V roku 1887 požiadala Royal Society of Arts Olivera Lodga, aby poskytol vysvetlenie na otázku, prečo hromozvody, resp. ich vodivý medený kábel občas nepracuje pri zásahu blesku, ale sleduje alternatívne cesty, prechádza cez štruktúry (a poškoduje ich) namiesto toho, aby bol zvedený káblom. Lodge simuloval blesky do rôzne dlhého medeného vodiča. Zistil, že náboj prechádza kratšou, vysoko odporovou cestou na preskok iskrišťom namiesto prechodu dlhšou, nízko rezistenčnou cestou cez medený vodič. Lodge ukázal, že to bol efekt minimálnej induktancie na ceste, ktorú si blesk vybral. Navyše Lodge v ďalšom experimente vysielal a detegoval elektromagnetickú vlnu (EMV) tak, že medzi dvomi paralelnými vodičmi preskakovali a pozdĺž nich sa šírili výrazné iskry. V experimentoch, ktoré na jar a v lete 1888 opakoval, Lodge predviedol sériu iskier v medzerách pozdĺž dvoch 29 m dlhých drôtov a všimol si vznik veľmi dlhej iskry v medzere blízko koncov drôtov. Dĺžka iskry vyzerala, že je zhodná s oscilačnou vlnovou dĺžkou vlny vytvorenej pripojením Leydenskej fľaše, ktorá je odrazená na konci drôtu. V zatemnenej miestnosti Lodge tiež zaznamenal žiarenie pozdĺž vodiča v intervaloch zodpovedajúcich jednej polovici vlnovej dĺžky. Detegoval transverzálnu EMV tak, že medzi dvomi paralelnými vodičmi preskakovali a pozdĺž nich sa šírili výrazné iskry (na miestach, kde boli kmitne elektrickej zložky EMP). Súčasne s tým zistil existenciu stojatého vlnenia rozloženého pozdĺž vedenia. Zobral to ako dôkaz, že práve generoval a detegoval Maxwellove elektromagnetické vlny; šiel na dovolenku a potom chcel zverejniť svoj objav.

Po dovolenke Lodge na British Science Association v Bathe v septembri 1888 prezentoval svoj dôkaz o šírení elektromagnetických vĺn. Na začiatku prezentácie však FitzGerald (predsedajúci) namiesto teoretického úvodu k experimentu uviedol, že práve Heinrich Hertz publikoval sériu článkov podávajúcich dôkaz o existencii elektromagnetických vĺn a ich šírení vo voľnom priestore. Na záver svojho experimentu Lodge dodal postskriptum s uznaním Hertzovej práce a frázu: „Celá téma elektromagnetického žiarenia sa javí skvele vyčerpaná.“

H. Hertz v Nemecku viedol svoj vlastný elektromagnetický výskum, skonštruoval potrebné zariadenie, aby urobil definitívne testy na Univerzite Karlsruhe v r 1887 – 1888. Zistil, že oscilujúce iskrištia môžu byť vytvorené v otvorenom sekundárnom obvode, ak je frekvencia primárneho obvodu v rezonancii so sekundárnym obvodom. Ukázal, že aby sa tieto vlny dali účinne generovať a detegovať, musia mať antény rozmer vlnovej dĺžky. Jeho rozhodujúci článok o konečnej rýchlosti elektromagnetických vĺn vo vzduchu bol publikovaný v r. 1888. Hertz urobil jeden z najkrajších experimentov realizovaných vo fyzike. Vytvoril vysielané a detegované elektromagnetické vlny s dĺžkou 5 m a 50 cm. Použil reflektory vo vysielacej a prenášacej pozícii, aby koncentroval vlnu do lúča. Hertz v r. 1890 uverejnil úvahu „O základných elektromagnetických rovniciach pre telesá v pokoji“, kde bol jeho prístup k teórii EMP však čisto fenomenologický. V úvahe nepripustil otázky o „fyzikálnej podstate elektriny a magnetizmu“. Hertz uvažoval Maxwellovu teóriu ako systém Maxwellových rovníc. Maxwellove predpovede a teória boli nakoniec potvrdené radom experimentov, ktoré vypracovali a realizovali Hertz a Lodge, pričom generovali, prenášali a detegovali elektromagnetické signály nižšej frekvencie, ako má svetlo.

Asi sedem rokov pred Hertzom a Lodgeom však David Edward Hughes ukázal, že signály vyslané z iskrového vysielača môžu byť detegované na vzdialenosť 500 yardov pomocou mikrofónového kontaktu (v podstate princíp, ktorý sa neskôr nazval koherer), ku ktorému bol pripojený telefón a boli v ňom počuť signály. Správne tvrdil, že signály boli prenášané elektromagnetickými vlnami vo vzduchu. V r. 1879 a 1880 predviedol (v Spottiswoode) tieto experimenty pred Sirom G. Stokesom, prezidentom Royal Society, a W. H. Preecom, elektrotechnikom na poštovom úrade. Bohužiaľ, oni sa priklonili k názoru, že tento efekt môže byť vysvetlený pomocou štandardnej elektromagnetickej indukcie. Hughes bol znechutený, nepublikoval žiadne vysvetlenie svojej práce dlho potom (až do 1899), takže priorita uverejnenia patrila Hertzovi.

Hertz pri experimente šírenia vĺn použil malé iskrište ako detektor, kde iskra bola detegovaná opticky lupou alebo častejšie praskavým šumom. Tento druh detektora bol pre vtedajšiu telegrafiu nevhodný. Preto keď sa v jednom zo svojich listov zaoberal otázkou, či považuje za možné pomocou EMV prenášať telegrafne správy (bezdrôtový prenos), Hertz na ňu odpovedal: „V žiadnom prípade… bolo by na to potrebné zrkadlo také široké ako kontinent.“

Niekoľko mesiacov po smrti H. Hertza 14. 8. 1894 predniesol O. Lodge na stretnutí British Association for the Advancement of Science na Oxford University pamätnú prednášku o Hertzovi. Lodge predviedol a demonštroval ukážku prenosu a odrazu „Hertzových vĺn“ (rádio vĺn) na vzdialenosť až do 60 metrov. Zdokonalil a použil detektor, ktorý pomenoval koherer (objavený E. Branlym). V Lodgeho zostave boli impulzy z koherera snímané pomocou zrkadlového galvanometra, ktorý dával optický signál, že impulz bol prijatý. Po prijatí signálu boli kovové piliny v kohereri od seba navzájom „rozpojené“ pomocou vzájomne operujúceho vibrátora alebo pomocou vibrátorov zvončeka umiestneného blízko na stole v sále. Lodge vysielal slová Heinrich Hertz, predsedajúci stretnutia kódové charakteristiky prijal, preložil ich a napísal na tabuľu. Lodge sa vtedy nepokúsil ochrániť použitie svojho zariadenia inými osobami a tiež nepublikoval a nepodporil ideu bezdrôtovej telegrafie a patent podal až v r 1897.

V máji 1895 Alexander Stepanovič Popov, po prečítaní si článkov o Lodgeho experimentoch s prvým bezdrôtovým telegrafným prenosom, zostrojil prístroj na registráciu atmosférických výbojov, takže v r. 1899 ruská admiralita použila prístroj na záchranu stroskotanej lode.

Takisto v roku 1895 Guglieno Marconi demonštroval bezdrôtový telegrafický systém využívajúc Hertzove vlny. Bol založený na kohereri a obsahoval už vtedy a tiež aj v neskorších Marconiho bezdrôtových systémoch mnoho zo základných častí, ktoré použil Lodge v r. 1894. Marconi podal 2. 6. 1896 žiadosť o patent nazvaný Zariadenie prenosu elektrických impulzov a príslušné prístroje – v podstate išlo o upravený patent, ktorý odkúpil od Lodga.

V r. 1896 Sir Jagadis Chunder Bose urobil prednášku v Royal Institution v Londýne o elektromagnetickom vyžarovaní milimetrových vĺn; generoval a detegoval bezdrôtové signály s vlnovou dĺžkou 6 mm, pričom predpokladal použitie milimetrových vĺn. Lodgeho dôkaz šírenia EMV medzi dvomi paralelnými vodičmi ukázal, že vodiče sú dve elektródy, v ktorých okolí sa šíri TEM vlna EMP. Keďže rovnaký mód EMV sa šíri aj v koaxiálnej prenosovej línií (kábli), bola to motivácia pre vznik vlnovodov.

John William Strutt (Lord Rayleigh) urobil hlavný príspevok do teórie vlnovodov. Navrhol, že pre malé vlnové dĺžky EM poľa, keď rozmer kovového plášťa koaxiálneho kábla presahuje kritickú hodnotu vlnovej dĺžky na prenos energie EMP, vodivá duša sa môže odstrániť a elektromagnetické vlny sa budú stále šíriť pozdĺž plášťa (trubice) pomocou spätných a priamych odrazov medzi stenami – ide o prvú koncepciu vlnovodu. V r. 1897 bol prvý, kto do detailov ukázal, že módy elektromagnetickej vlny sa môžu šíriť cez kovovú rúru. Uviedol základné princípy šírenia módu a zakončenia vlnovodov. Rayleighove poznatky o vlnovodoch boli obnovené až v 30. rokoch 20. storočia a ďalej rozvinuté v čase, keď vznikla spoločenská požiadavka pred druhou svetovou vojnou a počas nej, ale aj neskôr. Rayleigh ako prvý venoval pozornosť pravouhlým dutým vlnovodom. Tiež publikoval analýzu šírenia vĺn cez vlnovody vyplnené dielektrikom; dnes sú to napríklad optické vlákna.

Bezdrôtovému prenosu energie EMP sa experimentálne prvotne začal venovať Nikola Tesla. Vyjadril presvedčenie, že možno vytvoriť dostatočne výkonný elektrický rozruch a snímať ho pomocou rôznych zariadení v akomkoľvek bode zemského povrchu. Tesla postavil gigantickú rezonančnú cievku s frekvenciou 150 kHz a výkonom 300 kW, aby demonštroval bezdrôtový prenos energie. Bol prvý, kto generoval ground-guided vlny, ktoré sa čoskoro stali jedinými vlnami v začiatočnom vývoji elektrotechniky prenosu rádiových vĺn. V r. 1900 Tesla ako prvý opísal systém určujúci polohu pohybujúceho sa objektu využitím rádiových vĺn.

Marconi inštaloval bezdrôtový telegraf na loď St. Paul, takže prvé rádiové núdzové volanie sa uskutočnilo z lode do Anglicka. Dňa 12. 12. 1901 bola prenesená prvá bezdrôtová správa z Poldhu (Cornwall) a prijatá v Signal Hill (New Foundland) – 1 700 míľ naprieč Atlantickým oceánom. V r. 1902 O. Heaviside predpokladal existenciu ionosféry, vďaka ktorej bol transatlantický bezdrôtový prenos EMV úspešný. Marconi bol prvý, kto poslal správu naprieč oceánom a zodpovedal za rozvoj bezdrôtového prenosu, pričom ho však nevynašiel. V r. 1943 Najvyšší federálny súd USA zrušil Marconiho základné patenty v oblasti rádiotelegrafie s odôvodnením, že sú v podstate obsiahnuté v patentoch, ktoré získal takmer desať rokov pred ním N. Tesla, a v niektorých ho predstihol aj Jozef Murgaš. Murgaš ako prvý realizoval prenos tónu vzduchom. Na ton-telegraph podal Murgaš dva patenty a oba boli schválené v r. 1904. Murgašov ton-system preštudovali Marconi a R. A. Fessenden, zdokonalili ho a nazvali Sonorous-System. Fessenden zostrojil vysokofrekvenčný generátor a uskutočnil prenos ľudského hlasu rádiom. Marconi mal významnú schopnosť urobiť praktickú časť práce a so zanietenosťou využil „Hertzove vlny“ na telegrafnú komunikáciu. Na druhej strane svet nerozumel, čo Maxwell, Hertz, Lodge, Branly, Popov, Fessenden, Murgaš a mnoho ďalších už urobili a ich veľké činy neboli publikované v populárnej tlači.

Ďalší progres elektrotechniky

Charles H. Townes, ktorý získal Nobelovu cenu za významnú rolu pri vynájdení masera a lasera, bol profesor na Kalifornskej univerzite v Berkeley. V článku s názvom A Pioneer in Maser/Laser Technology publikovanom v časopise PHOTONIC SPECTRA (75, január 2000) uverejnil na otázku „Akú radu máte pre nás v nasledujúcom storočí?“ odpoveď: „V nasledujúcom storočí budeme čeliť mnohým zmenám. Aby sme sa na tieto zmeny pripravili, potrebujeme základné vzdelanie. Ak sa budeme špecializovať príliš veľa na veci, ktoré teraz robíme, potom, keď zmeny prídu, nebudeme na ne pripravení. Preto je základné vzdelanie veľmi dôležité. Druhá vec, o ktorej by som hovoril, je, aby ste si preskúmali svoje vlastné hodnoty. Priveľa ľudí cíti, že toto je nepredvídateľný svet, tak prečo nerobiť, čo chcete robiť, a nedostať, čo chcete získať. Ja napokon verím, že takéto stanovisko bude veľmi deštruktívne. Potrebujeme mať silné zásady, aby sme mali dobrú civilizáciu a zmysel pre napredovanie“. Na otázku „Ako by ste zorganizovali financovanie výskumu?“ Townes odpovedal: „Potrebujeme financovať základný výskum založený na tom, v ktorých oblastiach sa tvoria nové znalosti a nové prieniky, a nie na práve novej skutkovej podstate. Pri aplikovanom výskume musíte rozmýšľať pozorne o tom, čo je potrebné, aby to bolo zdokonalené. Žiaľ, výskum sa stáva čoraz nákladnejší a vytvára dva dôsledky. Prvý dôsledok je, že vláda nemá dosť peňazí, aby financovala všetky dobré výskumy, tak si musí vybrať. Ďalší dôsledok je, že vedci musia tvrdo pracovať na tom, aby získali peniaze, a nakoniec vydajú veľa času na prípravu oznámenia a tvorbu argumentov, aby zdôvodnili svoj výskum, namiesto toho, aby tento výskum realizovali. Mali by sme podporovať dobré laboratóriá a dobrých ľudí.“

Záver

Naše vnímanie sveta a tým i budúcnosť civilizácie závisí aj od precíznosti, s ktorou súčasná teória elektromagnetických javov odráža skutočný stav vecí. Na základe predstáv o prírode boli postupne navrhnuté a realizované rôzne elektromagnetické technológie, prístroje a stroje. Budúcnosť civilizácie však veľmi závisí od toho, aké technológie rozvinieme. Ak bude základná predstava nesprávna alebo nepresná, môže to viesť ku katastrofe a deštrukcii, a to nielen civilizácie, ale i samotného života na zemi. Napríklad predstavy o vojenskom využití špeciálnych elektromagnetických technológií by sa postupne mohli stať hrozbou pre ľudstvo.

Poďakovanie
Táto práca bola podporená Vedeckou grantovou agentúrou MŠVVaŠ SR a SAV (projekty č. 1/0405/16 a 1/0571/15) a Agentúrou na podporu výskumu a vývoja (kontrakty č. APVV-15-0257 and APVV-0062-11).

Literatúra

[1] HALON, Ľudovít – FALISOVÁ, Anna – MOROVICS, Miroslav, Tibor. 2006. Chronológia vedy a techniky na Slovensku. Historický ústav SAV. 306 s. ISBN 978-80-88880-73-8.

[2] MAYER, Daniel. 1989. Heinrich Hertz a elektromagnetické vlny. In: Dějiny věd a techniky, vol. 22, č. 4, s. 209 – 222.

[3] MAYER, Daniel. 2001. Michael Faraday – filozof experimentu. In: Časopis pro fyziku, vol. 51, č. 1, s. 330 – 337.

[4] MAYER, Daniel. 1991. Michael Faraday: 200 let. In: Elektro, č. 9, s. 243 – 244.

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

[6] 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