Uplynulo 200 let od narození Charlese Wheatstonea

Uplynulo 200 let od narození Charlese Wheatstonea

prof. Ing. Daniel Mayer, DrSc., FEL ZČU

Charles Wheatstone (obr. 1) žil v době, kdy elektrotechnika byla v samých počátcích. (Připomeňme alespoň některé významné mezníky vývoje elektrotechniky: Ohmův zákon r. 1825, zákon elektromagnetické indukce (Faraday) r. 1831, Kirchhoffovy zákony r. 1845, Maxwellova teorie elektromagnetického pole r. 1873). Mezi nejvýznamnější Wheatstoneovy objevy patří různé telegrafní systémy a nové metody z  oboru akustiky a měřicí elektrotechniky. Wheatstone byl ve své době vysoce uznáván. Patřil do plejády slavných elektrotechniků viktoriánské Anglie, avšak jeho poznatky byly poměrně brzo překonány, zatímco díla jeho krajanů Faradaye, Thomsona, Maxwella či Heavisidea jsou nadčasová. Dnešní elektrotechnici znají Wheatstoneovo jméno zpravidla již jen v souvislosti s klasickým měřidlem elektrických odporů, Wheatstoneovým můstkem – a právě zde je Wheatstoneova priorita sporná.

Akustika

Wheatstone měl již ve svém dětství úzký vztah k hudbě. Jeho otec byl obuvníkem v Gloucestru, ale obchodoval též s hudebními nástroji a vyučoval hře na flétnu. Charles se též zajímal o hudbu a zejména o fyzikální principy hudebních nástrojů. Vyučil se u svého strýce, který obchodoval v Londýně s hudebními nástroji a opravoval je, a po jeho smrti (r. 1823) se spolu se svým bratrem Williamem ujal vedení podniku. Když bylo Wheatstoneovi dvacet let, sestrojil tzv. kouzelnou lyru – nástroj, který sám hrál. Šlo vlastně o trik, který předváděl veřejnosti ve strýcově obchodu: lyra byla spojena ocelovým drátem s pianem nebo harfou, na něž se hrálo v sousední místnosti. Později sestrojil různé typy nových hudebních nástrojů, které patentoval. Nejznámější byly nové typy akordeonu, nazval je Symphonium, Aeola, a zejména ve své době dosti populární Concertino.

Wheatstone se též zabýval různými problémy z akustiky: zkoumal zákonitosti šíření zvuku kovovými tělesy (např. tyčemi, jimiž propojoval sousední místnosti), studoval stojaté akustické vlny a vyšetřoval vibrace kovové desky, kterou rozkmitával pomocí smyčce, a na jejím povrchu, pokrytém jemným pískem, vytvářel tzv. Chladniho obrazce. Zkoumal skládání dvojice k sobě kolmých izochronních kmitů; v roce 1827 sestrojil přístroj, nazval jej kaleidofon, jímž zviditelňoval Lissajousovy obrazce¹⁾. Ten se skládal z ocelových tyčí obdélníkového průřezu, jejichž rozměry byly voleny tak, aby vlastní kmity tyčí ve směru stran průřezů byly v poměru celých čísel. Tyče byly na jednom konci upevněny a na druhém opatřeny lesklou kuličkou, jejíž pohyb vykresloval Lissajousovy obrazce. V té době Wheatstone vynalezl stereoskop (tj. optický přístroj pro stereoskopické pozorování obrázků), binokulární mikroskop a permanentní magnet stejnosměrného stroje nahradil elektromagnetickým buzením, patrně nezávisle na Siemensovi. Též objevil, že spektrální analýzou elektrického výboje lze určit kov, z něhož je zhotoveno jiskřiště. Wheatstone své poznatky publikoval. Jeho práce vzbudily ohlas, byly překládány do francouzštiny a němčiny a on se stal mezinárodně uznávaným odborníkem.

V roce 1834 byl Wheatstone jmenován profesorem experimentální fyziky na King’s College v Londýně. Zahájil přednášky z akustiky, ale ty skončily neúspěšně. Příčinou jeho neúspěchu v pedagogické práci byla nepřekonatelná tréma, která Wheatstonea doprovázela vždy, když měl vysvětlit studentům nějaký fyzikální problém. Proto zanechal učitelské práce a věnoval se pouze výzkumu, v němž se kromě akustiky začal zabývat optikou a elektrotechnikou. Když měl referovat o svých vědeckých poznatcích v Královském ústavu (Royal Institution of Great Britain), zastupoval ho jeho přítel Michael Faraday, který byl v té době ředitelem laboratoří ústavu.

Sdělovací elektrotechnika

Jednou z Wheatstoneových významných prací z oboru elektrotechniky bylo vyšetření rychlosti, jíž se šíří po vedení elektrický impuls (roku 1834). Ve velké posluchárně King’s College instaloval dvě elektrická vedení z izolovaného měděného drátu, každé dlouhé čtvrt míle. Obě vedení zakončil jiskřištěm (obr. 2). Když připojil nabitou leidenskou láhev k jiskřišti A, B, impuls vstoupil na počátek každého z vedení a po proběhnutí vedeními nastal přeskok na jiskřišti C. Rychle rotujícím zrcátkem registroval časový posuv mezi výbojem na jiskřišti A, B a výbojem na jiskřišti C a z toho určil hledanou rychlost. Přestože Wheatstone dospěl k nesprávnému výsledku (288 000 mil/s), vzbudil jeho experiment ohlas a přispěl k tomu, že byl v roce 1836 zvolen členem Královského ústavu. Wheatstoneova metoda měření krátkých časových intervalů, v níž časovou základnu tvoří rotující zrcátko, byla před vynálezem katodového osciloskopu velmi rozšířena. Například ve Francii ji použil Léon Foucault2) k měření rychlosti světla a dospěl k dosti přesnému výsledku.

Ve třicátých letech 19. století již byly známy různé jednoduché principy telegrafů (podrobněji viz např. [4], [6]). Jejich společným nedostatkem byl dosah na poměrně krátké vzdálenosti. Wheatstone v roce 1837 prodloužil jejich dosah tím, že použil relé, které pracovalo jako zesilovač (obr. 3). Výchylka magnetky, umístěné v cívce, se přenášela na kontakty, které se spolu spojily ponořením do nádobky se rtutí. Tím se připojil místní galvanický článek do vedení, jímž pokračoval přenos zesíleného impulsu.

Otázkami vývoje telegrafu, který by byl spolehlivý, rychlý a nevyžadoval by speciální znalosti obsluhujícího personálu, se zabýval student anatomie na heidelbergské univerzitě William Fothergill Cooke (1806 – 1879). Myšlenka sestrojit dokonalý telegraf jej hluboce zaujala tak, že zanechal studia lékařství a navrhl několik nových typů telegrafů, ale protože mu chyběly znalosti elektrotechniky, jejich realizace se příliš nedařila. Proto požádal o radu Faradaye a ten ho odkázal na Wheatstonea, s nímž v letech 1837 až 1845 vytvořil různé telegrafní systémy (podrobněji viz např. [4], [6]). První byly tzv. jehlové telegrafy. Používaly pět magnetických střelek, vychylovaných cívkami; přenášeným písmenům příslušely různé kombinace výchylek (od tzv. Schillingova telegrafu se lišil pouze konstrukčním provedením [6]). V roce 1840 získali patent na tzv. ručkový telegrafický přístroj. Jeho obsluha byla jednoduchá: ručka na stupnici přímo ukazovala přenášená písmena (obr. 4). V roce 1841 následovalo další zdokonalení: byl sestrojen první zapisovací telegraf. Wheatstoneovy-Cookeovy telegrafní přístroje nalezly po roce 1840 uplatnění zejména u britských železnic, kde zajišťovaly spojení mezi jednotlivými stanicemi. Byly to první spolehlivě fungující telegrafy. Doznaly širokého využití a rychle se rozšířily zejména v Anglii, kde např. v roce 1847 již pracovaly na vedeních o celkové délce 1 250 mil; v roce 1852 činila délka vedení již více než 4 000 mil. Oběma spolupracovníkům přinášely jejich vynálezy nemalé zisky, avšak mezi Cookem, který se věnoval komerčním otázkám, a Wheatstonem, který zdokonaloval technické vlastnosti telegrafu, vznikaly vážné spory (Wheatstone si kladl nároky na prioritu), o nichž psal tehdejší bulvární tisk. Přestože byly Wheatstoneovy-Cookeovy telegrafy dosti spolehlivé, neměly dlouhou životnost; byly poměrně brzy nahrazeny dokonalejšími přístroji Morseovými³⁾.

Wheatstone byl konzultantem a spolupracovníkem Williama Thomsona4) (lorda Kelvina) při kladení podmořského kabelu mezi Anglií a USA v letech 1857 až 1865. Úspěch tohoto díla zřejmě přispěl k Wheatstoneovu jmenování lordem (roku 1868). Wheatstoneovi se dostalo dalších významných vědeckých poct: byl mj. jmenován čestným doktorem univerzit v Oxfordu (roku 1862) a v Cambridgi (roku 1864) a posléze členem francouzské Akademie (roku 1873).

Málo znám je vztah mezi Wheatstonem a Heavisidem⁵⁾ [6]. Wheatstone žil v Londýně a v roce 1847 se oženil s Emmou Westovou, starší sestrou matky Olivera Heavisidea. Heavisideova rodina žila ve špatném sociálním postavení, a tak Wheatstone převzal péči především o jejich děti. Když bylo Oliverovi osmnáct let, opatřil mu místo u anglicko-dánské telegrafní společnosti, kde pracoval zprvu jako telegrafista a později jako technik. Ač zde byl Heaviside velmi úspěšný (v té době vynalezl duplexní a poté kvadruplexní telegrafické spojení), po několika letech odešel a až do konce svého života se nerušeně věnoval soukromému bádání, přičemž byl finančně podporován svými bratry a pozděj též dostával i malou rentu. Problematika přenosu signálu po vedení jej však doprovázela celý život. Wheatstone se postaral i o oba Oliverovy bratry: Charles se stal virtuozem na concertino a vedl obchod s hudebními nástroji v Londýně a Arthur byl inženýrem Britské telegrafní správy.

V roce 1875 Wheatstone podnikl cestu do Paříže, kde jednal o zdokonalení svého přijímacího přístroje pro podmořskou telegrafii. Zde onemocněl zápalem plic a zemřel.

Je Wheatstoneův můstek opravdu Wheatstoneův?

Počátkem čtyřicátých let 19. století nebyl ještě všeobecně uznáván Ohmův zákon a Wheatstone se zabýval jeho ověřováním. V souvislosti s tím sestrojil první spojitě proměnný elektrický odpor – reostat. Roku 1843 uveřejnil svou práci [8], která se stala základním dílem v oboru stejnosměrného elektrického měření. V jejím závěru je popis zapojení, které Wheatstone nazval diferenciálním měřidlem odporu a které je dnes nazýváno Wheatstoneovým můstkem. Zatímco Wheatstonem vynalezené hudební nástroje mnohdy mají výrazné rysy originality, a přesto se neujaly, jeho můstek se stal jednou ze základních metod elektrického měření, ač lze o jeho původnosti pochybovat. V citovaném článku [8] Wheatstone po vysvětlení funkce měřidla připojil tuto poznámku: „Pan Christie ve svém Experimentálním stanovení zákonů magnetoelektrické indukce, uveřejněném ve Philosophical Transactions z r. 1833, popsal diferenciální uspořádání, jehož princip je týž jako u přístrojů popsaných v této práci. Panu Christiemu tedy musí být přiznána první myšlenka této užitečné a přesné metody měření odporů.“

Samuel Hunter Christie, jehož prioritu Wheatstone ve svém článku přiznává, byl jediným synem Jamesa Christieho, zakladatele známé a dodnes prosperující renomované aukční galerie uměleckých předmětů v Londýně. S. H. Christie pracoval v letech 1837 až 1854 jako sekretář v Královské společnosti (Royal Society) v Londýně. Jeho publikace [3], citovaná Wheatstonem, je obsáhlá (má 47 stran) a obsahuje Christieho referát přednesený v Královské společnosti v rámci tzv. Bakeriánských přednášek v roce 1833, tedy deset let před uveřejněním Wheatstoneova článku. Při čtení Christieho článku lze zjistit, že je zcela zmatený; jeho autor zřejmě neznal Ohmův zákon a představy o základních elektrických veličinách měl jen velmi mlhavé. (Kritické zhodnocení článku je v práci [9].) Christie patrně intuitivně dospěl ke způsobu, jímž lze porovnávat elektrické odpory měděných a železných vodičů (obr. 5). Jeho metoda se od známého Wheatstoneova můstku lišila jen tím, že místo stejnosměrného zdroje napětí použil cívku, k níž přikládal permanentní magnet a tím indukoval do cívky napěťový impuls. Christieho článek ani jím popisované měřidlo tehdy nevzbudily ohlas. Je zajímavé, že ač Christie neznal Ohmův zákon (z roku 1824), správně pochopil Faradayův objev elektromagnetické indukce (z roku 1831), ačkoliv byl učiněn pouhých patnáct měsíců před publikováním Christieho článku.

Zdálo by se, že Wheatstone učinil vše pro to, aby byla uznána Christieho priorita, avšak není tomu tak docela. Kromě časopiseckého článku [8] vydal Wheatstone ještě asi o rok později samostatný výtisk této práce; kromě toho vyšel její francouzský překlad (v Annales de Chemie et de Physique) a posléze i německý překlad (v Annalen der Physik). V těchto Wheatstoneových publikacích není uvedena poznámka o Christieho prioritě. O důvodech, které vedly Wheatstonea k tomu, že v těchto pracích necituje Christieho, lze spekulovat (viz např. [1]), avšak nelze je prokázat. Název Wheatstoneův můstekvznikl až později. W. Thomson přiznává Wheatstoneovu zapojení prioritu, když jej ve své práci [7] nazývá Wheatstoneova váha. Poznamenává k tomu: „Dal jsem toto pojmenování krásnému uspořádání, poprvé objeveného Wheatstonem a nazvaného jím diferenciální měřidlo odporu.“ Naproti tomu O. Heaviside o 25 let později měřidlo prostě označuje jako „Christie“ [2]. Z historie elektrotechniky je známo, že spojení jména osobnosti s určitým poznatkem neznamená vždy prioritu jeho objevu, ale je vyjádřením zásluh o to, že se tento poznatek stal všeobecně známým (viz např. Ohmův zákon, Coulombův zákon, Théveninova věta, podrobněji viz [6]).

Tento příspěvek je aktuálně zařazen k výročí narození významného fyzika minulého století. V příštím čísle budeme pokračovat další částí cyklu Vývoj názorů na podstatu elektřiny.

Redakce

¹⁾ Jules Antoine Lissajous (*4. 3. 1822, †24. 6. 1980) – francouzský fyzik, zabýval se akustikou a optikou, vynalezl metodu zviditelnění složených kmitů, optický komparátor a prozkoumal kmity tenkých desek – pozn. red.
²⁾ Jean Bernad Léon Foucault (*11. 9. 1819, †11. 2. 1868) – francouzský fyzik a matematik, zabýval se optikou, elektrickou indukcí, velmi přesně změřil rychlost světla. Pomocí kyvadla, nazvaného jeho jménem, dokázal rotaci Země – pozn. red.
³⁾ Samuel Finlay Breese Morse (*27. 4. 1791, †2. 4. 1872) – americký malíř, vynálezce a průkopník telegrafu. V roce 1837 sestrojil elektromagnetický telegraf a roku 1838 zavedl do provozu telegrafní abecedu složenou z teček a čárek, dodnes používanou pod názvem Morseova abeceda – pozn. red.
⁴⁾ Lord William Kelvin, původně William Thomson (*26. 6. 1824, †17. 12. 1907) – skotský matematik a fyzik, člen Královské společnosti v Londýně a Francouzské Akademie věd. Zabýval se zejména elektřinou a magnetismem; spoluzakladatel termodynamiky, autor teplotní stupnice – nazvané jeho jménem, spoluobvjevitel jevu nazvaného Jouleův-Thomsonův jev. Zkoumal stáří Země na základě geotermických úvah, uplatnil teorii elasticity na slapy pevné Země – pozn. red.
⁵⁾ Oliver Heaviside (*18. 5. 1850, †3. 2. 1925) – britský fyzik, člen Královské společnosti v Londýně; objevil existenci ionosféry a její vliv na přenos rádiových vln – pozn. red.