Aktuální vydání

Číslo 8-9/2020 vyšlo tiskem 3. 9. 2020. V elektronické verzi na webu ihned. 

Téma: Elektrotechnika v průmyslu; Průmyslové automatizační prvky

Trh, obchod, podnikání
Digitální transformace

Číslo 4-5/2020 vyšlo tiskem 18. 9. 2020. V elektronické verzi na webu ihned.

Účinky a užití optického záření
Rostliny a světlo v biofilním interiéru Část 12
Rostliny a světlo ve veřejných prostorách
Melanopická denná osvetlenosť v budovách

Veletrhy a výstavy
FOR INTERIOR 2020: Inspirace pro bydlení a trendy světa nábytku a interiérů

Měření kolem nás (18. část) Historie objevování elektřiny

2. 3. 2020 | Miroslav Hackl | Orbit Merret, spol. s r. o. | www.merret.cz

Elektřina, tedy její poznávání a využití, se na první pohled může jevit jako záležitost historicky velmi mladá. Elektřinou se ale zabývali už ve starém Řecku. A ve starém Egyptě si nemohli nevšimnout bolestivých efektů, které způsobovali električtí úhoři.

Definice

Elektřina je souhrn projevů elektrostatického pole (z nichž mezi prvními byly silové účinky vyvolané třením izolantů a následná polarizace látek) a elektrodynamických jevů včetně elektromagnetismu. Jevy spojené s elektřinou a magnetismem se nazývají elektromagnetismus. Technický obor zabývající se elektřinou se nazývá elektrotechnika.

Pojmem elektřina se označuje také energetická komodita (fyzikální podstatou zpravidla jde o elektrickou energii). V tomto smyslu se hovoří o výrobě, distribuci a spotřebě elektřiny, o obchodu s elektřinou apod.

Elektřina získala název od řeckého názvu jantaru, na němž byly pozorovány silové účinky statické elektřiny. Josef Jungmann zaznamenal starší českou podobu slova – električina; lidově se elektřina označuje též slovem elektrika. Dříve se občas užívalo slovo mluno. Obrozenci navrhovali i název síla blesková.

Historie

Starověk
Dlouho před znalostí o existenci elektřiny lidé věděli, že určité ryby dávají údery bez dotyku s nimi. Také věděli, že podobné rány dávají různé předměty z určitých materiálů.

Starověké egyptské texty pocházející z roku 2750 př. n. l. odkazovaly na elektrické ryby a označovaly je jako Hromovládce Nilu a ochránce všech ostatních ryb. Elektrické ryby byly o tisíciletí později znovu zaznamenány starověkými řeckými, římskými a arabskými přírodovědci a lékaři. Několik starověkých spisovatelů, např. Plinius starší a Scribonius Largus, popisovalo efekt znecitlivění po elektrických šocích způsobených elektrickými sumci a elektrickými rejnoky. Rovněž věděli, že se takové šoky mohou přenášet vodivými předměty. Pacienti trpící onemocněním, jako je dna nebo bolest hlavy, byli vedeni k tomu, aby se dotkli elektrických ryb v naději, že by je mohutný elektrický úder mohl vyléčit. Zřejmě nejdříve a nejblíže k objevu identity blesku a elektřiny z jakéhokoliv jiného zdroje měli Arabové, kteří před 15. stoletím použili arabské slovo pro blesk ra›ad.

Starověké kultury kolem Středozemního moře věděly, že určité předměty, jako jsou jantarové tyče, bylo možné otřít kočičí kožešinou, aby přitáhly lehké předměty, jako je peří. Thales z Milétu uskutečnil sérii pozorování statické elektřiny kolem roku 600 př. n. l. Z nich usuzoval, že tření vytvářelo jantarový magnetismus, na rozdíl od minerálů, jako je magnetit, který nepotřeboval žádné tření. Thales mylně věřil, že přitažlivost je způsobena magnetickým efektem, ale teprve později věda dokázala souvislost mezi magnetismem a elektřinou. Podle kontroverzní teorie mohli mít už Parthové (247 př. n. l. – 224 n. l.) znalost galvanického pokovování. Tato teorie je založena na nálezu tzv. Bagdádské baterie v roce 1936. Podle některých vědců mohly nalezené objekty vytvořit galvanický článek, ale není jasné, k čemu mohl být využit – nebyly nalezeny žádné pokovené předměty z té doby, u kterých by bylo prokázáno elektrické pokovení. Účel Bagdádské baterie je stále předmětem spekulací.

Novověk
Elektřina zůstala po tisíciletí jen o málo víc než zábavná intelektuálská hříčka. Tak to bylo až do roku 1600, kdy anglický vědec William Gilbert napsal pojednání De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure, v němž prezentoval pečlivou studii elektřiny a magnetismu, rozlišující démonický efekt od statické elektřiny vyráběné třením jantaru. Pro vlastnost materiálů, které po tření přitahují malé objekty, použil nové latinské slovo electricus („z jantaru“ nebo „jako jantar“, od řeckého názvu pro jantar ἤλεκτρον – elektron). Toto slovo dalo vzniknout anglickým slovům „elektrický“ a „elektřina“, která se poprvé objevila v tisku v Pseudodoxia Epidemica Thomase Browna z roku 1646.

Další práce vedli v 17. a na počátku 18. století Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray a C. F. du Fay. Později v 18. století Benjamin Franklin provedl rozsáhlý výzkum elektřiny, a dokonce prodal svůj majetek, aby financoval svou práci. Uskutečnil velmi nebezpečný pokus: vzal papírového draka, připevnil ho ke kovové tyči, potom přivázal konec provázku na klíč a vyšel ven do bouře. Když drak vyletěl do bouřkového mraku, uviděl Franklin jiskry a cítil náraz, jak elektřina z mraků prošla z draka po provázku ke klíči. Jiskry, které přeskočily z klíče do hřbetu jeho ruky, ukázaly, že blesk je skutečně elektrické povahy.

Zkoumání elektřiny souvisejících jevů akcelerovalo a od konce 18. století bylo prozkoumáno a prezentováno množství jevů a principů týkajících se elektřiny.

V roce 1791 publikoval Luigi Galvani práci o bioelektromagnetismu (neurony přenášejí elektrické impulzy do svalů). Rok 1800 – Alessandro Volta vytvořil zřejmě první spolehlivý zdroj elektrického proudu: vrstvením zinku a mědi vytvořil baterii. V letech 1819 až 1820 Hans Christian Ørsted a André-Marie Ampère objevili elektromagnetismus jako sjednocení jevů elektřiny a magnetismu.

Dalšími objevy z oblasti elektromagnetismu, fotoelektrického jevu a polovodičů byly položeny základy pro expanzi elektřiny do všech oblastí života člověka.

Základní koncepty elektřiny

Elektrický náboj
Symbol veličiny: Q (angl. quantity of charge)
Jednotka SI: coulomb
Značka jednotky: C

Elektrický náboj je fyzikální veličina, která vyjadřuje velikost schopnosti působit elektrickou silou. Elektrický náboj je záporný, jestliže celkový počet elektronů je větší než celkový počet protonů, kladný v opačném případě a neutrální, jsou-li jejich počty stejné.

Elektrický náboj vyjadřuje určitou vlastnost částic, která je spojována se vznikem vzájemného působení mezi tělesy (částicemi) podobně, jako je hmotnost spojována s existencí gravitačního pole. Přítomnost elektrického náboje je tedy nutná pro vznik elektrického nebo magnetického pole.

Nositeli elementárního elektrického náboje jsou u běžných látek protony (kladný náboj) a elektrony (záporný náboj). Náboje obou částic mají stejnou velikost, proto je atom, který má stejně elektronů jako protonů, elektricky neutrální. Elementární náboj má hodnotu
e = 1,602 177.10–19 C.

Nositelem elektrického náboje jsou i další elementární částice (s výjimkou neutrálních). Náboj hadronů, leptonů i intermediálních částic je vždy roven celému násobku elementárního náboje. U kvarků je roven minus jedné třetině nebo dvěma třetinám elementárního náboje.

Elektrický proud
Symbol veličiny: I (velké „i“)
Jednotka SI: ampér
Značka jednotky: A

Elektrický proud je uspořádaný pohyb nosičů elektrického náboje. Stejnojmenná fyzikální veličina, obvykle označovaná I, a její jednotka ampér (A), vyjadřují množství elektrického náboje prošlého za jednotku času daným průřezem.

V úvahách se často používá dohodnutý směr toku proudu, který je od kladného pólu zdroje přes spotřebič k zápornému pólu zdroje. Tento dohodnutý směr je opačný než skutečný směr toku elektronů ve vodiči.

Proud v elektrických rozvodech může být stejnosměrný (značí se ss, anglicky DC – direct current) nebo střídavý (značí se stř., anglicky AC – alternating current), jehož směr toku i okamžitá velikost se v čase cyklicky mění. Střídavý proud může mít harmonický nebo obecný průběh. Časový průběh proudu s harmonickým průběhem má tvar sinusoidy.

Intenzita elektrického pole
Symbol veličiny: E
Jednotka SI: volt na metr (V·m–1)
Značka jednotky: A

Elektrické pole je fyzikální pole, jehož zdrojem je těleso s nevykompenzovaným elektrickým nábojem (elektricky nabité těleso), nebo časově proměnné magnetické pole, které se v dané části prostoru projevuje působením elektrické síly na nabité částice.

Elektrické pole je dílčím projevem elektromagnetického pole. Nezávisle na magnetickém poli lze nahlížet pouze ve stacionárním případě.

Elektrický potenciál
Symbol veličiny: φ
Jednotka SI: volt
Značka jednotky: V

Elektrický potenciál je skalární fyzikální veličina, která popisuje potenciální energii jednotkového elektrického náboje v neměnném elektrickém poli. Jde tedy o potenciál elektrického pole, tzn. množství práce potřebné pro přenesení jednotkového elektrického náboje ze vztažného bodu, kterému je přisouzen nulový potenciál, do daného místa.

Elektromagnetismus

Elektromagnetismem se rozumí soubor jevů, ve kterém se projevuje vzájemná souvislost elektřiny a magnetismu. Tímto termínem se také označuje fakt, že elektrické a magnetické pole jsou úzce spojená a za mnohých okolností (obzvláště v teorii relativity) je vůbec nelze oddělit. Například kromě toho, že pohybem elektrického náboje vzniká magnetické pole, též změna magnetického pole generuje elektrické pole; tento jev se označuje jako elektromagnetická indukce a je základem funkce elektrických generátorů či transformátorů.

Elektromagnetismem se rovněž může myslet oblast fyziky, která tyto jevy zkoumá, popř. přímo teorie elektromagnetického pole, která elektromagnetické jevy vysvětluje. Z abstraktnějšího pohledu podle standardního modelu je elektromagnetismus projevem jedné ze čtyř základních interakcí (elektromagnetické interakce).

Elektromagnetické pole se klasicky popisuje složením dvou polí: elektrického a magnetického. Tato pole ovlivňují částice s elektrickým nábojem a jsou jimi a jejich pohybem přímo definována. Elektrické pole vzniká v okolí elektricky nabitých částic, magnetické pole zpravidla vzniká pohybem elektrických nábojů (např. elektrického proudu tekoucího drátem) a jeho důsledkem je také magnetická síla tvořená magnety.

Termín elektromagnetismus – zajímavost
Vzájemné přitahování a odpuzování nabitých těles mají mnoho průmyslových využití, např. elektrostatické nanášení barev a naprašování, zachycování popílku v komínech, tisk na laserové tiskárně nebo fotokopírování.

V některých případech mohou být elektrostatické náboje nebezpečné. Například při výrobě a úpravě některých tkanin, papíru, plastů apod. Velmi nebezpečné jsou náboje přenášené při čerpání hořlavých tekutin, např. benzinu. Běžně se lze setkat s elektrostatickými náboji při nošení oděvů z umělých vláken. Ve výbušném prostředí se tyto oděvy nesmějí nosit. V takovýchto prostředích bývají neutralizátory, které vytvářejí kladně a záporně nabité částečky vzduchu, jež vybíjejí vzniklé elektrostatické náboje.

Zdroje:
In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001–[cit. 2019-XX-XX].
https://edu.techmania.cz/cs/veda-v-pozadi/523


Vyšlo v časopise Elektro č. 1/2020 na straně 37. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.