Elektryczność pracuje

W 1800 roku stworzono efektywne źródło prądu elektrycznego w postaci tak zwanego stosu elektrycznego Aleksandra Volty. Był to prototyp wszystkich współczesnych baterii oraz akumulatorów. Posiadanie takiego wydajnego źródła prądu zbliżyło naukowe badania elektryczności do jej praktycznych zastosowań – co samo w sobie było już rewolucją. Wcześniej podstawą wszystkich badań było uciążliwe uzyskiwanie ładunków elektrycznych metodą pocierania różnych substancji, co oczywiście wykluczało możliwość uzyskania efektów mogących mieć znaczenie praktyczne.

Stos elektryczny Volty tę sytuację radykalnie zmienił. Jednak mimo posiadania tego epokowego wynalazku na początku XIX wieku znaleziono dla prądu elektrycznego tylko jedno zastosowanie: w elektrochemii. Opisałem to w poprzednim artykule w wydaniu z 18 października. Zadziwiające jest, że do niczego więcej przez całe 20 lat elektryczności nie wykorzystywano, chociaż gromadzono na jej temat coraz więcej informacji!

Elektryczność i mechanika

Pierwszy „most" pomiędzy zjawiskami elektrycznymi (z samej swojej natury niepodlegającymi bezpośredniej zmysłowej obserwacji przez człowieka) a procesami mechanicznymi, których obserwacja jest łatwa i naturalna, przerzucił Hans Christian Orsted, który w 1820 roku zauważył, że znajdująca się w pobliżu przewodu z prądem igiełka kompasu magnetycznego odchyliła się. Igiełka była mała, a odchylenie niewielkie, siła zatem, której działanie zaobserwował Orsted, była porównywalna z siłą muchy. A jednak w ten sposób odkryto zjawisko, dzięki któremu działają wszystkie silniki elektryczne, nawet te największe, napędzające gigantyczne maszyny – na przykład w kopalniach czy w hutach.

To odkrycie uczonego, że płynący prąd wytwarza pole magnetyczne, wykorzystał pierwszy (na świecie!) inżynier zajmujący się elektrycznością, William Sturgeon. W 1825 roku wynalazł on elektromagnes. Nie był to wprawdzie jeszcze silnik elektryczny, ale było to już urządzenie zaprzęgające elektryczność do wykonywania pracy mechanicznej.

Możliwość chwytania różnych żelaznych obiektów, gdy w elektromagnesie włączano prąd, i zwalniania ich, gdy prąd został wyłączony, była już kluczem do wielu zastosowań. Między innymi dzięki temu udało się zbudować telegraf, o którym będzie mowa nieco dalej. Ale teraz zmierzamy do wynalazku silnika elektrycznego.

Pierwsze silniki elektryczne

Pierwszą demonstrację urządzenia, które się poruszało długotrwale pod wpływem przepływu prądu elektrycznego, przeprowadził w 1821 roku wspominany już we wcześniejszych artykułach Michael Faraday. Urządzenie składało się z okrągłej misy z rtęcią, w środku której umieszczony był magnes. Gdy do misy wpuszczono koniec zwisającego od góry przewodnika i podłączono prąd – który wpływał do przewodnika od miejsca jego zawieszenia, a wypływał poprzez rtęć u dołu – to przewodnik pod wpływem sił elektromagnetycznych zaczął krążyć wokół magnesu i nie ustawał w tym ruchu, dopóki nie wyłączono prądu. Energia elektryczna wytworzyła trwały efekt mechaniczny! To już zdecydowanie był silnik elektryczny, chociaż tak słaby, że nie byłby w stanie „uciągnąć" nawet dziecinnej zabawki. Jednak Faraday mógł wtedy wypowiedzieć znane słowa Galileusza: „Eppur si muove" (a jednak się kręci), przy czym Galileusz miał na myśli ruch obrotowy Ziemi zgodnie z teorią Kopernika, Faraday zaś miałby na myśli swój prototyp prasilnika.

Ruch obrotowy zębatej metalowej tarczy umieszczonej w polu magnetycznym uzyskał także w 1822 roku Peter Barlow, a potem w 1831 roku Faraday zbudował maszynę w formie dysku, która mogła pracować zarówno jako prądnica prądu stałego, jak i silnik zasilany takim samym prądem. Maszyny Faradaya i Barlowa były tylko konstrukcjami laboratoryjnymi, natomiast wynalazek silnika budowanego od początku z myślą o napędzie różnych maszyn i urządzeń wiąże się z osobą Amerykanina Josepha Henry'ego. W 1832 roku zbudował on pierwszy działający silnik elektryczny i opisał zasady jego działania.

Warto odnotować, że mały silnik elektryczny, naśladujący zasadę działania maszyny parowej, zbudował w 1834 roku inny Amerykanin, Thomas Davenport. W powszechnie używanej wtedy maszynie parowej tłok przemieszczał się tam i z powrotem wewnątrz cylindra pod wpływem ciśnienia pary. Davenport skojarzył to z działaniem elektromagnesu, który obserwował w fabryce Crown Point. Kupił ten elektromagnes, udoskonalił go, używając do izolacji przewodów jedwabiu z sukni ślubnej swojej żony, i zbudował silnik, w którym wykorzystał ruch magnesu wewnątrz cewki z prądem. Silnik działał, dlatego Davenport zastosował go najpierw do napędu małego modelu kolejki, a potem do napędu różnych urządzeń, m.in. tokarki, wiertarki i prasy drukarskiej. Widząc dobre wyniki działania swojej maszyny, Davenport opatentował jej koncepcję i w 1837 roku stał się właścicielem pierwszego w historii patentu na silnik elektryczny (U.S. Patent nr 132).

Mała siła – bardzo duże korzyści

Urządzenia elektryczne, których powstanie opisałem wyżej, były bardzo słabe. Elektromagnes Sturgeona mógł podnosić tylko małe przedmioty, silniki Henry'ego i Devenporta nie umywały się pod względem mocy do wszechobecnych już wtedy maszyn parowych, a w dodatku źródła energii elektrycznej, jakimi wtedy dysponowano (stosy elektryczne Volty), były też słabiutkie. Wydawać by się mogło, że elektryczność – ciekawa przyrodniczo, lecz wątła technicznie – nie odegra żadnej ważniejszej roli w historii cywilizacji. Stało się jednak inaczej. Prąd elektryczny miał bowiem jedną cechę, która okazała się bardzo cenna: mógł być przesyłany na duże odległości, a jego włączenie lub wyłączenie na jednym końcu linii przesyłowej było natychmiast zauważalne na drugim końcu.

To był klucz do nowoczesnej telekomunikacji. Różne pomysły na przekształcanie impulsów prądu na przesyłane wiadomości mieli różni wynalazcy, ale praktyczne znaczenie zyskał telegraf wynaleziony w 1833 roku przez Samuela Morse'a.

Zasada działania telegrafu Morse'a była bardzo prosta. Na jednym końcu linii przesyłającej informację było źródło prądu (ogniwo elektryczne) oraz wyłącznik, nazywany również kluczem. Za pomocą klucza można było podłączyć prąd do linii na dłuższą lub krótszą chwilę. W położeniu spoczynkowym prąd był odłączony. Na drugim końcu linii był elektromagnes, który przyciągał żelazną zworę, gdy otrzymywał poprzez linię impulsy prądu. Do zwory przymocowany był pisak, który zaznaczał ślady na przesuwającej się równomiernie papierowej taśmie. Gdy zwora była przyciągana na krótko – ślad ten miał postać kropki. Gdy elektromagnes działał dłużej – ślad miał formę kreski. Do tego nie potrzeba było dużej siły, wszystko więc działało bardzo sprawnie mimo niewielkiej energii, jaką dysponowały pierwsze źródła prądu.

Sukces telegrafu wynikał głównie z tego, że Morse opracował używany do dziś sposób kodowania liter i cyfr za pomocą kropek i kresek (tak zwany kod Morse'a). Kod ten był nieprzypadkowy: znaki często występujące w tekstach były kodowane krótkimi kombinacjami kropek i kresek. Na przykład często występująca w języku angielskim litera „E" była przesyłana jako jedna kropka. Natomiast wysłanie litery „Q" wymagało dwóch kresek, kropki i jeszcze jednej kreski, ale ta litera występuje w tekstach zdecydowanie rzadziej. Jako ciekawostkę dodam, że dramatyczny sygnał SOS wyglądał tak: trzy kropki (litera S), przerwa, trzy kreski (litera O), przerwa, trzy kropki. Tak wołał o ratunek tonący „Titanic"...

Telegraf Morse'a

Samuel Morse swój wynalazek opatentował, czym się naraził wspomnianemu wyżej Josephowi Henry'emu, który pracował nad podobnym rozwiązaniem, ale opatentować go nie zdążył. Długotrwały proces sądowy przyznał prawo do wynalazku Morse'owi, chociaż ten ewidentnie opierał się na publikacjach Henry'ego.

Pierwsza publiczna demonstracja telegrafu miała miejsce 18 lutego 1838 roku na posiedzeniu naukowym w Instytucie Franklina w Filadelfii, a pierwsza wiadomość telegraficzna została przesłana 24 maja 1844 roku z Waszyngtonu do Baltimore.

Morse swój wynalazek stałe doskonalił. Żeby oszczędzić na kosztach linii przesyłowej, budował ją w formie jednego drutu prowadzącego prąd od klucza nadawcy do elektromagnesu w stacji odbiorczej, natomiast zamiast drugiego przewodu wykorzystał Ziemię – zarówno stacja nadawcza, jak i odbiorcza były solidnie uziemione.

Telegraf Morse'a był powszechnie używany – początkowo głównie przez kolej, przez banki i przez dziennikarzy, ale potem używali ich z powodzeniem także zwykli ludzie – oczywiście przy pomocy doświadczonych telegrafistów.

Popularność telegrafu była tak duża, że podjęto próbę przerzucenia kabla telegraficznego przez Atlantyk. Mimo ogromnych trudności udało się taki kabel ułożyć na dnie oceanu i 16 sierpnia 1858 roku przesłano pierwszy telegram z Europy do Ameryki. W telegramie tym królowa Wiktoria komunikowała się z prezydentem USA Jamesem Buchananem.