Elektryczność bez żaby i prawo Ohma


26-10-2022 21:54:21

Opisane w poprzednim odcinku tego cyklu felietonów odkrycia Galvaniego miały doniosłe znaczenie, gdyż wykrył on związki pomiędzy elektrycznością i aktywnością mięśni, a potem także elektryczną naturę funkcjonowania układu nerwowego. Elektryczność napędzana żabimi udkami nie na wiele by się jednak zdała. Ilu żab byśmy potrzebowali, żeby zasilić całą polską sieć elektroenergetyczną?

Na szczęście udało się wykazać, że dla uzyskania prądu elektrycznego żaba nie jest potrzebna – wystarczą dwa różne metale i elektrolit pomiędzy nimi. Zjawisko to posłużyło innemu słynnemu badaczowi przyrody, jakim był Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745 – 1827), do budowy pierwszych użytecznych praktycznie źródeł energii elektrycznej. Odkrycie Volty polegało na tym, że w 1800 roku wykazał on, że napięcie elektryczne powstaje pomiędzy płytkami miedzianymi i cynkowymi, jeśli pomiędzy nimi jest przekładka nasączona wodnym roztworem kwasu siarkowego. Był to cios w teorię elektryczności zwierzęcej Galvaniego, więc pomiędzy oboma odkrywcami wyniknął spór, który trwał przez wiele lat. Ale w sprawie wytwarzani elektryczności racja był zdecydowanie po stronie Volty. Wygodne ogniwo złożone z dwóch płytek metalowych i szmatki nasączonej kwasem pojawiło się w pracowniach przyrodników w całej Europie, a kolejne odkrycie Volty, polegające na tym, że takie płytki i szmatki można było układać jedne na drugich, tworząc tak zwany stos elektryczny – zupełnie zrewolucjonizowało sposób korzystania z elektryczności. Stos mógł wytwarzać stosunkowo wysokie napięcie (jeśli się ułożyło dużo płytek) i dostarczać w sposób ciągły energii elektrycznej, dlatego skutkiem jego wynalezienia było pojawienie się możliwości badania przepływu prądu elektrycznego, wcześniej praktycznie nieznanego.

Volta został doceniony na wiele sposobów

Napoleon Bonaparte, któremu Volta zaprezentował swój stos w 1801 roku, docenił znaczenie tego odkrycia i wynagrodził wynalazcę prawdziwie po królewsku. Uczynił go hrabią, senatorem Królestwa Włoch, odznaczył specjalnym medalem i przyznał mu bardzo wysoką stałą pensję. Prócz tego Volta otrzymał także Legię Honorową, a fizycy ustalając jednostkę napięcia elektrycznego nazwali ją Volt.

Bazując na wynalazku Alessandro Volty budowano przeróżne elektryczne ogniwa. Niektóre były bardzo duże (rozmiarów beczki albo wiadra), inne – zwłaszcza używane obecnie – bywają miniaturowe. Używa się różnych metali i różnych elektrolitów. Dla uzyskania większej energii ogniwa elektryczne łączy się w zespoły, które na zasadzie analogii z zespołami armat zaczęto nazywać bateriami. W jednym z wcześniejszych felietonów wyjaśniłem, skąd to artyleryjskie skojarzenie.

Ogniwa elektryczne tak dalece zawładnęły świadomością fizyków, że przez pewien czas nie wyobrażano sobie, że można pozyskiwać prąd elektryczny z innego źródła. Nawet fenomenalny wizjoner, jakim był Jules Verne, wymyślając futurystyczny okręt podwodny kapitana Nemo (w powieści „Dwadzieścia tysięcy mil podmorskiej żeglugi”) nie był w stanie wyobrazić sobie innego źródła energii do napędu tego okrętu, jak tylko baterię elektryczną – oczywiście genialną. Niemniej obecnie sformułowanie „potężny okręt podwodny na baterię” brzmi nieco komicznie.

Wynalezienie przez Voltę ogniwa elektrycznego, a potem stosu i baterii elektrycznych skupiło uwagę badaczy na prądzie elektrycznym. Wcześniejsze prace przyrodników (i zabawy salonowe z elektrycznością, opisywane w jednym z wcześniejszych felietonów) dotyczyły nieruchomych ładunków elektrycznych gromadzonych na różnych przedmiotach (maszynach elektrostatycznych, ciałach eksperymentatorów, butelkach lejdejskich), a także w chmurach burzowych, z których uderzają pioruny. Dlatego ten dział wiedzy o elektryczności nazwano elektrostatyką, gdyż określenie „statyczny” jest synonimem określeń „nieruchomy”, „niezmienny”, „ustalony”. Jeśli uzyskiwano efekt przepływu ładunków (jak na przykład w doświadczeniach Noletta z podskakującymi gwardzistami królewskimi, opisanych w jednym z wcześniejszych felietonów) – to przepływ ten był krótkotrwały (aż do wyczerpania ładunku) i niewiele się dawało z tego wywnioskować. Tym bardziej godne podziwy jest osiągnięcie Stephena Graya, ubogiego angielskiego barwiarza, który hobbystycznie zajmował się nauką i w 1719 roku zbadał i opisał przewodnictwo elektryczne, dzieląc znane mu substancje na przewodniki i izolatory. Ale Gray badania przewodnictwa prowadził, używając jako źródła elektryczności rurki szklanej, którą pracowicie pocierał w celu wytworzenia potrzebnych mu ładunków elektrycznych, co było bardzo męczące. 

Tymczasem w przewodnikach dołączonych do stosu elektrycznego można było uzyskać długotrwały przepływ prądu, który sam w sobie mógł stanowić obiekt badania. Na początku XIX wieku wielu uczonych wykorzystywało stos Volty i badało efekty towarzyszące przepływowi prądu. Odkryto wtedy związki pomiędzy zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi, ale o tym napiszę w osobnym felietonie. Natomiast w tym tekście chcę opisać koncepcję Niemca, Georga Simona Ohma, który w 1825 roku wprowadził fundamentalne dla całej elektrotechniki prawo, wiążące natężenie płynącego prądu z wartością napięcia, które ten prąd wywołuje, oraz opornością przewodnika, przez który prąd przepływa. Podobno Ohm wymyślił to prawo spacerując brzegiem rzeki. Zaobserwował, że tam, gdzie spadek jest większy – woda płynie szybciej. Wywnioskował z tego, że przepływ prądu jest większy, gdy do obwodu elektrycznego przyłożone jest większe napięcie. Dostrzegł też, że woda płynie szybciej, gdy koryto rzeki jest gładkie i proste, a przedziera się wolniej, gdy napotyka liczne przeszkody. Wywnioskował, że tak samo działa opór elektryczny przewodnika. Gdy jest mały, to może płynąć większy prąd. Ale gdy opór jest duży, to (przy tym samym napięciu) płynie mniejszy prąd.

Ohm opisał odkryte prawo mało zrozumiałym językiem, więc środowiska naukowe odnosiły się do niego nieufnie. Ale dziś na nim opiera się cała elektrotechnika. Fizycy uczcili je, nadając jednostce oporu elektrycznego nazwę Ohm.

Ryszard Tadeusiewicz

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl