [1], [3]. Isto tako, Franklin je i prvi Amerikanac koji se vinuo u nauci i dobio internacionalnu reputaciju.

Slika 2. Izgled Terrelle


Franklin je rođen u Bostonu. Kada je imao deset godina, otac ga je ispisao iz škole da bi mu pomogao u svom biznisu. Uprkos tome, Franklin je veliki novac odvajao na kupovinu knjiga. Zbog toga, i zbog činjenice da je bio nezainteresovan za očev posao, roditelji su odlučili da on treba da postane pisac. Slava kaju je stekao kao pisac, omogućila mu je da putuje po svijetu i da upozna sve važnije ljude 18-og vijeka. U Filadelfiji je bio pokrenuo svoje novine Pennsylvania Gazette.

1740-ih godina u svijetu je pokrenuto interesovanje za elektricitetom. U ovo vrijeme, Franklin se priključio prof. Adamu Spenseru iz Bostona, a zatim je i sam sponzorisao pojavljivanje i rad ovog profesora u Filadelfiji. Franklin je brzo bio impresioniran činjenicom da su razvili Spenserovu aparaturu, tako da su mogli da započnu eksperimentisanje.

Zajedno sa tri ostala naučnika – Ebanezer Kinerslej, Filip Sing i Tomas Hopkins, Franklin i Spenser su formirali eksperimentalnu grupu.

Ova eksperimentalna grupa je smatrala da u prirodi postoji samo jedna vrsta električnih materijala (fluida). Ona tijela koja su imala veliku količinu elektriciteta smatrali su da su naelektrisana pozitivno, dok ona tijela koja su imala manju količinu elektriciteta smatrali su da su negativno naelektrisana. Fay-ov „vitreous“ su smatrali da predstavlja pozitivno naelektrisano tijelo, dok „resinous“ predstavlja negativno naelektrisano tijelo.

Svaki put kada bi u laboratoriji vršili punjenje (naelektrisavanje) kugle, čuli bi se različiti zvuci, pa su naučnici počeli da špekulišu da je i sama munja u prirodi posljedica nekog električnog procesa. Već tada su počeli da razmišljaju kako bi mogli da izvedu eksperiment munje. U novembru 1749. godine Franklin je u jednoj od svojih bilješki zapisao sljedeće: „Elektricitet i munja imaju zajedničke sljedeće osobine: (1) daju svjetlost, (2) imaju

vijugast oblik, (3) brzo se kreću“, (4) formiraju buku, (5) ubijaju životinje, (6) mogu

zapaliti zapaljive materijale... “. Isto tako, Franklin se pitao da li se munja može na neki način privući. Njegovo razmišljanje imalo je sljedeći karakter: „Budući da se oni slažu u

onim osobinama za koje ih možemo porediti, zašto se onda oni ne bi slagali i u ovome?“. Franklin je imao brojne ideje kako da dokaže da elektricitet egzistira u prirodi. Ideja koju

je sproveo u djelo bila je ideja sa zmajem. Franklin je napravio zmaja od svilenog materijala, pri čemu je vrh zmaja spojio sa tankom savitljivom žicom koju je na Zemlji spojio sa Leyden jar –om. U ljeto 1752. godine Franklin i njegov sin su puštali zmaja za vrijeme oblačnog vremena. Iritirajući oblake svilom, pojavila se munja. Munja je formirala plamen u Leyden jaru, koji je bio napunjen zapaljivim materijalom. Na taj način Franklin je dokazao da je munja električna pojava. Ovo je bio dokaz da elektricitet egzistira u prirodi [1], [3].

Franklin-ova istraživanja, ali i dokaz egzistiranja elektriciteta u prirodi, podstakla je mnoge istraživače da nastave da proučavaju elektricitet, a takođe i da konstruišu instrumente za njegovo mjerenje. U takve istraživače spadaju John Canton (1718-1772), Tiberius Cavallo (1749-1809), Horace Benedict de Saussure (1740-1799), Abraham

Bennet (1750-1799) i Alessandro Volta (1745-1827). Svaki od ovih naučnika je konstruisao svoje uređaje, a koji su se međusobno, najčešće, razlikovali po stepenu tačnosti.

Slika 3. Benjamin

Franklin


3. CHARLES AUGUSTIN COULOMB (1736-1806)

Charls Augustin Coulomb (1736-1806) je bio pionir u razvoju konstrukcije zgrada, inžinjerstvu, fizici i u upotrebi instrumenata [1], [4].

Coulomb je rođen u Langedok-u, regionu sjeverne Francuske, a odrastao je u Parizu. U istoriji je poznat po tome što je prvi počeo da koristi matematiku i matematičku analizu u građevinarstvu, čime je napravio otklon od tradicionalne logike oslanjanja na iskustvo.

Za elektricitet veoma je važna 1777. godina kada je Coulomb napisao svoje djelo „Recherches sur la meilleur de

fabriquer les aiguilles aimantes“ („Traženje najboljeg

načina za formiranje magnetskih igli“). Ovaj rad sadrži studiju o magnetizmu, tačnije o njegovom novom kompasu. Taj novi kompas bio je veoma precizan i jedina greška koja se pojavljivala, bilo je trenje magnetske igle o podlogu na kojoj se nalazila. Međutim, pošto je ta magnetna igla bila izuzetno male težine, on je smatrao da je to trenje, i moment izazvan tim trenjem, gotovo zanemarljivo.

Između 1781. i 1806. godine Coulomb je napisao oko 25 naučnih memoara za Akademiju nauka i za Institut Francuske. 1784. godine napisao je seriju od sedam radova o elektricitetu. Prvi od ovih sedam radova je i najznačajniji jer govori o Coulomb-ovom radu. Ovaj rad je prezentovao 1785. godine i u njemu je opisao „inverzni zakon za naelektrisana

tijela“, otkriven upotrebom „torsion balance“ – vage momenta. Odnosno, on je pokazao da je sila koja se javlja između dva naelektrisana tijela, ali koja se odbijaju, obrnuto srazmjerna kvadratu njihovog međusobnog rastojanja.

Serija radova koje je Coulomb objavio odnosila se i na ispitivanje rasutog elektriciteta. 1787. godine Coulomb je predstavio nastavak svog rada na ispitivanju sila između naelektrisanih tijela i pokazao je da i između tijela koja se privlače (raznoliko naelektrisana tijela) postoji sila koja je obrnuto srazmjerna kvadratu rastojanja. U ovom radu on je ustvrdio da je i privlačna, a i odbojna sila, kod magneta obrnuto srazmjerna kvadratu njihovog međusobnog rastojanja.

U dokazivanju ovoga zakona Coulomb se rukovodio Njutnovim zakonom gravitacije koji, takođe, govori da je gravitaciona sila između dva tijela obrnuto srazmjerna kvadratu njihovog međusobnog rastojanja:

2

21

d

mmGF

⋅= , (1)

gdje su m1 i m2 – mase tijela 1 i 2, a G - konstanta. Četvrti, peti i šesti rad govore o raspodjeli naelektrisanja na provodnim i neprovodnim

površinama. Coulomb je zaključio da se naelektrisanje uvijek koncentriše sa spoljašnje strane provodnog tijela. U sedmom radu, Coulomb je proučavao magnetsko polje duge magnetne šipke.

Jedinica za količinu naelektrisanja je dobila ime upravo po Coulomb-u - kulon (C).

Slika 4. Charles

Augustin Coulomb


4. LUIGI GALVANI (1737-1798)

Luigi Galvani (1737-1798) je bio ljekar koji je otkrio da električna stimulacija nogu žabe izaziva njen trzaj. Ovo fenomenalno otkriće pomoglo je Volti da otkrije električnu struju [1], [5], [6].

Galvani je rođen, a i živio je u Bolonji, u Italiji. Studirao je medicinu na univerzitetu u Italiji, kod nekoliko vodećih doktora toga vremena, kao što su bili Beccari i Galeazzi. Nakon završetka studija, počeo je da radi u praksi, mada je honorarno bio zaposlen i na fakultetu. Bio je veoma uspješan ljekar.

Na polju elektrotehnike bavio se ispitivanjem dejstva elektriciteta na mišiće, tačnije na nerve mišića. Stimulišući mišić elektricitetom, uočio je da dolazi do njegovog grčenja, odnosno do pomjeranja. Isto tako, Galvani je zaključio i da munja ima isti efekat kao i elektrostatička mašina, pa i ona izaziva grčenje mišića. Zbog svih tih činjenica, Galvani je bio zagovornik teze da postoji i životinjski elektricitet.

Galvani je 1791. godine napisao djelo: „De viribus electricitatis in motu musculari

commentarius“ („Zapažanja o električnoj sili koja uslovljava kretanje mišića“) u kome je opisao sve svoje istraživačke rezultate.

Galvani je umro 1798. godine. U njegovu čast, uređaj koji služi za mjerenje veoma malih struja dobio je ime galvanometar.

5. ALESSANDRO VOLTA (1745-1827)

Alessandro Volta (1745-1827) je bio veoma

istraživački nastrojen fizičar i hemičar, koji je napravio veliki progres u nauci. Poznat je po pronalasku baterije koju je pronašao tražeći objašnjenja za Galvani-jeva otkrića.

Osim pronalaska struje, Volta je radio i na proučavanju elektriciteta, uređaja za mjerenje elektriciteta, kao i na razvoju malih izvora napona [1], [7], [8]. S druge strane, veliki rad je posvetio i samim gasovima. On je jedan od prvih naučnika koji se bavio proučavanjem eksploziva.

Volta je rođen 1745. godine, u mjestu Komo, blizu Milana, u Italiji. Voltina porodica je tradicionalno bila vezana sa crkvom, a kada je imao 7 godina izgubio je oca, tako da je brigu o njemu preuzeo njegov stric.

Već sa 18 godina počeo je da se interesuje za elektricitet. Prvi rad je publikovao već sa 20 godina. U ovom radu je opisao da se svila koja se trlja rukama naelektriše pozitivno, dok, ako se trlja staklom, naelektriše se negativno.

Slika 5. Luigi Galvani

Slika 6. Alessandro Volta


U toku 1771. i 1772. godine Volta je putovao u Englesku i Francusku. Na tim putovanjima posjetio je Oxford University, fakultete u Mančesteru i Birmingemu. U Francuskoj se sreo sa Laplasom, kao i sa Frenklinom. 1784. godine Volta je putovao u Njemačku i tamo se susreo sa najznačajnijim naučnicima koji su se bavili prirodnim naukama.

30. avgusta 1789. godine, napisao je svoje mišljenje o reakciji mišića žabe koja se stimuliše metalnim provodnikom. Na ovo mišljenje su ga inicirali rezultati Galvani-ja na ovom polju istraživanja. Volta je Galvani-jev rad nazivao „nerealnim“ i „čudnim“. Isto tako, Volta nije vjerovao u „Galvani-jev životinjski elektricitet“. Volta je vršio mjerenja i pratio reakcije mišića žabe, stimulisane različitim količinama naelektrisanja, koja je mjerio elektrometrom. Ispitivanjem najmanje količine naelektrisanja koja uslovljava mišić da se pokrene, Volta je osjetio da se u kontaktu provodnika i tijela životinje ostvari neka veza i da dolazi do pokretanja naelektrisanja. Ovo „sjajno i veličanstveno otkriće“, kako ga je Volta nazvao, bilo je u suprotnosti sa Galvani-jevim stavom da se mišić

pokrene i ako nema kontakta provodnika i tijela žabe. Volta je zaključio da elektricitet pogodi nerv koji zatim pobuđuje mišić.

Nakon ovoga, Volta se bavio ispitivanjem postojanja elektromotorne sile – uzročnika pokretanja naelektrisanja. Upravo je termin - elektromotorna sila Voltin termin. Volta je ustanovio da se elektromotorna sila najviše javlja između različitih metala, ili tzv „elektromotora“, kako ih je on zvao. Voltin stub (baterija) se sastoji iz sedam elemenata: cink, kalaj, gvožđe, bakar, živa, zlato i ugalj.

Volta je bio graciozan čovjek. Kao naučnik, držao se tradicije i konzervatizma, sa osvrtom na jaku teoriju, uz potkrepljenje rezultata eksperimentima. Isto tako, zalagao se za matematiku, pa je jednom i napisao: „Ništa dobro ne može biti urađeno, ako se to ne svede

na brojeve“. Na Prvom internacionalnom elektro-kongresu, održanom u Parizu 1881. godine, jedinica

za elektromotornu silu dobila je naziv - volt (V). 6. HANS CHRISTIAN OERSTED (1777-1851)

Hans Christian Oersted (1777-1851) je rođen u Rudkobing-u, u Danskoj. Proširenje posla njegovog oca, kao i uticaj rodbine čiji je broj članova stalno rastao, primorao je njegove roditelje da premjeste Hansa i njegovog mlađeg brata u jednu obližnju porodicu [1], [9], [10].

Mladići su u toj familiji naučili njemački, a Hans je prevodio čak i djelove njemačke Biblije. Intelektualne karakteristike braće brzo su došle do izražaja, pa su naučili latinski i francuski jezik, ali i matematiku. Sa 11 godina Hans je počeo da pomaže svom ocu u apotekama, pa se tu i upoznao sa osnovama hemije. U 17-oj godini Hans se upisao na univerzitet u Kopenhagenu.

Slika 7. Voltina baterija


Najznačajniji i najuticajniji predmet koji je Hans imao bio je jedan predmet kod Imanuela Kanta, iz kritičke filozofije. Inače, Kant se zalagao za jedinstvo prirode i za to da ljudi razumiju (osjećaju) samo silu. Po Kantu, dvije osnovne sile su odbojna i privlačna sila. Sve ostale sile, kao što su magnetna, električna, toplotna i druge, samo su modifikacije ove dvije sile. Hans je postao entuzijasta upravo prateći i trudeći se da razumije Kanta, što je i bilo veoma važno za njegov naučni razvoj.

Hans Oersted je 1797. godine stekao diplomu farmaceuta. Nakon završetka studija, kratko je radio u farmaciji. Neposredno nakon što je Volta konstruisao svoju baterijsku ćeliju i Oersted je napravio svoju bateriju koja mu je stvorila reputaciju i otvorila mu vrata brojnih laboratorija.

Na početku svoje karijere Oersted je doživio jedno veoma ružno iskustvo. Kada je putovao u Njemačku, upoznao je Johana Ritera sa kojim je diskutovao o hemijskim efektima. Oersted je bio veoma pozitivno iznenađen Riter-ovim razumijevanjem i poznavanjem hemije, tako da su se Oersted-u svidjele njegove ideje. Hemičari, Winterl i Hungarian razvili su „sistem“ hemijske dualnosti. Odnosno, oni su smatrali da se prototipi supstanci, zvani Andronia i Thelycke, osnovi baza i kisjelina. To je filozofski bilo sjajno jer se svuda pojavljivala neka dualnost, pa zašto ne i u supstancama. S druge strane, njegova reputacija do tada bila

je veoma dobra i nije imao problema sa strane naučne javnosti, već je doživljavao samo poštovanje pošto je smatran za velikog eksperimentatora. Ali on je vjerovao Ritteru i Winterlu, tako da je doživio pravi naučni debakl u Parizu kada je branio stavove ova dva naučnika.

Rezultati ovoga njegovog debakla su bili katastrofalni. Francuski hemičari su našli mnogo nepravilnosti u Oersted-ovoj prezentaciji i njegovim stavovima, tako da je njegov ugled bio poljuljan. Oersted je shvatio da su ideje ljudi koje je on branio zasnovane samo na

špekulacijama i na vjerovatnoćama. Najbitnija stvar koju je on shvatio jeste ta da je u nauci osnova svega verifikacija i dokazivanje činjenica.

Oersted se vratio u Dansku 1804. godine, ali zbog narušene reputacije nije uspio dobiti posao na Kopenhagenskom fakultetu. Zbog toga se opet počeo baviti naukom, i objavio je nekoliko radova koji su postali veoma popularni. Ovo mu je omogućilo da se zaposli na fakultetu i da ozbiljno započne svoj istraživački rad.

Oersted je 1820. godine zapisao svoj najvažniji događaj koji je publikovan u The

Edinburgh Encyclopedia, 1830. godine. Tačnije, tokom predavanja 21. aprila 1820. godine, Oersted je primijetio da se magnetna igla okreće kada se pored nje nađe provodnik sa strujom (slika 9.). Isto tako, primijetio je da se mijenjanjem smjera struje, postiže okretanje

Slika 8. Hans Christian

Oersted

Slika 9. Oerstedov eksperiment:

električna struja izaziva okretanje magnetne igle


magnetne igle u drugu stranu. Nakon intenzivnih istraživanja, objavio je rezultate koji pokazuju da električna struja proizvodi kružno magnetno polje.

Oersted je 1820. godine napisao rad „Experimenta circa effectum conflictus electrici in

acum magneticum“ („Eksperimenti o međusobnoj reakciji elektriciteta koji prouzrokuju

magnetizam“), kojim je otvorena nova epoha razvoja elektrotehnike. Oersted-ov rad predstavlja veliki korak ka jedinstvenom konceptu energije. Njegov

naučni uticaj je bio ogroman, a i danas je u cijelom svijetu. Zbog toga je bio i dopisni član Francuskog instituta, doživotni sekretar Kraljevskog društva nauke u Kopenhagenu, vitez Pruske zasluge, Francuske legije časti i drugo.

Širio je nauku kroz narod, držao je tribine i skupove koje su posjećivale čak i žene. Zbog toga ga i danas u Danskoj smatraju za jednog od najvećih dobrotvora. Isto tako, Oersted se bavio i politikom, a i bio je poslanik u Danskom parlamentu. Smatra se da je Oersted čovjek koji je u velikoj mjeri, zastupanjem liberalnih principa i zalaganjem za postizanje visokog stepena ustavnih sloboda, oblikovao i današnju političku scenu Danske.

Jedan od prvih naučnika koji je prihvatio Oersted-ovo otkriće bio je francuski naučnik Amper.

7. ANDRE MARIE AMPER (1775-1836)

4. septemra 1820. godine, samo mjesec dana nakon što je

Oersted otkrio da električna struja ima svoje magnetno polje, Francois Arago je demonstrirao taj pronalazak u Ženevi, na Akademiji nauka u Parizu. Mnogi od članova su bili iznenađeni i nijesu mogli da vjeruju svojim očima. Tada je kroz publiku bila samo jedna rečenica: „Da li je ovo krah

Coulomb-ove tvrdnje da ne postoji veza između elektriciteta

i magnetizma?“ Amper, koji se takođe nalazio u publici, bio je vidno

iznenađen ovim novim otkrićima, novim idejama, a i obuzet brojnim pitanjima. No, Amper je odmah prihvatio Oersted-ove zaključke i odmah počeo da testira njegove pronalaske.

Andre Marie Amper (1775-1836) je bio francuski fizičar i matematičar koji se generalno smatra jednim od glavnih utemeljivača magnetizma, [1], [11], [13].

Amper je rođen u Lionu, u Francuskoj. Detinjstvo i svoju mladost je proveo na porodičnom imanju Poleymieux-au-Mont-d′Or kod Liona. Njegov otac ga je učio Latinski, sve dok nije otkrio sklonost dječaka ka matematici. Kasnije, u zrelim godinama Amper je tvrdio da je znao matematiku onoliko koliko je znao kada je imao 18 godina.

Bez ikakvog formalnog obrazovanja, Amper je počeo karijeru kao profesor nauke. Držao je nastavu u Lionu, a kasnije je bio i predavač matematike na Politehničkoj školi u Parizu. Upravo je u ovoj školi on sproveo najvažnija istraživanja i eksperimente o električnoj i magnetnoj sili.

Amper se bavio razvojem matematičke teorije koju je zvao „electrodynamics“, razvijenu iz elektrostatike, a koja je povezivala elektricitet i magnetizam. Svoju teoriju elektrodinamike objavio je 1826. godine.

Slika 10.

Andre Marie Ampere


Hronologija Amper-ovog rada nije sasvim jasna, a ni poznata, pošto u literaturi postoji očigledno nepoklapanje datuma. Međutim, to se, donekle, može pripisati i Amperu koji je

sa jedne strane bio brilijantan naučnik, a sa druge strane, nikada nije bio sistematičan čovjek, čovjek koji je vodio bilješke i slično.

Uglavnom, smatra se da je Amper na početku svog bavljenja elektricitetom i magnetizmom, napravio magnetnu iglu i proučavao dejstvo provodnika sa strujom na tu iglu. Da bi poništio bilo koje drugo magnetno polje, kao npr. od Zemlje, Amper je napravio kompenzacionu iglu. Ovakvu kombinaciju glavne (eksperimentalne ili posmatrane) i kompenzacione igle, Amper je nazvao „astatička“ kombinacija.

Amper je smatrao da se permanentna magnetna igla magnetiše pomoću struja koje postoje u njoj

samoj. No, Amper je bio svjestan da je magnet, sam po sebi, veoma loš provodnik, a da bi proticanje struja kroz njega izazivalo njegovo zagrijavanje. Amper-ov prijatelj Fresnel mu je predložio da permanentni magneti imaju svoje karakteristike zahvaljujući električnim strujama koje postoje oko svakog molekula gvožđa. Isto tako, Fresnel je predložio da je magnetno polje koje stvaraju te struje, u svakom molekulu, orjentisano u jednom smjeru. No, malo toga se o molekulima tada znalo, tako da je sve ovo bila jedna misterija i teoretsko nagađanje koje je Amper zamišljao kao „elektrodinamika molekula“.

Oersted je otkrio da oko magnetnog provodnika sa strujom postoji kružno magnetsko polje. Amper je koristeći dvije spirale kroz koje protiče struja otkrio veoma primijetne i jake sile koje djeluju između takva dva provodnika (slika 11.). Isto tako, otkrio je veoma jake sile koje djeluju između magnetne igle i jednog spiralnog provodnika, napajanog naponskom baterijom.

25-og septembra, na susretu u Akademiji, Amper je predstavio teoriju o magnetizmu, kao i hipotezu o permanentnim magnetima i „elektrodinamici molekula“. Inače, prije samog zasijedanja sjednice Akademije, Amper je, eksperimentišući, uočio da se pojavljuje „trzaj“ u provodniku kada se priključi na napajanje, a ako se prethodno nalazio u magnetskom polju nekog provodnika ili magneta.

Amper-ovo rano istraživanje o magnetskim djelovanjima dva paralelna provodnika, publikovano je u raspravi „Memoire sur l′Electromagnetisme et l′Electrodynamique“

(„Memoari o elektromagnetizmu i elektrodinamici“), 1821. godine. U ovom djelu Amper je kvalitetno i detaljno opisao međusobno djelovanje dva provodnika sa strujom. U toku 1825. godine Amper je završio istraživanja po pitanju relacija koje povezuju magnetska djelovanja dva provodnika sa strujama i sva svoja saznanja je publikovao u famoznoj knjizi iz 1826. godine: „Theorie des Phenomenes Electro-Dynamiques ...“ („Teorija

elektrodinamičkih feneomena ...“). Amper je uveo pojam strujni element za koji je smatrao da nije matematička tvorevina,

već da predstavlja stvarnu fizičku aproksimaciju provodnika sa strujom. Strujni element je označavao sa Ids i smatrao je da se između dva strujna elementa javlja sila koja se može predstaviti kao:

Slika 11. Međusobno dejstvo

dva spiralna provodnika kroz koje protiču struje


2

sin)()(

r

sdIdsIKdF

Θ⋅′⋅′⋅⋅⋅= , (2)

gdje je r - rastojanje ta dva struja provodnika, Θ - ugao između strujnih elemenata Ids i I′ds′, a K je konstanta.

U početku, Amper-ov rad nije bio baš sa oduševljenjem prihvaćen, posebno zbog „elektrodinamičkog molekula“. Sam Faraday nije mogao da prati Amper-a po pitanju matematike, pa je bio njegov veliki oponent.

Amper je umro 1836. godine u Marseju. Zbog velikih otkrića u elektrotehnici na Prvom internacionalnom elektro-kongresu u Parizu jedinica za električnu struju (A) dobila je ime upravo po Amperu.

Za Oersted-ova otkrića u Njemačkoj su se zainteresovali Johan Salomo Kristof

Schweigger (1779-1857), kao i Johan Christian Poggendorff (1796-1877). U Engleskoj je bio zainteresovan James Cumming (1777-1877), a u Italiji Leopoldo Nobili (1784-1835). Svaki od ovih naučnika bavio se razvojem instrumenata za mjerenje elektromagnetnog polja.

Jedan od prvih naučnika koji se upuštio u ispitivanje električne otpornosti, a i provodnosti materijala, bio je Georg Simon Ohm (1789-1854). Ohm je sve materijale klasifikovao u provodnike, poluprovodnike i izolatore. U svom istraživanju Ohm je opisao i pad napona, zavisnost pada napona od otpornosti, uveo je zakonitost da je struja u serijskom kolu ista u svakoj tački kola, uveo je pojmove serijske i paralelne veze i slično.

Za istraživanje elektriciteta i magnetizma, veoma je bio značajan i matematičar Karl

Freidrich Gauss (1777-1855). Gauss je uveo pojam kompleksnog broja, koji se i danas koristi za rešavanje kola naizmjenične struje. Zajedno sa naučnikom Wilhelm Eduard

Weber-om (1804-1891), Gauss se bavio proračunom horizontalne komponente magnetnog polja Zemlje u funkciji dužine, mase i vremena. Isto tako, Weber se bavio mjerenjem električne otpornosti provodnika.

Charles Wheatstone (1802-1875) je bio prvi naučnik koji se bavio mjerenjem brzine električnih signala u provodnicima. Inače, on je danas poznat po mostu za mjerenje električne impedanse. Jedan od važnijih zadataka koji je sebi postavio Wheatston bio je da eksperimentalno provjeri Ohm-ov zakon. Kao posledica ovoga istraživanja Wheatstone je otkrio reostat – specijalni otpornik koji se koristi pri mjerenju otpornosti.

8. MICHAEL FARADAY (1791-1867)

Michael Faraday (1791-1867) je bio sjajan eksperimentator i praktičar. Inače, Faraday je

napravio otkrića iz magnetike i elektriciteta za sva vremena. Oersted je bio prvi naučnik koji je 1821. godine pokazao da električna struja ima svoje

magnetno polje, a Faraday je bio prvi koji je demonstrirao principe transformacije električne u mehaničku energiju. Isto tako, Faraday je bio prvi naučnik koji je 1831. godine dokazao da kretanje provodnika u magnetnom polju može izazvati elektricitet. Ova dva pronalaska postali su osnova za konstrukciju električnih generatora i motora [1], [14], [16].

Faraday je rođen u mjestu Buts, u blizini Londona, 1791. godine. Njegov otac je bio često bolestan, pa nije mogao da obezbijedi normalan život za svoju porodicu. Kasnije je Faraday pričao da mu se u mladosti dešavalo da nedeljno ima da jede samo jednu veknu


hljeba i vodu. Sve je to uticalo na Faraday-a da bude u životu vezan za porodicu, pa je pomagao svom bratu u njegovim poslovima, a bio je odgovoran i za edukaciju svoje mlađe sestre Margarit.

Tokom nekolike prve godine samoobrazovanja, Faraday je naučio da piše, čita i računa. Već sa trinaest godina, počeo je da radi kod knjigovođe i prodavca Georga Riebau-a. Pošto je stalno bio izložen kontaktu sa knjigama, čitao je rasprave iz raznih oblasti i upoznavao važne ljude. Tako je upoznao i Humphry Davy-ija, člana naučnog društva Royal Institution. Davy je Faraday-u dao karte da posjećuje ovu organizaciju. Upravo, ovo poznanstvo Faraday je iskoristio da se priključi ovoj naučnoj organizaciji. Davy ga je prihvatio jer je uvidio da je Faraday veoma upoznat sa hemijom. Poslije nekoliko mjeseci, Faraday je postao pomoćnik u njihovoj laboratoriji. Naučnik Davy je 1807. godine uspio da izdvoji kalijum propuštajući struju kroz vlažni kalijum karbonat. Davy je, kao nagradu, dobio od Napoleona, osim medalje, propusnicu da putuje kroz Njemačku i Francusku. Na ovo svoje putovanje Davy je vodio i Faraday-a.

1820. godine desila su se čuvena Oersted-ova otkrića. Veoma brzo, svaki naučni rad je bio prepun članaka o ovom otkriću i o njegovom objašnjenju. Faraday-ev drug Richard

Phillips je 1821. godine zamolio Faraday-a da mu pomogne u pisanju istorije o elektricitetu i magnetizmu, što je Faraday nerado prihvatio, jer je bio previše zauzet hemijom. Međutim, spremajući Phillips-u materijal, Faraday je sproveo i izveo brojne eksperimente koje je predstavio sam Oersted. Tada je on počeo svoja istraživanja iz magnetizma, posmatrajući šta se dešava sa malom magnetnom iglom koja se nalazi u blizini provodnika sa strujom. Pomjerajući kompas sa iglom oko provodnika sa strujom, Faraday je uočio da magnetska igla kompasa napravi jedan pun obrtaj. Svoja početna zapažanja iz magnetizma i elektriciteta, Faraday je 21. oktobar 1821. godine publikovao u radu „On some new Electro-

magnetical Motions, and on the Theory of Magnetism“ („O novom shvatanju

elektromagnetnog kretanja i teorije magnetizma“). Tadašnji potpredsjednik Royal Society društva, William Wollaston, nezadovoljan

publikacijom Faraday-a, udružio se sa Davy-jem da pokaže da oko provodnika sa strujom postoje „kružne“ sile koje izazivaju njegovu rotaciju. Međutim, oni nijesu uspjeli izvesti ovaj ogled. Inače, Wollaston je bio ljut na Faraday-a zato što je Faraday sam objavio svoj rad o magnetizmu. Sa druge strane, Faraday je tvrdio da je uporno pokušavao da sarađuje sa Wollaston-om, ali da je ovaj odbijao saradnju, tako da je bio prinuđen da sam objavi svoj rad. Ove situacije uticale su na Faraday-a da počne sasvim sam da radi, ali i da postaje osobenjak.

Uprkos svemu, Faraday je nastavio svoj rad na ispitivanju magnetizma, što mu je omogućilo da magnetizam shvati na drugačiji način od svih ostalih naučnika toga vremena. Svi ti naučnici su se bavili ispitivanjem samog postojanja elektriciteta, dok se Faraday skoncentrisao na ispitivanje veze elektriciteta i magnetizma.

U periodu između 1821. i 1831. godine Faraday se prvenstveno bavio hemijom, ali je sve više i više vremena provodio baveći se proučavanjem elektriciteta. U tom periodu, tačnije 1825. godine, Arango u Francuskoj je pokazao da horizontalno postavljeni bakarni disk sa

Slika 12. Michael

Faraday


strujom, koji rotira oko svog centra, uzrokuje pomjeranje magnetske igle, koja se nalazi u njegovoj blizini. Faraday-ev kolega Gerrit Moll napravio je elektromagnet koji je imao mogućnost da proizvede velike sile. Sve ove činjenice Faraday je iskoristio da osmisli eksperiment kojim će pokazati da se promjenom magnetnog polja može dobiti električna struja.

Faraday je ispitivao kako magneti, u čijoj blizini se nalazio provodnik, mogu uticati na indukovanje struje u tom provodniku. Prvo je radio sa permanentnim magnetima, ali sa

njima nije postizao valjane rezultate. Zatim je formirao elektromagnete koje je dobio propuštanjem struje kroz solenoidno namotane provodnike, pri čemu je između tih magneta držao provodnik koji je bio povezan sa galvanometrom. Prekidajući struju elektromagneta, uočio je da kazaljka galvanometra skreće. Isto tako, Faraday je shvatio da za formiranje struje nije dovoljno samo da postoji „jak magnet“, već je potrebno ostvariti i još neku „promjenu“. Da bi provjerio ove svoje tvrdnje, Faraday je oko papirnog cilindra namotao provodnik, koji je bio povezan sa galvanometrom (slika 13.). Provlačeći stalni magnet kroz papirni cilindar, uočio je da galvanometar skreće

u jednom smjeru, a vraćajući magnet, kazaljka galvanometra skretala je u suprotnom smjeru.

Sljedeća zamisao Faraday-a bila je da translatorno kretanje magneta zamijeni sa rotirajućim kretanjem. Sjetivši se Arangovih eksperimenata, on je napravio jedan rotirajući magnet, tj. magnet koji se mogao rotirati, a u čijoj blizini se nalazi provodnik, spojen sa galvanometrom. Ovaj prvi rotirajući disk predstavlja prvu dinamo mašinu (slika 14.).

Faraday je 1831. godine publikovao „Experimental Researches in Electricity“ („Eksperimentalna istraživanja o elektricitetu“), u kojem je objasnio svoja dotadašnja viđenja o magnetizmu i elektricitetu.

U narednom periodu Faraday se bavio ispitivanjem različitih načina dobijanja elektriciteta i njegovim karakteristikama: sile odbijanja i privlačenja, uticaj toplote na elektricitet, hemijske reakcije za dobijanje elektriciteta i slično. Isto tako, proučavajući dobijanje elektriciteta hemijskim putem, Faraday je uočio da je terminologija koja se koristi neodgovarajuća, pa je počeo da uvodi nove pojmove. U definisanju novih termina konsultovao se sa brojnim kolegama, posebno sa Cambridge University, tako da su ustanovili

termine kao što su: anoda, katoda, elektroda, elektrolit, ..., koji se i danas koriste. Faraday je pojavu elektrolize kvantitativno proučio 1834. godine i utvrdio dva zakona

koji su danas poznati kao Faraday-evi zakoni elektrolize. Prvi Faraday-ev zakon elektrolize glasi da je masa metala, ili uopšte elementa, koji se taloži na katodi, pri proticanju struje, srazmjerna jačini struje i vremenu proticanja (m=k×I×t, gdje je k – elektrohemijski

Slika 13. Faraday-ev ogled indukovanja struje

Slika 14. Faraday-ev disk


ekvivalent). Drugi zakon elektrolize glasi da su elektrohemijski ekvivalenti upravo srazmjerni hemijskim ekvivalentima, kada se radi o različitim supstancijama.

Isto tako, Faraday se bavio ispitivanjem kapaciteta, tj. sposobnošću kondenzatora da prihvati što veću količinu naelektrisanja. Veoma bitna oblast istraživanja Faraday-a bila je i mjerenje potencijala kondenzatora. U periodu od 1844. do 1845. godine Faraday se bavio ispitivanjem gasova, odnosno ispitivao je ponašanje gasova u zavisnosti od pritiska i temperature.

U istoriji je Faraday ostao poznat po tome što je bio veliki detaljista u opisivanju svih svojih eksperimenata. Do detalja je navodio sve dimenzije opreme, čak i žica i svih ostalih elemenata. Isto tako, uspješno je izlagao detalje svojih eksperimenata i postupaka sa teorijskim objašnjenjima, rezultatima i opsežnim zaključcima. U posljednjim godinama života Faraday je bio primljen u brojne naučne organizacije i postao počasni član mnogih.

Naučnik Nojman napisao je 1845. godine Faraday-ev zakon elektromagnetske indukcije kao:

dt

de

Ψ−= (3)

Jednačina (3) predstavlja činjenicu da je elektromotorna sila u konturi srazmjerna promjeni fluksa u vremenu.

Faraday je umro 25. avgusta 1867. godine, u svojoj kući u Hampton Courtu. U njegovu čast jedinica za kapacitivnost nosi ime – farad (F).

9. ZAKLJUČAK

U ovom radu je prikazan razvoj ideja i teorija o elektricitetu i magnetizmu, opisan kroz

rad, pronalaske i najznačajnije događaje brojnih naučnika, počev od prvih pomena elektriciteta i magnetizma, tačnije od Gilberta, pa do Faraday-evih otkrića.

Prvi pomeni elekticiteta i magnetizma potiču iz veoma davnih vremena. „Naučnici“ koji su prvi zapisali osnovne karakteristike elektriciteta i magnetizma bili su Sokrat i Tales. Poslije toga, tek nakon 20 stoljeća, naučnik Gilbert je definisao pojam naelektrisanog tijela. Od tada je počelo intenzivnije bavljenje elektricitetom. Jedan od veoma bitnih trenutaka u ispitivanju elektriciteta bilo je Franklin-ovo otkriće da elektricitet egzistira u prirodi.

Poslije Franklin-a veliki broj naučnika se bavio mjerenjem elektriciteta. Najdalje u ovom istraživanju je otišao Coulomb, koji je mjerio vrijednost sile između dva naelektrisana tijela. Coulomb je pokazao da je ta sila srazmjerna proizvodu količina naelektrisanja ta dva tijela, dok je obrnuto srazmjerna njihovom međusobnom rastojanju.

Korak u stranu od dotadašnjeg kursa posmatranja naelektrisanja predstavlja naučni rad Galvani-a. On je pokazao da se stimulacijom noge žabe elektricitetom izaziva njen trzaj. Na ovo otkriće se nadovezao Volta, koji je pokazao da je taj trzaj uslovljen prenosom naelektrisanja sa provodnika na nerv noge žabe, čime je uveo pojam usmjerenog kretanja naelektrisanja – tj. uveo je pojam struje.

Pravu vezu elektriciteta i magnetizma dokazao je Oersted koji je, izvodeći eksperimente, slučajno primakao provodnik sa strujom magnetskoj igli i opazio da dolazi do njenog okretanja. Ovo je bio prvi pravi dokaz povezanosti elektriciteta i magnetizma. Prvi među


brojnima koji je prihvatio ove rezultate bio je Amper. On je otkrio da jedan provodnik sa strujom može da privlači, ili odbija drugi provodnik sa strujom, ili neki magnet. Ispitivanjem ove sile, došao je do zaključka da je ta sila srazmjerna jačini struja u provodnicima, dok je obrnuto srazmjerna kvadratu njihovog rastojanja.

Možda je i najveći iskorak u odnosu na Oersted-ova otkrića napravio Faraday, koji je otkrio da promjena magnetnog polja dovodi do indukovanja električne struje. Takođe, Faraday je otkrio da kretanje provodnika u magnetskom polju izaziva pojavu struje u tom provodniku. Ova otkrića predstavljaju osnovu elektrodinamike, kao i osnov za konstrukciju generatora i motora. Razvoj električnih uređaja koji konvertuju električnu energiju u mehanički rad predstavljao je pravi uvod u industrijski razvoj. Prema tome, jasno je da Faraday-eva otkrića spadaju u najveća otkrića u elektrotehnici.

Dalje razmatranje razvoja elektriciteta i magnetizma trebalo bi da obuhvati najpoznatije naučnike iz ove oblasti – Maxwell-a i Lorenz-a.

LITERATURA

[1] Joseph F.Keithley: „The Story of Electrical and magnetic Measurements – From 500 BC to the 1940s“, IEEE Press, 1999.

[2] http://corrosion-doctors.org/Biographies/GilbertBio.htm [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin [4] http://library.thinkquest.org/10170/voca/coulombb.htm [5] http://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani [6] http://inventors.about.com/library/inventors/bl_Galvani.htm [7] http://www.ideafinder.com/history/inventors/volta.htm [8] http://inventors.about.com/od/utstartinventors/a/Alessandro_Volta.htm [9] http://corrosion-doctors.org/Biographies/OerstedBio.htm [10] http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/pioneers/oersted.html [11] A.K.T. Assis, M.P. Souza Filho, J.J. Caluzi, J.P.M.C. Chaib: “From Electromagnetism to

Electrodynamics: Ampère’s Demonstration of the Interaction between Current Carrying Wires”, 4th International Conference on Hands-on Science Development, Diversity and Inclusion in Science Education © 2007 HSci. ISBN 978-989-95336-1-5

[12] Olivier Darrigol: „Electrodynamic from Amper to Einstein”, Oxford Univesity Press, 2000. [13] http://www.juliantrubin.com/bigten/ampereexperiments.html [14] http://inventors.about.com/library/inventors/blfaraday.htm [15] http://www.ideafinder.com/history/inventors/faraday.htm [16] http://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday

istorija ideja i teorija o elektricitetu i magnetizmu od ... · što su to jasno utvr đeni...

Documents