Vynález elektromagnetu

Od vynálezu elektromagnetu uplynulo letos již 290 let
(Díky objevu anglického elektrotechnika Williama Sturgeona začala elektřina poprvé pracovat)

"Když chceš poznat člověka, podívej se na jeho práci."
(Friedrich Schiller)

"Špatní objevitelé jsou ti, kdo si myslí, že neexistuje země, když vidí jen moře."

(Francis Bacon)

"Genialita je pouze velké nadání pro trpělivost."
(George Louis Leclere Buffon)

Vedle slavných a známých vědeckých objevů a vynálezů je i řada těch, jejichž vznik člověk častokrát ani nezaregistruje a přesto mu změnily každodenní život. Až do konce 18. století, mimo ochrany proti blesku a počátků elektroléčby, neobjevila pozvolna se rozvíjející věda o elektřině a magnetismu, žádnou možnost praktického využití poznatků dosažených experimentálním bádáním. Viditelné účinky elektřiny byly využívány především pro zábavu mondénního publika. Traduje se, že když se britská královna Viktorie zeptala Michaela Faradaye, k čemu jsou jeho objevy v elektřině, jeden z nejvýznamnějších vědců své doby ji odpověděl otázkou: "Vaše výsosti, k čemu je novorozeně?" K prvním objevům i popudům vedoucím ke vzniku nového odvětví techniky - elektrotechniky, přispěl vedle dalších osobností také protagonista našeho dnešního vyprávění z historie fyziky, na kterého sice již svět téměř zapomněl, ačkoliv bez jeho vynálezu bychom si současnou techniku vůbec nedokázali představit.

Pokud by bylo pravdou, že život každého člověk utvářejí podmínky, do kterých se narodil a v mládí vyrůstal, neměl by budoucí anglický amatérský badatel, vynikající fyzik a matematik, všestranný technik a vynálezce William Sturgeon ve vědeckém světě vůbec co pohledávat. Narodil se totiž 22. května 1783 ve Whittingtonu (hrabství Lancashire) v podivné ševcovské rodině, o jejíž hlavě se v dobových listinách píše jako o "líném pytlákovi, který zanedbává rodinu". Po několika letech pouze základního vzdělání (to bylo také později příčinou jeho společenské a profesionální izolace ze strany některých vědců, např. Michaela Faradaye (1791 - 1867), ačkoliv právě on paradoxně pocházel rovněž z chudého prostředí a vzdělání nabyl stejně obtížně) byl jako desetiletý dán do učení k jinému mistru obuvnickému. Tento pro něho nešťastný počátek života jej přivedl k tomu, že po smrti matky ještě jako mladík utekl k armádě a v letech 1802 až 1820 sloužil v královském dělostřelectvu. Tam převážně jako samouk studoval matematiku, fyziku a řečtinu. Vynikal také ve studiu strategie, díky kterému upozornil na svoje nadání a dosažené vědomosti. Brzy si toho povšimli jeho nadřízení a tak od roku 1824 začal vyučovat přírodní filozofii (tehdejší název fyziky) na vojenské akademii East India Millitary College v Addiscombe, která poskytovala všeobecné a technické vzdělání pro mladé důstojníky určené ke službě v Indii (předchůdkyně Královské vojenské akademie v Sandhurstu). Vymýšlel nové vědecké přístroje a pomůcky a své studenty, mezi nimiž byl pro netradiční přístupy k výuce velmi oblíben; učil přírodní zákony a nové technické poznatky s využitím nejrůznějších moderních postupů a pedagogických metod. V roce 1838 byl jmenován superintendantem muzea v Manchestru. Po jeho uzavření se do konce života živil jako "chudák vědy" (jak psaly dobové noviny) přednáškami a demonstracemi různorodému publiku. Celá jeho životní dráha byla zaplněna studiem, experimentálními výzkumy v oblasti elektřiny, konstrukčními pracemi, přednáškami, demonstracemi a publikováním (v roce 1836 založil odborné "anály", představující v Anglii první odborný časopis věnovaný elektřině, magnetismu a chemii, z řady publikací připomeňme pouze v roce 1830 vydanou monografickou práci "Experimental researches in electro-magnetisn, galvanism etc."). V roce 1837 se podílel na založení londýnské elektrotechnické společnost, která se významně zasloužila o rozvoj tohoto oboru. Podobně jako řada jiných průkopníků vědy a techniky, našel Sturgeon uznání nejdříve v cizině, teprve později ve své vlasti. Ke konci svého života začal ztrácet duševní i tělesnou síly, trpěl depresemi a po dlouhé nemoci zemřel ve věku 67 let 4. prosince 1850 v Prestwichu, kde je také pohřben. Jeho smrt přešli současníci téměř bez povšimnutí. Až po více než sto letech v období "studené války" (1963 - 1975) byla pojmenována nejmodernější třída amerických útočných ponorek s jaderným pohonem "Sturgeon".

V prvních dvou desetiletích devatenáctého století, díky dostupnosti zdrojů trvalého elektrického proudu, galvanických článků (Voltův sloup), se vytvořily předpoklady najít pro elektřinu nějaké praktické využití. Na jaře roku 1820 dánský profesor fyziky a chemie na kodaňské univerzitě, vynikající pedagog a popularizátor vědy Hans Christian Oersted (1777 - 1851) během přípravy na svou přednášku nechtěně upustil kus drátu uzavřeného proudového okruhu na kompas. Ke svému překvapení zjistil (často se uvádí, že na to byl upozorněn jedním z posluchačů), že magnetická střelka se vychýlila a v pohybu nepřestala, dokud se drát s elektrickým proudem neodstranil. Překvapený vědec svůj slavný pokus, který se obvyklle popisuje jako náhodný experiment vedoucí k fundamentálnímu objevu, neustále opakoval - výsledek však byl stále stejný. To ho přivedlo k myšlence, že mezi elektřinou a magnetismem musí existovat určitá spojitost - a elektromagnetismus byl na světě. Když krátce po Oerstedově objevu francouzský fyzik a matematik André-Marie Ampére (1775 - 1836) a jeho krajan fyzik a astronom Jean Francois Dominique Arago (1786 1853) zjistili, že elektrický proud procházející závity solenoidu (podlouhlá cívka se stejně hustými závity kruhového tvaru po celé délce) indukuje v železné tyči (jako je například i hřebík) do něho vložené magnetismus, nelze to ještě z dnešního pohledu pokládat za vynález elektromagnetu; těmito jevy se také například zabýval anglický chemik a vynálezce Humphry Davy (1778 - 1829). Z hlediska konečného efektu lze proto prvenství nejspíše přisoudit právě amatérskému badateli a všestrannému technikovi Williamu Sturgeonovi. V době, kdy se začal zajímat o výsledky předcházejících pokusů svých současníků, nebyl v oblasti experimentování s elektřinou již žádným nováčkem a celoživotní zájem o tento fenomén jej přiměl již dříve k mnoha zkouškám a pozorováním. Ocenění v odborných kruzích získal již úspěšným způsobem řešení depolarizace zinkových elektrod v galvanických článcích (jejich amalgováním dosáhnul delší trvanlivosti). Roku 1832 zkonstruoval stejnosměrný motor schopný roztáčet jiná zařízení. V roce 1836 sestrojil první měřicí přístroj s otočnou cívkou, jehož citlivostí a přesností se později zabývali William Thomson-lord Kelvin (1824 - 1907), Jaques Arséné d'Arsonal (1851 - 1940) a Edward Weston (1850 - 1936). Tento americký chemik a elektrotechnik, jistou dobu konkurent T. A. Edisona, roku 1888 zkonstruoval přesný přístroj s otočnou cívkou s ručkovým ukazatelem.

Sturgeon zopakoval a využil výsledky ostatních badatelů a roku 1824 navrhnul konstrukci skutečného prvního elektromagnetu (u nás o tři roky později vynalezli bratranci F. a V. Veverkové ruchadlo). S pomocí svého asistenta Francise Watkinse sestavil pokusný model elektromagnetu se železným jádrem, když použil tyč z měkké oceli o délce jedné stopy (definována jako 12 palců nebo také 30,48 cm) o průměru půl palce. Ohnul ji do tvaru koňské podkovy, natřel ji izolačním lakem a ovinul 16 závity měděného vodiče tak, aby se ani v jednom místě nedotýkaly, a připojovall ji k různým zdrojům elektřiny. Když měděnými vodiči začal protékat elektrický proud, kus železa ve tvaru podkovy se zmagnetizoval - a začal se chovat stejně jako stálý tyčový magnet. Když proud vypnul, železo se odmagnetizovalo.Tímto pokusem dokázal, že elektřina je schopna zmagnetizovat železo, které samo o sobě magnetické není. Na svém pokusném zařízení zjistil, že proud z jednoho galvanického článku s deskami o ploše asi 800 centimetrů čtverečních umožní zavěšenému elektromagnetu o hmotnosti 200 gramů, unést po zmagnetizování kousky železa vážící 4 kg - tedy 20násobně těžší. Když se přívod elektrického proudu vypnul, kousky železa opět spadly na zem. Vznikla síla, díky níž bylo možné pohnout i s těžkými předměty. To byl pozoruhodný účinek, který vzbudil zájem nejen ve vědeckých kruzích (svůj elektromagnet podkovového a tyčového provedení předvedl na zasedání Královské společnosti v Londýně v roce 1825), ale učinil rozhodující krok k praktickému využití tohoto fyzikálního jevu. Od daného okamžiku se elektrická energie začala využívat v praxi.

Zdokonalením konstrukce elektromagnetůl později proslul americký elektrotechnik a vynikající experimentátor Joseph Henry (1797 1878), objevitel samoindukce a vynálezce relé. Kolem roku 1831 dosáhnul jeho elektromagnet podkovového tvaru na svou dobu nevídanou zdvihovou sílu kolem 1,5 tuny. Zlepšení dosáhnul tím, že navíjený drát izoloval. Díky tomu se dalo kolem železného jádra navinout více závitů, čímž se zvýšila i výsledná síla elektromagnetu.

Sturgeonův model byl vystaven v Londýně a jeho vynálezce obdržel stříbrnou medaili Královské společnosti. Elektromagnet se stal nezbytnou součástí mnoha elektrických přístrojů a zařízení a nalezl mnohostranné využití. Jedno z prvních, které se široce rozšířilo v praxi, byl elektromagnetický přerušovač proudu, spíše známý ze školních lavic jako Wagnerovo kladívko. Autorství tohoto vynálezu je nejčastěji přisuzováno účetnímu železářské firmy ve Frankfurtu nad Mohanem Johannu Philippu Wagnerovi. Podobně jako u mnoha dalších objevů a vynálezů není jeho priorita bezesporná a patří mezi ty, které se spíše tradují a dobře poslouchají, přestože neodpovídají realitě. Když se ramínko kmitající kotvy prodloužilo, opatřilo kuličkou a celé zařízení doplnilo kovovým zvonkem (rezonátorem ), vznikl elektrický zvonek - jednoduchý elektrický stroj přeměňující elektrickou energii na mechanickou ve formě zvuku. Stále se používá v klasických telefonech, domovních a bytových zvoncích, pro zvonění ve školách, třídění kovových odpadů či jako výstražný signál na železničních přejezdech. Elektromagnet se vzápěti stal jednou z nejdůležitějších součástek elektrotechniky. Na jeho principu pracují různé měřicí přístroje, elektromotory, elektrický telegraf, zvedací a upínací zařízení, stykače, spojky a relé, ovladače ventilů, klapek a šoupátek a různé domácí elektrické spotřebiče, ale také dnes již oficiální fyzioterapeutická léčebná metoda magnetoterapie aj. Zcela na závěr ještě připomeneme jeden cítát amerického humoristy Dave Barryho: "Magnetismus, jak si pamatujeme ze školy, je mohutná síla, která způsobuje, že některé objekty jsou přitahovány lednicí."

Použitá a doporučená literatura:

100 nejslavnějších vědců. Encyklopedia Britannica. Průvodce. Brno 2009.

Heřman, J.: Od jantaru k tranzistoru: Elektřina a magnetismus v průběhu století. Praha 2006.

Kraus, I.: Fyzikové ve službách průmyslové revoluce. Praha 2012.

Kraus, I.: Dějiny evropských objevů a vynálezů. Praha 2001.

Kronika techniky. Praha 1993.

Ottův slovník naučný. XXIV. díl. Reprint. Praha 2001.

Mayer, D.: Pohledy do minulosti elektrotechniky. České Budějovice 1999.

Světová kronika. Objevy&Vynálezy. Dobřejovice 2010.

Scientifica. Průvodce světem dnešní vědy. Praha 2010.

Štoll, I.: Dějiny fyziky. Praha 2009.

Štoll, I.: Objevitelé přírodních zákonů. Praha 1997.

Bohumil Tesařík