Historia teorii elektroniki – #1 – od bursztynu do Maxwella

Historia teorii elektroniki – #1 – od bursztynu do Maxwella

Elektryczność i magnetyzm towarzyszą nam dziś na każdym kroku. Kiedyś były one jednak tylko jarmarczną ciekawostką, a elektryczność łączono nawet z alchemią i magią.

Obserwacje na temat elektryczności z XIX wieku sprawiły, że nauka ta rozwija się dynamicznie od wieku XX. Co warto wiedzieć o tych czasach?

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Dowiesz się, jak wyglądały pierwsze eksperymenty z elektrycznością i jak naukowcy zaczęli wyjaśniać, czym tak właściwie ona jest. W artykule skupiamy się na stronie naukowej (teoretycznej). Nie znajdziesz tutaj informacji o pierwszych radiach lub telewizorach, dowiesz się jednak, w jakich okolicznościach powstały np. prawo Ohma lub pierwsza bateria. 

Ogrom zagadnień, dwie okrągłe daty

Z artykułu omawiającego, czym jest prąd elektryczny, można wywnioskować, że zagadnienia związane z elektrycznością i elektroniką są ogromnie skomplikowane i tak naprawdę to nikt ich do końca jeszcze nie rozumie. Naukowcy intensywnie to badają, ale finału na razie nie widać, bo obraz coraz bardziej się komplikuje. Dziś elektronika oparta jest na miniaturowych krzemowych układach scalonych, a droga do nich była długa, kręta, ale też fascynująca.

(Mini)ankieta: czy powinniśmy napisać osobny artykuł o historii powstania tranzystora bipolarnego? Tak, jestem zainteresowany - Nie

W celu poszerzenia własnych horyzontów warto przypomnieć historię powstania i rozwoju elektroniki. Bardzo łatwo zapamiętać dwie „okrągłe” daty i trzy główne okresy – epoki. Pierwsza data to rok 1800, druga – 1900. Wszystko, co było przed rokiem 1800, to prapoczątki, nawet nie elektroniki, tylko nauk o elektryczności. Cały wiek XIX to przygotowanie podwalin, fundamentów elektroniki, natomiast rozwój elektroniki tak naprawdę zaczął się wraz z początkiem XX wieku.

Prapoczątki elektroniki – bursztyn i magnesy

Zazwyczaj początki elektroniki wiązane są ze starożytną Grecją, gdzie słowo „elektron” (grec. ἤλεκτρον) oznaczało znany nam bursztyn. Znany filozof – Tales z Miletu pisał o tajemniczych właściwościach elektronu – bursztynu, który po potarciu suknem miał zdolność przyciągania kurzu i paprochów.

Bursztyn przyczynił się do rozwoju elektroniki

Bursztyn przyczynił się do rozwoju elektroniki

Tales pisał również o innym rodzaju przyciągania – mianowicie kawałki skały znajdowane w pobliżu greckiego miasta Magnezja (dziś na terenie Turcji) przyciągały przedmioty żelazne. Dziś te kawałki skały zwanej (od nazwy miasta) magnetytem określilibyśmy jako magnesy.

Przez setki, a nawet tysiące lat były to dwie nieprzeniknione tajemnice: skąd biorą się te dwa rodzaje przyciągania? Podkreślmy, że zjawisk tych nie łączono – jak dziś powiemy: elektryczność i magnetyzm bardzo długo uważano za zupełnie odrębne, niepowiązane zjawiska.

Węgorze już dawno były znane ze swoich elektrycznych umiejętności

Węgorze już dawno były znane ze swoich elektrycznych umiejętności

Przez tysiąclecia ludzie mieli z elektrycznością niewiele do czynienia. Owszem, znane były różne ryby, np. węgorz elektryczny, które wytwarzają energię elektryczną, ale nie wiązano tego ani z bursztynem, ani tym bardziej z magnesami. Tak samo jako całkiem inne zjawiska traktowano również wyładowania atmosferyczne – pioruny, które powszechnie uważano za wyraz gniewu bogów.

Bateria z Bagdadu (autor rysunku: Ironie, CC BY-SA 2.5)

Bateria z Bagdadu (autor rysunku: Ironie, CC BY-SA 2.5)

Niektórzy początków elektroniki upatrują gdzie indziej. W pobliżu Bagdadu w XIX wieku znaleziono dziwne, podobne do butelki naczynie, zwane też baterią z Bagdadu”. Istnieją przypuszczenia, że mogła to być bateria używana do złocenia elektrolitycznego, jednak nie jest to pewne.

Rok 1600 – pojęcie elektryczności

Zdolność elektryzowania, oprócz bursztynu, który jest rodzajem żywicy, mają również inne przedmioty, m.in. szkło czy siarka. Elektryzowanie badali różni dociekliwi ludzie – spośród nich warto wymienić Williama Gilberta, który około roku 1600 wprowadził nazwę „elektryczność”, a oprócz tego zajmował się także magnesami. Jednak w wieku XVII nie działo się wiele więcej.

Dopiero w wieku XVIII zaczęto zajmować się tym, co dziś nazywamy elektrycznością statyczną, której znanym przejawem jest elektryzowanie, np. stawanie włosów na głowie i przeskakiwanie iskierek. Właśnie m.in. elektrycznością statyczną zajmował się Otto von Guericke, który skonstruował maszynę do wytwarzania wysokich napięć za pomocą kuli siarki.

Maszyna wytwarzająca wysokie napięcie wymyślona przez Ottona von Guerickego

Maszyna wytwarzająca wysokie napięcie wymyślona przez Ottona von Guerickego

W każdym razie były to wyłącznie ciekawostki jarmarczne i teatralne – polskim akcentem jest to, że w pochodzącej z końca XVIII wieku sztuce Krakowiacy i górale Wojciecha Bogusławskiego kluczową rolę odgrywa tego rodzaju maszyna elektrostatyczna.

W dawnych czasach elektryczności nie potrafiono magazynować. Pierwszym magazynem, dziś powiemy – pierwszym kondensatorem, była tzw. butelka lejdejska, którą stworzono około roku 1745. Jednym z jej wynalazców był Pieter van Musschenbroek, pracujący na uniwersytecie w mieście Lejda. Niezależnie takiego odkrycia dokonał Ewald Georg von Kleist, pochodzący z dzisiejszego Kamienia Pomorskiego.

Zestaw butelek lejdejskich

Zestaw butelek lejdejskich

Posiadanie takiego magazynu energii elektrycznej w postaci butelki lejdejskiej umożliwiło bardziej systematyczne badania nad elektrycznością statyczną, gdzie występują bardzo wysokie napięcia, rzędu tysięcy woltów, i małe prądy. Badania tego typu pod koniec XVIII wieku prowadził Charles Coulomb.

Miał on do dyspozycji tylko bardzo prymitywne przyrządy, m.in. tzw. wagę skręceń i za pomocą tych prostych sprzętów odkrył jedno z podstawowych praw, znane wszystkim uczniom prawo Coulomba. Dotyczy ono przyciągania (i odpychania) ładunków elektrycznych i okazuje się zaskakująco podobne do odkrytego nieco wcześniej prawa Newtona, które dotyczy grawitacji, czyli też przyciągania, ale jeszcze innego rodzaju.

Waga skręceń Coulomba (autor zdjęcia: Alain lerille, CC BY-SA 3.0)

Waga skręceń Coulomba (autor zdjęcia: Alain lerille, CC BY-SA 3.0)

Elektrycznością w drugiej połowie XVIII wieku zajmowali się też inni, spośród których mało znany jest Charles-François de Cisternay Du Fay, twórca teorii dwóch fluidów. Natomiast jednym z bardziej znanych jest Benjamin Franklin, jeden z ojców założycieli USA, który badał zjawiska elektryczne m.in. za pomocą latawców. Uważany jest on za wynalazcę piorunochronu.

Inna znana postać to włoski lekarz Luigi Galvani, który przeprowadzał słynne doświadczenie z żabą: impulsy elektryczne powodowały reakcję mięśni martwej żaby. W XVIII wieku powstawały rozmaite teorie dotyczące elektryczności, m.in. wiązano ją z siłą życiową i życiem. Tylko po części można je nazwać naukowymi, wiązały się też bowiem z alchemią i magią.

Ponadto do końca XVIII wieku elektryczność (statyczna) była bardziej ciekawostką niż dziedziną nauki. Jednak w tamtych czasach, często przypadkowo, przeprowadzając rozmaite eksperymenty na chybił trafił, próbowano też ustalić wchodzące tam w grę zależności i te zależności jakoś ująć – ująć w postaci równań matematycznych. Przykładem jest właśnie prawo Coulomba, które zresztą jest zaskakująco podobne do analogicznych zależności dla grawitacji i masy (wzór Newtona), co pomaga zrozumieć pojęcie potencjału i napięcia elektrycznego jako przybliżoną analogię oddziaływań grawitacyjnych, z którymi mamy do czynienia na co dzień.

Aż do połowy XIX wieku elektryczność wyobrażano sobie jako niewidoczny fluid, czyli swego rodzaju ciecz, która może wypełniać niektóre przedmioty (dziś powiedzielibyśmy – przewodniki) i utrzymywać się na powierzchni innych (dielektryków – izolatorów). Spierano się o to, czy istnieje tylko jeden fluid, czy dwa fluidy (szklany i żywiczny).

Przełom roku 1800 – początki elektroniki

Przełomem było wynalezienie baterii: Alessandro Volta w roku 1800 (niektórzy podają rok 1799) skonstruował rodzaj dość prymitywnej baterii, nazywanej nieprzypadkowo stosem Volty – fotografia poniżej, co umożliwiło przeprowadzenie badań w wielu różnych, wcześniej niedostępnych dziedzinach.

Prototyp pierwszej baterii (autor zdjęcia: Luigi Chiesa, CC BY 3.0)

Prototyp pierwszej baterii (autor zdjęcia: Luigi Chiesa, CC BY 3.0)

Właśnie dzięki wynalezieniu baterii, będącej dość stabilnym, względnie trwałym chemicznym źródłem małych napięć (od jednego do najwyżej kilkudziesięciu woltów) i – co ważne – stosunkowo dużych prądów, można było przeprowadzić szereg badań.

Interesować nas również powinien André-Marie Ampère – badał on siły przyciągania i odpychania przewodów, w których płynął prąd elektryczny. Badaniem tego, jak prąd elektryczny (traktowany jako niewidzialny fluid) przepływa przez metale, zajmował się od roku 1825 bawarski nauczyciel Georg Simon Ohm, co zaowocowało łatwym do zrozumienia prawem Ohma.

Oddziaływania elektryczne i magnetyczne

Coulomb badał oddziaływania elektryczne (elektrostatyczne), później Ampère badał oddziaływania elektromagnetyczne związane z przepływem prądu. Wspólną cechą było przyciąganie (i odpychanie), ale wydawało się, że to są dwa zupełnie odrębne, niepowiązane zjawiska.

Powiązanie elektryczności i magnetyzmu nastąpiło dopiero w roku 1820: nauczyciel akademicki Hans Christian Ørsted przypadkowo odkrył, że przepływ prądu przez przewód powoduje lekkie odchylenie igły magnesu, dzięki czemu powiązał magnetyzm z przepływem prądu. Jego publikacje wywołały ogromne zainteresowanie, co zaowocowało innymi badaniami i m.in. wynalezieniem elektromagnesu.

Czym jest elektromagnes?
Czym jest elektromagnes?

Elektromagnes wytwarza pole magnetyczne, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny. Ma to wiele praktycznych zastosowań, np. w zamkach czy... Czytaj dalej »

Ogromną rolę odegrał tu samouk Michael Faraday, który w praktyczny sposób udowodnił silny, dwukierunkowy związek elektryczności z magnetyzmem: że pole magnetyczne może powodować powstawanie napięcia i prądu elektrycznego. To Faraday w roku 1831 wynalazł prądnicę, co prawda niedoskonałą, którą wkrótce ulepszył Hippolyte Pixii.

Faraday, słabo wykształcony samouk, wprowadził też pojęcie pola sił, które po prostu określa siły działające w danym polu. Przykładowo pole elektryczne określa siły działające na nieruchome ładunki elektryczne, a pole magnetyczne – na ładunki poruszające się.

W rozwój nauk o elektryczności wkład mieli też inni liczni XIX-wieczni naukowcy i praktycy. Spośród nich należałoby wymienić przynajmniej tych najbardziej znanych:

  • Karl Friedrich Gauss (1777–1855)
  • Wilhelm Eduard Weber (1804–1891)
  • Joseph Henry (1797–1878)
  • Heinrich Friedrich Emil Lenz  (1804–1865)
  • James Prescott Joule (1818–1889)
  • Gustaw Robert Kirchhoff (1824–1887)
  • Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821–1894)
  • Charles Proteus Steinmetz (1865–1923)

Dużo wnieśli tacy późniejsi badacze jak:

  • Wilhelm Conrad Roentgen (1845–1923)
  • sir William Crookes (1832–1919)
  • sir Joseph John Thomson (1856–1940)

Warto też wspomnieć o praktykach:

  • William Sturgeon (1783–1850)
  • Samuel Finley Breese Morse (1791–1872)
  • Joseph Wilson Swan (1828–1914)

Maxwell i elektrodynamika klasyczna

Pracami Ampère’a, Faradaya i innych zajął się w połowie XIX wieku szkocki fizyk – teoretyk James Clerk Maxwell. Starannie przeanalizował on dostępne informacje i szukał możliwości ujęcia tego wszystkiego w sposób matematyczny. Było to ogromnie trudne zadanie, jednak geniusz Maxwella pozwolił nie tylko na uporządkowanie wcześniejszych danych i ujęcie ich w postaci matematycznej.

James Clerk Maxwell – wybitny fizyk i matematyk

James Clerk Maxwell – wybitny fizyk i matematyk

Matematycznie połączył elektryczność i magnetyzm oraz wprowadził pojęcie fali elektromagnetycznej. Stwierdził, że światło jest falą elektromagnetyczną. Analizując wyniki eksperymentów, uzupełnił wnioski i równanie Ampère’a. Doszedł też do tego, że powinny istnieć fale elektromagnetyczne inne niż światło – teoretycznie przewidział istnienie fal radiowych.

To właśnie James Clerk Maxwell w latach 1860–1873 opracował spójną koncepcję matematyczną, wiążącą elektryczność (statyczną), magnetyzm oraz światło – tym samym stworzył elektrodynamikę klasyczną. Dokładniej rzecz ujmując, stworzył 20 równań matematycznych.

Publikacje Maxwella szybko wzbudziły duże zainteresowanie, ale od strony matematycznej były bardzo zawikłane i trudne, więc mało kto je w pełni rozumiał. Sytuację zmienił Hendrik Antoon Lorentz, który uporządkował 20 równań Maxwella i przedstawił je w bardzo zgrabnej postaci czterech równań, dziś jednak znanych jako równania Maxwella.

Tzw. postać różniczkowa równań Maxwella

Tzw. postać różniczkowa równań Maxwella

Będące podstawą elektrodynamiki klasycznej równania Maxwella są jak najbardziej ogólne. Równania te składają się co prawda ze skomplikowanych operatorów matematycznych, ale w gruncie rzeczy opisują tylko elementarne zależności. Mimo tego i tak większość studentów nie widzi związku tych równań z elektroniczną praktyką. Tak, równania są bardzo ogólne, ale kryją w sobie zależności jak najbardziej z praktyką związane.

Inaczej było w przypadku innej ważnej postaci: niesłusznie niedoceniany, a wręcz zapomniany samouk Oliver Heaviside był praktykiem, specjalistą od telegrafii, a przy tym miał genialny umysł. W związku z ówczesnymi kłopotami z przesyłaniem informacji na duże odległości zajął się równaniami Maxwella, by wyjaśnić przyczyny problemów z długimi kablami i zaproponować praktyczne rozwiązania.

Oliver Heaviside

Oliver Heaviside

Oliver Heaviside nie tylko zrozumiał i „rozgryzł” równania Maxwella. Wyciągnął z nich też praktyczny sens w postaci tak zwanych równań telegrafistów opisujących zjawiska występujące przy przesyłaniu sygnałów elektrycznych w długich kablach. Równania te są podstawą techniki radiowej.

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Pierwsze eksperymenty prowadzące do elektroniki związane były prawdopodobnie z bursztynem i magnetytem. Przełomami były połączenie elektrostatyki z magnetyzmem oraz wynalezienie baterii, dzięki której możliwe było prowadzenie dalszych eksperymentów. Całkiem niedawno, bo w XIX wieku, powstały teorie, które umożliwiły prawdziwy rozwój elektroniki w XX i XXI wieku.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 70

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Nauka cały czas idzie do przodu, z czasem okazało się jednak, że równania Maxwella nie wystarczą, aby wyjaśnić wszystko. Sprawy zaczęły się komplikować. Zrozumienie tych zjawisk wymagało wykorzystania znacznie trudniejszej fizyki i matematyki. Dlatego pojawiła się elektrodynamika kwantowa, o czym można przeczytać w kolejnym artykule na temat historii elektroniki teoretycznej.

Piotr Górecki

Historia teorii elektroniki – #2 – stała Plancka i bozon Higgsa
Historia teorii elektroniki – #2 – stała Plancka i bozon Higgsa

W poprzednim artykule streszczającym historię elektroniki teoretycznej opisana została droga od bursztynu do równań Maxwella, które... Czytaj dalej »

O autorze: Piotr Górecki

PG
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

bursztyn, elektromagnes, elektryczność, historia, magnetyzm

Trwa ładowanie komentarzy...