Vývoj názorů na podstatu elektřiny (40)

Vývoj názorů na podstatu elektřiny (40)

Ing. Josef Heřman, CSc.

Peltierův jev

V roce 1834 objevil Francouz Jean Charles Athanase Peltier (1785–1845) opačný jev k jevu Seebeckovu.

Peltier pocházel z chudých poměrů. Již v útlém věku projevoval neobyčejnou inteligenci a vytrvalost. Nicméně rodinné poměry mu umožnily získat pouze základní vzdělání a vyučení hodinářem. Měl však všestranné zájmy a při svém povolání četl vše, co se mu dostalo do ruky. Když ve třiceti letech získal po matce své ženy skromné dědictví, zanechal hodinářství a začal se věnovat vědě. Kromě studia latinské mluvnice se intenzivněji zabýval anatomií. Navštívil mnoho veřejných demonstrací pokusů na zvířatech, při kterých byla ke stimulaci nervů využívána elektřina. To jej přivedlo i ke studii elektřiny. Tomu věnoval posledních dvacet let života. Svou první vědeckou práci předložil akademii věd roku 1830. Týkala se chemických účinků u suchého galvanického článku. Není bez zajímavosti, že z práce vyplývalo Peltierovo chápání rozdílu mezi proudem a napětím, což v té době nebylo zcela jasné ani mnoha renomovaným badatelům.

Na sklonku života se Peltier zabýval mikroskopií a měřením elektrických nábojů v meteorologii.

Při Peltierově jevu, jak byl po svém objeviteli nazván, dochází při průchodu elektrického proudu uzavřeným obvodem, tvořeným dvěma různými kovy, na jednom ze spojů k vybavování tepla (stykové místo se ohřívá), na druhém k pohlcování tepla (stykové místo se ochlazuje). Při změně směru proudu se místo vybavování či pohlcování tepla přemění. Vyvinuté teplo (ať pozitivní či negativní) při Peltierově jevu je tedy závislé na směru proudu a jeho množství je úměrné první mocnině velikosti procházejícího proudu. Pro tepelný výkon P^p tudíž platí:

P_p = p I

kde p je tzv. Peltierův koeficient. Jeho hodnota roste pro každou dvojici vodičů s teplotou a nezávisí na směru proudu I. Jak již bylo uvedeno, směr proudu tedy určuje, zda se daný spoj bude ohřívat (pozitivní tepelný výkon) či ochlazovat (negativní tepelný výkon). To je v termoelektrickém obvodu splněno, jelikož v každém jeho spoji je směr proudu opačný.

Podnícen existencí Nobiliho galvanometrů, Peltier zkonstruoval citlivý galvanometr k měření vodivosti antimonu a bismutu malými proudy. Peltierovo použití vzorků těchto nepoddajných materiálů, a tedy i vlastní objev, bylo opět jakousi šťastnou náhodou. Vlastnosti a chování uvedených materiálů ho přivedly ke konstrukci termoelektrického termoskopu a k měření rozdělení teploty podél řady termopárových obvodů. Objevil tak, že chladicí efekt může působit na jednom spoji kovů a nadměrné ohřátí na druhém.

Thomsonův jev

Třetí termoelektrický jev předpověděl roku 1854 William Thomson (později lord Kelvin viz obr.). V roce 1856 jej i experimentálně dokázal. Při Thomsonově jevu vzniká elektromotorické napětí i ve stejnorodém vodiči, jsou-li jeho jednotlivé části udržovány na různých teplotách.

Teoretické snahy vysvětlit termoelektrické jevy se staly důležitým aspektem termodynamiky. Nakonec vedly k formulaci druhého zákona termodynamiky Williamem Thomsonem a Rudolfem Juliem Emanuelem Clausiusem (1822–1888).

8.3 Předchůdci Ohma
Skutečnost, že zrodu Ohmova zákona je věnována pozornost v kapitole zaměřené na vztah elektřiny a tepla, má své závažné důvody. Byl to Seebeckův termoelektrický článek, použitý Ohmem jako zdroj stálého napětí, který Ohmovi pomohl k přesné formulaci. A byla to i analogie s tepelnými procesy, kterou Ohm využil při svém teoretickém odvození zákona. Svou úlohu, byť spíše formální, hraje i okolnost chronologického řazení fyzikálních objevů.

Před objevem Voltova sloupu

Již v roce 1753 italský fyzik Giambatista Beccaria (viz Elektro 2/2001) experimentálně prokázal, že elektrický šok, který pozorovatele zasáhne po průchodu elektrického výboje trubicí naplněnou vodou, je silnější, zvětší-li se průřez trubice. Jde pravděpodobně o první – nepřímý – údaj závislosti elektrického odporu (rezistance) na průřezu vodiče.

Později tuto práci významně rozšířil Henry Cavendish (viz Elektro 3/2002). Přišel i s pojmem (ač ne s názvem) elektrický odpor. V roce 1775 přednesl v Royal Society zprávu o porovnání vedení proudu v kusu železa a určitém objemu dešťové, destilované a slané vody.

S vodivostí různých látek rovněž experimentoval Joseph Priestley (viz tamtéž). Mimo jiné dokázal, že olej a azbest jsou izolátory. Stejně jako Cavendish využíval ke kvalitativnímu vyhodnocení intenzity elektrického šoku subjektivní pocity reakce vlastního těla. Aplikoval však také mnohem objektivnější způsob vyhodnocení: měřil maximální délku vzduchové mezery, v které přeskočí jiskra při zařazování vodičů různé rezistance do obvodu. Větší vzduchová mezera znamenala lepší vodič.

Pravděpodobně nejblíže k objevu zákonitosti, kterou popisuje Ohmův zákon, došel Skot John Leslie (1766–1832). Připomeňme, že to bylo obdobné jako v případě Cavendishe a Priestleyho před Voltovým objevem galvanického článku, tedy v době, kdy bylo možné experimentovat pouze s výboji statické elektřiny.

Leslie neměl k dispozici zdroj konstantního napětí; jeho zdrojem byla nabitá leidenská láhev s exponenciálně klesající velikostí odtoku elektřiny (proudu) při vybíjení. Z porovnání článku, který Leslie napsal roku 1791, avšak uveřejnil až v roce 1824 – tedy dva roky před publikací zákona Ohmem –, vyplývá, že Leslie dospěl k témuž závěru jako Ohm. Byla to zákonitost určující velikost proudu protékajícího uzavřeným obvodem jako přímo úměrnou napětí zdroje, ke kterému je obvod připojen, a nepřímo úměrnou velikosti odporu, kterou obvod průchodu proudu klade. Je však třeba zdůraznit, že Leslie matematický vztah pro tuto zákonitost neuvedl. Problematikou se ale zabýval teoreticky i experimentálně. Formuloval obecná hlediska pro rozhodující třídění materiálů na vodiče a nevodiče a vytkl si za cíl určit parametry, které ovlivňují rychlost přenosu elektřiny.

Leslie své teoretické zpracování založil na analogii vedení elektřiny s vedením tepla. Vycházel z předpokladu, že zákon pro vedení elektřiny je analogický Newtonovu zákonu pro přestup tepla mezi tělesy a okolním prostředím. Šel však ve svých úvahách dále. Opět z analogie vedení tepla vyvodil, že množství proteklé elektřiny je nepřímo úměrné délce vodiče, přímo úměrné ploše průřezu a vodivosti materiálu. Zabýval se i náhradou sériové kombinace vodičů s různým odporem. Své závěry měl podloženy vtipným experimentem: srovnával dobu potřebnou k vybití kapacity leidenské lahve přes proužek papíru pokrytý uhlíkem s dobou potřebnou k vybití elektrického náboje proužku papíru poloviční délky či poloviční šířky, popř. s dobou potřebnou k vybití kapacity proužku papíru pokrytého prachem z dřevěného uhlí. Tím dosahoval změny odporu vzorku. Přestože Leslieho práce vzbuzuje obdiv a úctu, byla Ohmova pozdější činnost v tomto směru mnohem přesnější a hlubší. Není proto pochyb o tom, proč zákon nese jméno Ohma, a ne Leslieho. Kdyby byla Leslieho práce publikována v roce 1791 (v roce svého vzniku), mohla být významným stimulem vědeckého pokroku v oblasti elektřiny. Uveřejněna však byla až v roce 1824, kdy již byly vytvořeny základy elektrochemie a v ohnisku zájmu byla nová etapa vědy – elektromagnetismus a elektrodynamika. Vliv na rozvoj vědy o elektřině ztratila.

(pokračování)