Maxwellové rovnice

James Clerk Maxwell (1831 – 1879) jeden z veľkých postáv vedeckého sveta. Narodil sa do 19 storočia, ktoré bolo presýtené objavmi z elektromagnetizmu. Storočie hemžiace sa vzťahmi, zákonmi, definíciami ktoré charakterizovali elektromagnetické deje. Maxwell ako matematik, a teoretický fyzik zjednotil tieto vzťahy. Vybudoval svoje práce z poznatkov experimentátora Faraday-a a ďalších. Dal im matematický šat, inak povedané implementoval matematický formalizmus do chaosu nameraných experimentálnych údajov a vzťahov z nich vyvodených.

Otázka na mieste znie, prečo sa v tomto článku budeme zaoberať týmito vzťahmi. Odpoveď je veľmi jednoduchá a zároveň fascinujúca – Maxwellové rovnice sú univerzálnym matematickým jazykom prírody na popis dejov okolo nás, ktoré majú všeobecnú platnosť a vytrvali skúškami vedeckých úprav a pokusov celých 150 rokov a naďalej vytrvávajú. Ak sa aj v budúcnosti objaví problém ktoré nebudú schopné popísať, ich platnosť sa nezruší, ale rozšíri.

Ešte raz chcem zdôrazniť, že sa budeme zaoberať matematickým formalizmom opisujúcim chovanie sa prírody! Prírody vybudovanej z nositeľov elektrického náboja, napríklad elektrónov a protónov.

“Formulácia týchto rovníc bola vo fyzike najväčšou udalosťou od Newtonových čias”
Albert Einstein: Evolúcia fyziky

“Bol to Boh, čo písal tieto riadky…”
L. Boltzmann: Prednášky o Maxwellovej teórii elektriny a svetla.

Elektrón vytvára okolo seba elektrické pole. Veľkosť a smer poľa nám popisuje každý bod priestoru, ako by sa tam správala častica, keby sa tam nachádzala.

Čo vyvoláva elektrické pole? Na túto otázku sa pokúšajú odpovedať už generácie vedcov. A môžeme sa úprimne priznať že podstatu zatiaľ nechápeme. Ale hoci podstatu nechápeme, môžeme pozorovať a merať účinky elektrického poľa. Vidíme že elektróny navzájom na seba pôsobia, odpudzujú sa – a to vieme zmerať. Vidíme to na makro aj mikro úrovni. Aby sme si to priblížili uvedieme si príklad z bežného života: „hoci sme nikdy nevideli zvnútra ako pracuje motor auta, nevideli sme splanúť benzín vo valci motora, každý deň sa tým autom vozíme“ Tak isto vedci vidia účinky elektrónu, a tak isto ako ich vy môžete cítiť, keď vás „kopne elektrina“.

Dôležitým poznatkom je ako z elektrického poľa vypočítame elektrickú silu:
(F_ele ) ⃗=qE ⃗

„(F_ele ) ⃗“ elektrická sila, „q“ náboj na ktorý pôsobí elektrické pole, „E ⃗“ vektor intenzity elektrického poľa.

Ešte ťažšie sa nám odpovedá na otázku čo je magnetizmus. Máme zavedené pole magnetickej indukcie, ktoré každému bodu priestoru priraďuje silové účinky pre virtuálnu časti keby sa daná častica nachádzala v danom mieste priestoru.

Magnetickú silu vypočítame:
(F_mag ) ⃗=q×v ⃗B ⃗

„(F_mag ) ⃗“ magnetická sila, „v ⃗“ rýchlosť častice pohybujúcej sa v magnetickom poli, „B ⃗“ vektor magnetickej indukcie
Magnetické pole je vyvolávané zmenou elektrického pola v čase, a zároveň je to aj naopak – časová zmena magnetického pola vytvára elektrické pole. Všimnite si krásnu symetriu! Elektrina a magnetizmus sú dve rôzne prejavy pôsobenia elektrónu v priestore. Inak povedané to že vieme že existuje elektrón v priestore vieme vďaka jeho prejavom v podobe silového pôsobenia elektrickej a magnetickej sily.

Matematicky zapíšeme pôsobenie elektromagnetickej sily:
(F_elemag ) ⃗=qE ⃗+q×v ⃗B ⃗

Kde v podstate ide o súčet elektrickej a magnetickej sily na náboj.

 

I. Ampérov zákon

rotB ⃗=μJ ⃗+με (∂E ⃗)/∂t
V zjednodušenej forme, platnej pre vákuum:

rotB ⃗=1/√c (∂E ⃗)/∂t

Nezľaknime sa záľahy matematických symbolov!

Vysvetlíme si najprv pojem „rot“. Tento symbol je skratka zo slova „rotácia“. Hovorí nám o tom že vektor elektromagnetickej indukcie rotuje, krúži, okolo virtuálneho stredu.

Ďalším symbolom, ktorý sa vyskytuje v týchto rovniciach je „∂/∂t“, jeho význam je časová zmena, konkrétne v našom vzťahu časová zmena vektora elektrickej intenzity.

Ampérov zákon znie: ak sa vektor elektrickej intenzity mení v čase, vektor magnetickej indukcie začína rotovať! Inak povedané, ak sa elektrón pohybuje, vytvára okolo seba krúživé magnetické pole.

 

II. Faradayov zákon

rotE ⃗=-(∂B ⃗)/∂t

Zhrnutím Faraday-ových experimentov je vzťah nazvaný „Faradayov zákon“. Hovorí nám že časová zmena magnetického poľa vytvára elektrické pole, ktoré rotuje. V praxi to znamená princíp elektromagnetického generátora, ktorý vytvára elektrickú energiu. Pohybujúce sa magnety vytvárajú indukované elektrické pole vo vodiči, zvyčajne v cievkach. Keď si zapnete ľubovoľný spotrebič do elektrickej siete myslite na to že základný kameň na ktorom je vybudovaný náš svet je Faradayov zákon.

Tento vzťah je symetrický, preto platí aj obrátene. Na toto jednoduché konštatovanie musel Farady pracovať 10 rokov, aby objavil elektromotor. Čo spôsobilo poslednú priemyselnú technickú revolúciu. Na okraj – Faraday našiel princíp, ale za ním musel prísť ešte veľa technikov, ktorý tento princíp uviedli do technickej praxe. Najznámejším z nich bol N. Tesla.

 

III. Gaussov zákon v elektrine

divE ⃗=ρ/ε

Tento zákon nám hovorí o samotnej podstate elektrického poľa.
Matematická operácia „divergencia“ v skratke „div“ nám hovorí o toku poľa. Jeho hodnota je nenulová, keď z v danom bode preteká veličina. Napríklad prameň vody má nenulovú divergenciu. Z toho aj výraz „žriedlo“ myslené na „žriedlo vody“, ale aj na žriedlovosť elektrických nosičov náboja.

Gaussov zákon nám rozpráva o tom že každá častica s nábojom vyžaruje do prostredia elektrické pole. Takže okolo elektrónu sa nachádza elektrické pole, ktoré vystupuje od neho každým smerom. Všimnite si stále že neuvádzame čo je to „ONÉ“ čo pôsobí ako elektrické pole.

 

IV. Zákon spojitosti magnetického indukčného toku:

divB ⃗=0

Hovorí nám o tom že magnetické pole nie je vytvárané časticami, teda nie je žriedlové. Práve naopak je dôsledkom elektrostatického poľa. A druhý fakt – toto pole je spojité.

V Maxwellových rovniciach vystupujú aj ďalšie vzťahy, nazývané „materiálové“, ale tie kvôli krátkosti článku nebudeme spomínať.

Čitateľovi sme chceli načrtnúť len základnú predstavu o tom ako fyzika pracuje s pojmami elektriny a magnetizmu. Samozrejme že sme nešli do hĺbky, lebo za využitím týchto rovníc sa skrýva vyššia matika. Naopak, chceli sme zachytiť podstatu pôsobenia elektrónu v priestore, s ktorou keď už chceme počítať konkrétne situácie a predpovedať správanie sa systému musíme použiť matematický formalizmus a modely. Tie sú dosť často riešené nie analyticky, inak povedané teoreticky, ale štatisticky, pomocou numerických výpočtov. Kde výpočtová technika modeluje danú situáciu.

Zdroje: „Elektromagnetizmus“, Autor: Andrej Tirpák, Bratislava 1999, Vydavateľstvo: UK Bratislava, ISBN 80-88780-26-8

Mrs. Elektrón

Píše sa rok 1884 a J.J. Thomson sa začína zaujímať výskumom elektrických výbojov v zriedených plynoch.

Otázka znie ako veľmi zriedených. A čo znamená zriedenie? Zriedenie fluida, vše – prenikajúcej tekutiny? Odpoveď je nie! Zriedenie materiálneho prostredia, plynu, tvoreného molekulami a atómami, a možno ešte niečím menším. Áno to „niečo menšie“ bude spomínaný elektrón, ale to J. J. Thomson nevedel, ešte je čas pred jeho veľkým objavom.

Musíme sa vrátiť do čias „atomistov“ do čias veľkého grécka. Veľkí, teraz už večný filozofi sa zaoberajú myšlienkou z čoho sa skladá svet. Začnú drobiť svet, fyzikálnejšie povedané – drobiť hmotu a nachádzajú stále menšie a menšie čiastočky. Bohužiaľ nemali dostatočné vybavenie, ako napríklad zdroj röntgenového žiarenia, vákuové vývevy a tak ďalej.

Takže páni atomisti, pán „Demokritos z Abdér“ (približne štvrté storočie pre Kristom) zostali pri teoretických myšlienkových konštruktoch o stavbe sveta:

„Svet sa skladá z nekonečného množstva nepatrných, večných nedeliteľných častíc – atómov, ktoré majú rôzne tvary, veľkosť a pohybujú sa sami od seba v prázdnom priestore, spájajú sa a rozpájajú, a tak vytvárajú mnohotvárnosť javov…“

A na scénu takmer po dvetisíc rokoch nastupuje J.J. Thomson. Čo mal k dispozícií oproti Starovekým Grékom? K dispozícií mal poznatky z posledných desaťročí, veľké objavy tej doby. V 19. Storočí dominuje jeden z veľkých objavov pána W. C. Röntgena, objavu po ňom nazvaného – röntgenového žiarenia, röntgenové lúče alebo aj žiarenia X.

Röntgenové žiarenie je elektromagnetické žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok od 10 nanometrov do 100 pikometrov. Je spôsobené prudkým zabrzdením urýchlených elektrónov. Dôležitý poznatok – elektrón pri brzdení, alebo urýchľovaní vyžaruje elektromagnetické žiarenie. A práve röntgenové žiarenie bolo prvé z umelo vytvorených silných elektromagnetických vlnení. Jeho vlastnosť prenikať cez materiál bola ohromujúca a čakalo sa na vysvetlenie tohto javu. Čo priamo navodzovalo otázku zloženia hmoty, materiálneho sveta, okolo nás.

V praxi to znamená že nám cez evakuovanú trubicu prechádza prúd elektrónov. Pri prechode elektróny majú dve možnosti, buď narazia do atómov, alebo molekúl plynu v trubici, ktoré sa tam stále nachádzajú, dokonca aj po evakuácií. Tieto elektróny sú pre nás v tomto experimente nepodstatné. Druhá možnosť je, že elektróny narazia priamo na kladnú anódu, pričom pri tomto náraze sú prudko zabrzdené, čím vznikne elektromagnetické žiarenie už spomínanej typickej dĺžky.

J. J. Thomson opakoval Röntgenové pokusy s veľkými úspechmi.

Kvôli obšírnosti témy sa uskromníme s konštatovaním že vďaka pozorovaniu Röntgenového žiarenia – teda pozorovaním častíc, ktoré podľa jeho zistený sú stotisíckrát menšie ako je priemer molekúl vzduchu a poznatkom že vlastnosti žiarenia nezávisia od druhu plynu v trubici a od materiálu z ktorého je zhotovená katóda priviedol Thomsona k predpokladu, že žiarenie sa skladá z univerzálnych subatomárnych častíc. Pre tieto častice máme dneska názov elektróni.

Vo vedeckej praxi je jedna vec vyhlásiť že daný objekt alebo jav existuje, a druhá vec je popísanie jeho vlastnosti. A práve to z pravidla býva oveľa náročnejšie.

V zhrnutí, z dnešného vedeckého pohľadu – vieme že existuje jedna sila a to elektrická, a druhá sila magnetická. Tieto dve sily sú zapríčinené existenciou elektrónu. Toto sú veľkolepé myšlienky, pre nás už celkom bežne prijateľné ale za čias Thomsona boli prevratné a veľký problém bol zistenie náboja elektrónu. Lebo keď vieme veľkosť náboja elektrónu vieme ako na seba navzájom silovo pôsobia. Je rozdiel vonkajší pohľad, tzv. laický, merať veľkosť elektrickej energie jej vonkajšími prejavmi – tepelnými, svetelnými – a zistiŤ presne jej hodnotu.

Preto prichádza na scénu veličina nazvaná merným nábojom elektrónu: q/m „q“ označuje náboj elektrónu a „m“ jeho hmotnosť.

Za pomoci poznatku že magnetické pole s indukciou „B ⃗“ zakrivuje dráhu elektrónu po kružnici, poprípade špirále – vieme zistiť rýchlosť elektrónu. A logicky keď predpokladáme pohyb po kružnici, tým pádom predpokladáme aj rovnosť odstredivej a dostredivej sily. Dostredivá sila je tvorená magnetickou silou:

(F_(mag.) ) ⃗=q×v ⃗B ⃗

„(F_(mag.) ) ⃗“ magnetická sila, „v ⃗“ veľkosť a smer rýchlosťi elektrónu, „B ⃗“veľkosť a smer magnetickej indukcie.

Jej protiváhu tvorí samotná odstredivá sila spôsobená váhou elektrónu:

(F_(ods.) ) ⃗=(m|v ⃗ |^2)/r

„(F_(ods.) ) ⃗“ odstredivá sila, „m“ hmotnosť elektrónu, „|v ⃗ |^2“ kvadrát veľkosti rýchlosti elektrónu, „r“ vzdialenosť elektrónu od fiktívneho bodu otáčania

Z týchto predpokladov dostaneme vzťah popisujúci merný náboj elektrónu:

q/m=v/rB

Z tohto vzorca vyplýva že na zistenie merného náboja potrebujeme zistiť aj rýchlosť elektrónu. A to bol veľký problém!

Thomson prišiel s myšlienkou premeny kinetickej energie prelietavajúcich elektrónov na tepelnú. Predpoklad znel že sa táto zmena deje sto percentne účinne. Vďaka tomu možno napísať vzťah:

2q/(mv^2 )=Q/T

„Q“ teplo vytvorené elektrónmi, „T“ teplota

Z čoho sa podarilo Thomsonovi dokázať merný náboj elektrónu. No nielen to, ďalej dokázal že aj elektrická sila spôsobuje zakrivenie dráhy katódových lúčov, inak povedané prelietavajúcich elektrónov. Vďaka tomuto dôkazu sa postupne prepracováva ku priamej hodnote elektrického náboja. V dnešnej dobe má hodnotu:

e=1,602176487×〖10〗^(-19) C

Všimnime si revolučnosť tohto poznatku. Za prvé potvrdzuje našu domnienku že svet sa skladá zo subatomárnych častíc, a za druhé nám hovorí aj veľkosť jeho náboju. Neskôr sa zašlo ešte ďalej a vedec s menom Max Planck objavuje ďalšiu revolučnú vlastnosť elektrického náboja – je nedeliteľný.

V prírode, z našich doterajších pozorovaní a experimentov, je najmenšia veľkosť elektrického náboja 1,602×〖10〗^(-19)Coulumba!

Zdroje:

“Historické pramene súčasnej fyziky 2“, autori: Rudolf Zajac, Ján Pišut, Juraj Šebesta, Bratislava 1997, nakladateľstvo UK Bratislava, ISBN 80-223-1007-7

Michael Faraday

Narodil sa na vidieku v dedine Newington, vo veľmi chudobnej a nábožensky založenej rodine. Jeho otec bol kováč. Jeho matka bola žena veľmi pokojná a múdra, ktorá podporovala svojho syna citovo aj napriek ťažkému detstvu.

Michael bol tretí zo štyroch detí, všetci mali čo robiť, aby sa dosýta najedli, pretože ich otec bol často chorý a neschopný sústavnej práce. Rodina žila celé roky v biede. Malý Michael sa málokedy dosýta najedol a keď mal dvanásť rokov, musel začať zarábať. Pretože bol šikovný, dostal sa do učenia ku knihárovi. Jeho rukami prechádzali najrôznejšie spisy. Keď ich potajomky čítal, pred jeho očami sa otváral podivuhodný a záhadný svet vedy.

V roku 1812 začal navštevovať verejné prednášky známeho chemika Sira Humphryho Davyho, 1st Baroneta. Známy profesor si všimol mladíkov záujem a nadanie a rozhodol sa urobiť z neho svojho žiaka. V roku 1815 Davy zamestnal Michaela ako asistenta v chemickom laboratóriu londýnskeho Kráľovského inštitútu.

Faradayovo predurčenie

No už dosť z jeho životopisu! Dosť teórie, a vrhnime sa na prax. Je dôležité si uvedomiť jeho vlastnosti. Takmer bez akéhokoľvek matematického vzdelania dokázal experimentovať. Konštruoval jeden experiment za druhým, mal povesť dobrého chemika a i ten najzložitejší problém vedel názorne vysvetliť vrátane elektriny, magnetizmu a chemických procesov.

Úplný opak teoretika Ampéra, ktorý sa obkolesoval krásnymi matematickými konštrukciami. Faraday skrčený nad svojimi experimentmi, škúliaci na ručičky prístrojov, áno práve On je najvhodnejší kandidát na prelomenie problému. Ale ako znie problém?

Ako sme si povedali Ampére teoreticky opísal fakt že elektrický prúd pretekajúci vodičom vytvára magnetické pole. Tvrdenie a zároveň aj problém znie: „Ak elektrický prúd, inak povedané elektrina, dokáže vytvoriť magnetické pole, potom je tu možnosť že magnetické pole dokáže vytvoriť elektrický prúd!“

Faraday, posadnutý predstavou o neoddeliteľnej súvislosti a vzájomnom pôsobení prírodných síl, bol posadnutý myšlienkou o prepojení elektriny a magnetizmu.

Prvý veľkolepý objav

Okolo roku 1821 vytvoril vari prvý elektromotor, kde vďaka tomu že vedel vytvárať magnetické pole pomocou cievok – inak povedané nahusto stočeného vodiča do špirály – dokázal roztočiť malý kúsok drôtiku. Bol to prelomový objav, a samotný Faraday bol veľmi vzrušený, lebo ako prvý človek mohol vidieť spoluprácu dvoch veľkých prírodných síl elektriny a magnetizmu. Bol to prvý najjednoduchší elektromotor na svete!

Čas hľadania

A tu nastal veľký zlom. Ako ľahko sa dalo vytvoriť z elektriny magnetizmus. Ale ako to urobiť naopak? Celých desať rokov, pre istotu to ešte raz zopakujem, celých desať rokov usilovnej práci venoval Faraday tomu aby rozlúskol tento problém. Vymýšľal rôzne kombinácie polôh cievok a magnetov ale zakaždým bez toho aby sa ručička elektrometra vychýlila.

V čom tkvie problém. Z dnešných znalostí ľahko nazrieme tomu: aby sme mohli vyvárať elektrickú energiu musíme docieliť pohyb magnetického poľa. A takáto maličkosť, nie stacionárnosť, ale dynamika chýbala v pokusoch Faradaya. Ale pred jeho neúprosnou voľou sa podrobil aj neúspech, a v jeden náhodný, ale za to šťastný okamih, si v laboratóriu všimol výchylku ručičky elektrometra práve pri zasúvaní magnetov do cievky. A veľký objav sa narodil.

Všetci nech kričia na slávu novému pojmu: „elektromagnetizmus“.

Záver

Čo priniesla táto kapitola o elektrónoch? Veľmi veľa. Už to nie je len jednoduchá elektrická stacionárna sila vytváraná elektrónmi. Je to bujná príťažlivá komplikovaná a dynamická sila, v dvoch prejavoch v elektrine a magnetizme.

Ampére

Príbeh jedného smoliara

Chcem Vám teraz predstaviť človeka, ktorý Vás urobí šťastným. Je to človek s životným osudom tak pretkaným nešťastnými udalosťami, že aj tie Vaše najťažšie životné skúšky sa zdajú byť ľahšie.

Presuňme sa do roku 1793. V tomto roku otec tohto nešťastníka bol popravený. Manželke písal pred popravou: „Najviac prostriedkov som venoval na nákup kníh a geometrických nástrojov, bez ktorých sa môj syn nemohol zaobísť.“ A veru sa mu aj oplatila táto investícia do syna, ktorý ako trinásťročný – pre ohromnosť tohto faktu to zopakujem, ako trinásťročný predkladá Lyonskej akadémií vied svoje vlastné riešenie úlohy o kvadratúre kruhu – teda úlohy o ktorej bolo známe, že je principiálne neriešiteľná.

Zaujíma sa o mechaniku, matematiku, gréčtinu, botaniku, chémiu. V období jeho mladosti sa dejú prevratné objavy v oblasti elektriny. Franklin vypúšťa svojho šarkana, a Volt stavia svoj prvý elektrický článok, dnešnú batériu.

A na tomto mieste by sa patrilo predstaviť nešťastníka s veľkým osudom, samotného André-Marie Ampère.
Jeho doba bola plná očakávania. Vo vzduchu bolo cítiť ozón z elektrických výbojov, súdobých ľudí ohromovali účinky elektriny, a všade sa usilovne pracovalo na pochopení. Áno, práve na pochopení čo je vlastne zač ta neznáma a vzrušujúca elektrina.

Kritické množstvo

Ampérov vedecký život by sa dal prirovnať ku hromadeniu jadrového palivu. Po celý jeho život sa hromadili poznatky – gram za gramom rádioaktívneho paliva. Zaujímal sa už od mladých čias o elektrinu, pokúšal sa získať voltovú cenu. Ako 39-ročný sa stal akademikom. Narastal jeho rozhľad a aj skúsenosti. Ako akademik sa dostal medzi tak nesmrteľných vedcov ako bol Fouriére, Cauchyho a mnohých iných. A už stačilo iba zopár gramov jadrového materiálu aby nastala prudká reakcia v Ampérovej mysli.

Stalo sa! A to dňom 11.septembra 1820, kedy boli pred akadémiou zopakované pokusy Dána Oersteda. Išlo vtedy o veľmi zaujímavé a nové pokusy, ktoré poukazovali na to že pri prechode elektrického prúdu vodičom tento vodič má magnetické účinky. Magnetické účinky boli demonštrované vychýlením magnetickej strelky. Tento pokus si môžete aj vy veľmi jednoducho zopakovať použitím baterky, kovového vodiča – napríklad medeného drôtu a kompasu. Pre nás je to veľmi jednoduchý experiment, ale treba si uvedomiť že v Ampérovej dobe neboli k dispozícii kvalitné vodiče, a nie ešte baterka. Na elektrické pokusy sa bežne používala buď trecia elektrina, alebo Voltov stĺpec.

Trecia elektrina – napríklad ako keď si češete vlasy, alebo sa vaše vlasy trú o sveter a vznikajú iskry. Prístroj na zberanie trecej elektriny fungoval na neustálom trení hrebeňov o látku. Tieto prístroje – generátore, ale neboli moc vhodné na prípravu experimentov, lebo obsahovali málo energie. Preto sa čakalo na Grófa Alessandra Giuseppeho Antonia Anastasia Volta, ktorý za svoj život dokázal veľmi veľa na poli vedeckom a to hlavne v odbore elektriny. V roku 1799 zostrojil prvý elektrochemický článok – Voltov stĺp. Vďaka nemu sa mohli neskôr uskutočňovať ďalšie experimenty vrátane orestedovho experimentu.
A práve tento experiment, hoci krásne prakticky demonštroval spojenie elektriny a magnetizmu, ešte stále nebol opísaný teoreticky. A to práve čakalo na Ampéra, ktorý pri pozorovaní orestedových experimentov dosiahol kritickú hodnotu poznania, jadrové palivo sa hromadilo až do tohto okamihu, keď nastala jadrová reakcia, reakcia poznania ktorá vyústila do známeho Ampérového zákona. Ale poďme pekne po poriadku.
Ticho pred búrkou
Pred pamätným zasadaním zo 4. Septembra sa Ampére nachádzal v stave preňho bežnom – bol nešťastný. Jeho súkromný život bol od samého začiatku pod kritikou. Jeho súkromný život bol od samého začiatku pod kritikou, ale po otcovej poprave predstavoval nepretržitý prúd neúspechov. Po jeho prvom manželstvom ostal Ampérovi syn.

Druhé Ampérovo manželstvo dalo mimoriadne inteligentnému človekovi, fyzikovi Louisovi -Victorovi-Pierremu-Raymondovi, 7th duc de Brogliemu podnet na výrok: „Jeho druhá žena bola fúria a jej rodičia neboli o nič lepší.“

Zašlo to tak ďaleko že dokonca musel súdom vyžadovať presťahovanie manželky naspäť k nemu. Skrátka jeho život bol plný nepríjemností. Jediné v čom sa Ampérovi darilo a zároveň ho napĺňalo šťastím bola veda. A práve v takomto rozložení, ako sa môžeme domnievať bol Ampére, počas osudového dňa 11.septembra.

Výbuch

Po predvedení orestedových pokusov, beží už vtedy postarší, 45 ročný Ampére ku zámočníkovi, aby si objednal patričné prístroje. Nedočkavo inštaluje elektrické prístroje, medzi inými aj voltov článok. Presvedčuje sa že experiment je správny. Ako prechádza elektrický prúd vodičom, ručička na magnetickej strelke sa vychyľuje a to podľa toho akým smerom sa prúd pohybuje. Tak to tu ešte nebolo. Na jednej strane trecia elektrina, blesk, a na druhej strane voltov článok, ktorý dokáže vytvárať magnetické pole. Ale predsa voltov článok, inak povedané dnešnými výrazmi elektrická baterka, dokáže vytvárať iskry, priťahovať papieriky a prach, a zároveň prechodom cez vodič vytvára magnetickú silu. Tak potom to znamená iba jediné – elektrická sila a magnetická sila, musia byť to iste.

Čerstvé noviny, najnovšie správy, „Elektrina a Magnetizmus jedno a to isté“, „Ampére génius, alebo šarlatán“…
Dnes už všetci dobre vieme že elektrina a magnetizmus predstavujú v skutočnosti prejavy správania sa elektrónov. Takže milý čitateľ môžeme byť šťastný, lebo sme našli ďalšiu skladačku do nášho rébusu s názvom „elektrón“.

Ampére vyslovil domnienku že slučky z vodivého drôtu sa budú správať rovnako, ba až na nerozoznanie od magnetu, keď nimi bude prechádzať elektrický prúd. Svoje tvrdenie aj dokázal. A tak sa končí jaderný výbuch v jeho mysli, výbuch tvorivého myslenia. Dva týždne horlivého objavovania. S nasledujúcimi týždňami sa počet objavov postupne znižoval, až sa život vrátil do bežných koľaji. Ako sa sám Ampére neskôr vyjadril, bolo to jeho najšťastnejšie dva týždne objavovania.

Ale už je čas, aby sme si predstavili veľkého vedca, ktorý prevzal štafetu elektrických objavov z rúk teoretika Ampéra.

Blesk

Kto prvý krát videl blesk?

Blesk je neodlučne spätý s prostredím kde žijeme, s planétou Zem, od čias jaskynných ľudí až po dnešok. Je zaujímavé pozrieť sa na blesk očami ľudí minulosti.

A teraz sa vyberieme naprieč históriou k Artaxerxesovi (5. storočie pre Kristom), synovi známeho Xerxesa I – kráľa perzského. Kde legenda hovorí, že jeho matka Paruz-ata mu darovala dva meče, so slovami: „Ak tieto meče zabodneš do zeme hrotom nahor, odvrátia oblaky, krúpy a búrky.“ Legendy o bohoch boli často inšpirované bleskom, takým bleskom čo máme aj doma v žiarivke.

Len jedno storočie po Artaxexresovi žil veľký duch doby Aristoteles. Od neho sa nám zachovali poznámky o mimoriadnej láske blesku ku kovom. Ako sám píše: „Stávalo sa, že po zasiahnutí bleskom meď štítu sa roztavila, ale drevo, čo ho pokrývalo, zostalo nepoškodené.“

Ale nie len v starovekých krajinách mali poznatky o blesku, ale aj počas stredoveku v Európe ľudia vytušili podstatu blesku. Za Karola Veľkého (8. Až 9. storočie po Kristovi) roľníci umiestňovali kovové a drevené tyče ako ochranu pred bleskom. Na každej palici musel byť zavesený papierik, inak sa považovali palice za neúčinné.

[Vladimir Karcev: Príhody veľkých rovníc, Vydavateľstvo Znanije, Moskva 1978 kapitola: čas pozorovania, podkapitola: Život uprostred bleskov ]

Na týchto príkladoch, a na veľa ďalších, možno ukázať vnímanie blesku. Cez celú históriu ľudstva sa človek stretáva s ohromujúcimi účinkami blesku. Trpezlivo pozoruje a z generácie na generáciu sa zhromažďujú poznatky:

-blesk pôsobí svetelný efekt a hrom zvukový efekt

-blesk udiera z mračien na zem

-zasiahnutie bleskom pôsobí deštruktívne na predmety, alebo osoby

-„Blesk neudrie na to isté miesto dvakrát.“

A teraz sa pýtam čitateľa ktorý z troch poznatkov vyššie uvedených je nesprávny?

Správna odpoveď je, že každá odpoveď je nesprávna. Poďme sa pozrieť bližšie na blesk samotný a postupne si vysvetlíme chybnosť týchto tvrdení.

Divadelná hra nazvaná búrka

Človek žije na planéte Zem. Na dne vzdušného oceánu, medzi nebom a zemou. A pri každej búrke sa odohráva veľkolepé divadlo. Pohodlne sa usaďte do vašich sedačiek a vychutnajte si, z bezpečia, predstavenie prírody.

Obsah drámy

Zem predstavuje veľký zásobník elektrickej energie – guľový elektrický kondenzátor. Klasický elektrický kondenzátor dokáže prijať v sebe elektrickú energiu tak, že uväzní v sebe elektróny, ktoré čakajú na svoju chvíľu kedy sa môžu vybiť.

Kondenzátor funguje na princípe dvoch vodivých dosiek, alebo pásikov, uložených vedľa seba tak, aby neboli vodivo spojené. Na tieto pásiky je privedené elektrické napätie, ktoré má za následok udržanie elektrónov v samotnom kondenzátore. Rozdiel v klasickom kondenzátore a zemskom kondenzátore je v rozmeroch a v tom, že zemský kondenzátor tvoria dve guľové vrstvy.

Dovoľujem si Vám predstaviť v hlavných úlohách:

Povrch zeme ako prvá vodivá vrstva zemského kondenzátora. Druhá vodivá vrstva dažďové oblaky – cumulo nimbus. A Vy, homo sapiens curiosus (človek rozumný zvedavý).

Prvé dejstvo:

Výstupné prúdy vo vnútri oblaku urýchľujú ochladzovanie vlhkého vzduchu. Po prekročení mínusovej teploty sa stane z vodnej kvapôčky záporne nabitý ľad obalený veľmi tenkou kladne nabitou vrstvičkou vody. Pri silnom prúdení vzduchu, turbulencií vo vnútri oblaku ľadové čiastočky na seba narážajú spolu s ľadovými kryštálmi a podchladenými kvapkami vody a tým sa vrstvička vody odtrhne od ľadu. Väčšinou ľahšia kvapôčka zo svojím kladným nábojom stúpa hore a ťažší záporne nabitý ľad klesá dole.

Stálou cirkuláciou vo vnútri oblaku dochádza k premiestňovaniu elektrických nábojov a oblak sa nabíja. Vzrastá rozdiel potenciálov a tým aj napätie. Búrkový oblak tak pracuje ako generátor statickej elektriny ako keď si človek češe vlasy. Zároveň si ho môžeme predstaviť ako obrovský kondenzátor.

Druhé dejstvo

Centrum záporného náboja je v dolnej časti oblaku a kladného náboja v hornej časti oblaku. Okrem toho sa v oblaku vytvárajú striedavo vrstvy kladne nabitého oblaku a záporného.

Ako izolátor tu pôsobí vzduch. Ale vplyvom kozmického žiarenia – röntgenového a rádioaktívneho sa vzduch stáva vodivým. Zároveň tu hrá rolu aj vlhkosť ovzdušia, prachové čiastočky, teplota atď.

To znamená že aj vo vnútri oblaku vznikajú elektrické blesky, ktoré človek počuje a aj vidí ako osvetlenie oblakov – akoby zvnútra – a naozaj je to zvnútra z oblaku.

Na spodku oblaku sa ale neustále hromadí elektrický náboj. Až do tej doby kým veľkosť elektrického náboja nepresiahne hraničnú hodnotu na to aby mohol vzniknúť elektrický výboj.

Tretie dejstvo

Za touto hranicou sa zhora z oblaku smerom k zemi znesú prvých zopár elektrických nosičov, ktoré vytvárajú elektricky vodivú cestu, ako keď elektrikári ťahajú medené káble od rozvodnej skrine až k zásuvke. Zároveň sa zdola zo zeme vyberú nosiče opačného elektrického náboja smerom k oblaku.

Obidve tieto vodivé cesty sú ľudským okom neviditeľné, až do tej doby kým sa  nestretnú. Po ich stretnutí sa obrovské množstvo nosičov elektrického náboja rozhodne ísť po tejto ceste, lebo to čo im doteraz bránilo k prechodu, nevodivosť vzduchu, bolo prekonané týmto vodivým kanálom. V jednej veľkej vlne sa premiestnia, pričom vytvoria svetelný efekt a tepelný efekt.

Teplo zvýši tlak okolo blesku čo my zaznamenáme ako zvukový efekt, ktorý sme nazvali hrom. Treba si uvedomiť že aj blesk – svetelné pôsobenie, a aj hrom – zvukové pôsobenie, sú iba vlastnosti elektrického výboja medzi oblakom a zemou. Kvôli zaužívaniu, v celom tomto článku tento elektrický výboj budem označovať slovom „blesk“.

Po prvej vlne, ale oblak nie je dokonale vybit a z jeho priľahlých a vyšších častí sa blížia ďalšie nosiče náboja. Tak vznikajú ďalšie vlny, niekedy až desať vĺn. Čo má za následok že keď vidíme svetlo z blesku – vidíme ho doslova zablesknúť sa viackrát – rýchlo za sebou.

Veľkolepé rozuzlenie

Odhaduje sa, že na celej Zemi v každom okamihu prebehne 2000 búriek, ktoré v každom okamihu zakrývajú 0,5% zemského povrchu. V každom okamihu 100 bleskov (aj teraz, a aj teraz).

Uvedomme si, že neustále medzi povrchom zeme tečie elektrický prúd 2000 Ampérov, pri priemernom napätí neuveriteľných 400 000 Voltov, ktoré pri blesku samotnom dosahuje milióny voltov.

Blesku sa však netreba báť, blesk treba pochopiť a mať pred ním zdravý rešpekt a obdiv k prírode. Prirodzenou ochranou človeka je bleskozvod, ktorý bez deštruktívnych účinkov, zvedie celý náboj do zeme.

Ak budete mať smolu môžete sa stať živým bleskozvodom, a ak budete mať šťastie tak to prežijete. Ľudia ktorý zažili blesk viackrát hovoria o „šušťaní“, podobné hlasne vyslovenému „ššš“ pred dopadnutím blesku. Bohužiaľ čas ktorý je medzi „šuštaním“ a dopadom blesku je priveľmi malý aby človek mohol uniknúť.

Ak už blesk človeka zasiahne, podľa odborníkov najčastejšie preletí cez jednu stranu tela od ramena až k nohe. Šťastie má ten človek, ktorému blesk preletí pravou časťou tela, a nezasiahne srdce alebo chrbticu. Vtedy je veľká šanca na prežitie. Preto sa radšej chráňme a pozorujme z dobre chránených miest.

Záver

Ak sa pýtate čo mal tento článok spoločné s elektrónmi odpoveď je veľmi jednoduchá. S elektrónmi samotnými nič, ale o správaní elektrónov veľa. Blesk je prvým míľnikom pre ľudstvo, kde sa môže stretávať s pôsobením elektrónov. Je to začiatok cesty, ktorou sa vybrali vedci aby mohli skrotiť blesk, pochopiť jeho štruktúru – elektróny, a využiť ju.

V ďalšej kapitole sa môžete tešiť na skrotenie blesku a zistenie čo má spoločné s magnetom a jantárom. Ako i o zlodejovi nazvanom „elektrón“.