Vývoj názorů na podstatu elektřiny (39)

Vývoj názorů na podstatu elektřiny (39)

Ing. Josef Heřman, CSc.

8. Teplo a elektřina

8.1 Hypotetická souvislost
Hypotetická souvislost tepla s elektřinou vycházela od počátku novověku až do první poloviny devatenáctého století z fluidní hypotézy. Že jde o nezvažitelné fluidum, potvrdily i neúspěšné pokusy zvážit to, co významný chemik Skot Joseph Black (obr. 1) označil za tepelnou hmotu či co zakladatel moderní chemie Francouz Antoine Laurent de Lavoisier (obr. 2) nazval calorique. Byl to tedy důkaz, že teplo je stejné nezvažitelné fluidum, jako je elektřina nebo světlo.

Nicméně badatelé osmnáctého století při některých experimentech na určitou reálnou souvislost tepla a elektřiny narazili. Bylo to např. zapalování lihu elektrickou jiskrou, tavení drátu elektrickým výbojem, experimenty s turmalinem apod. Hlubší souvislost mezi teplem a elektřinou a jejich vzájemná přeměna však byly objeveny až v první polovině devatenáctého století.

Ve Francii byla počátkem devatenáctého století založena tradice teorie techniky, v Británii o něco později byly zakládány katedry techniky na univerzitách. Jedním z velkých přínosů teorii techniky byl – vyhovující potřebám praxe – přístup francouzského matematika a fyzika Jeana Baptiste Josepha Fouriera (obr. 3) k matematickému řešení teoretických problémů fyziky. Projevil se významně mimo jiné v jeho práci z roku 1822 Théorie analytique de la chaleur (Analytická teorie tepla).

Jak je v dalším textu uvedeno, významnou roli sehrálo teplo a Fourierova teorie šíření tepla i při formulaci Ohmova zákona.

8.2 Termoelektřina
S přímou souvislostí tepla a elektřiny se čtenáři již setkali u tzv. pyroelektrického jevu. Ten byl roku 1756 objeven u turmalinu (viz ELEKTRO 12/2001). Pro vědu i praxi došlo k daleko důležitějším objevům – objevu přímé přeměny tepla v elektřinu a naopak – v devatenáctém století. Byl objeven Seebeckův jev (1821) i jev k němu inverzní – jev Peltierův (1834). Třetím objeveným termoelektrickým jevem byl Thomsonův jev (1856).

Seebeckův jev

Thomas Johann Seebeck (obr. 4) patřil k vynikajícím experimentálním fyzikům první poloviny devatenáctého století. Vystudoval medicínu, nicméně již jako student se intenzivně zajímal o přírodní vědy. Jejich vědeckému výzkumu dal nakonec přednost před lékařskou praxí. Po absolvování studia odešel do Jeny. Zde počátkem století působilo několik vynikajících filozofů a přírodovědců, mezi nimi i významný básník, filozof a přírodovědec Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832). Částečně inspirován Goethovou anti-newtonovskou teorií barev (Farbenlehre) započal Seebeck roku 1806 svůj první výzkum v optice a zkoumal tepelné a chemické jevy u různých barev slunečního spektra. Dále se zabýval polarizací světla. Ačkoliv dosažené výsledky nebyly zcela původní, přinesly mu roku 1814 členství v berlínské Akademii věd a v roce 1816 podíl na výroční ceně pařížské Akademie věd.

V roce 1820 Seebeck odešel do Berlína a začal se věnovat magnetismu. Zopakoval Aragovy a Davyho pokusy magnetizace ocelové jehly v cívce protékané elektrickým proudem. Vykonal velké množství experimentů s magnetizovatelností různých materiálů a první zaznamenal anomální chování magnetizovaného, do červena rozžhaveného železa a jednu z prvních indikací jevu známého pod pojmem magnetická hystereze. Rovněž pravděpodobně byl první, kdo zobrazil magnetické pole permanentního magnetu pomocí železných pilin (obr. 5). Tento jeho objev, který se za několik let stal jedním ze stavebních kamenů nové fyzikální koncepce elektřiny a magnetismu, zůstal v jeho době nepovšimnut.

Avšak nejvýznamnějším Seebeckovým objevem v roce 1821 byl objev termoelektřiny. Když zkoumal vliv tepla na galvanické uspořádání kovů, došel k hypotéze možnosti teplem vytvářet magnetismus. Spojil do oblouku tvarovaný drát z bismutu s podobně tvarovaným drátem z mědi a vytvořil smyčku. Když nejprve bezděky podržel jeden ze spojů bismut-měď v ruce, všiml se, že magnetická jehla umístěná uvnitř smyčky se pohnula (obr. 6). Experiment dále opakoval cíleným zahříváním spojů. Avšak nevěřil, že pohyb jehly je důsledkem elektromagnetického účinku elektrického proudu, který vznikl teplem vyvolaným potenciálním rozdílem mezi spoji kovů. Věren své hypotéze tudíž mylně označil jev za thermomagnetismus.

T. J. Seebeck po mnohonásobném opakování experimentu s rozdílnými páry kovů uspořádal podle velikosti účinku na magnetickou jehlu materiály do termoelektrické řady, obdobně jako to učinil Volta s kontaktním elektrickým napětím různých kovů (viz ELEKTRO 12/2002). Termoelektrická řada začínala bismutem, jako extrémně negativním koncem, a končila telurem, jako extrémně pozitivním koncem. Seebeck takto uspořádal celkem 28 materiálů.

Termoelektrický jev je experimentálně získaný poznatek závislosti Voltova kontaktního napětí U_AB dvou kovů na teplotě spoje. Je-li tedy teplota jednoho spoje T₁ a teplota druhého spoje T₂, je termoelektrické napětí U_S, označované jako napětí Seebeckovo, dáno rozdílem kontaktních napětí obou spojů, tedy

U_s = U_AB(T₁) – U_AB(T₂)

V důsledku termoelektrického napětí protéká uzavřeným obvodem elektrický proud.

Jak je téměř obvyklé u vědeckých objevů, i termoelektrický jev je poznamenán problémy s prioritou. Britský fyzik a matematik Peter Guthrie Tait (1831–1901), který se termoelektřinou v druhé polovině devatenáctého století též zabýval, pokládal za nezávislého objevitele termoelektřiny Angličana Jamese Cumminga (1777–1861). Jaká jsou dostupná fakta k tomuto problému? První krátká zpráva o Seebeckově objevu byla uveřejněna roku 1822 v Annales of Philosophy, podrobný popis Seebeckova objevu ale nebyl zveřejněn dříve než v roce 1825. Cumming první popis svého objevu uvedl v témž časopisu v roce 1823. Přestože je velmi pravděpodobné, že Cumming učinil svůj objev nezávisle, tím se Seebeckova priorita asi nezpochybňuje.

Termoelektřinou se zabýval i Hans Christian Oersted (viz ELEKTRO 4/2003). Kromě toho, že na rozdíl od Seebecka správně označil objev za termoelektrický jev, sestrojil ve spolupráci s Jeanem Baptistou Josephem Fourierem jeden z prvních termoelektrických článků tak, že sletoval několik párů kovů a vytvořil tak termoelektrickou analogii k Voltovu elektrochemickému článku.

Použití termočlánku je dvojí: jednak jej lze použít k měření teploty, jednak jako zdroj stálého elektrického proudu. Oba způsoby byly také záhy využity.

Ital Leopoldo Nobili začal ve Florencii s termočlánky pracovat v roce 1829. Nobili zhotovil téměř 200 takovýchto článků z bismutu a antimonu. Použil je jako zdroje konstantního proudu při svých galvanometrických experimentech; nazval je termomultiplikátory.

Jako součást měřicí aparatury pro měření zářivé energie předvedli Nobili a známý italský fyzik a politický rebel Macedonio Melloni (1798–1854) v září 1831 svůj termoelektrický článek pro Akademii věd v Paříži. Zmíněný termočlánek byl mnohem citlivější než diferenciální teploměr, takže mohl detekovat teplotu ruky na vzdálenost jednoho metru. Byl okamžitě kopírován výrobci přístrojů a stal se všeobecně známým jako Nobiliho-Melloniho termočlánek.

Tím však nebyl ani zdaleka vyčerpán okruh možných aplikací termoelektrických článků. V 30. letech devatenáctého století byly použity i při rozkladu vody, u elektromagnetů apod. Významně posloužily, jak bude uvedeno v dalších odstavcích, i při objevení jednoho ze základních zákonů nauky o elektřině – Ohmova zákona.

(pokračování)