Vývoj názorů na podstatu elektřiny (44)

Vývoj názorů na podstatu elektřiny (44)

8.6 Zákon přeměny elektřiny v teplo
Souvislost mezi přeměnou elektřiny v teplo a kvantitativní zákonitost této energetické přeměny stanovil James Prescott Joule (obr. 1).

Rodina a vzdělání

James byl druhorozeným synem v rodině majetného vlastníka pivovaru v Salfordu. Spolu se svým starším bratrem získal základní vzdělání doma. V letech 1834 až 1837 oba bratry privátně vyučoval elementární matematice, přírodovědě a chemii sedmdesátiletý John Dalton (1766 až 1844).

James nikdy nepůsobil v řízení rodinného pivovaru a ani se nevěnoval žádné profesi. Sdílel otcovu věrnost konzervatismu a uchovával si konvenční křesťanskou víru. Po smrti ženy trávil život se svými dvěma dětmi na různých místech v okolí Manchesteru. Byl ostýchavého a citlivého založení, křehkého zdraví.

Průkopnické experimenty

Své průkopnické experimenty, které si hradil z vlastních zdrojů, vykonával v laboratořích zřízených v pivovaru či ve svých obytných domech. Finanční těžkosti, ve kterých se později ocitl, by pravděpodobně jeho experimentování ukončily, nebýt finanční podpory od vědeckých institucí.

Joule se téměř třicet let zabýval velmi obratným badatelským experimentováním. Kvůli svému nedostatečnému matematickému vzdělání ale nemohl držet krok s rychlým vývojem nového vědního oboru – termodynamiky - přestože k jejímu rozvoji přispěl fundamentálními poznatky. V tomto byl Jouleho osud podobný osudu jeho německého vědeckého rivala, Juliuse Roberta Mayera (1814 až 1878).

Samostatně započal Joule zkoumat ve svých devatenácti letech. Jeho výzkumné aktivity podporovali prozíraví obchodníci v rychle se rozvíjejících anglických městech. Bylo to v době, kdy pozornost techniků a vědců byla zaměřena na náhradu parního stroje parní turbínou. Obdobně, jako tomu bylo u parních strojů a turbín, soustřeďoval i Joule hlavní pozornost na měření a zlepšení ekonomie elektromagnetů. Avšak nikdy své poznatky nepatentoval ani neprodával.

V roce 1838 publikoval závěry ze svých výzkumů založených na měření relativní práce. Výkon elektromagnetu hodnotil podle velikosti zdvihové síly (hmotnost násobená jednotkou výšky za jednotku času). Avšak v publikované přednášce z roku 1841 připustil Joule zklamání z jednotkového výkonu elektromagnetických strojů ve srovnání se stroji parními.

Zrod zákona

Od počátku Jouleovy experimentální činnosti jej obzvláště přitahoval problém vývoje tepla průchodem elektrického proudu vodičem. Za velmi důležitý jev to pokládal již Humphry Davy. Joulemu náleží priorita v objevu zákonitosti známé dnes jako Jouleův zákon. Podle něho je množství vyvinutého tepla ve vodiči za jednotku času úměrné velikosti elektrického odporu R a kvadrátu intenzity proudu I procházejícího obvodem, tedy: Q @ R I²

Teplo Q je obvykle označováno jako Jouleovo teplo. Jouleův zákon byl dalším, velmi významným ověřením Ohmova zákona. Zde je třeba připomenout rozdíl oproti Peltierovu jevu, u něhož je množství vyvinutého tepla přímo úměrné první mocnině intenzity proudu.

Vlastní Jouleovy experimenty z prosince 1840 byly velmi prosté. Proměnnou intenzitu proudu měřil obyčejným galvanometrem, který si sám vyrobil. Odpor stanovil srovnáním s odporem měděného drátu, jehož velikost přijal podle Ohmova zákona jako jednotkovou. Měřenou část obvodu ponořil do vody v kalibrované trubce, kterou umístil do jednoduchého kalorimetru. Kritickým bodem měření při tomto experimentu, stejně jako při všech dalších, bylo měření malých teplotních změn. Jouleův úspěch rozhodně závisel na použití nejlepšího dostupného teploměru. Nejpreciznějším přístrojem jeho celé soupravy tedy byl velmi citlivý rtuťový teploměr.

Tento svůj první zákon Joule publikoval roku 1841 v pojednání O teple vydávaném kovovými vodiči elektřiny a články baterie při elektrolýze.

Původní Jouleův záměr – publikovat své výsledky prostřednictvím londýnské Royal Society, byl zmařen jejím chladným přijetím, a proto Joule využil sympatičtějšího přijetí, se kterým se setkal u Manchester Literary and Philosophical Society.

V roce 1843 dospěl na základě svých experimentů k obdobnému závěru, pravděpodobně nezávisle na závěrech, ke kterým došel Joule, člen Akademie věd v Petrohradě, Heinrich Friedrich Emil Lenz (obr. 2). Zákon je proto též někdy označován jako Jouleův-Lenzův zákon.

James Joule se v dalších letech věnoval stanovování mechanického ekvivalentu tepla. Vznik tepla nezkoumal proudem z galvanického zdroje, ale proudem vznikajícím elektromagnetickou indukcí, objevenou Faradayem, či pouze mechanickou změnou. Tento brilantní závěr ho přivedl k dalšímu souboru experimentů, které ve fyzice patří mezi mimořádné.

(pokračování)