Dielektrika

Fyzika normálních dielektrik

Historie výzkumu dielektrik

    První pozorování elektrických (elektrostatických) jevů pochází již z antického Řecka. U předmětů z jantaru, což je přírodní zkamenělá pryskyřice, z níž se zhotovovaly šperky a ozdobné předměty, se při tření pozorovalo přitahování drobných tělísek - vlasů, pírek či příze. Thales Milétský v 6. století před naším letopočtem popsal, že jantarový nástroj, který se používal při předení lnu, začal k sobě přitahovat různá drobná tělíska, zatímco vlákna lnu se začala vzájemně odpuzovat. Jantar se řecky nazývá elektron, což dalo později souhrnný název všem těmto jevům. Název elektricitas odvozený od jantaru použil W. Gilbert při studiu statické elektřiny, přestože při tření pozoroval přitažlivé síly i u jiných materiálů, především u skla. Po dlouhá staletí tyto jevy sloužily jen jako zajímavost pro eskamotérské demonstrace, o jejich příčině a podstatě se nic nevědělo.

    William Gilbert
   Anglický lékař a fyzik William Gilbert se narodil 24. května 1544 v Colchesteru nedaleko Londýna. Gilbert studoval od svých 14 let na univerzitě v Cambridge - titul M.D. získal v roce 1569. William Gilbert byl na konci svého života osobním lékařem královny Alžběty a jejího nástupce Jakuba I. Fyziku pěstoval jako svůj koníček. Předmětem jeho zájmu byly především elektrické jevy a magnetismus.
    V roce 1600 publikoval Gilbert své stěžejní dílo De Magnete - Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure, Physiologia Nova (O magnetu, magnetických tělesech a velkém magnetu Zemi). Gilbert zjistil, že třením lze zelektrizovat např. jantar, diamant, safír, křemen a síru. Zelektrizování lze odstranit dotekem s vlhkými předměty. Gilbert nebyl schopný změřit slabé magnetické účinky elektrického proudu a soudil, že elektřina a magnetismus spolu nesouvisí. Tento nesprávný názor byl překonán až po 200 letech. Publikování spisu De magnete vyvolalo zvýšený zájem o elektřinu a magnetismus. V roce 1600 se stal prezidentem Královského kolegia lékařů. William Gilbert zemřel 10. prosince 1603 na mor.

    Daleko nejvýznamnější objevy při studiu vlastností dielektrik jsou však dílem "Otce elektřiny" Michaela Faradaye.

    Michael Faraday
     Anglický fyzik, chemik a velký experimentátor Michael Faraday se narodil 22. září 1791 v hrabství  Surrey (v Newingtonu) v chudé rodině kováře, proto se mu dostalo jen nejzákladnějšího vzdělání. Jeho rodina patřila k malé křesťanské sektě, jenž se jmenovala Sandemians. Vzhledem ke zdravotnímu stavu otec nemohl vykonávat plně své povolání, a proto rodina Faradayových žila téměř v nouzi. Mladý Michael ukončil základní vzdělání ve třinácti letech na farní škole a ve čtrnácti letech odešel do Londýna do učení k firmě, která prodávala a opravovala knihy. Po dalších sedmi letech práce a učení se vyučil knihařem. Knihy nejen vázal, ale především četl. Do knih, které jeho zákazníci přinášeli do firmy k opravě, zvědavě nahlížel a přitom se mu jednou dostal do ruky i svazek Encyklopedie Britaniky a v něm článek o elektřině. Faradaye elektřina nadchla a začal provádět jednoduché experimenty s podomácku vyrobenými chemickými bateriemi. Na začátku devatenáctého století byla věda ještě stále především záležitostí bohatých amatérů, kteří dokázali své bádání sami financovat. Faraday prostředky pro svá studia a pokusy neměl. Snažil se tedy nějak do uzavřeného kroužku vědců proniknout. Napsal siru Josephu Banksovi, předsedovi Královské společnosti (což byla nejprestižnější vědecká společnost na světě), ale nikdy se nedočkal odpovědi.
    Jednoho jarního večera se vydal na přednášku, kterou vedl sir Humprey Davy (anglický chemik, zakladatel elektrochemie a objevitel řady chemických prvků, profesor na Royal Institution v Londýně a člen Královské společnosti). Na přednášku zašel náhodou. Jeden ze zákazníků knihkupectví mu totiž věnoval volnou vstupenku. Faradaye přednáška povzbudila v rozhodnutí opustit knihkupectví a věnovat se bádání. V Královském institutu začal přednášky navštěvovat pravidelně. Po skončení cyklu poslal Davymu komplet ručně psaných poznámek z přednášek. Zároveň se poptal po možnosti práce v Královském institutu. Krátce po obdržení dopisu přežil Davy tragédii. V jeho laboratoři vybuchla chemikálie a dočasně ho připravila o zrak. Davy tudíž potřeboval asistenta na půl úvazku a nabídl toto místo Faradayovi, a když se po čase Davyho hlavní asistent zapletl do skandální rvačky, postoupil Faraday na jeho místo. Davy se brzy přesvědčil o Faradayových kvalitách a tvrdil pak, že největším objevem v jeho životě byl právě mladík, který k němu přišel do učení.
    Pod Davyho vedením se Faraday rychle učil a také nadchl pro jeho oblíbence Boškoviče, nesmírně odvážného dalmatského vědce osmnáctého století, na něhož se už dávno zapomnělo. Podle něj jsou všechny atomy obkrouženy silovými poli, která ovlivňují své okolí a mohou si svou sílu předávat. Davymu a Faradayovi se tato teorie zalíbila a Faraday ji pak dovedl ještě dále. Aplikoval ji nejen na chemii, ale zkusil s její pomocí vysvětlit i taje elektromagnetické síly. Roku 1810 se stal členem Městské filozofické společnosti - City Philosophical Society. Tato společnost pořádala vědecké přednášky a podporovala sebevzdělávání svých členů. V letech 1813 - 1815 podnikl Davy s Faradayem cestu po Evropě. Faraday tak měl možnost seznámit se s významnými fyziky. Faraday se zdokonaloval a brzy překonal svého učitele. Mezi lety 1818 a 1822 pracoval s výrobcem chirurgických nástrojů Jakešem Stoddartem na vylepšení kvality oceli.
    V roce 1820 Hans Christian Oersted objevil elektromagnetismus. Oerstedova práce se dostala také k Faradayovi, který se roku 1821 pokusil elektromagnetismus vysvětlit a okamžitě narazil na problém. Faraday usoudil, že magnetické pole, které se okolo vodiče vytvořilo, může být jedno z Boškovičových silových polí. Provedl experiment, při němž donutil obyčejný magnet točit se kolem drátu, jímž procházel elektrický proud. Magnet roztočila odpudivá síla "umělého" magnetismu drátu. Zapojením elektrického proudu Faraday dokázal existenci silového pole - a zároveň vytvořil první elektrický motor na světě.
    Byl to skvělý objev, dokonce natolik, že mnoho Faradayových odpůrců ho nařklo z krádeže nápadu - dokonce i Davy. Faraday podezření vyvrátil, ale vztahy s Davym se definitivně zhoršily. Když se o tři roky později rozhodovalo o přijetí Faradaye do Královské společnosti, stále žárlivější Davy (nyní předseda společnosti) se postavil proti nominaci. Faraday však byl i přesto přijat a stal se členem Londýnské královské společnosti (a to bez systematického a oficiálního vzdělání).
    Příštích několik let se zaměřoval na rychle se rozvíjející chemii. Výsledky, jakých dosahoval, nás udivují dodnes. Vymyslel způsob, jak se plyn přemění v kapalinu. Objevil důležitou organickou sloučeninu - benzen. Prováděl také pionýrské výzkumy s optickým sklem a slitinami oceli.
    Roku 1821 se Faraday dne 2.6. oženil se Sárou Bernardovou a dne 21.3. byl povýšen do funkce správce Královského institutu.
    V létě roku 1831 se vrátil zpět k elektromagnetickým silám a přišel jeho největší objev (znovu inspirovaný Boškovišem). Faraday věřil, že by mělo být možné používat magnetické silové pole k přenosu elektřiny z jednoho místa do druhého. Obalil vodič kolem kovového prstence a připojil jej k baterii. Oersted tvrdil, že je-li okruh zapojen, bude v prstenci vznikat magnetické pole. Faraday proto obalil druhý vodič i kolem dalšího prstence a připojil jej k elektrometru. Zapojil baterii, vytvořil magnetické pole a s potěšením sledoval, jak ručička elektrometru poskočila. Přes magnetické pole úspěšně převedl elektřinu z jednoho vodiče do druhého. Vzápětí však ručička skočila zpět na nulu. Baterie byla stále zapojená, ale v druhém vodiči už žádný elektrický proud nebyl. Ještě podivnější byl pohyb ručičky elektrometru ve chvíli, kdy Faraday baterii vypnul. Indukce zřejmě potřebuje více než pouhou přítomnost magnetického pole. Faraday nyní umístil otočnou měděnou desku mezi póly silného permanentního magnetu, a tak vytvořil na destičce konstantně se měnící magnetické pole. Spojil vodiče se středem a okraji destičky a získal konstantní elektrický proud. Při tomto pokusu zjistil, že Oerstedův objev lze rozšířit - magnetické pole může být použito k výrobě elektřiny. Takto byla objevena elektromagnetická indukce a zároveň i dynamo.
    Když pak koncem roku 1831 demonstroval Faraday svoje první dynamo, zeptal se ho jeden z prominentních hostů Robert Peel:"To všechno je sice hezké, ale k čemu to vlastně bude?" Badatel odvětil:"Nevím. Vím ale, že na to vláda uvalí daň." Peelovu otázku zodpověděl německý elektrotechnik Werner Siemens vynálezem univerzálně použitelného dynama s vlastním buzením, které umožnilo vyrábět elektrický proud levně a ve velkém.
    V letech 1830 - 1851 byl Faraday profesorem chemie na Královské vojenské akademii ve Woolwichi. V letech 1836 - 1865 působil Faraday jako vědecký poradce na Trinity House. Tato organizace je odpovědná za bezpečnou plavbu okolo pobřeží Británie. Ve 40. letech 19. století Faraday vylepšil způsob osvětlení majáků - vyvinul účinnější metodu spalování paliva pro osvětlení. Na počátku let 60. pak experimentoval s elektrickým osvětlením majáků.
    Faraday se dále věnoval propojování nauky o elektřině a své oblíbené chemie. Kvantitativním měřením produktů rozkladu při elektrolýze dospěl roku 1834 k zákonům elektrolýzy (dělení chemických látek pomocí elektrického proudu), rozdělil materiály podle elektrické vodivosti, rozvinul základní teorii elektromagnetismu - opět založenou na učení o silových polích.
    Faraday roku 1837 objevil působení dielektrika na elektrostatické procesy. Objevil polarizaci dielektrika. Zjistil, že pokud se prostor mezi elektrodami kondenzátoru vyplní místo vzduchu dielektrikem, kapacita kondenzátoru se zvýší. Faraday zavádí novou veličinou - dielektrickou konstantu a určuje její hodnotu pro rozličné materiály.
Faradaova měření dielektrické konstanty - pevné látky
měřená látka dielektrická konstanta
šelak 2,26
síra 2
sklo 1,76 a více
Faradayova měření dielektrické konstanty - kapaliny a plyny
měřená látka dielektrická konstanta
terpentýn 2,16
petrolej 2,03 - 2,07
sirovodík 1,81
    Nezávisle na něm pracuje na stejném problému i Cavendish, ale své výsledky zatím nepublikuje. Faraday za tímto účelem používá dva kondenzátory, z nichž jeden je znázorněn na obrázku (Obr.1 - V)

Obr. 1 - V - Faradayův kondenzátor

Kondenzátor se skládá z mosazné koule A, která je obklopena mosaznou koulí B. Obě koule jsou nevodivě odděleny šelakovou tyčinkou. Skrz tuto tyčinku je veden drát spojující kouli A s další koulí a. Vnější koule B je složena ze dvou částí, které bylo možné od sebe oddělit a vyplnit zkoumaným materiálem. Měření spočívalo v porovnání kapacit kondenzátorů. Porovnávala se situace při vyplnění jednoho kondenzátoru zkoumaným materiálem a při vyplnění druhého kondenzátoru suchým vzduchem, který má dielektrickou konstantu blízkou jedné. Faraday jeden z kondenzátorů nabil a pak vodivě spojil vnější koule a. Tím došlo k nabití i vnitřní koule A zatím nenabitého kondenzátoru. Následně vodivě spojil vnější koule B. Tímto postupem byly oba kondenzátory nabity stejným nábojem. V případě stejných kapacit obou kondenzátorů byl náboj rozdělený rovnoměrně a potenciál měřený ve vodivém spojení přesně poloviční oproti samotnému kondenzátoru (nespojenému s druhým). Pokud byla kapacita jednoho kondenzátoru větší než kapacita druhého, výsledný potenciál nebyl přesně poloviční oproti samotnému kondenzátoru, protože nedošlo k rovnoměrnému rozdělení náboje. Došlo k rozdělení náboje ve stejném poměru, jaký byl poměr kapacit měřených kondenzátorů. Potenciál měřil Faraday pomocí torzních vah.
    V roce 1843 dokázal Faraday větu o zachování elektřiny. Do izolované nádoby spojené vodivě s elektrometrem vložil elektricky nabitou kovovou kouli zavěšenou na dlouhé hedvábné niti, vzniklá výchylka elektrometru ukazovala velikost náboje koule. Poté Faraday ukázal, že tato výchylka vůbec nezávisí na tom, co se ještě v nádobě nalézá a co se v ní děje s nábojem. Ten lze převést úplně nebo částečně na jiné vodiče a nic se nemění. Teprve zavedou-li se do nádoby nové náboje, změní se výchylka elektrometru, který pak ukazuje algebraický součet daných nábojů. Tento důkaz je významem rovnocenný důkazům zákona zachování energie.
    V roce 1845 oznámil Faraday užaslému světu, že polarizaci světelného paprsku lze otočit silným elektromagnetem. Objevil magnetické stáčení polarizační roviny magnetooptickým efektem - tzv. Faradayův efekt. Faraday zjistil, že látky jsou ovlivňovány magnetickými silami. Další experimenty vedly k objevení diamagnetismu. Tyto výzkumy vedly k vytvoření teorie elektromagnetického pole.
    Po osmi letech takřka neustávajícího pracovního vypětí se Faraday zhroutil. Šest let se zotavoval, než se dokázal vrátit k vědecké práci. V roce 1846 a v letech následujících zjistil, že téměř všechny materiály mají diamagnetické vlastnosti, kdežto paramagnetismus je výjimkou. Odtud dospěl k názoru, že není možné, aby elektřina a magnetismus působily od tělesa k tělesu ničím nezprostředkovány. Přišel s tvrzením, že všechny síly, které se v přírodě vyskytují, jsou ve skutečnosti manifestací síly jediné, univerzální síly. Tato teorie ho vedla k dalším spekulacím. Každý materiál by měl reagovat na magnetické pole - tedy nejen kovy, ale také dřevo či vzduch.
   Roku 1850 přišel Faraday s další zajímavou myšlenkou. Mnoho významných vědců věřilo, že vesmír je v podstatě prázdný a síly putují tímto prázdnem nekonečnou rychlostí. Faraday tvrdil, že vesmír je zaplněný médiem schopným přenášet elektřinu a magnetismus a další síly. Ani sám Faraday nedokázal tuto myšlenku dovést do konce. Chyběly mu k tomu matematické znalosti. V roce 1855 však tuto ideu začal do řeči čísel převádět tehdy teprve čtyřiadvacetiletý nadaný matematik z Cambridgeské univerzity James Clerk Maxwell. Jeho práce nakonec vedla k důkazu, že elektřina a magnetismus jaou opravdu spojenou silou.
    Ke konci života se Faraday potýkal s těžkou nemocí, která byla pravděpodobně způsobena chronickou otravou rtutí. Poslední léta svého života již nemohl pracovat. Michael Faraday zemřel 24. srpna 1867 v Hampton Court nedaleko Londýna, v domě, který dostal k užívání od královny Viktorie. Pochován je na hřbitově v Highgate. Jeho pamětní deska zdobí Westminsterské opatství. Na jeho počest byla pojmenována jednotka kapacity kondenzátoru - 1 farad.
    Faraday byl nejen chytrý, ale zároveň pohledný, a tak se jeho přednášky těšily velké popularitě. Jeho popularitě určitě pomohlo, že neměl nijak rozsáhlé matematické vzdělání a ve svých přednáškách i odborných pracích nikdy nepoužil jediný vzorec. Zato z něj ale neustálá potřeba nový nápadů a výtvorů udělala jednoho z nejlepších experimentátorů všech dob a své posluchače okouzloval schopností vyložit i ten nejsložitější problém dokonale názorným způsobem. To platilo i o tak abstraktních pojmech jako elektřina a magnetismus.
    Byl váženým občanem, přitom však některé z vysokých poct společnosti ze skromnosti nepřijal (odmítl povýšení do rytířského stavu i nabídku, aby se stal prezidentem britské Královské společnosti). Byl velice kulturním člověkem, znal se osobně s řadou předních umělců své doby a byl také sám aktivním hudebníkem. V Royal Institution založil tradici veřejných přednášek o vánočních svátcích, které se konají dodnes.
    Základním Faradayovým dílem, které pojednává o většině jeho fyzikálních objevů, je třísvazkový soubor experimentálních výzkumů o elektřině Experimental Researches in Electricity.
    Faraday se stal jedním z největších vědců 19. století. Mnoho odborníků ho považuje za největšího experimentátora, který kdy žil. Několik závěrů, které odvodil přímo z experimentů (například magnetické síly), se stalo nedílnou součástí klasické fyziky. Napsal manuál praktické chemie, objevil množství nových organických sloučenin (mezi nimi již zmiňovaný benzen) a byl první, kdo zkapalnil "věčný" plyn (neveřil, že plyn nelze zkapalnět). Nicméně jeho hlavní přínos byl na poli elektřiny a magnetismu. Získal dobrou shodu mezi experimentálními a teoretickými výsledky. Faraday vytvořil několik pojmů, které se dodnes používají: ion, elektroda, katoda, anoda, a další. Měl dlouhé a šťastné, leč bezdětné manželství. Faraday je také autorem mnoha vědeckých publikací. V jeho díle je popsáno více než tři tisíce pokusů.