Elektrostatické telegrafy (případová studie)

Okolo roku 600 př. n. l. žil Thalés z Milétu, všeobecně uznáván jako první řecký filozof, protože jako první podával čistě přírodní vysvětlení pozorovaných jevů. Učinil klíčové pozorování, že některé kameny, například jantar, třeny o srst, začnou vykazovat zvláštní vlastnosti. Jakoby jantar vysílal neviditelnou sílu, která přitahuje mála vlákna. Usoudil, že jantar se stal magnetickým, kteroužto vlastnost pozoroval u magnetovce, což je přírodní magnet. Mnozí po něm pozorovali, že kontakt nebo tření o srst vytváří nerovnováhu. Něco bylo vytaženo ze srsti a přeneseno na jiný objekt. Nejen že tohle způsobilo malou přitažlivou nebo odpudivou sílu, ale také potenciál k vytvoření šoku. Jakmile se objevil výboj, síla zmizela. Tento šok byl formou výboje, který zvrátil nerovnováhu vytvořenou třením. Lidé byli odedávna fascinováni blesky - nejvášnivějšími projevy síly a agresivity přírody. Většina kultur usuzovala, že je to boží síla mimo náš dosah, a byla tedy vyhrazena pro bohy. Až do 17. století se náš popis tohoto jevu velmi různil. Od neviditelné, nehmotné entity, až po vlákna sirupu, které se prodlužují a zkracují. Teprve až Benjamin Franklin v roce 1752 ukázal spojení mezi blesky a těmito malými šoky způsobenými třením. V proslulém nebezpečném experimentu, který vykonal se svým synem, navedl papírového draka do bouře. Ke spodu draka, kde bylo vlákno vlhké, připevnil železný klíč. Po nějakém čase přiložil svůj prst ke klíči a zažil sérii malých šoků, identických s těmi, vytvořenými při tření. Tím ukázal, že blesky jsou stejné jako po domácku vytvořené šoky, akorát ve větším měřítku. V této době lidé začali rozdělovat materiály do 2 kategorií. Objektům, které umožní nebo přijmou výboj, například zlato nebo měď, říkáme elektrické vodiče. Zajímavé je, že tyto materiály jsou také dobrými vodiči tepla. Objektům, které neumožní výboj, například guma, říkáme izolanty. Tyto materiály také izolují přenos tepla. Tuto "Thaletovu sílu" se také lidé pokoušeli změřit. Jednou z možností je pověsit na špagát kuličku z bezové dřeně. Když potom třeme izolant o srst a dáme jej poblíž kuličky, tak se kulička odkloní od svislé polohy. Když přidáme více objektů, vidíme, že se výchylka zvětšuje díky větší tažné síle. Také si lze všimnout, že záleží na tvaru izolantu. Velké a tenké izolátory působí mnohem větší silou. Bylo také zjištěno, že vodiče, například měděný drát, předávají tento tažný efekt na vzdálenost. To lze demonstrovat spuštěním dlouhého drátu mezi kuličku a izolant. Když byl nabitý objekt přiložen blízko drátu, náboj prošel drátem a okamžitě vychýlil kuličku. Když jsme se poté později dotkli drátu prstem, objevil se výboj a kulička byla volná. Lidé hned začali spekulovat, že tohle by mohla být budoucnost optických telegrafů. A v roce 1774 francouzský vynálezce George-Louis Le Sage jako jeden z prvních převedl tento nápad do praxe. Posílal zprávy skrze řadu 26 drátů, kde každý z drátů představoval písmeno abecedy. Když na jednom konci nastal výboj, kulička se pohla na druhém konci. Problém s tímto telegrafem byl ten, že mohl propojit pouze 2 pokoje v domě. Síla výchylky byla malá a špatně manipulovatelná. Lidé v té době zkoušeli metody pro vytváření větších nábojových rozdílů, aby se zvýšily dané síly. Jedno vylepšení, popularizováno Alessandrem Voltou o rok později, umožnilo generování výbojů podle potřeby. Bylo založeno na myšlence, že nabitý izolant může vyvolat nebo přenést náboj na nedalekou vodivou desku. Bylo potřeba pouze přiložit kovovou desku blízko k izolantu, což ovlivnilo rozmístění náboje v kovové desce, a způsobilo nerovnováhu neboli elektrické napětí v kovové desce. Když potom přiložíme prst, objeví se výboj. Deska se poté oddálí pomocí izolačního držáku a zbytkový náboj zůstane uvězněn na desce. Poté můžeme desku vybít podle libosti prostým přiložením vodiče, například prstu. A kupodivu můžeme tento proces opakovat mnohokrát bez nového nabití. Můžeme tedy vyvolat mnoho malých výbojů podle potřeby. V té době se Benjami Franklin soustředil na nalezení způsobu, jak zachytit nebo uchovat tyto výboje. Pořád předpokládal, že elektřina byla jako neviditelná kapalina, protože mohla přecházet přes vodu. Takže předpokládal, že voda uvnitř izolantu může uchovat elektřinu. To, čemu nyní říkáme Leydenská láhev, byla skleněná nádoba s vodou, a kovovým drátem trčícím z vrchu. Franklin také obalil vnějšek vodivým kovem. Když přiložil nabitý vodič k drátku, nastal výboj a zůstal uvězněn v láhvi. Navíc mohla být láhev takto nabita mnohokrát. Každá jiskra zvětší oddělení náboje, neboli elektrické napětí, uvnitř láhve. Dobrým přirovnáním k láhvi je balónek a výboj je jako krátký výstřik vody. Po stovkách opakování je napětí obrovské. Pro uvolnění náboje prostě spojil vnější vodič s vrchním drátkem. Nastal velký výboj. Franklin postupně svůj návrh vylepšoval a nakonec zjistil, že se náboj neuchovává ve vodě, ale ve skle. Voda byla pouze vodivou cestou z drátku na láhev. Dnes Leydenskou láhev nazýváme kondenzátorem nebo zařízením na uchování náboje. Když se spojilo mnoho lahví k sobě, kapacita se dále zvýšila a šlo uvolnit smrtelné blesky elektřiny. Lidé se postupně vytvářeli lepší postupy pro získání náboje pomocí tření, který se poté mohl uchovat v kondenzátorech a uvolnit během úžásných představení lidmi vyrobených blesků. Během dalších 50 let se lidé vyvíjeli systémy pro přenos jisker na dlouhé vzdálenosti, pomocí delších drátů a silnějších výbojů. Komunikace pomocí elektrostatických výbojů se nicméně zdála nešikovná a nepředstavovala zlepšení oproti existujícím optickým telegrafům. Vlády i průmysl ji proto ignorovaly. Situace se ale brzy změní. Za rohem je elektrická revoluce.