Josef Heřman
Od jantaru k tranzistoru Elektřina a magnetismus v průběhu staletí
FCC Public
Kniha se pokouší zachytit téměř dvouapůltisíciletý vývoj vědy o elektřině a magnetismu a využívání jejích poznatků v praxi, zejména v období posledních 150 let rozvoje elektrotechniky a sdělovací techniky. Historický výklad začíná mýtickými představami antiky a končí kvantovou elektrodynamikou a objevem tranzistoru. Hlavním cílem a základním rysem zpracování je postihnout tendence vývoje fyzikálních představ, ukázat, jak vznikaly, vzájemně se ovlivňovaly a posléze byly překonány jednotlivé hypotézy, včetně popisu významných experimentů, které poznatky o elektřině a magnetismu významně posunuly vpřed. Přiměřená pozornost je věnována i obecným filozofickým otázkám, tzv. přírodní filozofii, která hrála důležitou roli v počátcích vytváření teoretických přístupů k vědě o elektřině a magnetismu, zejména v 18. a 19. století. Každá kapitola začíná prologem, který rámcově charakterizuje společenskou, politickou, kulturní a hospodářskou situaci v daném období, popř. je zde stručně popsán i stav v souvisejících vědních oborech či technice. V knize je ve větší či menší míře zmíněno kolem 550 jmen. Hlavní pozornost je zaměřena na přínosy významných a všeobecně známých učenců (Gilbert, Franklin, Volta, Oersted, Ampér, Ohm, Weber, Gauss, Faraday, Maxwell atd.), ale v nebývalé míře jsou uváděny i dílčí přínosy učenců, kteří jsou obvykle v těchto souvislostech opomíjeni (Guericke, Cabeo, Gray, Dufay, Nollet, Beccaria, Cavendish, Leslie atd.). Kromě vlastních přínosů vědě o elektřině a magnetismu jsou v řadě případů uvedeny i lidské osudy učenců, jejich vzájemné vztahy a společenské postavení. Výklad přiměřeně osvětluje i vlastní podstatu fyzikálních jevů, což přispívá k hlubšímu pochopení poznatků, které čtenář získal v obvyklém, pragmatickém studiu elektrotechniky. Text je doplněn aktualizujícími poznámkami, které z pozice současné úrovně znalostí objasňují výklad poplatný danému historickému období. Základním zdrojem informací byly jednak podrobné a na vysoké odborné úrovni zpracované životopisy učenců, obsažené v díle Dictionary of Scientific Biography (New York, 1972), jednak původní autorské práce učenců (převážně v ruském překladu). Tyto původní práce jsou v několika případech i podrobněji popsány a je z nich často doslovně citován text. Kniha je určena všem, kdo se zajímají o faktografii vědeckého poznávání. Uvedením poznatků v širších souvislostech může prospět zejména elektrotechnikům či studentům elektrotechnických oborů.
© MUDr. Jarmila Heřmanová, 2006 ISBN 80-86534-11-1
OBSAH �. �. �.�. �.�. �.�. �. �.�. �.�. �.�. �.�. �.�. �. �.�. �.�. �.�. �.�. �. �.�. �.�. �.�. �.�. �.�. �. �.�. �.�. �.�. �.�. �.�. �. �.�. �.�. �.�.
/6/
Předmluva ..................................................................................................... � Úvod .............................................................................................................�� Úkazy, nálezy, mýty ......................................................................................�� Prolog ...........................................................................................................�� Jantar ............................................................................................................�� Magnetovec a kompas ...................................................................................�� Epistola de magnete ......................................................................................�� Experimenty a hypotézy ...............................................................................�� Prolog ...........................................................................................................�� Století vědy ...................................................................................................�� William Gilbert .............................................................................................�� Hypotéza fluid ..............................................................................................�� Zkoumání elektřiny .......................................................................................�� Zkoumání magnetismu ..................................................................................�� Na přelomu století vědy ............................................................................... �� Prolog ...........................................................................................................�� Éter ...............................................................................................................�� Zkoumání v Evropě .......................................................................................�� Další jevy, další hypotézy ...............................................................................�� Technické objevy a vynálezy ..........................................................................�� Benjamin Franklin a jeho doba ....................................................................�� Prolog ...........................................................................................................�� Benjamin Franklin .........................................................................................�� Zkoumání blesku ...........................................................................................�� Hromosvod ...................................................................................................�� Franklinovi současníci ...................................................................................�� Jak se šíří elektřina? .......................................................................................�� Zrod elektrostatiky .......................................................................................�� Prolog ...........................................................................................................�� Stav vědy o elektřině a magnetismu ............................................................. ��� Duální hypotézy .......................................................................................... ��� Petrohradské konkursy ................................................................................ ��� Coulombovi předchůdci .............................................................................. ��� Coulombův zákon ....................................................................................... ��� Galvanická elektřina................................................................................... ��� Prolog ......................................................................................................... ��� Animální elektřina ....................................................................................... ��� Zvůle moci .................................................................................................. ��� Objev galvanického článku .......................................................................... ���
O� ������� � ����������� �.�. �.�.
Dva vědci – dva osudy ................................................................................. ��� Na počátku nové epochy vědy ..................................................................... ���
�.
Léčebná síla ............................................................................................... ��� Prolog ......................................................................................................... ��� Léčení magnetem......................................................................................... ��� Léčení elektřinou ......................................................................................... ��� Galvaniho inspirace ..................................................................................... ���
�.�. �.�. �.�. �. �.�. �.�. �.�. �.�. �.�.
Objev elektromagnetismu........................................................................... ��� Prolog ......................................................................................................... ��� Tušení souvislostí......................................................................................... ��� Hans Christian Oersted ............................................................................... ��� Oerstedův objev ......................................................................................... ��� Důsledky objevu.......................................................................................... ��� Počátky elektrotechniky............................................................................... ���
��.
Ampérova elektrodynamika....................................................................... ��� Prolog ......................................................................................................... ��� ��.�. Oerstedova inspirace .................................................................................... ��� ��.�. První zákon elektrodynamiky ....................................................................... ��� ��.�. André Marie Ampére .................................................................................... ��� ��.�. Ampérova elektrodynamika .......................................................................... ��� ��.�. Hypotéza magnetismu.................................................................................. ��� ��.�. Jiné Ampérovy vědecké aktivity .................................................................... ��� ��.�. Ampérův styl vědecké práce.......................................................................... ��� ��. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�.
Teplo a elektřina......................................................................................... ��� Prolog ......................................................................................................... ��� Teplo a energie ............................................................................................ ��� Termoelektřina ............................................................................................ ��� Ohmovi předchůdci..................................................................................... ��� Ohmův zákon.............................................................................................. ��� Nezájem, pochyby a uznání ......................................................................... ��� Joule a elektrické teplo ................................................................................ ��� Michael Faraday ........................................................................................ ��� Prolog ......................................................................................................... ��� Davy a Faraday ............................................................................................ ��� Objev elektromagnetické indukce ................................................................ ��� Joseph Henry .............................................................................................. ��� Základy elektrochemie ................................................................................. ��� Další výzkumy elektřiny............................................................................... ��� Výzkum magnetismu ................................................................................... ��� Teorie pole .................................................................................................. ��� Osobnost Faraday........................................................................................ ���
Průkopníci teorie........................................................................................ ��� Prolog ......................................................................................................... ��� ��.�. Tři jevy ........................................................................................................ ��� ��.
/7/
��.�. Pierre Simon Marquis de Laplace ................................................................ ��� ��.�. Jean-Baptiste Joseph Fourier........................................................................ ��� ��.�. Siméon-Denis Poisson.................................................................................. ��� ��.�. George Green .............................................................................................. ��� ��.�. Carl Friedrich Gauss.................................................................................... ��� ��.�. Wilhelm Eduard Weber ............................................................................... ��� ��.�. Hermann von Helmholtz............................................................................. ��� ��.�. Franz Ernst Neumann ................................................................................. ��� ��.��. Gustav Robert Kirchhoff ............................................................................ ��� ��.�� William �omson – lord Kelvin ................................................................... ��� ��. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�.
Maxwellovy rovnice..................................................................................... ��� Prolog ......................................................................................................... ��� Fyzika a matematika .................................................................................... ��� James Clerk Maxwell ................................................................................... ��� Tři kroky ..................................................................................................... ��� Pojednání o elektřině a magnetismu............................................................. ��� Maxwellův přínos vědě ................................................................................ ��� Rozvíjení Maxwellovy teorie ........................................................................ ��� Krize teorie elektrodynamiky ....................................................................... ��� Heinrich Rudolf Hertz ................................................................................ ��� Experimentální důkaz teorie........................................................................ ��� Od Maxwella k Einsteinovi......................................................................... ��� Prolog ......................................................................................................... ��� Elektrický výboj .......................................................................................... ��� Pohyb nabitých částic a těles........................................................................ ��� Éter a pohyb................................................................................................ ��� Nové fyzikální objevy .................................................................................. ��� Vývoj v elektrotechnice ................................................................................ ��� Elektronová teorie ....................................................................................... ��� Speciální teorie relativity ............................................................................. ���
��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�. ��.�.
Dvacáté století ............................................................................................ ��� Prolog ......................................................................................................... ��� Planckova hypotéza kvant ........................................................................... ��� Do nitra hmoty ............................................................................................ ��� Objev supravodivosti................................................................................... ��� Elektronika.................................................................................................. ��� Bezdrátový přenos informace....................................................................... ��� Vědecké přístroje ......................................................................................... ��� Vývoj v silnoproudé elektrotechnice ............................................................. ��� Nástup polovodičů ...................................................................................... ��� Objev tranzistorového jevu .......................................................................... ���
��.
Literatura ................................................................................................... ���
��.
Rejstříky ................................................................................................... AAA
��.
/8/
následuje několik ukázek textu
O� ������� � ����������� a rozvíjet věda. Zrodila se přírodní filozofie, předchůdkyně pozdější fyziky. Přírodní filozofové se začali systematicky zabývat tím, co viděli, slyšeli, cítili nebo hmatali, zvláště těmi jevy, které se zdály být měřitelné. Za učebnici přírodní filozofie ve středověku sloužil kompilační spis Naturales quastiones (Otázky přírodní filozofie), jehož autorem byl římský filozof Lucius Annaeus Seneca ml. Jedním z prvních učenců středověku, kdo požadoval, aby vědecké zkoumání přírody vycházelo z pokusu, byl františkánský mnich Roger Bacon. Jeho životní příběh však dokazuje, kolik odvahy k tomu bylo zapotřebí. Pro „podezření z novotářství“ byl Bacon generálem františkánského řádu ve svých šedesáti čtyřech letech uvězněn a z vězení byl propuštěn asi rok před svou smrtí, ve věku téměř osmdesát let. Počátkem ��. století vznikla „nejvelkolepější báseň všech dob“, didakticko-alegorický epos Commedia, která brzy získala přívlastek La divina − Božská komedie. Italský básník Dante Alighieri ji psal téměř patnáct let a dokončil ji nedlouho před svou smrtí. Ve ��. století se začalo šířit hnutí za myšlenkovou svobodu a odvržení pověrečné úcty k autoritě církve, za návrat k hodnotám antické kultury. Toto hnutí, nazvané renesance, vzniklo v italské Florencii, odkud se rozšířilo do zaalpských oblastí Evropy. Stejně jako v antice, také v renesanci se do centra pozornosti dostával člověk se svými problémy − nastala myšlenková éra humanismu. Kryštof Kolumbus svou objevnou plavbou roku ���� otevřel evropským národům cestu k novému kontinentu a převratně ovlivnil dějiny Evropy i Ameriky. Skončil středověk.
2.1. Jantar Cenné zboží
O jantaru, zkamenělé žluté až hnědé pryskyřici pravěkých stromů, pocházející především z období třetihor, jsou první zmínky již ve druhém tisíciletí př. n. l. Pro svou snadnou opracovatelnost byl jantar od prehistorického období využíván k výrobě ozdobných předmětů a šperků. V antice se z jantaru nejen vyráběly šperky a ozdobné předměty, jak o tom píše Homér v eposech Ilias a Odyssea, ale byl používán i k léčení lidí (odstraňování akné, při sexuálních problémech mužů apod.). Proto byl ve střední Evropě a na Blízkém východě velmi ceněným zbožím. Již od druhého tisíciletí př. n. l. existovala v Evropě rozvětvená síť dálkových obchodních cest, po kterých se dopravovala sůl, ale i jantar. Jedna z nich, tzv. jantarová cesta, vedla v době římské i přes naše území − od jižního baltského pobřeží, kde se jantar hojně vyskytoval, Moravskou branou do Carnuta (u Vídně); zde na ni navazovaly další cesty, např. na jih k pobřeží Jaderského moře.
Podivná síla
Již v �. století př. n. l. si starořečtí klenotníci všimli, že je-li jantar třen suchou rukou nebo vlněnou látkou, přitahuje drobné předměty a tělíska, jako nitky, slámu, vlasy a peří. Tentýž jev pozorovaly i řecké přadleny. Na otázku, kdo objevil tuto podivnou sílu jantaru, však nebude nikdy možné odpovědět. Možná, že to bylo dítě, které si hrálo v paláci mykénského krále s jantarovým šperkem, možná to byl pobaltský barbar, který zároveň s jantarem přinesl ze severu i znalost o jeho tajemné síle. Této neobyčejné vlastnosti jantaru si povšiml jeden ze sedmi mudrců Řecka, přírodní filozof, matematik, astronom a první řecký fyzik vůbec, zakladatel ionské školy, již zmi-
/23/
O� ������� � �����������
3.4. Zkoumání elektřiny Objev odpudivé elektrické síly
Jak již bylo uvedeno, Gilbertova hypotéza fluid byla učenci zabývajícími se elektřinou rozvíjena ještě po celé ��. století, přestože doznávala určité modifikace tak, jak byly objevovány nové vlastnosti elektřiny. První badatelé v oblasti elektřiny byli v duchu mechanistického filozofického názoru přesvědčeni, že elektrická přitažlivost je způsobena tím, že těleso elektrizované třením vypouští lepkavé fluidum. Měli za to, že toto fluidum se zachycuje na všech tělesech, která mu stojí v cestě, a odnáší s sebou vše, co není příliš těžké. Významným poznatkem ve zkoumání elektřiny, který vyšel z experimentu a měl základní význam pro rozšiřování znalostí o elektřině, byl objev elektrického odpuzování lehkých tělísek zelektrizovaným tělesem. Tento jev zůstal Gilbertem nepovšimnut a prvně jej uvedl až roku ���� italský jezuita a přírodovědec Nicolo Cabeus ve svém spise Philosophia magnetica. Cabeus vyslovil i hypotézu, podle které jsou elektrické přitažlivé síly vyvolány vzduchem, v němž je rozprostřena elektrická látka vycházející z elektrizovaného tělesa. Cabeův objev měl za následek i úpravu již citované a obecně přijímané hypotézy. Byl v ní tedy reflektován hypotetický předpoklad, že když lehká tělíska, na nichž ulpělo fluidum, dospěla k zelektrizovanému tělesu, odnesl je další proud fluida zase nazpátek. Tím bylo vysvětleno i to, proč substance, ze které fluidum vychází, se jeho ustavičným vypouštěním neztrácí. Cabeus se ve své knize, první knize vyšlé po Gilbertově De magnete, především zabýval magnetismem, zejména věnoval pozornost magnetování železa.
Otto von Guericke
Rozsáhlou experimentální činnost vyvinul magdeburský purkmistr Otto von Guericke, jedna z nejvýznamnějších osobností vědy ��. století. Byl politikem, vědcem, zručným experimentátorem a vynalézavým technikem, mužem velmi podnikavým a zámožným. Ve svém vzácném volném čase se věnoval vědeckým experimentům. O tom, že vše, co dělal, dělal velkoryse, svědčí i to, že na své pokusy vydal � ��� liber, což byla na tehdejší dobu ohromující suma (obr. �.��). Celým jeho dílem, jemuž podřizoval i své experimenty, prostupovala především snaha podat výklad vesmíru a filozoficky se i vypořádat s pojmem prostoru. Někteří badaObr. 3.11. Otto von Guericke * 20. 11. 1602 Magdeburg (nyní Německo) + 11. 5. 1686 Hamburg (nyní Německo)
/45/
�. N� ������� ������� ���� jí, ale po kovovém vlákně se elektřina šíří okamžitě. Gray navíc objevil, že elektřinu je možné na izolovaném tělese udržet i několik měsíců. Stephen Gray byl první, kdo při experimentech s elektřinou použil za objekt výzkumu i lidské tělo (obr. �.�): �. dubna ���� zkoumal na chlapci volně zavěšeném ve vzduchu na vláknech z vlasů, zda lidské tělo vede elektřinu. Podobně jako F. Hauksbee vykonával Gray i pokusy s elektřinou ve vakuu. Svými experimenty rovněž přispěl k řešení otázky vzájemného vztahu elektřiny a magnetismu. Tato souvislost v té době ještě nebyla známa. Gray např. při elektrizování klíče objevil, že lehké předměty jsou klíčem přitahovány nezávisle na tom, jsou-li současně přitahovány magnetem či ne, čili experimentálně ověřil, že magnetické a elektrické síly se navzájem neruší. Pozoruhodný je také Grayův poznatek, že elektrizovaná dutá dřevěná kostka se chovala zcela stejně jako plná kostka. Z toho by bylo možné usoudit, že elektřina sídlí pouze na povrchu tělesa, ale není jednoznačně známo, zda tento závěr učinil sám Gray. Grayovy pokusy v principu posloužily k rozdělení všech látek na vodiče a nevodiče (izolanty). Nutnost a důležitost takového členění nebyla ihned pochopena. Ani sám autor neudělal potřebný závěr ze svých pokusů. Teprve za deset let John �eopphilus Desaguliers (obr. �.�), vzdělaný muž a velmistr nově vzniklé zednářské Velké lóže anglické (Grand Lodge of England), jemuž S. Gray až do své smrti asistoval při přednáškách, rozlišil látky na electric per se (elektrika sama od sebe čili dnešní nevodiče), které mohou být zelektrizovány třením, a na non-electric body (neelektrická tělesa, tedy z dnešního pohledu vodiče), které nemohou být zelektrizovány, nejsou-li vhodně zavěšeny. Je však zřejmé, že nerozuměl významu pojmů vodič a nevodič ani prosakování náboje do země. V Královské společnosti, jejímž byl i členem, provedl a popsal velké množství experimentů s elektřinou; tím významně přispěl k její popularizaci. Tento filozofující inženýr byl ztělesněním nového ducha obchodního podnikání.
Obr. 4.6. Grayův pokus s elektrizací lidského těla
/60/
�. G��������� ��������� mech Dalton spojil s poznatky chemie. Předložil kvantitativní teorii, kterou bylo možné využívat k přesnému ověřování chemických pokusů. Dalton jasně vyjádřil koncepci atomů, molekul, prvků a chemických sloučenin. Svou teorii podal tak přesvědčivě, že ji během dvaceti let přijala většina vědců.
7.1. Animální elektřina Animální elektřina, tedy elektřina živočišného původu, byla vlastně známa již ve starověku jako projev některých vodních živočichů. Její modifikace, která se objevila na sklonku ��. století, co se podstaty týče, tedy nebyla nic nového. Zásadní přínos však spočíval v inspiraci objevu, který byl ve vědě o elektřině převratný. Nejdůležitějším mužem v tomto ohledu byl italský lékař Luigi Galvani.
Luigi Galvani – cesta k objevu
Luigi Galvani dosáhl odborného vzdělání v medicíně. Studoval v Boloni, u známých učitelů medicíny své doby. Po získání akademické hodnosti v tomto oboru a ve filozofii v červenci ���� rozdělil své první kroky profesionální kariéry mezi lékařství a chirurgickou praxi, anatomický výzkum a přednášky o medicíně (obr. �.�). Galvani věnoval většinu svého raného vědeckého úsilí důležitým, ale dosti neuzavřeným problémům anatomie. V průběhu sedmdesátých let ��. století se jeho výzkumný zájem posunul od široce pojímané anatomie k fyziologickým studiím, zvláště nervů a svalů. V roce ���� analyzoval pohyby svalů žab. Roku ���� přednesl příspěvek o vlivu opiátů na žabí nervy. Tyto výzkumy byly v souladu s jeho názorem, který vycházel z výsledků předcházejících studií mnoha vědců ��. století o elektrické stimulaci nervů a svalů. Je však třeba připomenout, že již z dob Guerickových (kap. �) bylo známo, že působením elektrických výbojů na živý organismus dochází ke křečovitému stahování svalů. Koncem roku ���� se Galvani začal zabývat rozsáhlou sérií podrobných výzkumů, při nichž vyvolával odezvy vlastnoručně připravených žabích preparátů na statickou elektřinu. Galvaniho žabí preparáty tvořila mícha, stehenní nervy a dolní, jednotlivě rozřezané údy. Když pracoval s těmito preparáty položenými na tabuli skla, dotkl se nejdříve vývodem z třecí elektriky přímo míchy a pozoroval křečovité kontrakce svalů dolních končetin. Galvani byl zřejmě rozhodnut dospět k obecným zákonům vztahujícím se ke schopnosti svalů stahovat se přímo závisle na množství přivedené elektrické látky a nepřímo závisle na vzdálenosti nervu a svalu od přívodu elektřiny. Po mnoha pokusech, různě modifikovaných, byl Galvani postaven před jeden zcela nepředvídaný poznatek: žabí stehýnka se stahovala vždy, přestože byl preparát úplně izolován od třecí elektriky a byl od ní i vzdálen. Jakmile se stehenních nervů dotkl uzemněným vodičem, svaly se stáhly vždy, když přeskočila jiskra z třecí elektriky, byť by přímo nezasáhla žabí preparáty. V souvislosti s tímto objevem se často zdůrazňuje, a to ne poprvé ani naposled, jeho náhodnost. Uvádí se, že Galvani byl na to upozorněn buď svou ženou a spolupracovnicí Luciou, nebo asistentem či náhodným posluchačem. Možná, že to je zajímavost oživující historický výklad, avšak naprosto podružná a z hlediska vývoje vědy nedůležitá. Jako v mnoha obdobných případech, kdy je vědecký objev přisuzován čisté náhodě, platí, že za vytvořením podmínek k tomu, aby tato „náhoda“ vůbec vznikla, je dlouhá a nelehká práce, úspěchy a omyly a náročné přípravné studium badatelů. U Galvaniho a jeho objevu tomu bylo rovněž tak.
/120/
O� ������� � �����������
Obr. 7.1. Luigi Galvani * 9. 9. 1737 Boloňa (nyní Itálie) + 4. 12. 1798 tamtéž
V průběhu zkoumání tohoto podivného jevu odhalil v polovině osmdesátých let jev ještě podivnější. Spolu se svými spolupracovníky začal využívat působení atmosférické elektřiny na žabí preparáty. Vycházel z předpokladu, že existuje analogie mezi křečemi vyvolanými vzdálenou jiskrou z třecí elektriky či leidenské láhve a výbojem elektřiny v atmosféře. Očekávané analogické jevy také skutečně nastaly. Zde je třeba poznamenat, že tento jev čekal na své vysvětlení téměř ��� let. Předběhněme čas a uveďme vysvětlení již teď: Žabí preparáty totiž sloužily jako citlivý indikátor elektromagnetického vlnění provázejícího elektrický výboj, kterým je i elektrická jiskra z třecí elektriky či leidenské láhve nebo blesk. K překvapení Galvaniho však svalové stahy nastávaly, ačkoliv k elektrickým výbojům nedocházelo. Když totiž Galvani připevnil žabí preparát mosaznými háčky za míchu k železnému zábradlí v zahradě domu, zjistil, že stahy nastávaly u preparátů „ne pouze když se zablesklo, ale stejně často, když obloha byla klidná a jasná“. Stahy se staly intenzivnějšími, když záměrně přitlačil mosazné háčky v míše k železnému zábradlí. Podobné výsledky obdržel i v místnosti, když přiložil žabí preparát na železnou desku a přitlačil mosazný háček proti desce. V místnosti nastaly stahy preparátů pouze tehdy, když byl použit kov, a ne sklo či pryskyřice; Galvani si všiml, že stahy byly silnější zejména při použití některých kovů (obr. �.�).
Obr. 7.2. Galvaniho pokus s kovovým obloukem
/121/
�. O���� �����������������
9.1. Tušení souvislostí Od počátku ��. století, kdy v Londýně vyšlo základní šestisvazkové dílo Williama Gilberta O magnetu (kap. �), byla po více než ��� let ve vědě ražena vůdčí Gilbertova myšlenka o vzájemné nesouvislosti magnetických a elektrických jevů. Takto pojímal zákony vzájemného silového působení těchto dvou substancí, přes matematickou podobnost, na konci ��. století i Charles Augustin Coulomb. Přesto však po celé toto období byla některými badateli více, či méně vzájemná souvislost tušena a vyslovována, často i na základě experimentálních poznatků. O vzájemné souvislosti těchto dvou jevů uvažovali přední filozofové i významní badatelé v oblasti elektřiny a magnetismu. Krátce je připomeňme. Nejdříve se souvislost objevila jako následek úderu blesku, a to ještě v době, kdy elektrická podstata blesku nebyla známa. Zmagnetování železné tyče po úderu blesku si povšiml již roku ���� francouzský učenec a katolický kněz Pierre Gassendi. Pojem elektro-magnetismus, avšak bez fyzikálního výkladu, poprvé použil již v roce ���� ve svém spise německý jezuita a polyhistor Athanasius Kircher (viz kap. �). V londýnském Philosophical Transactions se roku ���� objevila zpráva námořního kapitána o přepolarizaci magnetické střelky kompasu při bouři provázené blesky. Z pověření pařížské Akademie věd, vyšetřoval v roce v roce ���� Pierre Lorrain Vallemont, profesor fyziky na Collége du Cardinal Le Moine v Paříži, zmagnetované železné hroty na kostelní věži v Chartres. Trvalejší zmagnetování kostelního kříže po úderu blesku také uváděl významný francouzský přírodovědec René Antoine Ferchault de Réaumur. Ve čtyřicátých letech osmnáctého století se někteří přední badatelé v oblasti elektřiny prokazatelně pokoušeli elektrickým výbojem z leidenské lahve, či třecí elektriky, přepólovat magnetickou střelku nebo zmagnetovat železné jehly. Byli to zejména Georg Matthias Bose, Petrus van Musschenbroek, Benjamin Franklin, ale i další. Na podzim roku ���� přednesl v petrohradské Akademii věd Franz Ulrich �eodosius Aepinus svou přednášku Akademická řeč o podobnosti elektrické síly. Na závěr uvedl: „Nyní vidíte, vážení pánové, že podobnost mezi elektrickým a magnetickým jevem je takto velká, a již sotva může být větší. Proč se nemáme domnívat, že příčina obou je navzájem podobná?“ V šedesátých letech Johann Carl Wilcke zmagnetoval elektrickým výbojem přes sto železných jehel. Tentýž pak v roce ���� v Lipsku vydal německy psaný spis Pojednání o vzbuzení magnetické síly elektřinou. Později jezuita a člen mnichovské Akademie věd Lorenz Huebner vyslovil ve svém spise Ueber die Analogie der electrischen und magnetischen Kra� (����, O analogii elektrické a magnetické síly) hypotézu, že „působení obou sil pochází od éteru“. V roce ���� byl v Journal der Physik uveřejněn článek německého astronoma žijícího v Paříži Johanna Wilhelma Wallota, ve kterém popsal svá pozorování chování magnetické střelky při přechodu bouře. V závěru článku uvedl: „… Mé pozorování dokazuje, že magnetická střelka má určitou citlivost na elektřinu.“ Řešení problému souvislosti elektřiny a magnetismu se však často opíralo o obecnější filozofické závěry. Filozofové Immanuel Kant (obr. �.�) a Friedrich Wilhelm Joseph von Schelling (obr. �.�) byli o společném původu elektřiny a magnetismu přesvědčeni. Druhý z jmenovaných ve svém díle Ersten Entwurf eines Systems der Naturphilosophie (����, První návrh soustavy přírodní filozofie) mínil, že „magnetismus a elektřina jsou pouze různě se jevící formy téže fyzikální síly“.
/154/
O� ������� � �����������
Obr. 9.1. Immanuel Kant * 22. 4. 1724 Königsberg (nyní Kaliningrad, Rusko) + 12. 2. 1804 tamtéž
Obr. 9.2. Friedrich Wilhelm Joseph Scheeling * 27. 1. 1775 Leonberg (nyní Německo) + 20. 8. 1854 Bad Ragaz (nyní Německo)
Až do základního Voltova objevu zdroje trvalého, ustáleného proudu (kap. �), se při elektromagnetických experimentech mohl využívat pouze krátkodobý elektrický výboj buď z umělého zdroje (třecí elektrika, leidenská láhev), nebo ze zdroje přírodního (blesk). Naděje, že se prokazatelně dokáže vzájemná souvislost elektřiny a magnetismu, nebyla tedy příliš velká. Voltův objev ale umožnil, aby po roce ���� došlo k zásadní změně. O první ovlivnění magnetické střelky trvalým elektrickým proudem se pokusil profesor fyziky na gymnáziu v Karlsruhe, Carl Wilhelm Boeckmann. Rok po Voltově objevu, roku ����, napsal pro Annalen der Physik článek Ueber die Wirkung der galvanischen Electricitaet durch Voltas Säule (O působení galvanické elektřiny prostřednictvím Voltova sloupu), ve kterém ovšem došel k negativnímu závěru: „U galvanicko-elektrických proudů jsem nezjistil žádné zvláštní vlivy na magnetickou střelku.“ V dalších pokusech Boeckmann nepokračoval, čímž ztratil naději na objev elektromagnetického jevu. Zkoumáním těchto jevů se však zabývali i mnozí nadšenci, jejichž profesní zaměření bylo od této problematiky na hony vzdálené. Advokát v Trentu (nyní Itálie) a pozdější profesor obecného práva na univerzitě v Parmě Gian Domenico Romagnosi se zabýval experimenty s Voltovým sloupem. Počátkem srpna ���� otiskla Gazzeta di Trento zprávu o jeho experimentu s působením „galvanického fluida na magnetismus“. Údajně měl experimentálně zjistit výchylku magnetky poblíž drátu, jímž procházel galvanický proud. Rok nato dělal rovněž v Bruselu S. P. Bouvier pokusy s magnetickou střelkou a Voltovým sloupem. Profesor matematiky a fyziky na univerzitě v Jeně Johann Heindrich Voigth napsal v roce ���� pojednání O elektrickém pohybu jehly v buzole. V berlínském Journal fuer die Chemie, Physik und Mineralogie uveřejnil roku ���� profesor fyziky na gymnáziu v Bayreuthu Johann Salomo Christoph Schweigger článek O použití magnetické síly při měření elektřiny. Napsal v něm: „Elektřina nastaví jehlu na magnetický poledník.“ Uvedli jsme zde pouze několik příkladů zkoumání elektřiny a magnetismu. Experimentů a různých úvah, často protichůdných, bylo v té době mnohem více. Jasno ale přinesl až objev Hanse Christiana Oersteda v roce ����.
/155/
��. A������� ��������������� jej zbavuje pochybností. Takový postoj byl pro Ampéra nepřijatelný a hledal proto jiné filozofické pojetí světa. Jako jeden z prvních Francouzů se seznámil s filozofií Immanuela Kanta. Přestože Kantova filozofie tolerovala náboženskou víru, Ampére pociťoval, že Kantovo pojetí prostoru, času a příčinnosti nemůže jako matematik akceptovat. Vytvořil si tudíž vlastní filozofii. Umožňovala mu ponechat si víru v Boha i víru v existenci reálného světa. Vyvstala však před ním otázka, co je určující pro poznání fyzikálního světa. Zřejmě pod vlivem Kanta rozlišoval dvě úrovně poznávání přírody. Jednak šlo o jevy, které člověk poznává svými smysly (fenomén), jednak o poznatky objektivně způsobující jev (noumen), které Ampére pokládal za poznatelné rozumem. Uvedený filozofický postoj Ampére stvrzoval svou vlastní vědeckou prací.
10.4. Ampérova elektrodynamika Do roku ���� dosáhl Ampére určitých úspěchů jak v matematice, tak v chemii. Kdyby zemřel před zářím tohoto roku, dějiny vědy by ho určitě vzpomněly, ale pouze jako vědce nepříliš velkého významu. Oerstedův objev na jaře toho roku otevřel před Ampérem dosud netušené obzory vědy. Když účastníci památné schůze Akademie věd z počátku září vyslechli Aragovu zprávu o Oerstedově objevu, většina z nich nevěřila svým uším. Nedokázal snad velký Coulombe před téměř čtyřiceti lety k všeobecné spokojenosti, že elektřina a magnetismus nemají žádnou souvislost? V tomto případě, pravděpodobně jednom z mála v jeho životě, se Ampérovi vyplatila jeho důvěřivost. Okamžitě akceptoval Oerstedův objev a zcela k němu upjal svou mysl. A již ��. září seznámil Akademi věd se svým prvním objevem a pokračoval ��. září a �. října. V těchto horečnatých týdnech vznikla elektrodynamika. O přesné podstatě prvního Ampérova objevu jsou určité nejasnosti. V publikovaném memoáru Mémoire sur l’action naturelle de deux courants électriques (����) uvedl, že se v mysli začal okamžitě zabývat podstatou magnetismu, a to ve vazbě na magnetismus zemský. Na druhé straně však jsou zápisy o Ampérových vystoupeních na zasedání Akademie věd, které uvádějí poněkud jiný postup jeho objevů. Na zasedání ��. září ���� se Ampére zabýval působením proudovodiče na magnetickou střelku, a to i ve vazbě na činnost Voltova sloupu. Zde rovněž předložil své pravidlo plavce (obr. ��.�) určující směr magnetického působení proudu:
Obr. 10.4. Ampérovo pravidlo plavce
/172/
O� ������� � ����������� „Představme si člověka, který plave s proudem v drátě a který se při tom stále dívá na magnetku, ať už je nad ní nebo pod ní. Pak konec magnetky směřující k severu se bude vždy vychylovat směrem k jeho levé ruce.“ Později toto pravidlo James Clerk Maxwell nahradil formulací, známou jako Ampérovo pravidlo pravé ruky: „Položíme-li pravou ruku na místo vodiče tak, aby prsty mířily ve směru proudu a dlaň byla obrácena k magnetce, pak ta se vychýlí ve směru palce pravé ruky.“ Obsahově zcela stejné je Maxwellovo pravidlo o vývrtce: „Smysl indukčních čar magnetického pole je shodný se smyslem otáčení vývrtky zavrtávané ve směru, jímž prochází proud vodičem.“ Ampére pak dále navrhl konvenci týkající se směru toku proudu: směrem toku elektrického proudu je směr toku kladného elektrického fluida. Jinými slovy – elektrický proud teče od kladného pólu k pólu zápornému. (Konvence byla fyziky přijata v roce ����.) Na zasedání Akademie ��. září ���� Ampére hovořil o vzájemném silovém působení dvou proudovodičů. Kromě silových účinků dvou přímých proudovodičů, uvedl i případ vzájemného přitahování či odpuzování dvou proudovodičů svinutých do smyček. V průběhu dalších zasedání uvedl Ampére velmi důležité sdělení o ekvivalenci z cívky vytvořené z proudovodičů a trvalého magnetu. Pro cívku zvolil Ampére označení solenoid (obr. ��.�) . Obr. 10.5. Magnetické pole solenoidu
Ampére dále referoval o svých experimentech s působením permanentních magnetů a zemského magnetismu na proudovodič. Podařilo se mu dokázat, že rámeček z prodovodičů se vlivem zemského magnetismu nastaví kolmo ke směru magnetické střelky. Pro své experimenty si zkonstruoval důmyslné zařízení (obr. ��.�), které mu umožňovalo studovat vzájemné silové působení proudů v závislosti na jejich velikosti, vzdálenosti a orientaci. Základními experimenty na zařízení zjistil, že paralelní proudovodiče se při stejném smyslu procházejícího proudu přitahují, při opačném smyslu se odpuzují; jsou-li zkřížené, mají prvotní tendenci zaujmout navzájem rovnoběžnou polohu (obr. ��.�). Ampére vycházel z předpokladu, že vzájemné působení proudů mezi sebou, magnetů a proudů a magnetů mezi sebou může být převedeno na pouhé vzájemné působení proudů. A proto jestli se nalezne zákon vzájemného působení proudů, může ten-
/173/
��. P��������� ������ pokračoval, ve svých seminářích ještě tři roky po odchodu do penze v roce ����. Dobré zdraví si utužoval turistikou a ještě ve věku osmdesát letech byl schopen konat vysokohorské túry. Za své občanské postoje pruského patriota a vědeckou činnost dosáhl mnohých ocenění. Byl dopisujícím členem řady evropských akademií věd; londýnská Královská společnost mu v roce ���� udělila za vědecké zásluhy své nejvyšší ocenění – Copleyovu medaili.
13.10. Gustav Robert Kirchhoff Neumannův vliv
V Königsbergu, Kirchhoffově rodišti, se postupně vytvořila vrstva podnikavých obchodníků i schopných a disciplinovaných státních úředníků, která zahrnovala také univerzitní profesory. V podřízenosti politické autoritě a současném vyznávání liberálních názorů v jiných oblastech tehdejší německá inteligence nespatřovala zásadní rozpor. K intelektuálnímu kruhu této vrstvy náležel i soudní rada Kirchhoff. Podle rodinné tradice měl jeho nejnadanější syn Gustav pokračovat ve službě pruskému státu. Mladého Gustava Roberta Kirchhoffa (obr.��.�) při studiu na místní univerzitě zásadním způsobem ovlivňoval jeho profesor Franz Ernst Neumann. Jeho prostřednictvím se mohl mladý student seznámit i s myšlenkami a metodami pokrokové francouzské školy matematické fyziky týkající se elektromagnetismu. V roce ���� Kirchhoff na univerzitě promoval a poté se oženil s dcerou jednoho ze svých univerzitních učitelů, čímž splnil hned dva základní požadavky pro úspěšnou akademickou kariéru. V následujícím roce získal v Berlíně tzv. venia legendi (právo soukromě vyučovat na univerzitě) a po dvou letech se stal mimořádným profesorem na univerzitě v Breslau (nyní Wroclaw, Polsko). Zde se seznámil s Robertem Wilhelmem Bunsenem. I když byl Bunsen o třináct let starší a na zdejší univerzitě pobýval relativně krátce, Kirchhoff s ním uzavřel trvalé přátelství. V roce ���� byl Kirchhoff na Bunsenův návrh povolán na univerzitu v Heidelbergu, kde Bunsen po odchodu z Breslau působil. Zde Kirchhoff nalezl vynikající podmínky pro uplatnění svého talentu jako pedagog i jako badatel. Bylo to období, kdy dominantní osobou univerzity byl Hermann Helmholtz. Inspirativní prostředí a spolupráce s Bunsenem měly, kromě jeho schopností, hlavní zásluhu na vytvoření Kirchhoffových velkých přínosů vědě. Rodinný a osobní život Kirchhoffa byl nešťastně poznamenán ���� úmrtím jeho ženy a zhoršujícím se zdravím, které mu bránilo v experimentální činnosti. Z několika nabídek přijal roku ���� křeslo profesora teoretické fyziky na univerzitě v Berlíně. Přijal toto místo s velkou úctou a navzdory stále se horšícímu zdraví na berlínské univerzitě působil až do roku ����. O rok později výrazně fyzicky zeslábl a zemřel pokojně, pravděpodobně na mozkovou mrtvici.
Kirchhoffovy zákony
Na definitivním rozhodnutí mladého Kirchhoffa věnovat se studiu fyziky měl největší zásluhu Franz Ernst Neumann, jeho profesor na Albertově univerzitě v Königsbergu. Ve svém dopisu bratrovi Ottovi mimo jiné napsal: „…Neumann je nyní mým hlavním učitelem, jemuž naslouchám s největším potěšením a horlivostí. Z velké části též
/258/
O� ������� � �����������
15. OD MAXWELLA K EINSTEINOVI Výzkum v aplikované vědě vede k reformám, výzkum v čisté vědě vede k revolucím. Joseph John �ompson
Prolog Poslední čtvrtina devatenáctého století přinesla množství převratných objevů a technických řešení, což se promítlo do zásadních změn průmyslové výroby a životního stylu. Rozvoj techniky a s tím spojený rozmach výrobních technologií tak významně ovlivňoval způsob života nejširších vrstev obyvatel vyspělých států. Proti minulému období průmyslové revoluce bylo mnohem výraznější úsilí uvádět do praxe objevy přírodovědné povahy. Nezbytnou a trvalou součástí metodiky vědeckého výzkumu se stalo důsledné experimentální ověřování vědeckých poznatků. Ve fyzice byla tato doba převážně obdobím přechodu, kdy se osvojovaly všechny velké vědecké poznatky fyziky století právě končícího a současně začalo vědecké bádání kvalitativně nového druhu, které vedlo k bouřlivému rozmachu ve století nastupujícím. Nelze přehlédnout velký vlivu na rozvoj fyziky ze strany vědců, kteří tvořili skotskou a irskou fyzikální školu. Bylo to však také období, kdy vznikalo vzájemně přínosné propojení přírodních věd (zejména fyziky a chemie) a techniky – a s ní se rozvíjejícím průmyslem. V této době proto také vznikaly i první vědecké práce z oblasti teoretické elektrotechniky. Někteří nezávislí vědci ��. století byli podněcováni potřebami praxe – příkladem za všechny může být Sadi Carnot, kterého k základnímu teoretickému výzkumu tepla povzbudil parní stroj. Géniové, jakými v oblasti vědy o elektřině byli Faraday a Maxwell, neviděli ve vědě nástroj k vykořisťování přírody s okamžitým úspěchem a ziskem, nýbrž způsob života a životní poslání. Proto se pro výklad a využití vědy musel objevit nový druh vzdělaných lidí, kteří se stali prostředníky mezi vědeckým badatelem na straně jedné a dělníkem (potažmo průmyslníkem) na straně druhé. Byli to inženýři. S rozvojem průmyslové výroby mimořádně rostla i spotřeba energie. Koncem ��. století kolem �� % veškeré energie pocházelo z uhlí. Tento stav se ale začal měnit. Novým trendem, v jehož čele stály Spojené státy americké, se stala ropa. Rozvoj průmyslové výroby vyvolával enormní nárůst spotřeby oceli. K přeměně tradičního železářství prvně použil vědecké poznatky britský inženýr Henry Bessemer, když si roku ���� nechal patentovat svůj konvertor. Novou nístějovou pec na výrobu oceli ze surového železa s využitím vynálezu regeneračního topení Friedricha Siemense
/301/
��. O� M������� � E����������
15.5. Vývoj v elektrotechnice Kromě objevů a pokusů, které se týkaly objasnění vlastní podstaty fyzikálních jevů a vyjádření filozofických postojů, zabývali se četní badatelé i reálnými experimenty v různých oborech fyziky i rodících se věd technických – mimo jiné i elektrotechniky. Elektrotechnika jako odvětví techniky, zaznamenala v druhé polovině devatenáctého století a na přelomu století výrazný pokrok. Zaměřme se především na ty přínosy techniky, které měly rozhodující vliv na další rozvoj elektrotechniky, nebo výrazně ovlivnily techniku své doby.
Elektrické stroje
Významným oborem elektrotechniky začínal být obor elektrických strojů. Elektrické stroje stavěné na počátku druhé poloviny devatenáctého století, tzv. magnetoelektrické stroje, používaly k buzení magnetického pole permanentní magnety. I když se objevily konstrukce strojů ve kterých místo permanentních magnetů byly již použity elektromagnety, vyvstal zase problém jejich napájení z nespolehlivých galvanických článků, navíc s malou kapacitou, nebo z pomocných magnetoelektrických generátorů. Tyto nevýhody odstranil roku ���� Werner von Siemens (obr. ��.��) objevem dynamoelektrického principu. Podstatou dynamoelektrického principu je možnost připojení budicího vinutí buď na nezávislý zdroj nebo do série či paralelně k vinutí rotoru a využití remanentního magnetismu v budícím vinutí pro samostatný rozběh stroje. O přiznání priority tohoto technického objevu usilovalo ve své době několik dalších významných vynálezců, avšak dnes již není Siemensova priorita zpochybňována.
Dálkové přenosy elektrické energie
Byly činěny i pokusy s přenosem elektrické energie na větší vzdálenost. První technicky významnější pokus toho druhu provedli při příležitosti konání Elektrotechnické výstavy v Mnichově ���� francouzský elektrotechnik Marcel Depréz a organizátor mnichovské výstavy Oskar von Miller, mladý inženýr v bavorské státní správy. Šlo s přenos elektrické energie stejnosměrným proudem o vysokém napětí. U uhelného dolu v Miesbachu instalovali dynamo o výkonu kolem �,� kW a napětí v rozmezí � ��� až � ��� V, poháněné parním strojem. Dynamo připojili k tomu účelu poněkud upravené standardní telegrafní lince. Stejné dynamo instalovali na druhém konci vedení, v prostorách mnichovské výstavy, tedy ve vzdálenosti přibližně �� km. Dynamo zde ovšem pracovalo ve funkci stejnosměrného motoru, který poháněl vodní čerpadlo, napájející malý vodopád o výšce přibližně dvou metrů. Experiment vzbudil velkou pozornost nejen mezi návštěvníky výstavy, ale zejména mezi odborníky tím, že nastolil problémy související s přenosem elektrické energie na větší vzdálenosti.
Elektrické světlo
Oborem, kterému byla již v první polovině století věnována obzvláštní pozornost, bylo elektrické světlo. Zkoumání se ubíralo dvojí cestou. Jedna vedla k využití světelných účinků elektrického oblouku v obloukové lampě, druhá k využití světelných účinků elektrickým proudem žhaveného vlákna v žárovce. O využití elektrického oblouku k osvětlovacím účelům se s různým výsledkem pokoušela dlouhá řada badatelů a vynálezců. Připomeňme zde alespoň geniálně jednoduché vyřešení problému uhořívání uhlíků obloukové lampy při provozu, vynález, který
/320/
��. D������ ������� Ve stejné době začal pod vedením Josepha Slepiana u firmy Westinghouse Electric Co. vývoj jednoanodových vysoce výkonných rtuťových ventilů s opakovaným zapalováním oblouku, tzv. ignitronů, a ventilů s trvalým hořením oblouku, tzv. exitronů. Nejširší uplatnění našly rtuťové usměrňovače a měniče do počátku �. světové války v elektrické trakci a elektrolytických zařízeních chemického a metalurgického průmyslu. O stále větším uplatňování elektroniky v průmyslu i veřejném životě svědčí i to, že od roku ���� začal vycházet v New Yorku časopis Electronic, světově první odborný časopis věnovaný elektronice a jejímu užití.
16.5. Bezdrátový přenos informace Pokroky v elektronice vytvářely předpoklady pro další úspěšný rozvoj bezdrátového přenosu zpráv, hudby, obrazu a obecně informací – radiotelegrafie, radiofonie (též radiotelefonie), televize a radiolokace. Na práce prvních průkopníků bezdrátového přenosu, Marconiho a Popova (kap. ��), navazovali a dále jejich myšlenky technicky zdokonalovali četní vynálezci v Evropě i Americe. Technický rozvoj v těchto a příbuzných oborech sledoval základní tendence dvacátého století. Úspěchy byly často produktem jak vědců, tak inženýrů, zaměstnaných ve vládních i korporativních laboratořích. Velké firmy jako General Electric, Marconi, Westinghouse a AT&T významně podporovaly vlastní výzkumná zřízení. Instituce jako AT&T’s Bell Laboratories se staly výzkumnými centry prvořadého významu, kde byly očekávány a udělovány Nobelovy ceny stejně jako patenty.
Radiotelegrafie
Na přelomu století byla rozvíjena radiotelegrafie jiskrová. Byla založena na fyzikálním jevu, který využil již Hertz, kdy každý jiskrový výboj generuje tlumenou elektromagnetickou vlnu. Základem vysílače je kmitavý obvod LC, který vytváří otevřený oscilátor. Sestává z antény (s kapacitou C), jiskřiště, které je zapojeno v sekundárním obvodu transformátoru (s indukčností L). Při sepnutí kontaktu telegrafního klíče v primárním obvodu transformátoru nastává jiskření, které generuje vlnění o rádiové frekvenci, odpovídající rezonanční frekvenci obvodu LC. Pomocí antény je nosná vlna vysílána do prostoru. Přerušování nosné vlny v rytmu spínání telegrafního klíče dává vlnění charakter informace, zpravidla v kódu Morseovy telegrafní abecedy. Jako přijímač tlumených kmitů nemohl být pro sdělovací účely použit Hertzův rezonátor, jelikož byl málo citlivý. Pro návrh účinnějšího detektoru byl využit objev, který učinil britský fyzik Oliver Joseph Lodge. Již v roce ���� experimentálně zjistil pomocí leidenské láhve, že kontaktní elektrický odpor drátku, který se lehce dotýká kovové desky, je ovlivňován dopadem elektromagnetických vln. Z toho vyšel francouzský fyzik Édouard Eugéne Branly a sestrojil tzv. koherer. Tvořila ho skleněná trubička, na obou stranách uzavřená zátkami, jimiž procházely vnějšími přívody dvou válcových elektrod. Mezi elektrodami byly jemné piliny ze směsi niklu a stříbra. Za normálních okolností má koherer velký elektrický odpor a téměř nepropouští proud z připojené baterie. Při dopadu elektromagnetické vlny ale vzniknou mikroskopické výboje mezi zrníčky pilin, odpor kohereru se výrazně zmenší a může procházet elektrický proud, kterým lze ovládat např. elektrický bzučák či membránu sluchátka. Poklepem na koherer se obnoví velký odpor.
/360/
��. D������ ������� výkonu. Historie návrhů polovodičových zesilovačů začíná již ve dvacátých letech. Většina jich byla založena na mechanismu řízení elektrickým polem (v anglosaské literatuře je označován pojmem field-effect). Představa byla taková, že elektrické pole na povrchu polovodiče může pozměnit hustotu prostorového náboje uvnitř materiálu, a tudíž změnit i jeho vodivost. Typicky toho bylo dosahováno těsným, ale izolovaným přiložením kovové desky k základně polovodiče. Poměrně malá změna napětí na desce mohla významně ovlivňovat proud procházející polovodičem – s možností výkonového zesílení. První doložený objev tohoto druhu byl učiněn J. E. Lilienfeldem v roce ����. Uplatněním principu řízení polem se na sklonku třicátých let zabýval i W. B. Shockley. Avšak všechny pokusy vytvořit polovodičový zesilovač na tomto principu v dané době selhaly. Na zkoumání vlastností polovodičů a technickém vývoji polovodičových součástek se zejména po skončení �. světové války podílela řada vědců a techniků. Někteří z nich se stali v historii vědy o elektřině a magnetismu a elektrotechniky pojmy, jiné v důsledku nepříznivých okolností a souhry náhod historie opomíjí.
Opomenutí muži
Třicátá léta jsou charakteristická rychlým rozvojem fyziky pevných látek a elektroniky, a to jak na úrovni badatelského výzkumu státního, tak zejména výzkumu a vývoje průmyslového na úrovni (nikoliv nižší) korporativní. Do úspěšně se rozvíjejícího bádání zasáhla �. světová válka. Civilní programy byly ve většině vyspělých zemí zastaveny či přerušeny a vše se vrhlo na uspokojení válečných potřeb. Nebylo to však v mnoha případech k neprospěchu věci. Typickým příkladem je vývoj radaru v USA. Právě pokusy zlepšit křemíkové a germaniové krystaly, používané jako detektory u radarů, vedly ke zlepšení technologie i k lepšímu teoretickému porozumění kvantově mechanických stavů nosičů náboje v polovodičích. Podílela se na tom řada vědců, kteří významným způsobem přispěli k pokroku fyzikálních i technických věd v dané oblasti. Po skončení války se vědci, kteří byli zapojeni ve vývoji radaru, většinou vrátili k vývoji polovodičových zařízení. Mnozí však i v důsledku specifických podmínek válečného období zůstali víceméně pro širší veřejnost osobami jen málo známými. Připomeňme jen některé z nich. Typickým příkladem je americký fyzik Russel Shoemaker Ohl. Vysloužil si dokonce po objevu tranzistoru označení „forgotten man“ (zapomenutý muž). V roce ����, v průběhu zkoumání vlastností krystalových detektorů pro radar, získal Ohl pro spolupráci chemiky z Bellových laboratoří a připravil vysoce čistý křemík. Byl tak schopen produkovat křemík s vodivostí N a P na opačných koncích téhož ingotu. Ohl vynalezl křemíkový detektor světelného záření (vlastně první součástku s přechodem PN). Dalším vědcem s podobným osudem byl bývalý docent na vídeňské univerzitě Karl Lark-Horovitz, který roku ���� přišel do USA, v roce ���� obdržel americké občanství a stal se profesorem fyziky na univerzitě v Pardue (stát Indiana). V roce ���� se Lark-Horovitz a jeho skupina začali zabývat získáním čistého krystalického germania pro detektor mikrovlnného radaru; byl zkoumán i vliv dotace jiných prvků na vlastnosti germania. V roce ���� dosáhl úspěchu při vývoji součástky s vysokým závěrným napětím, která pak byla sériově vyráběna pro radar. Fyzici z Pardue otevřeně popsali dosažené výsledky na společném setkání s pracovníky Bellových laboratoří. Na setkání v Pardue tak byly podávány informace pouze jedním směrem. Krátce nato byla v Bellových laboratoří vytvořena tajná výzkumná skupina, která se těmito problé-
/378/
