Telegraf electrostatic (studiu de caz)

În jurul anului 600 î.e.n., Thales din Milet era considerat ca fiind primul filosof grec. Acest fapt este datorat fenomenului pe care l-a observat și căruia i-a găsit o explicație concisă. Thales a observat că dacă freci anumite pietre, precum chihlimbarul, de o bucată de blană, se produce un fenomen ciudat. Chihlimbarul pare să emită o forță invizibilă care ar atrage bucăți mici de fibre. El a presupus că i s-a transmis chihlimbarului o forță magnetică observată în timpul jocului cu piatra de plumb - un magnet natural. După alte încercări, a observat că frecarea sau contactul direct cu blana ar produce un dezechilibru. Ceva era scos din blana respectivă și transferat pe alte obiecte. Nu doar că rezultă o forță mică de atracție sau de respingere, dar apare și un potențial de șoc. Odată ce se produce descărcarea, forța dispare. Deci, șocul ca un soi de descărcare a inversat acest dezechilibru creat de frecare. De-a lungul istoriei am fost de asemenea fascinați de fulgere - cele mai puternice și agresive fenomene ale naturii. În multe culturi se crede că acestea sunt datorate unei forțe divine, mai presus de percepția minții umane, fiind atribuită zeilor. Până în secolul 17, descrierile fulgerelor au variat de la invizibile, intangibile, elemente imponderabile chiar până la firișoare de sirop ce se preling printr-un portal. În 1752, Benjamin Franklin a demonstrat că există o conexiune între fulgere și aceste mici șocuri produse prin frecare. Într-un experiment extrem de faimos și periculos alături de fiul său, a lăsat un zmeu în plină furtună și chiar în partea de jos unde firul era ud a legat o cheie din fier, iar după un timp și-a apropiat încheietura observând șocuri identice cu cele provocate în timpul frecării cu blana. Acesta a arătat că fulgerele erau exact asemeni șocurilor produse acasă dar la o scară mult mai mare. Din acel moment, oamenii au început să clasifice materialele în două categorii: unele permit sau acceptă descărcarea precum aurul sau cuprul și le numim conductori electrici. Interesant este că tot acestea sunt și conductori de căldură. Celelalte obiecte nu permit această descărcare, cele precum cauciucul sau izolatoarele electrice. Aceste materiale par să oprească și transferul de căldură. Oamenii au început să măsoare forța descoperită de Thales. O modalitate de măsurare constă în suspendarea unei plante spongioase numită bilă de măduvă, de un fir, iar când freci un izolator de blană și-l aduci lângă această bilă ar atrage-o și aceasta ar devia. Dacă am avea mai multe obiecte, am putea observa o deviere mai mare datorată unei forțe de atracție mai mari. De asemenea, am observat că forma izolatorilor contează. Izolatorii mari și subțiri par să producă o forță mult mai puternică. (clopoței) Surprinzător, s-a observat că unii conductori precum firele de cupru o transmit și la o anumită distanță. S-a demonstrat prin legarea unui fir lung între bilă și izolatorul încărcat. Când obiectul este adus lângă fir, transmite forța prin fir, iar bila este deviată insantaneu. Dacă atingem firul cu mâna, se produce descărcarea și bila va fi eliberată de forță. Oamenii au început să speculeze că acesta ar putea fi viitorul telegraf optic. Primul care a pus la punct această idee, în 1774, a fost inventatorul francez George Louis Le Sage. El a trimis mesaje printr-un aranjament de 26 de fire, fiecare dintre ele asociat unei litere. Când apare descărcare la capătul unuia dintre fire, bila se mută la altul. Problema era că funcționa doar între cele două camere ale casei inventatorului. Deviația produsă era foarte mică și se lucra destul de greu. În timp, oamenii au testat noi tehnici pentru a crea diferențe mai mari de sarcină electrică pentru a putea amplifica forța. Un an mai târziu, Alessandro Volta a adus o îmbunătățire prin emiterea unei unde capabile să realizeze descărcări la comandă. Ideea de bază era că un izolator încărcat ar putea induce sau transfera sarcină către o placă de conductor din apropiere. Este suficient să aducem placa lângă izolator pentru ca sarcina să se distribuie pe placa de conductor și să rezulte un dezechilibru, adică tensiune eletrică în placă. Apoi, dacă aducem mâna lângă placă apare descărcarea și placa este respinsă cu ajutorul mânerului izolator, iar suprasarcina rămâne pe placă. Această suprasarcină va fi apoi descărcată doar prin simpla sa atingere cu un conductor precum mâna. Acest proces se poate repeta de multe ori fără să fie necesară reîncărcarea plăcii izolatoare. Astfel, putem genera mai multe descărcări mici după cum dorim. De acum încolo, Benjamin Franklin s-a concentrat pe găsirea unei metode de oprire și depozitare a descărcărilor. La acel moment, el se gândea la electricitate ca la un fluid invizibil. Deoarece este condusă de apă, putem presupune că electricitatea poate fi menținută de apa dintr-un izolator. Borcanul Leyden de azi este un borcan de sticlă umplut cu apă și cu o sondă metalică în partea de sus. Franklin a învelit și exteriorul într-un metal conductor. Când a apropiat un conductor încărcat de tija de sus, apare o descărcare ce va fi "depozitată" în borcan. Cel mai important a fost faptul că borcanul putea fi încărcat de mai multe ori. Fiecare nouă încărcare amplifică diferența de sarcină, adică va crește tensiunea electrică în interiorul borcanului. Ne putem imagina borcanul ca pe un balon care se umflă cu fiecare jet de apă suflat în interior. După sute de încărcări, se acumulează foarte multă tensiune. Pentru a o elibera, pur și simplu se atinge conductorul din exterior cu o probă. Se produce o descărcare mare. Franklin a îmbunătățit modelul în timp, descoperind că încărcătura nu era stocată în apă, ci în borcan. Apa este doar o punte de legătură între probă și borcan. În prezent, borcanul Leyden îl numim condensator sau dispozitiv de stocare. Când a înlănțuit mai multe borcane, a descoperit că se poate crește tot mai mult capacitatea, putându-se ajunge la voltaj mortal. În timp, oamenii au încercat să găsească modalități eficiente de a genera prin frecare și de a stoca electricitate în condensatori, apoi se va elibera sub formă de fulgere realizate de om. În următorii 50 de ani, oamenii au încercat să proiecteze sisteme pentru trimiterea de fulgerări pentru distanțe tot mai mari, folosind fire mai lungi și descărcări mai mari. Totuși, transformarea sarcinii electrostatice în metodă de comunicare nu a adus un instrument mai bun decât telegraful optic existent la acea vreme. Acestea au fost ignorate de către guverne și industrie. Deși făclia fusese aprinsă. O revoluție electrică era pe cale să înceapă.