Předchůdce těch prvých – Oliver Lodge

Již zde bylo zveřejněno několik článků o těch, kteří jako první začínali s pokusy o šíření rádiových vln na dálku. Zkusme se ale ponořit do historie ještě hlouběji a všimnout si těch, na "jejichž ramenou stáli".

 

Narodil se 12 června 1851 v Penkhullu (Anglie), zemřel 22 srpna 1940 v Amesbury, hrabství Wiltshire. Studoval Newportskou střední školu, která znamenala jeho prvé setkání s vědou. Později při návštěvě Londýna si vyslechl sérii Tyndallových přednášek, a na jejich základě se začal věnovat chemii a matematice. Titul bakaláře přírodních věd obdržel v roce 1875 a byl vybrán na post demonstrátora fyziky na Univerzity of London. Publikoval řadu novinek z oboru elektrického proudu, které upoutaly pozornost vědeckého světa.

 

Psal se rok 1887, když šestatřicetiletý Oliver Lodge z Velké Británie již byl známý vědec. Stal se profesorem fyziky v nově zřízené univerzitě v Liverpoolu, jelikož byl znám svou vysoce brilantní vědeckou myslí a hlavně schopností vysvětlit komplexní vědecké principy tak, aby je bylo možno pochopit prakticky komukoli. V tomto roce Královská společnost pro přírodní vědy (to je název, co?) jej požádala o sérii přednášek vztahujících se k ochraně budov před úderem blesku.

Tehdejší věda učila, že blesk je nepřetržitý stejnosměrný proud, trvající až do vyprázdnění elektřiny z bouřkového mračna. Věřilo se, že ochrana před bleskem může být získána umístěním měděných tyčí nad budovami a propojených těžkými měděnými zemnícími lany s velmi nízkým stejnosměrným odporem se zemí (lit. 2). Experti pro ochranu před blesky nějak ze začátku nedokázali pochopit proč blesk často ignoroval měděné vodiče a raději putoval alternativní cestou s vyšším stejnosměrným odporem (lit. 3), čímž měl často za následek ohromná poškození budov. Nakonec experti došli k názoru, že takovéto chování blesků a tedy selhání ochranných systémů bylo zaviněno "nedostatečnou zemnicí přípojkou" (lit. 4).

Tento úkaz zaujal Lodgeho tak, že se jím několik let zabýval (lit. 5). Naplánoval si provádět série experimentů s elektrickými výboji, aby mohl na toto téma připravit příslušné přednášky. Nejvíce jej zaujala skutečnost, že blesk opovrhl nízkoodporovou cestu poskytnutou měděnými vodiči (lit 6.). Ihned začal s experimenty, kterými se chtěl dozvědět více o ochraně před blesky. Tyto laboratorní pokusy se ukázaly býti extrémně důležité, jelikož podstatně přispěly k pozdějšímu vývoji radiotelegrafie a Lodgemu přinesly celosvětovou pověst výjimečného vědce.

Demonstroval jevy indukčního odporu v obvodech s časově proměnnými proudy, což mělo za následek Lodgeho definici existence elektromagnetických vln, sice současně s německým vědcem Heinrichem Hertzem, ale přesto nezávisle na něm. Lodge také objevil fenomém elektrické ozvěny a zjistil, že koherer poskytuje velmi užitečný prostředek pro zjišťování přítomnosti elektromagnetických vln (lit. 7).

Již bylo známo, že blesk je produktem vyprázdnění nahromaděného elektrického náboje v mraku, způsobeného rozdílem potenciálů mezi mrakem a zemí. Vzduch, ležící mezi těmito dvěmi póly se elektricky zhroutí a promění se ve vodič. Lodge uvažoval, že by to mohl být stejný proces, jaký nastane v kondenzátoru, kdy vlivem velkého rozdílu potenciálů dojde k průrazu dielektrika (lit 8.). V té době bylo velmi dobře známo, že vybitím Leydenské láhve, tedy kondenzátoru, se produkuje spíše oscilační proud, než stejnosměrný (lit. 9). Oliver Lodge z toho (chybně) usoudil, že výboj blesku je také oscilační (lit. 2).

Rozhodl se tedy vytvořit elektrickému výboji "alternativní cestu" a takto experimentálně potvrdit svou teorii, kterou zveřejnil ve své přednášce o blesku v březnu 1888. K výrobě "blesku" použil Leydenské láhve nabíjené Vossovým generátorem, který vyráběl statickou elektřinu pomocí tření. Jedno z jeho uspořádání při experimentu je znázorněno na obrázku 1 (lit. 4, 6).

Obrázek 1

 

Vossův generátor byl připojen k vývodům A, které byly připojeny k vnitřním polepům dvou Leydenských lahví. Vnější polepy byly připojeny k nastavitelnému jiskřišti B, a zároveň k dlouhé smyčce měděného drátu L s velmi malým odporem. Při prvém pokuse byla smyčka dlouhá přibližně 12 metrů, a její odpor byl 0,025 ohmu (lit. 4, 6). Tímto drátem chtěl simulovat charakteristické rysy vodičů, které byly normálně připojovány k bleskosvodným tyčím.

Nyní měl elektrický náboj uložený v Leydenských lahvích na vybranou dvě cesty – buď mohl procházet cestou s velmi malým odporem (jako stejnosměrný proud), nebo cestou s velmi vysokým odporem, tedy vzduchem přes jiskřiště B. Zdálo by se, že nejpřirozenější cesta je drátovou smyčkou, ale k jeho velkému překvapení zařízení produkovalo velmi dlouhé jiskry přes jiskřiště B, i když jejich zkrat vodičem měl jen zlomek ohmu (lit. 4).

Když Lodge přednesl svou prvou přednášku v Královské společnosti pro přírodní vědy, argumentovat tím (jak sám věřil), že "blesková vyprázdnění měla vysokou oscilační četnost" a je tedy nezbytné vzít do úvahy indukční reaktanci. Dodávám, že v těchto dobách nebyla teorie indukčního odporu ještě docela propracována (lit. 6), i když Michael Faraday v Anglii a Joseph Henry ve Spojených státech (souběžně, ale nezávisle na sobě) pozorovali některé efekty indukčního odporu téměř před šedesáti lety. Sir Wilian Thomson (Lord Kelvin) v roce 1853 také zjistil vliv indukčního odporu (nazýval jej "elektrodynamická kapacita") na vybíjení Leydenských lahví (lit. 9).

Oliver Heaviside později demonstroval význam induktivních efektů v přenosu signálů podél dlouhých telegrafních vedení a podmořských telegrafních kabelů. Konceptindukčního odporu, nicméně, nebyl přijat, dokud Sir William Thomson (Lord Kelvin) nezveřejnil svou teorii indukčního odporu v roce 1889. Lodgeovy přednášky o blesku ale proběhly ještě před Thomsonovou definicí (lit 2).

Lodge tvrdil, že ve srovnání s oscilačním jiskrovým výbojem, má induktivní odpor vodivého kabelu mnohem vyšší odpor vůči toku elektrického proudu. Několik let později si Lodge uvědomil, že blesk není oscilační (střídavý) výboj, ale že ve skutečnosti je rychle pulzující stejnosměrný výboj (lit. 2). Nicméně, vlivy indukční reaktance na tyto stejnosměrné výboje jsou stejné, jaké předpokládal pro střídavé oscilační proudy (lit 6).

Obrázek 2

Lodge dále pokračoval ve zkoumání "alternativní cesty" svými experimenty během jara a léta 1888, se záměrem prošetřit chování elektrických kmitů vznikajících při vybíjení Leydenské láhve. Zkusil nahradit drátovou smyčku, kterou doposud používal, párem dlouhých vedení o délce přibližně 29 metrů (obrázek 2). Vodiče L a L´ byly zakončeny jiskřištěm – k jeho údivu při vybíjení se objevily jiskry nejenom na jiskřišti A, ale také na jiskřištích B1, B2 a B3, přičemž jiskra v B3 byla vždy nejdelší (lit. 4). Elektrické vlny cestovaly podél vedení a odrážely se od jeho konce. Na jiskřišti B3 měly přicházející a odcházející vlna maximální hodnoty a byly ve fázi, čímž zde bylo napětí dvojnásobné oproti jiskřišti A.

Lodge dále zjistil, že délka jiskry v B3 byla maximální tehdy, pokud délka obou vodičů L a L´ byly rovny polovině vlnové délky (nebo jeho násobku) produkovaných kmitů (lit. 4, 8). Byl schopen demonstrovat, že podél vedení existují stojaté vlny, v zatemněné místnosti pozoroval záření podél vedení odpovídajícímu špičkám napětí. Během jara a léta 1888 provedl také několik dalších experimentů vztahujícím se k charakteristickým rysům vybíjení Leydenské láhve (lit. 11).

Oliver Lodge si uvědomil, že vyrobil (a objevil) elektromagnetické vlny dvacet čtyři let před tím, než je popsal James Clerk Maxwell (lit. 3). Během své dovolené v létě 1888 se seznámil s podobnými Hertzovými pracemi s elektromagnetickými vlnami (lit. 6, 10). Odborná veřejnost sice uznala, že jeho objevy byly uskutečněny současně, ale nezávisle na Heinrichu Hertzovi (lit. 3, 6), ale celosvětově byl odsunut do pozadí a za prvého objevitele byl uznáván Hertz.

Elektromagnetické vlny které generoval Hertz byly vyzařovány do prostoru, kdežto ty vygenerované Lodgem se šířily po vedení. Lodge a Hertz o těchto jevech spolu debatovali a navzájem si vyměňovali své poznatky. Přitom ale Lodge stále odmítal uznat, že Hertzovy práce měly větší význam (lit. 6), až teprve po jeho smrti v roce 1894 vzdal tomuto velikánu svůj hold (lit. 13).

Obrázek 3 – Lodgeův detektor

V roce 1894 Lodge zjistil, že nevodivá trubka naplněná kovovými pilinami může být použita pro zjišťování přítomnosti elektromagnetických vln. Jeho pokusy byly v roce 1890 odvozeny od výzkumů Edouarda Branlyho (1846 – 1940), který objevil, že odpor změřený na koncích této trubky je za normálních okolností velmi vysoký. Ale pokud se v její bezprostřední blízkosti vyskytovaly elektromagnetické vlny, kovové částečky jakoby "splynuly" a odpor klesl až k vemi malé hodnotě. Tento nízký odpor trval i po vypnutí elektromagnetických vln tak dlouho, dokud se s trubkou nezatřáslo ("před použitím zatřepat"), čímž se kovové piliny vrátily do původního stavu a odpor opět vzrostl na původní hodnotu (lit. 14)

Lodge pak použil vylepšený koherer s pilinami v trubce pro demonstraci Hertzových vln v přednášce v Londýně na setkání Královské přírodopisné instituce v roce 1894. Ke kohereru připojil citlivý zrcátkový galvanoměr tak, aby detekce elektromagnetických vln byla viditelná v publiku ve formě pohybujícího se světelného paprsku (lit. 6, 16).

Stejný přístroj použil k demonstraci při příležitosti setkání Britské asociace v srpnu 1894 v Oxfordu, jen zrcátkový galvanometr nahradil citlivějším námořním galvanometrem používaným pro sledování podmořské kabelové telegrafie. Zdroj elektromagnetických vln se skládal z Hertzova generátoru doplněného indukční cívkou, vzdálený od přijímače asi 55 metrů. Lodgeův asistent jej ovládal pomocí telegrafního klíče v primárním obvodu, kterým vysílal dlouhé a krátké signály, odpovídající tečkám a čárkám morseovy abecedy (lit. 6). Lodge obsluhoval přijímač, který v uvedené vzdálenosti přijímal elektromagnetické vlny a signalizoval je pomocí záblesků galvanometru. Tyto dvě prvé demonstrace jednoduše ukázaly, že elektromagnetické vlny skutečně existují, a že mohou být použity.

Lodge, stejně jako všichni jeho současníci, věřil tomu, že elektromagnetické vlny se šíří jen přímočaře, stejně jako světlo. (Maxwell ale pak dokázal, že světlo je totéž co elektromagnetické vlny, ovšem s malou vlnovou délkou). Proto Lodge tvrdil, že maximálně použitelný dosah bezdrátové signalizace by byl velmi omezený (lit 19). Následkem toho byl jedním z několika experimentátorů, kteří nepoznali, co vlastně mají v rukou, ač by si jinak mohli získat veliké zásluhy pro rozvoj radiotelegrafie. Dnes je možno spekulovat, zda Lodge neměl více experimentovat, ale byl to především vědec a učitel, zabývající se více teorií, než komerčními aplikacemi (lit. 6). Je také možné, že pokud by si více uvědomoval potřebu rádiové komunikace, mohl dnes sdílet neoficiální, ale běžně užívaný titul "otec rádia" spolu s Marconim.

Zájemcům o další podrobnosti z jeho života bych doporučil specializovaný článek (lit. 20).

Literatura:

[1] Jolly, W.P.; Sir Oliver Lodge, Fairleigh Dickinson University Press, Rutherford, NJ, 1974.
[2] Lodge, Oliver; Advancing Science, Harcourt Brace, New York, 1932.
[3] Lodge, Oliver; Past Years, Hodder and Stoughton Ltd., London, 1931.
[4] Lodge, Oliver; Lightning Conductors and Lightning Guards, Whittaker Ltd., London, 1892.
[5] Rowlands, Peter; Oliver Lodge and the Liverpool Physical Society, Liverpool University Press, Liverpool, 1990.
[6] Aitken, Hugh G.J.; Syntony and Spark, Princeton University Press, Princeton, NJ, 1985.
[7] Lodge, Oliver; "The History of the Coherer Principle," The Electrician, vol. 40, November12, 1897, pp. 86-91.
[8] Lodge, Oliver; "On the Theory of Lightning Conductors" The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine, Series 5, vol. 26, August, 1888, pp.217-230.
[9] Thomson, William; "On Transient Electric Currents," The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine, Series 4, vol. 5, June, 1853, pp. 393-405.
[10] Hertz, Heinrich; "On Electromagnetic Waves in Air and their Reflection," Wiedemann's Annalen, vol. 34, July 1888, p. 610.
[11] Lodge, Oliver; "Experiments on the Discharge of Leyden Jars," Proceedings of the Royal Society, vol. 50, January, 1892, pp. 2-39.
[12] Lodge, Oliver; Talks About Radio, Doran Inc., New York, 1925.
[13] Lodge, Oliver; "The Work of Hertz," The Electrician, vol. 33, June 8, 15, 22, and July 6, 27, 1894, pp. 153-155, 186-190, 204-205, 271-272, 362.
[14] Branly, Edouard; "Variations of Conductivity under Electrical Influence", The Electrician, vol. XXVII, June 26 and August 21, 1891, pp. 221-2 and 448-9.
[15] Lodge, Oliver; "The History of the Coherer Principle", The Electrician, vol. XL, November 12, 1897, pp. 86-91.
[16] Lodge, Oliver; The Work of Hertz and Some of His Successors, London, 1894, p. 24.
[17] Unsigned and untitled article, Nature, vol. L, June 21, 1894, pp. 182-183.
[18] Crookes, William; "Some Possibilities of Electricity," The Fortnightly Review, February 1,1892, pp. 173-181.
[19] Lodge, Oliver; Signalling through Space Without Wires, (3rd edition), London, 1908, pg. 84.
[20] Rybak, James; "Radio's Forgotten Pioneer," Popular Electronics, July 1990, pp. 62-66 and 95.