Historia nie jest nudna. Warto zaznaczyć to na wstępie, gdyż wielu ludzi kojarzy historię przez pryzmat szkoły. Niestety, często pierwsza myśl związana z tym hasłem to liczne daty i suche fakty, które należy zapamiętać, aby dobrze wypaść na klasówce. Cóż, nie każdy nauczyciel potrafi rozpalić w młodzieży chęć wiedzy i zainteresować danym przedmiotem.
Jeśli jednak uważnie przyjrzymy się zwierciadłu historii to przekonamy się, że można w nim dostrzec wiele interesujących rzeczy. Przede wszystkim, zobaczymy jak wyglądała Ziemia oraz życie ludzi w czasach, które nas ominęły. Możemy także przekonać się skąd wzięło się to, co otacza nas współcześnie oraz jak nasi przodkowie odkrywali świat i mechanizmy, które nim rządzą. Często w przypadku różnych zjawisk bywa tak, że historia ich odkrywania i badania jest równie fascynująca, jak samo ich funkcjonowanie. Tak jest m.in. w przypadku pola elektromagnetycznego.
W skrócie, pole elektromagnetyczne to zjawisko fizyczne, składające się z pola elektrycznego i pola magnetycznego, które wzajemnie na siebie oddziałują. Podobnie więc, jak elektryczność i magnetyzm, pole to jest zjawiskiem całkowicie naturalnym oraz występującym na świecie od zawsze[1]. Należy zaznaczyć, że nie tylko natura jest jego źródłem, mogą nim być także stworzone przez ludzi technologie, jak np. kuchenki mikrofalowe czy urządzenia do bezprzewodowej łączności.
Zresztą, nie byłoby ich, gdyby naukowcy nie odkryli możliwości wykorzystania pola elektromagnetycznego. Tak, dokładnie, to dzięki istnieniu oraz umiejętnemu wykorzystaniu pola elektromagnetycznego mamy telewizję, radio i możliwość kontaktu na odległość bez potrzeby kabla. Zanim jednak technologia podarowała nam smartfony i bezprzewodowy internet, nauka, przy asyście najwybitniejszych umysłów swoich czasów, musiała przejść długą drogę badań nad polem elektromagnetycznym.
Starożytne pole elektromagnetyczne
Pioruny, ognie Św. Elma (niewielkie wyładowania elektryczne na różnych powierzchniach, pojawiające się przed burzami[2]) i inne oddziaływania pola elektromagnetycznego fascynowały ludzi od zarania dziejów. Stopniowo, w różnych zakątkach świata, odkrywano kolejne jego przejawy i podejmowano próby wyjaśnienia tych zjawisk. Starożytni Egipcjanie już w tekstach z 2750 roku p.n.e. opisywali rybę, znaną dziś jako sum elektryczny, która wytwarza wyładowania elektryczne.
W tych starych tekstach jest ona określana jako „Gromowładca z Nilu”, co pokazuje, że Egipcjanie zauważyli podobieństwo pomiędzy zjawiskami atmosferycznymi, a zdolnościami tej ryby.
Starożytni Grecy z kolei, opisywali specyficzne właściwości magnetytu (jeden z minerałów o właściwościach magnetycznych) oraz bursztynu, który po potarciu przyciąga lekkie przedmioty, np. pióra czy kurz. Zaobserwowali oni również, że na powierzchni długo pocieranego bursztynu mogą pojawić się iskry.
Nad tymi zjawiskami pochylili głowy m.in. Arystoteles oraz Tales z Miletu, czyli jedni z największych myślicieli tamtych czasów. Rzymscy oraz arabscy uczeni również interesowali się zjawiskami elektromagnetycznymi, a w niektórych ich tekstach można znaleźć wzmianki o paraliżujących właściwościach wyładowań emitowanych przez sumy i płaszczki elektryczne. Próbowano nawet za ich pomocą leczyć osoby cierpiące na dmę moczanową i migreny[3].
Nawigacja to podstawa
Jak wiadomo, pod względem nauki Chiny często znacząco wyprzedzały pozostałe nacje świata i podobnie było w przypadku praktycznego zastosowania pola elektromagnetycznego. Już w tekstach z 83 roku p.n.e., napisanych przez kronikarza chińskiej dynastii Han, znajdziemy wzmianki o „magicznych łyżeczkach wskazujących północ”.
Niestety, od tego momentu do praktycznego wykorzystania pozyskanej wiedzy, musiało minąć jeszcze sporo czasu. Jednak to właśnie w Chinach, około VIII wieku, zbudowano pierwszy kompas. Biorąc pod uwagę, że opiera się on na reakcji niewielkiej igły na naturalne pole magnetyczne ziemi, jest to oficjalnie pierwsze stworzone przez człowieka urządzenie, wykorzystujące działanie pola elektromagnetycznego.
Należy jednak pamiętać, że pomimo popularyzacji tego wynalazku również na innych kontynentach, przez lata korzystano z niego nie rozumiejąc na jakich zasadach on właściwie działa. Dopiero w XIII wieku, francuski uczony – Petrus Peregrinus, zbadał wynalazek i napisał pierwszy traktat na temat magnetycznych właściwości magnesu, oddziałujących na igłę kompasu[4].
„O magnesach, ciałach magnetycznych i wielkim magnesie Ziemi”
Choć od wieków obserwowano i starano się zrozumieć zjawiska związane z polem elektromagnetycznym, to rewolucja nastąpiła dopiero na przełomie XVI i XVII wieku. Potencjalny związek pomiędzy elektrycznością a magnetyzmem zauważył jako pierwszy włoski fizyk Gerolamo Cardano, który opisał swoje przypuszczenia w 1550 roku.
Jednak prawdziwym pionierem w tej dziedzinie okazał się nadworny lekarz Królowej Elżbiety I – Dr. William Gilbert, który w 1600 roku wydał książkę „O magnesach, ciałach magnetycznych i wielkim magnesie Ziemi”. Zawarł w niej wnioski z siedemnastu lat swoich badań nad magnetyzmem i elektrycznością, podczas których m.in. dokonał jednego z głównych rozróżnień pomiędzy tymi zjawiskami („siła między obiektami magnetycznymi dąży do wyrównania obiektów względem siebie (…), podczas gdy siła między zelektryfikowanymi obiektami jest przede wszystkim siłą przyciągania lub odpychania między przedmiotami”)[5].
Odkrył on również, że Ziemia, jako planeta, posiada własny magnetyzm oraz jako pierwszy wprowadził pojęcie pola. Do tamtej pory uważano, że aby zaszło oddziaływanie elektryczne, bądź magnetyczne, niezbędny jest fizyczny kontakt pomiędzy obiektami. Gilbert natomiast udowodnił, że bezpośredni kontakt nie jest konieczny, a reakcja może zajść na odległość, poprzez oddziaływanie w obrębie pola.
Ponad pół wieku późnej, miało miejsce kolejne istotne wydarzenie w historii badań nad polem elektromagnetycznym i niewątpliwie jedno z najważniejszych, jeśli chodzi o samą elektryczność. W 1663 roku niemiecki uczony Otto von Guericke skonstruował generator elektrostatyczny, który na zasadzie tarcia wytwarzał iskry i jest uznawany za pierwszy wynalazek wytwarzający prąd.
W kolejnych latach, wielu znamienitych naukowców z różnych krajów (m.in. Pieter van Musschenbroek, Benjamin Franklin czy Alessandro Volta) udoskonalało to urządzenie, konstruowało własne i prowadziło liczne badania związane z elektrycznością. Dotyczyły one m.in. różnych poziomów natężenia prądu, przekaźników, materiałów przewodzących oraz potencjału praktycznego zastosowania[6]. Niestety, w obliczu tak intrygującego obiektu badań, temat samej relacji magnetyzm – elektryczność w większości przypadków zszedł nieco na drugi plan.
Rok 1820 i jego następstwa
Prawdziwie przełomowy dla elektromagnetyzmu był dopiero rok 1820. Duński uczony Hans Christian Ørsted, przygotowując się do poprowadzenia wykładu, zaobserwował niezwykłą rzecz, a mianowicie, reakcje igły kompasu na pobliskie urządzenie wytwarzające ładunek elektryczny. Po bliższych oględzinach tej zależności doszedł on do wniosku, że elektryczność może wpływać na magnetyzm. Tym samym, jako pierwszy odkrył zjawisko leżące u podstaw elektromagnetyzmu[7].
Dowiedziawszy się o niezwykłym odkryciu Ørsteda, własne badania w tym zakresie podjął również francuski fizyk i matematyk – André Ampère. W ich konsekwencji, zaproponował on m.in. obowiązujący do dziś podział nauki o elektryczności na dwa działy: elektrostatykę i elektrodynamikę. Opisał on także matematycznie ilościowe zależności pomiędzy zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi oraz stworzył tzw. prawo Ampère’a[8] (prawo wiążące indukcję magnetyczną wokół przewodnika z prądem z natężeniem prądu elektrycznego przepływającego w tym przewodniku[9]).
Również w latach 20. XIX wieku, na podstawie odkryć von Guericke’a i Ørsteda, niemiecki uczony Johann Schweigger stworzył pierwszy galwanometr czyli urządzenie służące do mierzenia natężenia prądu elektrycznego[10]. Choć maszyna Schweiggera była skuteczna, wtedy nie wiadomo było jeszcze na jakich zasadach ona działa (podobnie jak było wcześniej w przypadku kompasu).
Zmieniły to badania wybitnego naukowca – Michaela Faraday’a, któremu udało się rozszyfrować zasady działania generatorów magnetycznych i samego elektromagnetyzmu. W wyniku jego prac badawczych – w 1831 roku okazało się, że zarówno prąd może powodować powstanie pola magnetycznego, jak i magnetyzm może spowodować wytworzenie elektryczności (prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya). Dzięki swojej pracy naukowej, Ørsted i Faraday dokonali czegoś niezwykle istotnego: jako pierwsi odkryli wzajemny wpływ elektryczności oraz magnetyzmu[11], a także zainspirowali wielu innych badaczy (m.in. Franza Ernsta Newmanna, Wilhelma Eduadra Webera, Williama Thomsona i Jamesa Prescotta Joule’a[12]) do zgłębienia tego tematu.
Na fali… elektromagnetyzmu
Można powiedzieć, że właśnie nadszedł czas na jedną z największych gwiazd tej historii. James Clerk Maxwell, ponieważ o niego chodzi, pojawia się niemal zawsze, gdy omawiane jest pole elektromagnetyczne. W latach 60. XIX wieku wykazał on, że nie tylko elektryczność i magnetyzm wpływają na siebie nawzajem, ale są właściwie „dwoma rodzajami tego samego zjawiska – elektromagnetyzmu” oraz, za pomocą tzw. równania Maxwella, udowodnił teoretycznie istnienie tego zjawiska. Co więcej, wykazał, że elektryczność i magnetyzm rozchodzą się w próżni w postaci fali, a tym samym odkrył istnienie fal elektromagnetycznych. To właśnie dzięki tym równaniom i teoriom Maxwella, możliwe było m.in. obliczenie prędkości światła[13]. Niestety, badacz nie był w stanie empirycznie udowodnić trafności swoich spostrzeżeń, przez co nie zostały one dostatecznie docenione w trakcie jego życia.
Na szczęście, w 1886 roku inny wybitny uczony – Heinrich Hertz, podjął się sprawdzenia teorii Maxwella w praktyce. Za pomocą skonstruowanego przez siebie urządzenia – oscylatora Hertza, wytworzył on po raz pierwszy fale elektromagnetyczne, a tym samym potwierdził w praktyce trafność założeń Maxwella[14]. Pomimo sukcesu, Hertz nie dostrzegał zbytniego potencjału swojego odkrycia. Spostrzegli go jednak inni badacze, m.in. Oliver Lodge, którego prace naukowe i wynalazek (koherer) stały się podwalinami pod dzisiejszą łączność bezprzewodową.
Atomy a elektromagnetyzm
Wartym odnotowania wydarzeniem było również odkrycie elektronów. Był to proces złożony, w którym wzięło udział kilku naukowców kierujących się zasadami teorii elektromagnetyzmu. W 1858 roku niemiecki fizyk Julius Plücker umieścił w tubie próżniowej (pozbawionej powietrza) dwie elektrody i wymusił pomiędzy nimi połączenie elektryczne. W efekcie, na ściankach tuby pojawił się dziwny, zielony blask.
Choć później badano to zjawisko wielokrotnie, to dopiero w 1879 roku Sir William Crookes wywnioskował, że promienie wywołujące tę poświatę składają się z naelektryzowanych naładowanych cząstek. Następnie, w 1898 roku, Sir J.J. Thomson „zidentyfikował promień (…) jako strumień ujemnie naładowanych cząsteczek, z których każda ma masę mniejszą niż masa jonu wodoru”. Właśnie te cząsteczki zostały później nazwane elektronami. W efekcie tego odkrycia, teoria elektromagnetyczna stała się integralną częścią teorii atomowej i struktury materii.[15] Biorąc pod uwagę, że wszystko co istnieje składa się z atomów, a one z kolei są związane z działaniem elektromagnetycznym, można śmiało stwierdzić, że zjawisko to jest wszechobecne.
Oczywiście, zarówno w czasie opisanych wydarzeń, jak i po nich, przeprowadzono wiele innych istotnych badań, związanych na różne sposoby z polem elektromagnetycznym. Obecnie także prowadzone są prace naukowe w tym zakresie, np. przez amerykańską agencję DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency czyli Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności), która w ramach projektu RadioBio bada „czy istnieją celowe sygnały elektromagnetyczne emitowane pomiędzy komórkami biologicznymi, a jeśli istnieją, to jakie informacje są przez te sygnały przesyłane”[16].
Podsumowanie
W ostatnim czasie pojawiło się wiele wątpliwości związanych ze szkodliwością oddziaływania pola i promieniowania elektromagnetycznego. Spora część obecnie prowadzonych badań ma więc na celu weryfikację potencjalnych efektów ich oddziaływania na ludzki organizm. Jednak jak dotąd nie znaleziono jednoznacznych dowodów potwierdzających ich negatywny wpływ.
Nie możemy się więc obawiać wykorzystywać i badać pole elektromagnetyczne, ponieważ w ten sposób zatrzymamy postęp. Gdyby nie odkrycie tego zjawiska, nie rozwinęłaby się elektryczność, nie byłoby silników, łączności, itd. Nie odkryto by również m.in. atomów, termodynamiki, grawitacji czy teorii względności. Oddziaływanie pola i fal elektromagnetycznych wykorzystywane jest nawet w medycynie oraz fizjoterapii (tzw. magnetoterapia)[17].
Przy tym wszystkim należy pamiętać, że elektromagnetyzm to zjawisko odwieczne oraz wszechobecne i to, że dzięki grawitacji mamy kontrolę nad naszym ruchem czy to, że czujemy na skórze ciepło promieni słońca, to także są jego przejawy. Istniało ono jeszcze przed pojawieniem się ludzi na świecie i będzie istnieć na długo po tym, jak przeminiemy. Więc nawet gdybyśmy chcieli, nie unikniemy z nim kontaktu, ponieważ jest ono wszędzie, zarówno w całym wszechświecie, jak i w nas samych.
Źródła:
[1]http://elektrofakty.pl/2017/06/11/czym-jest-pole-elektromagnetyczne/
[2]https://pl.wikipedia.org/wiki/Ognie_%C5%9Bwi%C4%99tego_Elma
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_electromagnetic_theory
[4]http://www.foton.if.uj.edu.pl/documents/12579485/90f0e639-e361-4197-bca7-eb1f4c49d1bb
[5]https://www.britannica.com/science/electromagnetism/Historical-survey
[6]https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_electromagnetic_theory
[7]https://pl.wikipedia.org/wiki/Maszyna_elektrostatyczna
[8]https://pl.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9_Amp%C3%A8re
[9]https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Amp%C3%A8re%E2%80%99a
[10]https://pl.wikipedia.org/wiki/Galwanometr
[11]http://www.foton.if.uj.edu.pl/documents/12579485/90f0e639-e361-4197-bca7-eb1f4c49d1bb
[12]https://www.britannica.com/science/electromagnetism/Faradays-discovery-of-electric-induction
[13]https://www.britannica.com/biography/James-Clerk-Maxwell
[14]https://pl.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Hertz
[15]https://www.britannica.com/science/electromagnetism/Invention-of-the-Leyden-jar
[16]https://www.darpa.mil/program/radiobio
[17]https://www.britannica.com/science/electromagnetism/Invention-of-the-Leyden-jar