Mimo efektownych fenomenów elektrostatyki (zarówno naturalnej, jak i wywoływanej sztucznie), droga do nowoczesnej elektrotechniki i elektroniki wiodła przez odkrycia przyrodnicze zupełnie innego rodzaju. Kolejny znaczący krok na rozważanej tu drodze wiodącej od odkryć przyrodniczych do techniki elektrycznej i elektronicznej i wywoływanych przez nią przemian w kulturze został uczyniony przez włoskiego… anatoma. Luigi Galvani (1737–1798), profesor Uniwersytetu Bolońskiego, badając anatomię nóg żaby, wykrył zjawisko tzw. elektryczności zwierzęcej. Zaobserwowany przez Galvaniego efekt polegał na tym, że dotknięte miedzianym haczykiem nogi martwej żaby poruszały się. Doświadczenie to zostało przeprowadzone w 1786 roku i doprowadziło do dwóch ważnych odkryć. Pierwsze (i ważniejsze z punktu widzenia tej serii felietonów) polegało na tym, że Galvani nieświadomie zbudował wtedy pierwsze ogniwo elektryczne. Ogniw takich używamy do dziś w różnych bateriach zasilających smartfony, zegarki, aparaty fotograficzne itp. W ogniwie Galvaniego powstało napięcie elektryczne, ponieważ zostały użyte dwa różne metale (anoda i katoda, czyli miedziany haczyk, który Galvani przesuwał po badanych mięśniach, i żelazna siatka, na której leżała martwa żaba) oraz elektrolit, którym były płyny śródtkankowe w ciele żaby. Dzisiaj nadal korzystamy w naszych bateriach z dwóch różnych metali, ale jako elektrolitów używamy rozmaitych płynów i żeli. No i bardzo dobrze, bo jak byśmy się czuli, gdyby trzeba było wpychać martwe żaby do smartfona, żeby naładować baterię?

Wszystko zaczęło się od żaby 

Dla Galvaniego ta żaba była bardzo ważna. Podkreślał we wszystkich swoich wykładach i artykułach, że wykrył elektryczność zwierzęcą, nie dając sobie wytłumaczyć, że to błędna hipoteza. Na szczęście inny uczony pokazał, że tę elektryczność da się wytworzyć także bez żaby – ale o tym opowiem za chwilę. 

Galvani dość szybko zorientował się, że z ruchami martwej żaby związane było jakieś zjawisko elektryczne, dlatego użył maszyny elektrostatycznej (opisywanej w moich wcześniejszych felietonach pocieranej szklanej kuli) do wytworzenia ładunku elektrycznego. Gdy ten ładunek doprowadził do wypreparowanych, odciętych od ciała nóg żaby, nogi podskoczyły! W ten sposób Galvani udowodnił, że impuls elektryczny docierający do mięśni powoduje ich skurcz. Dzisiaj to zjawisko nazywamy elektrostymulacją i wykorzystujemy w rozrusznikach serca, a także do likwidacji różnych dolegliwości bólowych oraz w celu zapobiegania atrofii mięśni, przy nietrzymaniu moczu, leczeniu zaburzeń krążenia itp. Zapamiętajmy więc, że to wszystko efekt naukowych dociekań Galvaniego!

Ciekawe doświadczenie Galvani wykonał podczas burzy. Z opublikowanych w 1746 r. prac Benjamina Franklina wiedział, że piorun to też zjawisko elektryczne, dlatego podczas burzy wystawił na taras tacę z martwą żabą, do której przytwierdził zaostrzony pręt metalowy działający jak chwytacz wyładowań elektrycznych. Efekt obserwował przez okno. Przy każdym uderzeniu pioruna martwa żaba podskakiwała!

Elektryczność bez żaby 

Odkrycia Galvaniego miały doniosłe znaczenie, gdyż wykrył on związki pomiędzy elektrycznością i aktywnością mięśni, a potem także elektryczną naturę aktywności układu nerwowego. Elektryczność napędzana żabimi udkami nie na wiele by się jednak zdała. Ilu żab byśmy potrzebowali, żeby zasilić całą polską sieć elektroenergetyczną? 

Na szczęście udało się wykazać, że do uzyskania prądu elektrycznego żaba nie jest potrzebna – wystarczą dwa różne metale i elektrolit pomiędzy nimi. Zjawisko to posłużyło innemu słynnemu badaczowi przyrody, którym był Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745–1827), do budowy pierwszych użytecznych praktycznie źródeł energii elektrycznej. Odkrycie Volty polegało na tym, że w 1800 r. wykazał on, iż napięcie elektryczne powstaje pomiędzy płytkami miedzianymi i cynkowymi, jeśli pomiędzy nimi jest przekładka nasączona wodnym roztworem kwasu siarkowego. Był to cios w teorię elektryczności zwierzęcej Galvaniego, dlatego pomiędzy oboma odkrywcami wyniknął spór, który trwał przez wiele lat. Ale w sprawie wytwarzania elektryczności racja była zdecydowanie po stronie Volty. Wygodne ogniwo złożone z dwóch płytek metalowych i szmatki nasączonej kwasem pojawiło się w pracowniach przyrodników w całej Europie, a kolejne odkrycie Volty, polegające na tym, że takie płytki i szmatki można było układać jedne na drugich, tworząc tzw. stos elektryczny – zupełnie zrewolucjonizowało sposób korzystania z elektryczności. Stos mógł wytwarzać stosunkowo wysokie napięcie (jeśli się ułożyło dużo płytek) i dostarczać energię elektryczną w sposób ciągły, dlatego skutkiem jego wynalezienia było pojawienie się możliwości badania przepływu prądu elektrycznego, wcześniej praktycznie nieznanego.

Volta został doceniony na wiele sposobów. Napoleon Bonaparte, któremu Volta w 1801 r. zaprezentował swój stos, docenił znaczenie tego odkrycia i wynagrodził wynalazcę prawdziwie po królewsku: uczynił go hrabią, senatorem Królestwa Włoch, odznaczył specjalnym medalem i przyznał mu bardzo wysoką stałą pensję. Prócz tego Volta otrzymał także Legię Honorową. Fizycy, ustalając jednostkę napięcia elektrycznego, nazwali ją volt (czasem pisaną w języku polskim jako wolt). 

Bazując na wynalazku Alessandra Volty, budowano przeróżne elektryczne ogniwa. Niektóre były bardzo duże (rozmiarów beczki albo wiadra), inne – zwłaszcza używane obecnie – bywają miniaturowe. Używa się różnych metali i różnych elektrolitów. Dla uzyskania większej energii ogniwa elektryczne łączy się w zespoły, które na zasadzie analogii z zespołami armat zaczęto nazywać bateriami. W jednym z wcześniejszych felietonów wyjaśniłem, skąd to artyleryjskie skojarzenie. 

Ogniwa elektryczne tak dalece zawładnęły świadomością fizyków, że przez pewien czas nie wyobrażano sobie, iż można pozyskiwać prąd elektryczny z innego źródła. Nawet fenomenalny wizjoner, jakim był Jules Verne, wymyślając futurystyczny okręt podwodny kapitana Nemo (w powieści „Dwadzieścia tysięcy mil podmorskiej żeglugi”), nie był w stanie wyobrazić sobie innego źródła energii do napędu tego okrętu jak tylko baterię elektryczną – oczywiście genialną. Niemniej w uszach współczesnego czytelnika sformułowanie „potężny okręt podwodny na baterię” brzmi nieco komicznie.

Jak ludzie
oswajali się z prądem

Wynalezienie przez Voltę ogniwa elektrycznego, a potem stosu i baterii elektrycznych, skupiło uwagę badaczy na prądzie elektrycznym. Wcześniejsze prace przyrodników (i zabawy salonowe z elektrycznością opisywane w jednym z wcześniejszych felietonów) dotyczyły nieruchomych ładunków elektrycznych gromadzonych na różnych przedmiotach (maszynach elektrostatycznych, ciałach eksperymentatorów, butelkach lejdejskich), a także w chmurach burzowych, z których uderzają pioruny. Dlatego ten dział wiedzy o elektryczności nazwano elektrostatyką, gdyż określenie „statyczny” jest synonimem określeń „nieruchomy”, „niezmienny”, „ustalony”. Jeśli uzyskiwano efekt przepływu ładunków (jak np. w doświadczeniach Noletta z podskakującymi gwardzistami królewskimi, opisanych w jednym z wcześniejszych felietonów) – to przepływ ten był krótkotrwały (aż do wyczerpania ładunku) i niewiele dawało się o nim powiedzieć. 

Tym bardziej godne podziwu jest osiągnięcie Stephena Graya, ubogiego angielskiego barwiarza, który hobbystycznie zajmował się nauką i w 1719 r. zbadał i opisał przewodnictwo elektryczne, dzieląc znane mu substancje na przewodniki i izolatory. Za swoje naukowe odkrycia został wynagrodzony – w 1731 r. Towarzystwo Królewskie przyznało mu Medal Copleya. W 1732 r. Gray sam został członkiem Towarzystwa Królewskiego i bieda już mu więcej nie zagrażała. A badania przewodnictwa prowadził do końca życia, używając jako źródła elektryczności rurki szklanej, którą pracowicie pocierał w celu wytworzenia potrzebnych mu ładunków elektrycznych.  

Tymczasem w przewodnikach dołączonych do stosu elektrycznego można było uzyskać długotrwały przepływ prądu, który sam w sobie mógł stanowić obiekt badania. Na początku XIX wieku wielu uczonych wykorzystywało stos Volty i badało efekty towarzyszące przepływowi prądu. Odkryto wtedy związki pomiędzy zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi, ale o tym napiszę w osobnym felietonie, bo był to początek drogi do prądnic i silników elektrycznych, którym trzeba będzie poświęcić więcej uwagi. Natomiast w tym tekście chcę opisać koncepcję Niemca, Georga Simona Ohma, który początkowo wcale nie chciał być uczonym (bo na uniwersytecie bardzo źle płacili), tylko pracował jako nauczyciel matematyki i fizyki w szkole średniej. Jednak mimo to w 1825 r. wprowadził fundamentalne dla całej elektrotechniki prawo wiążące natężenie płynącego prądu z wartością napięcia, które ten prąd wywołuje, oraz opornością przewodnika, przez który prąd przepływa. Podobno wymyślił to prawo, spacerując brzegiem rzeki. Zaobserwował, że tam, gdzie spadek jest większy, woda płynie szybciej. Wywnioskował z tego, że przepływ prądu jest większy, gdy do obwodu elektrycznego przyłożone jest większe napięcie. Dostrzegł też, że woda płynie szybciej, gdy koryto rzeki jest gładkie i proste, a przedziera się wolniej, gdy napotyka liczne przeszkody. Wywnioskował, że tak samo działa opór elektryczny przewodnika. Gdy jest mały, to może płynąć większy prąd. Ale gdy opór jest duży, to (przy tym samym napięciu) płynie mniejszy prąd. 

Prace Ohma były pisane mało zrozumiałym językiem, dlatego środowiska naukowe odnosiły się do nich nieufnie. Ale to właśnie Ohm miał rację i dzisiaj jego równanie jest kluczowym prawem, na którym opiera się cała elektrotechnika. Międzynarodowa społeczność fizyków uczciła pamięć niemieckiego badacza, nadając jednostce oporu elektrycznego nazwę ohm.