Zgodba o elektriki

Zgodba o elektriki

Kratka zgodovina elektrike, od jantarja pri starih Grkih do fotovoltaičnih plošč

Avtor: Enrico Halupca Prevod: Katja Voncina Oblikovanje: Sintesi srl Fotografije: Sintesi srl, Enrico Halupca Založnik: SSO – Svet slovenskih organizacij / Confederazione Organizzazioni Slovene Vodja projekta: Ivo Corva © SSO – Trst, 2020 To objavo lahko najdete v elektronski obliki na naslovu: www.lightingsolutions.org Objava sofinancirana v okviru Programa sodelovanja Slovenija-Italija 2014-2020 iz sredstev Evropskega sklada za regionalni razvoj in nacionalnih sredstev.

Vsebina te publikacije ne odraža nujno uradnih stališč Evropske unije. Odgovornost za vsebino te publikacije pripada založniku SSO.

Zgodba o elektriki Kratka zgodovina elektrike, od jantarja pri starih Grkih do fotovoltaičnih plošč

Nenadomestljiv vir

Vpadljivi in makroskopski pojavi kot je strela na nočnem nebu, ki nenadoma razsvetli okolico, preden ji sledi zlovešče grmenje, ali nasprotno, prav mikroskopski in tihi, kot je privlačnost majhnih delcev slame na jantarni paličici, ki je lahko tisočletja neopažena, so vsi povezani v eni sami osnovni sili, ki prežema vesolje, in to je elektrika.

Elektriko danes izkorišča najsodobnejša tehnologija, da bi naš svet deloval v različnih kontekstih.

Kako bi lahko delali v pisarnah, na univerzah, v naših razvitih raziskovalnih centrih, če bi bili brez elektrike, ki daje energijo vsem aparaturam, ki jih potrebujemo za pisanje, komuniciranje, arhiviranje koristnih informacij?

Težko bi pogrešali naš neločljivi pametni telefon, ki ga nosimo s seboj in ga nikoli ne izklopimo in zaupamo v trajanje litijevih baterij za ponovno polnjenje.

Brez elektrike bi se v trenutku ustavila tudi vsa industrija.

Nepričakovan dogodek Covid-19 v letu 2020 je dokazal, da je med lockdownom, s prisilnim zaprtjem storitvenih dejavnosti, potrošnja električne energije upadla le za 9% na globalni ravni, kar je veliko manj od tega, kar so mnogi pričakovali.

Vzrok je tudi v prostem času, ki ga v naših družbah večinoma preživimo po sončnem zahodu, ko bi bilo zelo težko preživeti ob sveči.

Nenadomestljiv vir

1

Notranja in zunanja razsvetljava je električna, ki jo danes zaupamo LED tehnologiji z nizko porabo - ta pa postopoma, z energetskega vidika, nadomešča zelo malo učinkovite žarnice.

Mobilnost z električnim motorjem namesto fosilnega goriva, se vse bolj prilagaja spoštovanju tako imenovanega Green Deala, novega energetskega toka, ki ga je prevzela Evropa, da bi preprečila globalno segrevanje, in sicer na podlagi mednarodnih odločitev za zaščito podnebja (Kjotski protokol, Pariški sporazum), ob pripravah na Vrh v Glasgowu, ki bo potekal v letu 2021.

Ni nas strah, da bi nam ugovarjali, če rečemo, da je elektrika absolutno postala glavni energetski vir naše sodobne civilizacije.

Nenadomestljiva komponenta našega visoko razvitega sveta.

Prav taka primarna dobrina, kot je voda, je tudi elektrika od vedno pomembna za naš biološki sistem. Obema se ne bi mogli odpovedati. Sta bistvena in nenadomestljiva vira.

Danes se vse bolj zavedamo, da ob slabi porazdelitvi teh virov prihaja do velikih socialnih neravnovesij na globalni ravni.

V globaliziranem in medsebojno soodvisnem svetu kot je naš, postaja dobra izraba teh virov pravi “must”, bistven za našo skupno bodočnost.

Osveščena uporaba električne energije je bistvenega pomena ne le za gospodarstvo nekega naroda, ampak tudi za skupno blaginjo zaradi manjšega onesnaževanja našega planeta, za zmanjšanje globalnega segrevanja ter Zgodba o elektriki

2

za vrnitev podnebja v njegove naravne vrednosti.

Kaj pa je elektrika? Če dobro premislimo, je za običajno zdravo pamet, čeprav je preteklo že približno deset človekovih generacij - 220 let - od takrat, ko je Alessandro Volta iznašel električno baterijo, še danes ta nevidna energija za večino nekoliko skrivnostna.

Seveda v priročnikih za fiziko, po odkritjih iz začetkov 20. stoletja, najdemo izredno natančne razlage, kaj je to: “Elektrika je ena od osnovnih lastnosti narave in se izraža preko privlačnosti ali odboja med telesi in izhaja iz atomskih lastnosti materije”, telesa s to lastnostjo so “elektronsko napeta” in “odgovorni za to napetost so elektroni, delci atomov materije, ki imajo negativno napetost…” itd.

(TuttoFisica, De Agostini, 2019)

Mnogi med nami, ki poznajo ta osnovna fizikalna načela, so si vendarle zastavili bolj ali manj zapletena vprašanja, z določenega vidika tudi naivna, pri čemer niso vedeli, če je rešitev, ki je bila morda videti pravilna, tudi dejansko točna.

Poglejmo nekaj primerov z vrsto vprašanj, ki sem si jih zastavil jaz osebno: Zakaj obstaja “statična elektrika” in obstaja tudi “enosmerni tok”? Kaj je strela in zakaj je Benjamin Franklin tvegal, da bi ga strela ubila, ko je spuščal Nenadomestljiv vir

3

papirnatega zmaja? Zakaj je tako veliki genij kot je bil Nikola Tesla, najprej pomislil, da prenese elektriko pod visoko napetostjo in poleg tega načrtoval še prve diname na “izmenični tok”, namesto na “enosmernega”? In kako lahko “izmenični tok”, ki ga imamo v naših domovih, uporabimo za vžig enosmerne žarnice? Ali zakaj sprožiti električni motor v eno smer, če se v Evropi pretok elektronov, prisoten v obtoku, izredno hitro prestavlja med dvema poloma, točneje s frekvenco 50 alternacij na sekundo? In zakaj je fotovoltaična plošča povezana s predhodno Einsteinovo intuicijo pred Teorijo relativnosti?

Kako to, da je LED toliko zamujal, preden so ga prevzeli za vir razsvetljave?

Gre le za nekaj primerov, ki bi jih lahko navedli.

Zato je potrebno poznati nekaj osnovnih zgodovinskih elementov, tudi preko te moje poenostavljene “Kratke zgodovine o elektriki”, ki bo omogočila orientacijo pri rešitvi “FAQ” (frequently asked questions), ki si jih zastavljajo najbolj radovedni med nami.

Tu gotovo ne boste našli natančnega didaktičnega priročnika z vnaprej pripravljenimi odgovori, ampak pripoved o zgodovinskem dogajanju, ki je, korak za korakom, intuicijo za intuicijo, preko neutrudnega dela najbolj genialnih mislecev, privedlo do izrednih tehnoloških sprememb, ki jih danes doživljamo.

Prijetno branje!

Avtor - Trst, oktober 2020

Zgodba o elektriki

4

1 Nerazumljive privlacnosti

Petrus Peregrinus

ODKRITJE ELEKTRICNIH IN MAGNETNIH POJAVOV

T

ehnologija, ki izkorišča električno energijo, se je v našem svetu razširila relativno pozno. Šele v 20. stoletju, v zelo kratkem času, absolutno “neprimerljivo”, če gledamo na razvoj drugih tehnoloških rešitev, ki jih je človek uporabljal skozi več tisoč let trajajočo zgodovino.

Pomislimo na primer na vleko s pomočjo živali, ki traja od 5000 do 6000 let, vse od začetkov civilizacije, o katerih imamo arheološka pričevanja, ali na vodno silo, znano in v uporabi že v rimski dobi, ampak nikoli ustrezno izkoriščeno, ki je šla skoraj v pozabo vse do leta Tisoč, ko so nastali vodni mlini in se je kapilarno razširila po vsej Evropi, da je potem dokončno izginila šele po drugi svetovni vojni. Že v 19. stoletju so jih zamenjali veliki parni mlini, nato pa še mlini z notranjim izgorevanjem in električni mlini.

Da bi bila elektrika kapilarno v uporabi kot je to v našem sodobnem svetu, je bilo treba odkriti univerzalne zakone, ki jo vodijo, veljavne povsod, na vseh koncih znanega sveta. Da bi do tega prišlo, se je bilo treba oddaljiti od tradicionalnega znanja in najti primernejši ključ za odkritje načel in matematičnih formul, ki jih je narava od vedno skrivala, še veliko prej, ko se je nekdo s tem začel ukvarjati.

Veliki geniji z izredno sposobnostjo opazovanja in analize so v tem čudovitem posegu uspeli. V obdobju približno treh stoletij – od začetka 17. in do začetka 20. stoletja – vzporedno z ustanavljanjem znanstvenih skupnosti v Evropi, ki so zastavile podlage našega današnjega znanja, so izdelali osnovna načela teoretične zgradbe, na kateri je opeka na opeko nastala opora nove tehnologije o uporabi električne energije in naprave za njeno izkoriščanje brez Zgodba o elektriki

6

nevarnosti in v korist vsega človeštva. Že v zgodnjih letih zahodne civilizacije, so ob opazovanju narave zaznali nekaj zanimivih in na videz nepojasnjenih pojavov. Privlačnost železa na nekaterih skalah je bil brez dvoma eden takih pojavov, ki bi ga bilo treba razložiti, ker je bil videti kot izjema v primerjavi z običajnimi pravili zdrave pameti.

Plinij starejši v neki legendi pripoveduje, da je pred mnogimi stoletji v Grčiji nek preprost pastir, imenovan Magnes, opazil to anomalijo. Ker je bil vajen hoditi po strmih in samotnih poteh ter voditi čredo na pašo, se je nekega dne odločil, da bo svojo palico opremil z okovano konico, podplate opank pa utrdil z železnimi žeblji, kar naj bi jih obvarovalo pred prehitro obrabo na tistih kamnitih poteh. Ko je prispel na del poti, kjer so štrlele svetleče črne skale, je opazil, da so palico privlačile. Čeprav se je trudil, da bi hodil hitreje, je bil napor vse večji. Njegove opanke pa so ga nerazložljivo ovirale pri hoji. Skrivnostna sila je zadrževala njegove korake in ko se je ustavil, je s težavo svoje podplate potegnil od tal. Magnes je pomislil, da tista črna skala vsebuje nekakšno peklensko prekletstvo, zgrabila ga je panika, zapustil je tisti del poti in tudi opanke so ostale prilepljene na tista zahrbtna tla. Od takrat so tisti črni skali dali ime po Magnesu - magnetit, tako tudi vsem trdim telesom s podobnimi lastnostmi - “magneti”.

Grški filozofi so ob opazovanju naravnih čudes odkrili še druge prav posebne pojave privlačnosti, ki jih ni bilo mogoče povezati z lastnostmi magnetov: v Aristotelovih zapisih najdemo vest, da so že v 6. stoletju pr. n. št., v obdobju Talesa iz Mileta (640 pr. n. št. – 548 pr. n. št.), opazili še drug nenavaden pojav: če si s suho roko podrgnil Nerazumljive privlacnosti

7

jantarni predmet in mu hitro približal koščke slame, je nekatere hitro privleklo, nekatere pa je nerazumljivo takoj potem odrinilo. Zakaj?

Ta lastnost, ki jo danes poznamo kot statično elektriko, do katere pride zaradi hitre menjave pozitivnega in negativnega električnega naboja po drgnjenju, je bila strukturno zelo različna od permanentnih magnetnih polj v magnetu, vendar pa je bilo za razlikovanje enega pojava od drugega, ki sta dajala vtis, da ju druži edina sila privlačnosti ter dojeti razliko med električnimi in magnetnimi pojavi, potrebno veliko časa. Morali smo priti do poznega srednjega veka.

Lastnosti namagnetenih predmetov, ki so se v primeru, da so se lahko prosto vrteli, spontano usmerili, so mornarji na Kitajskem poznali že v 1. stoletju n. št. Uporabljali so jih kot kompas v obliki žlice (si-nan-šao), ki se je vrtel na bronasti plošči in ročaj usmeril na Jug. Na zahodu pa so mornarji uporabljali preprosto magnetizirano iglo, ki je, uravnotežena

8 Zgodba o elektriki

na vertikalni strelici brez trenja, kazala na Sever.

Prvič je to omenil angleški kanonik Alexander Neckam (St. Albans 1157- Kempsei 1217). Leta 1190 je v svojem delu De utensilibus mornarjem močno priporočal, da imajo to čudovito napravo vedno na ladji, ker je izredno preprosta in neobhodno potrebna pri iskanju smeri na odprtem morju, tudi ko je vidljivost izredno slaba zaradi meteorološke situacije:

Če nekdo želi imeti dobro opremljeno ladjo, mora imeti tudi iglo na puščici. Igla se bo vrtela, dokler se ne bo usmerila proti Severu.

(De utensilibus, pribl. 1190)

Nerazumljive privlacnosti

9

O tem pa je prvič govoril na sistematični način človek z izjemnimi sposobnostmi opazovanja, ki se je šolal v francoskih alkimističnih okoljih. To je bil Pierre de Maricourt, a so ga po njegovih številnih potovanjih v Sveto deželo poimenovali Petrus Peregrinus (13. stol. n. št.)

O njegovem življenju je le malo znanega. Da je bil alkimist, ki je iskal zakone o pretvarjanju kovin, je morda v našem času videti nenavadno, vendar pa takrat razlikovanje med znanstvenim in polznanstvenim ni imelo smisla, ker se je zahodna znanstvena metoda morala šele roditi, zato raje govorimo o naravni filozofiji. O tem z velikim občudovanjem govori še drugi znan alkimist iz 13. stoletja, Roger Bacon, ki kaže na izredno bogastvo tistega človeka, ki ga je imel za svojega umetniškega in duhovnega učitelja: “To, kar drugi iščejo tipaje, kot netopirji pod večer, ta človek (Petrus Peregrinus) opazuje v polnem blišču, ker je strokovnjak za eksperimente.

Po izkušnjah pozna naravoslovje, medicino kot alkimijo, tako na nebu kot na zemlji. vse ve o taljenju kovin, obdeluje zlato in srebro ter druge kovine in vse minerale... je strokovnjak za orožje in vojaško področje, proučil je vse vidike kmetijstva in meritve polj… On nabira znanje zaradi znanja samega in ga ne zanimajo časti in bogastvo, čeprav bi s svojim znanjem, če bi hotel, lahko zelo obogatel.

(Opus maius, 1267)

Medtem, ko se je 8. avgusta leta 1269 Petrus Peregrinus nahajal v Apuliji s četami Karla Anžujskega I., ki so Zgodba o elektriki

10

oblegale mesto Nocera, se je mogoče dolgočasil ob zastoju vojaških operacij in se prepustil meditaciji ter pisal pismo prijatelju iz otroštva, vojaku z imenom Sigier, ki je ostal v francoski vasici Foucacourt. V pismu je začel pripovedovati o čudežih nekega magnetnega kamna in o tem, da se za čuda nasprotja niso odbijala kot sovražniki med obleganji, ampak so se združevala in oblikovala eno samo celoto.

Pismo, ki je opisovalo še veliko drugih nenavadnih reči, se ni omejilo le na njihovo naštevanje, ampak je v njem razporedil opise po vrsti in prvič ustvaril teorijo na podlagi tudi majhnih eksperimentov ad hoc, da bi videl učinke.

Napisal je torej prvi traktat o magnetizmu, ki ga gre razumeti kot pravo poglavje eksperimentalne znanosti, kar je odprlo pot bodočim raziskavam.

Njegovo pismo Epistola sul Magnete je bilo zasebno dejanje med dvema dolgoletnima prijateljema, a je vendar doživelo velik uspeh in se je izredno razširilo – vsaj za merila tistega časa – uspeh, ki si ga Petrus Peregrinus niti slučajno ni mogel predstavljati. Vključili so ga namreč v neke vrste zbirko učbenikov za srednjeveške srednje šole – v Secretum Philosophorum – ki se je razširilo v učenih krogih Anglije 14. stoletja in leta 1520 pristalo tudi na celini, ko je bilo prevedeno in tiskano v nemščini, izdal pa ga je založnik Gasser v Augsburgu, pozneje pa je prehajalo skozi skoraj deset generacij študentov preko raznih bolj ali manj natančnih prevodov. Pismo Petrusa Peregrinusa najdemo tudi v omembi nekega angleškega učenjaka, ljubitelja eksperimentov in iskanja resnice o Nerazumljive privlacnosti

11

naravnih pojavih: to je bil William Gilbert, še eden izmed velikih in pomembnih mož za zgodovino magnetizma ter ključna oseba za nadaljevanje naše pripovedi o zgodovini elektrike.

12 Zgodba o elektriki

William Gilbert

2

GILBERTOV “EFFLUVIUM ELECTRICUS”

Tekoca kot voda

A

ngleški učenjak William Gilbert (Colchester, 24. maj 1544 – London, 30. november 1603) je izumitelj besede “elektrika”.

V njegovi znameniti knjigi “De Magnete”, tiskani v Londonu leta 1600, je prvič v zgodovini uporabil besedo “elektrika”.

Preko pridevnika “electricus”, ki je iz latinščine v angleški slovar prišel kot “electric”, je bila beseda, ki mu je očitno prišla na misel, ko jo je neposredno prevzel iz grškega izraza élektron, rumeni jantar, ki je bil tako popularen v antiki, ko je bilo govora o tej vrsti pojavov. Čeprav je pisal v latinščini, kot večina učenjakov takratnega časa, pa je za novo besedo izbral élektron iz stare grščine. Če bi uporabil latinski izraz succinum, ki ga je ves srednji vek uporabljal za rumeni jantar, namesto grškega élektron, bi danes govorili o “sili jantarja”, ali o “potencialu jantarja”, namesto o “električni sili” in o “električnem potencialu”.

Ampak, ne glede na tradicijo in antični prestiž, je očitno zmagal izbor korena besede, ki je ostala v splošni uporabi v vseh jezikih sveta.

On je torej neke vrste oče rojstnega imena za naravno energijo, ki je pridobila tak velik pomen v sodobni družbi.

William Gilbert, ki je umrl 59 let star v Londonu med epidemijo kuge leta 1603, je bil klasični velikan, na hrbet katerega so se povzpeli številni drugi misleci in znanstveniki, da so lahko napredovali pri svojih proučevanjih.

Gilbert pa je izkoristil tudi večstoletna opazovanja klasične tradicije, ki so jo posredovali menihi pisarji

Zgodba o elektriki

14

in z neizmernim potrpljenjem in predanostjo stoletja prepisovali Aristotelova dela in dela Plinija starejšega, kakor tudi dela drugih pomembnih grških filozofov ter jih prevajali v srednjeveško latinščino in tako zavarovali pred pozabo.

V njegovem traktatu je bil gotovo tudi nekakšen vpliv alkimističnega znanja, ki je bilo v pomoč pri pristopu k problemu in razlagi magnetnih pojavov iz nove podlage, ki je antični grški misleci gotovo niso poznali.

A iz primerjave teh dveh znanj in spoznanj se je rodil nov način razumevanja tega pojava. Genialna Gilbertova zamisel je bila izdelava majhne krogle iz magnetita, manjše od marelice, ki je v manjšem merilu simulirala tisto, kar se je v makroskopski obliki pojavljalo na Zemlji.

Ko je železno namagneteno iglo postavil nekaj centimetrov od namagnetene krogle, je lahko opazoval dejansko obnašanje kompasa, kot da bi se kilometre daleč premikal po zemeljski površini.

Gilbert je opisal ta svoj genialni tehnološki izum z imenom “Terrella”, se pravi “majhna Zemlja”: modelček, ki mu je omogočil, da je potrdil obstoj zemeljskega magnetnega polja.

Gilbertovo odkritje zemeljskega magnetnega polja, ki usmerja kompase v eno samo smer, je za vedno odpravilo zgrešene mite, da je privlačnost prihajala od zvezde Severnice.

V njegovem traktatu De magnete je kot prvi navajal še druga ključna načela, ki so jih pozneje uporabili njegovi znanstveni nasledniki.

Tekoca kot voda

15

Kot je na primer zamisel, da so na svetu pozitivne in negativne polarnosti ter načelo, da je električna energija zamišljena kot tekočina (effluvium), po obnašanju podobna vodi, a popolnoma nevidna.

Opazil je še neko drugo bistveno dejstvo.

Privlačnost malih predmetov, ki so jo lahko opazili z drgnjenjem paličice iz rumenega jantarja, je bila drugačna od privlačnosti, ki jo je imel magnet na malih železnih predmetih.

Gilbert je prvi razumel, da je bila statična elektrika nekaj drugega kot magnetizem.

V Evropi 17. stoletja so z vse večjim poznavanjem magnetizma začeli postavljati teoretske temelje za znanstveno proučevanje elektrike, raziskava je bila v začetku počasna, v 18. stoletju pa je napredovala vse hitreje, odločno pa je z velikanskimi koraki zacvetela v 19. stoletju, v sosledici teoretičnih inovacij brez primere. Še en bistveni korak, ki ga je bilo treba narediti, da bi razumeli kaj je bil električni effluvium s tako močnimi in čudovitimi lastnostmi, je bila možnost reprodukcije eksperimentov v laboratoriju.

Ampak za to je bila potrebna razpoložljiva količina z umetno proizvodnjo te nevidne sile, da bi jo lahko uporabili v laboratorijih ob primernem trenutku in pod nadzorom.

V drugi polovici 17. stoletja so se pojavili prvi zametki generatorjev statične elektrike.

16 Zgodba o elektriki

Sistem strojev za iskrenje

3

Francis Hauksbee

VRTECE KROGLE IN STARINSKI ELEKTROGENERATORJI

Z

a prvo napravo, ki je lahko proizvajala velike količine statične elektrike, se moramo zahvaliti nemškemu fiziku Ottu von Guerickeju (Magdeburg, 20. november 1602 – Hamburg, 21. maj 1686) iz 17. stoletja.

Danes se tega genialnega pruskega znanstvenika spominjamo predvsem po inovacijah na konceptu praznine, vakuuma (vacuum), zaradi česar je bil že v svojem času deležen svetovne slave.

Leta 1650 je načrtoval prvo pnevmatsko črpalko za ustvarjanje vakuuma. Izredno znan je bil eksperiment, ki ga vsi poznamo iz zgodovinskih knjig pod imenom “Magdeburške poloble”, kjer niti moč četverice konjev ni mogla ločiti par dveh polobel, kovanih v obliki čaš, če je bil v njihovi notranjosti ustvarjen vakuum. Z enakim žarom in genialnostjo se je posvetil tudi proučevanju električnih pojavov, ki so lahko učinkovali tudi na daljavo.

Slednje mu je bilo še posebej pri srcu, ker je s pozitivnimi rezultati s tega, takrat še popolnoma neznanega področja, uspel potrditi svojo splošno hipotezo, na kateri je delal dolga leta: v vakuumu so lahko delovale zunanje sile.

V njegovem delu Experimenta Nova iz leta 1672, je opisal domiselno napravo, ki jo je izdelal za ustvarjanje statične elektrike. Če je z žveplovim prahom napolnil kovinski model in ga segrel na ognju, je lahko pridobil precej veliko, a ne pretežko žvepleno kroglo, v katero je lahko vstavil kovinsko cev na navpični osi tako, da je imel primerno oporo za vrtenje krogle. Če je zadržal cev in zavrtel kroglo okrog njene osi, je lahko kontinuirano drgnil površino s krpo in tako v zelo Zgodba o elektriki

18

kratkem času močno nabil žveplo s statično elektriko.

Tako pridobljen električni naboj je lahko na daljavo proizvajal očitne in veličastne učinke. Žveplena krogla, nabita s statično elektriko, je lahko k sebi privlačila majhne predmete in jih takoj

19 Sistem strojev za iskrenje

odbila, da so lebdeli v zraku, ali ustvarjala iskre, ki so bile vidne tudi v okoljih brez popolne zatemnitve.

Von Guericke je tudi opazil, da so ti predmeti včasih, ko so bili privlečeni, bili tudi takoj odrinjeni v nasprotno smer, kar je dokazal italijanski jezuit Niccolò Cabeo (Ferrara, 1586 – Genova, 1650), ki je ta nenavadni pojav opisal že leta 1629. “Žveplena krogla”, ki jo je izdelal von Guericke, je svojemu iznajditelju, podobno kot Gilbertu “Terrella”, dala idejo, da bi jo izdelal v manjšem merilu in tako razložil nekatere anomalije v gibanju planetov ter to pripisal električni privlačnosti in odbijanju v vakuumu.

(Splošni gravitacijski zakon Isaaca Newtona (1642-1726) je bil namreč formuliran šele 15 let pozneje). Čeprav se von Guerickeovi krogli danes lahko nasmihamo zaradi njene izjemne preprostosti in izdelave, toliko, da nekateri celo dvomijo, če bi lahko govorili o pravem “električnem stroju”, je ta naprava imela izreden uspeh.

To je bil prvi izvedbeno precej enostaven elektrostatični generator, ki je navdušencem in strokovnjakom s področja električnih pojavov nudil tisti nenavaden električni effluvium, primeren za generiranje tistih tako veličastnih pojavov na razdaljo: privlačnost majhnih predmetov in bleščeče iskre.

Generator Von Guerickea so v naslednjih letih izpopolnili in pri tem uporabili še druge “elektrizirajoče” materiale, kot je na primer steklo, ki je s pomočjo pogonskih škripcev lahko zdržalo trajnejše vrtenje in se ni odrgnilo ali razletelo na tisoč koščkov v rokah človeka, ki je delal tak eksperiment.

Med te prve električne stroje spada tudi izredno zmogljiva Zgodba o elektriki

20

naprava, ki jo je izdelal Francis Hauksbee (Colchester, 1660 – London, 1713), genialni laboratorijski asistent Isaaca Newtona.

V začetku 18. stoletja je prav on prvi uporabil steklo kot material, ki ga je mogoče naelektriti in zaznal nov električni pojav, ki ga nihče pred njim še ni opazil. Če se je v vrteče steklene ampule, ki jih je bilo mogoče nabiti s statično elektriko, vneslo živosrebrno paro, se je v njihovi notranjosti oblikoval zelo čuden in veličasten pojav. Če si ampuli približal roko in se je narahlo dotaknil, si lahko opazil blago svetlobo modre barve, ki je kot po čarovniji sledila gibom roke.

Takrat – bilo je leta 1703 – še niso poznali svetlečih lastnosti ioniziranih plinov, kar je električni pojav, ki je

21 Sistem strojev za iskrenje

temelj delovanja neonskih žarnic in žarnic z nizko porabo, še pred prihodom LED razsvetljave.

Učinek je bil tako nenavaden, da so ga izkoriščali čarodeji in šarlatani za svoje fantastične nastope s tako ustvarjalnostjo, ki še danes preseneča.

S Hauksbeeovim električnim generatorjem, veliko močnejšim od vrteče žveplene krogle von Guerickea, je bilo mogoče ustvariti res veličastne “elektrizirajoče” situacije.

Naj navedemo primer bogato obložene mize, ko je nekdo zažgal čašo konjaka samo s tem, da je prst približal sredini čase, ali je presenetil ljudi z izvedbo “električne beatifikacije”, s tem, da je okrog osebe, ki se je prijavila kot poskusni zajček, ustvaril svetlečo avro, zelo podobno tistim, ki jih imajo svetniki in blaženi, stoletja prisotni na sakralnih podobah.

22 Zgodba o elektriki

Pieter van Musschenbroeck

4

PRVI ELEKTRICNI KONDENZATOR

Šokantna steklenica

M

ožnost proizvajanja statične elektrike z vrtečimi kroglami že na koncu 17. in na začetku 18. stoletja, je omogočala proizvodnjo šibke svetlobe in iskre, vidne tudi pri dnevni svetlobi.

Jasno je, da se je raba teh naprav razširila v bogataških dvoranah, da bi pri prisotnih vzbudili začudenje in zabavo.

Vemo pa, da se moč stroja lahko včasih grdo poigrava, predvsem, če ne vemo točno, kaj počnemo, kajti – kot piše tudi v Svetem pismu: “Vnema brez razmisleka ni dobra in kdor prenaglo hodi, se lahko spotakne.”

(Knjiga pregovorov, 19,2)

Prav ena od takih vrtečih in okrepljenih krogel je leta 1746 v kraju Leiden na jugu Nizozemske povzročila nenavadno nesrečo, ki bi se lahko zelo tragično končala.

Pieter van Musschenbroeck (Leiden, 14. marec 1692 – Leiden, 19. september 1761), takrat zelo znan nizozemski fizik, je zgradil majhen domač laboratorij, da bi opravljal eksperimente na tistem skrivnostnem effluviumu, ki mu danes pravimo statična elektrika.

Priskrbel si je generator von Guerickea in si zamislil, da bi elektriziral z vodo do polovice napolnjeno steklenico in videl učinke.

Kaj bi se zgodilo v bistri vodi, če bi jo elektrizirali s podaljšanim nabojem?

Je bilo mogoče zadržati tisto skrivnostno in pravzaprav nevidno tekočino v steklenici?

Bi bilo mogoče proizvesti potopljeno svetlečo iskro?

Ali bi se elektrizirana voda v steklenici rahlo zasvetila, Zgodba o elektriki

24

kot se zgodi v svetlečih trebuščkih kresničk?

Da bi odgovoril na ta vprašanja, je Musschenbroek povezal tenko železno verižico na generator toka in njeno polovico potopil v vodo, hranjeno v prozorni steklenici.

Pri tem mu je pomagal mlad asistent, Alexander Cuneus, ki je bil zadolžen za to, da drži steklenico in jo hitro prinese učitelju, če bi opazil kakšno spremembo v vodi.

Toda videti ni bilo ničesar. Čeprav je preteklo nekaj minut in je krogla še naprej nabijala, je voda ostajala prozorna.

Van Musschenbroek je vztrajal, da je treba generator toka s polnim ritmom drgniti več minut.

Ko se je končno naveličal in ni opazil ničesar, je prosil svojega asistenta, da mu poda steklenico in preveri učinke.

Takrat se je Cuneus s steklenico v eni roki z drugo roko nevede dotaknil železne verižice: električni stik – skoraj milijon voltov – je z izredno močjo ubogega van Musschenbroekovega asistenta vrgel na tla, kjer je omedlel. Čeprav še vedno ni razumel vseh dinamik te električne steklenice, je Pieter van Musschenbroek poskusil na svoji koži testirati učinek tistega električnega šoka.

Vendar je bila izkušnja tako boleča in travmatična, da raziskovalec “ne bi nikoli več poskušal še enega takega šoka za nič na svetu, niti, če bi mi poklonili Francosko kraljestvo!”

Akumulator statične elektrike na podlagi vode, ki ga je leta 1746 izdelal Musschenbroek, in neodvisno od njega tudi Ewald Jurgen Georg van Kleist (Wicewo, 10. junij 1700 – Koszalin, 10. december 1748), celo eno leto prej z mešanico alkohola, se je imenoval “Leidenska Šokantna steklenica

25

steklenica” v čast nizozemskega mesta, kjer je nastala ta genialna iznajdba.

Tisti skrivnostni predmet, ki je lahko proizvajal tako močne razelektritve, je postal in ostal zelo popularen celo 18. stoletje. Steklenico so uporabljali za znanstvene eksperimente kot tudi za zabavne prireditve v bogataških sobanah takratnega časa.

Leidenska steklenica je bila prvi primerek zelo koristne naprave, ki ji danes pravimo “kondenzator” (capacitor v angleščini).

26 Zgodba o elektriki

Današnji kondenzatorji so postali bistveni del elektronske opreme in se zaradi njihove lastnosti nalaganja in odlaganja napetosti uporabljajo za filtriranje “hrupa” številnih notranjih tokov v modernih aparaturah, kot tudi za zaščito samih tokov pred preobremenitvijo.

Kako deluje Leidenska steklenica?

Kako je mogoče ustvarjati tako razelektrenje, da se onesvestiš?

Znanost na koncu 18. stoletja še ni bila sposobna odgovoriti na ta vprašanja, ker še ni bilo dovolj znano načelo električnega naboja, s katerim danes z lahkoto razložimo obnašanje te naprave. Če pri uporabi generatorja spustimo električni tok v kovinsko verižico, potopljeno v vodo Leidenske steklenice, naboji pozitivnega pola napolnijo notranji prevodnik.

Ker se električni naboji nasprotnega znaka privlačijo, medtem ko se tisti z enakim znakom odbijajo, bo notranji prevodnik umaknil napoje enakega znaka, prisotne v zunanjem delu steklenice, ki se postopoma razelektri v zemljo in povzroči potencialno razliko med zunanjim in notranjim predelom, ki je toliko močnejša kolikor bolj vztrajamo s “polnjenjem” steklenice. Če vzpostavimo stik med zunanjim in notranjim delom, morda samo če steklenico držimo v eni roki in stojimo na tleh ter se dotaknemo verižice z drugo roko, bo hiter pretok nabojev z ene strani na drugo vzpostavil začetno ravnovesje in odpravil potencialno razliko.

Naboji, ki se s steklenice zelo hitro sprostijo v tla, proizvedejo šok, ki je proporcionalen količini toka, vnesenega v steklenico. Šokantna steklenica

27

Čeprav je nevarnost proporcionalna razliki potenciala in je to mogoče z lahkoto nadzorovati, pa previdnosti pri rokovanju z Leidensko steklenico ni nikoli preveč in je bolje, da ne pretiravamo pri nabijanju ter se izognemo bolečim izkušnjam!

28 Zgodba o elektriki

Stephen Gray

5

Vodne cevi in zašciteni otoki

“PREVODNI” MATERIALI IN “IZOLIRNE” SNOVI

L

eta 1729 je Anglež Stephen Gray (1667-1736) odkril izredno pomembno lastnost naelektrenih materialov.

Naboj, oziroma “električna vrlina”, kot ga je imenoval Gray, se lahko s kontaktom prenese z enega telesa na drugega. Se pravi, da telo z nabojem, ki ga damo v stik s telesom brez naboja, prenese nanj lastnosti privlačenja ali odboja.

Moral je obstajati pretok delcev (“effluvia of electrics”), odgovoren za gibanje.

Iskre, ki so se sproščale z naelektrenega predmeta, je po Greyevem mnenju povzročil drugi tok, ki jih je raznašal na okolje.

Ko je delal poskuse s prenosom teh effluvia, je Gray odkril, da so nekateri materiali to prevedli z lahkoto, kot bi bila voda, ki svobodno teče v dovolj veliki cevi.

Nekateri drugi materiali so se pa temu prehajanju upirali, kot da bi obstajal nek jez, ki je zadrževal električni pretok, ali ga je lahko tudi povsem ustavil.

Gray si je predstavil to situacijo kot zastoj vode ter materiale te vrste kot “otoke”, z vodo ločene od bližnje okolice.

Te materiale je imenoval “insulated”, izolirani, ali kot jim še danes pravimo “IZOLIRNE SNOVI”.

Materiale, ki pa so spuščali pretok električnega toka, je v angleščini poimenoval “conductors”, torej “PREVODNIKI”.

Stephen Gray je prvič v zgodovini odkril bistveno lastnost v naravi prisotne materije in odprl pot novim proučevanjem za dojemanje električnega pojava.

Zgodba o elektriki

30

Izredno znan in zelo veličasten je bil eksperiment, s katerim je sodobnikom dokazal prevodne in izolirne lastnosti materialov.

Uporabil je svilene strune – izolirni material – obešene na lesene nosilce in na lesen drog, nanje pa je polegel svojega pomočnika.

Potem ga je dal v stik z generatorjem statične elektrike in potopil v električni effluvium, kot bi bil na otoku med svilenimi strunami, ki so ga “izolirale” od zemlje in pri tem se električni tok ni razgubljal v druge smeri.

Pomočnik je bil elektrificiran in povsem varen pred katerim koli razelektrenjem, z roko je lahko k sebi Vodne cevi in zašciteni otoki

31

pritegnil delce zlata, kot bi bil ravnokar z elektrostatično krpo podrgnjena paličica rumenega jantarja.

Gesta, ki še danes vzbuja začudenje in daje občutek nečesa čarobnega.

32 Zgodba o elektriki

6

Steklena ali smolnata?

To je tu vprašanje

Charles Francois de Cisternay du Fay

PRVA ZNANSTVENA TEORIJA O ELEKTRIKI

Z

amisel o pretoku električne vrline, ki so ga nekateri materiali lažje prevajali kot drugi, je ponovno povzel Francoz Charles Francois de Cisternay du Fay (Pariz, 14. september 1698 – Pariz, 16. julij 1739).

Du Fay je opazil, da ni imelo veliko smisla govoriti o “električnih snoveh” in “neelektričnih snoveh”, po klasifi kaciji, ki jo je začel Gilbert, za njim pa so jo povzeli številni drugi znanstveniki. Šlo je predvsem za lastnosti privlačnosti in odbojnosti istih materialov v določenih kontekstih.

Ob proučevanju teh pojavov, je začel delati na izoliranih površinah.

Opazil je, da se zelo tanke kovinske ploščice po polnjenju s statičnim električnim nabojem, lahko med seboj odbijajo.

Zgodba o elektriki

34

Opazil je tudi, da se lahko dobi nasproten učinek, se pravi, da so se iste ploščice iz istega materiala lahko tudi privlačile in ne odbijale. Če je bila tanka ploščica naelektrena tako, da si stekleno kroglo drgnil s svileno krpo in si jo približal ploščici, naelektreni s kosom jantarja, podrgnjenega z volneno krpo, sta se obe ploščici privlačili in ne odbijali.

Torej material, iz katerega sta bili ploščici, ni bil v nikakršni povezavi s privlačnostjo ali odbojem, ampak je bila pomembna vrsta električnega toka, s katerim sta bili prepojeni.

Du Fay je za ta opazovanja predlagal tako razlago: V naravi morata biti dva tipa električnih fluidnih snovi, ena je steklena in izhaja iz podrgnjenega stekla s svilo, druga pa je smolnata, ki jo dobimo iz rumenega jantarja, podrgnjenega z volno.

Oba fluida imata očitno nasprotne lastnosti in če prideta v medsebojni stik, se bosta oba poskušala nevtralizirati.

Tako je bila prvič predlagana znanstvena razlaga elektrike. Čeprav je ta teorija o steklenih in smolnatih fluidih videti kar zastarela in velja danes le za zgodovinsko zanimivost, pa je bila izredno pomembna za nadaljnja proučevanja.

Bila je namreč podlaga, iz katere so izšla nova raziskovanja in nova odkritja. Lahko si jo poskusil v laboratorijih, da bi jo potrdil ali ovrgel, imela pa je zaslugo za skoraj stoletno znanstveno razpravo o naravi elektrike.

Američan Benjamin Franklin je ovrgel te razlage in ponudil svojo alternativno teorijo z “edinim električnim pretokom”, ki ni bil ločen v dve vrsti, kot je predlagala Steklena ali smolnata? To je tu vprašanje

35

Du Fayeva francoska šola, ampak je govoril o toku, ki ga sproži gibanje izredno majhnih in nevidnih “pozitivnih nabojev” in “negativnih nabojev”. Vendar bomo o tem govorili v naslednjem poglavju.

36 Zgodba o elektriki

Benjamin Franklin

7 BENJAMIN FRANKLIN IN PAPIRNATI ZMAJ V NEVIHTI

Kot strela z neba v Philadelphiji

B

istven prispevek k napredku raziskav o naravi elektrike je podal eden od ustanovnih očetov Združenih držav Amerike, Benjamin Franklin (Boston, 17. januar 1706 – Philadelphia, 17. april 1790) .

Franklina so prevzele novosti, ki so prihajale iz Evrope in se je v zrelih letih začel posvečati elektriki, potem, ko je leta 1749 prisostvoval prikazom električnih strojev.

Z ostalimi raziskovalci tega pojava je delil pogled na elektriko kot na neviden tok sile, neke vrste fluida, ki se pod določenimi pogoji hitro pretaka v telesa.

Vendar pa ga teorija Francoza Charlesa Françoisa de Cisternay du Faya ni prepričala, da gre za pojavnost trčenja dveh različnih tokov, imenovanih steklena in smolnata elektrika.

Ko je z nekaj prijatelji preizkušal čudesa Leidenske steklenice, je opazil, da ni bila voda tista, ki bi vsebovala električni naboj, kajti ob pazljivi spraznitvi steklenice brez sprožitve stika je dobil enak učinek.

Bilo je torej steklo, ki se je po naboju z elektriko uravnovesilo ob preskoku iskre.

Ko je uporabil elektroskop, par tankih kovinskih ploščic, ki sta se lahko privlačili ali odbijali, ter izoliral Leidensko steklenico tako, da jo je položil na izolirni material, nato pa izmenično ozemljil elektrodo potopljeno v vodi, nato pa zunanji prevodnik, se je električni pretok zamenjal in izmenično “pozitivno” nabijal elektrodo in nato zunanji prevodnik.

Po Franklinovem mnenju električni pretok ne bi smel veljati kot dva tipa, kajti če je bilo neko telo nabito nad njegovo “normalno kvoto”, je bilo pozitivno, če pa je bilo pod tisto kvoto, je bilo negativno. Pretok se je uravnovesil s Zgodba o elektriki

38

prehodom iz pozitivnega na negativno in pri tem povzročil razelektritev.

To razmišljanje, povezano s pozornim opazovanjem Leidenske steklenice, je Franklin pozneje razširil še na naravne pojave strele.

Tudi slednji – ki so imeli veliko skupnih lastnosti s “pretokom ognja” v steklenici – svetloba, barva, vijugasta smer, hitrost, eksplozivni hrup – so bili v bistvu naravni električni pojavi.

Franklinova intuicija je bila, da je električne iskre Leidenske steklenice jemal kot pomanjšane strele, povsem podobne razelektrenju velikih razsežnosti, prisotnih v naravi med nevihto. Če se je Leidenska steklenica lahko razelektrila v zemljo in zaprla obtok, potem so se lahko tudi strele usmerile v točno določeno točko na zemlji ter se razelektrile in zgubile svojo energijo.

Na poti je bilo rojstvo strelovoda.

Da bi pa prepričali znanstveni svet, da je strela le izredno močna elektrika naravnega izvora, je bilo potrebno izdelati napravo, ki bi to jasno dokazala.

Leta 1749 si je Franklin zamislil popoln eksperiment: na visok stolp je bilo treba postaviti dvajset do trideset čevljev dolgo železno ošiljeno palico, ki bi jo dobro ozemljili, da bi razelektrila strelo v tla. Če bi torej z leseno podlago izoliran človek, počakal prehod nevihte v čuvajnici, postavljeni na temelju palice, bi lahko brez strahu, da bi ga zadela strela, opazoval kako se od palice sprosti naravni električni pretok v obliki električnih Kot strela z neba v Philadelphiji

39

iskric, ki so popolnoma podobne miniaturnim strelam. Žal Franklin v Philadelphiji ni našel dovolj visoke stavbe, da bi opravil svoj eksperiment.

Le tri leta pozneje je v Evropi francoski fizik Thomas Francois Dalibard (Crannes, 1703 – Pariz, 1779) izkoristil finančno podporo francoskega kralja in uspel izdelati primerno napravo v kraju Marly-la-Ville, 25 km severno od Pariza.

10. maja 1752, med močno nevihto na tistem območju, je 15 metrov dolga železna palica, pripravljena po Franklinovih navodilih, privlekla električno energijo, prisotno v zraku in se razelektrila na ozemljeno bronasto žico, in povzročila prasketanje in iskrenje, ki je značilno za izredno visoko napetost.

Goli slučaj je rešil Dalibardovega asistenta, da ga strela ni zadela, ampak tistega dne so se prvič v zgodovini zavedeli, da je bilo mogoče statično elektriko povleči iz oblaka in rodil se je strelovod.

Medtem pa je Benjamin Franklin v Ameriki, neodvisno od Dalibarda v Evropi, poskušal potrditi svojo električno teorijo in je opravil slavni poskus s papirnatim zmajem.

Franklin se je odločil, da bo dokazal prisotnost naravne elektrike znotraj nevihtnega oblaka tako, da ne bi uporabil ozemljene kovinske palice in bi prevodno žico neposredno vnesel v njegovo notranjost z papirnatim zmajem, ki bi ga spustil v zrak med močnim neurjem. Upal je, da bo lahka vrv iz konoplje, ki je držala premočenega zmaja pod dežjem, postala rahlo prevodna in bi brez nevarnosti nadomestila železno palico.

Da bi se izognil neposrednemu udaru strele, se je Franklin Zgodba o elektriki

40

zaščitil in si roko v kateri je držal vrv, izoliral tako, da jo je ovil s krpo iz suhe svile.

Da bi videl prehod toka, je Franklin na vrv, nedaleč do izolirane roke, privezal medeninast ključ. Na ključ bi se koncentrirala sila pretoka električnih nabojev iz oblaka, prav tako, kot se je dogajalo v kovinski verižici, obešeni v Leidenski steklenici.

Dovolj bi bilo približati členke druge roke h ključu, da bi sprožili svetlo iskro ob prehodu toka.

Kot je zapisal Franklin, je eksperiment z zmajem potekal v Philadelphiji v jutranjih urah 10. junija 1752, in se popolnoma uspešno končal.

Vendar pa zaradi natančnosti poročanja povejmo, da danes marsikdo dvomi v to, da je do takega nevarnega in kritičnega poskusa sploh kdaj zares prišlo, kakor lahko beremo v knjigi Toma Tuckerja “Bolt Of Fate” iz leta 2003, ki potrjuje s simulacijami v naravi, da Franklinov

Kot strela z neba v Philadelphiji

41

zmaj ni nikoli uspel poleteti v zrak. Ker pa je bila njegova teorija v bistvu točna, je to prav malo pomembno za nadaljnji razvoj zgodovine elektrike.

Benjamin Franklin je ustvaril veliko besed, da bi opisal svoje eksperimente z elektriko. V njegovem delu Experiments and Observations on Electricity lahko preberemo nekatere, ki so prišle v splošno rabo: conductor (prevodnik), charge (naboj), discharge (razelektritev), armature (armatura), electrify (elektrificirati).

Jasno je dokazal, da lahko električne pojave povežemo z enim samim fluidom z negativnim in pozitivnim polom in ne z dvema tipoma fluidov, kot so mislili do takrat.

Dokazal je tudi, da imajo negativni in pozitivni naboji, po tistem, kar danes poznamo kot “načelo ohranjanja”, vedno enake količine (pomeni, da če neki predmet drgnemo s krpo, se bo napojil s pozitivnimi naboji, točno tako, kot se bo krpa napojila z naboji nasprotnega znaka).

Kapilarno širjenje njegovih informativnih brošur, ne le v Ameriki, ampak predvsem v Evropi, je dalo izreden pospešek raziskovanju obnašanja strel, pa čeprav z nepredvidenimi izidi, kot je opisano v naslednjem poglavju.

42 Zgodba o elektriki

Georg Wilhelm Richmann

Kot od strele zadet za znanost

8 KROGLASTA STRELA, KI JE SPREMENILA ZGODOVINO O ELEKTRIKI

S

krivnost strele je bila v ogromni razliki potenciala med “nebom” in “zemljo” in je zato od vedno vzbujala pozornost pri ljudeh kot primarna naravna sila. Sedaj je z eksperimenti Franklina in Dalibarja na električnih pojavih še kar naprej vzbujala zanimanje znanstvenikov, ki jih je prevzelo zajetje njene moči in energetske napetosti.

Seveda pa ogromna strela vedno predstavlja nevarnost, ki jo je treba znati obvladati.

Leta 1753 je nemško-baltski profesor Georg Wilhelm Richmann (Pernau, Pärnu, danes Estonija 1711 – St. Petersburg, 1753) med močno nevihto s strelami želel ponoviti Franklinove eksperimente v svojem laboratoriju v St. Petersburgu.

Njegov namen je bil zadržati atmosfersko elektriko v nekaj Leidenovih steklenicah, serijsko povezanih tako, da bi lahko meril kapaciteto.

Glede na ogromno količino električnega pretoka iz razelektrene strele, jih je Richmann po laboratoriju razporedil nekaj desetin, a ko jih je nameraval povezati, se je zgodilo tisto, kar je bil za njega in za vse ostale do takrat absolutno nepredviden in nepredvidljiv pojav.

Ko se je strela zaletela na anteno, je oblikovala ognjeno kroglo, ki se je ločila od kovinske palice in raziskovalca zadela v glavo. Laboratorij sta preplavila zaslepljujoča svetloba in grom. Izredno močna razelektritev, preden je izginila v tla, je podrla vrata in prebodla Richmanna od glave do podplatov, da je mrtev obležal na tleh.

Tista nenavadna ognjena krogla je bila redka kroglasta strela, svetla plazma, ki je lahko različnih velikosti in se oblikuje v izredno redkih slučajih, preden se razelektri v zemlji. Še danes ni povsem jasno, kako do tega pride Zgodba o elektriki

44

in kako take količine energije ostajajo v prostoru nekaj desetin sekund.

Nekatere priče pripovedujejo, da je nesrečnik imel opeklino na glavi in izhodno luknjo na enem od čevljev.

Strela je prebila celo njegovo telo, preden se je razelektrila v zemlji.

Pri tej nesreči je bil prisoten priznani graver iz Akademije znanosti v St. Petersburgu, Sokorov, ki naj bi na povabilo samega Richmanna ilustriral znanstveni eksperiment s palico, a se je proti svoji volji znašel v situaciji, ko je svojo umetnost uporabil, da je bodočim generacijam pustil spomin na ta grozljivi prizor udara strele.

Delo Sokorova, močnejše od katerega koli govora, je vzbudilo ogromen odziv in ni pretreslo le pol Evrope, ampak celotno svetovno znanstveno skupnost, ki se je ukvarjala z elektriko. A je bilo “dovoljeno”, da bi si želel ujeti energijo strel? Je bilo dovolj znanja in strokovne usposobljenosti za obvladanje tistega tako silnega pojava? Ali je bilo morda bolje za nekaj časa opustiti tiste absolutno neobvladljive poskuse ter raje nadaljevati na varnejšem terenu, torej pri laboratorijskih raziskavah, in najti način za proizvajanje električne energije na umeten način?

Izbrana je bila druga rešitev v drugo smer in videli bomo, da je bil prav Italijan Alessandro Volta tisti, ki je našel rešitev za tisti epohalni izziv.

Po Richmannovi nesreči leta 1753 so opustili vsak poskus izkoriščanja silne naravne energije, prisotne v strelah.

Samo 150 let pozneje je mladi srbski raziskovalec Nikola Tesla predlagal izkoriščanje razlike potenciala med atmosfero in zemljo na nadzorovan način preko svojih Kot od strele zadet za znanost

45

revolucionarnih iznajdb, čeprav ni z njimi uspel prepričati znanstvenikov, ki so ga imeli za norega sanjača.

Danes raje puščajo stvari take, kot so in opazujejo na daljavo naravni pojav za varnost ljudi in stvari, to pa opravljajo v modernih centrih za izračunavanje, vendar bomo o tem spregovorili v naslednjem poglavju.

46 Zgodba o elektriki

9

KAKO “TRIANGULIRATI” 5.000.000 STREL NA DAN?

Zevsove zadeve

B

og neba, zemlje in groma je bil v verovanju starih Grkov Zevs, poglavar vseh bogov. Njegov kraljevski simbol, s katerim ga pogosto upodabljajo, je strela.

V drugih kulturah najdemo, da “ogenj in nebo” obvladuje vedno neki bog: Thor za Germane, Teshup za Hitite, Perun za stare Slovane. Človek se boji njegove moči in ga noče nadvladati.

Tisti znameniti Franklinov papirnati zmaj, ki je tako rekoč “z Olimpa privlekel” Zevsovo strelo in jo postavil med električne pojave, ter nenaden pojav tako močne naravne električne razelektritve, še danes zbuja določen strah.

Strela s svojimi 300 milijoni voltov za vsakih 100 metrov dolžine, lahko ubije, če nas neposredno zadene, a lahko povzroči resne težave, če se znese nad našimi električnimi napeljavami in povzroči škodo na aparaturah, povezanih na električno in digitalno omrežje.

Moderna sposobnost računalniškega izračunavanja omogoča kvantificirati in sproti spremljati potek neviht ter količine energije, ki se proizvajajo naravno.

Izračunali so, da v dnevih lepega vremena obstaja razlika potenciala od 200.000 do 500.000 voltov med Zemljino površino in ionosfero, ki se nahaja 80 km daleč.

Taki razliki potenciala je pridružena izredno nizka gostota toka. Približno 2 pikoampera na kvadratni meter. (2 pikoampera ustrezata 2 tisočinkam milijardinke ampera).

Absolutno zanemarljiva količina, a pomnožena s celotno površino Zemlje (5,1 x 1.000.000.000 Km2) doseže vrtoglave številke. Ta razlika potenciala se ohranja z aktivnostjo neviht. V vsakem trenutku je približno 2000 sočasnih neviht na različnih koncih našega planeta. Vsako Zgodba o elektriki

48

sekundo se sprosti v zemljo od 30 do 100 strel oblakZemlja s skupno vsoto, ki jo izračunamo s povprečjem 5.000.000 strel na dan.

Zaradi nevarnosti strel, tveganja udara in tudi zaradi škode, ki ga nenadna prenapetost povzroči na distributerjih električne energije, strele neprestano opazujejo.

Mednarodna mreža sproti prikazuje potek stanja na svetovni ravni.

Na podlagi tega pomembnega preventivnega sistema sloni tehnološka inovacija, ki se je razvila okrog osemdesetih

let prejšnjega stoletja: merilci strel, ki so lahko registrirali variacije elektromagnetnega polja na opazovanih območjih.

Zevsove zadeve

49

S strategijo triangulacije senzorjev preko računalniških izračunov, se električni udari določene intenzivnosti registrirajo na vesoljskem zemljevidu in vsi podatki so takoj vidni na spletu.

Tako se oblikujejo tudi verjetnostni zemljevidi na podlagi arhivskih podatkov, bistvenih za usmerjanje odločitev o izbiri najboljših mest, kjer je ustrezno postaviti tehnološke naprave, ki bi se s časom lahko poškodovale.

V Evropi imamo mrežo EUCLID (European Cooperation for Lighting Detection http://www.euclid.org/) s senzorji v Švici, Nemčiji, Franciji, Beneluksu, na Norveškem, Švedskem, Finskem, v Španiji, na Portugalskem, v Angliji, na Poljskem, Madžarskem, v Češki republiki, na Slovaškem, v Avstriji, Sloveniji in Italiji.

V EUCLID so pridružene nekatere organizacije za monitoring, ki so kapilarno porazdeljene po ozemlju.

V Avstriji: ALDIS https://www.aldis.at/ aktivni od 1991.

V Italiji: CESI https://www.fulmini.it/ aktivni od 1994.

V Sloveniji: SCALAR http://www.scalar.si/sl/ aktivni od 1998.

50 Zgodba o elektriki

10 V iskanju gonilne sile življenja

Luigi Galvani

ODKRITJE BIOLOŠKE ELEKTRIKE

T

ragična Richmannova smrt leta 1753, ko ga je v njegovem laboratoriju ubila strela milijonov voltov, je nekatere znanstvenike privedla do raziskovanja smrti zaradi udara strele.

Elektrika, tisti skrivnostni “fluid”, o katerem v tistem času niso še poznali fizičnega izvora, je lahko imel uničujoče učinke za preživetje živečih organizmov, a tudi na tistih, ki niso bili več živi.

Ta tematika, nekoliko mračna za današnjo tenkočutnost, je bila izpostavljena v nekaterih filozofskih zapisih, ki jih je zapustil Felice Fontana (Pomarolo, 15. april 1730 – Firence, 10. marec 1805), v Firencah dvorni fizik velikega toskanskega vojvode Petra Leopolda iz Lorene.

Fontana, toksikolog, je takrat postal slaven zaradi njegovih študij anatomije in fiziologije ter je spodbudil številne šole ceroplastike, med katerimi tudi tisto v Firencah, znano po vsej Evropi zaradi njenih mračnih reprodukcij seciranih trupel.

V njegovem delu “Ricerche filosofiche sopra la fisica animale” (»Filozofske raziskave o fiziki živali«, 1755) je tridentinski fizik pri takratnih znanstvenikih zbudil pozornost z dejstvom, da so trupla umrlih zaradi udara strele bolj podvržena hitremu gnitju kot trupla umrlih zaradi bolezni.

Po mnenju Fontane je tisto naglo razpadanje fizičnega telesa, kot nekakšnega izredno zapletenega stroja, bilo treba pripisati izgubi glavne lastnosti mišic in njihovi sposobnosti gibanja.

Ta na videz logična filozofska razlaga je dejansko odprla pot neki čisto novi logični povezavi.

Elektrika, ali bolje tisti skrivnostni “električni fluid”, Zgodba o elektriki

52

kateremu so se začele pripisovati lastnosti na znanstveni ravni, je bil tudi vzrok gibanja mišic, je bil nekakšen “življenjski fluid”, “motor”, “motor življenja, gonilna sila življenja”.

Tako je raziskovanje v fiziki in fiziologiji začelo medsebojno interakcijo.

V drugi polovici 18. stoletja se je rodila “elektrofiziologija”, popolnoma novo raziskovalno področje, ki je v kratkem obdobju privedlo do absolutno presenetljivih rezultatov.

Uradni začetek študija elektrofiziologije je bil leta 1791.

Tistega leta je bolonjski zdravnik Luigi Galvani (Bologna, 9. september 1737 – Bologna, 4. december 1798) natisnil brošuro z naslovom “De viribus electricitatis in motu muscolari” (O električnih silah v mišičnem gibanju), plod dolgoletnih opazovanj in laboratorijskih raziskav, opravljenih na poginulih živalih.

Galvani je za svoje eksperimente, tudi zaradi praktičnosti pridobivanja organizmov, uporabljal poginule žabe, ki jim je odstranil glavo in razgalil hrbtenične križne živce. Če je tem približal preprost kovinski lok, je lahko opazil povsem nepričakovan in za sodobnike celo presenetljiv pojav, ki je imel skoraj magični pridih.

Mišične kontrakcije, spodbujene z “električnim fluidom”, vnesenim s kovinskim prevodnikom, so povzročile nenadno premikanje seciranih žabjih sklepov, da so bile živali videti ponovno žive.

Galvani je bil prepričan, da je gibanje žabjih okončin dokazovalo obstoj “živalskega električnega fluida”, po takrat zelo razširjenem mnenju v zdravniških krogih, da so živali v svojem telesu imele tanek fluid, ki je bil ob prehajanju skozi živce in mišice vzrok njihovega V iskanju gonilne sile življenja

53

gibanja. Že pred tem je Isaac Newton (Woolsthorpe-byColsterworth, 25. december 1642 – London, 20. marec 1726) brez znanstvenih dokazov predvideval, da gre za afiniteto, ali celo za identičnost med “električnim fluidom” fizikov in “živčnim fluidom” fiziologov.

Tak živalski fluid je deloval tudi po smrti organizma, ampak se je v kratkem času razgubil. Na nek način je bil “motor, gonilna sila življenja”.

Galvani je razmišljal, da bi pojav razložil z opazovanjem dogajanja v Leidenski steklenici.

Namesto iskre, ki jo je povzročilo razelektrenje, je pri žabi prišlo do premikanja.Prepričal se je celo, da so bile same mišice neke vrste Leidenske steklenice in živci prevodniki razelektritve v njeni notranjosti. “Živalska elektrika” bi po drugem Galvanijevem mnenju lahko izvirala iz nekega specifičnega telesnega organa, iz možganov, ki so se naelektrili pozitivno in širili to preko živcev, medtem pa je vse ostalo bilo negativno naelektreno.

S povezavo kovinskega loka med živci in mišico, kot je naredil pri seciranih žabah, se je obnovilo ravnovesje potenciala. Šlo je za teoretično hipotezo, ki je bila nekako podobna Zgodba o elektriki

54

stari predznanstveni teoriji o tekočinah, po kateri v živalskih telesih potekajo neke notranje sile v nežnem medsebojnem ravnovesju.

Vendar so Galvanijevi eksperimenti z žabami razpravo in teorije kmalu prestavili na področje striktno znanstvenega dokaza preko neposredne raziskave s strogo študijsko metodologijo, ponovljivo v laboratoriju.

Alessandro Volta bo ponovil tiste eksperimente z drugačnega zornega kota in bo prišel do čisto drugačnih zaključkov s proučevanjem elektrike, ki je ločena od biološke in jo je poimenoval “umetna elektrika”.

Kot vsa takratna odkritja na področju elektrike, so tudi Galvanijevo uporabili za razne pogrošne in močno vprašljive predstave.

Pred začetkom 19. stoletja so se v javnosti množili neverjetni poskusi “oživljanja” mrtvih organizmov, kot so bile majhne ptice, mačke, psi, ki so jih pobijali le zato, da bi zabavali.

Vrh teh mračnjaških predstav je bilo eksperimentiranje s človeškimi trupli.

S pretiravanjem je nadaljeval tudi Galvanijev nečak Giovanni Aldini (Bologna, 10. april 1762 – Milano, 17. januar 1834). V prvih letih novega stoletja je organiziral senzacionalne londonske večere, kjer se je gledalcem zdelo, da vidijo človeška trupla brez glave, ki so se vrnila v življenje, ko so jim v hrbtenico vstavili elektrode, kot je to počel Galvani s seciranimi žabami.

Bila je prava mračnjaška iztirjenost znanstvenega raziskovanja, ki je prvič, kot še velikokrat pozneje, presegla vsako etično mejo zaradi nekakšnega hinavskega V iskanju gonilne sile življenja

55

višjega cilja.

To iztirjeno pačenje galvanizma je leta 1818 prikazala pisateljica Mary Shelley v knjigi “Frankenstein, or the Modern Prometheus”, ki je od takrat do danes ostala v kolektivni zavesti.

56 Zgodba o elektriki

Alessandro Volta

11 VOLTA IN NJEGOVA BATERIJA, PRVI STATICNI GENERATOR

Najvecje odkritje vseh casov

N

eka anekdota pripoveduje, da je veliki znanstvenik Albert Einstein nekega dne mlademu novinarju, ki ga je ustavil na cesti in ga vprašal, če je njegova “Teorija relativnosti” največje odkritje vseh časov, nekoliko nejevoljen zaradi vztrajnega gospoda, takoj odgovoril: “Ne, dragi gospod, največje odkritje vseh časov je bila baterija, ko jo je izumil Volta!”

Odgovor fizika, ki je pri dvajsetih letih videl čudeže nastajajoče tehnične industrije v očetovi tovarni v Milanu, očitno ni bil le slučajno navržen.

Namreč, ravno s tisto serijo bakrenih in cinkovih diskov, naloženih drug na drugega v obliki valjastega stebra, je Volta človeštvu odprl novo obdobje. Za proučevanje elektrike ni bilo več potrebno zaupati v drgnjenje kosa rumenega jantarja, čakati na kaprice strel, ali se zadovoljiti z bežno iskrico, proizvedeno v Leidenski steklenici: z baterijo je bilo mogoče proizvesti elektriko na varen in predvsem “kontinuiran” način.

Od leta 1800, ko je Volta objavil odkritje baterije, je imela znanost končno na razpolago zanesljiv pripomoček s katerim bi se lahko poglobila v proučevanje električnih in elektromagnetnih pojavov.

Električni generator, ki ga je izdelal Volta, je izredno preprost in enostavno izvedljiv ter ne potrebuje posebnih mehaničnih sposobnosti, je imel v primerjavi z ostalimi elektrostatičnimi generatorji prednost, da je bilo pretok mogoče potencirati z vzpostavitvijo serije naprav.

Tako je bil njegov električni tok podoben stabilnemu in rednemu pretoku vode, ki je prihajal od izvira, katerega Zgodba o elektriki

58

obseg je naraščal z dotokom drugih podobnih izvirov. V naslednjem poglavju bomo videli, kako so to značilnost v kratkem uporabili za izredna tehnološka odkritja, ki so spremenila naš svet.

Ampak, kako je kreativni duh italijanskega znanstvenika prišel do zamisli te naprave?

Poglejmo skupaj.

Alessandro Volta (Como, 18. februar 1745 – Como, 5. marec 1827), profesor na Univerzi v Pavii, je bil eden izmed prvih, ki se je z navdušenjem oprijel raziskav o tako imenovani “živalski elektriki”. Že od leta 1793, šele dve leti po objavi De viribus electricitatis, je začel nasprotovati zaključkom Luigija Galvanija, ki so vsebovali še veliko šibkih točk.

Kako je bilo mogoče razlagati vitalno gibanje organizmov preko dejansko mrtvih teles?

Osnovno kontradikcijo je pravzaprav opazil že sam Galvani, ki pa se je – za razliko od drugih znanstvenikov brez vesti – za vedno odrekel preizkušanju svojih teorij na še živih živalih, ker je čutil, da gre to proti naravnemu redu Stvarstva.

Alessandro Volta je tudi opazil neko drugo konstanto, ki je Galvanijevi teoriji odvzela univerzalno vrednost: vsi Galvanijevi eksperimenti so bili izvedeni na truplih žabe v “vlažnih okoljih” in so vključevali prisotnost kovinskih lokov, ki so očitno potrebovali vlago za “spodbujanje električnega fluida iz njegovega mirujočega stanja”.

Elektrificirane mišice – po mnenju Volte – se niso premikale zaradi lastne volje, ampak so pasivno dobivale Najvecje odkritje vseh casov

59

naboj, ki se je ustvaril zunaj v kovinskem loku.

Odgovorna za elektriko je bila torej kovina.

Volta je s tem mnenjem popolnoma spreobrnil Galvanijevo načelo in si zadal novo smer za bodoče raziskave.

Pozneje je med eksperimentiranjem opazil, da je bilo mogoče mišice poginulih žab stimulirati k gibanju ne le s kovinskim lokom, ampak tudi s stikom dveh plošč, izdelanih iz dveh različnih kovin.

Takrat se je prepričal, da elektrika, ki prihaja iz kovinske plošče, stimulira živec, ta pa je stimuliral mišico, pri čemer ni bilo potrebno, da bi bila mišica del obtoka. Če je to držalo, potem mišica absolutno ni veljala kot majhna Leidenska steklenica.

Zadoščali sta le dve kovini za sprožitev tistega, kar je Volta imenoval “umetni električni pretok”, da bi ga ločil od Galvanijevega “živalskega električnega pretoka”.

Simpatična anekdota pravi, da je Volta do te zamisli o povezavi dveh kovin prišel čisto slučajno med banketom pri prijateljih.

Ko je iz radovednosti poskušal “okusiti” srebrne vilice, nato pa še železne, je imel nekakšen kiselkast priokus, skoraj neko šibko pikanje.

Ta nenavaden občutek pa se ni dogajal pri vilicah z lesenimi ročaji.

Ali je bilo to šibko električno razelektrenje?

Njegov jezik – “vlažno okolje” – je reagiral kot Galvanijeve žabe v stiku dveh različnih kovin?

Volta je s svojo izvirno intuicijo začel eksperimentirati z različnimi pari kovin, potopljenih v rahlo kiselkaste solucije.

Zgodba o elektriki

60

Leta 1793 si je pomagal z elektroforom (naprava za merjenje električne intenzivnosti), ki ga je sam iznašel, in odkril, da je bila “elektromotorna sila” dvometalne verige odvisna od dveh končnih obročev: če sta bili kovini različni, je dobil električni učinek.

61 Najvecje odkritje vseh casov

Izpopolnil je “venec skodelic”, v katerega je v kislo raztopino potopil dvometalne trakove, ki so bili na enem koncu iz srebra, na drugem pa iz cinka.

Z izmenjavo skodelic glede na trakove srebro-cink tako, da sta bila v isti skodelici izmenično potopljena srebrna in nato cinkova konca, je lahko oblikoval tudi precej dolgo verigo, kjer je bil učinek povečan.

Da bi izdelal tisti množilec intenzivnosti naprave, ki jo bi bilo lažje prenašati in ne bi izgubljala vlažne raztopine v okolje, je Volta poskusil naložiti drugega na drugega srebrne in cinkove diske ter jih ločil s kartonskimi blazinicami, namočenimi v alkalijski raztopini ali slani vodi.

Na ta način je pridobil stolpec iz dveh kovin, dobesedno “pila – stolpec, kolona, stebriček” povezanih celic in tako niso bile več potrebne skodelice, napolnjene z žvepleno kislino. Če je to pomnožil na enak način, je povzročil močnejši električni pretok: več združenih ploščic je povezal med seboj, močnejša je bila intenzivnost električnega pretoka, ki je bil tako generiran.

Kako pa je bil močan ta pretok?

V ilustracijah svoje iznajdbe Volta kaže serijsko povezavo štirih celic v štiri pare.

Vsak par ploščic je predvidoma lahko proizvedel približno 0,8 voltov, zato je 16 parov ploščic skoraj gotovo proizvedlo 12.8 voltov: “napetost”, podobna električni napeljavi v naših sodobnih avtomobilih v Evropi! Če si stolpec ploščic povečal s 40 ali 50 pari, si lahko dobil dovolj močan naboj za “obločne iskrice”, prav tako kot v Leidenski steklenici, ali kot šok torpeda:

Zgodba o elektriki

62

“Moja naprava ali umetni električni organ – je poudaril Alessandro Volta – imitira Leidensko steklenico, oziroma je še boljši od nje, zaradi ponavljajočih se ‘udarov’, ki jih lahko daje neprekinjeno”.

Začudenje ob njegovem odkritju je imelo svetovni odmev in za razliko od Galvanija, ki je umrl pozabljen od vseh, je bil Volta deležen časti in prejel celo doživljensko denarno nagrado od Napoleona Bonaparteja, ki so ga zelo zanimali sodobni scenariji, ki sta jih znanost in električna tehnologija nenadoma odpirali.

V okviru Prvega kongresa o elektriki, ki je potekal leta 1881 v Parizu v čast genialnega italijanskega fizikaNajvecje odkritje vseh casov

63

kemika, ki je odkril električno baterijo, so odločili, da se enota za merjenje električne moči imenuje “volt”, kar je še danes veljavno po vsem svetu.

64 Zgodba o elektriki

12

Prestaviti materijo z enega pola na drugega

Luigi Brugnatelli

CAROBNOST GALVANOPLASTIKE

M

ožnost, da je bil končno na razpolago generator enosmernega toka, je številne fizike spodbudila, da so se osredotočili na to novo energijo, ki je v laboratorijih pokazala nove, v naravi nikoli prej videne pojave.

Nekateri znanstveniki so opazili, da se je po dolgotrajni uporabi Voltove baterije zgodil čuden in nenavaden pojav.

Elektroda negativnega pola je težila k prekrivanju z izredno tanko bakreno plastjo. Če si nekaj časa nadaljeval s prehodom toka v obtok, se je kovinska plast dodatno debelila, dokler ni dosegla debelino delčka milimetra, ki si ga z lahkoto odstranil z elektrode.

S pozornejšim opazovanjem je bilo mogoče videti, da se je kovinska plast nalagala zaradi električne galvanizacije tako, da je v najmanjših podrobnostih reproducirala površino negativnega pola, kot bi bila popoln kalk iz krede.

To je bil pokazatelj pojava, ki mu danes pravimo

66 Zgodba o elektriki

“elektroliza” in je privedel do rojstva “galvanoplastike, te čudovite iznajdbe, še danes uporabne na številnih proizvodnih področjih.

Kemik iz Pavie Luigi Brugnatelli (Pavia, 14. februar 1761 – Pavia, 24. oktober 1818), osebni prijatelj Alessandra Volte, ki je odkril živosrebrni fulminat, še danes v uporabi kot močan eksploziv, je leta 1805 še dodatno izpopolnil to tehniko.

Preko elektrike si lahko deponiral kovinsko plast na predmete, potopljene v kemično kopel (elektrolit) v kateri so bile stopljene kovinske soli.

Del za prevleko je služil kot katoda (negativna elektroda) elektrolitske celice in je lahko privlačil pozitivne ione, vsebovane v kopeli elektrolita, ali deloma tudi od kovine anode (pozitivna elektroda).

Tako si lahko skoraj avtomatično pridobil popolne pozlate ali srebrne prevleke, ki so bile veliko bolj natančne od tistih, izdelanih s tehniko segrevanja. S tem galvanotehničnim postopkom si lahko količino drage kovine omejil na minimum, kar je pomenilo velik ekonomski prihranek.

Leta 1837 je ruski fizik Moritz Hermann von Jacobi (Potsdam, 9. september 1801 – St. Petersburg, 10. marec 1874) poskusil uporabiti to tehniko in pridobiti relief kovinske plošče, obdelane z vreznim dolbilom.

Z Jacobijevo metodo so pozneje močno izpopolnili umetnost tiska.

Tako imenovana “galvanotipija” je omogočila zamenjavo navadnih in hitro obrabljenih svinčenih matric, z matricami iz trših kovin, s katerimi so tiskali knjige in časopise v veliko večjih nakladah, ki si jih prej niso niti zamišljali.

Prestaviti materijo z enega pola na drugega

67

Primerki te umetnosti so razstavljeni tudi v TMS Tehniškem muzeju Slovenije v Borovnici.

Med koncem 19. in začetkom 20. stoletja so galvanoplastiko na široko uporabljali tudi za reprodukcijo naravnih organizmov iz kovine. Ta nenavadna moda se je zelo hitro razširila po vsej Evropi.

V najmanjših podrobnostih popolne kopije insektov, rakov, školjk in rib so bile razstavljene v Wunderkammer bogatih zbirateljev, ki so s senzacionalnimi novostmi želeli vzbuditi začudenje pri svojih obiskovalcih, ker so imele nekakšen skrivnosten pridih, kot bi bile mumije, ali kristalizirani in v nepremičnost prisiljeni roboti.

Pogosto so te zbirke, ki so v popolni obliki podajale organizme v 3D tehniki, bolje kot kateri koli preparat v formalinu, prevzeli naravoslovni muzeji kot taksonomične preparate za proučevanje biotske raznovrstnosti.

Slavna je dunajska zbirka galvanoplastike iz dunajskega Naravoslovnega muzeja z izjemno skrbjo izdelanimi in še po 150 letih odlično ohranjenimi primerki. Prav tako očarljiva, čeprav z manj primerki, je tista v tržaškem Naravoslovnem muzeju, ki jo je ustvaril samouk Andrea Rossovich (Trst, 1840 – Trst, 1896).

68 Zgodba o elektriki

13 Mehurcki razodetja

Anthony Carlisle William Nicholson

ELEKTROLITSKA SESTAVA MOLEKUL

L

eta 1800 sta kirurg Anthony Carlisle (Stillington, 15. februar 1768 – London, 2. november 1840) in William Nicholson (London, 13. december 1753 – Bloomsbury, 21. maj 1815) s pomočjo baterije za enosmerni tok, ki jo je izdelal Volta, odkrila popolnoma nerazložljiv pojav. Če sta pomočila dve elektrodi v vodo, so se oblikovali plinasti mehurčki. Čim močnejša je bila napetost baterije, tem večji je bil učinek “vrenja” v vodi, skozi katero je prešel električni tok.

Plinasti mehurčki so bili različni med seboj: šlo je za vodik in kisik.

Oba angleška raziskovalca sta opazila tudi, da je bila količina kisika, ki se je sproščal s pozitivne anode, enaka polovici vodika, ki je prihajal od katode, oziroma negativne elektrode.

Kako to?

V tistem času rešitev te dileme še ni bila takoj na razpolago in so jo našli veliko pozneje preko “molekularnega” modela materije, ki je bil takrat še neznan.

Najmanjši del vode, “molekula”, pod katero nimamo več vode, je sestavljen iz dveh elementov: 2 atomov vodika, združenih z enim atomom kisika. Sta preprosta elementa,

Zgodba o elektriki

70

v osnovi velike pestrosti sestavljenih snovi, med katerimi predstavljata neke vrste opek.

V naravi prisotnih osnovnih elementov ni neskončno veliko, seznam večine bo, kot vemo, kakšnih 60 let pozneje, Mendelejev vstavil v svoj “Periodični sistem elementov”.

Toda v začetku 19. stoletja, ko so odkrili plinaste mehurčke, ki so se sproščali od elektrod, povezanih na baterijo Volte, je bila najbolj očitna stvar, osnovno dejstvo taka: električni pretok je bil iz nekega čudnega vzroka sposoben povzročiti neke učinke na materiji, ki niso bili le privlačnost in odboj, ampak je materijo lahko razstavil v bolj enostavne elemente.

Nastala je elektroliza, kar iz grškega izraza pomeni: “razbiti z elektriko”.

V primeru vode govorimo točno o “elektrolitskem razkroju” sestavnih elementov (kisika in vodika).

Jasno je bilo tudi, da je elektrolitska tehnika, odkrita skoraj slučajno, postala močan pripomoček raziskav za odkrivanje sestavnih elementov še drugih spojin.

Elektrika je nenadoma postala zaveznica znanstvenega raziskovanja, a tudi kemične industrije.

Leta 1813 je angleški kemik Humphry Davy poskusil ponoviti eksperimente in povezati serijo Voltovih baterij in pridobil zadostno napetost za ločitev drugih kemičnih elementov: klora, natrija in kalija.

Z zelo velikimi “elektrolitskimi celicami” si torej lahko dobil velike količine kemičnih elementov, koristnih v industriji in za gnojila v kmetijstvu.

Michael Faraday (Southwark, 22. september 1791 Mehurcki razodetja

71

– Hampton Court, 25. avgust 1867), tesni Davyjev sodelavec, ampak kot bomo videli v 15. poglavju, poznan predvsem po odkritju elektromagnetne indukcije, je poglobljeno proučeval elektrolitski pojav in uspel odkriti značilnosti, ki ga urejajo.

Dva Faradayeva “Univerzalna zakona” o elektrolizi pravita, da: 1. količina snovi, ki se nabije na elektrode, je sorazmerna količini električnega naboja, ki preide elektrolitsko celico 2. ista količina električnega naboja, ki preide skozi različni elektrolitski celici, razelektri različne količine ionov, sorazmerne svojim atomskim težam.

72 Zgodba o elektriki

Humphry Davy

14

DAVY IN OBLOCNI VARILNIK

Naj bo luc

L

eta 1813 so v podzemnih prostorih sedeža Royal Society bili priča resnično veličastnemu eksperimentu: Humphry Davy (Penzance, 17. december 1778 – Ženeva, 29. maj 1829) je poskušal med seboj povezati nekaj sto baterij Volte, z namenom, da pridobi zelo močan pretok enosmernega toka.

S to mega baterijo, prvo na svetu takih dimenzij, si je Davy zadal za cilj proizvesti iskro med dvema elektrodama premoga in s tem neke vrste umetno strelo.

“Voltaični lok” – kot so ga pozneje imenovali, ki ga je Humphry Davy postavil med dvema sosednjima elektrodama, je imel lastnost, da je ostal živ dokler je bila elektrika, njegov glavni učinek je bil oddajati izredno, skoraj zaslepljujočo svetlobo. Tako se je rodila obločna svetilka, prva naprava, sposobna oddajati enosmerno svetlobo, generirano z elektriko.

Prvič v zgodovini je bilo mogoče imeti na razpolago svetlobo s pritiskom na tipko, namesto zaupati plinski svetlobi, petrolejki ali parafinskim svečam.

Po letu 1813 se je močno razvila električna razsvetljava s to vrsto žarnic, ki so jih seveda napajale Voltove baterije, kajti distribucija elektrike se je morala šele roditi.

Vendar pa žarnice na voltaični lok niso mogli uporabljati v premajhnih prostorih, ker je bila njena belo-modrikasta svetloba premočna in je bila malo primerna za stanovanja, kjer so kakšno leto prej, predvsem v domovih bogatejših ljudi, začeli uporabljati svetilke na plin, ki so ga pridobivali z destilacijo premoga. Vse do ’80 let 19. stoletja, ko so se pojavile prve električne žarnice na žarilno nitko, so žarnico na voltaični lok Humphrya Davya uporabljali izključno

Zgodba o elektriki

74

75 Naj bo luc

v zelo velikih prostorih, kot so bile železniške postaje, glavne ulice ali javni parki velikih mest kot so London, New York, Pariz, ali v tovarnah. Šlo pa je vsekakor za epohalno revolucijo.

76 Zgodba o elektriki

15

“Angleški kljuc”, ki je odprl pot bodocnosti

Michael Faraday

ODKRITJE ELEKTROMAGNETNE INDUKCIJE

A

ngleški znanstvenik Michael Faraday (Southwark, 22. september 1791 – Hampton Court, 25. avgust 1867), učenec Humphrya Davya, je imel veliko sposobnost intuicije in nenavadno razvito sposobnost opazovanja. Življenje je posvetil študiju fizike in kemije s čudovitimi odkritji in inovacijami. Toda, ko je pozornost usmeril v korelacijo med električnimi in magnetnimi pojavi, je odkril in pravilno pojasnil pojav elektromagnetne indukcije, kar je bil ključ, ki je odprl svetu dobo elektrike.

Korelacijo med elektriko in magnetizmom je opazil že leta 1820 Danec Hans Christian Ørsted (Rudkøbing 14. avgust 1777 – Copenaghen, 9. marec 1851), ko je po naključju približal električno žico igli kompasa, ki se je tako odvrnila od svoje normalne rotacije proti Severu.

Od tega slučajnega dogodka je Faraday v laboratoriju

78 Zgodba o elektriki

pripravil serijo naprav, da bi razumel notranjo povezanost med elektriko in magnetizmom, ter odkril nekaj povsem novega: če elektrika proizvaja magnetizem, tudi magnetizem proizvaja elektriko.

Zato bi bilo mogoče proizvajati elektriko z magnetno napravo.

Faraday je nato ovil navadno papirnato cev z gosto tuljavo iz bakrene žice in v cev vstavil magnetno paličico.

Na koncu tuljave je povezal elektrofor (merilec naboja) in opazil, da je ob vsakem prehodu magneta v notranjost cevi, tako v eno kot v drugo smer, naprava zaznala šibak električni tok znotraj tuljave.

Proizvedla se je elektrika! In to zaradi mehanskega gibanja magneta znotraj bakrene tuljave.

Leta 1831 je Faraday poskusil izboljšati tisti rezultat s prenosom premočrtnega gibanja na vrteči bakren disk, ki ga je potisnil preko magnetnih paralelepipedov (kock).

Tudi v tem primeru je bil rezultat presenetljiv: enosmerno elektriko si lahko proizvajal s preprostim stalnim premikanjem prevodnika znotraj magnetnega polja.

Faraday je odkril in ukrotil pojav magnetne indukcije.

Pozneje je uspel formulirati načelo, ki razloži ta pojav: “Če se neki prevodnik giblje v magnetnem polju, ki ni vzporedno z njim, se ustvari inducirana elektromotorna sila (napetost)”.

Na podlagi tega načela, ki je elegantno povezovalo elektriko in magnetizem, je bilo mogoče proizvajati električno energijo, a pridobiti tudi obratni učinek. Če v bakreno tuljavo, ki ovija magnet, namesto da bi “Angleški kljuc”, ki je odprl pot bodocnosti

79

električno energijo odvzeli, vnesemo elektriko od zunaj, se bo pa premikal magnet.

Preko elektrike, ki jo je na primer proizvedla baterija, lahko sprožimo neko gibanje.

Z nekim drugim slavnim aparatom je Faraday uspel jasno dokazati to načelo.

Na žico je obesil magnetno kroglo tako, da jo je postavil navpično na posodico z živim srebrom, na katero je vnesel električno energijo: rezultat je bil, da se je kroglica pričakovano začela vrteti okrog magnetnega polja.

Kot je bila pred tridesetimi leti baterija Volte epohalna, je bilo Faradayevo odkritje enako epohalno: kot angleški ključ je sprostilo tehnološko bodočnost človeštva in jo usmerilo v sodoben moderni čas.

80 Zgodba o elektriki

Ernst Werner von Siemens

16 ELEKTRICNI DINAMI IN TRAMVAJI

Ucinkovite energetske rotacije

N

a izdelavo učinkovite elektromehanične naprave, ki bi proizvajala električno energijo, ni bilo treba dolgo čakati: imenovala se je “dinamo” (iz grščine dynamis = moč).

Michael Faraday je nekaj dni potem, ko je eksperimentiral učinke toka na magnetni paličici, ki je tekla v bakrenem ovoju, poskusil ustvariti enosmerno gibanje med magnetom in tuljavo tako, da je obrnil dinamiko eksperimentalne naprave.

Zamislil si je, da magneta v notranjosti prevodnika ne bi več poganjal izmenično, ampak bi enosmerno vrtel bakreni disk med dvema magnetnima ploščama.

S sprožitvijo vzvoda se je zgodilo tisto, kar je Faraday predvidel: proizvajal se je enosmerni tok.

Učinkovitost laboratorijske naprave, kot je bil Faradayev disk, je bila zelo majhna in disk se je pregreval zaradi induciranih kontrastnih tokov.

Da bi v celoti izkoristili zmožnosti njegovega odkritja, je bilo treba absolutno najti učinkovitejši sistem, ki bi reproduciral večji električni učinek in ne bi prihajalo do izgube energije v obliki toplote.

To je bil pomemben tehnični “izziv”, ki je v naslednjih letih zaposloval številne druge raziskovalce.

Med prvimi, ki je izdelal dinamo po Faradayevih načelih, je bil Francoz Hippolyte Pixii (Pariz, 1808 – 1835).

Leta 1832 je izdelal vertikalni dinamo, ki je uporabljal stalni magnet, vrtljiv z ročico po bakrenih tuljavah. Da bi rešil problem svojega dinama, ki je ob vsakem obratu spremenil pretok toka, je vnesel nov zanimiv element: tako imenovan “komutator”, kovinski valj, razdeljen na gredi, z dvema elastičnima kovinskima kontaktoma, ki Zgodba o elektriki

82

sta pritiskala proti njemu. Vendar pa je bil tudi ta sistem (ki bi ga definirali kot vrteča bipolarna aksialna tuljava) še šibak, in tok je še naprej poskakoval. Serija “vrhov” ali impulzov toka, ločenih od trenutkov “praznine”, je dajala kot rezultat majhno povprečno moč (in kot bomo videli, bo to eden večjih problemov električnega motorja).

Rešitev je leta 1859 našel italijanski genij: Antonio Pacinotti (Pisa, 17. junij 1841 – Pisa, 25. marec 1912).

Vrtečo bipolarno aksialno tuljavo je nadomestil z obročem iz mehkega železa, na katerega je bilo pritrjenih 16 v serijo povezanih tuljav. Kontinuirano ovijanje tega “multipolarnega toroida” je bilo povezano na komutator na številne enako oddaljene točke in delilo komutator na veliko segmentov. To je pomenilo, da je del tuljave stalno prehajal po magnetih. Konci valjev so bili povezani po dva in dva na enega od kovinskih segmentov centralnega magnetnega valja, na katerem so delale kontakt diametralno nasprotne “ščetke”, ki so sprejemale električno energijo, proizvedeno s premikanjem obroča okrog magneta. S hitrim menjavanjem ob vsakem krogu induciranih polov v 16 ovojih, se je pridobil precej stabilen pretok enosmernega toka.

Pacinottijev sistem je imel še eno pomembno lastnost: bil je reverzibilen. Namesto, da bi ročno vrteli obroč in zbirali električno energijo s ščetk, je leta 1869 prav on poskusil nanje povezati Voltove baterije. Pridobljen učinek je bil, da se je njegov “obroč” vrtel brez mehanske pomoči z ročico. To je bila podlaga za nadaljnji razvoj električnega motorja na enosmerni tok. Žal Pacinotti ni pravočasno patentiral svoje genialne naprave, ki so jo pozneje izkoristili drugi.

Ucinkovite energetske rotacije

83

Še ena pomembna inovacija na dinamu, ki je povečala moč in ga dokončno usmerila v uporabo v industriji, pa je bila oprema s samonapajalnimi elektromagneti.

Do te zamisli sta leta 1866, neodvisno drug od druga prišla Anglež Henry Wilde (Manchester 1833 – Alderley Edge, Cheshire, 1919) in Ernst Werner von Siemens (Lenthe, 13. december 1816 – Berlin, 6. december 1892), napredni nemški industrialec, ki je združeval eksperimentiranje z izrednimi industrijskimi sposobnostmi.

Septembra 1866 je Werner Siemens v svojo delavnico dal povezati armaturo na dvojni T serijskega generatorja na elektromagnet, da bi lahko izkoriščal učinke samoindukcije.

Ko si armaturo na dvojni T ročno pognal, je bil rahli zemeljski magnetizem dovolj za generiranje šibe elektrike za samoindukcijo, ki se je večala in do popolnega delovanja krepila le po nekaj rotacijah. V primerjavi z dinami, ki uporabljajo stalne magnete, je Siemensov dinamo lahko deloval brez tolikšnega materiala in zmanjšal težo gonilne enote za 85%. Ker je bila odvečna teža odstranjena, se je tudi gonilna sila za njihov pogon vidno zmanjšala za 35%. Cena novega dinama brez stalnih magnetov se je z enako močjo lahko znižala celo za 75%, kar pomeni velik napredek in predvsem prihranek, ki je omogočil, da so v Evropi električno energijo lahko proizvajali po nizki ceni in jo uporabljali z zelo visoko kapaciteto.

Wernerju von Siemensu dolgujemo še eno revolucionarno inovacijo: prvo elektrifikacijo javnega prometa.

“Electrische Eisenbahn” (električni tramvaj) je Siemens Zgodba o elektriki

84

projektiral v Nemčiji. V današnji berlinski četrti “Lichterfelde” je začel svojo pot 16. maja 1881, 2 leti pred ameriško varianto, ki jo je načrtoval Belgijec Van Depoele, nameščena pa je bila na razstavi v Chicagu leta 1883. Proga Siemensovega električnega tramvaja v Berlinu je bila dolga 2,5 km. Tramvaj, ki je dosegel Ucinkovite energetske rotacije

85

hitrost 20 km na uro, je napajal “dinamo Siemens” nove generacije s samopolnilnimi magneti in ga je poganjal parni stroj v majhni stavbi blizu začetne postaje. Linija električnega toka na tej prvi Siemensovi progi – absolutno prvi na svetu – je potekala po tračnicah na tleh, ampak zaradi večje varnosti so bodoči Siemensovi modeli, kot tudi modeli njegovih sodelavcev, izbrali povezavo preko kabla.

86 Zgodba o elektriki

17 Crke na bakreni nitki

Samuel Morse

ELEKTRICNI TELEGRAF IN MORSEJEVA INTUICIJA

U

poraba enosmerne električne energije je omogočila kakovostni premik v komunikacijah. Še celo prvo polovico 19. stoletja je bila komunikacija med Evropo in Ameriko namreč zelo počasna.

Ni bilo izredno hitrih nabiralnikov elektronske pošte, ki danes lahko naredijo krog preko strežnikov celega sveta v izredno kratkem času. Če hočem danes poslati “mail”, kliknem na računalnik, ali celo samo na ekran pametnega telefončka in vem, da bo sporočilo potrebovalo manj kot 3 sekunde, da bo prispelo do prejemnika, na primer na strežnik, ki se nahaja v Ameriki.

V pred-digitalni dobi smo uporabljali na kos papirja ročno napisano “pismo”.

Med enim mestom in drugim so “sporočila” tudi naslovniku izročali ročno, preko poštnih storitev s sli, ki so včasih imeli konje, da bi pošiljke lahko izročali hitreje.

Slavna storitev te vrste - Pony Express – se je v Ameriki razširila po odkritju zlata, če pa želimo govoriti o nam bližji organizirani storitvi, povejmo, da je družina Thurn und Taxis, v službi Habsburžanov, imela postaje za menjavo konjev postavljene po širnem ozemlju med današnjimi državami Avstriji, Sloveniji in Italiji.

Poštne kočije s konji, ali vlaki in ladje, so prevažali pisma v razna mesta in od tam v vsa bližnja predmestja.

Za dostavo takega sporočila, tudi nujnega, so potrebovali dneve, tedne ali celo mesece, če je bil naslov na drugi strani oceana.

Enak časovni problem je obremenjeval vsakršno informiranje. Časopisi so novice prejemali na enak način, z istimi

Zgodba o elektriki

88

težavami zaradi zamud od pojava dogodka, o katerem naj bi informirali bralce.

Da bi se izognili tej izredni težavi, so v najbolj nujnih primerih organizirali učinkovitejši sistem, a ne brez tveganja: z golobi pismonošami.

Te ptice z izrednim instinktom pri iskanju rojstnega kraja, so sporočila lahko dostavile “po zračni poti” z dokajšnjo hitrostjo, tudi po več sto kilometrov dolgih poteh.

Proti koncu 18. stoletja so se znašli s pošiljanjem sporočil s posebnimi optičnimi “signalniki”, ki si jih videl z daljnogledom.

V Franciji je iznajditelj Claude Chappe (Brûlon, 25. december 1763 – Pariz, 23. januar 1805) izdelal izreden sistem razglednih stolpov s “semaforji” z zastavo, ki so v lepem vremenu lahko pošiljali šifrirana sporočila, da bi se izognili indiskretnim pogledom.

Do velikega odkritja pa je prišlo v 19. stoletju, ko se je ta tehnična umetnost, ravno zaradi njene povezave z ročno pisanimi pismi, imenovala “telegrafija” (iz grščine “tele” = daleč in graphein = pisati). Izpopolnili so jo z elektriko.

Podlaga električnega telegrafa je bilo preprosto odkritje: elektromagnet, ki omogoča privlačnost železnih predmetov preko elektrike.

Prvi elektromagnet je leta 1824 izdelal inženir William Sturgeon (Whittington, 22. maj 1783 – Prestwich, 4. december 1850). Če je obstajal električni impulz na žici telegrafa, je magnet privlačil peresce, namočeno v črnilo, ki je puščalo sled na papirnatem traku.

Ampak, kako pisati črke s takim sistemom, ki ni mogel reproducirati črk, ampak je puščal le preproste Crke na bakreni nitki

89

neprekinjene, ali prekinjene črte?

Da bi rešil problem zaporedne povezave teh sledi v berljivo sporočilo, si je Samuel Morse (Charlestown, 27. april 1791 – New York, 2. april 1872), ameriški slikar, sin protestantskega pastorja, izmislil šifre črt in pik, tako imenovano “Morsejevo abecedo”, ki je bila še pred nekaj leti v uporabi za telekomunikacijo.

Prvo sporočilo v zgodovini telekomunikacij je bilo poslano iz Baltimora v Washington 24. maja 1844 ob 8.45h, kjer so bile zapisane 4 besede in klicaj s skupaj 18 črkami: What /Hath /God /Wrought !

(Kakšne čudeže je ustvaril Bog!) .-- .... . - - / .... . - - .... / --. --- -.. / .-- .-. --- ..- --. .... Citat iz knjige Modrosti v Svetem pismu, ki ga je Morse, goreč vernik, očitno izbral in s hvaležnostjo pomislil na človeško ustvarjalnost, ogledalo božje in je v tistem trenutku odprla novo ero.

V nekaj letih se je ta Morsejeva iznajdba kot oljni madež razširila tako po Ameriki kot po Evropi, ter oblikovala Zgodba o elektriki

90

bogato mednarodno mrežo, ki seveda ni bila primerljiva današnjemu internetu, a je bila absolutno inovativna, ker je prva zagledala luč sveta.

Kmalu pa se je Morsejev telegraf moral spopasti z dokaj velikim problemom, ki ga je povzročala raba enosmernega toka. Daljša je bila žica po kateri je šel pretok toka, večji je bil upor in moč elektromagneta se je proporcionalno manjšala in ni uspevala privlačiti peresca s potrebno močjo za pisanje. Morsejev signal se je slabšal na dolgih razdaljah in nato popolnoma izginil.

Da bi se rešili tega problema, so si pomagali s fragmentacijo

91 Crke na bakreni nitki

omrežja in pozneje izboljšali prejemanje signala s perforiranimi trakovi.

Leta 1908 je Morsejev signal “tri pike, tri črte, tri pike” oziroma S.O.S. (Save Our Souls «rešite naše duše»), postal standard pomorski radiotelegrafski šifri za pomoč in je danes v splošni rabi za vse nevarne situacije.

92 Zgodba o elektriki

Thomas Alva Edison

18

EDISONOVA ŽARNICA IN FURLANSKI INOVATOR MALIGNANI

Elektricna svetloba namesto plina

Š

e v drugi polovici 18. stoletja in v prvem desetletju 19. stoletja, so po svetu za razsvetljavo velikih mest in ulic uporabljali plinske svetilke. V Trstu, na primer, je bil leta 1846 uveden plin iz premoga, a so leta 1901 zgradili Plinomer v Brolettu, da bi zagotovili razsvetljavo v hitro rastočemu mestu. V Ljubljani je javna plinska razsvetljava začela delovati leta 1861. Plinska razsvetljava je bila veliko cenejša - približno 75% manj kot je bil strošek za voščene sveče ali petrolejke, zato se je tudi v vilah, stanovanjih in nekaterih drugih prostorih bogatejših ljudi, utrdila raba te vrste razsvetljave. Iz nekega statističnega poročila iz leta 1869 vidimo, da so v Italiji mesta, ki so najbolj uporabljala plin iz premoga, bila Milan, Turin, Trst in Neapelj. V vseh, z izjemo Neaplja, je bila poraba predvsem v gospodinjstvih večja in je presegala javno razsvetljavo.

Z odkritjem močno svetlečih obločnih električnih žarnic leta 1813, je moč razsvetljave močno presegla moč plinskih žarnic. Kot vsaka inovacija pa je imela tudi šibke točke: če je po eni strani ta moč zelo uspešno reševala problem velikih prostorov, kot so železniške postaje, ali javne ceste, pa se po drugi strani ni dobro prilegala majhnim prostorom, stanovanjem, ki so potrebovala manj svetlobe. Treba je bilo najti drugo rešitev: električna svetloba je morala biti bolj “prijazna” in manj agresivna.

Treba je bilo najti primerno ravnovesje med močjo in “barvo” svetlobe, kar zapletena tehnika, ki se je predstavila tudi 150 let pozneje z modernimi vrstami razsvetljave z nizko porabo.

Umetna svetloba za notranje prostore ne sme biti niti prešibka, niti premočna, a tudi ne preveč topla ali hladna, Zgodba o elektriki

94

ker je naš vidni sistem po naravi umerjen na spekter sončne svetlobe.

Prva rešitev tega problema je prišla leta 1878 z električno žarnico.

Princip delovanja je bil zelo preprost: splet žarilnih nitk iz prevodnega ali polprevodnega materiala se je ob prehodu toka segrel in razžarel ter oddajal svetlobo in toploto. Vzrok takega obnašanja je splet nitk in “upor” v pretoku toka, ki si ga lahko predstavljamo kot “trenje” med elektroni in molekulami materiala, iz katerega je splet narejen. Toplota pa po eni strani služi segrevanju in žarenju, po drugi pa povzroča druge težave. Predvsem predstavlja izgubo energije v sistemu. V žarnicah z žarilno nitko se velik del električne energije porazgubi v obliki toplote.

Ker toploto povzročajo infrardeči žarki, ki niso vidni človekovemu očesu, je popolnoma nekoristna za razsvetljavo. Po drugi strani pa pregrevanje nitke na zelo visoke temperature le-to zelo hitro obrabi, ker material, iz katerega je narejen, izgoreva, ali celo “izhlapi” in s tem takoj prekine pretok električnega toka.

Kot smo povedali, je dodatni problem pri električni svetlobi tudi njena “barva”. Ker je umetna svetloba toliko bolj bela, kolikor bolj topel je splet žarilnih nitk skozi katerega poteka tok, je torej treba najprej najti primeren splet žarilnih nitk, ki se lahko segreje do visokih temperatur tako, da oddaja “prijetno belo svetlobo” ter se ne prežge ali stali. To ravnovesje je težko doseči zaradi zapletenega prepletanja spremenljivk v igri.

V drugi polovici 19. stoletja so opravili številne poskuse z raznimi vrstami kovinskih in organskih materialov, zaprli Elektricna svetloba namesto plina

95

izredno tanke žarilne nitke v prozorne steklene bučke, predvsem, da bi jih zavarovali pred zunanjimi vplivi, a tudi, da ne bi počile in da ne bi prišlo do požarov.

Leta 1878 je Anglež Joseph Wilson Swan (31. oktober 1828 – 27. maj 1914) uporabil ogljikove žarilne nitke, pridobljene iz zgorelega papirja, a je zaradi skrajne krhkosti nitk in postopne potemnitve steklene bučke po nekaj urah bila žarnica popolnoma neuporabna.

Leta 1879 je Američan Thomas Alva Edison (Ohio, 11. februar 1847 – Essex, 18. oktober 1931), s skupino sodelavcev pod njegovim vodstvom v raziskovalnem laboratoriju v Menlo Parku v New Jerseyju, uspel izboljšati električno žarnico z uporabo bambusovih nitk, zaščitenih s stekleno vakuumsko bučko, elektrificiranih z enosmernim tokom z nizko napetostjo (približno 12 voltov).

Vendar je kljub napredkom v izdelavi bilo trajanje prvih Edisonovih električnih žarnic prekratko, v najboljšem primeru okrog štirideset ur.

Zaradi hitrega slabšanja stanja nitk, je Edisona prisililo v iskanje sistema za hitro zamenjavo njegovih žarnic s patentiranim kontaktnim zatičem, tako imenovano “Edisonovo vtičnico”, prepoznavno zaradi elegantnih stožčastih navojev, kar je danes mednarodni standard z oznako E (danes v Italiji uporabljamo v glavnem žarnice z grlom E27 ali “mignon” E14, medtem, ko v ZDA uporabljajo verzije E26, E17 in E12).

Leta 1894 je iz Furlanije prišla velika pomoč za serijsko proizvodnjo Edisonovih žarnic.

Arturo Malignani (Videm, 4. marec 1865 – Videm, 15. februar 1939) je izumil domiseln “kemično-fizikalni” Zgodba o elektriki

96

sistem ustvarjanja vakuuma v bučkah električnih žarnic in našel tudi sistem za serijsko proizvodnjo steklenih bučk na bolj zdrav način za delavce.

Sistem Malignani, še v uporabi v sodobnih tovarnah žarnic, kjer je potreben vakuum, je uporabljal arzenove in jodove hlape in hlape žveplove kisline, ki so se na molekularni ravni kombinirali s hlapi žarilne nitke.

Reakcija teh sestavin je bila absolutno učinkovitejša od tistega, kar bi dosegel s preprosto pnevmatično tlačilko.

“Edison Italiana” je odkupila Malignanijev patent in ga

97 Elektricna svetloba namesto plina

vpeljala v proizvodnjo vseh žarilnih žarnic v prodaji na mednarodnih trgih.

Tukaj je potrebno spomniti tudi na vpliv, ki ga je imela Italija, tradicionalno skromna z nahajališči premoga in nafte, z Malignanijevimi iznajdbami na področju obnovljivih virov. Že na koncu 19. stoletja je razmišljal, da bi svoje mesto opremil z malimi hidrocentralami, napajanimi iz mestnih kanalov, ki pa jih je bilo premalo za potrebe široke potrošnje.

Projektiral je in dal zgraditi močnejšo hidrocentralo, ki je izkoriščala vodo potoka Ter in ga zajeti z jezom v kraju Bardo (Vedronza di Lusevera). Videm je bil po Malignanijevi zaslugi med prvimi mesti v Evropi, ki je od leta 1908 lahko razpolagal z javno in zasebno razsvetljavo ter z modernim tramvajskim sistemom z lastno električno energijo, kot se je zgodilo v Berlinu nekaj let prej na Siemensovo pobudo (glej pogl. 16).

98 Zgodba o elektriki

Georges Claude

19

NEONSKE REKLAMNE TABLE IN INDUKCIJSKE ŽARNICE

Druge blešcece ideje

S

kapilarno širitvijo električnih žarnic se je človek prvič v zgodovini rešil stoletne skromne svetlobe, ki ga je silila v spremljanje naravnega ciklusa dan-noč pri njegovih proizvodnih dejavnostih, in tako vstopil v Drugo industrijsko revolucijo moderne dobe.

Ahilova peta Edisonovih žarnic je bila njihova izredno nizka učinkovitost, ki je že v prvih letih njihove širitve silila v iskanje bolj gospodarnih rešitev z vidika porabe elektrike.

Med najbolj učinkovitimi alternativami je bila neonska razsvetljava z izkoriščanjem električnega naboja, vnesenega iz elektrod v plinsko cev.

Leta 1909 jo je predstavil francoski inženir kemije Georges Claude (Pariz, 24. september 1870 – 23. maj 1960), kateremu dolgujemo tudi druge izredno pomembne inovacije s področja industrijske obdelave plina. Leta 1897 je Claude prvi odkril, da je bilo plin acetilen mogoče varno prenašati, če ga raztopimo v acetonu in je, neodvisno od nemškega kemika Carla von Lindeja, razvil industrijski proces za proizvodnjo utekočinjenega zraka (1902). Med temi raziskavami je Georges Claude odkril, da prehod električnega toka v steklene cevi, kjer so bili prisotni inertni plini (kot neon), proizvaja svetlobo. To svetlobo je bilo mogoče precej pojačati s fluorescentnimi snovmi, premazanimi po notranji površini cevi. Ioni, sproščeni ob prehodu toka v plin, spodbudijo molekule fluorescentnih snovi, ki se zasvetijo z belo svetlobo, ali tudi drugačne barve, odvisno od mešanice, uporabljene za premaz. Ker v notranjosti ni bilo nobenega občutljivega vročega vlakna, je bilo mogoče tanke neonske Claudeove cevi oblikovati s toploto in ustvarjati vijugaste ali celo t.i. lettering script, Zgodba o elektriki

100

črke, s pisano paleto svetlobnih barv; značilnost, ki so jo v reklamni industriji izkoristili za čudovite reklamne table in napise z nizko porabo, te pa so do prihoda led razsvetljave, svetile po vseh mestih sveta in postale najbolj opazen simbol industrializirane in potrošniške družbe.

Med projekti, ki pa takrat še niso bili realizirani zaradi ozkoglednih vzrokov marketinga, nastalih vsled tako imenovane “vojne med tokovi” med Edisonom in Westinghousem, je bil še eden popolnoma inovativen, ki je že ob rojstvu spremenil razvoj razsvetljave.

Ideja iz nekega projekta Nikole Tesle (“System of electric lighting” patent US454622, junij 1891), je bila žarnica na magnetno indukcijo, absolutno bolj učinkovita tako z vidika energije kot z vidika moči razsvetlitve.

Tesla je izkoristil fizikalno načelo, po katerem razredčen plin oddaja svetlobo, če ga spodbudiš z magnetnim poljem, ter je dodelal inovativno napravo za razsvetljavo.

Ker ni bil potreben električni naboj, kot pri obločnih žarnicah in brez uporabe potrošnih delov kot so ogljikove ali tungstenove nitke električnih žarnic, pa tudi ne elektrod neonskih svetil – je Teslova žarnica na magnetno indukcijo lahko izredno dolgo delovala s stalnim izkoristkom in izredno nizko porabo ter tako za več kot eno stoletje prehitela moderne diode z oddajanjem inducirane svetlobe (LED). Žarnice na magnetno indukcijo so bile ponovno odkrite v električni industriji našega časa. Od leta 1990 so jih začeli prodajati za velike tovarniške objekte, ki potrebujejo razsvetljavo na ogromnih prostorih, in sicer z majhnimi stroški za vzdrževanje in za porabo. Sodobne žarnice na magnetno indukcijo lahko trajajo izredno dolgo, Druge blešcece ideje

101

kar 100.000 ur polnega delovanja – okrog 25 let – kar je dvakrat več kot LED žarnice in celo stokrat več od navadnih električnih žarnic.

102 Zgodba o elektriki

Nikola Tesla

20

TESLOVA ELEKTRIKA, KI JE SPREMENILA SVET

Genialna “alternativa”

K

ot smo povedali v prejšnjem poglavju, je leta 1891 Nikola Tesla patentiral žarnico na magnetno indukcijo, veliko modernejšo od vseh rešitev do tistega leta, a so jo začeli industrijsko proizvajati šele sto let pozneje.

Ostale Teslove tehnološke intuicije so nemudoma uspele in postale skupna dediščina vsega človeštva. Predvsem dve pa sta imeli zaslugo za odločilen obrat v zastoju iz konca 19. stoletja, ko so elektriko vsesplošno uporabljali v industriji in v gospodinjstvih. Gre za “izmenični tok” in za “električni trifazni tok”. V tem poglavju bomo pogledali zgodovino izmeničnega toka in zakaj je bil tako pomemben.

Tesla si je zamislil, da bi uporabil bistveno drugačen tip elektrike od normalnega toka, ki so ga proizvajale kemične baterije, ali dinamo s fiksnimi magneti.

Tok, ki izhaja iz Voltove baterije ali iz generatorja enosmerne napetosti, kot Faradayev disk, je “enosmeren” (DC, direct current), ker gre pretok elektronov v eno samo smer. Kot pretok vode, ki se iz višjega bazena pretaka v nižjega, tako se tudi enosmerni tok giblje iz potencialno večjega pola (pozitiven) proti potencialno nižjemu polu (negativen). Pretok elektronov, ki se premika od enega pola do drugega, prav kot voda, lahko izkoristimo kot energijo za opravilo nekega dela. V vodnem mlinu se lopate premikajo ob pretoku vode, medtem pa se v električnem toku delo – vklop gospodinjskega aparata, žarnice itd. – opravi s prehodom električnega naboja.

Tok, ki ga je iznašel Tesla, pa se obnaša drugače.

Zgodba o elektriki

104

Srbski znanstvenik je preko svoje iznajdbe dinama našel način za zelo hitro zamenjavo polarnosti električnega pretoka s frekvencami desetin ciklusov na sekundo in tako ustvaril izmenični tok (“AC” = alternating current).

Nikola Tesla je s proučevanjem in eksperimentiranjem na področju elektromagnetizma, indukcije in resonance, opazil, da s tem trikom lahko pridobiš ogromno prednosti.

Z izmeničnim tokom je lahko predvsem upor prevodnika manjši v primerjavi s prehodom enosmernega toka.

Osnova tega pojava je Ohmov zakon po katerem “je intenzivnost nekega električnega toka premo sorazmerna lastni napetosti in obratno sorazmerna uporu prevodnika (E =RI )”.

Elektroni znotraj obtoka spreminjajo smer velikokrat v izredno kratkem času, ga ne pretečejo po njegovi celotni Genialna “alternativa”

105

dolžini, ampak samo po zelo kratkem delu znotraj molekularnih mrežic prevodnika in naletijo na absolutno manjši odpor od tistega, ko bi ga morali prečkati po vsej dolžini električne žice.

Stvari ni mogoče takoj razumeti, ampak si lahko pomagamo s ponovno “vodno” primerjavo. Pri izmeničnem toku je kot da bi en pretok vode stalno preusmerjali iz leve na desno in z desne na levo znotraj cevi, v katero smo vstavili filtre, ki upočasnijo pretok. Če bi takrat prestregli pretok vode (in vpeljali nek motor) v neko vmesno točko cevi, bi bila moč izhoda curka vode večja od tiste, ki bi jo imeli na koncu cevi, ker bi bil v tem primeru “upor” prehodu pretoka enak vsoti vseh ovir na celotni poti in ne samo na eni strani od njih.

Izmenični tok, ki ima manj upora v obtoku, bi lahko prenašal večje količine energije na velike razdalje. Treba je bilo povečati napetost. Da bi razumeli ta logični prehod, je treba našteti bistvene lastnosti električnega toka: 1. NAPETOST (se meri v Voltih): je lastna napetost, oziroma sunek, ki ga elektroni dobijo od generatorja toka.

2. INTENZIVNOST (se meri v Amperih): je hitrost in količina elektronov, ki potekajo skozi obtok.

3. UPOR-ODPOR (se meri v Ohmih): je odpor prehodu elektronov v prevodnik.

4. MOČ-SILA (se meri v Wattih): je produkt Napetosti krat Intenzivnost. Če mora linija prenosa prenašati moč (P), povečati napetost (V), bo upor oz. tok (I) manjši. Po drugi strani pa bo porazgubljena moč na liniji prenosa po Jouleovem Zgodba o elektriki

106

zakonu, dana od R (upor linije), pomnožena s kvadratom I. Torej, večji napetosti V ustrezajo manjše izgube.

Sistem izmeničnega toka je dokončno rešil problem distribucije. Ni bilo več potrebnih ogromno central v bližini potrošnih območij (industrija, zasebna bivališča, javna razsvetljava). Centrale na izmenični tok so lahko zgradili precej daleč od naselij, električni tok pa je lahko mirno potoval po dolgih kilometrih z napetostjo tisočih voltov in bil potem pretvorjen v manjše napetosti na 110 ali 220 voltov za gospodinjsko rabo.

Moramo pa povedati, da je ta Teslov izum v začetku naletel na močan odpor pri Thomasu Edisonu, ki je že leta prej izbral enosmerni tok in bi pri preusmeritvi v izmeničnega moral že v osnovi spremeniti svoj uspeh v industriji. Po letih divjih razprav in Edisonovih nizkih udarcev, je bilo to dogajanje v začetku 20. stoletja v Ameriki imenovano “Vojna tokov”, a je končno investitorje prepričal in se uveljavil Teslov sistem, ki so šli v tveganje svojega kapitala tudi ob podpori ameriškega industrijca Georgea Westinghousea (New York, 6. oktober 1846 – 12. marec 1914).

Kot vemo, je danes v vseh naših domovih dobavljen izmenični tok. V modernih napeljavah, povezanih na omrežje izmeničnega toka, se frekvenca “vibracije” med negativnim in pozitivnim polom lahko spreminja od države do države. V Italiji in Sloveniji, kot v preostali Evropi, kjer generatorji alternativne elektrike delujejo s 3000 obrati na minuto, je frekvenca 50 hertzov. V Ameriki, Genialna “alternativa”

107

kjer se je ta tip toka razširil prej, pa je frekvenca ostala kot je bila za Teslov dinamo, to je 60 hertzov.

108 Zgodba o elektriki

21

Galileo Ferraris

“Naj bo sila s tremi”

VRTILNO MAGNETNO POLJE IN ROJSTVO TRIFAZNEGA MOTORJA

E

lektrični motor je bil in je brez dvoma še vedno glavna naprava, ki je človeka osvobodila napora z ročnim delom.

Njegova učinkovitost glede porabe in izkupičkov je večja od katerega koli drugačnega motorja, ki so ga izumili skozi stoletja.

V srednjem veku so imeli naprave brez goriva, na primer vodni mlin, ki je izkoriščal kinetično energijo vodnega toka, ali mlin na veter, ki je izkoriščal moč od premikanja mas vetra v atmosferi.

Z napredkom znanosti in odkritij na področju fizike in kemije so vzpostavili temelje za novo tehnologijo stroja, motorja, ki bi se rešil muhavosti letnih časov in vremenskih stanj.

Nastale so različne variacije bolj ali manj učinkovitih motorjev na gorivo, ki so uporabljali premog (parni stroj), bencin (motor z notranjim izgorevanjem), plinsko olje (dizel motor).

Vendar pa še danes ostaja absolutni vladar po energetski učinkovitosti električni indukcijski motor, najbolj razširjen za industrijsko rabo.

Osnova njegovega delovanja je fizikalno načelo, ki ga je odkril in teoretično obdelal Michael Faraday leta 1831: gre za elektromagnetno indukcijo, po kateri lahko neko gibanje povzročimo z interakcijo med električnim tokom in magnetnim poljem.

Naslednji korak je bilo odkritje vrtilnega magnetnega polja, oziroma uspešne interakcije magnetnih polj, da bi proizvedli rotirajoče gibanje nekega predmeta (rotorja) ob prehodu izmeničnega toka. Zamisel je prišla dvema genialnima raziskovalcema, ki sta na istem teoretičnem Zgodba o elektriki

110

problemu delala vsak za sebe in se nista poznala: Nikola Tesla (Smiljan, 10. julij 1856 – New York, 7. januar 1943) v Ameriki in Galileo Ferraris (Livorno, 30. oktober 1847 – Torino, 7. februar 1897) v Italiji.

Slednji je leta 1885 odkril vrtilno magnetno polje in enega od električnih strojev, ki je deloval z dvema fiksnima pravokotnima tuljavama, kjer je potekal izmenični tok, predstavil marca leta 1888 na Akademiji znanosti v Torinu.

Nikola Tesla pa je uspel zasnovati vrtilno magnetno polje s tremi komponentami z zamikom 120°. To je bil tako imenovani trifazni indukcijski elektromotor, ki je proizvajal večjo moč in popolnoma odpravil mrtve točke v gibanju rotorja.

V sklopu znane “Vojne tokov” med Westinghouseom in Edisonom, je zato, da bi vplival na ameriško javno mnenje in promoviral izmenični tok namesto enosmernega, Tesla izdelal stroj, ki je bolj kot kateri koli matematični dokaz, vsem jasno pokazal magijo vrtilnega magnetnega polja.

Ustvaril je tehnološko verzijo “Kolumbovega jajca”, ki je bila predstavljena na Mednarodnem Kolumbovem sejmu v Chicagu ob štiristoletnici odkritja Amerike.

Teslovo jajce je bilo za razliko od Kolumbovega, ki si je prislužil spomin v zgodovini tako, da ga je rahlo obtolkel ob mizo in je zato obstalo, bakreno jajce, ki ni kazalo nobenih obtolčenin. Ostajalo je zravnano in se hitro vrtelo “Naj bo sila s tremi”

111

kot vrtavka s pomočjo vrtilnega trifaznega magnetnega polja, ki ga je Tesla ustvaril v vmesnem praznem prostoru na spodnji strani krožnika.

Med letoma 1887 in 1888 je Nikola Tesla na ameriškem Patentnem uradu vložil več projektov za indukcijske motorje, ki so bili vedno bolj izpopolnjeni in učinkoviti.

Patenti so sprožili začetek industrijske proizvodnje pogonskih električnih motorjev, ki se danes uporabljajo v modernih verzijah električnih avtomobilov.

85 let odkritij in inovacij za trifazni električni motor: 1800 – Alessandro Volta objavi brošuro o bateriji, ki je zmogla proizvajati enosmerno elektriko.

1820 – Hans Christian Oersted je ob opazovanju igle v kompasu opazil, da se prestavi iz svoje lege, če ji približamo električno žico in odkril, da električni tok lahko proizvaja magnetna polja.

1825 – William Strugeon iznajde elektromagnet (tuljava z železnim jedrom se ob prehodu toka obnaša kot magnet in privlači železne predmete).

1831 – Michael Faraday odkrije ključno dejstvo, iz katerega se bo razvila zamisel za električni motor: elektromagnetno indukcijo.

1856 – Werner Siemens iznajde generator enosmernega toka z dvojnim ogrodjem. Je prvi, ki je uporabil ovitje v obliki tuljave v režah, zamisel, ki je bila preobrat v projektiranju električnih strojev.

1885 – Galileo Ferraris izdela prvi indukcijski stroj, motor.

1887 – Nikola Tesla patentira prvi indukcijski motor na trifazni izmenični tok, ki ga bo proizvajal Westinghouse.

Zgodba o elektriki

112

Antonio Meucci Alexander Graham Bell

22

IZNAJDBA TELEFONA

Glas tece po elektricni žici

M

ožnost pretvarjanja električne energije v zvočne valove je osnova iznajdbe telefona, aparata za pogovore na daljavo preko električne žice.

Za predhodnika te izredne uporabe električne energije na področju komunikacije lahko štejemo francoskega inženirja Charlesa Bourseula (Bruselj, 28. april 1829 – Saint Céré, 23. november 1912), ki je leta 1854, ko je bil zaposlen v administraciji francoskih telegrafov, izdelal prvi aparat, ki pa ni bil nikoli izpopolnjen, ker zaradi splošne nejevernosti ni bil sprejet.

Tudi nemški inženir, zaposlen na področju izobraževanja, Johann Philipp Reis (Gelnhausen, 7. januar 1834 – Friedrichsdorf, 14. januar 1874) je leta 1860 razvil svojo inovativno iznajdbo, ki jo je imenoval “Telefon Reis”. Šlo je za škatlico z okroglo luknjo na kateri je lahko membrana vibrirala s kovinsko ostjo, povezano na Voltovo baterijo. Če je bila membrana sprožena z glasom preko lija, je vibracije prejela kovinska ost, ki je tiste mehanske impulze prenašala na identično napravo, postavljeno na določeni razdalji, na katero je bil povezan elektromagnet, ki je sprožil vibracijo na kovinski osti, naslonjeni na membrani. Na ta način se je zvočna vibracija spremenila v električni signal, ta pa se je na daljavo spet spremenil v zvočni signal. Reisova naprava je delovala, a je bila izredno šibka in je bila bolj laboratorijska zanimivost kot pa telefon, primeren za komuniciranje na velike razdalje.

Da bi prišli do pravega telefona, je bila potrebna domiselnost italijanskega raziskovalca, zaposlenega v gledališču za odrske postavitve. To je bil Antonio Meucci (Firence, 13. april 1808 – New York, 18. oktober 1889).

Ko se je nahajal v Havani zaradi delovnih obveznosti

Zgodba o elektriki

114

in se je ukvarjal z galvanoplastiko, pa tudi s hipnozomesmerizmom, je slučajno odkril načelo delovanja tistega, kar je poimenoval “govoreči telegraf”. Leta 1864 je med eksperimentalno seanso, da bi pomagal prijatelju odpraviti hud glavobol, v usta nastavil lij z električno folijo, ki je naključno, ob razelektritvi, prenesla zvok krika od bolečine nesrečnika na drugo stran žice, kjer je Meucci s podobnim lijem tega naključno približal ušesu.

Ko se je Meucci posvetil odkritju in izdelal “teletrofon”, pa je prepozno deponiral risbe nove iznajdbe, zaradi tega je izgubil njeno avtorstvo.

Prvi, ki je marca leta 1876 pridobil redni patent za električni telefon, je bil britanski znanstvenik z ameriškim državljanstvom Alexander Graham Bell (Edimburg, 3. marec 1847 – Beinn Bhreagh, 2. avgust 1922). V času njegovega odkritja možnosti prenašanja glasu preko aparata, je bil direktor Zavoda gluhonemih in je svojo iznajdbo takoj uporabil, da bi poskušal pacientom olajšati problem sluha.

Očetovstvo odkritja telefona je še danes kontroverzno, Meucci ga je spodbijal in leta 1888 dobil priznanje od Vrhovnega sodišča

115 Glas tece po elektricni žici

Združenih držav.

Revolucionarna Bellova naprava, je kot Morsejev telegraf, odlično delovala na kratkih razdaljah in nekoliko slabše na večjih, kjer je obstajal problem porazgubitve signala.

Med najbolj učinkovitimi izboljšavami električnega telefona za večjo jasnost glasu, je bilo izboljšanje mikrofona, ki je kovinsko folijo nadomestil z oglenimi ploščicami, da so ob spreminjanju pritiska na membrano spreminjale električni upor. To zamisel je imel Emile Berliner (Hannover, 20, maj 1851– Washington, 3. avgust 1929), genialni iznajditelj gramofona in fonografske plošče, ki je leta 1877 prvi patentiral ogleni mikrofon in ga pozneje prodal podjetju Bell Telephone Company za vrtoglavih 50.000 dolarjev.

116 Zgodba o elektriki

23 Valovi za odpravo razdalj

Guglielmo Marconi

IZNAJDBA RADIA

R

adio, možnost komuniciranja, predvajanja in prejemanja komunikacij v trenutku, brez fizičnih povezav, je še ena epohalna pridobitev za človeštvo. Čudež se je dogajal postopoma od leta 1864 dalje, ko je škotski matematik James Clerk Maxwell (Edimburg, 13. junij 1831 – Cambridge, 5. november 1879) objavil traktat o elektriki in magnetizmu “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, kjer je prvič predlagal, da je naravno valovanje svetlobe vzrok električnih in magnetnih pojavov in v katerem se je potrdil obstoj elektromagnetnih valov.

Heinrich Rudolf Hertz (Hamburg, 22. februar 1857 – Bonn, 1. januar 1894) je prvi eksperimentalno dokazal obstoj elektromagnetnih valov, o katerih je govoril Maxwell, in sicer s svojim oscilatorjem, imenovanim hertzov dipol (1887), ki je lahko na daljavo oddajal in prejemal radijske valove. V svetovnem sistemu prav njemu v čast merijo frekvenco v hertzih (1 hertz ustreza enemu nihaju na sekundo).

Danes pravzaprav nepoznan Italijan Temistocle Calecchi Onesti (Lapedona,14. december 1853 – Monterubbiano, 22. november 1922) je iznašel coherer (kohezer, povezovalni člen), napravo, ki je zaznala na daljavo oddajane elektromagnetne valove v takrat definiranem “etru”, oziroma prostoru, ki ločuje en predmet od drugega. Še en Italijan, bolonjski univerzitetni profesor Augusto Righi (27. avgust 1850 – 8. junij 1920) je povezal Hertzov oscilator na Ruhmkorffov valjček in mu tako povečal moč. Z njim je eksperimentalno dokazal, da elektromagnetni valovi predstavljajo iste pojave (odboj, refrakcijo in polarizacijo) kot svetlobni valovi in tako

Zgodba o elektriki

118

potrdil identiteto narave teh dveh vrst sevanja. Bil je učitelj Guglielma Marconija.

Leta 1895 je italijanski fizik Guglielmo Marconi (Bologna, 25. april 1874 – Rim, 20. julij 1937) začel s svojimi eksperimenti na elektromagnetnih valovih, da bi našel sistem oddajanja in sprejemanja signalov na daljavo.

Po intuiciji je povezal Onestijev kohezer na Hertzov ojačan oscilator in dodal eno oddajno in eno sprejemno anteno.

8. decembra 1895 je Marconijev aparat po številnih poskusih uspel sporočati in sprejemati Morsejev signal brez žic in to prvič v Italiji (pred tem so že drugi znanstveniki pridobili podobne rezultate, kot Nikola Tesla, ki je na začetku istega leta na razdalji 50 km oddajal med povezavo z West Pointom, tudi Rus Aleksandr Popov je maja istega leta izdelal sprejemnik).

Marconi je izpopolnil svoj radio, ki je v začetku deloval na srednjih valovih nekaj deset metrov, z novo ključno iznajdbo: sintoničnim aparatom, ki je lahko izbral sprejemni val in ga ločil od valov, ki so prihajali od drugih

119 Valovi za odpravo razdalj

virov.

Tako je 12. decembra leta 1901, eno stoletje po Voltovi iznajdbi baterije, Marconi uspel oddajati in sprejemati radijski val preko Atlantskega oceana. Tistega dne se je uradno začela doba telekomunikacij.

120 Zgodba o elektriki

Oleg Vladimirovich Losev

24

ODKRITJE ELEKTROLUMINESCENCE V DIODAH

Pozabljen primer

L

eta 1907 je v londonskih Laboratorijih Marconi podjetja Wireless Telegraph & Signal Company, ki ga je ustanovil Guglielmo Marconi leta 1897, mladi asistent Henry Round (Kingswinford, 2. junij 1881 – Bognor Regis, 17. avgust 1966) opazil nekaj izrednega.

Medtem, ko je delal na izpopolnjevanju kristalnega radia, tako imenovanih “cat’s whisker detectors” (detektorji z mačjimi brki), je opazil, da nekateri kristali aluminijevega silikata (carborundum), uporabljeni kot diode, ob prehodu električnega toka proizvajajo šibko svetlobo. V reviji “Electrical World” št. 49 iz leta 1907, je Round tako opisal svoje odkritje: “Opazil sem nenavaden pojav.”, “Pri aplikaciji potenciala 10 voltov med 2 točki karborundovega kristala, je kristal oddajal rumenkasto svetlobo.”, “ostali kristali pa so namesto rumenkaste svetlobe oddajali zeleno, oranžno, ali modro.”. “V vseh opazovanih primerih je bilo svetlobo videti le na negativnem polu, medtem ko je na pozitivnem polu bila samo ena modro-zelena iskra.”

Odkril je elektroluminescenco zaradi katere nekateri materiali lahko oddajajo svetlobo, če gre preko njih snop elektronov, vendar si tega ni uspel razložiti.

Tisti, ki je kakšnih 20 let pozneje razumel to obnašanje in potencial tiste nežne svetlobe, je bil ruski raziskovalec, zaposlen v sovjetski tovarni radijskih aparatov.

To je bil Oleg Vladimirovič Losev (Tver, 10. maj 1903 – St. Petersburg, 22. januar 1942). Ob opazovanju obnašanja nekaterih diod in poskusu ojačanja sprejema radijskih signalov, je Losev opazil čudno luminescenco,

Zgodba o elektriki

122

ki je prihajala iz negativnega pola kristalnega karborunda.

Ugotovil je, da gre za novo vrsto svetlobe in poskusil postaviti kapljico benzena na svetleči del diode ter izračunal čas izparevanja. Kapljica je izparevala enako dolgo kot na nesvetlečem delu. Bil je dokaz, da je bila tista svetloba hladna, torej ni proizvajala nobene toplote.

Poleg tega se je ob prehodu toka svetloba kristala karborunda nenadoma aktivirala in enako hitro ugasnila, ko toka ni bilo več. Losev je takoj zaslutil, kakšne ogromne potencialnosti te izjemne značilnosti bi bile, če bi jo aplicirali na telekomunikacije: leta 1927 je patentiral “svetlobni relé”, aparat, ki je ob trenutnem odpiranju in zapiranju lahko služil za prenos signalov.

Losev je o tem zapisal naslednje: “Moja iznajdba izkorišča luminescenco karborundovega detektorja kot relé za hitre telegrafske, telefonske komunikacije, za prenose slik in druge aplikacije, kjer se neka kontaktna točka luminescentne svetlobe uporabi kot vir svetlobe, neposredno povezane na krogotok moduliranega toka”.

Njegova intuicija je za petdeset let prehitela tehnologijo optičnih vlaken, ki se je danes razširila za pospešitev izmenjave podatkov.

V številnih člankih (žal napisanih samo v cirilici, kar gotovo ni olajšalo širjenja njegovih odkritij) je mladi ruski raziskovalec poskusil razložiti učinek luminescence in ga definiral kot “obratno od fotoelektričnega učinka”, a ker ni imel matematičnih osnov kvantnega fizika, ni tega uspel nikoli dokazati. Ni niti imel časa. Losev je premlad umrl Pozabljen primer

123

leta 1945, komaj 38 let star med obleganjem Leningrada, in ni mogel izkoristiti doprinosa svojih pomembnih odkritij.

Opazili so ga ameriški raziskovalci, ki so se mnogo let pozneje ukvarjali z LED tehnologijo.

124 Zgodba o elektriki

Inovacija, vredna Nobelove nagrade

25

Akira Yoshino

LITIJEVE BATERIJE ZA PONOVNO POLNJENJE

A

kira Yoshino (Suita, 30. januar 1948), inženir kemije v japonskem podjetju Ashahi Kasei, je v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja začel z eksperimentiranjem alternativnih rešitev za kemično baterijo, popolnoma drugačno od vseh predhodnic. Na podlagi študijev, ki sta jih opravila Michael Stanley Whittingham (Nottingham, 22. decembra 1941) in John Bannister Goodenough (Jena, 25. julij 1922) je ugotovil, da so litijevi ioni lahko najboljši kandidati za rešitev glavnega problema ponovnega polnjenja: da je proces praznjenja in polnjenja reverzibilen, ne sme proizvajati kemičnih sprememb baterijskih komponent.

Do takrat uporabljena tehnologija akumulatorjev je bila osnovana na kemičnem procesu redoks med elektrodami, ki so prav zaradi take kemične spremembe prepuščala elektrone od katode do anode na nepovraten način, zato je baterija ob vsakem ciklusu polnjenja postajala vse šibkejša. V primeru ponovno polnljivih baterij pa v litijevih ionih, ki jih je iznašel Yoshino, ni “kemične“ reakcije med elementi, ki sestavljajo anodo in katodo, ampak gre za “fizični” proces premikanja litijevih ionov z ene strani na drugo, zaradi česar se baterija lahko prazni in polni brez molekularne spremembe elektrod.

Preprosto si lahko predstavljamo dve elektrodi ene baterije na ponovno polnjenje kot vezne posode: dve posodici z vodo, povezani na cev na spodnji strani, ki se glede na relativno višino med njima, izpraznita in se zaradi gravitacijske sile, ki privlači vodo, spet napolnita iz ene posode v drugo. Pretok vode (torej, tok elektronov v bateriji) preide iz višje posodice v nižjo ter izprazni višjo posodo in napolni nižjo, a se ponovno napolni, če

Zgodba o elektriki

126

nižjo posodo postavimo višje. V primeru veznih posod je uskladiščena energija, ki je služila za premagovanje gravitacijske sile in za prestavitev nižje posodice na višjo raven, kinetična energija, medtem pa je v primeru baterije na ponovno polnjenje električna energija tista, ki ponovno potiska elektrone na začetno točko.

Ko uporabimo napetost za ponovno polnjenje, vsak litijev atom v pozitivni elektrodi izgubi po en elektron; atomi se spremenijo v litijeve ione, ki potujejo proti negativni elektrodi, kjer si ponovno prilastijo svoje elektrone.

Tako je baterija napolnjena. Ko se pa baterija sprazni, imamo obraten proces: baterija sprosti vse elektrone iz negativnega pola in slednji potujejo proti pozitivnemu polu in proizvajajo tok in spet zasedejo pozitivni pol.

Ko je japonski fizik Yoshino začel delati na problemu učinkovite baterije na ponovno polnjenje, je vedel, da bi v notranjosti naprave električni naboj moral teči na povsem nov način, da se elektrode ne bi izrabile. Začel je uporabljati litij-kobaltov oksid ((Li1-xCoO2), ki ga je kakšno leto prej odkril nemški fizik z ameriškim državljanstvom John Bannister Goodenough (Jena, 25. julij 1922), ter poskusil razumeti najboljši način, da bi deloval kot pozitivna elektroda. Ko se je ta oksid spodbujal, je dejansko dajal pozitivne naboje, ki so prihajali od litijevih ionov. Vendar pa Yoshino še ni imel negativne elektrode, ki bi lahko absorbirala in uskladiščila litijeve ione, proizvedene z litij-kobaltovim oksidom. Poskusil je uporabiti vrsto ogljika s spremenjeno kristalno strukturo, ki je bila za ta namen zelo učinkovita. Manjkala pa je še zadnja bistvena sestavina: primeren elektrolit, ki bi bil most med elektrodami za prenos ionov od enega do Inovacija, vredna Nobelove nagrade

127

drugega. Vse prejšnje baterije na ponovno polnjenje so v bistvu uporabljale vodo za podlago za elektrolitske raztopine, ampak je slednja imela veliko težavo, ker ni zmogla usmerjati več kot 1,5 voltov. Yoshino je moral torej ponovno odkriti veliko bolj zmogljiv elektrolit od okisane vode, ki bi presegel prenizek prag 1,5 volta, neuporabnega za prenosne naprave, ki jih sedaj uporabljamo. Yoshino je želel zamenjati vodo z organskim topilom (poliacetilen) in je uspel moč skoraj potrojiti in pridobiti 4 volte namesto prejšnje šibke napetosti.

Yoshino je uvedel še eno inovacijo, ki je omogočala izmenjavo elektronov med anodo in katodo ter povečala površino elektrod z uporabo aluminijevih folij, premazanih z zmesjo litijevega oksida in elektrolita, ki jih je nato tesno ovil, kot marmeladno rolado, da je pridobil valjaste baterije.

Glavni problem, ki ga je bilo treba še rešiti, preden bi nove baterije na ponovno polnjenje poslali v proizvodnjo, je bila odprava nestabilne litijeve narave. Ker je zelo reaktivna kovina, bi zaradi pregrevanja med vsakim ciklusom polnjenja in praznjenja v nekaterih primerih lahko zagorela ali celo eksplodirala. Yoshino je uspel rešiti to ključno težavo tako, da je vstavil izredno tanko folijo posebnega plastičnega mikroporoznega materiala, ki bi ločeval razne elemente. Če se je med postopkom polnjenja in praznjenja baterija preveč pregrevala, se je folija po dosegu mejne temperature stalila in zamašila svoje porozne dele ter ustvarila izolirno pregrado. S prekinitvijo pretoka litijevih ionov med elektrodami, je baterija nehala proizvajati toploto in je bila takoj zavarovana pred eksplozijo.

Zgodba o elektriki

128

Litijeva baterija na ponovno polnjenje je bila sedaj pripravljena za proizvodnjo in predana svetovnemu tržišču.

Prva je to leta 1980 storila japonska družba Sony.

Leta 2019 je Akira Yoshino prejel Nobelovo nagrado za kemijo, skupaj z drugima dvema raziskovalcema, ki sta omogočila dosego tega osupljivega rezultata: Michael Stanley Whittingham in John Bannister Goodenough.

Danes lahko z litijevo baterijo na ponovno polnjenje nosimo v žepu takojšnjo povezavo z vsem svetom, kar odpira možnosti za neomejeno komuniciranje in informiranje: pripomoček brez primere za sodobni svet in izziv za bodoče generacije.

LITIJEVA BATERIJA: 180 LET ODKRITIJ IN INOVACIJE 1800 – Alessandro Volta iznajde prvi generator toka z vodnim elektrolitom: baterija 1812 – Giuseppe Zamboni realizira prvo suho baterijo na manganov dioksid 1816 – William Hyde Wollaston izumi baterijo »na skodelice« 1836 – Daniell razvije svojo baterijo 1838 – Grove razvije svojo baterijo 1841 – Bunsen razvije svojo baterijo 1859 – Gaston Planté izdela prvi akumulator (baterija svinec-kislina).

1866 – Georges Leclanché iznajde in patentira prednika suhe baterije Inovacija, vredna Nobelove nagrade

129

1886 – Carl Gassner patentira suho baterijo z elektrolitom, ki ni več na podlagi vode 1893 – Weston iznajde svojo baterijo 1912 – Gilbert N. Lewis izdela prvo litijevo baterijo, ki je ni mogoče ponovno polniti 1914 – Charles Féry iznajde baterijo cink-zrak 1936 – Emil Baur in H. Preis iznajdeta baterijo na metan 1942 – Samuel Ruben realizira baterijo na živo srebro 1947 – O.K. Davtyan izdela gorivno baterijo s trdnim elektrolitom 1950 – Samuel Ruben iznajde baterijo na srebrov oksid 1950 – Lewis Urry patentira alkalno baterijo 1954 – Francis Thomas Bacon baterijo na vodik in kisik 1957 – se začne trženje baterij na živo srebro (RubenMallory).

1970 – ameriške in japonske družbe izdelajo prve litijeve baterije, ki jih ni mogoče ponovno polniti 1977 – Michael Stanley Whittingham patentira eksperimentalno litijevo baterijo na ponovno polnjenje, neprimerno za trženje 1979 – John Bannister Goodenough odkrije postopek za povečanje energetske gostote litijevih baterij 1979 – Akiro Yoshino najde rešitev za izboljšanje proizvodnje in za stabilnejše litijeve baterije na ponovno polnjenje 1980 – Prve litijeve baterije začne proizvajati Sony 2019 – Nobelova nagrada za kemijo podeljena trem iznajditeljem litijeve baterije na ponovno polnjenje: Michael Stanley Whittingham, John Bannister Goodenough in Akira Yoshino.

Zgodba o elektriki

130

26 Dopirani kristali za razsvetljavo

Nick Holonyak Jr.

SVETLECE DIODE IN MODRI LED

I

zraz “LED” je kratica za angleški Light Emitting Diode (“dioda, ki oddaja svetlobo”).

Da bi razumeli, kako deluje, se je treba najprej povrniti k načelu diode, da potem na splošno pregledamo, kako je ta elektronska komponenta, tako pomembna za področje telekomunikacij, lahko bila uporabljena v tako različne namene od tistega, za katerega je bila zamišljena.

Dioda je naprava, ki vodi električni tok v eno samo smer, kot bi bila nepovratni ventil v vodovodni napeljavi.

Ena od tipičnih uporab je tudi “poravnati” tok iz izmeničnega v enosmernega, na primer pri polnilnikih pametnih telefonov, ki spreminjajo električno energijo iz distribucijskega omrežja (220 voltov izmenični) na primerno napetost za baterijo (5 voltov enosmerni).

Dioda ima torej zelo nizek upor – idealno teži k ničli – v eno smer in izredno visokega – idealno neskončnega – v nasprotni smeri.

S svetlečimi diodami prehod toka v eno samo smer med anodo in katodo, pozitivno elektrodo in negativno, ne pojača radijskega signala in ne poravna tokovnega vala, ampak povzroči oddajanje vidne svetlobe.

Električna energija pa je, namesto da bi ostala vprežena v krogotok v obliki pretoka elektronov, prisiljena porazgubiti se navzven v obliki fotonov (kot je Einstein predvidel v svoji teoriji o fotoelektričnem pojavu, ki v tem primeru deluje zrcalno).

Prvi LED je leta 1962 v laboratorijih General Electric Company izdelal ameriški raziskovalec Nick Holonyak Jr. (Zeigler, 3. november 1928). Proizvajal je šibko rdečo Zgodba o elektriki

132

svetlobo, primerno za opozorilne lučke.

Bila je svetleča dioda, izdelana iz kristala galijevega arzenida, umetno spremenjenega z molekularno tehniko imenovano “dopiranje”, da bi prisilili elektrone k sproščanju fotonov.

V umetno “dopiranih” kristalih sta dve sosednji področji s precej elektroni na enem koncu in z maloštevilnimi na drugem. Dve območji sta ločeni z neke vrste elektromagnetno pregrado, ki se obnaša kot nekakšna membrana in ločuje dve raztopini neke tekočine z različno koncentracijo. V trenutku, ko območje z veliko krožečimi elektroni prečka električni tok, odvečne elektrone potisne preko elektromagnetne pregrade, kot z učinkom nekega pritiska, ti pa gredo uravnovesiti “revno” območje. Med prehajanjem se izrablja energija preko izpustov fotonov, kar je ravno LED svetloba.

V glavnem je elektromagnetno pregrado mogoče preseči z večjo napetostjo od 0,7 voltov - 0,9 voltov, odvisno od kemičnega elementa, iz katerega je sestavljen LED. “Dopiranje” polprevodnega kristala je bistvenega pomena za pridobivanje razlik v dolžini vala in spremenljive intenzivnosti oddane svetlobe, kar je ključni postopek za pridobivanje vedno bolj svetlih LED. Po pionirskem delu podjetja General Electric Company v letu 1962, so postopoma izdelovali vse učinkovitejše rešitve, s prehodom od rumene svetlobe do zelene, in Dopirani kristali za razsvetljavo

133

testirali nove metodologije in dopirane polprevodne materiale z molekularnimi mešanicami, ki so bile vse bolj izpopolnjene.

Pomemben korak je bilo tudi odkritje v devetdesetih letih prejšnjega stoletja sestavin mešanice za pridobitev LED svetlobe modre barve, ki je končno omogočila razpolaganje s popolnim trojčkom barvnega modela RGB (rdeč zelen moder).

S temi tremi barvami je možno proizvajati LED svetlobo katere koli nianse vidnega spektra, med katerimi je za razsvetljavo bistvenega pomena bela svetloba.

Z modrim LED je bilo mogoče začeti z industrijsko proizvodnjo LED za razsvetljavo z majhno porabo in tudi tisto za barvne in vse bolj učinkovite zaslone, od najmanjših in lahkih, kot so zasloni pametnih telefončkov do velikanskih za nogometna igrišča.

Leta 2014 so za odkritje modrega LED prejeli Nobelovo nagrado za fiziko japonski raziskovalci Isamu Akasaki, Hiroshi Amano in Shuji Nakamura.

134 Zgodba o elektriki

Russel Shoemaker Ohl

27

CELICE S SELENOM IN SENDVIC S SILICIJEM

Vsa elektrika ob soncni svetlobi

L

eta 1963 je japonsko podjetje Sharp prvo začelo tržiti fotovoltaične module. Od takrat so številne tovarne v Evropi, Ameriki in na Kitajskem začele proizvajati po vedno nižjih cenah te generatorje električnega toka, ki so danes ena od najbolj obetajočih obnovljivih virov za zmanjšanje škodljivih izpustov CO2 v ozračje.

Fotovoltaična plošča je statična naprava brez gibljivih delov, ki porazgubijo energijo med trenjem in ki ne potrebuje turbine, ki jo poganja motor z notranjim izgorevanjem.

Ta zelena tehnologija je zamujala s svojim uveljavljanjem tudi zato, ker je od odkritja fizikalnega načela, ki je osnova njenega delovanja, do njenega obsežnega trženja, minilo veliko časa: okrog 125 let.

Poglejmo skupaj glavne smernice, kako je do tega prišlo.

Osnova delovanja solarne plošče je fizikalno obnašanje nekaterih materialov, ki ob izpostavitvi sončni svetlobi proizvajajo šibak pretok toka.

V prvih mesecih leta 1888 je italijanski fizik Augusto Righi, (27. avgust 1850 – 8. junij 1920), o katerem smo že govorili v zvezi z lastnostmi elektromagnetnih valov (glej pogl. 23), v svojem laboratoriju na bolonjski Univerzi odkril, da v primeru, ko prevodno kovinsko ploščo zadene ultravijolično sevanje, se ta nabije pozitivno. Righi je ta pojav imenoval “fotoelektrični učinek”, vendar si ga ni uspel razložiti.

Nekaj let pozneje, leta 1839, je mladi francoski raziskovalec Alexandre-Edmond Becquerel (Pariz, 24. marec 1820 – 11. maj 1891), ki se je ukvarjal z Zgodba o elektriki

136

eksperimentiranjem elektrolize na različnih kovinah, med nekaterimi laboratorijskimi pokusi opazil, da če je skledo z elektrolitsko raztopino, v kateri so bile potopljene kovinske elektrode, izpostavil sončni svetlobi, se je proizvajal izredno šibak električni tok. Ker se je učinek z nekaterimi kovinami večal, a z drugimi manjšal, je znanstvenik prišel do v bistvu pravilnega zaključka, da je bila izpostavitev kovine na sončno svetlobo tista, ki je proizvajala tok in ne elektrolitska raztopina. Ta pojav je imenoval “fotogalvanski” ali “fotovoltaični”, v čast dveh velikih italijanskih fizikov. Dejstvo pa je ostajalo popolnoma nerazumljivo tudi njemu, kot je bilo Righiju nekaj let prej: zakaj je svetloba proizvajala električni tok v kovini, izpostavljeni svetlobi?

Odgovoriti na to vprašanje v času Righija in A.E. Becquerela, je bilo povsem nemogoče. Teoretični ključ nerazložljivega obnašanja je prišel več kot šestdeset let pozneje, leta 1905 z revolucionarno teorijo o fotoelektričnem učinku Alberta Einsteina (Ulm, 14. marec 1879 – Princeton, 18. april 1955), s katero je veliki nemški genij, Nobelov nagrajenec za fiziko leta 1921 prav za to teorijo, vpeljal koncept fotona, “svetlobnega delca”.

Nemški fizik je bil že od otroštva prevzet s fantastičnimi lastnostmi elektromagnetnih polj, morda zato, ker ga je oče že v mladosti vozil s seboj v milansko podjetje, ki je izdelovalo diname in električne motorje, in je takrat izoblikoval absolutno izviren pogled na fiziko. Svetloba, materija in tudi prostor so vsi povezani med seboj, izraz različnih odnosov med energetskimi polji (znano je, da celo gravitacijska sila za Einsteina, v teoriji, zapisani v delu “Teorija relativnosti” ne velja kot prava sila, ampak kot Vsa elektrika ob soncni svetlobi

137

posledica ukrivljenosti vesolja, ki nastaja zaradi atomske interakcije). Ta revolucionarni teoretični pristop se je ujemal z načelom kvantne fizike Nemca Maxa Plancka, objavljenega leta 1900. Einstein je za razlago, kako je bilo mogoče proizvajati elektriko iz svetlobe, predvidel obstoj svetlobnih delcev brez mase in brez polarnosti, ki jih je imenoval “fotoni”. Preko matematičnih izračunov je uspel dokazati, da fotoni ob trku s površino kovin sproščajo elektrone z negativnim nabojem, ki s premikanjem proti pozitivnemu polu proizvajajo pretok električnega toka.

To je torej tehnična rešitev, vendar pa bi se tehnika za izkoriščanje fotoelektričnega učinka morala gibati po drugih tirih in z neposrednim opazovanjem narave in materialov, ki bi lahko bili najbolj učinkoviti pri izkoriščanju fotoelektričnega učinka v praktične namene.

Kmalu so opazili, da polprevodni materiali lahko prevzamejo višje fotoelektrične značilnosti kot kovine (v znanosti in tehnologiji materialov so polprevodniki materiali, ki spadajo v kategorijo polkovin in lahko Zgodba o elektriki

138

prevzemajo višjo elektroupornost od prevodnikov in nižjo od izolatorjev; elektroupornost je neposredno odvisna od temperature).

Selen je eden izmed teh: je najmočnejši naravni fotoelektrični material, kar jih poznamo. Njegovo izredno fotoelektrično lastnost je leta 1873 odkril Willoughby Smith (Great Yarmouth, 6. april 1828 – Eastbourne, 17. julij 1891), angleški inženir elektrotehnike, ki se je ukvarjal z nameščanjem telegrafskih kablov pod Rokavskim prelivom. Uporabil je selenove ploščice, da bi testiral kakovost delov kablov, ki jih je bilo treba pregledati, preden bi jih potegnili na celotno dolžino.

Elektroupornost selena je lahko simulirala prenos, kot če bi že potegnili celoten podmorski kabel in bi tako odpravili napako preden bi zaključili z delom. S tem je bilo skoraj nemogoče najti točno točko, kjer bi bilo treba posredovati. Vendar je bil test proti pričakovanjem izničen, ker so selenove ploščice namesto, da bi bile električno uporne, postale prevodnice elektrike. Smith je opazil, da je prevodnost naraščala čez dan, in slabela ponoči.

Takrat je poskusil tablice zaščititi pred sončno svetlobo: v tem primeru so bile meritve vedno uspešne. Selen je torej reagiral na svetlobo in proizvajal elektriko, če je bil izpostavljen soncu. Smith je ta nenavaden pojav opisal 20. februarja 1873 v članku “Effects of Light on Selenium during the passage of an Electric Current” (“Učinek svetlobe na selen med prehodom električnega toka”) v reviji Nature in dal iztočnico drugim znanstvenikom za laboratorijsko raziskovanje o tem nenavadnem pojavu, ki ga je on prvič opazil in mu je povzročil toliko težav s testi na kablih pod morjem.

Vsa elektrika ob soncni svetlobi

139

Rezultate sta leta 1877 William Grylls Addams (Laneast, 18. februar 1836 – Broadstone 10. avgust 1915) in njegov asistent Richard Evans objavila v članku “The action of Light on Selenium” (“Delovanje svetlobe na selen”), ter v Proceedings of the Royal Society of London. Z znanstveno potrditvijo izrednih lastnosti selena, objavljenih v tako prestižni reviji, je čas končno dozorel za realizacijo fotovoltaične celice, ki so jo prav kmalu za tem tudi izdelali.

Do ideje je prišel ameriški iznajditelj Charles Fritts (1850 – 1903). Leta 1879 je uporabil selen za izdelavo prve fotovoltaične plošče, sestavljene iz ene plasti selena in ene plasti zlata. Na svoje ogromne stroške je leta 1884 montiral tako ploščo na streho nebotičnika v New Yorku in uspešno dokazal, da njegov “generator brez gibljivih delov” resnično deluje.

Izkoristek tiste fotovoltaične plošče, prve na svetu, je bil približno 1% v primerjavi z 29% najboljših aktualnih plošč. Njena Ahilova peta je bil seveda strošek materialov, previsok za tako majhen izkoristek.

Genialna, a izredno draga Frittsova iznajdba je bila ovržena ob rojstvu in tudi takoj pozabljena. Izkazala pa se je za nenadomestljivo približno devetdeset let pozneje v popolnoma drugačnem kontekstu - v fotografiji.

Majhne ploščice iz selena in zlate folije se danes splošno uporabljajo v senzorjih fotokamer in digitalnih Zgodba o elektriki

140

video naprav.

Da bi solarna plošča postala splošno uporabna kot generator toka, je bilo treba najti cenejše materiale.

Iskanje je trajalo veliko let, končno so ugotovili, da je to silicij, polprevodni material, ki je lahko imel dober fotovoltaični izkoristek z molekularnim “dopiranjem”, podobnim tistemu, ki smo ga opisali v prejšnjem poglavju v zvezi z LED. Russell Shoemaker Ohl (30. januar 1898 – 20. marec 1987), genialni inženir, zaposlen v slavnih Bell Labs ameriške elektronske industrije, je leta 1941 uspel izdelati fotovoltaično celico na osnovi silicija in brez zlate folije.

Podlaga za ta preobrat je bilo odkritje izpred treh let o delovanju elektromagnetne pregrade, tako imenovanega spoja P-N, polprevodnikov, “dopiranih” z nečistočami za povečanje učinka. To tehniko so uporabljali pri vseh tipih diod, ki se izdelujejo v elektronski industriji. V fotovoltaičnih ploščah s silicijem, ko sončna svetloba v stiku z drogiranim silicijem proizvaja elektrone, se slednji ne morejo vrniti nazaj v obtok in se stabilizirajo v začetnem izvornem pasu, a so “prisiljeni” pretakati se, skoraj kot pri ozmozi, preko membrane spoja, v eno samo smer in s tem ustvarjati pretok enosmernega električnega toka solarne plošče.

Leta 1955 so na podlagi dela R.S. Ohla, Gearl Pearson, Vsa elektrika ob soncni svetlobi

141

Daryl Chaplin in Calvin Fuller, v ameriških Laboratorijih Bell, izpopolnili celico s silicijem, ki je lahko napajala oddajno-sprejemni aparat za vojsko, leta 1958 pa so na satelitu Vanguard namestili fotovoltaično celico za dovajanje energije napravi, ki je ostala v zemeljski orbiti 6 let.

Po letu 1963, odkar je japonsko podjetje Sharp začelo s serijsko proizvodnjo sončnih plošč iz silicija, je prišlo do hiperboličnega vzleta proizvodnje fotovoltaičnih plošč po vsem svetu.

Amerika, Evropa in Kitajska že danes tekmujejo zato, da bi se ta tehnologija z vidika zelene preusmeritve širila po vse nižjih in konkurenčnih cenah v številne države, ki bi tako rešile problem globalnega segrevanja in klimatskih sprememb.

142 Zgodba o elektriki

KAZALO Nenadomestljiv vir 1 1. Nerazumljive privlačnosti 5

Odkritje električnih in magnetnih pojavov 2. Tekoča kot voda 13 Gilbertov “Effluvium electricus” 3. Sistem strojev za iskrenje 17 Vrteče krogle in starinski elektrogeneratorji 4. Šokantna steklenica 23 Prvi električni kondenzator 5. Vodne cevi in zaščiteni otoki 29 “Prevodni” materiali in “izolirne” snovi 6. Steklena ali smolnata? To je tu vprašanje 33 Prva znanstvena teorija o elektriki 7. Kot strela z neba v Philadelphiji 37 Benjamin Franklin in papirnati zmaj v nevihti 8. Kot od strele zadet za znanost 43 Kroglasta strela, ki je spremenila zgodovino o elektriki 9. Zevsove zadeve 47 Kako “triangulirati” 5.000.000 strel na dan?

10. V iskanju gonilne sile življenja 51 Odkritje biološke elektrike 11. Največje odkritje vseh časov 57 Volta in njegova baterija, prvi statični generator 12. Prestaviti materijo z enega pola na drugega 65 Čarobnost galvanoplastike 13. Mehurčki razodetja 69 Elektrolitska sestava molekul 14. Naj bo luč 73 Davy in obločni varilnik 15. “Angleški ključ”, ki je odprl pot bodočnosti 77 Odkritje elektromagnetne indukcije

16. Učinkovite energetske rotacije

Električni dinami in tramvaji 17. Črke na bakreni nitki Električni telegraf in Morsejeva intuicija 18. Električna svetloba namesto plina Edisonova žarnica in furlanski inovator Malignani 19. Druge bleščeče ideje Neonske reklamne table in indukcijske žarnice 20. Genialna “alternativa” Teslova elektrika, ki je spremenila svet 21. “Naj bo sila s tremi” Vrtilno magnetno polje in rojstvo trifaznega motorja 22. Glas teče po električni žici Iznajdba telefona 23. Valovi za odpravo razdalj Iznajdba radia 24. Pozabljen primer Odkritje elektroluminescence v diodah 25. Inovacija, vredna Nobelove nagrade Litijeve baterije za ponovno polnjenje 26. Dopirani kristali za razsvetljavo Svetleče diode in modri LED 27. Vsa elektrika ob sončni svetlobi Celice s selenom in sendvič s silicijem

81 87 93 99 103 109

113 117 121 125 131 135

144 Zgodba o elektriki

Blažitev podnebnih sprememb in ohranjanje virov energije sta globalna izziva, ki terjata izvajanje konkretnih ukrepov za varčevanje z energijo in krepitev energetske učinkovitosti.

Italija in Slovenija se trudita v smeri doseganja ciljev, ki sta si jih v okviru EU zastavili glede zmanjšanja izpustov toplogrednih plinov in krepitve energetske učinkovitosti.

Projekt LightingSolutions bo prispeval s svojimi aktivnostmi, ki bodo dolgoročno izboljšale energetsko učinkovitost in upravljanje razsvetljave v javnih stavbah, pa tudi energetsko varčno upravljanje in vedenje nasploh.

GORIŠKA LOKALNA ENERGETSKA AGENCIJA

COMUNE DI DOBERDÒ OBČINA DOBERDOB

COMUNE DI MEDEA