História elektrotechniky nám môže pomôcť hlbšie pochopiť podmienky jej vzniku a poskytnúť všeobecný pohľad na jej vývoj, aby sme mohli zlepšiť naše poznanie v tejto oblasti, ale nemôže nám dať program na jej budúci rozvoj. História elektrotechniky nie je iba zbierkou poznatkov o zavedení jednotlivých objavov z elektrických a magnetických javov do praxe, resp. súhrn spomienok na významných bádateľov, lebo každý poznatok, každý objekt má vždy vecnú a tiež historickú stránku. Ak vieme, ako poznanie o elektromagnetických javoch vznikalo a ako sa rozvíjalo, ako sa niektoré poznatky stali impulzom rozmachu ďalších objavov a technického rozvoja a ak poznáme vnútorné zákonitosti a dynamiku rozvoja vedy, môžeme sa pokúsiť predpovedať i budúci progres elektrotechniky. Môžeme lepšie vytvárať metodológiu ďalšieho skúmania, lepšie organizovať a smerovať výskum, a tak zabezpečiť kontinuálny vývoj v elektrotechnike. Ak poznáme históriu objavu, môžeme lepšie pochopiť jeho podstatu a význam. História postupného získavania experimentálnych i teoretických poznatkov o elektromagnetickom poli patri k najpoučnejším kapitolám dejín fyziky, elektrotechniky a vedy vôbec.

Vznik a rozvoj elektrotechniky

Frederik Nebeker, Senior research historian of IEEE History Center (Senior historik výskumu z centra dejín IEEE) v časopise IEEE SPECTRUM (jún 2000) v úvode článku Electric century (Elektrické storočie) napísal: „Dvadsiate storočie videlo väčšie zmeny v každodennom živote než tie, ktoré prebiehali v inom storočí v dejinách – transformácia bola vo veľkej časti spôsobená elektrotechnikou (elektrickými technikami). Míľniky zmien sú: prenos elektrickej energie, okamžité telekomunikácie, domáce spotrebiče, automatizácia tovární (závodov), rádiové a televízne vysielanie, filmy, videá a ďalšie zdroje informácií a zábavy, elektronika pre letectvo a kozmický výskum, prístrojové vybavenie na vedecký výskum, zdravotnícka technika, počítače a internet. 20. storočie si očividne zasluhuje, aby sa nazvalo elektrické storočie. Obsahom uvedeného článku nie je súpis najvýznamnejších úspechov, ale je výberom dôležitých a zaujímavých udalostí, ktoré objasňujú mimoriadny pokrok urobený v 20. storočí.“

Ak pozorujeme výsledky vývoja elektrotechniky v 20. storočí, zistíme, že svojimi koreňmi vyrastajú z objavov teórie a experimentov 19. storočia, resp. ešte 18. storočia. Bez nich by bol rozvoj elektrotechniky v 20. storočí a tiež v súčasnosti oveľa pomalší. Napriek tomu, že rozvoj bezdrôtového prenosu správ a informácií bol prevratnou, ale iba jednou epizódou využitia elektromagnetického poľa (EMP), objav a teoretický opis EMP bol tou najpodstatnejšou podmienkou vzniku elektrotechniky. Podnietil aj rozvoj elektrických strojov, generátorov, železničnej dopravy, elektroenergetiky (prenosu energie elektromagnetického poľa) a podnietil rozvoj hospodárstva a ekonomickej a politickej moci.

Cesta vedúca k súčasnej elektromagnetickej teórii urobila svoj najväčší skok v 19. storočí. Elektromagnetizmus 19. storočia a objav elektromagnetického poľa predstavuje základnú podmienku vzniku a kontinuálneho rozvoja elektrotechniky. Je pozoruhodné, ako tento rozvoj prebiehal. Na konci 18. storočia urobil Coulombov zákon z elektriny a magnetizmu časť exaktnej vedy. Bola tu inšpirácia výskumom založenom na koncepte Newtonovho pôsobenia „na diaľku“ a využitím matematiky. Keďže tento vývoj prebiehal hlavne na kontinente v kontraste ku konceptu poľa a fyzikálneho zdôvodňovania používaného hlavne vo Veľkej Británii, zvykne sa tento koncept opisovať ako kontinentálny elektromagnetizmus. V 19. storočí teda vývoj elektromagnetickej teórie prebiehal dvoma cestami, ktoré boli označené ako kontinentálny a britský elektromagnetizmus. Oba prístupy sa opierali o základy elektrodynamiky, ktoré sa začali objavom H. Ch. Brsteda (písal sa tiež Oersted) v r. 1820, kde experimentálne ukázal, že elektrický prúd vyvoláva magnetické účinky. Ďalej sa rozvíjali experimentmi A. M. Ampéra a M. Faradaya. Ampérova práca Teória elektromagnetických javov odvodená výhradne na základe pokusov (1826) bola zdrojom nápadov pri skúmaní elektriny a magnetizmu a predstavovala základy elektrodynamiky.

Kontinentálna vetva fyzikov sledovala matematický formalizmus založený na Newtonovskej filozofii pôsobenia „na diaľku“ a tento koncept sa skončil Weberovým zákonom sily. Weberov zákon bol oporným bodom týchto teoretikov. Na kontinente sa Weberov zákon považoval za základný zákon elektrodynamiky až do r. 1890 a z pohľadu výskumníkov a technikov predstavoval základnú podmienku vzniku elektrotechniky. Táto teória mala rýchlostne závislú potenciálnu energiu a ukázala sa ako chybná, ale na druhej strane stimulovala veľa prác zameraných na elektromagnetickú teóriu.

Britská vetva fyzikov (elektromagnetikov) vychádzala z Faradayovej koncepcie poľa; podporovala ju idea siločiar, využívala fyzikálne nástroje a fyzikálne analógie a končila sa Maxwellovou matematickou formuláciou poľa, ktorá v podstate platí až dodnes. Faraday pri elektromagnetickom rotačnom experimente (prvý model elektromotora 1821) ukázal, že možno zameniť úlohu prúdovodiča a magnetu. Ukázal, že prúdovodič v magnetickom poli môže konať rotačný pohyb. Bol to významný experiment: elektrina – magnetizmus – mechanický pohyb. Vedci prišli k poznaniu, že elektrina je zviazaná s magnetizmom a následkom toho môže vzniknúť rotačný pohyb. Vedci vychádzajúc z tohto poznatku postupne priniesli veľa noviniek a vynálezov. Začal sa vek vynálezov. Napríklad v r. 1829 Š. A. Jedlík zostrojil už funkčný prototyp jednosmerného motora s komutátorom.

Britská vetva elektromagnetizmu sa významne rozvíjala od Faradayovho indukčného experimentu (1831). Objavom elektromagnetickej indukcie Faraday zistil a ukázal, že transformačné indukované napätie a pohybové indukované napätie sú z fyzikálneho hľadiska rovnocenné a oba môžu mať rôzne uplatnenie v rozvoji techniky. Navrhol a zostrojil prvé dynamo na výrobu elektrickej energie a elektrický motor na jednosmerný prúd, tzv. homopolárny stroj (17. 10. 1831) – tu sa využíval rotačný pohyb vodivého disku s komutátorom, ktorý sa otáčal v kolmom homogénnom, časovo stálom magnetickom poli.

Na rozdiel od vedcov vynálezcovia a technici sa nezaujímali o to, čo je elektrina, ale čo dokáže urobiť a ako umožní získať peniaze. Faradayova idea siločiar magnetického a elektrického poľa našla hneď uplatnenie pri návrhoch elektrických motorov a generátorov, ktorými sa odštartovala elektrifikácia našej planéty koncom 19. storočia. V Londýne 14. 2. 1867 Ch. Wheastone na prednáške opísal dynamoelektrický princíp a súčasne predložil funkčný model stroja. V ten istý deň W. von Siemens podal patentovú prihlášku stroja s vlastným budením. Predtým v r. 1854 a 1855 už dánsky elektrotechnik S. Hjord získal britské patenty na jednosmerný stroj, v ktorom sa v podstate uplatňoval princíp vlastného budenia. Jednosmerné dynamo s vlastným budením (t. j. s využitím dynamoelektrického princípu) Š. A. Jedlík uviedol do chodu už v r. 1858, teda deväť rokov pred tým, kým svoje objavy ohlásili Wheastone a Siemens. Toto dynamo si rovnako ako pred tým motor Jedlík opäť nedal patentovať a svoje výsledky nepublikoval, preto mu nebola priznaná priorita. Jedlík bol priekopníkom aj v ďalších oblastiach vznikajúcej elektrotechniky, napr. zostrojil model elektromobilu. Navyše v r. 1863 objavil možnosť násobenia napätia a v r. 1868 to demonštroval zostrojením tubulárneho napäťového generátora, ktorý bol úspešne vystavený na Viedenskej svetovej výstave v r. 1873. Bola to prvá forma rázového generátora, ktorý sa teraz aplikuje v jadrovom výskume. Porota svetovej výstavy v 1873 vo Viedni ocenila toto jeho dielo cenou For Development. Tubulárny napäťový generátor je pravdepodobne prvý rázový generátor.

Hospodársky pokrok vyvolával potrebu rýchlej komunikácie pri čoraz väčšej vzdialenosti a rastúcom objeme informácií. Rozvoj elektrickej komunikácie sa významnou mierou podieľal na vzniku elektrotechniky v 19. storočí (prenosom po vedení), najmä v jeho druhej polovici (prenosom podmorskými káblami a bezdrôtovým prenosom). Prvý podmorský kábel bol položený medzi Anglickom a Francúzskom. Náročnejší však bol projekt spojenia Európy s Amerikou, kde bola dĺžka kábla cca 3 500 km. V r. 1857 sa uskutočnil prvý, ale neúspešný pokus položenia transatlantického kábla z Európy do Ameriky. Po opakovanom pokuse (1858) bol čiastočne úspešne položený kábel z Írska do Newfoundlandu, ale jeho prevádzka bola veľmi krátka a aj prenášané správy boli silne skreslené. V roku 1865 bol pod vedením W. Thomsona naprieč Atlantikom položený ďalší kábel, ktorý sa však prerušil, a až uloženie ďalšieho kábla bolo úspešne ukončené 27. júla 1866 pri Hearts-Content v Newfoundlande. Navyše na kábel prerušený v roku 1865 napojili ďalšiu časť a tiež ho v septembri 1866 zakotvili v Newfoundlande. V roku 1867 bol W. Thomsonovi udelený rytiersky rád za jeho prácu na prvých atlantických kábloch, lebo sa ukázalo, že jeho teória elektromagnetického poľa potvrdená experimentom sa stala rozhodujúcim nástrojom na úspešnú realizáciu technického diela. Prvotné neúspechy s realizáciou transatlantického kábla súviseli aj s tým, že E. O. W. Whitehouse, oficiálny elektrotechnik Atlantic Telegraph com., ignoroval vtedajšiu teóriu elektromagnetického poľa, pričom ju označil ako „a fiction of the schools“.

Po preštudovaní a analýze prác A. M. Ampéra, M. Faradaya a W. Thomsona (Lord Kelvin) J. C. Maxwell v r. 1861 publikoval prvú formu rovníc (mechanický model) elektromagnetického poľa.

Magnetické polia tu zodpovedajú rotujúcim vírom s točiacimi sa kolesami medzi sebou a elektrické polia zodpovedajú elastickým posuvom (odtiaľ posuvné prúdy). Rovnicu intenzity magnetického poľa H vyjadril ako

rotH = 4πJtot = 4π(Jk + Jp),

kde Jtot je celková prúdová hustota a zahŕňa konduktívnu a posuvnú hustotu prúdu. Tiež je zachovaná rovnica kontinuity prúdovej hustoty:

divJtot = div4π(Jk + Jp) = 0

Tento dodatok kompletizuje Maxwellove rovnice. Potom odvodil vlnové rovnice, ako sa uvádza v súčasných učebniciach z elektromagnetizmu, a poznamenal, že rýchlosť šírenia vĺn bola blízka k vtedy nameranej rýchlosti svetla. Elektromagnetické vlny teoreticky predpovedal Maxwell už v r. 1864 a napísal monografiu Dynamical Theory of the Electromagnetic Field. Rozvinul tu Faradayovu predstavu „pôsobenia na blízko“ a predpovedal existenciu elektromagnetických vĺn. Teoreticky zistil, že elektromagnetický rozruch sa vo voľnom priestore pohybuje rýchlosťou svetla. Domnieval sa, že svetlo je tranzverzálna elektromagnetická vlna.

V rokoch 1870 – 1890 bolo veľké úsilie o vytvorenie fyzikálnych modelov éteru, ktoré mali byť prirodzené a z ktorých by sa mohli odvodiť Maxwellove rovnice. Na tomto probléme okrem Maxwella pracovali viacerí fyzici, napríklad Thomson, Kirchhoff, Bjerknes, Leahy, FitzGerald, Helmholtz a Hicks. V r. 1873 J. C. Maxwell publikoval svoje významné dielo Treatise on Electricity and Magnetism (Pojednanie o elektrine a magnetizme), v ktorom diskutoval v tom čase všetko známe o elektromagnetizme z pohľadu Faradayovej interpretácie. V tejto práci uviedol tiež jeho elektromagnetický tenzor tlaku a zahrnul priloženú ideu elektromagnetickej nárazovej sily.

Poďakovanie

Táto práca vznikla vďaka podpore Vedeckej grantovej agentúry MŠVVaŠ SR a SAV (projekty č. 1/0405/16 a 1/0571/15) a Agentúry na podporu výskumu a vývoja (kontrakty č. APVV-15-0257 a APVV-0062-11).

Literatúra

[1] MAYER, Daniel. 2004. Pohledy do minulosti elektrotechniky. České Budějovice: Kopp nakladatelství. 427 s. ISBN 80-7232-219-2.

[2] WHITTAKER, Edmund. 1962. A History of the Theories of Aether and Electricity. London and New York Thomas Nelson and Sons Ltd.

 

Jozef Sláma
jozef.slama@stuba.sk

Slovenská technická univerzita v Bratislave
Fakulta elektrotechniky a informatiky, Ústav elektrotechniky
Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava