Od „osobnika α” do Heinricha Hertza

Fortepianem wspomagane refleksje z dziejów elektryczności

O historii techniki i elektryki napisano wiele wspaniałych i wartościowych książek, które w sposób szczegółowy opisują kolejne odkrycia, nowe urządzenia i rozwiązania techniczne oraz przybliżają czytelnikom sylwetki ich twórców. Poniższy szkic z dziejów elektryczności ma odmienny charakter i inny też cel przyświeca jego powstaniu. Napisany jest z perspektywy szczęśliwca, który dzięki temu, że odebrał wielokierunkowe wykształcenie i na swej drodze spotkał wybitne osobowości świata nauki, techniki, kultury i sztuki, hojnie obdarowujące go swą wiedzą i mądrością — może dziś spojrzeć na przeszłe dzieje zarówno okiem naukowca — elektryka inżyniera, jak też muzyka i miłośnika sztuki. Przedstawione refleksje zawierają odmienną, nieco bajkową i poetycką periodyzację historii elektryki, w której — jednakowoż z całą mocą i pełnią — odzwierciedla się głęboka, nieprzemijająca i niesłabnąca, wielka tajemnica elektryczności i magia „płynącego i falującego prądu”.

Elektryczność jest wpisana w same początki rodzaju ludzkiego, albowiem to naturalne wyładowania atmosferyczne przyniosły człowiekowi skarb największy — ogień, przy którym mógł się ogrzać, przygotować gorącą strawę i poczuć bezpieczniej. Wykorzystanie ognia w sposób intencjonalny, związany ściśle z umiejętnością budowy paleniska (zazwyczaj kamiennego cokołu, okalającego zagłębienie w ziemi) i podtrzymywanie go przez dłuższy czas poprzez systematyczne dodawanie materiału palnego, jest datowane na czasy człowieka wyprostowanego — Homo erectus, a więc na okres około 1–2 milionów lat p.n.e. To zadziwiające, ale w wyładowaniach atmosferycznych przyroda objawiła człowiekowi pierwotnemu wszystko to, co w elektryczności jest najważniejsze, a więc zdolność do przekształcania się w energię cieplną i w energię świetlną, wywoływania efektów akustycznych, a przede wszystkim — przesyłania ładunku elektrycznego na znaczne odległości. Można powiedzieć, że w wyładowaniach atmosferycznych zawarta została przez naturę zapowiedź przyszłych kierunków badań naukowych i specjalności elektrotechniki: techniki wysokich napięć, elektroenergetyki, elektrotermii, techniki świetlnej czy też elektroakustyki. Wszystko, co towarzyszy wyładowaniom elektrycznym, a więc błyskawice, pioruny, ogień, deszcze, zniszczenia, a czasem nawet śmierć, spowodowały ambiwalentny stosunek człowieka pierwotnego do burzy. Z jednej strony pożądał on i dążył do zdobycia „ognia z nieba”, z drugiej zaś strony bał się piorunów i nie umiał przełamać lęku przed burzą.

Tak było do czasu przyjścia na świat nieznanego nam bliżej osobnika z gatunku Homo erectus, któremu dziś chcę w szczególny sposób oddać hołd jako temu, który pierwszy przełamał strach, postanawiając dostać się w sam środek burzy, aby z bliska zaobserwować uderzenie pioruna i posiąść żywy „ogień z nieba”, zanim ulewa zdoła go ugasić. Wymagało to niebywałej odwagi, zapewne silnego, wytrzy­małego i zwinnego młodego człowieka, któremu dziś nadaję imię „osobnika α”.

Homo neanderthalensis (człowiek neandertalski), stanowiący kolejne ogniwo w rozwoju ludzkiego rodzaju, ob­myślił i opanował technikę samodzielnego rozpalania ognia: jego rozniecania poprzez cierpliwe tarcie o siebie dwóch kawałków drewna lub też krzesania poprzez gwałtowne uderzanie kamieniem o kamień (najlepiej kawałkami krzemienia lub pirytu). Zarówno w pierwszym, jak i w drugim przypadku jest to przemiana energii mechanicznej (energii tarcia, ruchu, zderzenia niesprężystego) w energię cieplną. Wraz z pojawieniem się człowieka ro­zumnego — Homo sapiens — proces ewolucji ludzkiego gatunku znacznie przyspieszył, a kolejne ważne etapy tej transformacji to: osiadły tryb życia, rozwój rolnictwa, budowa pierwszych (wpierw glinianych, a następnie kamiennych) domów, powstanie miast, rozwój rzemiosła, wykształcenie się struktur społecznych i wreszcie — powstanie pierwszych organizmów państwowych w Mezopotamii, Sumerze, Syrii, w Chinach i Indiach, i dalej — w Egipcie, Grecji i Rzymie. To również czas pierwszych uczonych i myślicieli, których imiona oraz dzieła są nam znane dzięki wynalazkowi pisma.

W VI wieku p.n.e. grecki filozof i badacz natury Tales z Miletu zachwycił się niezwykłymi właściwościami bursztynu. Bursztyn jako ozdoba (również lekarstwo) był znany i ceniony w krainach Morza Śródziemnego i na Bliskim Wschodzie od ponad 2000 lat p.n.e. Sprowadzany był przez kupców fenickich szlakiem lądowym (w czasach rzymskich nazwanym szlakiem bursztynowym), z dalekiej Północy, znad Morza Bałtyckiego, w którego odmętach, według wierzeń i opowieści wędrowców, rodził się jako „kamień z wody”.

O fascynacji jego tajemniczą naturą świadczy wielka różnorodność będących w użyciu nazw. Prócz starogermańskiej nazwy bursztyn (‘kamień, który się pali’) i litewskiej — jantar, funkcjonowała rzymska nazwa lyncurium, czyli ’mocz rysia’, również sukcynit (żywica drzewa, czyli nazwa najbliższa rzeczywistości) oraz nazwa arabska — anbar (albowiem potarty, roztaczał woń podobną do zapachu ambry). Prorocza okaza­ła się nazwa nadana bursztynowi przez Greków — elektron (czyli świecący, błyszczący). To od tego słowa wywodzą się terminy: „elektryczność”, „elektrotechnika” i „elektronika”, jak też „elektron” — nazwa cząstki elementarnej, niosącej najmniejszy możliwy ładunek elektryczny.

Aby uzyskać pożądany kształt, uwypuklić urodę i nadać po­wierzchni blasku, bursztyn szlifowano i polerowano, co doprowadziło do ujawnienia jego intrygujących właściwości przyciągania, wzmiankowanych już w VIII w. p.n.e. przez legendarnego greckiego poetę Homera w słynnym eposie „Odyseja”.

Swoje eksperymenty z bursztynem Tales z Miletu prowadził w obecności licznie zgromadzonych uczniów i grona przyjaciół. Gdy pocierał złocistą bryłę kawałkiem wełny, w głębokiej ciszy rozlegały się ciche trzaski, jakby mikrogrzmoty, a po powierzchni bursztynu przeskakiwały maleńkie iskry, przypominające mikrobłyskawice. Gdy potarty bursztyn zbliżał do niewielkich skrawków tkaniny, lnianych nitek czy też kłębków puchu, te podskakiwały i gwałtownie prze­mieszczały się w kierunku bursztynu. Były to skutki działania sztucznie wygenerowanej elektryczności statycznej.

Tales z Miletu był pierwszym uczonym, który ekspery­menty te wielokrotnie powtarzał, ich rezultaty opisał i udokumentował, tworząc ponad 2,5 tysiąca lat wcześniej empiryczne prepodwaliny pod powstanie silników elektrostatycznych i systemów MEMS.

Wracając myślami do tych odległych czasów, pamiętajmy, że elektryczność statyczna zrodziła się jako efekt uboczny poszukiwania piękna: była bezpośrednim skutkiem działań mechanicznych, mających na celu wyeksponowanie znie­walającej urody bursztynu. W latach 50. i 60. XX w. przypominał o tym często wybitny polski uczony, profesor Stanisław Fryze (autor pierwszej w Polsce pracy doktorskiej z dziedziny elektrotechniki, zatytułowanej „Nowa teoria ogólnego obwodu elektrycznego”, obronionej z wyróżnie­niem na Politechnice Lwowskiej w maju 1922 r.), który powtarzał studentom, że wyraz „elektrotechnika” jako rzeczownik jest nieprzypadkowo rodzaju żeńskiego, albowiem tych, którzy oddają się jej studiowaniu, uwodzi — jak piękna kobieta.

Przez długi czas po greckim uczonym Talesie z Miletu nikt — z tak wielką pasją i znawstwem — nie wracał do intrygujących eksperymentów z bursztynem. Uczynił to dopiero po upływie niemal dwudziestu wieków William Gilbert (1544– 1603), nadworny lekarz królowej angielskiej Elżbiety. W fundamentalnym dziele zatytułowanym „O magnesie, ciałach magnetycznych, wielkim magnesie — Ziemi; nowa filozofia [w oryginale: fizjologia — przyp. aut.] wyjaśniona wieloma dowodami i eksperymentami” rozdział 2. księgi II w całości poświęcił bursztynowi i jego niezwykłym właściwościom przyciągania szerokiej klasy różnych lekkich materiałów.

Wprowadził do nauki nowe terminy: „elektryczność”, „elektryk”, „elektryzowanie” i wykazał, że do „elektryków”, prócz bursztynu, należy też diament, szafir, kryształ górski, rubin, granat, a również szkło oraz siarka. Ta na końcu wymienio­na substancja natchnęła burmistrza miasta Magdeburga Ottona von Guerickego, szeroko znanego z eksperymentów związanych z próżnią (kule magdeburskie), do budowy maszyny elektrostatycznej; maszyny, której zasadniczą częścią była wirująca na wale kula siarki, elektryzowana przyłożoną ręką (1660 r.). Kolejnymi udoskonaleniami tejże konstrukcji były maszyny elektrostatyczne, zawierające szklaną kulę (Francis Hauksbee, 1705 r.), szklany cylinder (Stephen Gray, 1729 r.), wreszcie kolistą taflę szkła (Jesse Ramsden, 1766 r.), która była już elektryzowana nie ręką, ale poduszkami ze skóry bądź jedwabiu.

Doświadczenia z zastosowaniem tych maszyn doprowadziły do wyróżnienia elektryczności szklanej oraz żywicznej. Wkrótce utalentowany amerykański eksperymentator Benjamin Franklin (1706–1790), obdarzony przydomkiem Łowcy Piorunów, oba te pojęcia zastąpił terminami „elektryczności dodatniej” (oznaczanej przez plus) oraz „elektryczności ujemnej” (oznaczanej przez minus). Uczony, słynący z wielu genialnych pomysłów, zawinił jednakże, popełniając „grzech pierworodny”, dziedziczony po dziś dzień przez kolejne pokolenia elektryków, że prąd (naówczas utożsamiany z fluidem elektrycznym) „płynie od plusa do minusa”. Zwielokrotnienie efektu działania maszyn elektrostatycznych stało się możliwe dzięki wynalezieniu pierwszego kondensatora — butelki lejdejskiej. Dokonał tego w 1745 r. Ewald von Kleist, prałat ka­pituły w Kamieniu Pomorskim. Niestety, nazwa butelki została związana z holenderskimi fizykami z Lejdy, którzy jego eksperyment szybko powtórzyli, a o wynikach zawiadomili paryską Akademię Nauk, stanowiącą w ówczesnych czasach światowe centrum nauki.

Opanowanie sztuki gwałtownych i efektownych sposobów rozładowywania naelektryzowanych maszyn elektrostatycznych i potężnych butelek lejdejskich sprzyjało spektakularnym widowiskom, gromadzącym setki, a nawet tysiące widzów żądnych silnych wrażeń. W działaniach tych przodował francuski badacz elektryczności Jean-Antoine Nollet (1700–1770), który w 1746 r. w Galerii Zwierciadlanej pałacu w Wersalu, w obecności króla Ludwika XIV, dam dworu i szerokiego grona arystokratów, podłączył długi rząd trzymających się mocno za ręce królewskich gwardzistów do olbrzymiej butelki lejdejskiej, wywołując na ich twarzach grymas przerażenia i zmuszając ich do gwałtownego podskoku. Eksperyment ten powtórzył niebawem w Klasztorze Kartuzów, gdzie siedmiuset mnichów uformowało ludzki łańcuch, o długości aż 1800 metrów. Efekt był, oczywiście, jeszcze bardziej spektakularny.

Ten okres w badaniach elektryczności, zdający się być na pierwszy rzut oka li tylko formą dobrej zabawy, pozwolił na sporządzenie słownych opisów wielu nowych faktów doświadczalnych, nieznanych wcześniej zjawisk oraz wzbogacił język elektryki o szereg ważnych terminów, takich jak: „przewodnik”, „izolator”, „bieguny”, „ładunek”, „bateria”, „piorunochron” itp.

Marzenie o samoodtwarzającym się źródle energii, zdol­nym do wytworzenia ciągłego i stałego przepływu prą­du, urzeczywistniło się w wynalazku baterii elektrycznej (ogniwa galwanicznego), nazwanego od nazwiska włoskiego uczonego Alessandro Volty — stosem Volty. U podstaw tego wynalazku legło odkrycie napięcia kontaktowego na styku dwóch metali, a ciągły przepływ prądu stał się możliwy dzięki — zachodzącej w sposób ciągły — przemianie energii chemicznej w energię elektryczną. Ten przełomowy w rozwoju elektrotechniki wynalazek, zwiastujący nadejście zupełnie nowej ery w badaniach elektryczności, przypadł w symboliczny sposób na przełom wieków, dokładnie na 1800 r.!

Możliwość wygenerowania w zamkniętym obwodzie elektrycznym prądu o stałym natężeniu i łatwość zmiany wartości tego prądu pozwoliły na nowe eksperymenty. Badania z zastosowaniem ogniw, wraz z pogłębioną analizą teoretyczną, doprowadziły wkrótce do zbudowania mate­matycznie sformalizowanej teorii obwodów elektrycznych, na której podwaliny złożyły się: prawo Ohma (1827 r.), I i II prawo Kirchhoffa (1845–1847) oraz wzór na ciepło Joule’a (1840 r.). W kolejnych dekadach rozwinięciem tych praw stały się zalgorytmizowane metody analizy obwo­dów: metoda prądów oczkowych, metoda potencjałów wę­złowych oraz zasady Thevenina i Nortona.

Metafora „prądu, który płynie”, zrodziła się na wczesnym etapie badań zjawisk elektrycznych, w pierwszych deka­dach XVIII w., wraz z koncepcją fluidu elektrycznego. Mógł on być „wyciskany” z ciała pocieranego, mógł z ciała — wcześniej poprzez tarcie naelektryzowanego — wypłynąć, a nawet mógł popłynąć wzdłuż drutu, co potwierdził eks­perymentem Stephen Gray (1729 r.), przesyłając elektryczność na odległość kilkuset metrów ponad rzeką Tamizą. Koncepcją „prądu, który płynie” nie zachwiały też pierwsze korpuskularne teorie prądu, przedstawione przez Gustava Theodora Fechnera (1845 r.) i Wilhelma Webera (1846 r.), albowiem przemieszczający się wzdłuż przewodu prąd był opisywany jako „strumień” ładunków elektrycznych. Ukoronowaniem badań nad mechanizmem przepływu prądu stało się odkrycie przez Thomasa Josepha Thomsona na przełomie XIX i XX w. elektronu jako cząstki elementarnej, niosącej elementarny ujemny ładunek elektryczny.

Podobieństwo „prądu, który płynie” do „melodii, która płynie” jest w kompozycjach muzycznych uderzające. Odpowiednikiem elementarnej cząstki jest nuta, a odpowiednikiem elementarnego ładunku elektrycznego — elementarny ładunek emocjonalny, zawarty w pojedynczo rozbrzmiewającym dźwięku.

Wytworzenie prądu w zupełnie odmienny sposób — z magnetyzmu, stało się możliwe dzięki badaniom, prowadzonym wpierw przez duńskiego fizyka Hansa Christiana Oersteda (1820 r.), który jako pierwszy zaobserwował oddziaływanie prądu elektrycznego na igłę magnetyczną i opisał zdolność prądu do wytwarzania pola magnetycznego, a następnie dzięki żmudnym, trwającym ponad siedem lat, pracom brytyjskiego fizyka Michaela Faradaya, który wykazał, że zjawisko odwrotne — wytworzenie prądu z pola magnetycznego jest również możliwe, o ile tylko pole magnetyczne będzie zmienne w czasie (1831 r.). To splatanie się zjawisk elektrycznych i magnetycznych, szczególnie skuteczne i efektywne w obwodach z rdzeniem ferromagnetycznym, zaowocowało narodzinami elektromagnetyzmu i doprowadziło na przestrzeni kilku dekad XIX w. do wynalezienia kolejno silnika elektrycznego (Moritz Hermann Jacobi, 1834 r.), prądnicy elektrycznej (Werner Siemens, 1867 r.), maszyny iskrowej i cewki wysokonapięciowej (Daniel Ruhmkorff, 1851 r.), transformatora (Lucien Gaulard, 1880 r.), 3-fazowego silnika indukcyjnego (Nikola Tesla, Ga­lileo Ferraris, 1887 r.) i 3-fazowej linii energetycznej (Michał Doliwo-Dobrowolski, 1891 r.).

Najbardziej zachwycającym przejawem sprzęgania się zjawisk elektrycznych i magnetycznych są powstające w powietrzu fale elektromagnetyczne, których istnienie przewidział teoretycznie James Clerk Maxwell (1864–1865), a które po raz pierwszy zarejestrował doświadczalnie Heinrich Hertz (1886–1887). Heinrich Hertz zmarł przed­wcześnie w wieku zaledwie 37 lat, nie doczekawszy najważ­niejszego i najbardziej spektakularnego rezultatu swoich badań — narodzin radia.

Wiek XX to wiek elektryczności. Elektryczność stała się na kuli ziemskiej wszechobecna i wszechogarniająca. W XXI w., pomimo upływu zaledwie pierwszego ćwierćwiecza, czujemy, że wszystko wokół nas staje się z roku na rok coraz bardziej elektryczne i elektroniczne, zautomatyzowane i zrobotyzowane, zdigitalizowane i skomputeryzowane, a widomym znakiem ekspansji elektryczności na wszystkie sfery gospodarki i przemysłu, usług i życia codziennego są dynamicznie rozwijające się nowe działy inżynierii elektrycznej: mikroelektronika i nanoelektronika, technologie MEMS, technologie szybkiego prototypowania, sztuczna inteligencja, wirtualna rzeczywistość czy też cybernetyka, robotyka humanoidalna, mechatronika i infotronika.

Artykuł stanowi skróconą wersję wykładu, wygłoszonego przez prof. Krzysztofa Kluszczyńskiego 18 marca 2026 r. na Politechnice Opolskiej, podczas uroczystości nadania mu godności Profesora Honorowego PO.

O Autorze szerzej piszemy na stronie

Wygłoszonemu przy okazji przyznania tytułu Profesora Honorowego Politechniki Opolskiej wykładowi prof. Krzysztof Kluszczyński nadał niekonwencjonalną postać. Dzieląc czas wystąpienia między mównicę a miejsce przy fortepianie, poszczególne części wykładu ilustrował utworami stylistycznie nawiązującymi do przedstawianych zagadnień. I tak kolejno zabrzmiały: „Preludium e-moll” Romana Statkow­skiego (wyprawa „osobnika α” do wnętrza burzy), „Bursztyny” Friedricha Burgmüllera (elektrostatyczne właściwości bursztynu), „Legenda” Ludomira Różyckiego (pierwsze doświadczenia z elektrycznością), „Śpiew gondoliera” i „Poranne dzwony” F. Burgmüllera (wygenerowanie ciągłego przypływu prądu oraz rozchodzenie się fal elektromagnetycznych). W finale spod palców prof. Kluszczyńskiego popłynęły dźwięki wspaniałego „Menueta” Jana Ignacego Paderewskiego. Ten ostatni utwór wykonawca zadedykował profesorom, którzy w okresie międzywojnia, II wojny światowej i w czasach socjalizmu dali świadectwo prawdzie i umiłowaniu Ojczyzny, jak również pamięci prof. Tadeusza Malarskiego jako patrona współpracy czterech uczelni: Politechniki Opolskiej, Politechniki Śląskiej w Gliwicach, Politechniki Krakowskiej oraz Akademii Górniczo-Hutniczej.