Jak poznano i ujarzmiono elektryczność

Elektryczność kojarzy się nam głównie z techniką, wynalazkami, zmyślnymi urządzeniami przeznaczonymi do różnych celów – przypisujemy jej bowiem rolę służebną. Tymczasem przez wiele lat była ona tylko przedmiotem zaciekawienia, a także zabawy.

Prawdopodobnie pierwszym przyrodnikiem, który badał zjawiska elektryczne, był Tales z Miletu. Prawie dokładnie 500 lat przed narodzeniem Chrystusa badał on siły pojawiające się wokół potartego (naelektryzowanego) bursztynu. Ten kosztowny i rzadki w Azji Mniejszej klejnot po potarciu w zadziwiający sposób przyciągał do siebie różne drobne przedmioty – kłaczki wełny, nasiona roślin, suche drewniane wiórki itp. Tales to obserwował i opisywał, chociaż niewiele z tego rozumiał, bo ówczesna wiedza przyrodnicza nie wypracowała jeszcze potrzebnych pojęć. Ponadto większość istotnych zjawisk związanych z elektrycznością wymyka się (do dziś!) prostym metodom ludzkiego poznania, ponieważ człowiek nie ma żadnych receptorów pozwalających postrzegać elektryczność zmysłowo, a Tales nie dysponował oczywiście żadną aparaturą. Jednak skierował uwagę nauki na te zjawiska, w wyniku czego od greckiej nazwy bursztynu (Elektron) wzięła nazwę cała dziedzina wiedzy zapoczątkowana przez te badania.

Elektryczność jako zabawa arystokracji

Elektrostatyka, którą odkryli Grecy, była potem przez wiele stuleci modnym tematem badań i pokazów różnych przyrodników. Wytwarzali oni elektryczność przez pocieranie różnych przedmiotów, najpierw wyłącznie bursztynu, ale potem głównie szklanych kul, w specjalnych maszynach elektrostatycznych wprawianych w ruch za pomocą koła napędowego. Do uzyskania efektu używano szybko obracanych szklanych kul, do których przyciskano chustkę wełnianą lub jedwabną. W konsekwencji powstawał ładunek elektryczny, który zbierał na swoim ciele eksperymentator. Żeby ładunek nie uciekał, stał on na izolującej od podłoża szklanej tacy lub był zawieszony poziomo nad podłogą za pomocą umocowanych pod sufitem jedwabnych pasów. Uzyskany ładunek eksperymentator mógł przekazać innym zaangażowanym w zabawę osobom, przy czym chwila przekazywania była związana z przeskokiem iskry (miniaturowego pioruna!), trzaskiem wyładowania i wstrząsem elektrycznym u osoby przyjmującej ładunek. Wymyślano różne formy tej zabawy – elektryczny uścisk dłoni, elektryczny pocałunek, elektryczny łańcuszek (gdy ładunek odbierało kilka osób trzymających się za ręce), itp.

Osoba naładowana elektrycznością manifestowała różne niezwykłe efekty: jej włosy „stawały dęba" (odpychane przez jednoimienne ładunki całego ciała), a w ciemności mogła demonstrować bardzo efektowne iskry, gdy zbliżała dłoń do jakiegoś metalowego przedmiotu. Słowem – efekty były zadziwiające i fascynujące, bo niezrozumiałe. Zabawę psuł nieco fakt, że zanim się tymi ładunkami elektrycznymi można było bawić, trzeba je było pracowicie wytworzyć, a wytworzone ładunki bardzo szybko uciekały. Dlatego bardzo istotnym czynnikiem postępu w badaniach nad elektrycznością było wynalezienie sposobu gromadzenia ładunków.

Pojemnik do przechowywania elektryczności

Kluczowe odkrycie dokonane zostało 11 października 1745 r. w Kamieniu Pomorskim. Tamtejszemu badaczowi, który nazywał się Ewald Georg von Kleist, udało się zgromadzić ładunek elektryczny w taki sposób, że wpuścił go do butelki z rtęcią, którą trzymał w ręce. Dziś wiemy, że powstał w ten sposób kondensator – element elektroniczny wykorzystywany do dziś właśnie do gromadzenia ładunków. Kondensator ma dwa elementy przewodzące (rtęć i ręka badacza, którą potem zastąpiła metalowa folia) rozdzielone izolatorem (szkło butelki). W obu elementach przewodzących koncentrują się ładunki elektryczne – w jednym dodatnie, po drugim ujemne, które przyciągają się wzajemnie poprzez warstwę izolatora i w ten sposób mogą być długo przechowywane.

Zbudowanie i przebadanie takiego urządzenia to był znaczący sukces, który powinien przynieść odkrywcy zasłużoną sławę. Tymczasem wynalazek kondensatora jego rzeczywistemu twórcy nie przyniósł żadnych korzyści, bo autorstwo przypisano Pieterowi van Musschenbroekowi, profesorowi Uniwersytetu w Lejdzie. Na skutek tej pomyłki kondensator (w swojej pierwotnej postaci) do dzisiaj bywa nazywany „butelką lejdejską", chociaż liczne dowody wskazują na to, że doświadczenia w Lejdzie przeprowadzono rok później niż w Kamieniu Pomorskim. O priorytet odkrywcy z Kamienia Pomorskiego upominał się już w 1746 r. Daniel Gralath, naukowiec działający w gdańskim Towarzystwie Fizyki Doświadczalnej (Societas Physicae Experimentalis), który pisał w tej sprawie listy do Akademii Francuskiej. A jednak w podręcznikach i encyklopediach do dziś jako odkrywca wskazywany jest Musschenbroek. Wynika to z faktu, że był on znanym i uznanym fizykiem, a odkrywca z Kamienia Pomorskiego badaniami przyrodniczymi zajmował się amatorsko, z zawodu był prawnikiem i w sferach naukowych miał zdecydowanie małą siłę przebicia. Tak to bywa do dziś, że łatwiej o nagrodę Nobla w Oksfordzie niż na AGH!

Dlaczego mówimy o ładunkach i bateriach?

Wynalazek kondensatora („butelki lejdejskiej") spowodował, że o zjawiskach elektrycznych zaczęto pisać i pojawiła się konieczność nazwania rzeczy, które wcześniej były nienazwane, bo ich po prostu nie było. Natury zjawisk elektrycznych nie znano, ale wiedziano, że obiekt posiadający w sobie elektryczność może być źródłem wyładowań, którym towarzyszy błysk i trzask. Przypominało to (w miniaturze) wystrzał, dlatego na zasadzie analogii zaczęto mówić o ładunku elektrycznym, podobnym do prochowego ładunku pistoletu albo armaty. Z kolei gdy stwierdzono, że zestaw połączonych butelek lejdejskich może gromadzić większy ładunek i powodować większe efekty, poszukano analogii z zestawem armat, które razem też mają większe możliwości niż każda z nich z osobna. No więc nazwano taki zestaw zasobników elektryczności baterią, bo tak się nazywał zestaw armat. Warto wiedzieć o tych „wystrzałowych" źródłosłowach, kupując baterie do latarki czy telefonu!

Wracając do dziejów elektryczności, trzeba wymienić wybitnego elektrycznego „showmana", jakim okazał się Francuz Jean-Antoine Nollet, który w 1746 roku na dworze Ludwika XV wsławił się doświadczeniami elektrycznymi na dużą skalę. Zbudował na przykład na dziedzińcu Wersalu łańcuch 240 gwardzistów królewskich trzymających się za ręce, z których ostatni trzymał się kraty ogrodzenia, będącej uziemieniem. Gdy Nollet dotknął pierwszego gwardzisty elektrodą kondensatora, w którym miał zgromadzony ładunek, wszyscy gwardziści odczuli wstrząs elektryczny, w wyniku czego równocześnie wrzasnęli i podskoczyli, ku wielkiej uciesze króla i całego dworu. Nollet powtórzył potem swój eksperyment z użyciem aż 700 mnichów z klasztoru kartuzów, ustawionych w łańcuch o długości 3 kilometrów. W tym ostatnim przypadku ludzie łączyli się ze sobą za pomocą trzymanych w dłoniach drutów, dzięki czemu wykazano, że prąd elektryczny może przepływać na duże odległości przez różne przewodzące ośrodki, a nie tylko przez ludzkie ciała. Takie były początki linii przesyłowych, dostarczających prąd do naszych domów! Bawiącym się elektrycznością arystokratom do głowy by nie przyszło, że już wkrótce ludzie zaprzęgną te same zjawiska i te same procesy do ciężkiej pracy.

Dodam jeszcze jedno: zasługą Nolleta było to, że modne zabawy z elektrycznością wykorzystał do gromadzenia wiedzy naukowej, którą spisał potem w sześciotomowym dziele „Leçons de physique expérimentale" (Wykłady z fizyki doświadczalnej), które odegrało znaczącą rolę w rozwoju naukowych podstaw wiedzy o elektryczności. Dzisiejsze hasło: „Bawić, ucząc, i uczyć, bawiąc", będące przewodnikiem wszystkich popularyzatorów nauki, było najwyraźniej znane także Nolletowi!

Pioruny to też wyładowania elektryczne

Wyładowania elektryczne wykorzystywane „na salonach" były nieszkodliwe (jeśli nie liczyć dyskomfortu kopanych prądem gwardzistów...). Natomiast przyroda od tysiącleci prezentowała struchlałym ludziom imponujący show z piorunami, którego wytłumaczenia szukano w działaniach nadprzyrodzonych (pioruny miał na przykład miotać Zeus, nazywany gromowładnym).

Analogią między małymi wyładowaniami w zabawach salonowych a groźnymi piorunami jako pierwszy zajął się Benjamin Franklin. Ten wybitny mąż stanu, zaliczany do „ojców założycieli Stanów Zjednoczonych" (był współautorem amerykańskiej Deklaracji Niepodległości oraz konstytucji USA), w 1748 r. porzucił uprawiany zawód drukarza i rozpoczął badania przyrodnicze. Odkrył, że ładunki elektryczne mogą być dodatnie i ujemne, poznał prawa ich przyciągania i odpychania, ale najbardziej się wsławił tym, że w dniu 15 czerwca 1752 r. po raz pierwszy świadomie ściągnął piorun i jego ładunek zamknął w butelce lejdejskiej. Co do szczegółów są różnice w relacjach – jedne mówią o ściągnięciu pioruna za pomocą latawca wypuszczonego w środek chmury burzowej, inni twierdzą, że Franklin posłużył się żelaznym prętem. Niezależnie od szczegółów był to przełom w badaniach nad elektrycznością. Ludzie zaczęli ją lepiej rozumieć, a praktycznym skutkiem prac Franklina było wprowadzenie i rozpowszechnienie piorunochronów. Pierwszy wynalazca założył na swoim domu, ale przykład znalazł chętnych naśladowców i do 1782 r. aż 400 budynków w Filadelfii (gdzie mieszkał Franklin) miało zainstalowane odgromniki.