FIZIKA

Pripremio:D. Čevizović

Elektricitet i magnetizam

Po tragu linija sile

Električne i magnetne pojave odavno su poznate. Ipak, nisu povezivane sve do 18. veka. A tada je jedan istraživač, u svesku u kojoj je beležio ideje za budući rad, zapisao: „Pretvoriti magnetizam u elektricitet“.Majkl Faradej je umnogome uticao na današnji način poimanja elektriciteta i magnetizma. Njegovi eksperimenti i ideje su utrle put narednoj generaciji fizičara koji su uspeli da ovaj svet opišu jezikom matematike. Džejms Klark Maksvel smatrao ga je svojim najvažnijim izvorom ideja i najpouzdanijim izvorom podataka. Ova dva čoveka stvorili su današnju fiziku elektromagnetnih pojava.

Godine 1676. neki kapetan broda, u pismu svojoj kompaniji, piše kako su se posle žestoke oluje smerovi kompasa na brodu izmenili, pa je usled toga brod krenuo u pogrešnom smeru. Pola veka kasnije, pojavio se sličan izveštaj nekog istraživača koji je 19 dana magnetnom iglom pratio deklinaciju: „ Za vreme oluje munja je sevnula visoko iznad kuće u koju sam se sklonio. Posle toga je magnetna igla postala nepokretna, bez magnetne sile i nije se pomerala u ma koji položaj je postavio! “ Nedugo zatim, u istom časopisu je objavljeno da, „ ...pošto je grom udario u kutiju sa noževima i viljuškama (rastopivši neke od njih), ustanovljeno je da su preostali noževi i viljuške namagnetisani! “. Česta pojava ovakvih izveštaja sredinom 18. veka podstakla je brojna istraživanja delovanja elektriciteta na magnete i metale, ali su ona dala oskudne rezultate. Ipak, uočena je sličnost između električnih i magnetnih privlačenja i odbijanja, koja je inspirisala istraživače i dovodila ih u iskušenje da pokušaju da objedine ova dva sveta. Veliki korak u tom smeru napravio je danski fizičar Hans Kristijan Ersted (Hans Christian Oersted, 1777-1851), predavač fizike na Univerzitetu u Kopenhagenu. Erstedova ideja vodilja je bilo načelo „ jedinstva sila “, što i danas inspiriše teorijske fizičare u pokušaju objedinjavanja zakona koji upravljaju univerzumom.

Početkom 19. veka otkriveno je da se primenom električne struje (elektrolizom) iz nekih rastvora izdvajaju čisti hemijski elementi, kiseonik na primer. Nekoliko godina ranije bili su napravljeni elektrohemijski izvori elektriciteta, baterije. Proticanje elektriciteta kroz provodnik zamišljano je slično proticanju nekog fluida.

Voltin stub

U raspravi posvećenoj istraživanjima hemijskih i električnih sila Ersted piše da „ velika sličnost između električnih i magnetnih privlačenja i odbijanja i sličnost njihovih zakona nužno nameće ideju o njihovoj povezanosti. Treba pokušati da se vidi da li elektricitet... vrši neki uticaj na magnet. “ Nije poznato da li je Ersted vršio ovakve eksperimente pre 1820. godine. Međutim, na jednom predavanju za starije studente (datum predavanja je izgubljen) desilo se nešto što je utrlo put sledećoj tehnološkoj revoluciji i promenilo tok istorije.

Električni konflikt

Prema nekim dokumentma, ovo predavanje nije bilo namenjeno proučavanju veze elektriciteta i magnetizma. Tokom eksperimenta trebalo je platinsku žicu zagrejati strujom, a kompas se slučajno našao ispod provodnika kada je kroz njega potekao elektricitet. Ersted je odmah primetio otklon magnetne igle. Budući da je bio iskusan eksperimentator, nije se zadržao na pukom konstatovanju ove pojave. Četiri decenije kasnije, Erstedov bivši student, a kasnije i dobar prijatelj Kristofer Hansten, u pismu upućenom Majklu Faradeju (Michael Faraday) opisuje kako je Ersted postavljao magnetnu iglu u različite položaje u odnosu na metalnu žicu spojenu na galvansku bateriju i posmatrao njeno ponašanje.

Tokom jula 1820. godine Ersted intenzivno vrši eksperimente i ispituje dejstvo električne struje na magnetnu iglu. Sakupljena zapažanja uskoro objavljuje u jednoj brošuri. „Efekat“ koji se dešava u provodniku i njegovoj okolini (a koji deluje na magnetnu iglu) on naziva električni konflikt . Ističe da dejstvo elektriciteta na magnetnu iglu postoji bez obzira od koje vrste metala je provodnik načinjen (u stvari, dopušta da vrsta metala menja kvantitativno dejstvo na magnet). Takođe, ukazuje da efekat postoji čak i ako se između magnetne igle i provodnika nalazi drvena, staklena, metalna ili neka druga pregrada. Detaljno opisuje dejstvo u zavisnosti od različitih položaja provodnika i magnetne igle. Ipak, zašto elektricitet deluje na magnetnu iglu, Ersted nije shvatio.

Opčinjen raspravom o hemiji

Ujesen 1791. godine porodica kovačkog pomoćnika Džejmsa Faradeja dobila je prinovu: rodio se dečak kojemu su dali ime Majkl. Porodica se godinu dana ranije doselila u Nouvington Buts, nedaleko od Londona. Živeli su teško tako da je Majkl dobio skromno osnovno obrazovanje. No, budući da je bio znatiželjan, dečak se sam obrazovao. U četrnaestoj godini je dobio posao pomoćnika kod lokalnog knjigovesca i prodavca knjiga. U radnji su mu bile pristupačne mnoge knjige, među kojima su mu pažnju privukle one posvećene elektricitetu i hemiji.

Početkom 19. veka, električne pojave su usko povezivane sa hemijom. Dečaka je opčinila knjiga " Rasprava o hemiji " Džejn Marcet (Jane Marcet) tada omiljenog pisca naučno-popularnih knjiga. Počeo je samostalno da izvodi prostije eksperimente. Otac i stariji brat su mu pružali podršku i pomagali koliko su im to mogućnosti dozvoljavale. Čak su mu pomogli da napravi i jednostavan izvor elektriciteta, tzv. lajdensku bocu.

Neki od posetilaca knjižare su primetili njegove sklonosti ka prirodnim naukama. Jedan od njih mu je poklonio ulaznicu na ciklus javnih predavanja u Kraljevskom institutu, koje je držao tada poznati engleski hemičar Hemfri Dejvi (Humphry Davy).

Od 1812. dvadesetogodišnji Faradej pohađa Dejvijeve lekcije i marljivo vodi zabeleške. I dok je danju radio u knjižari, noću je svu preostalu energiju usmeravao na sređivanje utisaka sa predavanja. Beleške je pažljivo sredio i uobličio u jednu ukoričenu brošuru koju je poslao Dejviju, zajedno sa pismom u kojem ga moli da ga zaposli u Kraljevskom institutu. Ovome su se beleške dopale i zainteresovale ga za mladog slušaoca.

Dejvi je prešao put od apotekarskog učenika do lorda pa je imao razumevanja za pomalo drzak nastup mladog Faradeja. Ipak, slobodnih mesta u laboratoriji u tom trenutku nije bilo, pa je molba odbijena. Ubrzo potom Dejvi je doživeo nesreću u laboratoriji, kada mu je oštećen vid. Setio se Majkla i zaposlio ga kao sekretara, a zatim i kao asistenta (1813).

Prvi pravi eksperimenti

Kada je 1813. godine Dejvi pošao na dvogodišnje putovanje po Evropi, Majkl ga je zamolio da pođe sa njim. Pošto je bio naučnik svetskog glasa, Dejvija su pozivali mnogi viđeni naučnici, među njima i Amper, Ge-Lisak i Alesandro Volta. Neki od njih su tada primetili velike sposobnosti mladog Dejvijevog saradnika.

Posle povratka u Kraljevski institut maja 1815. godine, Faradej je dobio plaćeno mesto asistenta. Narednih sedam-osam godina uglavnom se bavio hemijom i učio. Prve eksperimente iz elektromagnetizma je uradio 1821, a poslednje 1855. godine. Sva otkrića iz ove oblasti fizike je sakupio u knjigu " Eksperimentalna istraživanja elektriciteta ". Tokom života je izveo više od 30000 eksperimenata.

Na polju elektromagnetizma

Oko 1820. godine Faradej je istraživanja preusmerio ka fizici. U to vreme ga je privlačio problem veze električnih i magnetnih pojava. Bila su mu poznata Erstedova istraživanja jer je Dejvi, čim je saznao za njihove rezultate, uz Faradejevu asistenciju ove eksperimente ponovio. Nešto kasnije, još jedan britanski fizičar, Vilijam Volaston (Willam Wollaston) pokušavao je da otklon magnetne igle u Erstedovom eksperimentu pretvori u stalno obrtanje provodnika oko magneta, što mu nije pošlo za rukom. Ovim eksperimentima prisustvovali su Dejvi i Faradej.

Faradej je analizirao Volastonove eksperimente i otkrio kako da primora provodnik kroz koji protiče električna struja da se neprekidno obrće oko jednog od magnetnih polova. U suštini, ovo je predstavljalo prvi funkcionalan, mada tehnički nesavršen, elektromotor. Time je Faradej postao prvi čovek koji je uspeo da pretvori električnu u mehaničku energiju. Eksperiment je toliko uzbudio javno mnenje, da je smatran otkrićem veka!

Ujesen 1821. godine Faradej se sastao sa Volastonom i lično mu objasnio svoje stavove. Odnosi između Faradeja i Volastona su se potom nešto popravili. Ali, kada je 1824. godine Faradej izabran za člana Londonskog kraljevskog društva, Dejvi se jedini izjasnio protiv (Dejvi je tada bio predsednik društva; sam Volaston je podržao Faradejev izbor). Posle ovoga su se odnosi dvaju bivših saradnika znatno popravili, ali nikad do ranije mere, iako je Dejvi nekoliko puta izjavio da je Faradej njegovo najveće otkriće. Dejvi je 1825. godine napustio rukovođenje hemijskom laboratorijom Kraljevskog instituta i predložio Faradeja na to mesto. Nekoliko godina potom, Dejvi je umro usled zdravstvenih problema koji su dobrim delom bili posledica uživanja azota („uveseljavajućeg gasa“, kako su ga tada uživaoci nazivali).

Put ka generatoru

Posle prvih uspeha na polju elektromagnetizma, u Faradejevom radu je usledila desetogodišnja pauza. Bilo da eksperimenti nisu davali željeni rezultat, ili su ga nove dužnosti ometale u istraživanjima, Faradej za to vreme nije publikovao ni jedan rad. Ipak, 1830. dobio je profesorsku katedru.

Bez obzira na odsustvo novih rezultata, Faradej nije napustila ideja o vezi između električnih i magnetnih pojava. Ideja mu je bila otprilike ova: ako u Erstedovom eksperimentu električna struja poseduje magnetnu silu, tada se, po mišljenju Faradeja, sve sile mogu „međusobno pretvarati“ i kretanje magneta mora pobuditi električnu struju.

Ipak, put ka otkrivanju električnog generatora bio je trnovit. Osnovnu teškoću je predstavljalo nepoznavanje činjenice da je električnu struju moguće pobuditi samo magnetom koji se kreće. Tek 1831. Faradej je razrešio ove probleme, otkrivši elektromagnetnu indukciju. Tada zapravo počinje njegov najplodniji istraživački period, koji je svetu podario niz otkrića u seriji radova pod nazivom „Eksperimentalna istraživanja elektriciteta“.

Faradejevi rezultati su odmah izazvali veliku buru među naučnicima. Čak su im i obične novine često pridavale veliki publicitet. I kao što je otkriće elektropokretača pokazalo kako je moguće iskoristiti elektricitet, tako je otkriće elektromagnetne indukcije pokazalo kako je moguće načiniti efikasan izvor električne struje (električni generator). Tog trenutka su teškoće ka masovnom korišćenju električne energije nestale, a svi problemi postali tehničke prirode.

Majkl Faradej se tada bavio još jednim važnim problemom. Naime, u to vreme bilo je poznato nekoliko različitih izvora elektriciteta: trenje, Voltin stub, bioelektricitet, elektricitet nastao Faradejevom indukcijom, termoelement. Pojedini naučnici su sumnjali da svi ovi efekti nemaju istu prirodu i, shodno tome, koristili različite termine: „galvanizam“, „životinjski elektricitet“... Faradej je proveo brojne opite i pokazao da se sva pojavljivanja elektriciteta (toplotna, svetlosna, hemijska, fiziološka, magnetna i mehanička) potpuno jednaka, nezavisno od načina na koji je elektricitet dobijen.

Poslednje godine

Celoga života, Faradej je bio skroman čovek. Odbio je ponuđenu titulu viteza i dva puta se odrekao funkcije predsednika Kraljevskog društva. Za vreme Krimskog rata, britanska vlada predložila mu je da učestvuje u razradi hemijskog oružja koje bi bilo upotrebljeno na bojištu, ali je Faradej predlog odbio smatrajući ga nemoralnim. Godine 1840. je teško oboleo, verovatno usled posledica trovanja živom.

Nekoliko godina potom vratio se istraživanjima i otkrio još nekoliko značajnih otkrića, među kojima su: zakretanje ravni polarizacije svetlosti u magnetnom polju (Faradejev efekat) i dijamagnetizam. Zdravlje mu se čas pogoršavalo a čas popravljalo, kada se vraćao svojim istraživanjima. Tako je 1862. godine postavio hipotezu da magnetno polje može pomerati spektralne linije. Tehničke mogućnosti u to vreme još uvek nisu dozvoljavale ovakve eksperimente, pa je tek 1897. godine Piter Zeman uspeo da potvrdi ovu hipotezu i Faradeja navede kao otkrivača pojave. Za ovo otkriće Zeman je 1902. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Nauka o elektromagnetizmu se, posle Faradeja, fundamentalno se razlikuje od one pre njega. U belešci iz 1845. godine, prvi put je upotrebio termin „elektromagnetno polje“, koji je kasnije usvojio i široko primenjivao Džejms Klark Maksvel (James Clark Maxwell). Ideja postojanja nekog polja sile oko naelektrisanog tela se u glavi Faradeja rodila verovatno mnogo ranije, još u vreme ispitivanja Erstedovih eksperimenata. Faradej je tada, umesto jedne, oko provodnika postavio više magnetnih igala i primetio da se one oko provodnika postavljaju u smeru tangenti na koncentrične kružne prstenove, u čijem centru je provodnik: činilo mu se kao da provodnik „ispušta“ neku nevidljivu silu u obliku prstenova. Magnet takođe ispušta ovakve prstenove sile, i zbog dejstva sa prstenovima sile formiranim oko provodnika biva primoran da zauzme tačno određen položaj.

Pojam linija sile

Slično Faradeju i kasnije Maksvelu, savremena fizika pod pojmom fizičkog polja podrazumeva fizički prostor oko naelektrisanog tela, koji za razliku od geometrijskog poimanja prostora, ima energiju, impuls, inertnost... Uvodeći koncept fizičkih polja, Faradej je potpuno promenio način poimanja interakcija u elektromagnetizmu. I dok su Bio, Savar, Kulon i drugi međudejstvo dvaju (ili više) provodnika ili naelektrisanih tela shvatali kao dejstvo na daljinu, bez fizičkog posrednika, Faradej je ovakvo shvatanje obrnuo i formulisao svojstva elektromagnetne interakcije kao dejstva koje se iz jedne tačke prostora (preko posrednika, tj. fizičkog polja) prenosi u susednu tačku, i to konačnom brzinom.

Do Faradeja elektrostatičke sile među električnim nabojima poimane su kao dejstvo na daljinu: dva naboja neposredno Kulonovom silom deluju jedan na drugi, a tamo gde nema naboja, nema ni sila. Faradej je ovakvo shvatanje izmenio na sledeći način: naboj oko sebe stvara električno polje koje deluje na drugi naboj, smešten u neku (manje ili više) udaljenu tačku. Dejstva na daljinu nema.

S magnetnim poljem su postojali nešto veći problemi, uglavnom skopčani sa činjenicom da magnetno polje, za razliku od elektrostaičkog, nije centralno (elektrostatičko polje svoj izvor ili ponor ima u električnom naboju koji ga stvara). Da bi odredio smer magnetnih sila u svakoj tački prostora, Faradej je uveo pojam linija sile i time uspeo da ga vizualizuje. Ovakav koncept fizičkog polja uveden je kasnije i u druge oblasti fizike, i danas ima fundamentalnu ulogu u shvatanju fizičkih osobina prirode. Možda je to i najveći Faradejev dar čovečanstvu.

D. Čevizović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja